Jauges de déformation


Pour déterminer certains paramètres (forces, pression ...) on mesure les déformations élastiques d'un corps d'épreuve sur lequel sont collées des jauges de déformation. Une jauge est constituée d'un fil conducteur très fin collé en zigzag sur un support de faible épaisseur. La majeure partie de la longueur du fil est orientée parallèlement à une direction fixe. Pour déterminer l'allongement d'une structure selon une direction données, on place la jauge, fils parallèles à cette direction. La mesure des variations de résistance est liée à l'allongement relatif du fil donc à la déformation longitudinale.

Sous l'action d'une déformation mécanique la conductivité du métal varie.
Pour un fil cylindrique la résistance est donnée par la relation :
R = ρ. L / S = 4.ρ. L / (π.D²). (a)
Pour un métal le rapport entre la contraction transversale ΔD / D et l'allongement axial du fil ΔL / L est le coefficient de Poisson ν caractéristique du métal.

A partir de la relation (a), on tire ΔR / R = (ΔL / L)(1 + 2ν) = ε.(1 + 2ν) = κ.ε
κ est le facteur de jauge. Pour les jauges métalliques, il est compris entre 2 et 6. Comme ε est de l'ordre de 1 µm / mm les variations de résistance sont de l'ordre du mΩ. La résistance standard des jauges est 120 Ω et typiquement il faut détecter des variations relatives de résistance de l'ordre de 10−4 à 10−6
Une déformation axiale du support de la jauge s'accompagne en général d'une déformation transversale qui va agir sur les boucles du fil de la jauge et va également modifier la valeur de sa résistance.
Le ΔR du à la déformation étant petit, il faut contrôler les effets de la température sur la résistance de la jauge.
Pour la réalisation des jauges, on utilise des alliages comme le constantan (Cu 60 %, Ni 40 %) ou comme le Nichrome (Ni 80 %, Cr 20 %). Il existe aussi des jauges à semi-conducteurs avec un κ bien plus grand mais très sensibles aux variations de température.

Ponts de mesure.
Pour déterminer le ΔR / R de la jauge on place celle-ci dans un pont de Wheatstone dont les 4 résistances sont égales.
Dans ce cas, la tension de déséquilibre du pont est :
Deux résistances adjacentes agissent en sens opposés et deux résistances opposées agissent dans le même sens.
La tension de déséquilibre est mesurée avec un amplificateur d'instrumentation. qui procure un grand gain avec une impédance d'entrée très grande.

1 / 4 de pont : C'est le système le plus simple. On utilise une jauge (R1) et trois résistances normales. Il n'y a pas de compensation en température et la sonde mesure à la fois les contraintes normales et de torsions. V1- 4 = ¼.E.(dR1 / R1)

1 / 4 de pont compensé : On remplace R2 par une jauge non soumise aux contraintes. On annule ainsi l'effet de la température.
V1- 4 = ¼.E.(dR1 / R1)

1 / 2 de pont : Sur le corps d'épreuve on place deux jauges orthogonales. On ne mesure que l'effet de la traction. On annule aussi l'effet de la température. V1- 4 = ¼.E.(dR1 / R1 − dR2 / R2)

1 / 2 de pont diagonal : On place deux jauges sur deux faces perpendiculaires du corps d'épreuve. On annule les effets de la torsion. et de la température. V1- 4 = ½.E.(dR1 / R1). Pour annuler les effets de la température, il faut remplacer R2 et R4 par des jauges non soumises à des contraintes

Pont complet : On utilise 4 jauges ce qui annule l'effet de la température. La tension de sortie est fonction du placement des jauges. Si elles sont orientées pour que deux fonctionnent en traction et deux en compression on a V1- 4 = E.(dR / R).

Le câblage du pont doit être soigné pour limiter l'effet des fils de liaison. On peut en particulier séparer les fils d'alimentation des fils de mesure.