Méthode de sélection des jauges de contrainte à résistance

Résistance jauges de Contrainte (appelés jauges de contrainte) sont des composants sensibles essentiels qui convertissent la déformation mécanique des éléments structurels en variations de résistance, largement utilisés dans cellules de charge , les capteurs de force, la surveillance de l'état structural, les essais aérospatiaux et d'autres domaines. Leur sélection détermine directement la précision, la stabilité et la durée de vie du système de mesure. La logique fondamentale est la « correspondance bidirectionnelle entre les caractéristiques de déformation et l'environnement d'utilisation » — éviter le gaspillage de coûts dû à une redondance de paramètres et prévenir les défaillances de mesure liées à des performances insuffisantes. Voici une méthode de sélection complète, combinant paramètres techniques, adaptation à l'environnement et points clés pratiques pour faciliter un choix précis.

Étape 1 : Définir les besoins principaux de mesure et les scénarios d'application (condition préalable à la sélection)

Avant la sélection, il est nécessaire de définir « quel type de déformation mesurer, dans quel environnement effectuer la mesure et comment installer le capteur », ce qui constitue la base pour le choix ultérieur des paramètres et évite la recherche aveugle de performances élevées.

1. Définition des exigences principales de mesure

• Type et plage de déformation : Préciser la nature de la déformation de la pièce mesurée (déformation statique, telle que la déformation due au poids propre de la structure, ou déformation dynamique, telle que la déformation due aux vibrations mécaniques) ainsi que la valeur maximale de déformation, en prévoyant une marge de sécurité de 1,2 à 1,5 fois. Exemple : si la déformation maximale réelle est de 1000 με, il convient de choisir un jauges de déformation avec une plage de 1200 à 1500 με ; pour les déformations dynamiques (par exemple, charges d'impact), il est recommandé de prévoir un coefficient de sécurité de 1,5 à 2 fois afin d'éviter d'endommager la grille sensible en cas de surcharge instantanée.
• Exigence de précision : S'agit-il d'une surveillance qualitative (comme l'alerte précoce de fissures structurelles), d'une analyse quantitative (comme l'étalonnage de capteurs) ou d'une mesure de précision (comme les essais de contrainte en laboratoire) ? Exemple : les jauges de déformation pour cellules de charge doivent respecter une erreur de sensibilité de ±0,1 %, la surveillance de l'état structural peut présenter une erreur de ≤±0,5 %, et la mesure de précision en laboratoire exige une erreur ≤±0,05 %.
• Direction de la force : Le composant est-il soumis à une force unidirectionnelle (comme la flexion d'une poutre encastrée), bidirectionnelle (comme les pièces mécaniques en état de contrainte plan) ou multidirectionnelle (comme les nœuds structurels complexes) ? Sélectionnez des jauges de déformation uniaxiales pour les forces unidirectionnelles, et des jauges biaxiales (à angle droit, rosettes de jauges) ou multiaxiales pour les forces bidirectionnelles/multidirectionnelles.
• Fréquence de mesure : Pour la mesure dynamique, la plage de fréquence du signal de déformation doit être précisée. La fréquence de réponse du jauges de contrainte doit être ≥3 fois la fréquence du signal mesuré (afin d'éviter toute distorsion du signal). Exemple : pour mesurer une déformation vibratoire de 50 Hz, il convient de sélectionner une jauge de contrainte avec une fréquence de réponse ≥150 Hz.

2. Conditions d'installation et structurelles

• Caractéristiques de la surface du composant : La surface du composant est-elle plane, courbe (quel est le rayon de courbure) ou de forme spéciale ? Les jauges de déformation flexibles (comme les jauges en feuille) conviennent aux composants courbes ; des jauges à courte longueur de grille sont nécessaires pour un petit rayon de courbure (≤10 mm) ; les types dotés d'une forte adhérence du substrat conviennent aux surfaces rugueuses.
• Espace d'installation : Des jauges de contrainte miniaturisées (longueur de grille ≤2 mm) sont nécessaires pour les zones étroites des composants (comme les chanfreins de pièces de précision), tandis que des jauges de contrainte à grille moyenne ou longue peuvent être choisies pour les composants de grande taille en fonction de l'uniformité de la déformation.
• Méthode d'installation : S'agit-il d'une installation par collage à température ambiante, d'une installation par soudage à haute température ou d'un collage temporaire ? Des jauges de contrainte soudables sont requises dans les environnements à haute température, et des jauges magnétiques peuvent être utilisées pour une surveillance temporaire.

