FR2571853A1 - Capteur a jauges de contrainte - Google Patents

Abstract

L'INVENTION A POUR OBJET UN CAPTEUR A JAUGES DE CONTRAINTE QUI COMPORTE UN ELEMENT FLEXIBLE 3 CONSTITUE DE DEUX POUTRES 1, 2 DE MEME FLEXIBILITE REUNIES ENTRE ELLES A LEURS EXTREMITES PAR DES ENTRETOISES 4, 5 RIGIDES. UNE FORCE P A MESURER EST APPLIQUEE SENSIBLEMENT AU CENTRE 6 DE L'UNE DES POUTRES TANDIS QU'UNE REACTION D'ENCASTREMENT R EST APPLIQUEE SENSIBLEMENT AU CENTRE 7 DE L'AUTRE. CETTE STRUCTURE A POUR EFFET D'EVITER DES CONTRAINTES PARASITES DE TRACTION-COMPRESSION QUE POURRAIENT SUBIR LES POUTRES SI ELLES ETAIENT ACTIONNEES PAR DES FORCES DONT LES DIRECTIONS D'APPLICATION NE PEUVENT PAS VARIER. CE QUI CARACTERISE L'INVENTION C'EST QUE L'ELEMENT FLEXIBLE COMPORTE DES MOYENS 9, 10 POUR QUE LES FORCES ANTAGONISTES SOIENT SITUEES DANS UN MEME PLAN.

Description

CAPTEUR A JAUGES DE CONTRAINTE

L'invention concerne un capteur à jauges de contrainte utilisé pour mesurer des forces ou des déplacements. Un capteur à jauges de contrainte comporte généralement un élément flexible sur lequel sont collées ou gravées des jauges résistives alimentées par une source de tension électrique. La gravure des jauges est généra-

lement effectuée par procédé photolithographique. L'élément. flexi-

ble est soumis d'une part à une force à mesurer et d'autre part à une force de réaction imposée par un bâti sur lequel cet élément est encastré. Les éléments flexibles sont généralement soumis à des déformations en S. L'application des forces à mesurer a pour effet d'étirer ou de rétreindre en flexion l'élément flexible ainsi que les jauges qui lui sont appliquées. En conséquence les résistances électriques de ces jauges varient et l'on mesure leurs variations au moyen d'un pont de mesure. La mesure de ces variations est

représentative du phénomène physique à analyser.

Quand. ils sont installés sur un site les capteurs sont soumis à un échauffement. Sous cet échauffement, l'élément flexible se dilate. Il en résulte deux conséquences. Premièrement les jauges se

dilatent aussi, ce qui en change leur valeur caractéristique. Deuxiè-

mement les points d'application des forces sont déplacés relati-

vement l'un par rapport à l'autre. Si les points d'application des forces sont par ailleurs maintenus fixes, il en résulte des efforts parasites de traction compression sur l'élément flexible. Ces efforts parasites viennent perturber l'effet de flexion auquel est soumis cet élément et que l'on cherche à mesurer seul. La mesure est donc faussée. Il est connu dans l'état de la technique de palier l'inconvénient de la dérive de la valeur caractéristique des jauges par adjonction d'éléments résistifs non soumis à la contrainte mécanique et dont le coefficient de résistivité évolue avec la température de manière inverse à celui des jauges. Ou tout simplement on tare sur le site le pont de mesure. Il reste cependant que les efforts de traction compression parasites qui se superposent aux efforts de flexion à

mesurer ne peuvent qu'être soit négligés, soit rendus négli-

geables par une certaine mobilité du point d'application des forces.

Par ailleurs, la réalisation des éléments flexibles pose des problèmes d'industrialisation. D'une part, leur sensibilité dépend de

la gamme de mesure dans laquelle on s'attend à les voir travailler.

Leurs dimensions mécaniques, en particulier leur épaisseur, sont directement dépendantes de cette gamme. De même la disposition des jauges sur l'élément flexible, présente des disparités selon les gammes. D'autre part la gravure des différentes jauges sur chacun des éléments flexibles est faite en autant de fois qu'il y a d'endroits

de ces éléments qui ne peuvent être accessibles que différemment.

