Jauge de déformation - Définition

Fonctionnement des capteurs de force à jauges de contrainte

Un capteur de force est constitué de jauges de contrainte de déformation identique. Le principe étant de traduire en variation de résistance électrique la déformation du corps d’épreuve sur lequel elles sont collées.

Principe de fonctionnement des jauges de contraintes

Le fonctionnement des capteurs à jauges de contraintes est fondé sur la variation de résistance électrique de la jauge proportionnellement à sa déformation. C’est le coefficient ou facteur de jauge k qui traduit cette proportionnalité, suivant la relation :

k est une constante qui dépend des matériaux considérés et de la température. Elle caractérise la sensibilité de la jauge.

Le corps d’épreuve du capteur de force

Il existe différentes formes de capteurs à jauges : Les capteurs de force en « S » pour des mesure en traction / compression. Les capteurs de force « pancake » pour des mesures en traction / compression. Les pesons de compression standard ou miniature. Les capteurs à moment contant ou à cisaillement utilisés pour des applications de pesage…

Les matériaux utilisés

Les aciers alliés. Les aciers inoxydables utilisé en milieu corrosif. Les alliages d’aluminium. En fonction du choix du matériau et de la forme du capteur, la déformation mesurée sera importante et l’amplitude du signal de sortie élevé.

Les effets parasites

Les variations de température. Les variations de température entraînent deux conséquences majeures: la dilatation des matériaux et une variation de résistances des jauges.

Dérive thermique du zéro

En l’absence de contrainte, la résistance augmente avec la température. Le signal même très proche de zéro, n’est pas nul. Cette dérive est aléatoire et est intrinsèque au pont de jauges.

Effet thermique sur la sensibilité

L’élasticité du corps d’épreuve ainsi que le coefficient de jauge (k) dépendent de la température. Cela implique une variation de la sensibilité.

Le fluage

Il s’agit de la déformation du corps d’épreuve soumis à une force constante avec le temps.

L’hystérésis

Un capteur de force présente un phénomène d’hystérésis si l’information qu’il délivre est différente suivant que les mesures sont effectuées en traction ou en compression.

L’écart de linéarité

L’information délivrée en sortie n’est pas toujours proportionnelle à la valeur d’entrée. Un capteur présente une erreur de linéarité lorsque la courbe force / signal du capteur n'est pas une droite parfaite.

Effets parasites

Température

D'une part, la dilatation différentielle entre jauge et support, d'autre part, les effets thermoélectriques liés à un écart de température entre deux points de raccordement (on peut éliminer ce problème en alimentant les jauges en alternatif).

Pour minimiser l'influence de la température, on peut utiliser une configuration en double pont. Une jauge active, soumise à la déformation et aux variations de température, et une jauge passive soumise uniquement aux variations de température.

En pratique, pour corriger les dérives de pente (sensibilité) en température, on place dans les deux branches d'alimentation une résistance en Nickel pur. Ces résistances vont modifier la tension d'alimentation aux bornes du pont de manière à compenser la dérive thermique.

La dérive du signal à vide est un autre phénomène lié à la température (sans contrainte mécanique sur le corps d'épreuve). Cette dérive est aléatoire et est intrinsèque au pont de jauges. La correction se fait sur une branche du pont (dépendant du sens de la dérive) par l'ajout d'un bobinage de cuivre (lui-même va occasionner une dérive contraire à celle des jauges).

Hystérésis

Un capteur présente un phénomène d’hystérésis si l’information qu’il délivre est différente suivant que les mesures sont effectuées sous charge croissante ou décroissante. Cette source d’erreur est donc particulièrement gênante dans le cas de cycles de mesures avec montée et descente en charge répétées, ou en fonctionnement dynamique. L’hystérésis peut être positive ou négative. Contrairement à l’écart de linéarité, il n’est pas aussi simple de la compenser avec l’électronique de mesure. Il s’agit en effet d’une caractéristique liée aux matériaux constituant le corps d’épreuve et à la liaison corps d’épreuve-détecteur. Les aciers inoxydables, par exemple, présentent une hystérésis positive importante et des traitements thermiques sont nécessaires afin de limiter ce phénomène. On peut aussi contrôler la dureté des feuilles de constantan.

Erreur de linéarité

Un capteur présente une erreur de linéarité lorsque la courbe force-signal capteur n'est pas une droite parfaite. L'erreur de linéarité d'un capteur de force dépend du design du capteur (par exemple, lorsque la force croît, la répartition des forces varie ce qui influence la linéarité), mais aussi du choix des jauges. L'erreur de linéarité est toujours à minimiser. En production de série, le capteur est calibré en passant par deux points : le zéro et la force nominale. En minimisant l'erreur de linéarité, cette calibration suffit. Si l'erreur de linéarité est importante, il est nécessaire de passer par plusieurs points intermédiaires d'étalonnages.