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CAPTEUR D'EXTENSIOMÉTRIE
DESTTNÉ Ä MESURER DES DÉFORMATIONS
Ä CALAGE MÉCANIQUE DE PREMI~RE POSE ET CALIBRAGE
AUTOMATIQUE EN FONCTION DE CE CALAGE
CHAMP DE L'INVENTION
Les capteurs sont des éléments qui permettent
de mesurer les phénomènes physiques que l'on a l'habi-
tude de designer sous le nom de grandeurs ou para-
mètres. Ils traduisent l'état ou l'évolution de ces
~o grandeurs ou paramètres sous la forme de signaux élec-
triques. Ils permettent donc de connaître le déroule-
ment et par la suite les comportements statiques et
dynamiques des processus dans lesquels ils sont mis en
aeuvre .
DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR
Les capteurs sont aujourd'hui largement
répandus et ils sont utilisés pratiquement dans tous
les secteurs d'activités. Ils mesurent des températu-
res, des pressions, des positions et des niveaux, pour
zo ne citer que les principaux. Les ouvrages et les cata-
logues des spécialistes indiquent les caractéristiques
de leur fonctionnement et de leurs utilisations. Grâce
à ces catalogues, il est possible de savoir pour quels
états de la grandeur physique le capteur délivre en
z5 correspondance des valeurs de signaux électriques. On
emploie alors l'expression d'échelle de conversion, ce
qui signifie qu'il existe une relation cohérente entre
la grandeur physique et le signal électrique. Par exem-
ple, si l'on considère un capteur de pression, pour une
3o valeur de pression introduite dans le capteur, on
obtient une valeur du signal électrique sous la forme
d'une tension ou d'un courant
En fonction des domaines de la physique et de
la disponibilité des technologies électriques et élec-
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troniques, il est plus ou moins facile de concevoir et
de fabriquer un capteur. Le niveau de simplicité de la
fabrication et de l'emploi d'un capteur détermine son
coût, les secteurs d'utilisation et, par voie de consé
quence, son marché.
Certains capteurs ne sont pas aisés à réali-
ser pour des raisons qui sont liées à la nature et à la
manière dont le paramètre physique est accessible. Pour
des capteurs destinés à mesurer des forces, s'il est en
~o effet dans le principe facile de mesurer une force qui
se dëveloppe dans une pièce de mêtal, la saisie de
cette force en forme économique n'est pas simple.
La mesure des forces qui sont appliquées sur
une pièce de métal prend en général comme base la
~5 déformation du matériau soumis â l'action des forces
mécaniques de traction, de compression, de torsion
et/ou la combinaison conjuguée de l'action de ces
forces .
L'importance des déformations en fonction des
2o forces agissantes détermine le gradient, c'est à dire
la précision avec laquelle on peut apprécier la défor
mation élémentaire. 11 est donc fondamental de connaî
tre les lois des correspondances des déformations en
micron ou en millimètre en fonction des forces appli
25 quées sur la piêce.
Le gradient se détermine par une étude mathê-
matique de la résistance des matériaux utilisés à
laquelle il faut associer, selon le dessin de la pièce,
une simulation aux éléments finis de façon à établir la
30 loi des correspondances des déformations en fonction
des forces.
La difficulté est perceptible immédiatement
car il n'est pas facile de connaître l'ensemble des
gradients compte tenu de la diversité des matériaux et
35 de la forme des pièces. Chaque pièce est un cas parti-
culier et pour employer un capteur destiné à mesurer
des forces ou des déformations un certain nombre de
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règles doivent être respectées. Il faut connaître de
façon précise les emplacements exacts où se développent
les forces et quelles sont les déformations maximum et
minimum qui sont produites par la résultante de ces
s forces.
Une fois ces éléments connus, un certain
nombre de composants et de techniques permettent
d'obtenir un signal électrique qui est représentatif
des déformations qui se développent dans la pièce. Ce
io sont des composants du type jauges de contraintes, des
éléments piezo résistifs, capacitifs, des dispositifs
optiques qui permettent de mesurer le changement
d'orientation granulométrique des matériaux ou des
composants ferro magnêtiques dont le déplacement dans
i5 un champ magnétique détermine un signal électrique en
relation avec la déformation de la pièce.
Même si aujourd'hui ces composants sont
connus et mis en oeuvre, leur implantation sur un organe
mécanique n'est pas facile et la répétitivité de la
zo valeur de l'information n'est pas très fidèle lorsque
l'on met en place ou que l'on remplace un capteur par
un autre. 11 est nécessaire dans la plupart des cas de
recalibrer le capteur et donc de régler les valeurs des
signaux électriques qui sont le zéro et l'échelle.
zs Les capteurs destinés à mesurer des forces
sont mis en oeuvre principalement selon deux méthodes.
