Quel câble de raccordement à utiliser pour des applications à jauges de contrainte électriques à trame pelliculaire dans le domaine essais expérimentaux ?

De nombreux câbles compatibles aux applications à jauges de contrainte sont disponibles sur le marché.

Le succès d’une mesure dépend des câbles de raccordement utilisés. Ils doivent non seulement transférer les signaux de mesure depuis capteur jusqu’au système DAQ, mais ils doivent également éviter les interférences et résister aux contraintes durant l’utilisation.

Idéalement, le câble n’impacte pas la mesure de contrainte. En réalité cependant, les câbles/fils peuvent avoir une influence sur le signal de mesure. Il est néanmoins possible de limiter cette influence à un niveau acceptable. HBM propose une large gamme de câbles de mesures avec ou sans pairs torsadées de faible diamètre pour un large éventail d’applications.  Voici quelques éléments importants à prendre en considération avant de sélectionner le câble le mieux adapté à votre application :

Pour les applications à jauges de contrainte, on utilise principalement des câbles à plusieurs pairs torsadées étamés à l’étain. Des conducteurs en cuivre sont habituellement utilisés (en raison de son bon rapport prix/conductivité).

Le signal de mesure de contrainte dans une configuration en quart de pont est très sensible :

  • La tension d’excitation type pour une jauge de contrainte en quart de pont est de 2,5 V
  • La déformation appliquée à la jauge de contrainte génère une tension de sortie de pont relativement faible !

(0,000125 V pour une contrainte de 100 µm/m ou 0,0025V pour une contrainte de 2000 µm/m). Illustré dans le graphique ci-dessus pour une application type en quart de pont.
 

Il faut donc éviter que des signaux externes interfèrent avec la tension du signal de mesure. Ainsi, il est indispensable de choisir un câble de mesure parfaitement adapté !

Tension du signal de sortie de pont avec un une déformation de 100 µm/m : 


1 Fonction des câbles

Raccordement entre le capteur et l’amplificateur

  • Fournit la tension nécessaire pour alimenter le circuit de la ou les jauges de contrainte
  • Transmet le signal de mesure du capteur au système DAQ
  • Protection contre les interférences externes

2 Interférences/impacts sur le câble de mesure


3 Récapitulatif des exigences imposées aux câbles pour les applications à jauges de contrainte

  1. Faible résistance (généralement) et faible capacité
  2. Bonne isolation
  3. Bonne protection mécanique
  4. Manipulation facile (flexibilité)
  5. Résistance à la température et faible influence due à la variation de température
  6. Facilité de soudage des fils
  7. Exigences de sécurité (retardateur de flammes, etc.)
  8. Résistance mécanique
  9. Résistance à différents agents (eau, huiles, solvants, etc.)

4 Exigences environnementales imposées aux câbles/fils

La gaine et l’isolation des câbles ont une influence sur la gamme de températures à laquelle ils peuvent être exposés. Le diagramme ci-dessous présente la gamme standard de température typique des câbles selon leur enveloppe.

  • Les câbles avec gaine PVC sont adaptés à la majorité des applications ; ils offrent un excellent rapport prix/performance (jusqu’à 80 °C)

  • Pour les températures moyennes, les câbles TPE sont les mieux adaptés (jusqu’à 150 °C)

  • Pour les températures plus élevées, nous recommandons l’utilisation de câbles PFA (jusqu’à 250 °C) ou de câbles avec une gaine en polyamide (>300 °C)

  • Les basses températures peuvent fragiliser les câbles.  Ce facteur est particulièrement critique lorsqu’ils sont utilisés en conditions d’essai dynamiques. Dans ce cas, il est recommandé d’utiliser des câbles avec gaine en PTFE, PI ou en fibre de verre.

De nombreuses autres critères peuvent être imposées aux câbles, tels que la résistance à différents fluides et aux flammes. Le tableau ci-dessous offre un aperçu des matériaux d’isolation et de gaine typiques pour les câbles et leur résistance aux températures :


5 Diamètre du conducteur

  • Le diamètre du fil a une influence importante sur la résistance. La tension d’alimentation d’une jauge de contrainte en pont génère du courant, qui a pour conséquence de chauffer le conducteur. Plus le diamètre est petit, plus la température du fil augmente.

  • Pour minimiser le risque d’erreurs, il est préconisé d’utiliser le plus grand diamètre possible, ainsi l’impact sur la résistance du conducteur et l’influence thermiques sur le câble sont réduits.

  • Dans certaines applications, des câbles étamés sont nécessaires pour réduire l’inertie/le poids ou permettre un faible rayon de courbure.

  • Les longs câbles exigent généralement des diamètres de conducteurs plus important.

