Comprendre la jauge de contrainte

Un transducteur passif, tel qu'une jauge de contrainte, transforme un déplacement mécanique en un changement de résistance. Il s'agit d'un dispositif mince semblable à une plaquette 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 fixée à la structure lorsqu'elle est sollicitée. Il augmente la résistivité de la jauge, ce qui se traduit par un signal électrique proportionnel à la déformation. Lorsqu'il est soumis à un déplacement, le capteur de déplacement à jauge de contrainte comprend une structure fixée à la jauge de contrainte qui se déforme élastiquement.

Dans cet article, vous apprendrez la définition, l'application, les exigences, les pièces, 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 connue sous le nom de jauge de contrainte) est un appareil qui mesure la quantité de contrainte sur un élément. 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'article. Au fur et à mesure que l'objet se déforme, la feuille se déforme également, modifiant la résistance électrique. Le facteur de jauge est une quantité liée au changement de résistance, qui est généralement mesurée à l'aide d'un pont de Wheatstone.

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

La déformation est une mesure non dimensionnelle, c'est-à-dire un rapport entre la longueur modifiée d'un objet et sa longueur initiale. En conséquence, une déformation positive se produit lorsqu'un matériau est étiré, tandis qu'une déformation négative se produit lorsqu'un matériau est comprimé. La contrainte est définie comme la force appliquée divisée par la section transversale initiale de l'objet ou la capacité de résistance interne de l'objet.

Candidature

Les jauges de contrainte sont couramment utilisées dans le génie civil et la surveillance géotechnique pour identifier les pannes dans des structures telles que des ponts, des bâtiments et d'autres structures. Étant donné que toute déformation considérable peut entraîner des blessures ou la mort, ces structures doivent être surveillées en permanence. Ces jauges sont largement utilisées en raison de leur grande précision, de leur capacité à fonctionner à de grandes distances de l'objet à tester et de leur facilité de configuration et de maintenance sur de longues périodes.

Les tests en plein air ne sont souvent pas les mêmes que les tests en laboratoire dans 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 difficiles et produire des données fiables et de haute précision. Un gadget spécialisé comme une jauge de contrainte est souvent nécessaire lorsqu'un ingénieur teste des produits aux formes irrégulières dans des endroits difficiles avec des configurations difficiles d'accès. Par exemple, des millions de jauges de contrainte sont utilisées dans les applications aérospatiales pour vérifier les résultats des simulations CAO (conception assistée par ordinateur) et FEA (analyse par éléments finis). Ces tests sont fréquemment effectués dans des conditions dynamiques afin de fournir une représentation réaliste de la façon dont diverses forces affectent les avions.

Des tests statiques sont également régulièrement effectués avec des jauges de contrainte. La télémétrie sans fil est utilisée par certains ponts, qui envoient les résultats des tests via Ethernet. D'autres ponts, en revanche, sont soumis à une inspection visuelle ou à un ressuage pour détecter les défauts de surface. Bien que ces technologies soient rentables, elles ne permettent pas une inspection continue, ce qui peut entraîner des effondrements catastrophiques comme le pont en treillis d'acier I-35 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 des jauges de contrainte, de réparations importantes ou de remplacement. Voici les applications courantes d'une jauge de contrainte :

• Mesure de la déformation
• 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

Exigence de matériau de jauge de contrainte

Une bonne jauge de contrainte doit pouvoir effectuer les opérations suivantes :

• La jauge de contrainte doit être de taille modeste et légère.
• Il doit être extrêmement sensible à la tension.
• Le facteur de jauge d'une jauge de contrainte doit être élevé.
• Il doit être simple à attacher au spécimen.
• Il doit avoir un temps de réponse rapide et peu de décalage.
• Il doit être capable de faire la différence entre les contraintes statiques, transitoires et dynamiques.
• Il doit pouvoir indiquer et enregistrer des informations à distance.
• La température, l'humidité, les vibrations et d'autres facteurs environnementaux ne doivent pas l'affecter.
• Il doit être abordable, fiable et facilement disponible dans une variété de tailles.

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

Vous trouverez ci-dessous d'autres types de jauges de taches que vous pourriez rencontrer :

Les jauges de contrainte à semi-conducteur, également appelées piézorésistives, sont généralement préférées aux jauges à feuille pour mesurer les petites déformations. Le facteur de jauge d'une jauge à semi-conducteur est généralement supérieur à 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 constituées de nanoparticules semblent être une nouvelle technique prometteuse. Du fait de leur haute impédance, ces capteurs résistifs à zone active constituée d'un assemblage de nanoparticules conductrices, comme l'or ou le carbone, présentent 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 utilisée dans les mesures biologiques, en particulier le débit sanguin et le gonflement des tissus. Cette jauge de contrainte est composée d'une petite quantité de mercure liquide enfermée dans un petit tube en caoutchouc qui est enroulé autour d'un orteil ou d'une jambe, par exemple. Lorsqu'une partie du corps gonfle, le tube se dilate, ce qui le rend à la fois plus long et plus fin, ce qui augmente la résistance électrique.

Pour mesurer la contrainte avec une fibre optique, la détection par fibre optique peut être utilisée. Les mesures peuvent être effectuées à des emplacements aléatoires avec la fibre ou à des points spécifiés. Des capteurs embarqués de ce type sont utilisés sur les bateaux de la Coupe de l'America 2010 Alinghi 5 et USA-17.

Les déformations peuvent également être mesurées à l'aide d'autres techniques optiques telles que l'interférométrie électronique du motif de speckle ou la corrélation d'images numériques.

Les jauges de contrainte à micro-échelle sont fréquemment utilisées 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 annulaires intégrés peuvent être utilisés pour surveiller la contrainte dans les systèmes microoptoélectromécaniques comme alternative aux jauges de contrainte piézo-résistantes (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 des jauges de contrainte à corde vibrante. Un fil vibrant et tendu constitue 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 également des 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 dans les profondeurs les plus profondes 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 du fonctionnement d'une jauge de contrainte.

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.
• Il est compact et peu coûteux.
• Il a une large gamme de fréquences.

Inconvénients :

Malgré les avantages d'une jauge de contrainte, certaines limitations subsistent. Vous trouverez ci-dessous les inconvénients des jauges de contrainte dans leurs diverses applications.

• C'est un système non linéaire.
• Il est extrêmement sensible à la température.
• Il doit être calibré régulièrement.
• Les jauges de contrainte doivent être appliquées manuellement. Il faut du temps et de l'argent pour les mettre à leur place. C'est l'un de leurs défauts les plus graves.

Conclusion

Un transducteur passif, tel qu'une jauge de contrainte, transforme un déplacement mécanique en un changement de résistance. Il s'agit d'un dispositif mince semblable à une plaquette 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 fixée à la structure lorsqu'elle est sollicitée. C'est tout pour cet article, où la définition, l'application, les exigences, les pièces, le diagramme, les types, le fonctionnement, les avantages et les inconvénients d'une jauge de contrainte sont discutés.

J'espère que vous apprendrez beaucoup de la lecture, si c'est le cas, veuillez partager avec d'autres étudiants. Merci d'avoir lu, à bientôt !