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CAPTEUR DE FORCE Objet de l'invention
La présente invention est relative à un capteur de force trois points, destiné à être fixé sur une structure flexible telle qu'un câble, une élingue, une corde, etc..., afin de mesurer ou de contrôler la charge ou la force appliquée à la dite structure flexible.
L'invention s'étend également aux utilisations de ce capteur de force.
Etat de la technique
Il existe actuellement sur le marché des capteurs de force trois points de différentes conceptions ou réalisations. De manière générale, les capteurs actuels sont équipés de jauges de contrainte travaillant en flexion et qui fournissent par conséquent un signal qui est non linéaire et non proportionnel à la force exercée sur la structure flexible. Ce modèle de capteur ne peut donc être utilisé que conjointement avec un moniteur pour déclencher un relais lorsque la valeur du seuil réglé sur le moniteur est atteinte. En effet, du fait de sa non-linéarité, il ne pourra être utilisé pour faire de la sommation de charge ou afficher la valeur de la charge sur un indicateur numérique par exemple.
Actuellement, les capteurs destinés à être fixés sur des câbles ou similaire sont équipés d'un pont ou d'une partie d'un pont de jauges de contrainte qui est obligatoirement connecté par l'intermédiaire d'un câble électrique à un boîtier appelé moniteur et qui comprend : - une alimentation, - un circuit conditionneur, - un circuit amplificateur, - un circuit comparateur (seuil), - un ou deux relais de coupure.
En outre, ces dispositifs présentent l'inconvénient suivant : le signal de mesure fourni par le pont de jauges est très faible. En effet ce signal varie entre 0 et 10
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millivolts selon l'état de charge et de ce fait, le capteur doit obligatoirement être connecté par l'intermédiaire d'un câble de liaison à un moniteur électronique afin d'amplifier le signal pour le rendre exploitable.
De plus, il est fortement conseillé de placer le moniteur le plus près possible du capteur, avec une distance maximum de trois mètres entre eux. En effet, comme le conditionneur n'est pas intégré dans le capteur, et que le signal est très faible, le câble constitue une antenne qui provoque souvent des perturbations très importantes dans les milieux industriels.
Dès lors, pour fournir un standard de mesure de 0 à l0 volts, le signal qui est véhiculé dans le câble de liaison devra être amplifié d'un facteur de l'ordre de mille.
Puisque cette amplification a lieu dans le moniteur, les parasites qui sont captés par le câble de liaison sont également amplifiés mille fois.
En outre, les capteurs de l'état de la technique sont réalisés en acier traité et présentent de ce fait un poids relativement élevé ; ce qui génère une masse vibrante sur la structure flexible avec pour effet de diminuer les caractéristiques mécaniques de la dite structure.
Il est également connu par la demande de brevet EPA-0207923, de pouvoir mesurer la déformation d'un capteur de force lorsqu'il est soumis à des sollicitations, ceci à l'aide d'un limiteur de charge à moniteur électronique qui n'utilise pas de jauges de contraintes.
Sous l'effet d'une charge ou d'une traction, le corps de ce capteur qui est réalisé en acier noble de très haute résistance, se déforme proportionnellement à la force exercée. La déformation est mesurée par un détecteur d'écart magnétique de très haute sensibilité, connecté directement au moniteur électronique.
Buts de l'invention
Le but principal visé par la présente invention est de fournir un capteur de force trois points, allégé, et qui est destiné à être fixé sur une structure flexible, afin de mesurer ou de contrôler une charge ou une force appliquée à
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la dite structure flexible, sans présenter les inconvénients de l'état de la technique susmentionné.
En particulier la présente invention vise à fournir un capteur de force trois points dont la linéarité du signal mesuré est réalisable sur toute la plage d'utilisation du capteur.
Un autre but de la présente invention consiste à obtenir par ce capteur, un signal digital exploitable, directement et sans conversion par un microprocesseur.
Un but complémentaire de la présente invention est de fournir un capteur qui soit adaptable à toutes les configurations électroniques, y compris celles utilisant des fibres optiques.
Principaux éléments caractéristiques de l'invention
La présente invention ce rapporte un capteur de force trois points destiné à être fixé sur une structure flexible, afin de mesurer ou de contrôler une charge ou une force appliquée à la dite structure flexible, et comprenant incorporé dans le corps du capteur, deux demi-ponts de jauges de contrainte formant un pont complet et travaillant au cisaillement, ces demi-ponts étant directement reliés à un conditionneur intégré au capteur.
