FR2634885A1 - Capteur capacitif d'angle de torsion et appareil de mesure de couple muni d'un tel capteur - Google Patents

Abstract

Le capteur suivant l'invention comprend un manchon 1 qui est solidaire, par ses extrémités, d'un arbre d'entrée 3 et d'un arbre de sortie 4 transmettant un couple. Des éléments de support d'électrodes 7 et 8 sont solidaires du manchon, par deux bases 9 et 11 respectivement, espacées l'une de l'autre. Des faces 13, 14 et 15, 16 de ces éléments constituent des supports d'électrodes pour deux condensateurs dont les espaces interélectrodes varient en sens inverses quand un couple transmis applique une torsion au manchon 1. Les variations des capacités des condensateurs sont mesurées par des moyens électroniques portés par une plaquette 33 intérieure au manchon du capteur. Un transformateur tournant 35, 36 assure l'alimentation des moyens électroniques et le transfert des signaux de sortie de ces moyens vers un dispositif d'exploitation extérieur au capteur. Application à la mesure du couple transmis par un arbre de moteur d'hélicoptère.

Description

CAPTEUR CAPACITIF D'ANGLE DE TORSION ET APPAREIL

DE MESURE DE COUPLE MUNI D'UN TEL CAPTEUR

La présente invention est relative & un capteur capacitif d'angle de torsion et à un appareil de mesure de couple muni d'un tel capteur. Plus particulièrement, la présente invention est relative & un tel capteur et &

un tel appareil conçus pour assurer une surveillance con-

tinue du couple transmis par un arbre moteur dont le cap-

teur fait partie intégrante.

La mesure du couple transmis par un arbre moteur permet de déterminer la puissance mécanique transmise par cet arbre lorsqu'on connait la vitesse de rotation de celui-ci. De nombreux appareils ont été conçus pour assurer la mesure d'un couple. Ces appareils font appel &

des capteurs très variés, piézoélectriques, magnêtostric-

tifs, inductifs, optiques, magnétiques, & jauges extenso-

métriques, capacitifs, etc. On connatt, par exemple, du brevet européen No. 108.894 un détecteur capacitif d'un couple de torsion du

type qui comprend un arbre de torsion, des plaques de con-

densateur fixées à cet arbre dans deux plans transversaux

de celui-ci et & distance l'un de l'autre, lesdites pla-

ques étant disposées dans des plans symétriques par rap-

port & l'axe longitudinal de l'arbre, & une distance l'une

de l'autre qui est variable proportionnellement & la tor-

sion,, le couple étant mesuré par une évaluation des varia-

- 25 tions de la capacité qui en résulte.

Le détecteur décrit & ce document comprend en tant qu'arbre de torsion un tube de torsion & l'intérieur duquel est disposée une plaque de condensateur qui est fixée à l'un de deux flasques formés aux deux extrémités du tube de torsion. Celui-ci contient en outre au moins mune deuxième plaque fixée à l'autre flasque, parallèlement A la plaque de condensateur, cette deuxième plaque portant de part et d'autre d'une médiane qui s'étend parallèlement a l'axe du tube de torsion, deux revêtements conducteurs 3, formant électrodes de condensateur, sur son coté tourné

vers la plaque de condensateur.

- 2 - Le détecteur décrit est incorporé & un tournevis limiteur de couple de serrage. Dans cette application le tube de torsion est fixé sur un moteur pneumatique lui-même monté fixe sur le carter du tournevis. Du fait de cette fixité la connexion électrique des électrodes & un dispositif extérieur de mesure des capacités de ces condensateurs ne pose pas de difficulté particulière et s'opère simplement & l'aide de conducteurs électriques qui passent dans une base du détecteur. Il est clair que ce détecteur n'est pas adapté & être incorporé & un arbre tournant. Les différents procédés de mesure énumérés ou décrits ci-dessus s'avèrent mal adaptés & la mesure des couples développés par des moteurs utilisés par exemple en

aéronautique, en particulier des moteurs d'hélicoptères.

En effet ces procédés supportent mal les conditions d'environnement difficiles que l'on rencontre alors: - arbre moteur situé dans un carter rempli d'huile pour le refroidissement et le graissage du moteur, niveaux de température et de vibration élevés,

- vitesse de rotation élevée.

Outre ces conditions d'environnement difficiles, des difficultés proviennent également du fait que l'on ne dispose que d'un espace limité pour installer alors un capteur de couple et en ce que l'on exige une grande précision des mesures. En effet, le couple délivré par un moteur d'hélicoptère est un paramètre de pilotage essentiel. La surveillance de l'évolution dans le temps du

couple fourni par le moteur permet de connaître son vieil-

lissement et de déclencher des opérations de maintenance et, dans le cas des hélicoptères bi-moteur, il y a lieu d'assurer un équilibrage du couple délivré par les deux moteurs. Actuellement, lorsque qu'on utilise dans cette application un appareil de mesure utilisant un capteur magnétique de proximité & roues dentées, on observe que la précision de la mesure reste limitée par le fait que les signaux délivrés par le capteur magnétique présentent une faible variation relative avec le couple transmis d'une part et dépendent des variations d'entrefer entre la roue et le capteur et de la vitesse de rotation de l'arbre

d'autre part.

Lorsqu'on utilise un appareil de mesure de couple A capteur sensible & la pression d'un circuit hydraulique dont le couple module la section d'un orifice de fuite, la précision est limitée par celle du capteur de pression et

par la qualité de réalisation du circuit hydraulique asso-

cié.

