Capteurs à jauge de contrainte : construction, fonctionnement et utilisations courantes
2026-01-05 4546

Les jauges de contrainte sont des capteurs largement utilisés qui détectent de petits changements dans la forme du matériau provoqués par les forces appliquées.Ces capteurs convertissent la déformation physique en signaux électriques, permettant une mesure précise de la déformation qui ne peut pas être observée directement.Cet article explore le fonctionnement des jauges de contrainte, comment elles sont construites, comment leurs signaux sont mesurés et où elles sont couramment utilisées dans les applications d'ingénierie et industrielles.

Catalogue

Notions de base sur les jauges de contrainte

Un jauge de contrainte est un capteur utilisé pour mesurer souche, qui est le déformation d'un matériau quand un force externe est appliqué.Cette force peut résulter d'une tension, d'une compression, d'une flexion, d'une pression ou d'un couple.Quand un charger agit sur un matériau, il crée une résistance interne appelée stress et provoque un petit changement de forme.

Une jauge de contrainte est collée directement à la surface du matériau afin qu'elle se déforme avec la structure.Comme le matériel s'étire ou compresse, la résistance électrique de la jauge change proportionnellement à la déformation.Ce comportement prévisible et reproductible permet de mesurer des déformations extrêmement petites qui ne sont pas visibles à l'œil nu.

Souche vs stress

Figure 2. Comportement de déformation et de contrainte dans les matériaux

Souche	Stress
La contrainte est relative déformation d'un matériau due à une contrainte appliquée.	La contrainte est la force interne par surface unitaire dans un matériau provoquée par une charge externe.
Calculé comme changement de longueur divisé par la longueur d'origine (ε = ΔL / L).	Calculé comme la force divisée par surface transversale (σ = F / A).
Indique la quantité de matériau se déforme.	Indique la force interne les forces agissent au sein d’un matériau.
Quantité sans dimension, souvent exprimé en microdéformation (με).	Mesuré en pascals (Pa).
Utilisé pour étudier le comportement des matériaux et calculer le stress indirectement.	Utilisé pour évaluer le matériel limites de résistance et de sécurité.
Mesuré indirectement à l'aide de la déformation jauges.	Ne peut pas être mesuré directement.

Composants de jauge de contrainte

Figure 3. Schéma étiqueté d'une jauge de contrainte liée à un échantillon d'essai

Transporteur: Le support est le matériau de support mince qui supporte la jauge de contrainte.Il maintient la grille de détection en place et permet à la jauge de se lier solidement à la surface de l'éprouvette.

Modèle de grille métallique: C'est l'élément sensible de la jauge de contrainte.Il est constitué d’une fine feuille métallique disposée en serpentin pour augmenter la sensibilité.Lorsque l'éprouvette se déforme, cette grille s'étire ou se comprime, provoquant une modification de la résistance électrique.

Pistes: Les fils conducteurs relient la jauge de contrainte à un équipement de mesure externe.Ils transmettent le changement de résistance de la grille de détection à un circuit en pont ou à un conditionneur de signal.

Éprouvette: Il s'agit du matériau ou de la structure mesuré.La jauge de contrainte est collée directement à sa surface, elle se déforme donc au même rythme que l'éprouvette sous charge.

Construction de jauges de contrainte

Figure 4. Éléments structurels de base d'une jauge de contrainte

Couche de protection stratifiée- Protège la jauge de l'humidité, de la poussière et des dommages mécaniques tout en assurant une isolation électrique.

Élément de détection métallique- Une fine feuille métallique disposée en grille pour augmenter la sensibilité.Les matériaux courants comprennent les alliages constantan et karma en raison de leurs caractéristiques électriques stables.

Couche de base ou de support- Généralement fabriquée à partir de polyimide ou de polymères similaires, cette couche supporte l'élément de détection et assure un transfert uniforme de contrainte depuis la surface de test.