3. Conditions de fonctionnement environnementales

• Plage de température : Préciser si l'environnement de travail se situe en température normale (-20 ℃~60 ℃), moyenne température (60 ℃~200 ℃), haute température (200 ℃~1000 ℃) ou basse température (<-20 ℃). La plage de compensation thermique de la jauge de contrainte doit couvrir entièrement la température réelle afin d'éviter toute perte de précision due à la dérive thermique.
• Environnement moyen : Y a-t-il de l'humidité (par exemple sous l'eau, dans des ateliers humides), une corrosion (par exemple des gaz acido-basiques, une pollution par les huiles dans des ateliers chimiques), de la poussière ou un rayonnement intense ? Des jauges de contrainte étanches sont nécessaires dans les environnements humides, des matériaux résistants à la corrosion (par exemple des grilles en alliage de nickel-chrome, des substrats en polyimide) sont requis dans les environnements corrosifs, combinés à un traitement d'étanchéité.
• Facteurs de perturbation : Existe-t-il des interférences électromagnétiques fortes (par exemple près de moteurs, d'équipements haute tension) ou des chocs vibratoires ? Des jauges de contrainte dotées de couches blindées sont nécessaires dans les cas de fortes interférences, et des types avec des substrats et adhésifs offrant une bonne ténacité sont requis dans les cas de chocs vibratoires.

Étape 2 : Sélection des paramètres techniques principaux (correspondance précise aux besoins)

Après avoir clarifié les exigences, concentrez-vous sur les paramètres techniques principaux de la jauge de contrainte, qui constituent le maillon central du choix et déterminent directement les performances de mesure.

1. Paramètres fondamentaux de la grille sensible (déterminent les performances de mesure de base)

• Valeur de résistance : La valeur de résistance conventionnelle des jauges de contrainte est de 120Ω (compatible avec la plupart des jauges de contrainte, offrant la plus grande polyvalence), mais il existe également des spécifications telles que 350Ω et 1000Ω. Les jauges de contrainte à haute résistance conviennent aux systèmes à faible consommation d'énergie, tandis que les jauges de 120Ω offrent le meilleur rapport coût-efficacité dans les applications industrielles. Lors de la sélection, assurez-vous que la valeur de résistance de la jauge correspond à la résistance d'entrée du dispositif de mesure (écart ≤ ±5 %) afin d'éviter une atténuation du signal.
• Facteur de jauge : Indique la relation proportionnelle entre la déformation et la variation de résistance (valeur conventionnelle 2,0±0,02), ce qui constitue un paramètre clé pour le calcul de la valeur de déformation. Lors du choix, il convient de privilégier les jauges de déformation présentant une bonne uniformité du facteur de jauge (déviation par lot ≤±1 %), notamment lorsqu'une utilisation multiple des jauges est prévue dans un pont (comme un circuit en pont complet d'une cellule de charge), car une faible uniformité entraîne une augmentation des erreurs de mesure.
• Longueur et largeur de la grille : La longueur de la grille détermine la « plage moyenne de mesure » de la jauge de déformation. Une petite longueur de grille (0,2 à 2 mm) convient pour mesurer les déformations locales (comme au niveau des pointes de fissure), une longueur moyenne (3 à 10 mm) convient pour les composants classiques, et une grande longueur (10 à 100 mm) convient pour les composants de grande taille ayant de faibles gradients de déformation. La largeur de la grille doit correspondre à la direction de la force appliquée sur le composant : une largeur étroite pour une force unidirectionnelle, et une largeur plus grande ou une structure en rosette pour une force bidirectionnelle.
• Matériau sensible de la grille :
  • Alliage cuivre-nickel (Constantan) : Privilégié pour les scénarios à température normale (-20℃~150℃), avec un faible coefficient de température et une bonne stabilité, adapté aux cellules de charge et à la surveillance structurelle ;
  • Alliage nickel-chrome (Karma) : Pour les scénarios à température moyenne et élevée (-50℃~400℃), avec une haute sensibilité, adapté à la surveillance des moteurs et des conduites à haute température ;
  • Alliage platine-iridium : Pour les scénarios à haute température (400℃~1000℃), avec une forte résistance à la corrosion, adapté aux équipements aérospatiaux et métallurgiques ;
  • Matériaux semi-conducteurs : Sensibilité extrêmement élevée (50 à 100 fois celle des métaux), mais mauvaise stabilité thermique, adapté aux mesures de précision en laboratoire.