Chaque fois qu'une opération de gravure d'une jauge est entreprise sur un même élément flexible, il y a un risque de décalage de l'emplacement de cette jauge par rapport à la position théorique

qu'il devrait avoir par rapport aux emplacements des autres jauges.

La conséquence directe de ces inconvénients est une dispersion des caractéristiques des capteurs fabriqués et correspondants à une gamme donnée. Cette dispersion des caractéristiques donne lieu à des opérations de tarage de chaque capteur qui doivent être entreprises pièce par pièce. Cette opération de tarage nécessaire

est gênante.

La présente invention a pour objet un capteur à jauges de contrainte muni d'un élément flexible dont la forme géométrique permet de palier les inconvénients cités. D'une part toutes les jauges

d'un même élément flexible peuvent être gravées en même temps.

D'autre part quelque soit la gamme du capteur les emplacements des

différentes jauges peuvent être normalisés.

L'invention concerne un capteur à jauges de contrainte du type comportant un élément flexible muni de jauges sur une de ses faces et solicité d'une part par une force à mesurer et d'autre part par une réaction d'encastrement, l'élément flexible étant constitué d'au moins deux poutres réunies entre elles à leur extrémité par des entretoises rigides, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour que la réaction d'encastrement et la force à mesurer soient appliquées au centre des poutres en étant situées dans un plan qui

est perpendiculaire à l'axe des poutres.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description

qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Cette

description est donnée à titre indicatif et nullement limitatif de

l'invention. Sur les figures les mêmes repères désignent les mêmes éléments. Elles représentent: - figures la et lb: des vues en perspectives de chacune des poutres de l'invention - figure 2: une vue en perspective de l'élément flexible de l'invention - figure 3a à 3e: la mise en place de l'élément flexible de l'invention dans le corps d'un capteur - figure 4: une variante de réalisation de l'élément flexible selon l'invention

- figure 5: une particularité de réalisation les poutres de l'in-

vention - figure 6: un tableau de cotes de fabrication en fonction de la gamme de mesure désirée;

- figure 7: un schéma de raccordement des jauges.

Les figures la et lb représentent respectivement deux pou-

tres 1 et 2 d'un même élément flexible 3 représenté par ailleurs sur la figure 2. Ces poutres ont la même flexibilité. Ceci est obtenu en les réalisant en particulier dans un même matériau et avec une même épaisseur e. Dans un exemple, ce matériau est un alliage d'acier de module d'Young 19600 Kg/mm2. Les jauges de contrainte notées J1 à 34 sont toutes montées sur une seule des poutres: la poutre 1. Pour constituer l'élément flexible 3, les poutres 1 et 2 sont réunies entre elles a leurs extrémités par deux entretoises rigides 4 et 5. Une force à mesurer P est appliquée au centre de l'une des poutres (la poutre 2) tandis que la réaction d'encastrement R est appliquée symétriquement de part et d'autre du centre de l'autre (la poutre 1). Dans ces conditions ces deux efforts R et P sont situés

dans un même plan perpendiculaire à l'axe X'X des poutres.

Pour appliquer ces efforts, chaque poutre est munie d'un renfort central: les renforts 6 et 7 respectivement pour les poutres 1 et 2. Ces renforts sont orientés parallèlement aux entretoises. Au droit des entretoises 4 et 5 et des renforts 6 et 7, les poutres ne peuvent subir de déformation et les parties flexibles de l'élément 3 sont cantonnées aux portions des poutres qui séparent ces renforts centraux des entretoises. Les deux renforts centraux sont situés, par

rapport aux faces des poutres, du même côté que les entretoises.

Ceci confère par un jeu résiduel 8 entre ces deux renforts une possibilité de butée à l'effort P quand il dépasse une valeur nominale

pour laquelle l'élément flexible a été calculé.

La force de réaction R est appliquée sur le renfort central 6 symétriquement au moyen de deux becquets, 9 et 10, qui s'élèvent perpendiculairement au renfort central 6 et orthogonalement à l'axe X'X de la poutre 1. Il ressort de cette disposition que la résultante

de la réaction d'encastrement est colinéaire à la force P à mesurer.

