FR2594539A1 - Capteur inductif et dispositif de detection de deplacements comportant un tel capteur - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un capteur à induction pour la détection de déplacements. Ce capteur comporte un corps 1 à propriétés ferro-magnétiques, présentant une base 13 ayant une forme tubulaire autour d'un noyau central 15 auquel elle est reliée par un fond et une partie de détection 14 s'étendant en secteur annulaire dans le prolongement d'un secteur de ladite base et limitée par deux tranches longitudinales 17, 18 parallèles audit noyau central, une bobine électrique 16 étant placée coaxialement dans la base autour du noyau central 15. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

CAPTEUR INDUCTIF ET DISPOSITIF DE DETECTION
DE DEPLACEMENTS COMPORTANT UN TEL CAPTEUR
L'invention concerne la détection de déplacements, et plus particulièrement celle de déplacements angulaires, par des dispositifs qui peuvent être intégrés, par exemple, dans des installations de mesure ou de commande des déplacements d'éléments mécaniques mobiles en rotation ou d'éléments mobiles en translation par l'intermédiaire d'une transformation de mouvement.

D'une manière plus précise, elle se rapporte aux dispositifs de ce genre qui mettent en oeuvre des phénomènes d'induction pour réaliser cette détection.

Les dispositifs fonctionnant par induction présentent sur les autres dispositifs de détection divers avantages, liés à l'emploi de capteurs qui ne comportent ni organe mécanique mobile, ni constituant électronique.

En pratique, ce sont les seuls que l'on puisse valablement utiliser dans des atmosphères environnantes nocives interdisant les interventions pour réparations, ou dans des conditions sévères de température, en chaud ou en froid.

Des dispositifs à induction connus comportent des capteurs à induction qui sont placés en position fonctionnelle par rapport à la surface transversale, ou radiale, d'un disque soumis aux déplacements de rotation à détecter et qui sont sensibles au passage de trous percés dans ce disque. Si ces dispositifs donnent toute satisfaction lorsqu'ils fonctionnent en compte-tours, ils manquent de précision quand il s'agit de détecter des variations de positions angulaires petites par rapport à la précision recherchée compte tenu des limites de l'usinage des disques.

En conséquence, la présente invention vise à s'affranchir des inconvénients des dispositifs connus grâce à une conception nouvelle des capteurs, qu'elle propose d'utiliser pour exploiter des effets inductifs produits radialement en périphérie des disques soumis aux déplacements à détecter.

Elle a pour objet un capteur de détection de déplacements par induction, caractérisé en ce qu'il comporte un corps à propriétés ferro-magnétiques présentant une base ayant une forme tubulaire autour d'un noyau central auquel elle est reliée par un fond et une partie de détection s'étendant en secteur annulaire dans le prolongement d'un secteur circulaire de ladite base et limitée par deux tranches longitudinales par rapport audit noyau central, une bobine électrique étant placée coaxialement dans la base autour du noyau central.

La partie de détection en secteur annulaire et le noyau central à ce niveau, représentent les deux pôles magnétiques opposés du capteur.

Selon une autre caractéristique secondaire de l'invention, le noyau central présente un méplat dans sensiblement le même plan que les tranches longitudinales de la partie de détection, donc à un niveau où il n'est pas entouré par la bobine.

La présente invention a pour objet également un dispositif de détection de déplacements, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce subissant les déplacements à détecter par rapport à un support fixe, munie à son pourtour d'une denture composée d'une succession régulière de pas formés par une dent et un creux et, au moins, un capteur selon l'invention monté sur ledit support fixe de sorte que les dents, lors du déplacement de la pièce, défilent devant ladite partie de détection du capteur en frôlant au moins une tranche longitudinale du capteur et le noyau central.

Selon un mode de réalisation préféré, la pièce subissant les déplacements est une roue au moins partiellement à contour circulaire, dont on désire mesurer les déplacements angulaires, ladite route étant solidaire en rotation d'un axe traversant le support fixe, par rapport auquel on mesure les déplacements angulaires.

