Jauges de contrainte : mesure de précision du stress mécanique

Quand une bande mince de métal conducteur est étirée, elle devient plus mince et plus longue, augmentant sa résistance électrique d'extrémité à extrémité. Inversement, comprimer la bande (sans flambage) l'élargit et la raccourcit, réduisant la résistance. En maintenant la déformation dans la limite élastique du métal, les changements de résistance de la bande deviennent un indicateur fiable de la force mécanique appliquée.

Qu'est-ce qu'une jauge de contrainte ?

Un dispositif qui exploite ce principe est appelé jauge de contrainte. Largement utilisées en R&D mécanique, les jauges de contrainte permettent la quantification des contraintes dans tout, des machines industrielles aux composants d'avions. Les jauges typiques sont plus petites qu'un timbre-poste et ressemblent à la figure ci-dessous :

Les conducteurs de jauge de contrainte sont ultra-minces : s'ils sont fabriqués en fil rond, ils mesurent environ 1/1000 pouce de diamètre. Alternativement, un film métallique peut être déposé sur un substrat non-conducteur — connu comme le support — pour former une jauge collée. Coller une jauge sur un spécimen de test (la structure sous test) est une procédure qualifiée ; des lectures de contrainte précises et stables dépendent d'une préparation de surface méticuleuse, du choix de l'adhésif et de l'alignement.

Résistance de la jauge de contrainte

Les jauges sans contrainte présentent typiquement des résistances allant de 30 Ω à 3 kΩ. Parce que les limites élastiques de la jauge et du spécimen restreignent la contrainte maximale admissible, le changement de résistance correspondant est souvent seulement quelques dixièmes de pourcent. Par conséquent, détecter de telles variations minuscules exige une instrumentation extrêmement précise ; sinon, toute force excessive déformerait définitivement la jauge ou le spécimen, rendant la mesure invalide.

Circuit de mesure en pont

Pour capturer ces changements de résistance subtils, un circuit en pont de type Wheatstone est employé. Contrairement au pont classique qui cherche une condition nulle, un pont de jauge de contrainte rapporte la contrainte par le degré de déséquilibre, mesuré par un voltmètre à haute résolution positionné au centre du pont :

Dans une configuration quart-de-pont typique, le bras rhéostat (R₂) est pré-réglé sur la résistance de la jauge sans contrainte, tandis que les deux bras de rapport (R₁ et R₃) sont assortis. Quand la jauge subit tension ou compression, sa résistance change, déséquilibrant le pont et produisant une tension mesurable.

Résistances des fils

Puisque la jauge et ses fils peuvent être séparés par une distance significative, la résistance en série du câblage (R_fil1 et R_fil2) peut introduire des erreurs en contribuant à la résistance totale du bras rhéostat inférieur. Cette résistance parasite peut être mal interprétée comme contrainte par le voltmètre.

S'il est impossible d'éliminer cet effet entièrement, il peut être atténué en ajoutant un troisième fil qui connecte la borne positive du voltmètre directement au nœud supérieur de la jauge :

Avec le troisième fil portant un courant négligeable, sa résistance n'affecte pas la division de tension. Cet arrangement contourne efficacement la résistance du fil supérieur, ne laissant que la résistance en série du fil inférieur influencer la mesure — divisant par deux l'erreur potentielle par rapport à la configuration deux fils.

Compensation de température

Tous les conducteurs présentent un changement de résistance dépendant de la température, qui peut masquer les vrais signaux de contrainte. Une solution robuste consiste à employer une jauge factice à la place du bras rhéostat (R₂) pour que les deux bras du pont changent de résistance proportionnellement avec la température. Le circuit devient alors immunisé contre les fluctuations de température car tout changement de résistance en mode commun s'annule :

Ici, R₁ et R₃ restent assortis, et les deux jauges sont collées sur le même spécimen. Seule la jauge exposée à la contrainte mécanique (la jauge active) varie en résistance avec la force appliquée ; la jauge factice reste fixe, assurant que le déséquilibre du pont reflète la contrainte seule.

Configurations quart-de-pont et demi-pont

Bien qu'une seule jauge dans la configuration à jauge factice réponde à la contrainte, l'arrangement est encore appelé quart-de-pont. En positionnant une seconde jauge active sur le côté opposé du spécimen — de sorte qu'une jauge subisse compression pendant que l'autre subit tension — les deux jauges deviennent sensibles à la contrainte. Cette disposition demi-pont double la sensibilité et supprime davantage les effets de température, puisque les deux jauges partagent toujours des coefficients de température identiques.

Dispositions de collage typiques pour un demi-pont sont illustrées ci-dessous :

Quand une charge descendante est appliquée, la jauge #1 s'allonge tandis que la jauge #2 se comprime, générant une résistance différentielle qui entraîne le déséquilibre du pont.

Circuits pont complet

Quand le spécimen peut accueillir des paires de jauges complémentaires sur les quatre bras, un pont complet est employé. Cette topologie maximise la sensibilité et la linéarité car chaque bras suit activement la contrainte, assurant que la tension de sortie est directement proportionnelle à la force appliquée :

Les circuits pont complet sont préférés quand c'est faisable. Ils offrent une précision supérieure et une réponse linéaire comparée aux arrangements quart- ou demi-pont, qui ne fournissent qu'une proportionnalité approximative à moins que le changement de résistance ne reste infinitésimal par rapport à la résistance nominale de la jauge.

Les systèmes de jauges de contrainte sont souvent vendus comme cellules de charge intégrées — boîtiers scellés contenant les éléments de jauge et les résistances de pont, protégés des facteurs environnementaux et prêts pour fixation mécanique sur une structure.

Parce que la technologie des jauges de contrainte peut devenir complexe, un traité dédié dépasse le cadre de cet article, mais les principes exposés ci-dessus forment la base pour une mesure fiable du stress mécanique.

Récapitulatif

• Une jauge de contrainte est une bande de métal mince qui change de résistance sous déformation élastique, permettant la mesure de force.
• Les changements de résistance sont lus avec un circuit en pont, qui fournit haute précision et compensation de température.

Fiches d'exercices associées

• Fiche d'exercices : Circuits en pont CC