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Mesure de déformation
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Nos ingénieurs sont prêts à personnaliser un système DAQ Q.series X pour répondre à vos besoins spécifiques en matière de mesure de la déformation.
La mesure de la déformation est un processus critique utilisé pour évaluer le comportement des matériaux sous contrainte, fournissant des données vitales pour l’évaluation de l’intégrité et de la performance des structures.
Cette propriété physique fondamentale quantifie la déformation des matériaux par rapport à leurs dimensions d’origine, ce qui permet aux ingénieurs et aux scientifiques de comprendre comment les matériaux réagissent dans diverses conditions.
Inventées en 1938 par Edward E. Simmons et Arthur C. Ruge, les jauges de contrainte, également appelées jauges d’extensométrie, sont des outils essentiels pour capturer ces données.
Les capteurs à jauge de contrainte montrent les changements de résistance lorsqu’ils sont étirés ou comprimés.
Ils révèlent les modifications infimes d’un matériau soumis à une force.
Leurs applications vont des simples expériences de laboratoire à la surveillance complète de structures à grande échelle telles que les ponts et les gratte-ciel.
Cela permet de garantir la sécurité et la durabilité.
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Le principe de la mesure de l'allongement
Au cœur de la mesure de la déformation se trouve la jauge de contrainte, un dispositif basé sur le principe que la résistance électrique d’un matériau change en réponse à une déformation mécanique.
Un type courant est la jauge de contrainte à feuille métallique, qui consiste en un fin motif de feuille collé à un matériau de support.
Cette jauge de contrainte est appliquée à la surface d’un spécimen d’essai ; lorsque le spécimen se déforme, la feuille se déforme, ce qui modifie sa résistance électrique de manière quantifiable.
Outre les jauges de contrainte individuelles, des rosettes de jauges de contrainte sont utilisées pour mesurer de manière exhaustive la déformation dans différentes directions à la surface d’un matériau.
Ces rosettes sont constituées de trois jauges de contrainte ou plus, orientées à des angles spécifiques les unes par rapport aux autres, ce qui permet de déterminer avec précision l’état complet de la contrainte en un seul point.
Cette capacité est particulièrement précieuse dans les analyses de contraintes complexes, où la compréhension de la déformation multidirectionnelle est essentielle.
Le facteur de jauge (GF) est un paramètre clé dans la technologie des jauges de contrainte. Il indique la sensibilité de la jauge de contrainte à la déformation en quantifiant la relation entre la déformation et la variation de la résistance.
Ce calcul est crucial pour l’utilisation efficace des amplificateurs de jauges de contrainte dans une configuration de pont de Wheatstone, qui amplifie la sensibilité et la précision de la mesure.
Les ingénieurs peuvent choisir parmi trois configurations différentes : quart de pont de jauge de contrainte, demi-pont de jauge de contrainte ou pont de jauge de contrainte complet.
Chaque configuration offre des avantages uniques en termes de sensibilité et de compensation de température, ce qui les rend adaptées à une grande variété de mesures de déformation.
- Configuration à quart de pont: Incorpore une seule jauge de contrainte active, généralement utilisée pour des mesures de déformation simples et uniaxiales ou lorsqu’une déformation minimale est attendue.
- Configuration en demi-pont: Utilise deux jauges de contrainte dans les bras opposés du pont, doublant la sensibilité et compensant partiellement les erreurs induites par la température.
- Configuration à pont complet: Utilise quatre jauges de contrainte, maximise la sensibilité et offre une compensation complète des effets de la température, idéale pour des mesures de contrainte précises et bidirectionnelles.
Où est-ce que la mesure de contraintes est utilisée?
Génie civil et surveillance géotechnique
Les jauges de contrainte contribuent à la surveillance de l’état structurel des bâtiments, des ponts, des barrages et d’autres infrastructures clés. Compte tenu des conséquences catastrophiques des défaillances structurelles, ces jauges sont déployées pour une surveillance continue, capturant des données qui peuvent prédire et prévenir les incidents entraînant des blessures ou des décès. La précision des jauges de contrainte, associée à leur robustesse et à leur faible besoin de maintenance, permet des déploiements à long terme, même dans des zones éloignées ou difficiles d’accès.
Applications aérospatiales
Les jauges de contrainte sont largement utilisées dans les essais structurels pour valider l’intégrité des cellules et des composants. Les ingénieurs utilisent la simulation et la mesure pour tester les effets des forces dynamiques sur les structures des avions. Cela permet de vérifier les modèles de calcul et de garantir la conformité aux normes de sécurité. Les turbulences et les contraintes aérodynamiques sont des exemples de ces forces. L’application des jauges de contrainte aux essais aérospatiaux implique des analyses statiques et dynamiques. Cette double approche, qui combine les essais en conditions réelles et les simulations (CAO et AEF), renforce la fiabilité des conceptions aérospatiales et contribue à la sécurité générale des transports aériens.