Selon une caractéristique secondaire de l'invention, le dispositif comporte des moyens de traitement électronique qui expriment le déplacement angulaire à détecter en fonction des variations de réluctance à l'intérieur du-capteur inductif impliquant des variations d'un courant d'alimentation circulant dans la bobine.

Selon une autre caractéristique secondaire de l'invention, le dispositif comporte une tête de lecture composée de deux capteurs décalés d'un demi-pas vis-àvis de la denture, de manière a ce que lorsque les dents de la roue sont face aux tranches longitudinales d'un premier capteur, les tranches longitudinales d'un deuxième capteur sont face aux creux de la roue. Les moyens électroniques associés à une telle tête sont alors avantageusement conçus pour combiner les signaux déphasés des deux capteurs dans un signal de résolution doublée.

On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre d'exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les dessins annexés, dans lesquels
- La figure 1 représente le dispositif de détection de déplacements angulaires
- La figure 2 représente le positionnement des capteurs par rapport à la roue dentée
- La figure 3 représente une vue en perspective d'un capteur inductif
- La figure 4 représente le dispositif de traitement électronique des signaux obtenus par les deux capteurs.

Dans toute la description qui va suivre, on parlera de détection de déplacements angulaires d'une roue dentée, mais le système pourra très facilement s'adapter aux déplacements d'une pièce quelconque munie d'une denture se déplaçant à proximité de capteurs tels que décrits ultérieurement. L'invention s'appliquera aussi notamment dans le cas de mouvements rectilignes en aller et retour.

Sur la figure 1 on a représenté le dispositif de détection de déplacements angulaires, qui comporte une roue 2 solidaire d'un axe 5 dont on désire mesurer le déplacement angulaire. L'axe est monté mobile en rotation à travers un support fixe 3 sur lequel sont fixés des capteurs 1 de détection de déplacements angulaires du type à induction selon l'invention. L'axe 5 supporte la roue 2 qui peut avoir la forme d'un disque ou seulement d'un secteur de disque. Dans la réalisation préférentielle décrite, cette roue 2 a un pourtour circulaire et elle est munie d'une denture 4 composée d'une succession régulière de pas formés par une dent 4A et un creux 4B.Dans la réalisation particulière décrite de cette denture 14, les creux 4B et les dents 14A ont une largeur identique, un demi-pas de la denture 4 correspondant donc à la dimension d'un creux 4B ou d'une dent 4B. Chaque capteur 1 est muni d'une bobine d'induction électro-magnétique qui sera sensible à la variation de réluctance à l'intérieur de ce capteur 1 due au passage des dents 4A de la roue en position de couplage magnétique avec le capteur.

La figure 3 montre la réalisation d'un capteur 1 qui sera placé sur le support 3 du dispositif. Ce capteur comporte, en armature magnétique, un corps réalisé dans un matériau possédant des propriétés ferro-magnétiques. Une partie de ce corps forme une base 13 tubulaire, ici, de section circulaire. Cette base 13 est prolongée sur l'une de ses extrémités par une partie de détection 14, ayant en section une forme de secteur annulaire et limitée par deux tranches longitudinales 17 et 18, parallèles à l'axe de la base. Cette partie de détection s'étend sur un secteur d'angle entre deux tranches 17 et 18 qui se situent sensiblement dans un même plan, ici selon un diamètre du capteur, à la réserve près de la courbure de la roue 2.

Ainsi, la partie de détection 14 sera constituée par un secteur annulaire de tube ayant une ouverture selon sa direction longitudinale. Dans un mode de réalisation préféré, ce secteur annulaire sera d'angle légèrement supérieur à 180 degrés, correspondant à une moitié de tube coupé sur son diamètre. Ce capteur 1 dans son ensemble, se présente donc sous une forme cylindrique avec une encoche à une de ses extrémités permettant au pourtour de la roue dentée de venir se déplacer dans cette encoche ce qui place le corps du capteur en position de couplage magnétique avec la denture 4 au niveau de la partie de détection 14, sur ses deux tranches 17 et 18.

