Les jauges de contrainte sont des dispositifs qui convertissent la déformation élastique mesurée d'un corps solide en un signal électrique. Cela se produit en raison d'un changement de la résistance du conducteur du capteur lorsque ses dimensions géométriques changent de tension ou de compression.
Jauge de contrainte: principe de fonctionnement
L'élément principal du dispositif est une jauge de contrainte montée sur une structure élastique. Les jauges de contrainte sont étalonnées en chargeant pas à pas avec une force croissante donnée et en mesurant l'amplitude de la résistance électrique. Ensuite, en le modifiant, il sera possible de déterminer les valeurs de la charge inconnue appliquée et la déformation proportionnelle à celle-ci.
Selon le type de capteurs, vous pouvez mesurer:
- force;
- pression;
- déplacer;
- couple;
- accélération.
Même avec le schéma de chargement le plus complexe de la structure, l'action surla jauge de contrainte est réduite à étirer ou comprimer son treillis le long d'une longue section appelée la base.
Quelles sont les jauges de contrainte utilisées
Les types les plus courants de jauges de contrainte avec un changement de résistance active sous action mécanique - jauges de contrainte.
Jauges de contrainte à fil
L'exemple le plus simple est un morceau droit de fil fin, qui est attaché à la pièce à l'étude. Sa résistance est: r=pL/s, où p est la résistivité, L est la longueur, s est la section transversale.
Avec la pièce, le fil collé est élastiquement déformé. Dans le même temps, ses dimensions géométriques changent. Lorsqu'il est comprimé, la section transversale du conducteur augmente et lorsqu'il est étiré, il diminue. Par conséquent, le changement de résistance change de signe en fonction de la direction de la déformation. La caractéristique est linéaire.
La faible sensibilité de la jauge de contrainte a conduit à la nécessité d'augmenter la longueur du fil dans une petite zone de mesure. Pour ce faire, il est réalisé sous la forme d'une spirale (treillis) de fil, collée des deux côtés avec des plaques isolantes à partir d'un film de vernis ou de papier. Pour se connecter au circuit électrique, l'appareil est équipé de deux fils conducteurs en cuivre. Ils sont soudés ou brasés aux extrémités du fil enroulé et sont suffisamment solides pour se connecter à un circuit électrique. La jauge de contrainte est fixée à l'élément élastique ou à la pièce testée avec de la colle.
Les capteurs de pesage à fil présentent les avantages suivants:
- conception simple;
- dépendance linéaire à la déformation;
- petite taille;
- prix bas.
Les inconvénients incluent une faible sensibilité, l'influence de la température ambiante, la nécessité d'une protection contre l'humidité, l'utilisation uniquement dans le domaine des déformations élastiques.
Le fil se déformera lorsque la force d'adhésion de l'adhésif à celui-ci dépassera largement la force nécessaire pour l'étirer. Le rapport de la surface de collage à la section transversale doit être de 160 à 200, ce qui correspond à son diamètre de 0,02 à 0,025 mm. Il peut être augmenté jusqu'à 0,05 mm. Ainsi, lors du fonctionnement normal de la jauge de contrainte, la couche adhésive ne sera pas détruite. De plus, le capteur fonctionne bien en compression, puisque les brins de fil sont solidaires du film adhésif et de la pièce.
Foil Load Cells
Les paramètres et le principe de fonctionnement de la cellule de charge à feuille sont les mêmes que ceux à fil. Le seul matériau est une feuille de nichrome, de constantan ou de titane-aluminium. La technologie de fabrication par photolithographie permet d'obtenir une configuration de réseau complexe et d'automatiser le processus.
Comparées aux jauges de contrainte à fil, les jauges de contrainte à feuille sont plus sensibles, transportent plus de courant, transmettent mieux la contrainte, ont des conducteurs plus solides et ont un motif plus complexe.
Cellules de charge à semi-conducteurs
La sensibilité des capteurs est environ 100 fois supérieure à celle des capteurs filaires, ce qui permet de les utiliser fréquemment sans amplificateurs. Les inconvénients sont la fragilité, une forte dépendance à la température ambiante et despropagation des paramètres.
Spécifications des jauges de contrainte
- Base - la longueur du conducteur de grille (0,2-150 mm).
