Afin de mesurer la contrainte< avec une jauge de contrainte à résistance liée, celle-ci doit être branchée à un circuit électrique capable de mesurer des changements infimes de résistance correspondant à la contrainte. Les jauges de contrainte utilisent généralement quatre éléments de jauge de contrainte électriquement reliés pour former un pont de Wheatstone (Figure 2-6).
Un pont de Wheatstone est un circuit en pont divisé utilisé pour mesurer la résistance électrique statique ou dynamique. La tension de sortie du pont de Wheatstone est exprimée en millivolts de sortie par volt d'entrée. Le circuit de Wheatstone est également bien adapté pour la compensation de température.
L'équation du pont de Wheatstone, si R1, R2, R3 et R4 sont égaux et qu'une tension, VIN, est appliquée entre les points A et C, alors la sortie entre les points B et D n'indique aucune différence de potentiel. Toutefois, si R4 est remplacé par une valeur qui n'est pas égale à R1, R2 et R3, le pont est alors déséquilibré et une tension existera aux bornes de sortie. Dans une configuration de pont en G, le capteur de contrainte variable présente une résistance Rg, tandis que les autres bras sont des résistances à valeur fixe.
Toutefois, le capteur peut occuper un, deux ou quatre bras du pont de Wheatstone, selon l'application. La contrainte totale ou la tension de sortie du circuit (VOUT) est équivalente à la différence entre la chute de tension entre R1 et R4, ou Rg. Elle peut également être écrite comme suit :
Pour plus de détails, reportez-vous à la Figure 2-6. Le pont est considéré comme équilibré lorsque R1/R2 = Rg/R3 et, par conséquent, lorsque VOUT est égal à zéro.
Un petit changement de résistance sur la jauge de contrainte entraîne le déséquilibre du pont, ce qui le rend adapté à la détection de la contrainte. Lorsque le pont est configuré de manière que Rg soit la seule jauge de contrainte active, un léger changement de Rg entraîne une tension de sortie du pont. Si le facteur de jauge est GF, la mesure de la contrainte est liée au changement de Rg, comme suit :
Le nombre de jauges de contrainte actives qui doivent être branchées au pont dépend de l'application. Par exemple, il peut être utile de brancher des jauges situées sur des côtés opposés d'un faisceau, l'une en compression et l'autre en tension. Avec cette disposition, il est possible de doubler efficacement la sortie du pont pour la même contrainte. Dans les installations où tous les bras sont connectés à des capteurs de contrainte, la compensation de température des jauges de contrainte est automatique, car les variations de résistance causées par des variations de température sont identiques pour tous les bras du pont de Wheatstone.
Dans un pont de Wheatstone à quatre éléments, deux jauges sont généralement câblées en compression et deux en tension. Par exemple, si R1 et R3 sont en tension (positive) et que R2 et R4 sont en compression (négative), la sortie sera alors proportionnelle à la somme de toutes les contraintes mesurées séparément. Pour les jauges situées sur des branches adjacentes, le pont est déséquilibré proportionnellement à la différence de tension. Pour les jauges sur des branches opposées, le pont s'équilibre proportionnellement à la somme des contraintes. Que ce soit la contrainte de flexion, la contrainte axiale, la contrainte de cisaillement ou la contrainte de torsion qui est mesurée, c'est la disposition de la jauge de contrainte qui détermine la relation entre la sortie et le type de contrainte mesurée. Comme indiqué sur la figure 2-6, si une contrainte de traction positive se produit sur les jauges R2 et R3, et qu'une contrainte négative est présente sur les jauges R1 et R4, la sortie totale, VOUT, serait égale à quatre fois la résistance d'une seule jauge. Dans cette configuration, les changements de température de la jauge de contrainte sont compensés.
Le circuit à pont en chevron
Le pont en chevron est illustré sur la Figure 2-7. Il s'agit d'une disposition à canaux multiples qui sert à compenser les changements de résistances de la branche du pont en les commutant régulièrement. Ici, les quatre positions de canal sont utilisées pour commuter le voltmètre numérique (DVM) entre les configurations de pont en G (une jauge active) et de pont en H (deux jauges actives). Le dispositif de mesure DVM partage toujours l'alimentation électrique et un pont en H interne. Cette disposition est la plus courante pour les mesures de contrainte sur des machines rotatives, où elle peut réduire le nombre de bagues collectrices nécessaires.
Circuit ohms à quatre fils
Bien que le circuit du pont de Wheatstone soit l'une des méthodes les plus populaires pour mesurer la résistance électrique, d'autres méthodes peuvent également être utilisées. L'avantage principal d'un circuit ohms à quatre fils est que les fils d'alimentation n'affectent pas la mesure car la tension est détectée directement à travers l'élément de la jauge de contrainte.