Par symétrie de la structure, cette colinéarité est constante quelque soit la valeur de la force P. La direction d'application de la force à mesurer peut être fixe quelque soit la valeur de cette force. On

constate bien que dans la réalisation donnée, les réactions d'encas-

trement et la force à mesurer sont toujours situées dans un même plan qui est perpendiculaire à l'axe des poutres. Les becquets permettent ainsi de dégager la face supérieure 11 de la poutre 1

pour qu'elle puisse être polie et gravée à chaque fois d'un seul coup.

Dans une réalisation pratique, les deux poutres 1- et 2 sont munies chacune de demi-entretoises respectivement 41, 51 et 42, 52. Ces deux demi-entretoises qui peuvent être de hauteur égale sont reliées entre elles par soudure pour la constitution de l'élément flexible 3. D'une manière préférée, dans l'invention, pour éviter que cette opération de soudure n'altère les cotes respectives de la

257 1 8 5 3

poutre I par rapport à la poutre 2, ces soudures 43 et 53 sont des soudures par points. Elles sont réalisées par exemple au moyen d'un laser ou par bombardement électronique. En soudant par points, on

évite de provoquer une fusion générale des faces des demi-

entretoises à réunir. Ceci aurait pour effet, par fluage ou fusion, de modifier les hauteurs prévues pour ces entretoises ainsi que leur alignement. Par ailleurs, la soudure par points provoque un moins

grand échauffement des demi-entretoises qu'une soudure générale.

Elle n'altère donc pas la résistance mécanique de celles-ci.

Les avantages procurés par la structure et la forme géomé-

trique de l'élément flexible de l'invention sont les suivants. Premiè-

rement, il n'existe pas d'effort de traction parasite sur les portions sensibles des poutres. D'une part sous l'effet de la force P la

déformation en S de chacune de ces portions provoque un rapproche-

ment mutuel des entretoises. Ceci est sans inconvénient puisque justement les entretoises sont libres étant donné qu'elles sont reliées par ailleurs à une autre poutre qui a les mêmes performances de flexibilité. En conséquence, les longueurs moyennes des portions utiles des poutres, et plus particulièrement de la poutre I sur laquelle sont gravées les jauges, restent constantes quelque soit l'effort P. D'autre part, la dilatation thermique de la poutre I est équilibrée par une dilatation thermique équivalente de la poutre 2

qui est située dans la même ambiance qu'elle.

Deuxièmement la fabrication industrielle des poutres est gran-

demeht facilitée. En effet, mis à part les becquets 9 et 10, la poutre 1 est totalement identique à la poutre 2. Plus exactement, cette identitée porte sur les dimensions essentielles des poutres à savoir leur épaisseur e, la longueur L des portions utiles ainsi que les positions de ces portions utiles symétriques chaque fois par rapport au milieu de la poutre. Il est donc possible de prévoir une taille en

série de toutes les poutres: il suffit d'aligner des blocs parallè-

lépipédiques à usiner, parallèlement les uns aux autres, et d'entre-

prendre l'usinage parallèlement à l'alignement de ces blocs. De plus, avant la gravure des jauges sur la poutre 1, il est nécessaire de polir

257 1853

la face 11 de cette poutre o les jauges vont être gravées. Ce polissage peut être effectué en contrôlant l'épaisseur de la poutre 1 en prenant comme référence une face supérieure 12 du becquet 9. Il est par ailleurs facile de mesurer l'épaisseur de la poutre car elle est accessible par ses deux faces. Comme rien ne gêne au milieu, les

portions 13 et 14 de la poutre I peuvent être polies en même temps.

