Extensométrie-jauge de déformations

Rapport de synthèse sur l’extensométrie par jauges de déformation résistives

Introduction :

L'extensométrie désigne la science de la mesure des déformations. Nous allons étudier dans ce rapport les extensomètres à fils résistants ou jauges de déformation.

Mesurer la déformation sur un matériau permet de calculer les contraintes grâce à la loi de Hooke (pour les matériaux homogènes, isotropes et élastiques) :

[pic 1]

Cela permet notamment de mesurer l’allongement maximal avant la rupture d’un matériau. C’est donc très utilisé lors d'essais mécaniques, en amont du dimensionnement des pièces.

L'extensométrie est également très utilisée pour la surveillance active des ouvrages d'art tels les ponts, les barrages ou les grands immeubles car elle permet d'anticiper l’usure  et donc de planifier les opérations de maintenance indispensables à la sécurité.

Variation de résistance due à la déformation d’un conducteur

La piézorésistance désigne la variation de la conductivité d’un matériau due à une contrainte mécanique. Autrement dit, lorsque l’on déforme un conducteur, sa résistance varie : plus les extensomètres s'étirent, plus leurs résistances augmentent. En mesurant la variation de tension à intensité constante, on peut remonter par le calcul à la déformation.

Exemple d’une jauge cylindrique :

[pic 2]

Constitution d’une jauge

Une jauge est constituée d’un fil, conducteur ou semi-conducteur (métallique généralement, de quelques µm d'épaisseur), formant des spires rapprochées, solidaire d’un support isolant électrique.

[pic 3]

Le matériau composant les jauges doit avoir une bonne résistance à la fatigue, une aptitude au soudage et une bonne tenue en température. Il est également nécessaire que l’allongement relatif du matériau soit proportionnel à la variation relative de la résistance : cela correspond à un coefficient de jauge (K) constant : [pic 4]

 On utilise donc principalement les matériaux suivants :

• Constantan (alliage 55% Cu, 45% Ni), car Il supporte des températures de 200 °C.
• Karma (alliage 74 Ni, 20 Cr, 3% Cu, 3% Fe), car il a une meilleure sensibilité et peut être utilisé jusqu'à 350 °C.
• Platine – Tungstène (92% Pt, 8% W), car il présente une meilleure résistance à la fatigue.
• Semi-conducteurs (Silicium,...). Ils ont une sensibilité bien meilleure (50 à 100 fois plus) mais sont plus sensibles aux variations de température.

Collage de la jauge

Il est nécessaire de fixer correctement la jauge sur le corps d’épreuve (partie qui subira les déformations que nous souhaitons mesurer) : les deux parties doivent être isolées électriquement et les déformations doivent être fidèlement transmises.

Le support sur lequel est monté la jauge doit être un matériau isolant, ayant une déformation “facile” et une bonne aptitude au collage. La colle, qui réalise la liaison entre le support de la jauge et le corps d'épreuve est choisie en fonction du corps, et du support étudié. Dans certains cas, elle peut faire office d’isolant à la place du support.

C’est pour cela que la surface de collage doit être bien « propre », conditionnée et neutralisée. On essaye de se débarrasser de traces d’oxyde de calamine, de peinture et de toute aspérité. En général, on utilise pour cela meules, limes ou papiers abrasifs. Ensuite, il faut dégraisser la surface à l’aide d’un solvant (chlorotène, acétone, etc…). Enfin, on utilise un conditionneur de métal et une solution alcaline pour conditionner et neutraliser la surface destinée à recevoir la jauge.

On peut par la suite réaliser le collage en utilisant une colle adaptée au matériau testé (corps d’épreuve). On peut néanmoins utiliser de la colle rapide M200 pour son aspect pratique et rapide, qui fonctionne sur plusieurs matériaux usuels.  Souvent, du ruban adhésif est fourni avec la jauge pour faciliter la mise en position pour le collage de la jauge.

Câblage de la jauge

Montage en quart de pont

La grandeur électrique la plus simple à amplifier, enregistrer ou numériser est généralement la tension. Le pont de Wheatstone permet d’obtenir en sortie une variation de tension proportionnelle à la variation de la résistance :

[pic 5]

Le montage en quart de pont utilise ce principe :

[pic 6]

Sur une branche, on place la jauge J1. Sur les trois autres, on place des résistances R1, R2 et R3 dont une est ajustable, afin d’équilibrer le montage lorsque le solide est dans son état de déformation de référence. Il est rare que le pont soit équilibré (ΔEm = 0) avant de faire un essai. Ce déséquilibre vient en général du fait que les jauges et les résistances fixes que l’on retrouve dans le pont n'ont pas exactement la même valeur de résistance bien que leur résistance nominale soit la même.

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