Un câble de petit diamètre doit être utilisé au niveau de la jauge de contrainte, pour réduire la quantité de soudure et les contraintes parasites. Il faut néanmoins prendre en compte le fait que ces conducteurs plus fins affectent la stabilité et la sensibilité du circuit.

  • Une cosse relai peut être utilisé au point d’intersection entre le câble de mesure et le câble de raccordement de la jauge de contrainte. Cette méthode permet une transition d’un câble de petit diamètre, vers un diamètre plus important :

Jauge de contrainte connectée intégrant la technologie à 4 fils brevetée par HBM :

Qu’est-ce que la configuration à 4 fils brevetée par HBM ?

Seul un circuit à 4 fils, ou circuit Kreuzer breveté par HBM, permet de compenser les différentes résistances des câbles. Un courant électrique connu traverse la résistance via deux fils. La baisse de tension à la résistance RKab1 est corrigée (impédance élevée) par deux conducteurs supplémentaires.

Le circuit de Kreuzer mesure la tension à travers la résistance RKab2 et l’ajoute à l’excitation. La tension et donc le courant qui traversent la résistance complémentaire Rerg, sont indépendants de la résistance du câble. Les erreurs de point zéro et de sensibilité résultant de l’influence du câble sont compensées de manière électronique.

https://www.hbm.com/en/3458/tips-and-tricks-successfully-compensating-for-lead-resistances/

Conseils pour dénuder les câbles de jauge de contrainte

1 Procédez à un dénudage thermique de 5 mm de l’isolation du câble à connecter à la jauge de contrainte

Ce dénudage thermique évite les dommages causés par un dénudage mécanique réaliser à l’aide de pinces.
 

2 Étamez le câble par soudure.

3 Coupez le conducteur étamé afin qu’il n’étende pas le support de la jauge après soudure (1-3 mm en fonction de la géométrie de la jauge de contrainte)

 


6 Number of conductors

1-fil : Raccordement entre les jauges de contrainte et les cosses relais

3 ou 4 fils : Pour les applications en quart de pont (illustration pour uniquement 4 fils) ou en pont complet :
 

5 fils : Applications en demi-pont

6 fils : Applications en pont complet


7 Longueur des câbles

  • Pour les mesures avec des jauges de contrainte, les longueurs de câble varient de quelques centimètres à plusieurs centaines de mètres.
  • Utilisez des câbles à fils torsadés et blindés pour minimiser les interférences électromagnétiques.
  • De manière générale, gardez une longueur aussi courte que possible pour minimiser les interférences thermiques et électromagnétiques
  • Pour de longues distances, choisissez des conducteurs avec un diamètre plus important afin de minimiser l’influence de la résistance du câble
  • Dans le cas d’un conditionnement par fréquence porteuse ou classique par tension continue, un câble de faible capacité est recommandé.

8 Protection du câble autour de la jauge de contrainte pour conditions extrêmes

  • Raccordement résistant à l’humidité entre le câble et la gaine de protection.  Ainsi, une adhérence maximale est indispensable entre l’agent de revêtement, le câble de raccordement et la surface du matériau.
  • Les câbles en fluoropolymère doivent être préalablement gravés pour offrir une bonne étanchéité du câble de mesure
  • Des câbles spéciaux avec bande imperméable sont recommandés en cas d’immersion dans l’eau (contactez l’équipe Service HBM)
  • Prévoyez une longueur minimale de l'agent de protection autour de l'accès aux câbles afin de maximiser la distance de retrait et garantir le collage des points critiques.

9 Essais dynamiques

  • Pour les mesures dynamiques élevées, il est préférable d’utiliser des fils pour le raccordement. Les fils de raccordement sont constitués de nombreux brins torsadés et étamés, entourés d’une isolation flexible.
  • Les câbles rigides ne seront utilisés que sur les spécimens statiques (ex. pour le raccordement entre ponts)
     

10 Conclusion

  1. Utilisez un câble de diamètre maximale
  2. Utilisez des câbles de faible résistance et de faible capacité
  3. Minimisez la longueur du câble
  4. Choisissez un diamètre minimal directement sur la jauge de contrainte
  5. Choisissez le câble adapté à votre scénario d’essai
  6. Utilisez des câbles flexibles
  7. Utilisez des câbles avec blindage du conducteur
  8. Veillez à une mise à la terre appropriée du blindage
  9. Créez une cage de Faraday pour la chaîne de signal de mesure
  10. Déterminez l’itinéraire des câbles avec soin
  11. Câbles à fils torsadés
  12. N’installez pas les principaux câbles d’alimentation à proximité des câbles de mesures (croisement 90° entre les lignes d’alimentation et des lignes de signaux de mesures)
  13. Éliminez les sources de bruit
  14. Utilisez des amplificateurs de fréquence porteuse
  15. Utilisez les bons filtres
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