Automobile et mobilité
Dans le secteur automobile, les technologies de mesure de la déformation permettent aux ingénieurs d’optimiser les structures en termes de résistance, de durabilité et d’efficacité, afin que les véhicules puissent résister aux rigueurs de l’exploitation sans poids inutile. Les essais de batteries de véhicules électriques, en particulier, bénéficient des analyses de jauges de contrainte pour évaluer les contraintes mécaniques subies par les batteries pendant leur fonctionnement, ce qui contribue à des solutions de stockage d’énergie plus sûres et plus fiables.
Systèmes d’énergie renouvelable
L’industrie des énergies renouvelables, en particulier l’énergie éolienne, s’appuie sur les jauges de contrainte pour contrôler l’intégrité structurelle des composants des éoliennes.
Ces jauges permettent de prévoir les besoins de maintenance, d’allonger la durée de vie des turbines et de prévenir les défaillances susceptibles d’entraîner des coupures d’électricité ou des risques pour la sécurité.
En mesurant avec précision la déformation des pales et des tours des éoliennes, les ingénieurs peuvent optimiser les conceptions en termes de durabilité et de performance, même face à des forces environnementales variables et extrêmes.
Améliore les mesures par jauge de contrainte en superposant un signal haute fréquence, réduisant le bruit pour des résultats plus clairs et plus précis.
Nos modules sont capables de mesurer des jauges de contrainte en pont complet, en demi-pont et en quart de pont, ce qui garantit la flexibilité nécessaire à la réalisation de tout projet.
Pour les applications avancées, nos modules DAQ à entrée analogique universelle offrent des capacités étendues, notamment diverses mesures de pont, une excitation de capteur programmable jusqu’à 12 V et une sortie analogique de ± 10 V ou 0-20 mA.
Les défis de la mesure de l'allongement
Interférences sonores environnementales et électriques
L’un des principaux défis est l’interférence causée par le bruit environnemental et électrique.
Les jauges de contrainte, qui sont des dispositifs très sensibles, peuvent capter des signaux électriques parasites provenant de machines proches, de lignes électriques ou même des conditions atmosphériques.
Ce bruit peut masquer le véritable signal de contrainte, ce qui rend difficile l’isolement et la mesure précise des données souhaitées.
Les ingénieurs doivent recourir à des techniques sophistiquées de réduction du bruit, telles que le blindage, le filtrage et l’utilisation d’amplificateurs de fréquence porteuse, pour atténuer ces effets et garantir l’intégrité des données de déformation.
Dérive thermique et compensation
La dérive thermique représente un autre obstacle important.
Les changements de température peuvent entraîner une dilatation ou une contraction du matériau testé et de la jauge de contrainte elle-même, introduisant des déformations apparentes qui ne proviennent pas d’une contrainte mécanique.
Ce phénomène peut conduire à des lectures erronées, en particulier dans les environnements où les températures fluctuent.
Pour résoudre ce problème, les jauges de contrainte sont souvent associées à des techniques de compensation de la température, telles que l’utilisation de jauges fictives ou de circuits actifs de correction de la température, afin de soustraire les effets thermiques de la contrainte mesurée.
Installation et alignement des jauges
La précision dépend aussi fortement de l’installation et de l’alignement corrects des jauges de contrainte.
Une jauge mal alignée peut produire des données faussées, ne représentant pas avec précision la contrainte à l’intérieur du matériau.
Il est essentiel de veiller au placement, à l’orientation et à l’adhérence corrects des jauges, en particulier lors de la mesure d’objets complexes ou de forme irrégulière.
Cela nécessite souvent une préparation méticuleuse de la surface, une application précise de la jauge et des tests rigoureux pour confirmer que l’installation reflète les véritables contraintes mécaniques en jeu.
Propriétés des matériaux et des surfaces
Les caractéristiques du matériau testé posent des problèmes supplémentaires.
Les matériaux réagissent aux contraintes et aux déformations de diverses manières, influencées par des facteurs tels que l’anisotropie, l’hétérogénéité et la texture de la surface.
Ces propriétés peuvent affecter la manière dont la contrainte est distribuée et mesurée, ce qui nécessite des stratégies personnalisées de sélection et de placement des jauges.
En outre, la préparation de la surface, y compris le nettoyage et le lissage, est essentielle pour garantir que la jauge adhère bien et fournisse des mesures précises.
Choix de la configuration du pont de Wheatstone
Le choix de la configuration du pont de Wheatstone – quart de pont, demi-pont ou pont complet – ajoute une autre couche de complexité.
Chaque configuration offre des avantages différents en termes de sensibilité, de compensation de la température et de capacité à mesurer différents types de déformation (par exemple, axiale, de flexion, de cisaillement).