La premiêre consiste à coller un pont consti-
tué de jauges de contrainte à l'endroit où la déforma
tion se produit. Dans ce cas, la valeur du signal est
3o hautement liëe à la précision avec laquelle le pont de
jauges est mis en position et orientê sur la pièce;
ainsi qu'à l'uniformité de la valeur de la pression
avec laquelle le pont de jauges est mis en relation
avec la pièce. Par nature, le pont de jauges n'offre
35 pas la possibilité d'utiliser un positionnement mécani-
que de précision par rapport au lieu oü se développent
les forces dans la pièce. Or, comme le signal d'un pont
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de jauges résistif est, par exemple, déterminé par
l'équation R - p L/S où R est la valeur de la résis-
tance qui évolue en fonction de l'allongement et de la
section du conducteur qui constitue le pont de jauges,
s p est la résistivité des matériaux constituant la
résistance, L est la longueur du conducteur et S lâ
section. Les valeurs de L et de S peuvent être affec-
tées en fonction de la méthode de mise en place du pont
de jauges. Ceci est vrai pour les ponts, quelles que
io soient les technologies piezo résistives, capacitives
et autres, lorsque les jauges sont mises en place
directement sur des pièces dont l'état mécanique est
brut et leurs dimensions moyennes ou importantes.
La deuxième consiste à coller un pont de
i5 j auges sur une lame de métal dont les caractéristiques
sont connues tel que décrit dans la demande de brevet
CA 2,198,537, déposé le 26 février 1997, et d'assurer
ainsi une répétitivité de la relation de la déformation
mécanique de la lame par rapport à la variation de la
zo résistance de l'élément du pont si l'on utilise un pont
résistif par exemple et à monter ensuite la lame sur un
organe mécanique dans lequel se développent les forces.
Le problème dans ce cas est que les matériaux de la
lame ne sont pas forcément de même nature que les
z5 matériaux qui constituent les organes mécaniques et que
l'adaptation du montage de la lame avec les organes
mécaniques représente une difficulté pour mettre en
place le capteur dans l'environnement mécanique tout en
conservant la fidélité de la correspondance entre la
3o grandeur physique et le signal électrique calibré lors
de la fabrication. 11 est donc nécessaire de prendre en
compte le montage du capteur four optimiser l'échelle
de la conversion mêcanique des forces en signal
électrique.
35 Le brevet américain numéro 5,522,270 de
Gissinger et al. décrit un appareil pour mesurer le
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stress exercé sur un organe mécanique et une méthode
pour attacher cet appareil. Une jauge génère un courant
électrique selon le stress exercé sur la pièce. La
jauge est pré-pliée en usine tel qu'illustré à la
s figure 5 avec quatre points de tension situés aux plis.
Le problème que les gens versés dans l'art ont
identifié avec cet appareil est que les points de
tension rendent le flambage beaucoup moins précis. De
plus, la répétivité du flambage est difficile car
~o chaque lame réagit différemment à cause des points de
tension. En étirant la jauge de Gissinger et al. par
les points A et B, la lame peut flamber mais les
ajustements seront três peu précis puisque les forces
sont modifiées par les plis. Étirer la lame de
~5 Gissinger et al. par les points A et B ne permet pas
une déformation linéaire de la lame. De plus, les modes
de fixation suggérés provoquent un encastrement total
des extrêmités. Ils sont susceptibles de provoquer dans
la lame et en particulier dans les rayons de pliage des
zo contraintes très élevées. Ils rendent également ladite
lame très sensible aux contraintes indésirables telles
que les déformations dues à la pose et les contraintes
thermiques générées par les variations de température
de la pièce à mesurer. Ces contraintes peuvent induire
zs un signal largement supérieur à la grandeur à mesurer.
I1 est nécessaire de trouver une configuration de la
lame qui permettra une répétitivité des flambages et ~de
la construction de l'appareil.
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OBJECTIFS DE L'INVENTION
La prise en compte de ces contraintes conduit
à tenter d'éliminer les inconvénients cités précédem-
ment et à rendre aussi fidèle que possible la relation
s entre la pièce mécanique et le capteur.
La présente invention considère l'extensiomé
trie comme le moyen de mesurer des forces. Elle décrit
les procédés qui vont permettre d'implanter un capteur
dans un dispositif à mesurer et d'obtenir la rëpétiti
to vité.
SOMMAIRE DE L'INVENTION
La répétitivité qui est celle de la relation
de la déformation du capteur auquel celui ci est soumis
avec celle du signal électrique qu'il délivre. Cette
ts répétitivité impose que la loi de correspondance de la
déformation de la pièce réceptrice à mesurer soit en
correspondance avec la déformation de la lame interne
au capteur et que le calage initial du capteur et le
réglage de son échelle de conversion soient donc compa-
zo tibles avant et après montage sur la pièce réceptrice.
