Mesure avec des jauges de contrainte : Comment éviter les effets de température, non désirés, sur le résultat de votre mesure

Dans cet article, nous vous montrerons ce que les effets de la température (non désirés) peuvent affecter le résultat de mesure lorsque l’on travaille avec des jauges de contrainte. Vous y trouverez également une aide pratique sur la façon dont vous pouvez réduire considérablement ces effets voir même les compenser entièrement. La plupart des aspects importants sont regroupés ensemble dans une liste de contrôle à la fin de l'article.

Les changements de température pendant une mesure avec des jauges de contrainte peuvent avoir fréquemment des effets indésirables sur le résultat de cette mesure. Heureusement un certain nombre d'options sont disponibles : par exemple de faire le « bon » choix de la jauge de déformation, de prendre celle qui adaptent au mieux à l'application, de réaliser le câblage en montage de Wheatstone pour bénéficier des avantages d’un demi pont ou d’un pont complet mais également par des solutions informatiques dans le but de compenser en grande partie les effets de température.

Quelles caractéristiques peuvent être affectées par les changements de température et que pouvez-vous faire pour contrecarrer ceci

Caractéristiques influencées

Mesures compensatrices possibles

Déformation du matériau Utiliser des jauges auto-compensées
Résistance du câble Employer des câbles multiconducteurs
Coefficient de température du facteur de jauge Très bas, il est habituellement ignoré. Compensation informatique si la mesure simultanée de la température est possible.
Influence sur le module d'élasticité Habituellement ignorée
 
Les points suivants, qui peuvent être aussi liés à la température, sont également appropriés :

Effets

Mesures compensatrices possibles

Auto-échauffement de la jauge Respecter la tension d'excitation maximale
Climat / Hygrométrie Protection complète du point de mesure
Fluage de la colle Respecter les limites de température de l'adhésif utilisé

 

 

Principaux facteurs: Effets sur les matériaux et sur les câbles

Une attention particulière doit être portée à ces deux caractéristiques d'influence :

  • Déformation du matériau (« Contrainte apparente »)
  • Effets résultant de la résistance du câble de mesure.

Que devrait-on faire au sujet de la déformation matériau (« Contrainte apparente ») ?

Les matériaux, qui sont mesurés, se déforment à mesure que la température augmente. Cette déformation est décrite par le coefficient d'extension du matériau. Cette valeur dépend du matériau. Pour l'acier, c'est approximativement 11 µm/m/°C, par exemple, cela signifie une déformation de 11 µm/m pour une différence thermique de plus ou moins un degré Celsius. Cette déformation, influencée par des changements de température, est finalement une contrainte « apparente », en d'autres termes une contrainte sans aucune charge.

Changement de volume

∆V = α •V0•∆ T

La meilleure contre- mesure est, dans ce cas-là, l'utilisation de jauges de contrainte auto-compensées. Le comportement en température de ces jauges de contrainte est adapté à un matériau spécifique de sorte qu'elles compensent la contrainte apparente (et donc la déformation du matériau de la pièce due à la température).

Que peut-on faire dans le cas du changement de résistance du câble ?

Quand un montage deux fils est utilisé (voir le schéma), la résistance du câble de mesure s’ajoute à la résistance de la jauge de contrainte et influence donc la mesure. En plus de la dérive du zéro et de la réduction du facteur de jauge, la résistance du câble de mesure est également dépendante de la température. Dans ce cas, la solution appropriée est l'utilisation de câbles multiconducteurs comme décrite ci-dessous.

Autres caractéristiques influencées par les effets de température

En plus de ces deux facteurs principaux, il y a d'autres caractéristiques pour lesquelles les effets de température jouent un rôle.

La somme de ces effets peut être ignorée et cependant peut être habituellement résolue par une compensation informatique (voir l'explication sur la compensation informatique ci-dessous).

Coefficient de température du facteur de jauge

Le facteur de jauge est la propriété la plus importante d’une jauge de contrainte. Il décrit la corrélation entre la contrainte et le changement de résistance. Le facteur de jauge dépend de la température. Avec des coefficients de température typiques du facteur de jauge de 0.01 % /°C, son effet de déformation sur le résultat de mesure est relativement faible et donc la plupart du temps il est ignoré. Cependant, une compensation informatique (pour la mesure de  température) est également faisable.