Les ingénieurs doivent choisir avec soin la configuration de pont appropriée en fonction des exigences spécifiques de leur tâche de mesure, en équilibrant des facteurs tels que la précision, la sensibilité et la compensation environnementale.
Étalonnage et traitement du signal
L’étalonnage des systèmes de mesure des jauges de contrainte et le traitement des signaux de contrainte sont essentiels pour obtenir des résultats précis.
L’étalonnage garantit que la jauge de contrainte et le système de mesure traduisent avec précision la contrainte en signaux électriques, en tenant compte de facteurs tels que la variabilité du facteur de jauge et les non-linéarités du système.
Les techniques de traitement des signaux sont ensuite utilisées pour extraire des données significatives de ces signaux, ce qui nécessite des algorithmes avancés pour filtrer le bruit, compenser la dérive et analyser les modèles de déformation.
Solutions techniques aux problèmes de mesure
En tirant parti d’une technologie d’acquisition de données sophistiquée, nous fournissons aux ingénieurs les outils nécessaires à une mesure complète des jauges de contrainte, permettant une analyse précise des contraintes et l’amélioration de la performance et de la sécurité des matériaux dans tous les secteurs d’activité.
Gantner Instruments offre une solution complète aux défis de la mesure de la déformation, en incorporant des caractéristiques avancées telles que :
- Amplification des jauges de contrainte à haute résolution: Nos amplificateurs pour jauges de contrainte sont équipés d’un convertisseur A/N sigma-delta 24 bits.
Cela permet de réduire considérablement le bruit de quantification et d’obtenir un rapport signal/bruit (RSB) élevé, essentiel pour obtenir des mesures précises de la déformation. - Plage de mesure réglable: Nos amplificateurs de mesure modernes sont dotés de plages de mesure réglables avec une précision de gain de ± 0,05 %.
Cette précision permet de minimiser l’erreur à pleine échelle, ce qui est essentiel dans les applications nécessitant une analyse détaillée des contraintes et une surveillance de la fatigue. - Tension d’excitation optimale du pont: Pour contrer la dérive thermique causée par l’auto-échauffement des jauges de contrainte, nos amplificateurs utilisent une excitation par pont d’impulsion.
Cette méthode minimise les erreurs de mesure et garantit que les données reflètent la déformation réelle du matériau. - Compensation automatique de la résistance du fil de plomb: Nos systèmes DAQ corrigent automatiquement les variations de la résistance du fil de plomb, éliminant ainsi la nécessité d’un étalonnage manuel du shunt et améliorant la fiabilité des mesures de déformation.
- Technologie de la fréquence porteuse: Cette technologie améliore la qualité du signal pendant la mesure en éliminant les fréquences et les harmoniques en dehors de la largeur de bande de la fréquence porteuse.
Cette technologie est cruciale dans les environnements où le bruit électrique est important.
Modules professionnels de mesure du signal DMS
Nos modules Q.series X sont conçus pour surmonter les différents obstacles de la mesure de la déformation, pour s’adapter à diverses configurations de pont de Wheatstone pour jauges de contrainte, et pour fournir l’optimisation nécessaire de la résistance des jauges de contrainte pour une mesure complète des jauges de contrainte,
- A101: Un module multifonctionnel avec une fréquence d’échantillonnage de 100 kHz.
- A102: Module rapide avec sortie analogique
- A106: Un module de pont universel avec entrée DC et TF sélectionnable pour des configurations de jauges de contrainte polyvalentes.
- A107: module économique à 4 canaux avec une fréquence d’échantillonnage de 10 kHz
- A116: Idéal pour les mesures en quart de pont, demi-pont et pont complet, offrant une grande stabilité avec des résistances de rembourrage de 120-Ω et 350-Ω pour une stabilité de température exceptionnelle.
- A136: Un module polyvalent à 4 canaux avec une excitation sélectionnable jusqu’à 10 V et un échantillonnage de 20 kHz, parfait pour les scénarios de mesure dynamique des jauges de contrainte.
- A146: Un module à 16 canaux pour des quarts de pont à 10 kHz / canal
Exemple de produit : Module de mesure A106
Flexibilité grâce aux options d’alimentation en tension continue et en fréquence porteuse, pour répondre aux différentes configurations de jauges de contrainte et minimiser l’impact de la capacité du câble et du bruit ambiant.
Alimentation en tension continue
Convient aux ponts de mesure à haute impédance et aux longs câbles entre le transducteur et l’appareil de mesure. Avec une alimentation en courant continu, la capacité du câble n’a pas d’effet.
Alimentation en fréquence porteuse
Seuls les signaux modulés sont transmis. Par conséquent, les dispositifs à fréquence porteuse présentent un meilleur comportement en termes de dérive, de bruit et de susceptibilité.
