Maîtriser les jauges de contrainte : conversion du stress mécanique en signaux électriques précis

Un transducteur passif, tel qu'une jauge de contrainte, transforme le déplacement mécanique en un changement de résistance. C'est un dispositif fin, de type wafer, qui mesure la contrainte appliquée et peut être connecté à une variété de matériaux avec un adhésif approprié. La contrainte qui en résulte déforme la jauge de contrainte attachée à la structure lorsqu'elle est sollicitée. Elle augmente la résistivité de la jauge, résultant en un signal électrique proportionnel à la déformation. Lorsqu'elle est soumise à un déplacement, le capteur de déplacement à jauge de contrainte comprend une structure attachée à la jauge de contrainte qui se déforme élastiquement.

Dans cet article, vous apprendrez la définition, l'application, les exigences, les parties, le diagramme, les types, le fonctionnement, les avantages et les inconvénients d'une jauge de contrainte.

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

Une jauge de contrainte (également orthographiée jauge de contrainte) est un dispositif qui mesure la quantité de contrainte sur un objet. Le type le plus courant de jauge de contrainte, inventé par Edward E. Simmons et Arthur C. Ruge en 1938, consiste en un support flexible isolant qui supporte un motif de feuille métallique. Un adhésif approprié, tel que le cyanoacrylate, est utilisé pour connecter la jauge à l'objet. Au fur et à mesure que l'objet se déforme, la feuille se déforme également, changeant la résistance électrique. Le facteur de jauge est une quantité qui est reliée au changement de résistance, qui est couramment mesuré en utilisant un pont de Wheatstone.

Les ingénieurs utilisent fréquemment les jauges de contrainte pour mesurer l'influence des forces externes sur un objet. Elles mesurent directement la contrainte, qui peut être utilisée pour déduire le stress, le couple, la pression, la déflexion et une variété d'autres métriques.

La contrainte est une mesure non dimensionnelle, qui est un rapport de la longueur modifiée d'un objet à sa longueur initiale. Par conséquent, une contrainte positive se produit lorsqu'un matériau est étiré, tandis qu'une contrainte négative se produit lorsqu'un matériau est compressé. Le stress est défini comme la force appliquée divisée par la section transversale initiale de l'objet ou la capacité de résistance interne de l'objet.

Application

Les jauges de contrainte sont couramment utilisées en génie civil et en surveillance géotechnique pour identifier les défaillances dans les structures telles que les ponts, les bâtiments et autres structures. Parce que toute déformation considérable pourrait entraîner des blessures ou la mort, ces structures doivent être constamment surveillées. Ces jauges sont largement utilisées en raison de leur haute précision, de leur capacité à fonctionner à de vastes distances de l'objet testé, et de leur facilité de mise en place et de maintenance sur de longues périodes.

Les tests en extérieur ne sont fréquemment pas les mêmes que les tests en laboratoire sous des conditions idéales. L'une des raisons pour lesquelles les jauges de contrainte sont si précieuses est qu'elles peuvent être utilisées dans des conditions sévères et produire des données fiables et de haute précision. Un gadget spécialisé comme une jauge de contrainte est fréquemment requis lorsqu'un ingénieur teste des produits aux formes irrégulières dans des endroits difficiles d'accès. Par exemple, des millions de jauges de contrainte sont utilisées dans les applications aérospatiales pour vérifier les résultats des simulations de CAO (Conception Assistée par Ordinateur) et d'EF (Éléments Finis). Ces tests sont fréquemment effectués sous des conditions dynamiques afin de fournir une représentation réaliste de la façon dont diverses forces affectent les avions.

Les tests statiques sont aussi régulièrement effectués avec des jauges de contrainte. La télémétrie sans fil est utilisée par certains ponts, qui envoient les résultats des tests par Ethernet. D'autres ponts, en revanche, sont soumis à une inspection visuelle ou à des tests de pénétration pour détecter les défauts de surface. Bien que ces technologies soient rentables, elles ne permettent pas une inspection continue, ce qui peut mener à des effondrements catastrophiques comme le pont en treillis d'acier I-35 de Minneapolis. Le gouvernement fédéral a désigné le pont comme « structurellement faible » en 1990, ce qui signifiait qu'il devait subir des inspections annuelles. Le pont s'est finalement effondré en 2007, tuant 13 personnes, en raison d'un manque de surveillance continue par jauges de contrainte, de réparations significatives ou de remplacement. Voici les applications courantes d'une jauge de contrainte :

• Mesure de la contrainte
• Mesure de la contrainte résiduelle
• Analyse des vibrations
• Mesure du couple
• Mesure de la flexion et de la déflexion
• Mesure de la compression et de la tension

Exigences du matériau de jauge de contrainte

Une bonne jauge de contrainte doit être capable de faire ce qui suit :

• La jauge de contrainte doit être modeste en taille et légère en poids.
• Elle doit être extrêmement sensible à la contrainte.
• Le facteur de jauge d'une jauge de contrainte doit être élevé.
• Elle doit être simple à attacher à l'éprouvette.
• Elle doit avoir un temps de réponse rapide et peu de décalage temporel.
• Elle doit être capable de faire la différence entre contrainte statique, transitoire et dynamique.
• Elle doit être capable d'indiquer et d'enregistrer des informations à distance.
• La température, l'humidité, les vibrations et autres facteurs environnementaux ne doivent pas l'affecter.
• Elle doit être abordable, fiable et facilement disponible dans une variété de tailles.