Lorsqu'on utilise un appareil de mesure & jauges extensométriques, on se heurte aux inconvénients habituels des ponts de jauge de contrainte qui délivrent des signaux

de bas niveaux et qui sont délicats & compenser en tempé-

rature.

Si l'on souhaite enfin incorporer le capteur & l'arbre dont il doit surveiller le couple transmis, il n'est pas possible d'utiliser un détecteur capacitif du type décrit dans le brevet européen précité du fait que

-20 celui-ci n'est pas adapté à être monté sur un arbre tour-

nant. La présente invention a donc pour but de réaliser un capteur pour la mesure d'un couple transmis par un arbre moteur, qui ne présente pas les inconvénients ou insuffisances mentionnés ci-dessus et qui permet notamment

d'obtenir des mesures de couple de précision améliorées.

La présente invention a aussi pour but de réaliser

un tel capteur plus particulièrement destiné & être incor-

poré & un arbre de moteur utilise en aéronautique, en

particulier & un arbre de moteur d'hélicoptère.

La présente invention a encore pour but de réaliser

un appareil de mesure de couple muni d'un tel capteur.

On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite, avec un capteur capacitif d'angle de torsion, pour la mesure d'un couple

transmis par un arbre moteur, comprenant un manchon pré-

sentant un axe de révolution, au moins des première et deuxième électrodes solidaires d'une première et d'une -4 - deuxième bases du manchon, respectivement, et s'étendant

parallèlement & l'axe du manchon pour constituer un con-

densateur électrique dont la capacité varie avec la tor-

sion axiale du manchon, caractérisé en ce que le manchon comprend des premier et deuxième moyens d'accouplement

conçus pour accoupler des premier et deuxième arbres coa-

xiaux et alignés, pour tourner avec ces arbres en trans-

mettant de l'un à l'autre un couple à mesurer, le capteur comprenant en outre des moyens électroniques connectés au condensateur et sensibles à la capacité de celui-ci pour former un signal propre & atteindre le couple transmis, et des moyens électromagnétiques d'interface présentant une

première partie solidaire du manchon et une deuxième par-

tie solidaire d'un bâti dans lequel tournent les arbres et le manchon pour transmettre sans contact ledit signal à un

dispositif d'exploitation extérieur au capteur.

Suivant un mode de réalisation de l'invention, le capteur comprend au moins deux paires d'électrodes définissant deux condensateurs dont les capacités varient en sens inverse lorsqu'un couple de torsion est appliqué

entre les bases du manchon.

Suivant une mise en oeuvre du capteur suivant

l'invention, celui-ci comprend un premier élément de sup-

port en forme de coquille cylindrique coaxiale au manchon et solidaire de la première base de ce manchon, cet élément présentant une fente axiale dont les bords définissent deux électrodes, un deuxième élément de support solidaire de la deuxième base du manchon et portant deux autres électrodes axiales qui s'étendent chacune dans cette fente en regard d'une des électrodes définies sur la coquille cylindrique pour constituer ainsi deux condensateurs formés chacun de deux électrodes solidaires chacune d'un des

deux éléments.

Une électrode du capteur peut être connectée à la

masse mécanique de celui-ci ou bien isolée de cette masse.

Une électrode isolée est constituée par une couche con-

ductrice d'électricité déposée sur une couche isolante débordant des limites de la couche conductrice, la couche -5- isolante étant elle-même déposée sur une deuxième couche conductrice formée sur une plaque isolante fixée sur un des éléments du support, réalisé en un matériau conducteur d'électricité, la deuxième couche condutrice débordant de la couche isolante, les trois couches constituant une

capacité d'isolement de l'électrode.

L'appareil de mesure de couple muni du capteur suivant:l'invention comprend un dispositif électronique de traitement incorporant les moyens électroniques sensibles

aux capacités du ou des condensateurs pour fournir un si-

gnal.représentatif du couple transmis par le manchon du capteur, & partir des signaux fournis par ces moyens électroniques.

Suivant un premier mode de réalisation de l'appa-

13 reil suivant l'invention, celui-ci fournit des trains d'impulsions codés traités par des moyens de mesure qui tirent de la longueur de ces trains d'impulsions codés un

signal mesurant le couple transmis & surveiller.

Suivant un deuxième mode de réalisation de l'appa-

reil suivant l'invention, celui-ci fournit un signal dont on mesure le rapport cyclique pour en déduire le couple

transmis & surveiller.

- Suivant un troisième mode de réalisation de l'appareil suivant l'invention, celui-ci fournit un signal 23 dont la fréquence est traitée par des moyens de mesure qui en tirent un signal représentatif du couple transmis & surveiller. Aux dessins annexés, donnés seulement & titre

d'exemple:

La figure 1 est une vue perspective schématique d'un premier mode de réalisation du capteur capacitif suivant la présente invention, la figure 2 est une vue perspective schématique d'un deuxième mode de réalisation du capteur capacitif 33 suivant l'invention, les figures 3A et 3B illustrent, en coupe et en élévation, respectivement, un mode de réalisation d'une électrode de condensateur du capteur suivant l'invention, - 6 - et

la figure 4 représente schématiquement un disposi-

tif électronique de traitement incorporé à un appareil de mesure de couple muni du capteur suivant la présente invention. On se réfère & la figure 1 o il apparatt que

le capteur suivant l'invention comprend un manchon 1 cy-

lindrique de révolution d'axe 2. Le manchon est monté entre des premier et deuxième arbres 3 et 4 coaxiaux et alignés sur l'axe 2. Le premier arbre 3 est fixé sur une base 5 du manchon et le deuxième arbre 4 est fixé sur une base 6 opposée du même manchon par tout moyen

d'accouplement connu, clavetage, cannelures, etc, repré-

senté schématiquement en 3', 4' respectivement. Chacune des bases du manchon est renforcée par un épaulement qui accro t la rigidité du manchon au niveau de ses bases, de manière que la raideur en torsion de ces épaulements soit très supérieure & celle du manchon entre ses bases. On

peut alors considérer que les bases du manchon sont prati-

quement indéformables.

