Principes de base des mesures de jauge de contrainte

La jauge de contrainte est l'un des outils les plus utiles pour mesurer précisément l'expansion ou la contraction d'un matériau lorsque des forces sont appliquées. Les jauges de contrainte sont également utiles pour mesurer les forces appliquées indirectement si elles sont alignées approximativement linéairement avec la déformation du matériau.

Que sont les jauges de contrainte

Les jauges de contrainte sont des capteurs dont la résistance électrique varie proportionnellement à la quantité de déformation (déformation d'un matériau).

Une jauge de contrainte idéale changerait sa résistance proportionnellement à la contrainte longitudinale sur la surface à laquelle le capteur est fixé.

Cependant, il existe d'autres facteurs qui peuvent affecter la résistance, tels que la température, les propriétés du matériau et l'adhésif qui lie la jauge au matériau.

Une jauge de contrainte consiste en une grille parallèle de fil métallique très fin ou d'une feuille liée à la surface tendue par une fine couche isolée d'époxy. Lorsque le matériau collé est contraint, la contrainte est transmise à travers l'adhésif. La forme de la grille est conçue dans un modèle qui fournit un changement de résistance maximal par unité de surface.

Comment sélectionner la jauge de contrainte

Lors du choix d'une jauge de contrainte pour une application, les trois principales considérations sont la température de fonctionnement, la nature de la déformation à détecter et les exigences de stabilité.

Comme une jauge de contrainte est montée sur une surface tendue, il est important que la jauge soit également tendue avec la surface. Le matériau adhésif doit être soigneusement sélectionné pour transmettre la contrainte au capteur de manière fiable sur une large plage de températures et dans d'autres conditions.

La valeur de résistance d’une jauge de contrainte varie en fonction de la déformation appliquée en fonction de: changement de R / R = S où R est la résistance, e est la déformation et S est le facteur de sensibilité à la déformation. Pour les jauges à feuille métallique, le facteur de sensibilité à la déformation est d'environ 2.

Les incréments de déformation sont généralement inférieurs à 0,005 pouce / pouce et sont souvent exprimés en unités de micro-déformation. D'après la formule, on voit que la résistance de la jauge de contrainte changera en très petites quantités avec la déformation donnée, de l'ordre de 0,1%.

Une lecture de tension peut alors être prélevée sur cette résistance en termes de milli-volts par volt (mV / V) pour fournir la valeur de mesure de la déformation.

Le coefficient de Poisson est une mesure de l'amincissement et de l'allongement qui se produisent dans le matériau lorsqu'il est contraint. Si une force de traction est appliquée à un fil résistif par exemple, le fil deviendrait légèrement plus long, et en même temps deviendrait plus mince. Ce rapport de ces deux déformations est le coefficient de Poisson.

C'est le principe de base des mesures de jauge de contrainte, car la résistance du fil augmenterait proportionnellement en raison de l'effet de Poisson.

Comment mesurer avec précision la sortie de la jauge de contrainte

Pour mesurer avec précision un petit changement de résistance, les jauges de contrainte se trouvent presque toujours dans une configuration en pont avec une source d'excitation de tension.

Le pont de Wheatstone est couramment utilisé comme indiqué dans le diagramme. Le pont est équilibré lorsque les rapports de résistance sont égaux des deux côtés, ou R1 / R2 = R4 / R3. Evidemment, la tension de sortie est nulle dans cette condition.

À mesure que la résistance de la jauge de contrainte (Rg) change, la tension de sortie (Vout) change de quelques milliVolts, et cette tension est ensuite amplifiée par un amplificateur différentiel pour renvoyer une valeur lisible.

Ce circuit de Wheatstone est également bien adapté à la compensation de température - il peut presque éliminer les effets de la température. Parfois, le matériau de la jauge est conçu pour compenser la dilatation thermique, mais cela ne supprime pas totalement la sensibilité thermique.

Pour obtenir une meilleure compensation thermique, une résistance telle que R3 pourrait être remplacée par une jauge de contrainte similaire. Cela aurait tendance à annuler les effets de la température.

En fait, les quatre résistances pourraient être remplacées par des capteurs à jauge de contrainte pour une stabilité de température maximale. Deux d'entre eux (R1 et R3) pourraient être configurés pour mesurer la compression, tandis que les deux autres (R2 et R4) sont configurés pour mesurer la tension.

Non seulement cela compense la température, mais cela augmente également la sensibilité d'un facteur de quatre.Les jauges de contrainte avec éléments à résistance électrique sont de loin le type de capteur le plus courant pour mesurer la déformation, car elles présentent également les avantages d'un coût inférieur. comme étant bien établie.

Ils sont disponibles en petites tailles et ne sont que modérément affectés par les changements de température, réalisant simultanément une erreur inférieure à +/- 0,10%. Les jauges de contrainte à résistance collée sont également très sensibles et peuvent être utilisées pour mesurer à la fois la déformation statique et dynamique.

Cependant, il existe d'autres types disponibles pour certaines applications, telles que piézo-résistive, carbone-résistive, semi-conductrice, acoustique, optique et inductive.

Il existe même des capteurs à jauge de contrainte basés sur un circuit de condensateur.