Jauges de contrainte : Ce que vous devez savoir

Structure d’une jauge d’extensométrie

Les jauges de contrainte (en abrégé SG) conventionnelles se composent normalement d'un support et d'une grille de mesure conductrice. Pourquoi dit-on quelles sont conventionnelles ? Et bien parce que de nouvelles technologies de SG sont apparues, comme les jauges à fibre optique en réseaux de Bragg, qui fonctionnent d'une manière fondamentalement différente. Le terme « Conventionnelles » signifie ici que les jauges de contrainte sont des jauges électriques.

Pour bien comprendre la structure d'une SG, il est important de connaitre le processus utilisé pour sa fabrication en considérant un modèle standard à titre d'exemple: une feuille polyimide constitue le support. Une couche de Constantin y est appliquée. Le Constantan est un conducteur électrique. Un masque est utilisé pour éliminer toutes les zones qui ne seront conductrices. Ce qui reste, protégé par le masque constitue la grille de mesure. Cette grille, extrêmement fine, est en contact permanent avec la  feuille de support.


La grille de mesure se compose d'un certain nombre de "bandes" disposées parallèlement formant une sorte de grille, qui a l'apparence d'un enroulement en serpentin.

Structure d'une jauge de contrainte typique

Soit dit en passant ... Qu’est-ce qui rend les jauges de contrainte si spéciales ?

Jens Boersch (initialement Responsable produits pour les jauges de contrainte chez HBM, maintenant Responsable de l’équipe de gestion des produits) explique dans cet article comment fonctionne une jauge de contrainte. Pour lui, qu’est-ce qui rend les jauges de contrainte spéciales :

 

"Normalement, nous ne les voyons pas mais elles sont partout bien cachées."

Mode de fonctionnement

"Les jauges de contrainte mesurent la déformation, mais ce qui nous intéresse réellement c'est la contrainte mécanique", explique notre responsable produit Jens Boersch. La contrainte mécanique décrit le degré auquel les forces internes et externes s’exercent dans et sur un matériau. Un facteur crucial de tout cela est les points où les forces agissant sur le matériau et l'intensité de ces forces. Ces études appartiennent au domaine d'application appelé Analyse Expérimentale des Contraintes (ESA pour Experimental Stress Analysis.

Strain gauge working principle
Si une jauge de contrainte est comprimée, sa résistance électrique (Ω) diminue ; si elle est allongée, la résistance augmente.

Par conséquence, plusieurs jauges de contrainte sont généralement fixées en différents endroits sur les éléments testés et elles sont reliées par un câble à un amplificateur de mesure. Si la jauge de contrainte est étirée ou comprimée, la résistance électrique de la grille de mesure varie. La raison est simple, c’est que lorsque la grille de mesure s’allonge, le courant électrique doit parcourir une plus grande distance. En plus le conducteur qu'il traverse est également devenu plus mince, augmentant encore la résistance. À partir de cette variation de résistance, on peut déterminer la contrainte. Elle est exprimée en μm/m. A contrario, la contrainte peut également se déterminée par une compression, autrement dit une tension négative. Dans ce cas, la résistance diminue de la même façon.

Cependant, la déformation n'est pas une contrainte mécanique. Pour déterminer la contrainte, deux points importants doivent être considérés avant tout :

Coefficient de température du matériau

Lorsque la température ambiante varie, le matériau change également. Cette modification est désignée par le coefficient de température α. Exemple: Lorsqu'une bouteille en acier est chauffée, elle se dilate et, avec elle, la jauge collée sur elle. "Cette tension matérielle dépendante de la température est précisément ce que nous ne voulons pas mesurer", explique Boersch. Pour compenser cet effet, les jauges de contrainte sont adaptées à un matériau spécifique et développées pour qu'elles présentent exactement le comportement de température opposé. En fin de compte, les deux effets s'équilibrent, compensant ainsi la contrainte du matériau de sorte que la jauge de contrainte ne mesure que ce pourquoi elle est destinée à mesurer: la contrainte induite par un chargement externe du matériau. Dans ce cas, on parle de jauge auto-compensée ou de jauge avec une réponse de température adaptée

Module d'élasticité (Module de Young)

Lorsqu'un matériau est soumis à une charge, il présente une contrainte mécanique. La contrainte mécanique est une force divisée par zone. Mais comment est-elle reliée à la déformation, qui est enregistrée par une jauge de contrainte ? Cette corrélation peut être définie sous la forme d'une courbe caractéristique pour différents matériaux en soumettant des échantillons de matériaux à des charges dans des conditions bien contrôlées. En règle générale, une plus grande contrainte mécanique est compensée par une augmentation de la déformation, cette corrélation est linéaire. C'est ce qu'on appelle la plage élastique et la corrélation est décrite par le module d'élasticité.