A la figure 1 un arrachement partiel fait appa-

rattre la partie du capteur suivant l'invention qui est

intérieure au manchon. Dans le volume cylindrique inté-

rieur à ce manchon sont logés deux éléments de support d'électrodes 7 et 8. L'élément de support 7 est constitué d'une plaque de base circulaire 9 transversale à l'axe 2 et solidarisée au manchon au niveau de la base 6, cette

plaque 9 supportant une coquille cylindrique 10 de révolu-

tion coaxiale au manchon. Cette coquille cylindrique pré-

sente un rayon intérieur rl et un rayon extérieur r2, ce

dernier étant lui-même inférieur au rayon du volume cy-

lindrique intérieur au manchon de manière que la coquille

reste écartée de la paroi intérieure du manchon. La lon-

gueur de la coquille cylindrique, parallèlement à l'axe 2 est elle-même inférieure & la longueur L qui sépare les deux bases du manchon de manière que l'extrémité de cette coquille qui est voisine de l'autre base 5 du manchon soit

écartée axialement de cette base.

7 - La coquille 10 est fendue axialement suivant deux

plans inclinés l'un sur l'autre et passant par l'axe 2.

Cette fente délimite un espace pour un deuxième élément de support 8 comprenant une plaque circulaire 11 transversale & l'axe 2 et fixée au manchon au niveau de sa base 5,

une pièce axiale 12 débordant de cette plaque 11 de maniè-

re & passer dans la fente de la coquille 10 -de l'autre élément de support 7. La pièce 12 présente deux faces axiales dans des plans passant par l'axe 2, l'ouverture de ces deux plans étant inférieure & celle de la fente de la coquille 7. La pièce 12 est également délimitée par deux autres surfaces cylindriques d'axe 2 et présentant respectivement un rayon intérieur rl et un rayon extérieur r2 qui sont égaux & ceux de la coquille 10. La longueur }.axiale de la pièce 12 est inférieure & la longueur L du manchon, comme c'est le cas de la longueur axiale de la

coquille 10. Ainsi 1'extrémité libre de la pièce 12 reste-

t-elle écartée de la plaque circulaire 9 qui constitue l'embase de la coquille 10, de meme que l'extrémité libre de cette coquille 10 reste écartée de la plaque circulaire

11 qui constitue l'embase de la pièce 12.

Lorsqu'un couple-moteur est appliqué au premier

arbre 3, ce couple est transmis par le manchon 1 au deu-

xième arbre 4. Ainsi, suivant l'invention le manchon 1 du 23 capteur tourne avec les deux arbres, & la même vitesse angulaire que ceux-ci. Le diamètre extérieur du manchon est tèl que le capteur s'intègre & la ligne d'arbres qui

transmet le couple-moteur. Le manchon est conçu pour pré-

senter une section transversale plus faible que celle des arbres 3 et 4 transmettant le couple-moteur. En outre le matériau constituant ce manchon 1 est choisi pour que, sous l'influence du couple-moteur transmis de l'arbre 3 &

l'arbre 4, celui-ci subisse une torsion significative au-

tour de l'axe 2, alors même que ses bases 5 et 6 ne subis-

sent aucune déformation lors de la transmission de ce

couple-moteur, grâce & l'épaississement du manchon au ni-

veau de ses bases, dé aux épaulements formés sur celles-ci.

Le couple de torsion alors appliqué au manchon va provo-

quer une rotation, repérée par un angle, des deux élé--

ments de supports l'un par rapport & l'autre.

La fente de la coquille 10 est délimitée par deux surfaces radiales 13 et 16 alors que la pièce 12 présente en regard de ces faces 13 et 16 des faces 14 et 15, respec- tivement. Quand la torsion du manchon 1 sous l'effet du couple-moteur transmis provoque un déplacement relatif des éléments de support 7 et 8, il est clair que les écarts angulaires des faces 13 et 14 d'une part, 15 et 16 d'autre part, varient, les variations étant de sens inverse. Pour détecter ces variations, et par là capter l'angle de la torsion subie par le manchon sous l'effet du couple-moteur, pour accéder finalement à une mesure de ce couple, on

dispose sur les faces 13, 14, 15 et 16 des électrodes rec-

tangulaires de manière à constituer des premier et deuxiè-

me condensateurs C1 et C2, constitués respectivement par les électrodes disposées sur les faces 13 et 14 d'une part, 15 et 16 d'autre part. On sait que la capacité d'un condensateur varie avec l'espacement des électrodes qui le

constituent. Les variations des capacités des deux conden-

sateurs ainsi constituées permettent ainsi d'atteindre l'angle de torsion du manchon et, par la, une mesure du

couple transmis par ce manchon.

On démontre que les capacités C1 et C2 des deux condensateurs ainsi constitués sont reliées à l'angle de la torsion subie par le manchon, par les relations: CZ-C4 _. + _: +4o c',ct 'c e..el e.e a et b étant des constantes,

e. et 9: étant les écarts angulaires des élec-

trodes des premier et deuxième condensateurs Cl et C2 res-

pectivement, en l'absence de couple de torsion.