Enfin un dernier avantage réside dans le fait que toutes les jauges sont gravées sur une seule face (la face 11) de l'une des poutres. En conséquence, les gravures de toutes les jauges peuvent être effectuées en même temps. Il en résulte qu'un défaut éventuel de mise en place de l'une des jauges (31) par rapport à une abcisse donnée sur l'axe X'X peut être compensée par un défaut égal mais de signe contraire de mise en place d'une jauge correspondante (34). En effet les distances séparant les jauges sont figées une fois pour toutes. Ces dimensions sont imposées par les masques qui

servent à réaliser la gravure photolithographique de ces jauges.

Cette gravure elle-même est par ailleurs facilitée par le fait que les poutres, y compris les demi-entretoises, sont peu épaisses. Elles sont épaisses de la moitié de la hauteur de l'élément flexible. Lors des opérations de gravure ionique de la couche résistive (par exemple en nickel-chrome) l'homogénéité des champs électriques d'attaque est plus facilement atteinte. Il en résulte donc une plus grande facilité

et une plus grande précision de mise en oeuvre du procédé photo-

lithographique. Enfin, si par un défaut d'installation la force à mesurer P n'est pas appliquée exactement perpendiculairement à la face Il de la poutre 1, les déformations subies par les deux portions utiles de cette poutre, les portions 13 et 14, ne seront pas identiques. Il est

possible d'obtenir une compensation de cette différence de défor-

mation en raccordant en parallèle les jauges correspondantes et donc en mesurant un déséquilibre de pont de mesure correspondant à

la moyenne de ces déformations.

Les figures 3a à 3e montrent l'allure d'un capteur selon l'invention installé dans un corps 15. Le corps 15 a une forme

7 1853

cylindrique circulaire. Il est symétrique par rapport à un plan

médian 16 auquel sera colinéaire l'axe X'X de l'élément flexible 3.

Le corps 15 est muni d'une rainure 17 passant par ce plan médian et légèrement plus large que l'élément flexible 3 pour que celui-ci puisse s'y débattre librement. De part et d'autre du plan 16 au sommet du corps 15 sont réalisés deux épaulements 18 et 19 pour venir recevoir respectivement les becquets 9 et 10. Les épaulements sont munis de pions respectivement 20 et 21 prévus pour venir

s'encastrer dans des percements 22 et 23 réalisés dans les becquets.

Le corps 15 est par ailleurs muni à sa base d'un trou 24 (représenté ici en pointillés parce que non visible) par lequel la force P à mesurer peut être appliquée. De manière à ce que l'élément flexible 3 ne soit pas éjecté hors du corps 15 quand la force P est une force de poussée les pions 20 et 21 sont respectivement soudés sur les becquets 9 et 10 après leur encastrement. D'une manière préférée, cette soudure est également une soudure par points

réalisée au moyen d'un laser ou d'un bombardement électronique.

La figure 3a montre deux substrats céramiques 25 et 26 prévus pour recevoir des circuits de compensation en couches minces ayant

pour effet de compenser les variations des résistances carac-

téristiques des jauges sous l'effet de la température. Ces deux substrats 25 et 26 sont fixées au corps 15, à son sommet, de part et d'autre de la face 11 de la poutre I de l'élément 3. La figure 3e montre une vue globale du capteur. Les substrats 25 et 26 sont

taillés en portion de cercle pour venir s'inscrire dans le prolon-

gement des génératrices du cylindre 15.

La figure 4 représente une variante de réalisation de l'élément flexible 3. Ce qu'il y a de caractéristique dans cette variante c'est que l'une des poutres, la poutre non munie des jauges, a été coupée en deux et que chacune de ces deux demi-poutres 28 et 29 a été rabattue parallèlement à la poutre 27 de mesure. La largeur totale des deux demi-poutres 28 et 29 est égale à la largeur de la poutre 27. D'une manière préférée, pour éviter des couples de torsion, la largeur de chacune de ces deux demipoutres est égale à la moitié de la poutre centrale. L'élément flexible fonctionne exactement de la même façon que précédemment: la force de réaction R est appliquée sur les renforts centraux tels que 30 des demipoutres, la force P à mesurer étant elle appliquée sur le renfort central 31 de la poutre 27. L'avantage supplémentaire procuré par cette variante réside dans un usinage encore plus simple des différentes poutres: la taille du bloc métallique dans lequel elles sont réalisées comportant une phase de sciage pour ménager les séparations 32 et 33 entre les

différentes poutres. En conséquence les soudures entre les demi-

entretoises sont supprimées puisque le sciage est arrêté avant complète séparation. Par ailleurs lors du polissage, la machine à polir qui peut s'appuyer sur une surface plus large ne risque pas

réaliser des surfaces gauchies.