Le capteur 1 comporte également, à l'intérieur de sa base 13, une bobine électrique 16, placée coaxialement par rapport à cette base. Au centre de cette bobine, un noyau central 15 de même nature que le corps extérieur est réalisé d'une seule pièce avec la base 13 par l'intermédiaire d'un fond 9. Il a une forme cylindrique pleine dans la base, alors qu'il présente un méplat 15A dans la partie de détection. Ce méplat 15A est réalisé de manière à ce qu'il soit sensiblement dans le même plan que les deux tranches longitudinales 17 et 18, plus exactement sur le même arc de cercle le long de la périphérie de la roue 2. L'écart entre le méplat 15A du noyau central et les tranches longitudinales 17, 18 du capteur est tel, qu'à un moment ponctuel de la rotation, trois dents successives seront radialement face aux deux tranches longitudinales et au méplat 15A du noyau central.

Le capteur 1 se place donc sur le support 3 (figure 1) de manière à ce que la roue dentée tourne dans l'encoche de la partie de détection 14. En fonc tionnement, la bobine est alimentée par n générateur de tension alternative. Le circuit magnétique associé comporte le noyau central pour un pôle et le secteur annulaire comme pôle opposé. Il est fermé par le fond 9 et par la roue 2. Le passage devant la partie de détection des dents puis des creux à la périphérie de la roue provoque une variation de réluctance à l'intérieur de ce capteur, qui se traduit par une modulation du courant passant dans la bobine. La présence des deux tranches du secteur annulaire en pôles opposés au noyau 15 permet d'accroître la variation de réluctance à l'intérieur du capteur.

Dans le mode de réalisation préféré de l'invention, le support 3 étant horizontal, l'axe de la roue est vertical et la roue est perpendiculaire à l'axe du capteur inductif; le capteur inductif et l'axe de rotation de la roue sont parallèles.

Un dispositif de détection comportant une roue dentée et un capteur, comme décrit ci-dessus, permet de constater aux bornes de la bobine d'induction des variations de courant qui, après démodulation du signal recueilli, donnent un train d'impulsions traduisant le défilement des dents de la denture de la roue devant ie capteur lors de sa rotation.

Une première- amélioration du dispositif consiste à utiliser un deuxième capteur (non représenté), en quelque sorte passif, en combinaison avec le capteur dit actif ci-dessus. Les deux capteurs sont assemblés en un capteur double, les regroupant tête-bêche, selon une disposition symétrique, mais la deuxième bobine est associée au support fixe 3 ou à une platine solidaire du corps du capteur contre le support 3. La réluctance à ce niveau sera donc constante, ce qui permet, par un montage en différentiel, d'associer la variation de réluctance de la partie active avec la réluctance fixe du second capteur pour obtenir, après démodulation, un signal de mesure pouvant présenter, du moins théoriquement, une profondeur de modulation de cent pour cent.

Cependant, pour un grand nombre de petites dents, l'amplitude de ce signal recueilli reste faible.

Une autre amélioration du dispositif (figure 2)est d'associer des capteurs inductifs selon l'invention placés à des positions bien particulières sur le support. A un capteur 11, placé comme précédemment décrit par rapport à la roue dentée, est associé un deuxième capteur 12, lui aussi placé dans les mêmes conditions ; ces deux capteurs sont placés radialement tangentiellement à la roue, mais de manière à avoir un décalage d'un demi-pas, c'est-à-dire, d'une dent. En effet, lorsque le premier capteur inductif 11 présentera trois dents 14A successives en vis-à-vis des deux tranches 17, 18 de la partie d'induction en secteur annulaire et du noyau central 15, le deuxième capteur 12 aura, lui, les deux tranches de sa partie d'induction en secteur annulaire et son noyau central face à trois creux successifs de la roue.Des variations de réluctance du capteur inductif 11 et du capteur inductif 12, seront alors en opposition de phase. Les variations de courant à l'intérieur des bobines associées à ces deux capteurs seront ainsi, elles aussi, en opposition de phase, et un montage en différentiel pourra permettre de combiner les deux signaux correspondants pour obtenir une profondeur de modulation maximale. On augmentera donc la sensibilité de la lecture en utilisant le signal de traitement différentiel.