Au-delà d’un certain point, cependant, le matériau est tellement déformé par la force opérante qu'il ne peut plus revenir à son état d'origine. Cette déformation plastique se poursuit jusqu'à ce que le matériau se casse. Seule la plage linéaire, où aucune déformation plastique ne se produit, est intéressante pour l'analyse expérimentale des contraintes.

Si le module d'élasticité d'un matériau donné est connu, la contrainte mécanique peut être déterminée en fonction de la déformation : c'est l'objectif des mesures avec des jauges de contrainte.

Strain gauge geometry explanations
Cette géométrie de jauge (Rosette T) convient par exemple pour mesurer des états de contrainte bi-axiale avec la direction principale connue.

Comment les jauges de contrainte se différencient entre-elles ?

""Il existe des caractéristiques importantes qui permettent de différencier les différentes jauges de contrainte : tout particulièrement la géométrie, la longueur de la grille de mesure et l'adaptation en température".

– Jens Boersch

 

HBM seul offre plus de 2500 types différents de jauges de contrainte. Les différents types sont choisis en fonction de l'application.

Ce qui les distingue est un certain nombre de fonctionnalités, y compris les suivantes très importantes:

  • Géométrie
  • Longueur de la grille de mesure
  • Compensation de Température

Géométrie

La géométrie d'une jauge de contrainte est définie par le nombre de grilles de mesure et leur positionnement. En fonction du chargement sur le  matériau, différents états de contraintes à mesurer peuvent se produire : pour des états de contraintes uni-axiales, il n'y a qu'une seule direction principale connue. C'est un cas clair. Une grille de mesure est suffisante. Elle est alignée selon cette direction de contrainte principale. 

Dans les états de contraintes bi-axiales, des directions de contraintes multiples se produisent ensemble, par exemple tension, pression, flexion ou torsion. Dans certains cas, l'ingénieur de mesure peut ne pas connaître la direction de la contrainte principale. Des jauges de contrainte avec trois grilles de mesure alignées différemment sont disponibles pour ces applications. Cela permet de déterminer l'amplitude de la contrainte principale et des secondaires ainsi que leurs directions.

Longueur de la grille de mesure

Selon la matière et l'application de mesure, la longueur de la grille de mesure joue un rôle essentiel : par exemple quand on veut mesurer très précisément sur une zone importante (gradients de contraintes) dans une pièce. Dans ce cas, il est préférable de placer de nombreuses petites grilles de mesure l’une à côté de l’autre pour obtenir une grille fine ou analyser précisément à un point clé. D'autre part, si la charge générale (moyenne arithmétique) est importante, une grille de mesure plus longue est suffisante.

Les structures de surface différentes représentent un défi similaire : le béton, par exemple, est inégal et des petits cailloux sont intégrés dans celui-ci. Si la grille de mesure est trop courte dans ce cas, les aspérités intégrées peuvent fausser le résultat de mesure car un champ de contraintes indépendant s'applique à cet endroit. Pour éviter cela, une grille de mesure plus longue doit être choisie : la contrainte mesurée est calculée en moyenne sur la longueur de la grille de mesure.

Compensation de température

La compensation de température des jauges de contrainte pour un matériau spécifique garantit que la contrainte du matériau causée par un changement de température est compensée comme décrit ci-dessus. Par conséquent, il est important de choisir la bonne jauge correspondant au matériel

Autres critères de sélection

Outre les caractéristiques décrites ci-dessus, il y en a quelques autres qui doivent être brièvement mentionnées ici: les jauges de contrainte sont généralement disponibles avec différentes impédances couramment utilisées (120, 350 ou 1000 ohms, etc.). Choisir la bonne résistance dépend souvent des conditions de mesure, par exemple des résistances de complément qui peuvent être sélectionnées dans l'amplificateur ou des parasites  anticipés. Le matériau du support, le matériau de la grille de mesure ou le type de connexion peuvent également varier. Certaines jauges de contrainte peuvent être livrées pré-câblées, tandis que pour d'autres l’utilisateur doit souder les fils de mesure sur les cosses intégrées ou sur les pattes de sortie. Les jauges de contraintes pré-câblées prennent moins de temps et réduisent ainsi les coûts d'installation du travail.