Par exemple, la société MultiDyn commercia-
lise un capteur équipé de deux pièces porteuses, d'une
lame sur laquelle est monté un pont de j auges tel que
décrit dans la littérature existante. Lors du montage
zs du capteur avec les organes mécaniques, les dêforma-
tions qui se produisent dans le capteur sont transmises
aux pièces porteuses de la lame qui provoquent une
extension ou une compression de la lame. Ceci se
traduit dans le pont de jauges par une variation de
3o résistance des composants qui constituent les branches
du pont et par conséquent du signal électronique aux
bornes du pont. La courbe d'étalonnage du capteur
établie lors de la fabrication est donc faussée, ce qui
oblige à réaliser in situ une nouvelle calibration qui
3s ne garantit pas la fidélité de la correspondance entre
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la grandeur physique et le signal électrique et
augmente les temps et les coûts du montage.
L'invention peut remplacer avantageusement
tous ces types d'extensomètres et être utilisée comme
s capteur d'effort, de couple, et dans certains cas,
comme capteur de déplacement.
Voici donc les principaux problèmes des
capteurs existants que cette invention peut remplacer.
Plusieurs de ces dispositifs d'extensométrie sont adap-
~o tés à certains types d'usage mais présentent tous des
inconvénients. Les jauges résistives collées ou soudées
directement sur la structure â mesurer sont des dispo-
sitifs très fiables et fidèles. Toutefois, leur implan-
tation directe est un travail de laboratoire et n'est
is possible qu'en prenant des précautions trës grandes
avec un coût important, c'est pourquoi, pour les mesu-
res courantes, on les fixe généralement sur un corps
d'épreuve plus facile à implanter. Les moyens
d'observation «extérieurs » à la structure, avec ou
Zo sans préparation de la surface, tels que la photo-
élasticimétrie, le moire, les vernis craquelants,
l'holographie, la diffraction X, qui sont plutôt des
techniques d'analyse des contraintes de laboratoire.
Les corps d'épreuve équipés de jauges rempla
2s çant un élément de la structure, ou interposés aux
points de transmission des efforts, sont très coûteux,
difficiles à installer, et provoquent souvent un affai
blissement de la structure. Les corps d'épreuve fixés
sur les structures présentent généralement une grande
so rigidité, les efforts aux butées sont três élevés et
l'influence sur la structure peut être importante. Le
glissement aux butées est difficile â éviter, provo-
quant des erreurs importantes de retour à zéro et
d'hystérésis. Les extensomètres mécaniques ont une
3s installation très délicate et ils sont fragiles et
coûteux. Les capteurs piézo-électriques ne travaillent
qu'en compression, exigent des pressions élevées et un
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montage compliqué. De plus, ils ne prennent en compte
que les signaux dynamiques. Et finalement, les capteurs
piézo-résistifs sont très fragiles (cellules de
silicium) et dérivent énormément en température.
s Le but de l'invention est d'apporter une
solution au problème décrit ci-dessus en maintenant les
pièces porteuses de la lame fixe entre le moment où on
procëde à l'étalonnage du capteur sur un banc de cali-
bration et le montage sur l'organe mécanique.
~o L'invention consiste â régler l'offset et le
gain en faisant varier mécaniquement les cotes entre
les axes des pièces porteuses puis, une fois le réglage
de la linéarité de la courbe obtenu, à régler l'offset
pour une valeur du signal électrique correspondant à
~s une cote connue et, ensuite, à bloquer les degrés de
liberté par un dispositif mécanique permanent à l'aide
d'une bride. La bride est constituée d'un film de maté-
riau métallique, composite ou polymère, et elle est
placée entre les pièces porteuses. Celle-ci conserve le
zo réglage de l'étalonnage fait sur banc jusqu'au montage
du capteur sur l'organe mécanique par des procédés
industriels classiques connus de collage, soudure ou
autre. Lorsque le capteur et l'organe mécanique sont
associés, et donc strictement solidaires, on procède à
z5 la rupture de la bride et ceci assure un calage sans
réglage au montage. La rupture de la bride permet de
libérer le fonctionnement du capteur.
L'amélioration du dispositif par rapport à
tous les autres dispositifs existants â ce jour est la
3o facilité d'installation et les coûts réduits tout en
conservant une excellente précision et fiabilité. De
plus, il est robuste, mobile, réutilisable et peu
sensible aux perturbations mécaniques.