Dans une tête de lecture 10, constituée par les capteurs inductifs 11 et 12, placés sur le pourtour de la roue dentée, avec un demi-pas de décalage, l'association de ces deux capteurs permet d'obtenir des résultats considérablement améliorés, essentiellement vis-à-vis de la fiabilité, en liaison avec un dispositif particulier de traitement électronique des variations des courants circulant dans les bobines des deux capteurs tel que décrit ci-après.

Ce dispositif de traitement électronique est alimenté par un oscillateur 30, stable en tension et en fréquence, suivi d'un amplificateur 31, qui délivre le courant nécessaire à l'excitation des bobines. On a représenté sur le schéma les bobines des deux capteurs inductifs par les enroulements 28 et 29. Ces enroulements des deux bobines, sont alimentés en série sur l'une des dérivations d'un pont Wheatstone dont l'autre dérivation comporte des résistances fixes 39 et 140. Un signal prélevé entre les deux dérivations aux bornes du pont de
Wheastone, est envoyé à un amplificateur différentiel 32. On obtient alors un signal modulé avec une profondeur de modulation de pratiquement cent pour cent.La tension obtenue à la sortie de l'amplificateur différentiel 32 est amplifiée à travers un filtre passe bande 33, de manière à obtenir une bonne réjection aux signaux parasites existant dans ce dispositif électronique. A la sortie de ce filtre 33 le signal est introduit dans un démodulateur synchrone 34 auquel on amène un signal provenant de l'oscillateur 30 dont on adapte la phase par l'intermédiaire d'un déphaseur 34 et que l'on met en forme par un filtre 38. A la sortie du modulateur synchrone 34, le signal présente des impulsions au rythme du défilement des dents successives devant un capteur. Les parasites sont pratiquement inexistants puisque ces parasites, nécessairement d'une autre nature que la porteuse, prennent une valeur moyenne nulle à la sortie de ce démodulateur. On utilise ensuite les filtres 35 et 36 de manière à obtenir des signaux de détection de déplacements angulaires compatibles avec des circuits électroniques actuellement utilisés. Des moyens de comptage des impulsions, non représentés, expriment la valeur des déplacements.

Ce dispositif électronique permet donc d'obtenir dans le signal de porteuse final un train d'impulsions indiquant les déplacements angulaires de la roue. Chacune des impulsions successives correspond alternativement à un passage d'une denture devant le premier capteur inductif, et devant le deuxième capteur inductif, décalé d'un demi-pas sur la périodicité des dents de la roue.

Une réalisation préférée du dispositif est d'associer à une tête de lecture 10 une deuxième tête de lecture 20, décalée par rapport à cette première tête de lecture 10 d'un quart de pas de la denture de la roue.

Le dispositif de traitement électronique permet alors d'obtenir un premier signal d'impulsions à partir de la première tête de lecture 10 et un deuxième signal d'impulsions à partir de la deuxième tête de lecture 20.

L'association de ces deux têtes de lecture permet d'obtenir une meilleure résolution du signal mais, également, par l'observation du décalage des impulsions à la sortie des dispositifs de traitement électronique des deux têtes, de connaître le sens de rotation de la roue, suivant le sens du déphasage. La combinaison logique des deux signaux décalés d'un quart de pas donne le sens de rotation.

Le dispositif de détection de déplacements angulaires selon l'invention est intéressant dans bons nombres d'automatismes en environnement particulièrement difficile. C'est le cas de robots de manutention, de dispositifs de positionnement, de ponts roulants automatiques, aussi bien dans l'industrie que dans les centrales nucléaires ou les unités de retraitement de combustibles radioactifs.