Une installation de circuit ohms à quatre fils peut être composée d'un voltmètre, d'une source de courant et de quatre résistances d'alimentation, R1, en série avec une résistance de jauge, Rg (Figure 2-8). Le voltmètre est branché aux bornes de détection en ohms du voltmètre numérique et la source de courant est branchée aux bornes de la source en ohms du voltmètre numérique. Pour mesurer la valeur de contrainte, un faible courant (généralement un milliampère) est généré dans le circuit. Tandis que le voltmètre mesure la chute de tension dans Rg, la valeur de résistance absolue est calculée par le multimètre à partir des valeurs de courant et de tension.
La mesure est généralement effectuée en mesurant d'abord la valeur de la résistance de la jauge en condition libre, puis en effectuant une deuxième mesure en appliquant une contrainte. La différence entre les résistances de jauge mesurées divisée par la résistance libre donne une valeur fractionnelle de la contrainte. Cette valeur est utilisée avec le facteur de jauge (GF) pour calculer la contrainte.
Le circuit à quatre fils est également adapté à la compensation automatique du décalage de tension. La tension est d'abord mesurée lorsqu'il n'y a pas de courant. Cette valeur mesurée est ensuite soustraite de la mesure de tension lorsque le courant circule. La différence de tension qui en résulte est ensuite utilisée pour calculer la résistance de la jauge. En raison de leur sensibilité, les jauges de contrainte à quatre fils sont généralement utilisées pour mesurer les contraintes dynamiques à basse fréquence. Lorsque des contraintes plus élevées sont mesurées, la sortie du pont doit être amplifiée. Le même circuit peut également être utilisé avec un capteur de jauge de contrainte à semi-conducteur et un voltmètre numérique à grande vitesse. Si la sensibilité du voltmètre numérique est de 100 microvolts, la source de courant est de 0,44 milliampère, la résistance de l'élément de la jauge de contrainte est de 350 ohms et son facteur de jauge est de 100, la résolution de la mesure sera de 6 microdéformations.
Circuit à courant constant
La résistance peut être mesurée en excitant le pont avec une tension constante ou une source de courant constante. Puisque R = V/I, si V ou I est maintenu constant, l'autre varie en fonction de la résistance. Les deux méthodes peuvent être utilisées.
Bien qu'il n'y ait aucun avantage théorique à utiliser une source de courant constant (Figure 2-9) par rapport à une tension constante, dans certains cas, la sortie du pont sera plus linéaire dans un système à courant constant. En outre, si une source de courant constant est utilisée, il n'est plus nécessaire de détecter la tension au niveau du pont ; par conséquent, seuls deux fils doivent être branchés à l'élément de la jauge de contrainte.
Le circuit à courant constant est plus efficace lorsque la contrainte dynamique est mesurée. En effet, si une force dynamique entraîne un changement de résistance de la jauge de contrainte (Rg), il est possible de mesurer la composante variable dans le temps de la sortie (VOUT), alors que les effets à évolution lente, tels que les changements de résistance de contrainte dus aux variations de température, seraient rejetés. Grâce à cette configuration, les dérives de température deviennent quasiment négligeables.
Application et installation
La sortie d'un circuit de jauge de contrainte est un signal de tension très faible nécessitant une sensibilité de 100 microvolts ou plus. Le faible niveau du signal le rend particulièrement sensible aux bruits indésirables provenant d'autres appareils électriques. Le couplage capacitif provoqué par le fonctionnement des fils d'alimentation trop près des câbles d'alimentation CA ou des courants de terre est une source d'erreur potentielle dans la mesure de la contrainte. D'autres sources d'erreur peuvent inclure des tensions induites magnétiquement lorsque les fils d'alimentation passent à travers des champs magnétiques variables, des résistances de contact parasites (indésirables) des fils d'alimentation, un défaut d'isolation et des effets de thermocouple à la jonction de métaux différents. La somme de ces interférences peut entraîner une dégradation significative du signal.
Blindage
La plupart des problèmes d'interférences électriques et de bruit peuvent être résolus par un blindage et une protection. Un blindage autour des câbles de mesure intercepte les interférences et peut également réduire les erreurs causées par la dégradation de l'isolation. Le blindage protège également la mesure contre un couplage capacitif. Si les câbles de mesure sont acheminés à proximité de sources d'interférences électromagnétiques telles que des transformateurs, la torsion des câbles minimise la dégradation du signal causée par l'induction magnétique. En torsadant le fil, le courant induit par le flux est inversé et les zones que le flux traverse sont neutralisées. Pour les applications industrielles, les fils torsadés et blindés sont utilisés presque sans exception.
