Le fonctionnement des capteurs de contrainte

La déformation est un changement relatif de la longueur d’un composant ou d’une structure sous charge. Il peut s’agir d’un allongement (étirement) ou d’un raccourcissement (compression). Cette déformation peut être causée par des forces ou des moments (contrainte mécanique) appliqués à une structure, mais aussi par la dilatation ou contraction thermique due à un changement de température. La mesure indirecte des forces à l’aide de capteurs de contraintes permet de déterminer la contrainte mécanique.

La variation de longueur relative est décrite comme la déformation ε en [m/m] et est définie comme le rapport entre une variation de longueur absolue Δ l et une longueur totale l0. La déformation est sans dimension.
Le symbole de la déformation est ɛ. Étant donné que les déformations observées sur un composant sont normalement faibles, la contrainte est exprimée en [µm/m] (1 µm = 10-6 m). En Europe, les contraintes sont principalement exprimées en [µm/m], mais dans la zone anglo-américaine, elles sont plus couramment exprimées en microstrain ou microepsilon [µɛ].
Si un composant s’allonge, on parle de contrainte positive. Si un composant se contracte, la contrainte est négative.
 

Dans la plupart des cas, la contrainte est mesurée afin de déterminer le degré de sollicitation et donc de tensions d’un matériau sous une charge mécanique. Cependant, en mesurant la contrainte, on peut également déduire la force qui l’a causée. La mesure des contraintes offre ainsi une solution intelligente pour déterminer les grandes forces. En laboratoire, les jauges de contraintes sont collées à plusieurs reprises sur un composant. Pour la production en série, il est cependant plus facile d’utiliser des capteurs de contraintes vissés afin de créer des conditions constantes et de qualité pour la mesure indirecte des forces.

Les capteurs de contraintes remplacent avantageusement les capteurs de force dans les situations où les plages de forces sont étendues et les structures rigides. Contrairement aux capteurs de force, les capteurs de contraintes ne sont pas montés directement dans le flux de force, mais vissés sur la surface du composant. La charge exercée sur la structure de la machine produit des déformations. Les capteurs de contraintes permettent d’utiliser la contrainte de surface mesurée pour déduire simplement la force exercée. La mesure indirecte des forces à l’aide de petits capteurs de contraintes optimise les coûts associés au calcul de grandes forces.

Outre les capteurs de contraintes externes vissés, il existe également des versions qui mesurent la contrainte à l’intérieur d’un perçage. Cette solution peut être judicieuse en fonction de la conception du système.

Tout composant soumis à une force (F) subit une certaine déformation (ε). Dans le domaine élastique linéaire, cette déformation dépend toujours du module d’élasticité du matériau (E), de la section transversale (A) et de la force. Ces trois paramètres permettent de calculer la déformation comme suit :

L’équation peut également être utilisée pour déduire facilement la tension du composant. Ces calculs sont basés sur la Loi de Hooke. La loi de Hooke, dans sa forme la plus simple, détermine la proportionnalité directe de la déformation ε [m/m] et de la contrainte σ [N/mm²] d’un matériau donné à partir de son module d’élasticité E [N/mm²].
​​​​​​​La conception mécanique et le choix des matériaux du composant sont basés sur les tensions mécaniques appliquées. Les aciers à faible résistance supportent des sollicitations plus faibles et donc des contraintes plus faibles. Les aciers à haute résistance admettent des sollicitations et contraintes plus importantes. 
Les capteurs de contraintes ont différentes plages de mesure qui couvrent les contraintes attendues.

La contrainte que subit un composant dépend de la géométrie et de la force, mais également du matériau du composant. La valeur caractéristique décisive est le module d’élasticité. Il décrit le rapport proportionnel entre tension et contrainte lors de la déformation d’un corps solide dans le domaine élastique linéaire. Plus un matériau est rigide, plus son module d’élasticité est élevé. Le module d’élasticité de l’acier de traitement couramment utilisé pour les capteurs de contraintes est de E = 210 000 N/mm².
Le module d’élasticité de l’aluminium est d’environ 70 000 N/mm², et celui du caoutchouc dur est de 5 N/mm²

Contrainte mesurée par le capteur de contraintes : 240 µm/m
Largeur de barre d’acier 20 mm x 20 mm -> section transversale A = 20 mm x 20 mm = 400 mm²
F= 400 mm² x210 000 N/mm² x 240 x 10-6 m/m = 20 160 N

Les capteurs de contraintes à jauge de contrainte convertissent la quantité de force mécanique en signal électrique. Cela se fait en quatre étapes. Le point de départ est un composant qui est déformé par la force appliquée. Cette déformation est transmise au capteur de contraintes par frottement. Le capteur de contraintes possède un corps élastique en acier de traitement, à la surface duquel les charges externes provoquent des contraintes. Les jauges de contraintes montées sur la surface du corps élastique permettent de capter cette contrainte. Les jauges de contraintes convertissent ainsi la contrainte mécanique en une modification de la résistance électrique et agissent comme des convertisseurs mécano-électriques. Cette modification de la résistance entraîne une modification de la tension proportionnelle à la contrainte. Le câblage intelligent des différentes jauges de contraintes peut créer un pont de mesure de type Wheatstone, qui permet de détecter les contraintes les plus faibles.

Les jauges de contraintes sont le cœur des capteurs de force et de contraintes de Baumer et servent à détecter les contraintes à la surface des matériaux. Elles sont généralement constituées d’un film porteur (en polyimide), d’une grille de mesure sous forme de spires en constantan et d’une couche protectrice. Les jauges de contraintes convertissent la contrainte mécanique en une modification de la résistance électrique et agissent comme des convertisseurs mécano-électriques. La modification de la résistance de la jauge de contrainte est proportionnelle, et est désignée comme facteur k. 

Designs
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Il existe différents designs de jauges de contraintes métalliques pour le corps d’épreuve. Outre les jauges de contraintes linéaires classiques, il y a également les jauges de type rosette, rosette en T et cisaille :

Le montage en pont de Wheatstone est un câblage spécial de résistances électriques qui permet de mesurer précisément les modifications de la résistance électrique. Dans le montage en pont complet utilisé dans les capteurs, quatre jauges de contraintes sont toujours connectées les unes aux autres selon un arrangement spécifique. Le montage en pont se compose de deux diviseurs de tension connectés en parallèle qui sont alimentés par une source de tension commune avec l’alimentation du pont U_B.

Le montage en pont de Wheatstone permet d’enregistrer les plus petites modifications de la résistance avec précision. Les modifications des différentes résistances conduisent à un déséquilibre U_A facilement mesurable. Le signal de mesure du pont se comporte de manière ratiométrique et est proportionnel à la tension d’alimentation. Le signal de mesure des capteurs à jauges de contraintes est typiquement compris entre 0,4 et 3,0 mV/V.

Les capteurs de contraintes Baumer sont mécaniquement conçus pour durer au moins 10 millions de cycles sur +/- toute la plage de contraintes (par ex. +/- 500 µm/m). Ceci permet de surveiller les process ayant un nombre élevé de cycles et de charges en direction positive et négative.  

La gamme de capteurs de contraintes de Baumer offre des possibilités d’utilisation presque illimitées. Il existe des capteurs de contraintes pour les espaces restreints, les applications industrielles classiques ou les applications en conditions extérieures difficiles.