La détection assurée tangentiellement à la roue permet une meilleure efficacité des lectures, alors que la réalisation mécanique des capteurs est remarquablement simple, car toutes les pièces sont de révolution et la bobine se réduit à un simple enroulement cylindrique.

Après son moulage, un capteur constitue un bloc parfaitement rigide.

Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1. Capteur à induction, caractérisé en ce qu'il comporte un corps (1) à propriétés ferro-magnétiques, présentant une base (13) ayant une forme tubulaire autour d'un noyau central (15) auquel elle est reliée par un fond (9) et une partie de détection (114) s'étendant en secteur annulaire dans le prolongement d'un secteur de ladite base et limitée par deux tranches longitudinales (17, 18) parallèles audit noyau central, une bobine électrique (16) étant placée coaxialement dans la base autour du noyau central (15).

2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le noyau central présente un méplat (15 A) dans sensiblement un même plan que les tranches longitudinales (17, 18) de la partie de détection (13) en dehors de ladite base.

3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est de forme cylindrique.

14. Dispositif de détection de déplacements comportant au moins un capteur selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce (2) subissant les déplacements à détecter par rapport à un support fixe (3), ladite pièce étant munie d'une denture composée d'une succession régulière de pas formés par une dent et un support fixe, de sorte que les dents, lors du déplacement de la pièce, défilent devant ladite partie de détection du capteur en frôlant au moins l'une des tranches longitudinales du capteur et le noyau central.

5. Dispositif de détection selon la revendication 14, caractérisé en ce que la pièce subissant les déplacements est une roue (2) au moins partiellement à contour circulaire, munie de ladite denture à son pourtour, ladite roue étant solidaire en rotation d'un axe traversant le support fixe.

6. Dispositif de détection selon la revendication 14, caractérisé en ce que le capteur (1) est placé parallèlement à l'axe de rotation (5) de la roue (2), les tranches longitudinales (17, 18) et le noyau central étant pratiquement tangents à la périphérie de la roue (2).

7. Dispositif de détection selon la revendication 6, caractérisé en ce que la distance entre les deux tranches longitudinales du capteur correspond pratiquement à deux pas de la denture.

8. Dispositif de détection selon la revendication 7, caractérisé en ce que la largeur des dents est pratiquement égale à celle des tranches longitudinales du capteur et du noyau central.

9. Dispositif de détection selon la revendication 8, caractérisé en ce que le positionnement du noyau central par rapport aux tranches longitudinales correspond à l'écart entre trois dents successives.

10. Dispositif de détection selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'alimentation de la bobine et des moyens de traitement électronique qui expriment le déplacement angulaire à détecter en fonction des variations de réluctance à l'intérieur du capteur, tendant à imprimer des variations à l'alimentation de la bobine.

11. Dispositif de détection selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une tête de lecture (10, 20) composée de deux capteurs (11, 12) (21, 22) décalés d'un demi-pas vis-à-vis de la denture, de manière à ce que lorsque les dents (4) de la roue (2) sont face aux tranches longitudinales (17, 18) d'un premier capteur (11), les tranches longitudinales (17,18) d'un deuxième capteur (12) sont face aux creux de la roue (2).

12. Dispositif de détection selon la revendication 11, caractérisé en ce que le dispositif de traitement électronique comporte un pont de Wheatstone incorporant les bobines (9,30) du premier et deuxième capteur et deux résistances (39, 40), un amplificateur différentiel (32) branché aux bornes du pont de

Wheatstone pour fournir un signal avec une profondeur de modulation de pratiquement cent pour cent, un démodulateur (34), des moyens électroniques d'élimination de parasites (33, 34) (37, 38) et des filtres (35, 36) délivrant après mise en forme un signal d'impulsions correspondant au défilement des dents successives, et des moyens de comptage desdites impulsions.

13. Dispositif de détection selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte deux têtes de lecture décalées l'une de l'autre d'un quart de pas de la denture et des moyens pour déterminer le sens de rotation d'après le décalage des impulsions délivrées par les dispositifs de traitement électronique des deux têtes.