Dépendance à la température du module d'élasticité

Le module d'élasticité est une propriété du matériau dépendante du corps d’épreuve. Il décrit la corrélation entre la contrainte mesurée et l'effort mécanique. Le module d'élasticité dépend de la température. La valeur typique pour l'acier est d’environ -0,02%/°C. En analyse des contraintes expérimentale, l'effet du module d'élasticité est typiquement ignoré. Avec les capteurs de haute précision qui peuvent être étalonnés, la compensation s'effectue au moyen d'éléments en nickel dans le pont de jauge.

Auto-échauffement de la jauge de contrainte (Tension d'excitation)

La tension d'excitation crée un réchauffement de la jauge de contrainte par rapport au corps d’épreuve. Selon la conductivité thermique du corps d’épreuve, la conductibilité de la chaleur est plus ou moins absorbée par le corps d’épreuve. Si celui-ci conduit mal la chaleur, le résultat peut être une différence de température entre le corps d’épreuve et la jauge de contrainte. Ceci peut probablement interférer le fonctionnement de la jauge de contrainte auto-compensée, si la tension d'excitation est maximale.

Climat et Hygrométrie

Si le point de mesure n'est pas correctement et entièrement protégé, une dérive du zéro absolu peut se produire selon l'hygrométrie. C'est dû aux molécules d'eau des matériaux de l’adhésif et du support de jauge étant absorbées (hygroscopie). La solution appropriée est de recouvrir soigneusement tout le point de mesure.

Fluage de l’adhésif

À mesure que la température augmente, les adhésifs deviennent mous et ne peuvent plus transférer à 100% la contrainte. De cette façon, ils sont comparables à un facteur de jauge en baisse. Pour cette raison, il est important de toujours observer les limites de température de l'adhésif et de les choisir convenablement pour le type d'application.

Mesures compensatrices

Utilisation de jauges de contrainte auto-compensées

Des jauges de contrainte auto-compensées ont été tout particulièrement développées pour compenser le comportement en température de certains matériaux par leur propre comportement en température. Cela signifie qu'elles peuvent contrecarrer la contrainte apparente (et ainsi la déformation induite du corps d’épreuve). Par conséquent, il faut choisir la jauge de contrainte ayant une réponse en température appropriée au matériau du corps d’épreuve.

Ajustements en température pour les matériaux généralement utilisés avec les jauges de contrainte auto-compensées :

Code

Matériaux (exemples)

α (·10-6 / °K)

1 Acier ferritique  10.8
3 Aluminium  23
5 Acier austénitique  16
6 Silice / Composite  0.5
7 Titane / Fonte grise  9.0
8 Plastique  65
9 Molybdène  5.4

 

 

La sélection d'une jauge de contrainte adaptée au matériau compense la contrainte apparente. Il reste une erreur résiduelle (composant non linéaire). Cette erreur est déterminée pendant la production et est incluse dans la fiche technique (voir l'illustration). Pour des calculs plus étendus, par exemple avec de plus grands changements de température, vous pouvez également exécuter une compensation informatique (voir ci-dessous).

Courbe caractéristique d'erreurs dans une fiche technique typique d’une jauge

Montage en pont de Wheatstone et câblage multiconducteur

Avec l'utilisation de jauges de contrainte auto-compensées, se raccorder en demi - pont ou en pont complet mais aussi en liaison trois ou quatre fils est également une autre méthode très importante de compensation. Ceci est particulièrement utile pour réduire au minimum ou voir même éliminer complètement l’effet de résistance des câbles.

Le montage en pont de Wheatstone convertit les très petits changements de résistance en tension électrique mesurable. Les quatre résistances peuvent être remplacées par une  (montage en quart de pont), deux (montage en demi - pont) ou quatre jauges de contrainte (montage en pont complet).

Puisque les différentes branches sont parcourues avec signe différent dans le montage en pont de Wheatstone, il y a une possibilité de compensation. Cet effet de compensation de température peut être démontré à partir de l'exemple d'une poutre en flexion :

Sous charge positive, l’élément sensible montre une contrainte d’extension (+) sur le dessus et de compression (-) sur le dessous. Si deux jauges de contrainte sont reliées dans un montage en pont de Wheatstone, le résultat est de doubler le signal. Si une contrainte due à la   température se produit, cette contrainte apparaît sur les deux jauges de contrainte avec le même signe. Avec le montage en pont, ces effets sont ainsi éliminés.