La figure 5 montre, ici d'une manière exagérée, les défor-

mations que subit l'élément sensible de la figure 3 quand il est soumis à une force P à mesurer et à une force de réaction R. La figure 5 met en évidence que pour une même force P appliquée, le déplacement du renfort central 7 est égal au double de celui qui serait obtenu si la poutre 2 était une poutre rigide. Sous la partie gauche de la figure 5 est représenté un diagramme des contraintes de chaque point de la portion 13 de la poutre I en fonction de son

abscisse. Le diagramme de ces contraintes, ou l'allongement super-

ficiel dl de la face 11, a théoriquement l'allure d'une droite passant

par zéro au point d'inflexion de la partie 13.

De manière à se donner une certaine tolérance pour le

placement des jauges, il convient "d'aplatir" cette courbe de con-

trainte à l'endroit de ses maximas. Ceci est obtenu dans l'invention en assurant le raccordement des poutres aux entretoises et aux renforts centraux par l'intermédiaire de congés de raccordement de rayon donné r. Par raison de symétrie, les rayons de tous les congés sont égaux. Le respect de ces congés de raccordement est obtenu lors de l'usinage des poutres. On remarque à cet effet que la présentation en espace libre des zones à usiner, facilite un usinage précis de ces congés de raccordement. En effet, l'élément flexible

257 1 8 5 3

de l'invention, même dans le cas de la variante, est librement accessible sur toutes ses faces. Il n'y a pas de partie à usiner qui se

trouve enclavée.

En fonction de la gamme d'efforts P à mesurer, l'épaisseur e

des poutres est modifiée. Pour industrialiser la fabrication des pou-

tres, la demanderesse a déterminé qu'il existe un rayon de congés r dépendant de l'abscisse X des jauges mais surtout indépendant de l'épaisseur e des poutres, et pour lequel l'applatissement des courbes de contraintes se trouve situé à un endroit constant. C'est à cet endroit bien entendu que les jauges sont installées. Dans une série de fabrication qui est retenue par la demanderesse, l'abscisse X de début des jauges, à partir des bords intérieurs des entretoises ou à partir des bords des renforts centraux, vaut 1000 micromètres; la développée des jauges vaut 800 micromètres et le rayon du congé vaut 700 micromètres: soit donc entre 20 et 40% de moins que l'abscisse du début des jauges. Dans ces conditions, il est possible d'obtenir un même signal nominal de déséquilibre du pont de mesure lorsque l'épaisseur des poutres et la gamme de forces appliquées

correspondantes sont celles indiquées dans le tableau de la figure 6.

Ce choix d'un rayon unique de congé de raccordement est donc très important. Il permet la fabrication de capteurs donnant une réponse

normalisée pour des gammes distribuées dans un rapport de 1 à 20.

En effet, l'implantation et la longueur des jauges vont ainsi être les mêmes quelque soit la gamme à laquelle est destiné le capteur. De la même façon, l'usinage des congés de raccordement sera le même quelque soit la gamme; d'une gamme à l'autre il y a seulement lieu de changer l'épaisseur donc en définitive la cote par rapport aux appareils d'usinage sur lesquels reposent les pièces brutes à tailler. La rationalisation de la production des capteurs se trouve donc fortement augmentée. En définitive on peut dire que si l'abscisse X du début des jauges est donnée, le rayon du congé de raccordement est sensiblement inférieur de 30 % à l'abscisse du début des jauges. Les limites dans lesquelles ce choix de cotes est possible sont déterminées par l'épaisseur des poutres: l'épaisseur de

257 1853

la poutre la plus épaisse doit être inférieure (par exemple de 15 %) à la valeur du rayon du congé de raccordement. Par exemple, dans le tableau de la figure 6, la gamme maximum correspondant à 80 Newton impose une épaisseur de 580 micromètres pour un matériau de module d'Young cité plus haut. Cette épaisseur est inférieure d'environ 15 % au rayon du congé retenu: 700 micromètres. Pour des ensembles de gammes plus hauts, le rayon du congé doit être modifié. La développée D des jauges est intermédiaire entre le

rayon du congé et l'abscisse du début des jauges.