Une autre réalisation de l'invention comprend
35 un capteur d'extensiométrie qui inclut deux butées
capables d'être fixées solidairement sur un organe
mécanique à être mesuré, une lame élastique en appui
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_ g _
isostatique à ses extrêmités entre les deux butées dont
la lame élastique est maintenue en flexion par flam-
bage, des moyens pour mesurer la déformation de la lame
élastique résultant du déplacement des butées afin de
déterminer la coupe dans l'organe mécanique.
BR~VE DESCRIPTION DES DESSINS
On décrira plus en détail ci-aprês, à titre
indicatif et nullement limitatif, un dispositif con
forme â la prêsente invention en référence aux dessins
~o annexés sur lesquels .
La Figure 1 est une élévation d'une lame sur
laquelle est implantê un pont de jauges;
La Figure 2 est une vue en perspective de la
lame;
~5 La Figure 3 est un schéma du circuit;
La Figure 4 est un tableau qui donne le
signal électrique délivré par le capteur lorsqu'il est
monté sur un banc de freinage;
La Figure 5 est une vue d'élévation de la
zo lame avec le pont de jauges et la bride de blocage;
La Figure 6 est une élévation d'une lame en
flambage retenue par des butées;
La Figure 6a est un schéma au plan de la lame
utilisée au prototype;
z5 La Figure 7 est un schéma des appuis de la
lame;
La Figure 8 est une élévation du dispositif;
La Figure 9 est une coupe selon la ligne 9-9
de la Figure 8;
3o La Figure 10 est une vue de dessus du dispo-
sitif, partiellement coupée avec lame enlevée;
La Figure 11 est une vue d'un des côtés;
La Figure 12 est une coupe par le centre du
dispositif avec les plaquettes cassables;
35 La Figure 13 est une élévation d'un des côtés
avec les plaquettes;
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:~:>:::.~.:.'°'~'..~'=::,:
La Figure 1~ est un schéma de principe da la
compensation thermique; et
La Figure 15 est une élévation du dispositi~
cornplâté par un capteur à effet Hall.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE R~ALïSATIONS PRÉFÉRBES DE
L'INVENTIGN
La description du capteur (Fig, i) perret de
comprendre plus aisément l'invention, Le capteur est
composé d'une dame 1 sur =aquelle est implanté un pont
~o de jaugea ~ à eemi-conducteur résisti-, piezo résistif,
capacitif au autre. La position du pont et un film àe
collage 3 permet de rendre solidaire les ëlëment~ 1 et
2. Les extrémités de la lame sont éauipëes de piêces
porteuses 4 et 5. tTne enveloppe dëformable soup?e 6
~s assure la protection du po~t àe jauges et de l'électro-
nique rï'ampl~ficatiort 7 des signaux délivrés par ïe
port de ja~~ges 2. La lia_son crtre 1e pont de jauges et
l'QlectY~~nique est réalisée par des cor_3ucteurs selon
les règles de l'art,
Zo L'électronique d'amplification est intégrPe
dans u= e des pièces porteuses ~ os 5 et las informa-
tior_s sont 3êlivréeâ â 1' extërieur âu ce.pteur au moyFn
d'un cenû~_ctcur 8 équipë d'un conr_ecteur 9. Les points
de raccordement sont au nombre de 3 ou 4 , Les ir_.forma-
zs fions peuvera aussi, se7.vr_. las applications, ëtre déli-
vrées par la mise en a?uvre de mayens de transmission,
telles que des ondes radio, hyperfréauences, lcrsc~:e
l' on ajoute a~.~ mvdul e d' amplification électronique ? un
module supplêmentaire dc transmission tel que =abxiquê
3o par la Société Mvtorola ou SGS T_homson.
Le fonctionnement 3u capteur est le suivant.
La lame reprêeente une lame Cor~fOrmémer~t au dessin âe
la Fia. 2. Lee dêforrnations mesurées par chaçue jauçe
sont de la forme E =6FI/Eae.e
3s Avec F . force ao~aliauêe
e; épaisseur de la lame
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.. .. .. lb. - .. ..
E: dformation
1: distance force jauges
a: largeur de la lame
E: module de Young
s La dformation dtermine une variation de la
rsistance des jauges selon le schma de la Fig. 3. La
tension mesure aux bornes du pont suit la loi:
De = E/4 (DR1/R1-DR2/R2+DR3/R3-DR4/R4)
R1 et R3 les jauges travaillent en traction
~o R2 et R4 les jauges travaillent en compression
I1 est possible de choisir que les jauges des
branches adjacentes du pont travaillent en sens oppos
et que les jauges des branches opposes travaillent
dans le mme sens, toutes les variations de rsistances
t5 s'ajoutent. D'o
De =E/4 ( DR1/Rl+DR2/R2+DR3/R3+DR4/R4) - KE/4 D1/1
E est la tension d'excitation du pont
K le facteur de jauge
D1/1 la dformation totale des 4 jauges.