Avantageusement, le corps du capteur est réalisé en un matériau léger, de préférence en aluminium et se présente sous la forme d'une structure mono-bloc ; c'est-àdire que le capteur est constitué d'une masse formée d'un seul bloc.
Un autre aspect de la présente invention ce rapporte aux utilisations de ce capteur de force pour la mesure ou le contrôle d'une charge ou d'une force appliquée à une structure flexible, en fournissant directement au départ du capteur les signaux standards analogiques de mesure directement exploitables.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention, apparaîtront à la lecture d'une forme d'exécution préférée en référence aux figures annexées.
Brève description des figures
Afin de mieux comprendre la présente invention, on
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se réfère aux figures annexées dans lesquelles des repères numériques identiques sont utilisés pour représenter des parties identiques ou similaires dans les différentes vues : - la figure 1 représente une vue schématique de face en coupe partielle d'un capteur de force trois points selon la présente invention.
- la figure 2 représente une vue schématique latérale et en coupe partielle d'un capteur de force trois points selon la présente invention qui est fixé sur un câble de traction.
Description d'une forme d'exécution préférée de la présente invention
De manière générale, les capteurs de force trois points selon la présente invention, sont destinés à être fixés sur une structure flexible, telle un câble, une élingue, une corde ou similaire afin de mesurer ou de contrôler la charge ou la force appliquée à la dite structure flexible.
Les figures 1 et 2 représentent une forme d'exécution préférée d'un capteur de force trois points qui est constitué d'un corps de déformation (1) présentant essentiellement la forme d'un E et qui est réalisé en un matériau léger, de préférence en aluminium. Ce corps (l) comprend un appui à chaque extrémité latérale (inférieure et supérieure) du E. Le capteur est destiné à être fixé sur une structure flexible (3) qui est dans le présent cas un câble de traction, à l'aide d'une clame de fixation (5). Cette clame est disposée dans la barre centrale du E. Le capteur est maintenu dans l'axe longitudinal de la dite structure (3) à l'aide de deux guides latéraux (11).
Selon la caractéristique principale du capteur de force de la présente invention, celui-ci comporte un pont complet de jauges de contrainte constitué de deux demi-ponts (31 et 33) travaillant au cisaillement et non plus à la flexion comme c'est le cas dans l'état de la technique. Ceci permet avantageusement de garantir la linéarité de la mesure sur toute la plage d'utilisation.
L'angle que le câble (3) présente entre un appui
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(9) et la clame (5) constitue l'angle de déflexion a qui caractérise les trois points du capteur.
Cet angle a permet de induire les contraintes nécessaires afin d'effectuer les mesures de la charge ou de la force appliquée à la dite structure (3).
Dans le cas particulier où une force de traction est appliquée aux deux extrémités de la structure flexible (3), celle-ci produit une force de réaction verticale qui tend à soulever la clame (5) disposée au centre du capteur.
Du fait que la clame ne peut se soulever, ce sont les deux appuis (9) disposés aux extrémités du capteur qui reçoivent la force de contre-réaction et qui produisent les contraintes dans le corps (l) du capteur, ces contraintes étant proportionnelles à la force exercée sur la structure flexible.
Une autre particularité importante du capteur de force selon la présente invention réside dans le fait que le conditionneur (19) est directement intégré dans le corps (1) du capteur. Ce conditionneur (19) est disposé simplement sous un couvercle de protection étanche (25) situé sur l'une des faces du corps (1) du capteur. De même, les deux demi-ponts de jauges (31 et 33) sont introduits et collés de manière adéquate dans le corps (1) du capteur et sur lesquels deux bouchons (21) situés latéralement sur le corps (l), s'appliquent. Les deux demi-ponts de jauges (31 et 33) sont ainsi disposés judicieusement par rapport à l'axe de la fibre neutre de manière à travailler uniquement en cisaillement.
Les deux demi-ponts de jauges de contrainte (31 et 33) sont ensuite reliés au conditionneur (19) afin de former un pont complet. Il suffira alors simplement d'alimenter le capteur par la fiche (17) en 24 volts DC pour obtenir un capteur entièrement autonome.
Cette manière de procéder permet de supprimer tout risque de parasitage, étant donné que le signal délivré par le capteur est obtenu sans amplification externe. Ce signal est par exemple constitué par une fréquence qui varie entre 0 et 10.500 Hz en fonction de la traction exercée sur la structure flexible (3).
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Le signal fourni est un signal digital avantageusement exploitable directement par un microprocesseur sans devoir effectuer une amplification ou une conversion quelconque de celui-ci dans un moniteur.