La figure 7 représente schématiquement un exemple de pont de mesure pouvant être installé avec les jauges de l'invention. Les jauges 31, 32, 33 et 34 sont raccordées en série. Le circuit est alimenté par une source de tension 34. Une tension de déséquilibre est mesurée par un indicateur 35 entre deux points milieu de ce circuit. De manière à obtenir la compensation due à un défaut de placement des jauges au moment de leur gravure, ce pont peut être modifié de la façon suivante: les jauges 31 et 34 sont montées en parallèle l'une avec l'autre de même que les jauges 32 et 33. Ces deux couples de jauges sont mis en série l'un avec l'autre et sont alimentés par la source de tension 34. Une autre branche du pont est alors constituée par un couple de résistances étalons égales, et l'indicateur 35 est raccordé au point milieu des couples de jauges et au point milieu des résistances étalons. Dans ces conditions, les différences de flexion que peuvent subir les jauges 31 et 34 ou 33 et 32 sont prises en compte pour leur valeur moyenne, que ces différences soient dues à un défaut d'application des forces à mesurer, ou dues à un décalage de l'emplacement de gravure des jauges. Il

Claims (11)

REVENDICATIONS

1. Capteur à jauges de contrainte du type comportant un élément flexible (2) muni de jauges (31 - 34) sur une (11) de ses faces et solicité d'une part pour une force (P) à mesurer et d'autre part

par une réaction (R) d'encastrement, l'élément flexible étant cons-

titué d'au moins deux poutres (2,3) réunies entre elles à leurs extrémités par des entretoises (4,5) rigides, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9, 10 ou 28, 29) pour que la réaction d'encastrement et la force à mesurer soient appliquées au centre des poutres en étant situées dans un plan qui est perpendiculaire à

l'axe (X'X) des poutres.

2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les

jauges sont disposées sur une seule face d'une seule des poutres.

3. Capteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'une des poutres comporte des becquets (9,

10) placés au centre de cette poutre pour que la réaction d'encas-

trement ou la force à mesurer lui soit appliquées symétriquement de

part et d'autre.

4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il ne comporte que deux poutres et en ce que les poutres sont chacune munies d'une demientretoise (41, 42, 51, 52) à chacune de leurs extrémités pour venir se lier à chacune des demi-entretoises de

l'autre poutre.

5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la liaison des demi-entretoises entre elles est obtenue au moyen d'une

soudure (43, 53) par points.

6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5,

caractérisé en ce que chaque poutre est munie d'un renfort central

(6,7) s'élevant parallèlement aux entretoises.

7. Capteur selon la revendication I ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte trois poutres (27, 29) placées c8te à c8te dans un plan perpendiculaire au sens d'application des efforts,

et munies, chacune, d'un renfort central (30, 31) par lequel s'exer-

cent la force à mesurer ou la réaction d'encastrement.

8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les trois poutres sont obtenues par usinage d'un bloc unique et par

séparation partielle de ce bloc.

9. Capteur selon la revendication 6 ou la revendication 7, caractérisé en ce que les entretoises et le renfort central sont liés à

chaque poutre avec un congé de raccordement (r).

10. Capteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le rayon du congé de raccordement est indépendant de la dynamique des forces à mesurer et donc de l'épaisseur des poutres, mais vaut entre 60 et 80% de l'abscisse (X) du début des jauges par rapport aux

entretoises ou aux renforts centraux considéréj.

11. Capteur selon la revendication 9 ou la revendication 10

caractérisé en ce que la développé (D) de chaque jauge est inter-

médiaire entre le rayon du congé de raccordement et l'abscisse du

début des jauges.