Zo Les jauges sont des doubles jauges Wishay
N2A 06 T006Q 350. On peut bien entendu utiliser toute
jauge de dimensions et de type appropri sous rserve
de respecter les dispositions et le branchement du pont
permettant la combinaison correcte des signaux pour une
2s lame en flexion suivant les techniques connues.
Le signal De est connect au point 1 et 2 du
circuit 1B31An qui est un composant analogique de la
socit Burr Brown mont en amplificateur du signal
d'entre. Le rglage du gain d'amplification est assur
so par la rsistance variable monte entre les points 3 et
4 du circuit et le rglage de l' offset par le rglage
d'un pont diviseur rsistant rglable aliment entre
deux tensions de rfrence positive et ngative et dont
le point milieu entre sur la borne 11. Le signal ampli-
35 fi est dlivr sur la borne 14 du circuit. Un circuit
convertisseur continu de rfrence TUC12215 alimente le
circuit amplificateur et le pont de jauges.
?::?:::,a::.:......;%~::.~.::.:::::::,~:~:::~:::::<:~: -r ~ , ., , . _. _ ._
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DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES FONCTIONS DE BASE DU PROCÉDÉ
SELON L'INVENTION
La réalisation consiste à prendre un capteur
et à exercer entre les pièces porteuses 4 et 5 une
s compression à l'aide d'un outil de serrage. La position
de l'outil de serrage est contrôlée par un dispositif
automatique de position piloté par un ordinateur de
contrôle du processus de réglage. La lame se déforme en
fonction de la contrainte de serrage ou de desserrage
to et le pont de jauges 2 émet pour chaque valeur de
serrage un signal amplifié par le circuit électronique.
Deux points de serrage permettent de simuler les forces
de compression et de régler l'offset et la linéarité de
la courbe par une action sur le réglage d'offset puis
ts sur le gain du circuit électronique et d'obtenir ainsi
les points A.B.C.D (Fig. 4). Une force de serrage mini-
male sera ensuite appliquée au capteur afin d'obtenir
la valeur dite basse vl de telle manière â obtenir la
valeur du signal électrique correspondant au point A
zo (Fig. 4). Lorsque la courbe désirée est obtenue, on
réalise à la valeur dite basse la bride de
verrouillage. Le capteur équipé de sa bride se trouve â
la Fig. 5.
Ce calage est mis en oeuvre à l'aide d'une
2s bride qui détermine une distance permanente entre les
pièces porteuses. Le taux de compression ou d'extension
de la lame est donc constant avant sa mise en place sur
l'organe mécanique. La dimension de la bride est déter-
minée pendant le réglage du capteur sur banc à une
30 longueur L1 qui correspond â une extension très petite,
pratiquement toujours la même, de la lame permettant
d'obtenir une valeur du signal électrique vl toujours
la même. Un procédé de collage par exemple permet
d'assurer la fixation du capteur sur l'organe mécani-
35 que. Lorsque les deux éléments sont soudés l'un â
l'autre ou qu'il n'existe plus de glissement possible
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entre l'organe mécanique et le capteur, la bride est
alors coupée, permettant au capteur d'assurer sa fonc-
tion. La bride garantit la fidélité de la valeur du
signal électrique vl après la pose du capteur. Le but
s de la présente invention est de produire des capteurs
d'extensiométrie pouvant être facilement implantés sur
des organes mécaniques de manière automatique et garan-
tissant de pouvoir disposer du même signal êlectrique
pour des organes mécaniques identiques. Ce procédé
~o concerne de nombreuses applications et en particulier
l'implantation de capteurs pour mesurer les forces de
freinage dans un frein.
Le capteur illustré à la figure 6 représente
un autre exemple qui permet de mieux comprendre
l'invention. L'élément principal est constitué d'une
lame mince 22 en matériau élastique, avec ou sans
courbure initiale. La lame 22 est illustrée â la figure
6a. Le matériau peut, par exemple, être un alliage de
titane (TA6U) ou aluminium (7075). Cette lame est
zo coincée entre deux butées 20 suivant son axe longitudi-
nal. Ces deux butées maintiennent la lame en flexion
par flambage, de maniêre isostatique (il suffit pour
cela que la longueur L48 entre les deux butées soit
légèrement inférieure à la longueur L1 initiale de la
z5 lame, la différence L47-L48 étant supérieure à
l'extension maximale de la surface)
Pour réaliser le maintien isostatique, les
butées 20 doivent s'approcher le plus possible de la
figure 7, une des articulations 25 bloquée en x et en
3o y, libre en rotation, et l'autre 26 bloquée en y, libre
en x, pour permettre de mesurer le déplacement à
l'autre extrémitê libre en déplacement. On peut réali-
ser les butées de trois maniêres. Lâ première est
d'usiner les butées directement dans la pièce comme sur
35 la figure 6, la deuxième est de visser ou coller les
butées sur la pièce comme à la figure 8 et la dernière
est de relier les butées entre elles par un matériau
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d'élasticité basse pour ne pas entraîner d'efforts aux
points de fixation.
