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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 1 860 − 1 Capteurs à jauges extensométriques par Jean-Luc LE GOËR Ingénieur ESL (École Technique Supérieure du Laboratoire) Président de Vishay Micromesures et Jean AVRIL Ancien Élève de l’École Polytechnique 1. Quelques principes de capteurs .......................................................... R 1 860 - 3 2. Schéma électrique des capteurs ......................................................... — 4 2.1 Principe du montage en pont ..................................................................... — 4 2.2 Disposition des jauges ................................................................................ — 4 2.3 Montage électrique des capteurs............................................................... — 6 3. Conception mécanique des capteurs................................................. — 8 3.1 Calcul des capteurs...................................................................................... — 8 3.2 Métal du corps d’épreuve ........................................................................... — 8 3.3 Imperfections mécaniques des capteurs................................................... — 9 3.3.1 Frottements et jeux............................................................................. — 9 3.3.2 Mauvaise déﬁnition des appuis......................................................... — 10 3.3.3 Plaques cloquées................................................................................ — 11 3.3.4 Instabilité élastique............................................................................. — 11 3.3.5 Non-linéarité et défauts d’encastrements ........................................ — 11 3.3.6 Points d’application des charges mal déﬁnis................................... — 12 3.3.7 Dissymétries........................................................................................ — 12 3.3.8 Indépendance...................................................................................... — 12 3.3.9 Limitations et butées.......................................................................... — 13 3.4 Recherche des formes optimales............................................................... — 13 3.5 Protection mécanique et étanchéité........................................................... — 14 3.6 Pseudo-capteurs .......................................................................................... — 15 3.7 Similitude mécanique ................................................................................. — 15 4. Choix des jauges pour les capteurs.................................................... — 15 5. Circuits électriques de compensation thermique .......................... — 15 5.1 Effets de couples thermoélectriques parasites ......................................... — 15 5.2 Dérive thermique du zéro ........................................................................... — 16 5.3 Variation de sensibilité du capteur............................................................. — 16 5.4 Pratique des opérations .............................................................................. — 17 5.5 Précautions instrumentales ........................................................................ — 17 6. Instrumentation associée ...................................................................... — 18 7. Caractéristiques des capteurs.............................................................. — 19 7.1 Précision....................................................................................................... — 19 7.2 Durée de vie ................................................................................................. — 19 7.3 Fiabilité ......................................................................................................... — 19 7.4 Terminologie usuelle relative aux capteurs d’extensométrie.................. — 20 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. R 1 860 CAPTEURS À JAUGES EXTENSOMÉTRIQUES _________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. R 1 860 − 2 © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle es extensomètres à ﬁls résistants, que l’on désigne aussi sous le nom de jauges de contraintes (cette expression n’est pas tout à fait correcte, mais usuelle), furent inventés pour mesurer les déformations des structures en vue d’en évaluer l’état de contraintes. Il s’agit de petits circuits électriques très ﬁns (ﬁgure A) qui, collés sur les pièces à étudier, en subissent les déformations, ce qui entraîne une variation de leur résistance électrique. Les mesures élec- triques peuvent être très précises et très sensibles puisque l’on atteint facilement des déformations de l’ordre du micromètre par mètre (µm/m). Ces jauges sont décrites dans l’article Extensométrie [R 1 850]. La ﬁdélité des jauges permit dès l’origine d’envisager leur usage pour fabriquer des capteurs. Avec les mêmes jauges et la même instrumentation en aval, il est possible d’imaginer de nombreux types de capteurs (§ 1). Les capteurs extensométriques simples peuvent être exécutés même par des non-spécialistes. Il est d’ailleurs fréquent que, dans des ateliers ou des laboratoires, l’utilisateur fabrique d’abord lui-même ses capteurs, quitte à les faire réaliser ensuite par des professionnels lorsque la méthode s’est révélée satisfaisante et susceptible d’être étendue à de plus grandes précisions. Le non-spécialiste qui a réalisé un capteur, en achetant simplement des jauges, des colles et quelques accessoires, pourra, à frais réduits, bien déﬁnir lui-même son problème. Ensuite, pour passer à l’utilisation déﬁnitive ou en grandes quantités, il aura tout intérêt, bien entendu, à s’adresser à un producteur spécialisé. Le choix est une question d’économie relative (tableau 5). Les nombreux montages cités dans