Ayant mesuré & l'aide de cette relation on remonte au couple M transmis, par la relation: I ML GIo -9- ou: E = module d'Young du matériau constituant le manchon, d = coefficient de Poisson du matériau constituant le manchon, Io = moment d'inertie polaire de la partie du manchon comprise entre ses bases, = angle de torsion du manchon entre ses bases, et Il est clair alors que le rapport C2-Cl est une C2+Cl fonction linéaire de l'angle de torsion " et, par suite,

du couple transmis. Une mesure du rapport C2/Cl des capa-

cités permet de calculer C2-Cl. En effet: C2 -Ci CtIC] --A

C4C C .C4 +4

Les dérives thermiques éventuelles de Cl et C2, dans la mesure o les deux condensateurs sont constitués

2 de façon identiques,.sont ainsi éliminées.

On se réfère aux figures 2 et 3 du dessin pour décrire l'organisation électrique du capteur suivant l'invention, mise en oeuvre dans un mode de réalisation

très voisin du premier.

Q Aux figures 1 & 3, la même référence numérique

désigne des éléments ou organes identiques ou similaires.

Suivant un premier mode de réal-sation des élec-

trodes du capteur suivant l'invention, une électrode de chacun des deux condensateurs Cl et C2 est reliée à la masse mécanique du capteur. Les éléments de supports de

ces électrodes et le manchon sont métalliques, donc con-

ducteurs, et matérialisent une première électrode, commu-

ne, de chacun des condensateurs Cl et C2. La seconde

- 10 -

électrode de chacun des condensateurs Cl et C2 devra donc

être isolée électriquement de la masse mécanique. Ces deu-

xièmes électrodes seront préférentiellement disposées tou-

tes deux sur l'un des deux éléments de supports 7, 8, de manière à simplifier le raccordement électrique à un dis-

positif électronique de mesure. Par exemple, en se réfé-

rant & la figure 1, la deuxième électrode du condensateur Cl sera disposée sur la face 13 de la coquille 10, et la deuxième électrode du condensateur C2 sera disposée sur la face 16 de cette même coquille. On a ainsi accès sur

le même élément de support 7, à toutes les électrodes iso-

lées des condensateurs Cl et C2.

A la figure 2, des traits interrompus délimitent les surfaces occupées par des électrodes isolées 20 et 21 sur les faces 13 et 16 de la coquille 10 de l'élément de support 7. A titre d'exemple, on a représenté aux figures

3A et 3B, en coupe et en élévation respectivement, l'élec-

trode 20 fixée sur la face 13 de la coquille 10 de l'élé-

ment de support 7.

A ces figures il apparait que l'électrode 20 com-

prend une plaquette 22 fixée par des vis 23 et 24 et des rondelles & ressorts 25 et 26 respectivement, sur la face 13 de la coquille 10. Les rondelles & ressorts 25 et 26 sont destinées à absorber les écarts de dilatation des

matériaux. Bien entendu d'autres moyens de fixation, col-

lage, brasure, etc, pourraient être utilisés pour fixer cette plaquette sur la face 13 de la coquille 10, dans la

mesure oQ ils sont compatibles avec les matériaux consti-

tuant la plaquette et la coquille. La plaquette 22 est réalisée en un matériau électriquement isolant telle qu'une céramique par exemple. Sur la face de la plaquette 22 qui n'est pas en cortact avec la face 13 de la coquille, on a déposé successivement, par un procédé sérigraphique

par exemple:

- une première couche 27 conductrice qui couvre la majeure partie de la plaquette isolante, en laissant dégagés des espaces nécessaires à sa fixation. Cette couche conductrice 27 assure une double fonction, d'anneau de

- 1l -

garde et d'écran comme on le verra plus loin, - une deuxième couche 28 isolante, cette couche

recouvrant la quasi-totalité de la couche 27 en ne lais-

sant dégagée qu'une zone de cette couche destinée & assu-

rerjeon raccordement électrique a un dispositif électroni-

que de mesure, - une troisième couche 29 conductrice déposée

sur la couche 28. Cette troisième couche constitue la deu-

xième électrode du condensateur Cl. Le contour de cette couche est intégralement intérieur au contour de la couche isolante 28 et cette couche est donc complètement isolée de la première couche 27 conductrice. En outre, le contour de la couche 29 est également intégralement intérieur

au contour de la première couche 27.

Il est clair que la deuxième électrode 29 du con-

densateur C1 ne présente alors de capacité avec la masse mécanique que par la face 14 de la pièce 12 sans présenter de capacité avec la face 13 de la coquille 10, grâce au rôle d'écran joué par la couche conductrice 27. En outre, la périphérie de cette couche entourant totalement la deuxième électrode du condensateur C1 cette deuxième

électrode est bien protégée par un anneau de garde.

La deuxième électrode du condensateur C2 est réa-

lisée de la même manière. La couche 29 constituant la

-25 deuxième électrode du condensateur Cl est reliée électri-

quement & un dispositif électronique de mesure par l'intermédiaire de l'âme 30 d'un conducteur blindé dont le blindage est connecté & la couche 29 constituant l'anneau de garde. Le blindage du conducteur blindé 30, 31 est isolé de la masse mécanique. Les contacts sont assurés au moyen de collages conducteurs ou par tout autre moyen convenable tel qu'une soudure. Des trous sont ménagés dans la plaque 9 constituant l'embase de l'élément de

support 7, pour le passage du conducteur blindé.