L'extension ou la contraction de la longueur
LO entre les butées 20 provoque une flexion de la lame.
s Un pont de j auges 23 appliqué par une couche mince de
colle 24, ou par un autre procédé, au milieu de la lame
22 de préférence, permet, tel que connu dans l'art
antérieur, de mesurer les déformations subies par la
lame 22. Ce pont de jauges 23 peut être à semi-conduc-
to teur résistif, piezo résistif, capacitif ou autre.
Le pont de jauges 23 (Fig. 8) est relié à une
pièce porteuse 27 de l'électronique 28 située au-dessus
de la lame 22 et séparée de celle-ci par un espace
suffisant. La pièce porteuse 27 est appuyée sur les
t5 butées 20. L'électronique d'amplification 28 est
ensuite reliée à un conducteur 29 par un connecteur 30
qui permet d'amener les informations à l'extérieur du
dispositif. Un seul pont de jauges peut être utilisé,
soit sur ou sous la lame 22. Ä un coût supérieur, on
zo peut répartir les 4 jauges du pont 2 par 2 de chaque
côté de la lame, et on obtient ainsi une sensibilité
supérieure.
La caractéristique principale de ce disposi
tif est qu'il permet une installation simple car on
zs peut prérégler le zéro initial avant la fixation sur la
pièce. I1 faut alors utiliser un montage comme illustré
dans les figures 8 à 11. Nous ajoutons une bride ou un
capot 31. Le capot 31 est de rigidité suffisante et
comprend deux vis de blocage 21, deux faces inclinées
3o extérieures 33 vis à vis les butées 20. I1 y a un léger
jeu 34 entre le dessous du capot 31 et le dessus des
butées 20.
Avant l'installation du dispositif sur
l'appareil où il doit prendre des mesures, le capot 31
35 permet de retenir toutes les parties du montage ensem-
ble tout en protégeant la lame 22 et les butées 20. Les
vis de blocage 21 permettent de fixer le zéro initial
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en liant le capot 31 aux butées 20. Une fois le dessous
du dispositif collé à la surface où l'on désire prendre
des mesures, on retire les vis de blocage 21. Le capot
31 est alors libre de glisser sur les faces inclinées
33 dans une gorge en V. Ä ce moment, le capot 31 sert
uniquement de protection contre les intempéries et les
manipulations accidentelles de la lame 22. Comme il est
libre de se déplacer, un effort supplémentaire ne sera
pas créé sur les butées 20 et le dispositif pourra
~o effectivement mesurer les contraintes de la pièce à
observer.
Le blocage du zéro est une des contraintes
les plus difficiles â tenir. En effet, un relâchement
de 1/100 mm, qui est un jeu très faible en mécanique et
ts déjà très coûteux â obtenir reprësente la moitié ou les
de l'étendue de mesure. L'ensemble des opérations
d'étalonnage, blocage du zéro, installation du capteur,
et suppression du blocage du zéro doit être réalisé
avec un jeu inférieur â 1 micromètre. Le principe
zo consiste à supprimer les mouvements de la butée d'appui
de la lame provoqués par les efforts de mise en place
et de serrage/desserrage. Les rotations suivant Oz et
Ox sont supprimées par l'appui de la face supérieure de
la butée sur 1a face inférieure du couvercle 31. Cet
z5 appui est assuré par les vis de blocage 21. Des tolé-
rances de parallélisme et de planéité courantes, sans
tolérance dimensionnelle, sont suffisantes pour assurer
la précision. La rotation suivant Oy est bloquée par la
présence des faces inclinées 33 sur le côté de la butée
3o et l'intérieur des flancs du capot 31. On ne peut en
effet pas compter sur un simple ajustement avec jeu,
pour les raisons exposées plus haut. Ces faces arrivent
en contact légèrement avant la face supérieure, ce qui
empêche le mouvement de rotation. L'élasticité des
35 flancs permet ensuite le contact avec la face supé-
rieure. Pendant le fonctionnement, une fois les vis
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relâchées et/ou retirées, le capot est libre dans la
gorge en V.