la suite de cet article sont illustrés par des exemples comprenant des jauges à trames métalliques. Les jauges peuvent être aussi du type semi-conducteur en silicium. Ces dernières donnent un signal plus élevé et offrent la possibilité d’un très faible encombrement (capteurs intégrés). Cependant, les jauges à semi-conducteur ont l’inconvénient d’être sensibles à la température ; cette sensibilité peut être compensée par un micro- processeur (mise en mémoire des courbes résistance-température). L’avantage des jauges métalliques est que, leurs caractéristiques dépendant de nombreux paramètres liés aux diverses variétés d’alliages, elles peuvent être mieux adap- tées aux différents cas d’espèces. Les jauges métalliques restent les plus utilisées actuellement en extensométrie. Cet article fait suite à l’article Extensométrie [R 1 850] du présent traité, auquel le lecteur pourra se reporter pour la description des jauges. Figure A – Jauge électrique de déformations L ________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À JAUGES EXTENSOMÉTRIQUES Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 1 860 − 3 1. Quelques principes de capteurs (0) Tableau 1 – Exemples de capteurs extensométriques Grandeur mesurée Schémas (1) Grandeur mesurée Schémas (1) DÉPLACEMENTS TORSIONS, COUPLES PRESSIONS P FORCES F, POIDS VIBRATIONS, ACCÉLÉRATIONS (1) Les jauges sont repérées par le symbole J. CAPTEURS À JAUGES EXTENSOMÉTRIQUES _________________________________________________________________________________________________ Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. R 1 860 − 4 © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle Différents exemples de capteurs sont représentés sur le tableau 1. Cette liste n’est pas limitative. On voit que, par des dispositifs méca- niques particuliers, on peut, sous l’effet du phénomène physique à mesurer, provoquer la déformation d’une pièce dite corps d’épreuve (cylindre, lame ﬂéchie, membrane, etc.). Des jauges collées sur le corps d’épreuve en détectent les déformations. Leurs variations de résistance sont liées aux variations de la grandeur physique, dont la mesure se ramène ainsi à celle d’une résistance électrique. Outre les cas simples représentés par ces schémas, on peut imaginer des capteurs dont le corps d’épreuve détecte simultané- ment plusieurs paramètres. Par exemple, une même poutre peut servir à détecter des tractions, des ﬂexions suivant deux composantes, des torsions. Par une disposition judicieuse des jauges, ces composantes sont mesurées séparément. Par ailleurs, des instruments différents peuvent être conçus suivant des schémas analogues. Ainsi, un capteur de vibrations mesure soit le déplacement, soit l’accélération, suivant que la fréquence à laquelle on l’utilise est supérieure ou inférieure à la fréquence propre fondamentale de résonance. On obtient l’un ou l’autre de ces deux types de capteurs par le choix des dimensions et des masses des divers composants mécaniques qui le constituent. Ces différents capteurs peuvent être statiques ou dynamiques, suivant qu’ils servent à la détection de grandeurs lentement ou rapidement variables. Les limitations en fréquence ne dépendent que des inerties de la partie mécanique, car les jauges elles-mêmes ne sont limitées que par leurs dimensions (par exemple, 100 000 Hz pour des jauges de l’ordre du millimètre). Évidemment, l’instru- mentation électronique disposée en aval du capteur est également à considérer de ce point de vue (§ 6). 2. Schéma électrique des capteurs 2.1 Principe du montage en pont Soit un circuit constitué par quatre résistances égales R1, R2, R3, R4 montées en pont (ﬁgure 1). Si nous l’alimentons par une source de courant P suivant une diagonale, nous avons à l’équilibre une tension nulle entre B et D. La variation de l’une quelconque des résistances fait apparaître une tension Vs entre B et D qui peut être mesurée par un instrument G. Pour de très faibles variations de résistance (de l’ordre de quelques microohms dans le cas des jauges), la tension de sortie Vs est pratiquement propor- tionnelle aux variations relatives de résistance ∆R/R de chacune des jauges. Négligeant les termes d’ordre supérieur, elle vaut : (1) avec Ve force électromotrice de la source. Les signes alternés + et – de cette équation caractérisent la pro- priété fondamentale des ponts : deux résistances adjacentes agissent en sens inverse, cependant que deux résistances opposées agissent dans le même sens. Un capteur est constitué par un tel pont dont une, deux, ou quatre des résistances sont des jauges électriques collées sur le corps d’épreuve, les autres étant des résistances ﬁxes. Le cas le plus fréquent est celui de quatre jauges. D’après la règle des signes (1), on voit qu’il est possible d’ajouter ou de retrancher les effets séparés des jauges. C’est ainsi que sont éliminés les phénomènes parasites au proﬁt de la grandeur recherchée. La tension de sortie Vs peut être exploitée de différentes manières : — on peut la mesurer directement à l’aide d’un millivoltmètre ; — on peut la comparer, par méthode d’opposition, à une tension de référence ; — on peut l’utiliser comme indication de déséquilibre pour rétablir la symétrie par variation de potentiomètres montés en parallèle sur les jauges. Ces trois procédés sont les principes de base des instruments, mais, quel que soit le type utilisé, la règle des signes (1) est la même. Lorsque les quatre bras du pont ne sont pas tous occupés par des jauges, on peut théoriquement les disposer à l’extérieur du capteur. Toutefois, comme l’on mesure de très faibles variations de résistance, tous les circuits qui constituent le carré ABCD du pont doivent être très stables. Une instabilité est très perturbatrice dans ce carré, alors qu’elle a moins d’importance sur les circuits extérieurs reliant les diagonales du uploads/Ingenierie_Lourd/ capteurs-a-jauges-extensometriques.pdf