- Résistance nominale R - valeur de résistance active (10-1000 Ohm).
- Courant d'alimentation de travail Ip - courant auquel la jauge de contrainte ne chauffe pas sensiblement. En cas de surchauffe, les propriétés des matériaux de l'élément sensible, de la base et de la couche adhésive changent, ce qui fausse les lectures.
- Facteur de déformation: s=(∆R/R)/(∆L/L), où R et L sont respectivement la résistance électrique et la longueur du capteur non chargé; ∆R et ∆L - changement de résistance et déformation due à une force externe. Pour différents matériaux, il peut être positif (R augmente avec la tension) et négatif (R augmente avec la compression). La valeur de s pour différents métaux varie de -12,6 à +6.
Schémas d'activation des jauges de contrainte
Pour mesurer de petits signaux électriques, la meilleure option est une connexion en pont, au centre de laquelle se trouve un voltmètre. L'exemple le plus simple serait une jauge de contrainte dont le circuit est monté selon le principe d'un pont électrique, dans l'un des bras duquel il est connecté. Sa résistance à vide sera la même que le reste des résistances. Dans ce cas, l'appareil affichera une tension nulle.
Le principe de fonctionnement d'une jauge de contrainte est d'augmenter ou de diminuer la valeur de sa résistance, selon que les efforts sont de compression ou de traction.
La température de la jauge de contrainte a un effet significatif sur la précision des lectures. Si une résistance à la déformation similaire est incluse dans l'autre bras du pont, qui ne sera pas chargé, il remplira la fonction de compensation des effets thermiques.
Le circuit de mesure doit également prendre en compte les valeurs de la résistance électrique des fils connectés à la résistance. Leur influence est réduite en ajoutant un autre fil relié à l'une des broches de la jauge de contrainte et du voltmètre.
Si les deux capteurs sont collés sur l'élément élastique de manière à ce que leurs charges diffèrent en signe, le signal sera amplifié de 2 fois. S'il y a quatre capteurs dans le circuit avec des charges indiquées par des flèches dans le schéma ci-dessus, la sensibilité augmentera considérablement. Avec cette connexion de jauges de contrainte à fil ou à feuille, un microampèremètre conventionnel donnera des lectures sans amplificateur de signal électrique. Il est important de sélectionner avec précision les valeurs de résistance à l'aide d'un multimètre afin qu'elles soient égales entre elles dans chaque bras du pont électrique.
Application des jauges de contrainte dans l'ingénierie
- Une partie de la conception des balances: lors de la pesée, le corps du capteur est déformé élastiquement, et avec lui les jauges de contrainte collées dessus, connectées dans un circuit. Le signal électrique est transmis au compteur.
- Surveillance de l'état de contrainte-déformation des structures de bâtiments et des ouvrages d'art au cours de leur construction et de leur exploitation.
- Jauges de contrainte pour mesurer les forces de déformation lors de l'usinagepression du métal dans les laminoirs et les presses à emboutir.
- Capteurs haute température pour l'acier et d'autres industries.
- Capteurs de mesure avec élément élastique en acier inoxydable pour un fonctionnement dans des environnements chimiquement agressifs.
Les jauges de contrainte standard sont réalisées sous forme de rondelles, de colonnes, de poutres simples ou double face, en forme de S. Pour toutes les structures, il est important que la force soit appliquée dans une seule direction: du haut vers le bas ou vice versa. Dans des conditions de fonctionnement sévères, des conceptions particulières permettent d'éliminer l'action des forces parasites. Leurs prix en dépendent en grande partie.
Pour les jauges de contrainte, le prix varie de centaines de roubles à des centaines de milliers. Tout dépend du fabricant, de la conception, des matériaux, de la technologie de fabrication, des valeurs des paramètres mesurés, des équipements électroniques supplémentaires. Pour la plupart, ce sont des composants de différents types d'échelles.
Conclusion
Le principe de fonctionnement de toutes les jauges de contrainte est basé sur la transformation de la déformation de l'élément élastique en un signal électrique. À des fins différentes, il existe différentes conceptions de capteurs. Lors du choix des jauges de contrainte, il est important de déterminer si les circuits ont une compensation pour les lectures de température déformantes et les influences mécaniques parasites.