Utilisation des jauges de contrainte

Certaines exigences de base doivent être respectées pour s'assurer que les jauges de contrainte fonctionnent correctement: la plus importante est qu'elles soient très solidement fixées sur la pièce en test afin qu'elles participent effectivement à toutes les contraintes matérielles. Pour cette raison, les jauges de contrainte sont généralement collées avec un adhésif adapté, ou parfois elles sont également soudées. Certains points devront également être pris en considération lors de la sélection de la colle, car bien sûr, la cohérence de l'adhésif change avec les variations de température. L'application d’une jauge sur le matériau est une petite science en soi: Par exemple, aucune bulle d'air n'est autorisée entre la jauge et le matériau ou entre la jauge et l'adhésif.

Néanmoins, les jauges de contrainte seules sont pratiquement inutiles. "Les variations de résistance sont si faibles qu'ils doivent toujours être amplifiés avant de pouvoir être mesurés ", explique Jens Boersch. Ceci se fait avec des amplificateurs de mesure, disponibles en différentes versions pour répondre aux différentes applications.

Champs d'application

Il existe deux domaines d'application principaux pour les jauges de contrainte: soit ils sont utilisés dans la construction de capteurs, soit pour tester la durabilité d’un produit. La construction d’un capteur est un sujet à part entière avec des objectifs différents : par exemple, il est important que le matériau du capteur soit aussi exempt de fatigue que possible. L'objectif des jauges de contrainte est de mesurer des grandeurs physiques telles que la force ou le couple.

 

La fatigue (qui devrait, si possible, ne jouer aucun rôle dans la construction des capteurs) est en revanche l'aspect principal en analyse expérimentale des contraintes. Jens Boersch, responsable produits explique : "La question est : quand le matériau se casse sous une charge constante ?" Les charges sont simulées par des cycles d'essai dans lesquels le matériau est soumis à plusieurs reprises à un chargement. La charge est normalement si faible que le matériau n'est pas détruit immédiatement. Ainsi, il varie dans la plage élastique, comme décrit ci-dessus, où la déformation et la contrainte mécanique sont encore linéairement dépendants l'une de l'autre.

La question de la fatigue est intéressante dans de nombreux domaines : par exemple dans les essais de pièces d'avion, la surveillance d'infrastructures comme les ponts ou les lignes de chemins de fer ou même dans les tests de circuits imprimés et de cartes mères. Les composants sont soigneusement testés pour déterminer si la durabilité requise sera tenue  afin qu'ils résistent aux charges attendues.

Aircraft in hangar with strain gauge measuring points.
Exemple d'application 1 : Essais de fatigue sur des structures d'avions.
Schematic image of a load cell.
Exemple d'application 2 : Construction d’un capteur – sur cette photo : capteur de pesage en flexion.
A bridge spanning water.
Exemple d'application 3 : Essais sur des équipements d'infrastructured tels que des ponts

La courbe de fatigue pour les matériaux testés est connue à partir de tests de laboratoire. Ainsi, il peut être prédit après combien de cycles d’essai  et sous quelle charge le matériel sera détruit. La durée de vie des matériaux se raccourcie à chaque charge. Plus il y a de voitures qui traversent un pont plus les composants de celui-ci se rapprochent vers le point d’endommagement. Plus la charge est lourde, moins le matériau peut supporter de cycles. Les poids-lourds représentants une charge beaucoup plus importante que les voitures.

 "C'est une question fascinante: quelle sera la charge qui endommagera réellement le matériau", explique Jens Boersch. "C'est la question clé d’une application que j'ai trouvée particulièrement fascinante: il s’agissait d’estimer combien de temps un pont de chemin de fer pourra résister aux charges. Mais ce faisait des décennies qu’il est opérationnel au moment des tests. Les opérateurs de la section équipée ont réussi à retrouver la documentation pour retracer exactement combien de trains et leurs poids avaient parcouru le pont au cours de toutes ces années. C'était vraiment fascinant ».

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