Le capteur suivant l'invention est conçu pour détecter un angle de torsion db à un couple appliqué à son manchon. Il fonctionne en transducteur et est conçu pour alimenter un appareil électronique conçu pour tirer

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une mesure du couple de torsion à partir de signaux élec-

triques modulés par les variations des capacités des con-

densateurs du capteur, qui résultent de la torsion détec-

tée. On décrira maintenant l'appareil de mesure de couple associé au capteur suivant l'invention, en liaison

avec les figures 2 et 4. Cet appareil comprend essentiel-

lement un dispositif électronique de traitement de signal

incorporant des moyens électroniques sensibles aux capaci-

tés des condensateurs du capteur, pour fournir un signal représentatif du couple transmis par le manchon du capteur

à partir des signaux fournis par ces moyens électroniques.

A la figure 2 il apparalt que la plaque 9 de l'élément de support 7 supporte, par l'intermédiaire d'au moins une colonnette 32, une plaquette électronique 33 fixée sur cette colonnette par une vis 34. La plaquette supporte tout ou partie des composants du dispositif

électronique de traitement, qui est connecté aux condensa-

teurs Cl et C2 par des cables blindés 30, 31 et 30', 31', respectivement, et à la masse mécanique du capteur. Il apparatt ainsi que le capteur suivant l'invention assure,

grâce au manchon 1 qui enveloppe complètement les compo-

sants internes au capteur, une triple fonction de protec-

tion de ces éléments, de transmission d'un couple moteur, et de détection d'un angle de torsion de ce manchon qui est lui-même fonction de ce couple. On notera à cet égard que le manchon du capteur décrit au brevet européen précité n'assure pas cette fonction de transmission d'un couple moteur, fonction qui est particulièrement avantageuse en ce sens qu'elle autorise l'intégration du capteur à

l'arbre moteur surveillé.

Le circuit monté sur la plaquette 33 peut fournir un signal représentatif du couple supporté par le capteur ou un signal nécessaire & l'élaboration, à l'extérieur du capteur et par d'autres dispositifs électroniques, d'un tel signal. Il faut, dans tous les cas, faire sortir

du capteur le signal électrique élaboré sur la plaquette.

Le capteur tournant avec l'arbre moteur, il s'avère avan-

- 13 -

tageux lorsque l'arbre tourne à grande vitesse, de dispo-

ser pour transférer ce signal, de moyens électromagnétiques

d'interface dans lesquels ne se développe aucun frotte-

ment mécanique.

Comme représenté à la figure 2, on peut utiliser à cet effet un couplage par transformateur tournant 35, 36 pour transférer le signal hors du capteur. Dans ce cas, le transformateur comprend un rotor 35 fixé sur le manchon tournant 1 et un stator 36 fixe par rapport au bâti et entourant le rotor. La sortie du circuit implanté sur la plaquette 33 est connectée au bobinage 37 du rotor par des conducteurs de sortie 38, 39. Le signal induit dans le

bobinage 40 du stator alimente un dispositif d'exploita-

tion extérieur (non représenté) par l'intermédiaire des

conducteurs de sortie 41, 42 connectés & ce bobinage.

Suivant la présente invention, le transformateur tournant 35, 36 assure une double fonction: - une fonction de transmission d'une alimentation électrique & la plaquette électronique. Pour ce faire, le stator 36 est alimenté, grâce aux conducteurs 41, 42, par une source de tension alternative constituant le primaire

du transformateur. Le rotor 35 fournit une tension alter-

native au circuit monté sur la plaquette 33, par l'intermé-

daire des conducteurs 38 et 39. La plaquette électronique supporte d'une part des circuits de redressement, filtrage et régulation délivrant les tensions continues nécessaires au fonctionnement de circuits de mesure, et d'autre part les circuits de mesure proprement dit, que l'on décrira

dans la suite.

-. - une fonction de transmission du signal de sortie vers l'extérieur du transformateur tournant, au moyen des bobinages 37 et 40, le bobinage 37 jouant alors le rôle de

primaireet le bobinage 40 le rôle de secondaire. Les cir-

cuits sont réglés de manière que le signal de sortie, alternatif, présente une fréquence suffisamment distincte

de la fréquence de la tension d'alimentation du transfor-

mateur, pour que des circuits de filtrage appropriés per-

mettent de restituer séparément ces fréquences. Ainsi le

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transformateur tournant joue-t-il le rôle d'interface bi-

directionnelle, d'une part pour la tension d'alimentation

et, d'autre part, pour le signal de sortie du capteur.

En variante l'alimentation électrique de la pla-

quette électronique peut être assurée par un alternateur constitué d'un stator passif fixe et d'un rotor monté sur

l'arbre moteur pour tourner avec ce dernier.

On décrira maintenant dans la suite en plus de détail un mode de réalisation d'un dispositif électronique de traitement associé au capteur suivant l'invention pour permettre la formation d'un signal représentatif d'une

mesure du couple auquel est soumis le manchon de ce cap-

teur, cette description étant réalisée en liaison avec

l'examen du dispositif représenté à la figure 4.

Diverses capacités parasites sont susceptibles d'affecter la mesure de celles des condensateurs Cl et C2 du capteur suivant l'invention. Pour chaque électrode

isolée il y a une capacité parasite entre l'anneau de gar-

de de la couche 27 et la deuxième électrode du condensa-

teur et la capacité du c&ble blindé de raccordement de cette électrode et de cette couche au dispositif élec-

tronique de traitement. Il existe aussi une autre capacité parasite entre l'anneau de garde décrit ci-dessus et la masse mécanique du capteur. Il est clair que le procédé de mesure mis en oeuvre dans l'appareil de mesure suivant l'invention doit être tel que le résultat de la mesure

soit indépendant des valeurs de ces capacités parasites.