L'effet de résistance du câble peut être en grande partie compensé en réalisant une liaison trois fils. Pour faire cela, le fil d'alimentation et le troisième fil additionnel sont câblés dans différentes branches du montage en pont de Wheatstone. Comme les deux câbles se comportent en opposition en raison de la symétrie de la structure et se compensent ainsi mutuellement. Les résistances de câble sont compensées par une liaison trois fils, excepté dans le cas de câbles asymétriques et des mesures avec des gradients de température.

Tous les effets de câble sont compensés par la liaison quatre fils brevetée de HBM.

Compensation informatique

La compensation informatique peut être exécutée pour le cas de l'erreur résiduelle des jauges de contrainte auto-compensées, de l’erreur d'une jauge de contrainte qui n'est pas ajustée ou  mal ajustée mais aussi pour d'autres petites erreurs (telles que la dépendance à la température du facteur de jauge).

Pour cette méthode, la température est mesurée en parallèle et la contrainte mesurée est corrigée par une correspondance en ligne de la voie ou bien par calcul. Les gradients de température doivent également être considérés. Des points de mesure multiples doivent être donnés pour la température au besoin. Les outils logiciels tels que catman® de HBM offrent également des fonctions appropriées pour cette compensation informatique.

Utilisation d'un amplificateur à fréquence porteuse

En plus de la jauge elle-même, l'amplificateur joue également un rôle important si l’on  considère les influences de la température. Ceci s'applique particulièrement pour les tensions thermoélectriques :

A cause de l'effet thermoélectrique, une tension électrique dépendante de la température se produit là où différents matériaux sont reliés. Les thermocouples se servent de cet effet. Cependant, ceci a également un effet sur le système de mesure à jauges de contrainte (erreur sur le zéro (signal de retour nul)).

La tension thermoélectrique peut être en grande partie compensée en utilisant un amplificateur à fréquence porteuse. Dans ce type d’appareil, l’alimentation se fait avec  tension sinusoïdale de sorte que le signal de mesure puisse être modulé au signal périodique. La démodulation est effectuée numériquement après que le signal soit passé par un filtre pass bande pour que les tensions thermoélectriques quasi statiques puissent être filtrées et non visibles en sortie de l’amplificateur.

Limites de température des jauges de contrainte et des adhésifs

La température ambiante des jauges de contrainte à trame pelliculaire est limitée par les matériaux employés. La plage maximum est autour de 300°C à 400°C. Si des mesures doivent être menées à températures plus élevées, des jauges de contrainte hautes températures qui fonctionnent selon différents principes doivent alors être employées.

Les limites de température des jauges de contrainte HBM sont :

  • Série Y : 200°C
  • Série M : 300°C
  • Série C : 250°C
  • Série G : 200°C
  • Jauges pré-câblées : 150°C

Naturellement, on doit également observer la limite de température de la colle que vous employez. Si celle-ci devient molle par échauffements, la contrainte ne sera plus transférée correctement. Par conséquent, on doit tenir compte des limites de température de cette colle.  Les adhésifs sont divisés en deux catégories : colles à froid et colles à chaud. Leur polymérisation dépend de la température nécessaire au collage soit c’est la température ambiante ou c’est une température régulée d’un four. Les limites de température des colles HBM sont :

Collage à chaud :

  • EP310S: 310°C
  • EP150: 150°C


Collage à froid :

  • Z70: 120°C
  • X60: 80°C
  • X280: 280°C

Checklist : Voici la plupart des points importants concernant la compensation de température des jauges de contrainte

Selon la caractéristique d'influence, diverses options sont disponibles pour réduire au minimum l'influence des effets de la température sur le résultat de mesure. Voici votre liste de contrôle pour des mesures avec une faible influence de température :

  • Employer des jauges de contrainte auto-compensées
  • Utiliser un montage en pont de Wheatstone en liaison trois ou quatre fils
  • Choisir un amplificateur à fréquence porteuse pour exclure les tensions thermoélectriques
  • Faire une compensation informatique : nécessite une mesure en parallèle de la température
  • Respecter les limites de température des jauges de contrainte et des colles

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