Protection
La protection de l'instrument est tout aussi importante que le blindage des fils. Une protection est un boîtier en tôle qui entoure le circuit analogique. Elle est branchée à la gaine. Si des courants de terre traversent l'élément de la jauge de contrainte ou ses fils d'alimentation, un circuit de pont Wheatstone ne peut pas les différencier du flux généré par la source de courant. La protection garantit que les bornes des composants électriques ont le même potentiel, ce qui empêche les flux de courant parasites.
Le raccordement d'un fil de protection entre l'échantillon de test et la borne négative de l'alimentation fournit un chemin de courant supplémentaire autour du circuit de mesure. En plaçant un chemin de câble de protection sur le chemin d'un courant produisant des erreurs, tous les éléments impliqués (c'est-à-dire l'alimentation électrique flottante, la jauge de contrainte et tous les autres équipements de mesure) auront le même potentiel que l'échantillon de test. L'utilisation de câbles torsadés et blindés, de même que l'intégration des DVM avec des protections, permettent d'éliminer pratiquement toute erreur de bruit en mode commun.
Effets des fils d'alimentation
Les jauges de contrainte sont parfois montées à une distance de l'équipement de mesure. Cela augmente le risque d'erreurs dues aux variations de température, à la désensibilisation des fils et aux changements de résistance des fils d'alimentation. Dans une installation à deux fils (Figure 2-10A), les deux fils sont en série avec l'élément de la jauge de contrainte et toute modification de la résistance du fil d'alimentation (R1) sera impossible à distinguer des modifications de la résistance de la jauge de contrainte (Rg).
Pour corriger les effets des fils d'alimentation, une troisième dérivation supplémentaire peut être introduite dans la branche supérieure du pont, comme illustré sur la Figure 2-10B. Dans cette configuration, le fil C agit comme un fil de détection sans aucun courant qui y circule, et les fils A et B se trouvent dans des branches opposées du pont. Il s'agit de la méthode minimale acceptable pour le câblage des jauges de contrainte sur un pont afin de neutraliser au moins une partie de l'effet des erreurs du fil d'extension. Théoriquement, si les fils d'alimentation du capteur ont la même résistance nominale, le même coefficient de température et sont maintenus à la même température, une compensation complète est obtenue. En réalité, les fils sont fabriqués selon une tolérance d'environ 10 %, et l'installation à trois fils n'élimine pas complètement les erreurs à deux fils, mais elle les réduit d'un ordre de grandeur. Si une amélioration supplémentaire est souhaitée, les installations à quatre fils et à compensation de décalage (Figures 2-10C et 2-10D) doivent être prises en compte.
Dans les installations à deux fils, l'erreur introduite par la résistance des fils d'alimentation dépend du rapport de résistance R1/Rg. L'erreur de fil n'est généralement pas significative si la résistance du fil d'alimentation (R1) est faible par rapport à la résistance de la jauge (Rg), mais si la résistance du fil d'alimentation dépasse 0,1 % de la résistance nominale de la jauge, cette source d'erreur devient significative. Par conséquent, dans les applications industrielles, la longueur des fils d'alimentation doit être minimisée ou éliminée en plaçant le transmetteur directement sur le capteur.
Température et facteur de jauge
Les matériaux sensibles aux contraintes, tels que le cuivre, modifient leur structure interne à des températures élevées. La température peut modifier non seulement les propriétés d'un élément de la jauge de contrainte, mais aussi les propriétés du matériau de base auquel la jauge de contrainte est fixée. Les différences de coefficients d'expansion entre la jauge et les matériaux de base peuvent entraîner des changements de dimensions de l'élément du capteur. Par conséquent, la présence d'un circuit de compensation de température est nécessaire.
L'expansion ou la contraction de l'élément de la jauge de contrainte et/ou du matériau de base provoque des erreurs difficiles à corriger. Par exemple, une modification de la résistivité ou du coefficient de température de la résistance de l'élément de la jauge de déformation modifie la référence zéro utilisée pour étalonner l'unité.
Le facteur de jauge est la sensibilité de contrainte du capteur. Le fabricant doit toujours fournir des données sur la sensibilité à la température du facteur de jauge. La figure 2-11 montre la variation des facteurs de jauge des différents matériaux de jauge de contrainte en fonction de la température de fonctionnement. Les alliages cuivre-nickel tels que Advance ont des facteurs de jauge relativement sensibles aux variations de température de fonctionnement, ce qui en fait le choix le plus populaire pour les matériaux de jauge de contrainte.
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