Comme tous les extensomètres, celui ci est
soumis à sa propre dilatation et â la dilatation de la
s structure instrumentée en fonction de la température.
Cette dilatation va provoquer un signal au niveau des
jauges. Dans de nombreux cas, ce signal est indésirable
et doit être éliminé pour ne conserver que le signal dû
au phénomène à mesurer. Aucun extensomêtre ne permet
~o actuellement d'effectuer la compensation thermique
automatique en jouant sur les caractéristiques de leur
résistivité en fonction de la température. Dans notre
dispositif, le maintien isostatique de la lame permet
d'équilibrer facilement cette dilatation non souhaitée
~s suivant le principe décrit sous la figure 14.
Soit .
LO = longueur entre appuis
L1 = longueur libre de la lame
L2 - longueur de dilatation du substrat
zo L3 - longueur de dilatation libre du support de lame 3
L4 - longueur de dilatation libre du support de lame 4
al - coefficient de dilatation de la lame
a2 - coefficient de dilatation du substrat
a3 - coefficient de dilatation de la butée d'appui 3
z5 a4 - coefficient de dilatation de la butée d'appui 4
Si OLO (OT) - (al + 1)*Ll*~T, les jauges
disposées en pont complet équilibrent la dilatation
naturelle de la lame et on n'enregistre aucun signal.
Comme OLO(T) - a*~T*L1, il suffit d'avoir
3o a2*L2 - (a3*L3 + a4*L4) - al*L1 pour pouvoir équilibrer
la différence de dilatation entre le capteur et la
surface. La compensation résiduelle peut être réalisée
par des résistances disposées en série ou en parallèle
dans le pont de Wheatstone ou par un dispositif
35 numérique.
Lorsqu'on veut augmenter la sensibilité du
capteur par le raccourcissement de la lame, la force
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critique de flambage qui représente 99 ~ des efforts
aux butées peut augmenter dans des proportions telles
qu'elle nuise à la précision du dispositif et à celle
du réglage du zéro. Une solution consiste à équilibrer
s les efforts de la lame qui tendent à repousser les
butées par un ressort qui les retient. La résultante
sur les points de fixation n'est ainsi plus que la
différence des efforts. Un moyen três économique de
réaliser ce ressort d'équilibrage est d'utiliser un
~o cadre 40 en plastique surmoulé ou dans un autre
matériau comme le titane ou l'aluminium par exemple,
qui sert en même temps de piêce de jonction des butées
et d'ossature du capteur (voir figure 10) . Le cadre 40
est constitué de quatre portiques de montants 41 et de
~s traverses supérieures 42. Les portiques 41 sont reliés
par la partie centrale de leur traverse supérieure 42.
Celle ci joue un rôle de ressort à lame. On peut
moduler la raideur de ce ressort en faisant varier,
outre les sections du portique, la longueur libre de la
2o traverse en faisant varier la profondeur des encoches
43 et le module élastique du matériau (plastique armé
ou non, métal, etc.)
Voici les étapes du fonctionnement du capteur
monobloc tel qu'illustré aux figures 8 à 11. La
Zs première étape est le montage et le maintien de la
lame. Au montage, le capteur subit un allongement
proportionnel à l'effort de flambage de la lame 22 et à
la rigidité du cadre 40. Les efforts de la lame et du
cadre s'équilibrent pour un allongement donné et
3o maintiennent la lame en position. Ensuite, il faut
faire le préréglage du point de fonctionnement initial.
Les butées 20 sont fixés sur une table d'étalonnage
permettant de les dêplacer l'un par rapport à l'autre
avec une grande précision jusqu'â la valeur de précon-
35 trainte souhaitée pour la lame 22, les vis de blocage
21 étant déserrées. I1 faut alors maintenir ce préré-
glage. Les vis 21 sont serrées à une valeur de couple
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prédéterminée. Les deux butées 20 sont ainsi immobili-
sés par rapport au capot 31 et la lame maintenue
parfaitement à la valeur de zéro désirée.
Finalement, on installe le tout sur la pièce
s à instrumenter. Les deux butées sont collées, soudées
ou vissés en permanence (tel que décrit à la page 13,
lignes 10 à 20)) sur la surface à instrumenter. Une
fois la fixation solidement établie, les vis 32 sont
retirées et le capteur est prêt à fonctionner à partir
~o de la valeur préréglée. La raideur du cadre 40 est
suffisante pour maintenir la lame lors de l'assemblage,
mais est calculée pour ne provoquer que de faibles
efforts sur les points de fixation pendant le fonc-
tionnement.