De plus, dans le cas où ce capteur doit être relié à un afficheur digital ou à une carte à seuil, ceux-ci pourront être installés relativement loin du capteur sans inconvénients majeurs.
En outre, l'intégration du circuit électronique à l'intérieur du capteur permet avec un seul capteur de l'équiper en fonction des besoins. En effet, ce capteur peut fournir soit un signal compris entre 0 et 10.500 Hz, soit un signal de 0 à 5 ou de 0 à lO volts, soit un signal de 4 à 20 mA, soit un contact de seuil libre de potentiel.
En outre, ce capteur est avantageusement adaptable en quelques minutes à toutes les configurations électroniques connues, même celles utilisant des fibres optiques. Il est possible notamment de changer très facilement le signal de mesure qui est par exemple un signal de mesure en fréquence afin qu'il fournisse un signal de mesure en ampères. Un autre avantage de ce capteur résulte du fait que si on le réalise en aluminium de qualité aéronautique, on diminue le poids du capteur de 250 à 500 % par rapport au poids des capteurs selon l'état de la technique. De ce fait la masse vibrante générée par ce capteur lorsqu'il est disposé sur la structure flexible est fortement réduite et même pratiquement nulle.
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FORCE SENSOR Subject of the invention
The present invention relates to a three-point force sensor, intended to be fixed to a flexible structure such as a cable, a sling, a rope, etc., in order to measure or control the load or the force applied to the said flexible structure.
The invention also extends to the uses of this force sensor.
State of the art
There are currently three point sensors on the market with different designs or designs. In general, current sensors are equipped with strain gauges working in flexion and which therefore provide a signal which is non-linear and not proportional to the force exerted on the flexible structure. This sensor model can therefore only be used in conjunction with a monitor to trigger a relay when the threshold value set on the monitor is reached. In fact, because of its non-linearity, it cannot be used for summing the load or displaying the value of the load on a digital indicator for example.
Currently, the sensors intended to be fixed on cables or the like are equipped with a bridge or part of a bridge of strain gauges which is necessarily connected via an electric cable to a box called a monitor. and which includes: - a power supply, - a conditioner circuit, - an amplifier circuit, - a comparator circuit (threshold), - one or two cut-off relays.
In addition, these devices have the following drawback: the measurement signal supplied by the gauge bridge is very weak. Indeed this signal varies between 0 and 10
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millivolts depending on the state of charge and therefore, the sensor must be connected via a connecting cable to an electronic monitor in order to amplify the signal to make it usable.
In addition, it is strongly recommended to place the monitor as close as possible to the sensor, with a maximum distance of three meters between them. Indeed, as the conditioner is not integrated into the sensor, and the signal is very weak, the cable constitutes an antenna which often causes very significant disturbances in industrial environments.
Therefore, to provide a measurement standard from 0 to 10 volts, the signal which is carried in the connecting cable must be amplified by a factor of the order of a thousand.
Since this amplification takes place in the monitor, the noise that is picked up by the connecting cable is also amplified a thousand times.
In addition, the prior art sensors are made of treated steel and therefore have a relatively high weight; which generates a vibrating mass on the flexible structure with the effect of reducing the mechanical characteristics of said structure.
It is also known from patent application EPA-0207923, to be able to measure the deformation of a force sensor when it is subjected to stresses, this using a load limiter with electronic monitor which does not use no strain gauges.
Under the effect of a load or a traction, the body of this sensor which is made of very high strength noble steel, deforms proportionally to the force exerted. Deformation is measured by a very high sensitivity magnetic deviation detector, connected directly to the electronic monitor.
Aims of the invention
The main aim of the present invention is to provide a lightened three-point force sensor which is intended to be fixed on a flexible structure, in order to measure or control a load or a force applied to
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said flexible structure, without having the drawbacks of the aforementioned state of the art.
In particular, the present invention aims to provide a three-point force sensor whose linearity of the measured signal is achievable over the entire range of use of the sensor.
Another object of the present invention consists in obtaining by this sensor, a digital signal which can be used directly and without conversion by a microprocessor.
A further object of the present invention is to provide a sensor which is adaptable to all electronic configurations, including those using optical fibers.
Main characteristic features of the invention
The present invention relates to a three-point force sensor intended to be fixed on a flexible structure, in order to measure or control a load or a force applied to said flexible structure, and comprising incorporated in the body of the sensor, two half strain gauge bridges forming a complete bridge and working in shear, these half-bridges being directly connected to a conditioner integrated into the sensor.