Principe de fonctionnement de la jauge de contrainte

Figure 5. Principe de fonctionnement de la jauge de contrainte

Les jauges de contrainte fonctionnent en convertissant déformation mécanique en un changement de résistance électrique.Lorsque la surface collée subit des contraintes, la jauge se déforme au même rythme.L'étirement augmente la résistance, tandis que la compression la diminue.

Pour feuille métallique Dans les jauges de contrainte, ce changement de résistance est dominé par des effets géométriques, en particulier des changements dans la longueur et la section transversale de l'élément de détection.L’effet piézorésistif intrinsèque du matériau ne contribue qu’à une petite partie du changement total de résistance.Cette distinction est importante lorsque l'on compare les jauges métalliques aux capteurs de contrainte à semi-conducteurs.

Équation de jauge de contrainte et facteur de jauge

La relation entre la déformation et le changement de résistance est donnée par :

Figure 6. Équation de base de la jauge de contrainte

où ΔR est le changement de résistance, R. est le résistance d'origine, K est la jauge facteur, et ε est souche.

Pour la plupart des jauges de contrainte à feuille métallique, le facteur de jauge varie généralement de 2,0 à 2,2, offrant un équilibre entre sensibilité et stabilité à long terme.

Mesure du signal à l'aide d'un pont de Wheatstone

Figure 7. Mesures des jauges de contrainte

Les changements de résistance produits par les jauges de contrainte sont extrêmement faibles, ce qui rend la mesure directe peu pratique.Un Circuit du pont de Wheatstone est utilisé pour convertir ces changements en un résultat mesurable signal de tension.

Un pont de Wheatstone se compose de quatre éléments résistifs disposés en configuration diamant.Lorsque toutes les résistances sont égales, le pont est équilibré et la tension de sortie est zéro.Tout changement de résistance provoqué par une contrainte déséquilibre le pont, produisant une tension proportionnelle à la contrainte appliquée.

Configurations de pont communes

• Quart de pont : Une jauge de contrainte active avec trois résistances fixes.Utilisé pour des mesures simples dans une seule direction.

• Demi-pont : deux jauges actives, généralement disposées de manière à ce que l'une soit en traction et l'autre en compression.Améliore la compensation de température et la sortie du signal.

• Pont complet : Quatre jauges de contrainte actives.Offre une sensibilité maximale, une excellente stabilité de la température et un fort rejet du bruit.Couramment utilisé dans les cellules de pesée.

Conditionnement du signal

Les signaux de sortie du pont nécessitent amplification et filtrage.L'électronique de conditionnement du signal amplifie le signal, réduit le bruit, compenser pour effets de la température, et convertir le signal analogique en données numériques pour la surveillance ou l'enregistrement.

Types courants de jauges de contrainte

Classement	Souche Type de jauge	Travailler Principe	Caractéristiques	Applications
Basé sur le principe de fonctionnement	Jauge de contrainte mécanique	Mesure le mouvement physique à l’aide une échelle et un pointeur	Aucun composant électrique, simple indication visuelle	Surveillance des fissures dans les bâtiments et ponts
	Jauge de contrainte électrique	La résistance change lorsqu'elle est étirée ou compressé	Précis, fiable, largement utilisé	Mesure de charge, contrainte analyse, test
	Jauge de contrainte piézoélectrique	Génère une tension lorsque la contrainte est appliqué	Très haute sensibilité, dynamique réponse	Vibration, choc, impact mesures
Basé sur la méthode de montage	Jauge de contrainte collée	Jauge collée directement à la surface avec adhésif	Transfert de contrainte direct, élevé précision	Essais structurels, cellules de pesée
	Jauge de contrainte non liée	Fil tendu entre fixe et cadres mobiles	Non attaché à la surface, stable configuration	Cellules de pesée, transducteurs de pression
Basé sur la construction	Jauge de contrainte en aluminium	Grille en feuille métallique collée à support isolant	Durable, stable, rentable	Industriel et laboratoire mesures
	Jauge de contrainte à semi-conducteur	Utilise l'effet piézorésistif de silicium ou germanium	Très haute sensibilité, sensible à la température	Mesure de petites déformations, capteurs
	Jauge de contrainte photoélectrique	Utilise un faisceau lumineux et optique grilles	Extrêmement haute résolution, délicat	Laboratoire de précision et recherche travail