~s La façon préférée de l' inventeur pour réali-
ser son invention peut être légèrement modifiée pour
changer les propriétés du capteur et permettre des
mesures différentes. Par exemple, on peut modifier les
paramètres de la lame de la façon suivante. Si on
zo augmente l'épaisseur de la lame 22, on aura plus de
sensibilité avec plus d'efforts. On utilisera une lame
longue avec faible effort constant pour de grands
déplacements ou une lame courte pour une grande sensi-
bilité dans la mesure des petites déformations. Si on
zs diminue la largeur de la lame, on diminue les efforts
aux butées. Si on augmente l'entraxe pour une même
lame, on augmente la sensibilité. On peut éliminer les
problèmes d'équilibre instable dus au flambage en
donnant une déformation plastique initiale à la lame.
3o On peut aussi changer le pont de jauges 23
pour un dispositif différent, tel un capteur à effet
Hall (comme à la figure 15) ou un capteur optique. Le
capteur à effet Hall agit comme un électro-aimant plus
ou moins excité lorsque la lame 22 se rapproche ou
35 s'éloigne de sa bobine 52. Peu importe la façon choisie
pour capter les déformations imposées à 1a lame, ce
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signal devra être transformé en impulsions électriques
pour communiquer à l'extérieur du dispositif.
En modifiant légèrement le capot 31 de
l'appareil, il est aussi possible de faire son étalon
s nage in situ. Une des butées 20 est en butée longitudi
nale par sa face extérieure sur le capot 31. La butée
opposée est poussée par une vis (non-illustrée) jusqu'â
obtenir la valeur de contrainte désirée sur la lame.
Pour bloquer le zéro, il est possible
~o d'utiliser une barrette cassable. Les figures 12 et 13
montrent cette méthode. L'inventeur utilisera deux
plaquettes 35 réalisées dans un matériau fragile et
suffisamment rigide tel le verre ou la céramique.
Éventuellement, une ou plusieurs entailles 36 sont
~s créées pour faire un point de rupture. Finalement, le
banc de réglage devra permettre un déplacement três
précis tel que le capteur soit plaqué sur ses faces
d'appui 37 et guidé par ses faces 38 parfaitement
parallèles aux faces d'appui de la lame 22 dont l'une
zo au moins se déplace pour réaliser la déformation de la
lame. Le mode opératoire de ce principe est le
suivant . Le capteur est fixé par ses faces 37 et guidé
par ses faces 38, dont l'une sert de référence fixe et
l'autre de référence mobile. La lame 22 est amenée â la
zs position désirée par le déplacement de la face 38. On
colle ensuite par les faces 39, les plaquettes 35 sur
les butées 20. Une fois la colle prise, les plaquettes
35 maintiennent le capteur en position précontrainte et
on peut le désolidariser du banc. On fixe ensuite le
3o capteur sur la pièce â mesurer par ses faces 37.
Lorsque la fixation est réalisée, on brise les plaquet-
tes 35 avec des pinces ou par choc pour libérer le
capteur et permettre son fonctionnement.
Cette méthode présente plusieurs avantages
35 qui ont trait aux principes de base utilisés. Ce
premier avantage est l'utilisation du flambage iso
statique qui donne un faible effort aux butées. Les
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efforts aux butées sont considérablement diminués par
le fait que, aprês flambage, la lame travaille en
flexion et non plus en traction compression. Pour une
lame de 25*5*0.3 mm et un déplacement de 0.02 mm, les
s efforts passent de 252 N à 33.7 N. De plus, dans le cas
d'une lame en traction, il est impossible de fixer
correctement une lame de cette dimension pour éviter le
glissement des points de fixation (la sensibilité de
mesure est de l' ordre de 0 . 03 micromètres) , et on peut
~o facilement créer des concentrations de contraintes
amenant une déformation permanente de la lame. L'inté-
rêt du dispositif est l'absence totale du moment sur
les points de fixation et efforts plus faibles ce qui
rend le dispositif apte au collage, car les colles
~s résistent généralement bien au cisaillement et l'effort
quasiment constant sur la plage des mesures, ce qui
garantit les caractéristiques sur une plage de mesure
importante.
Le flambage isostatique permet aussi un très
zo bon retour à zéro et une faible hystérésis . Dans tout
système de fixation, lorsque les efforts dépassent un
certain seuil, il se produit un glissement. Au retour,
les forces de rappel élastiques du système sont plus
faibles que les efforts de frottement et le systëme
zs prend une nouvelle position d'équilibre à zéro. Cet
effet se produit à chaque cycle, d'où un glissement
progressif du zéro ou une incertitude élevée si les
efforts changent de sens. Dans notre cas, les efforts
sont toujours orientés dans le même sens sur toute
30 l'étendue de mesure et existent toujours, leur valeur
étant faible et assez constante, ce qui garantit le
plus faible glissement possible du zéro.
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