En outre les circuits de mesure ne devront pas comporter de capacités en parallèle sur les capacités C1 et/ou C2 du

capteur, pour éviter de fausser ainsi les mesures.

On se réfère & la figure 4 o il apparatt que le dispositif électronique de traitement représenté comprend

un oscillateur 50 comportant deux bornes 51, 52 entre les-

* quelles on peut connecter un condensateur. L'oscillateur

50 est tel que sa fréquence d'oscillation F est inverse-

ment proportionnelle à la valeur C de la capacité du con-

densateur connecté entre les bornes 51, 52 soit:

- 15 -

, K étant un coefficient indépendant de C.

On trouve dans le commerce des oscillateurs utili-

sables dans la présente invention. Ces oscillateurs com-

portent généralement un amplificateur intégrateur et une bascule de Schmidt réalisés à partir d'amplificateurs

opérationnels ou de circuits CMOS. Ces oscillateurs, sta-

bilisês par bouclage, sont utilisables avec les condensa-

I0 teurs Cl, C2 du capteur capacitif suivant l'invention

et sont immunisés contre les effets des capacités parasi-

tes mentionnées plus haut.

On revient au dispositif de traitement de la figure 4 o il1 apparatt que le point commun aux condensateurs

Clet C2 est connecté & la borne 51 de l'oscillateur 50.

Un commutateur analogique 53 connecte séquentiellement les deuximes électrodes des condensateurs C1, C2 & la borne 52 de l'oscillateur 50. Un circuit logique de commande 54 reçoit les impulsions fournies par l'oscillateur 50 et forme un signal de sortie s et un signal de commande t du

commutateur analogique 53. Selon l'état du signal de com-

mande t, le commutateur 53 relie la borne 52 de l'oscilla-

teur 50 soit & la deuxième électrode du condensateur C1

soit à la deuxième électrode du condensateur C2. L'oscil-

23 lateur délivre alors un signal de fréquence F1 ou F2, sui-

vant qu'il est connecté au condensateur C1 ou au condensa-

teur C2, ces fréquences F1 ou F2 étant données par les : expressions suivantes: K 3o F FZ î Dans sa version la plus simple, le circuit de commande 54 comprend un compteur dont l'entrée reçoit le signal venu de l'oscillateur et dont l'une des sorties Qn change d'état toutes les 2n impulsions du signal d'entrée. Les signaux de sorties s et de commande t sont

alors tous les deux liés & Qn' Le signal t, rectangulai-

re, est un signal logique qui est au niveau haut pendant

- 16 -

un temps t1 correpondant au temps pendant lequel le con-

densateur Cl est connecté & l'oscillateur qui délivre alors un signal à une fréquence Fl. Le temps t1 compte 2n impulsions de F1 ce qui donne pour tl l'expression suivante: ti= F1 Fi. De même le signal t est & un niveau bas pendant un temps t2 de la forme:

Compte tenu des expressions de F1 et F2 données ci-

dessus il appara t que: te Ct tI Ci Ainsi la mesure du rapport cyclique du signal t permet-elle d'atteindre le rapport C2/C1 qui, comme on l'a vu plus haut, permet de mesurer simplement l'angle dé torsion du manchon du capteur capacitif selon l'invention par une relation linéaire de la forme: calcl -i= L

-C.1 4* I

l'angle de torsion " étant lui-même directement propor-

tionnel au couple appliqué & l'arbre moteur, que l'on peut

ainsi mesurer.

On améliore la précision des mesures en prévoyant

des moyens pour inhiber le comptage de la première impul-

sion fournie par l'oscillateur, après chaque basculement

du signal t.

Le dispositif est indépendant des dérives de l'oscillateur (dérives à long terme ou dérives thermiques

du coefficient K).

Le circuit logique de commande 54 peut donc com-

prendre encore des circuits numériques de mesure des temps t1 et t2 (au moyen d'une horloge interne et de compteurs, par exemple) et des éléments de calcul permettant à partir

- 17 -

des temps t1 et t2 mesurés, de former un signal de sortie

s représentatif du couple appliqué & l'arbre surveillé.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation du capteur capacitif et de l'appareil de mesure décrits ou représentés cidessus. Par exemple,

on pourrait utiliser un dispositif autre qu'un transforma-

teur tournant pour assurer les fonctions d'alimentation et de transmission, & l'extérieur du capteur, du signal de sortie. En particulier, ces fonctions pourraient être assurées & l'aide d'un dispositif & deux antennes, l'une fixe et l'autre tournante, conçues pour la transmission de

signaux radioélectriques.

Dans des applications o la vitesse de rotation de l'arbre est suffisamment peu élevée pour que des problèmes de frottement ne s'opposent pas à une telle solution, il

est possible aussi d'assurer cette double fonction à l'ai-

de de bagues collectrices et de balais frottant sur ces bagues.

D'autres variantes des capteurs capacitifs repré-

sentées aux figures 1 et 2 sont possibles, du point de vue de la structure mécanique des éléments de support des électrodes des condensateurs. En effet, tels qu'ils sont représentés à ces figures, les éléments de support 7 et 8 ne sont pas équilibrés et introduisent chacun un balourd sur le manchon creux. Ceci peut être gênant dans le cas de système tournant & grande vitesse. Il est clair que ce

problème peut etre aisément résolu en dessinant les éé16-

ments de support de manière que le centre de gravité de chacun d'eux se trouve sur l'axe du capteur. Par exemple,

ces éléments de support tubulaires peuvent comporter cha-

cun deux fentes longitudinales égales, symétriques par rapport & l'axe ou encore trois ouvertures longitudinales é gales décalées de 120 , etc. Ces variantes géométriques

permettent en outre de multiplier les paires de condensa-

3S teurs C1, C2. On cible alors en parallèle tous les conden-

sateurs C1 variant dans le même sens et d'autre part tous

les condensateurs C2 variant dans l'autre sens. On se ra-

mène ainsi & une structure ne comportant que deux conden-

- 18 -

sateurs variant en sens contraire.