TF 4.8 kHz
Convient aux DMS et aux transducteurs inductifs. Néanmoins, des câbles plus longs peuvent induire des déphasages entre l’alimentation et le signal de mesure, ce qui réduit la sensibilité.
TF 600 Hz
Cette fréquence porteuse est adaptée aux besoins de haute précision. La capacité du câble n’a pas d’effet considérable.
Exemple de produit : Module de mesure A116
Idéal pour des mesures de déformation compactes et précises, prenant en charge jusqu’à 8 canaux pour des configurations en quart de pont, demi-pont et pont complet, et garantissant la stabilité avec des résistances de rembourrage de 120-Ω et 350-Ω pour les environnements à haute température.
- Mesure et conditionnement de jusqu’à 8 canaux parallèles à 10 kHz – pas de multiplexage
- Compense les interférences du câble par une mesure de référence simultanée de la chute de tension
- Résistances de 120-Ω et 350-Ω – 0,05 ppm / K – pour une stabilité à haute température
- Résistance de shunt pour détecter les changements pendant la mesure
- Plage de mesure 2 000 μm / m et 20 000 μm / m pour un ajustement facile aux signaux.
- Q.station permet la détection synchrone (jitter1 μs) de plusieurs centaines de canaux.
La stabilité de la mesure avec un seul DMS dépend principalement de la sensibilité à la température des résistances de rembourrage :
Une bande de 350-Ω change sa résistance de 1000 μm / m (k=2) à 700 mΩ. La stabilité en température de la résistance de rembourrage A116 est de 0,05 ppm / K, ce qui correspond à 0,025 μm / m par degré de changement de température ou 0,025 % / 10 K. Si la stabilité de la résistance n’est que de 5 ppm / K, par exemple, l’écart sera de 2,5 μm / m par degré ou 2,5 % / 10 K.
Exemple de produit : Module de mesure A136
Le A136 est un module de mesure très polyvalent et précis de la Q.series, idéal pour toute une série d’applications de jauges de contrainte.
- Equipé pour gérer jusqu’à 4 canaux parallèles, l’A136 offre un taux d’échantillonnage élevé de 20 kHz par canal et une amplification de la souche ADC de 24 bits, capturant des données détaillées sans multiplexage.
- Il prend en charge une grande variété de capteurs à pont, avec des résistances d’achèvement intégrées pour les versions 120, 350 et 1000 ohms, garantissant une large compatibilité des capteurs.
- Il est livré avec des résistances d’achèvement intégrées et est compatible avec les configurations à 4 et 6 fils.
- Le module permet de sélectionner des niveaux d’excitation allant jusqu’à 10 V, ce qui permet de répondre à un large éventail d’exigences en matière de mesures.
- L’A136 est conçu pour une intégration transparente avec les systèmes Q.station et EtherCAT, ce qui garantit la polyvalence des installations.
La capacité de l’A136 à fournir des mesures à haute résolution est particulièrement précieuse dans les environnements dynamiques où la précision et la rapidité de la collecte des données sont cruciales. Sa configuration flexible et sa compatibilité avec différents types de capteurs en font un outil indispensable pour les ingénieurs dans les scénarios de mesure avancés.
Améliorez votre pratique de la mesure de la contrainte
Lors de l’utilisation de jauges de contrainte, les variations de la température ambiante sont les causes les plus courantes d’erreur de mesure.
Une variation de la résistance du pont liée à la température aussi faible que 0,1 % peut entraîner un allongement de 500 µm/m.
Vous voulez éviter que votre mesure de la déformation ne se transforme en mesure de la température.
Téléchargez notre livre blanc gratuit pour en savoir plus sur l’importance du choix de la résistance d’achèvement du pont.
En outre, vous découvrirez des techniques efficaces pour réduire le bruit et compenser les erreurs dans les longs câbles de capteurs, ce qui vous donnera les connaissances nécessaires pour optimiser vos mesures par jauges de contrainte.
La confiance des leaders de l'industrie
Notre engagement en faveur de l’innovation et de la précision nous a permis de gagner la confiance des leaders de l’industrie dans le monde entier.
Exemples d'Applications
La technologie DAQ de pointe de Gantner est reconnue mondialement pour ses applications dans les secteurs de la mobilité, de l’aérospatiale, du génie civil et de l’énergie. Choisissez parmi les exemples industriels suivants pour découvrir le DAQ le plus polyvalent du marché.
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Mesure de la température dans les composants des moteurs électriques hybrides
Pour notre client, un leader allemand bien connu du marché de l'ingénierie et de la technologie, nous avons fourni la solution d'application d'essai pour les mesures de température des composants et des nouveaux matériaux des entraînements électriques hybrides.