Diagramme d'une jauge de contrainte :

Types de jauges de contrainte

Il existe plusieurs types de jauges de contrainte disponibles sur le marché. Voici les différents types de jauges de contrainte :

• Jauges de contrainte linéaires
• Jauges de contrainte rosette à membrane
• Jauges de contrainte linéaires doubles
• Jauges de contrainte à pont complet
• Jauges de contrainte de cisaillement
• Jauges de contrainte à demi-pont
• Jauges de contrainte de colonne
• Rosette à 45° (3 directions de mesure)
• Rosette à 90° (2 directions de mesure)

Voici quelques autres types de jauges de contrainte que vous pourriez rencontrer :

Les jauges de contrainte à semi-conducteurs, également connues sous le nom de piézorésistives, sont généralement préférées aux jauges à feuille pour mesurer de petites contraintes. Le facteur de jauge d'une jauge à semi-conducteur est généralement plus élevé que celui d'une jauge à feuille. Les jauges à semi-conducteurs sont souvent plus chères, plus sensibles à la température et plus délicates que les jauges à feuille.

Les jauges de contrainte faites de nanoparticules semblent être une technique prometteuse. En raison de leur impédance élevée, ces capteurs résistifs avec une zone active composée d'un assemblage de nanoparticules conductrices, comme l'or ou le carbone, ont un facteur de jauge élevé, une grande plage de déformation et une faible consommation électrique.

Une jauge de contrainte au mercure dans le caoutchouc est employée dans les mesures biologiques, particulièrement le flux sanguin et le gonflement des tissus. Cette jauge de contrainte est composée d'une petite quantité de mercure liquide enfermée dans un petit tube de caoutchouc qui est enroulé autour d'un orteil ou d'une jambe, par exemple. Lorsqu'une partie du corps enfle, cela cause l'expansion du tube, le rendant à la fois plus long et plus mince, augmentant la résistance électrique.

Pour mesurer la contrainte le long d'une fibre optique, la détection par fibre optique peut être utilisée. Les mesures peuvent être faites à des emplacements aléatoires le long de la fibre ou à des points spécifiés. Les capteurs intégrés de ce type sont utilisés sur les bateaux Alinghi 5 et USA-17 de l'America's Cup 2010.

Les contraintes peuvent aussi être mesurées en utilisant d'autres techniques optiques telles que l'interférométrie de motif de speckle électronique ou la corrélation d'image numérique.

Les jauges de contrainte à l'échelle microscopique sont fréquemment employées dans les MEMS pour surveiller les contraintes causées par la force, l'accélération, la pression ou le son. Les accéléromètres MEMS, par exemple, sont fréquemment utilisés pour activer les airbags dans les automobiles. Les résonateurs optiques à anneau intégrés peuvent être utilisés pour surveiller la contrainte dans les micro-systèmes optoélectromécaniques comme alternative aux jauges de contrainte piézorésistives (MOEMS).

Un condensateur variable est utilisé dans les jauges de contrainte capacitives pour détecter le niveau de déformation mécanique.

Les applications géotechniques et de génie civil utilisent les jauges de contrainte à fil vibrant. Un fil tendu vibrant compose la jauge. La contrainte est calculée en déterminant la fréquence de résonance du fil (une augmentation de la tension augmente la fréquence de résonance).

Les applications géotechniques utilisent aussi les jauges de contrainte à cristal de quartz. Le capteur crucial de DART est un capteur de pression avec une jauge de contrainte à cristal de quartz résonnant et un collecteur de force à tube de Bourdon. DART détecte les vagues de tsunami aux profondeurs les plus grandes de l'océan. Lors de la surveillance de la pression à une profondeur de plusieurs kilomètres, il a une résolution de pression d'environ 1 mm d'eau.

Principe de fonctionnement

Le fonctionnement d'une jauge de contrainte est assez intéressant, il est moins complexe et facile à comprendre. Regardez la vidéo ci-dessous pour avoir une vue visuelle de comment une jauge de contrainte fonctionne.

Avantages et inconvénients d'une jauge de contrainte

Avantages :

Voici les avantages d'une jauge de contrainte dans ses diverses applications :

• Parce qu'il n'y a pas de pièce mobile, il n'y a pas d'usure.
• Les jauges de contrainte sont extrêmement précises.
• Elle est compacte et peu coûteuse.
• Elle a une large gamme de fréquences.

Inconvénients :

Malgré les avantages d'une jauge de contrainte, certaines limitations persistent. Voici les inconvénients des jauges de contrainte dans leurs diverses applications :

• C'est un système non-linéaire.
• Elle est extrêmement sensible à la température.
• Elle doit être calibrée régulièrement.
• Les jauges de contrainte doivent être appliquées manuellement. Cela prend du temps et de l'argent pour les mettre en place correctement. C'est l'un de leurs défauts les plus sérieux.

Conclusion

Un transducteur passif, tel qu'une jauge de contrainte, transforme le déplacement mécanique en un changement de résistance. C'est un dispositif fin, de type wafer, qui mesure la contrainte appliquée et peut être connecté à une variété de matériaux avec un adhésif approprié. La contrainte qui en résulte déforme la jauge de contrainte attachée à la structure lorsqu'elle est sollicitée. Ceci conclut cet article, où la définition, l'application, les exigences, les parties, le diagramme, les types, le fonctionnement, les avantages et les inconvénients d'une jauge de contrainte sont discutés.

J'espère que vous avez beaucoup appris de la lecture. Si c'est le cas, partagez avec d'autres étudiants. Merci de votre lecture, à bientôt !