On a décrit ci-dessus des condensateurs Cl et C2

dans lesquels ces condensateurs ont un point commun élec-

trique, confondu avec la masse mécanique. On peut préférer pour certaines applications que les deux électrodes de chacun des condensateurs Cl, C2 soient isolées de la masse mécanique. Il est clair que le procédé de réalisation

des deuxièmes électrodes C1 et C2 décrit ci-dessus, uti-

lisant des plaques isolantes rapportées sur la structure mécanique, peut être appliqué & toutes les électrodes, et conduit ainsi à des condensateurs totalement isolés de

la masse mécanique du capteur.

Le procédé de réalisation des deuxièmes électrodes Cl et C2 qui a été décrit plus haut n'est pas le seul possible. D'autres technologies de réalisation peuvent être utilisées, telles que par exemple:

- le dépôt de couches minces alternativement iso-

lantes et conductrices, avec photogravure le cas échéant, ces dépôts étant réalisés directement sur les faces 13 et 16,

- le collage d'un circuit imprimé, souple ou rigi-

de, sur la structure mécanique, etc. De ce qui précède il résulte que le détecteur capacitif suivant l'invention permet de réaliser la mesure

d'un angle de torsion sous l'action d'un couple appliqué.

La mesure du couple s'en déduit avec une bonne précision dans une large plage de température si la constante de

torsion du manchon est indépendante de cette température.

A cet égard, il est intéressant d'utiliser un matériau tel que le DURINVAL fabriqué par la Société IMPHY, ou autre

matériau équivalent, pour réaliser le manchon.

Le détecteur capacitif trouve tout son intérêt

dans la mesure d'angles de torsion faibles (étendue de me-

sure de l'ordre de O,1 à 1 ) qui permettent de travailler avec des distances interélectrodes faibles, et donc des

valeurs de capacités exploitables par des moyens électroni-

ques. Il permet de réaliser un appareil de mesure du couple ou couplemètre, sensible et d'encombrement réduit, les

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angles de torsion faible correspondant & des longueurs de manchon réduites. Du fait de cet encombrement réduit et de son caractère rotatif, le capteur suivant l'invention s'avère particulièrement bien adapté & la mesure du couple

3 transmis par l'arbre du moteur d'un hélicoptère.

Le détecteur capacitif suivant l'invention permet

de disposer de variations relatives élevées pour les con-

densateurs C1 et C2. En effet, par exemple, pour un angle de torsion maximum t = 0,5 , on pourra prendre une distance anqulaire interelectrode de 1 pour C1 et C2, en l'absence de couple appliqué. De cette manière le rapport C1/C2 des capacités varie de 1 à 3 quand on passe du couple nul au

couple maximum.

Le capteur capacitif suivant l'invention peut trouver d'autres applications notamment & la mesure de

position angulaire (pour de petits angles) ou à la détec-

tion de zéro dans un système asservi.

2,D -35

- 20 -

Claims (21)

REVENDICATIONS

1. Capteur capacitif d'angle de torsion, pour

la mesure d'un couple transmis par un arbre moteur, com-

prenant un manchon présentant un axe de révolution, au moins des première et deuxième électrodes solidaires d'une première et d'une deuxième bases du manchon, respective- ment, et s'étendant parallèlement à l'axe du manchon pour constituer un condensateur électrique dont la capacité varie avec la torsion axiale du manchon, caractérisé en ce que le manchon comprend des premier et deuxième moyens

d'accouplement conçus pour accoupler des premier et deu-

xième arbres coaxiaux et alignés, pour tourner avec ces arbres en transmettant de l'un & l'autre un couple à

mesurer, le capteur comprenant en outre des moyens élec-

troniques (33) connectés au condensateur et sensibles à la capacité de celui-ci pour former un signal propre à

atteindre le couple transmis, et des moyens électromagné-

tiques d'interface (35, 36) présentant une première partie

solidaire du manchon et une deuxième partie (36) soli-

daire d'un bati dans lequel tournent les arbres et le manchon pour transmettre ledit signal à un dispositif

d'exploitation extérieur au capteur.

2. Capteur conforme à la revendication 1, caracté-

risé en ce qu'il comprend au moins deux paires d'électrodes (13, 14; 15, 16) définissant deux condensateurs (Cl, C2)

dont les capacités varient en sens inverses lorsqu'un cou-

ple de torsion est appliqué entre les bases du manchon.

3. Capteur conforme & la revendication 2, caracté-

risé en ce qu'il comprend un premier élément de support (7) en forme de coquille cylindrique coaxiale au manchon et solidaire d'une première base (6) de ce manchon, cette coquille (10) présentant une fente axiale dont les bords

définissent deux électrodes, un deuxième élément de sup-

port (8) solidaire d'une deuxième base (5) du manchon et

portant deux autres électrodes axiales qui s'étendent cha-

cune dans cette fente en regard d'une des électrodes défi-

nies sur la coquille cylindrique (10) pour constituer ain-

- 21 -

si deux condensateurs (C1, C2) formés chacun de deux

électrodes solidaires- chacune d'un des deux éléments.

4. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 2 et 3, caractérisé en ce que les condensateurs sont agencés symétriquement par rapport & l'axe du capteur de manière & assurer l'équilibrage mécanique du capteur

autour de cet axe.

5. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 2 & 4, caractérisé en ce qu'une électrode de

chaque condensateur est connectée à la masse mécanique.

6. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 2 & 4, caractérisé en ce qu'une électrode au

moins de chaque condensateur est isolée de la masse méca-

nique.

7. Capteur conforme & la revendication 6, caracté-

risé en ce qu'une électrode isolée de la masse mécanique

est constituée par une couche conductrice (29) de l'élec-

tricité déposée sur une couche isolante (28) débordant des limites de la couche conductrice, la couche isolante étant elle-même déposée sur une deuxième couche conductrice (27)

formée sur une plaque isolante (22) fixée sur un des é61é-

ments de support réalisés en un matériau conducteur de l'électricité, les trois couches constituant une capacité

d'isolement de l'électrode.

8. Capteur conforme & la revendication 7, caracté-

risé en ce que la deuxième couche conductrice (27) déborde des limites de la couche isolante (28) pour définir une

garde s'opposant à des effets de bords.

9. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes

s'étendent dans des plans passant par l'axe (2) du capteur.

I0. Capteur conforme à l'une quelconque des reven-

dications précédentes, caractérisé en ce que le manchon

présente, au niveau de ses bases, des épaulements raidis-

seurs.

11. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 3 & 10, caractérisé en ce que les moyens élec-

troniques sont montés sur une plaquette (33) fixée sur

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un élément de support, & l'intérieur du manchon.

12. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 1 à 11, caractérisé en ce que les moyens élec-

tromagnétiques d'interface comprennent un transformateur tournant dont le rotor (35) est monté sur le manchon, le stator (36) du transformateur étant monté sur un bâti de

support des arbres et du capteur.

13. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 1 & 11, caractérisé en ce que les moyens élec-

tromagnétiques d'interface comprennent une antenne mobile solidaire du manchon et une antenne fixe couplée &

l'antenne mobile, extérieure au manchon.

14. Capteur conforme à l'une quelconque des reven-

dications 1 à 11, caractérisé en ce que les moyens élec-

tromagnétiques d'interface comprennent une connexion par bagues collectrices et contacts glissants entre le manchon

et un bâti fixe.

15. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 1 & 11, caractérisé en ce que les moyens élec-

tromagnétiques d'interface comprennent un couplage entre au

moins une électrode fixe et au moins une électrode mobile.

16. Capteur conforme & l'une quelconque des reven-

dications 12 à 15, caractérisé en ce que les moyens élec-

tromagnétiques d'interface assurent en outre l'alimentation

électrique des moyens électroniques de traitement.

17. Capteur conforme à l'une quelconque des reven-

dications 1 à 15, caractérisé en ce que l'alimentation électrique des moyens électroniques est assurée par un

alternateur constitué d'un stator passif fixe et d'un ro-

tor monté sur l'arbre moteur pour tourner avec celui-ci.

18. Appareil de mesure de couple muni d'un capteur

conforme à l'une quelconque des revendications 2 & 16,

caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif électronique

de traitement incorporant les moyens électroniques sensi-

bles aux capacités des condensateurs pour fournir un signal représentatif du couple transmis par le manchon du capteur,

à partir des signaux fournis par ces moyens électroniques.

- 23 -

19. Appareil conforme à la revendication 18, carac-

térisé en ce que le dispositif comprend (a) un oscillateur fournissant un signal de sortie de fréquence inversement

proportionnelle & la capacité d'un condensateur de régla-

S ge, <b) un circuit logique alimenté par le signal de sor-

tie de l'oscillateur pour fournir un signal logique qui

bascule après comptage par le circuit d'un nombre de cy-

cles prédéterminé du signal de sortie de l'oscillateur,

(c) un 'commutateur analogique pour connecter alternative-

ment le premier (Cl) et le deuxième (C2) condensateur & l'oscillateur en tant que condensateur de réglage, sous la commande du signal logique, et (d) des moyens de mesure pour tirer du rapport cyclique du signal logique un signal

mesurant le couple transmis par le manchon du capteur.

- 20. Appareil conforme'& la revendication 18, carac-

térisé en ce que le circuit logique comprend des moyens pour inhiber le comptage de la première impulsion fournie

par l'oscillateur, après chaque basculement du signal lo-

gique.

21. Appareil conforme & la revendication 18, carac-

térisé en ce que le dispositif électronique de traitement comprend des moyens sensibles aux signaux fournis par

les moyens électroniques pour tirer des mesures des capa-

cités des condensateurs un signal constitué d'un train 7t d'impulsions, représentatif de la valeur du couple transmis

par le manchon du capteur.

22. Appareil conforme & la revendication 18, carac-

térisé en ce que le dispositif électronique de traite-

ment comprend des moyens sensibles aux signaux fournis par les moyens électroniques pour tirer des mesures des

capacités des condensateurs un signal présentant une fré-

quence représentative de la valeur du couple transmis

par le manchon du capteur.

23. Appareil conforme & l'une quelconque des re-

vendications 18 & 22, caractérisé en ce que les moyens électromagnétiques d'interface du capteur sont conçus de manière & assurer l'alimentation en énergie électrique du dispositif électronique de traitement et, en sens inverse,

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la transmission à un dispositif d'exploitation extérieur

d'un signal en relation avec les capacités des condensa-

teurs, élaboré & l'intérieur du capteur.