2. Paramètres du substrat et de l'adhésif (déterminent l'adaptabilité environnementale)

• Matériau du substrat :
  • Substrat en papier : Faible coût, facile à coller, adapté aux environnements à température ambiante et secs (≤60℃), comme la surveillance temporaire d'équipements civils ;
  • Support en résine phénolique : Résistance thermique de 120℃, bonne résistance à l'huile, adapté aux applications classiques de machines industrielles ;
  • Support en polyimide : Résistance thermique de 250℃, résistance à la corrosion et à l'eau, adapté aux environnements chimiques, humides et à température moyenne-élevée ;
  • Support en céramique : Résistance thermique supérieure à 1000℃, adapté aux environnements extrêmes tels que les fours à haute température et les moteurs aéronautiques.
• Type d'adhésif : Doit être compatible avec le matériau du support et la température de fonctionnement. Des adhésifs à base de cyanoacrylate (séchage rapide) sont utilisés pour les conditions à température ambiante, des adhésifs à base de résine époxy (résistance thermique de 150℃) pour les températures moyennes, et des adhésifs inorganiques (résistance thermique supérieure à 500℃) pour les hautes températures. La résistance au cisaillement de l'adhésif doit être ≥2MPa afin d'éviter le détachement de la jauge de contrainte.

3. Paramètres de compensation thermique (déterminent la stabilité de la mesure)

• Méthode de compensation thermique :
  • Jauges de contrainte auto-compensatrices : En choisissant des matériaux de grille sensibles, la variation de résistance due à la température est compensée par la dilatation thermique du composant, adaptée aux composants en matériau unique (par exemple acier, aluminium), facile à installer, et privilégiée dans les applications industrielles ;
  • Compensation par jauge témoin : Des jauges de déformation identiques aux jauges actives sont collées sur des composants identiques mais non sollicités, et les erreurs dues à la température sont compensées par le circuit électrique ; convient aux champs thermiques complexes ou aux composants multi-matériaux.
• Plage de compensation thermique : Doit couvrir la plage de température réelle de fonctionnement. Exemple : dans un atelier dont la température varie entre -10 °C et 80 °C, il convient de choisir une jauge de déformation avec une plage de compensation allant de -20 °C à 100 °C afin de prévoir une marge thermique.

4. Paramètres de structure et de fils conducteurs (déterminent l'installation et la transmission du signal)

• Structure de la jauge de déformation :
  • Jauges de déformation uniaxiales : Pour des scénarios de force unidirectionnelle (comme les poutres encastrées, les tirants), structure simple et coût réduit ;
  • Jauges de déformation biaxiales (jauge à angle droit) : Pour des scénarios de force bidirectionnelle (comme les composants sous contrainte plane), permettent de mesurer simultanément les déformations dans deux directions perpendiculaires ;
  • Rosettes de jauges de déformation (45°, 60°) : Pour des scénarios de force multidirectionnelle (comme les nœuds structurels, pièces complexes), permettent de calculer la déformation principale et la direction de la contrainte principale, adaptées à l'analyse des contraintes.
• Spécifications des fils de raccordement : Les fils conducteurs sont généralement en cuivre plaqué argent. Des fils isolés en PVC sont choisis pour les environnements à température normale, et des fils isolés en PTFE pour les environnements à haute température. La longueur des fils doit correspondre à la distance de mesure. Pour une transmission à longue distance (10 m), des fils dotés de couches blindées sont requis afin d'éviter les interférences électromagnétiques.

Étape 3 : Adaptation au scénario et évitement des erreurs de sélection

Sélectionner les jauges de contrainte selon les caractéristiques des différents application scénarios, et éviter les erreurs courantes de sélection afin de garantir la stabilité et la fiabilité du système de mesure.