Advantageously, the sensor body is made of a light material, preferably aluminum and is in the form of a mono-block structure; that is, the sensor consists of a mass formed in one piece.
Another aspect of the present invention relates to the uses of this force sensor for measuring or controlling a load or a force applied to a flexible structure, by supplying directly from the sensor the standard analog measurement signals. directly usable.
Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading a preferred embodiment with reference to the appended figures.
Brief description of the figures
In order to better understand the present invention, we
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refers to the appended figures in which identical reference numerals are used to represent identical or similar parts in the different views: - Figure 1 shows a schematic front view in partial section of a three-point force sensor according to the present invention .
- Figure 2 shows a schematic side view in partial section of a three-point force sensor according to the present invention which is fixed to a traction cable.
Description of a preferred embodiment of the present invention
Generally, the three-point force sensors according to the present invention are intended to be fixed on a flexible structure, such as a cable, a sling, a rope or the like in order to measure or control the load or the force applied to the said flexible structure.
Figures 1 and 2 show a preferred embodiment of a three-point force sensor which consists of a deformation body (1) having essentially the shape of an E and which is made of a light material, preferably aluminum. This body (l) comprises a support at each lateral end (lower and upper) of the E. The sensor is intended to be fixed on a flexible structure (3) which is in this case a traction cable, using 'a fixing clamp (5). This clamp is arranged in the central bar of the E. The sensor is held in the longitudinal axis of said structure (3) using two lateral guides (11).
According to the main characteristic of the force sensor of the present invention, it comprises a complete bridge of strain gauges consisting of two half-bridges (31 and 33) working in shear and no longer in bending as is the case in the state of the art. This advantageously ensures the linearity of the measurement over the entire range of use.
The angle that the cable (3) has between a support
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(9) and the clamp (5) constitutes the angle of deflection a which characterizes the three points of the sensor.
This angle a makes it possible to induce the stresses necessary in order to carry out the measurements of the load or the force applied to said structure (3).
In the particular case where a tensile force is applied to the two ends of the flexible structure (3), the latter produces a vertical reaction force which tends to lift the clamp (5) placed in the center of the sensor.
Since the clamp cannot be lifted, it is the two supports (9) arranged at the ends of the sensor which receive the feedback force and which produce the stresses in the body (l) of the sensor, these stresses being proportional to the force exerted on the flexible structure.
Another important feature of the force sensor according to the present invention lies in the fact that the conditioner (19) is directly integrated into the body (1) of the sensor. This conditioner (19) is simply arranged under a waterproof protective cover (25) located on one of the faces of the body (1) of the sensor. Likewise, the two gauge half-bridges (31 and 33) are introduced and glued adequately in the body (1) of the sensor and on which two plugs (21) located laterally on the body (l), are applied . The two gauge half-bridges (31 and 33) are thus judiciously arranged with respect to the axis of the neutral fiber so as to work only in shear.
The two strain gauge half-bridges (31 and 33) are then connected to the conditioner (19) in order to form a complete bridge. It will then suffice simply to supply the sensor by the plug (17) with 24 volts DC to obtain a fully autonomous sensor.
This procedure eliminates any risk of interference, since the signal delivered by the sensor is obtained without external amplification. This signal is for example constituted by a frequency which varies between 0 and 10,500 Hz according to the traction exerted on the flexible structure (3).
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The signal supplied is a digital signal advantageously exploitable directly by a microprocessor without having to carry out any amplification or any conversion of the latter in a monitor.
In addition, in the case where this sensor must be connected to a digital display or to a threshold card, these can be installed relatively far from the sensor without major drawbacks.
In addition, the integration of the electronic circuit inside the sensor allows it to be equipped with a single sensor as required. Indeed, this sensor can provide either a signal between 0 and 10,500 Hz, or a signal from 0 to 5 or from 0 to 10 volts, or a signal from 4 to 20 mA, or a potential-free threshold contact.
In addition, this sensor is advantageously adaptable in a few minutes to all known electronic configurations, even those using optical fibers. It is in particular possible to very easily change the measurement signal which is for example a frequency measurement signal so that it provides a measurement signal in amperes. Another advantage of this sensor results from the fact that if it is made of aircraft-grade aluminum, the weight of the sensor is reduced by 250 to 500% relative to the weight of the sensors according to the prior art. As a result, the vibrating mass generated by this sensor when it is placed on the flexible structure is greatly reduced and even practically zero.