Dispositions des jauges de contrainte

• Déformation linéaire les jauges mesurent la déformation le long d'un seul axe lorsque la direction de la charge est connue

• Contrainte du diaphragme les jauges mesurent la déformation des surfaces minces et sont courantes dans les capteurs de pression

• Souche rosette les jauges mesurent la déformation dans plusieurs directions lorsque l'orientation principale de la déformation est inconnue

• Déformation de torsion et de cisaillement les jauges détectent le couple sur les arbres rotatifs

• Double déformation parallèle les jauges améliorent les mesures de flexion en comparant la tension et la compression

• Souche de rosette en t les jauges mesurent la déformation biaxiale lorsque les directions principales sont connues

Utilisations des jauges de contrainte

- Ingénierie structurelle et mécanique pour la répartition des charges et l'analyse de la fatigue

- Mesure de charge et de force dans les cellules de pesée et les capteurs de couple

- Mesure de pression et de débit à l'aide de membranes et de tuyauteries

- Recherche et analyse expérimentale des contraintes

- Industries aérospatiales, automobiles et énergétiques pour la surveillance de la durabilité et de la sécurité

- Surveillance de l'état industriel pour la maintenance prédictive

Défis d’installation des jauges de contrainte

Figure 8. Défis d’installation des jauges de contrainte

Effets de la température

Les jauges de contrainte sont sensibles aux changements de température.À mesure que la température varie, la résistance électrique du matériau de la jauge peut changer, créant une dérive de mesure qui n'est pas liée à la contrainte réelle.Sans compensation ou contrôle approprié de la température, cet effet peut réduire la précision.La sélection du bon matériau de jauge et l'utilisation de techniques de compensation permettent de minimiser l'influence thermique.

Exposition environnementale

Les conditions environnementales peuvent interférer avec les performances des jauges de contrainte.L'humidité et l'humidité peuvent affaiblir les liaisons adhésives, tandis que les vibrations et les interférences électromagnétiques peuvent introduire du bruit dans le signal.Les revêtements protecteurs, un blindage approprié et des environnements d'installation contrôlés contribuent à réduire ces risques, en particulier dans les applications industrielles ou extérieures.

Qualité de liaison

Une liaison sécurisée est importante pour une mesure précise de la déformation.La jauge de contrainte doit être fermement fixée afin qu'elle se déforme exactement avec la surface mesurée.Une mauvaise préparation de la surface, des matériaux inégaux ou une sélection incorrecte d'adhésif peuvent provoquer une instabilité du signal ou des lectures inexactes.Un nettoyage minutieux, une préparation de la surface et des procédures de collage appropriées garantissent un transfert de contrainte fiable.

Obtenir des mesures fiables

Relever ces défis nécessite des techniques d’installation, un étalonnage et un contrôle environnemental appropriés.Lorsque les jauges de contrainte sont installées correctement, elles fournissent des données précises et fiables qui prennent en charge les applications d'analyse structurelle, de tests de performances et de surveillance à long terme.

Avantages et inconvénients des jauges de contrainte

Avantages

Haute précision et sensibilité

Mesure de charge fiable lorsqu'elle est utilisée dans des cellules de pesée

Intégration facile avec les systèmes électroniques

Convient pour la surveillance en temps réel et à long terme

Inconvénients

Sensible à la température v ions ariat

L'installation nécessite précision et expérience

Performances affectées par des environnements difficiles

Les très petits signaux nécessitent une amplification

Réutilisabilité limitée en raison de contraintes permanentes de liaison et d’étalonnage

Conclusion

Les jauges de contrainte fournissent des mesures précises et fiables de déformation pour la surveillance des charges, des contraintes et de la structure.Leur précision dépend d’une sélection, d’une installation et d’un conditionnement du signal appropriés.Lorsqu'elles sont appliquées correctement, les jauges de contrainte restent des outils importants dans les systèmes de mesure d'ingénierie, de recherche et industriels.