1. Exemples de sélection selon des scénarios typiques

2. Erreurs courantes de sélection et méthodes pour les éviter

• Erreur 1 : Se concentrer uniquement sur le facteur de jauge et ignorer la cohérence — lorsqu'une jauge est utilisée dans un pont, même si le facteur de jauge d'une seule jauge répond aux normes, d'importantes déviations par lot (±1 %) entraîneront un déséquilibre du pont et augmenteront fortement les erreurs de mesure. Prévention : Exiger des fournisseurs des rapports d'essai du facteur de jauge pour les jauges de contrainte d'un même lot, et limiter l'écart à ±0,5 %.
• Erreur 2 : Mésadaptation entre la longueur de la grille et le gradient de déformation — choisir des jauges de déformation à grande longueur de grille dans des zones de concentration locale de déformation, telles que les pointes de fissure, entraîne une « moyennisation » des valeurs mesurées et ne reflète pas la déformation réelle. Prévention : sélectionner une longueur de grille ≤2 mm pour les zones présentant de forts gradients de déformation, et de 5 à 10 mm pour les zones à déformation uniforme.
• Erreur 3 : Ne pas tenir compte de l'adaptation entre la compensation thermique et le matériau de la pièce — utiliser des jauges de déformation compensées pour l'acier sur des composants en aluminium provoque de graves erreurs thermiques dues aux différences de coefficients de dilatation thermique. Prévention : choisir des jauges de déformation auto-compensatrices du type de compensation approprié selon le matériau de la pièce (acier, aluminium, cuivre, etc.).
• Erreur 4 : Se contenter de paramètres d'adaptabilité environnementale — choisir des jauges de contrainte à substrat papier ordinaires dans des environnements humides sans traitement d'étanchéité entraînera une défaillance du substrat due à l'humidité en peu de temps. Solution : Sélectionner des matériaux de substrat adaptés aux conditions environnementales (humide/corrosif/haute température) et ajouter si nécessaire des revêtements étanches.

Étape 4 : Remarques supplémentaires pour la sélection pratique

• Compatibilité du pont : Lorsque plusieurs jauges forment un circuit en pont complet ou demi-pont, veiller à ce que la valeur de résistance, le facteur de jauge et les caractéristiques thermiques des jauges de contrainte soient identiques. Il est recommandé de choisir des jauges issues du même lot afin de réduire les erreurs du pont.
• Exigences de calibration : Pour les jauges de contrainte utilisées dans des transactions commerciales (comme les cellules de charge) ou des mesures de précision, choisir des marques traçables afin de garantir que les produits ont obtenu une certification métrologique, facilitant ainsi l'étalonnage ultérieur du système.
• Adéquation du processus d'installation : Pour les composants courbes, confirmez au préalable la performance de flexion des jauges de contrainte (rayon de courbure pliable ≤ rayon de courbure du composant). Pour les jauges de contrainte soudables, adaptez l'équipement et le procédé de soudage correspondants.
• Support du fournisseur : Privilégiez les fournisseurs offrant un support technique. Informez-les du matériau du composant, des conditions de force et des paramètres environnementaux afin d'obtenir des recommandations de sélection plus précises et d'éviter le choix aveugle en cas de sélection autonome.

Résumé : Logique fondamentale du choix des jauges de contrainte à résistance

L'essence du choix des jauges de contrainte par résistance réside dans une boucle fermée de « décomposition des besoins → appariement des paramètres → vérification en situation » : décomposer d'abord les quatre exigences fondamentales de « plage de déformation, précision, environnement et installation », puis rapprocher de manière ciblée des paramètres clés tels que la grille sensible, le substrat et la compensation thermique, et enfin valider la pertinence du choix à travers des exemples concrets et l'évitement d'erreurs.

Si vous n'êtes toujours pas certain du choix à effectuer, vous pouvez fournir les informations suivantes au fournisseur : ① Matériau de la pièce et type d'effort (uniaxial/bidirectionnel) ; ② Valeur maximale de déformation et exigence de précision ; ③ Température de fonctionnement et environnement du milieu ; ④ Espace disponible et méthode d'installation. Le fournisseur pourra alors rapidement identifier le modèle adapté.