FR2660430A1

FR2660430A1 - Appareil et procede pour la mesure d'une grandeur mecanique telle qu'une force ou un moment.

Info

Publication number: FR2660430A1
Application number: FR9004233A
Authority: FR
Inventors: Artigue Francis; Cormier Roland; Francois Christian
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-04-03
Filing date: 1990-04-03
Publication date: 1991-10-04
Anticipated expiration: 2010-04-03
Also published as: FR2660430B1

Abstract

Dans l'appareil pour la mesure d'une grandeur mécanique telle qu'une force ou un moment, qui comporte un plateau de charge 1 relié à un support 2 par un corps d'épreuve 3 équipé de dispositifs de mesure extensométrique, ces dispositifs sont au nombre d'au moins trois et sont chacun constitués par une jauge extensométrique significative unique 5,6,7, ces jauges sont situées dans au moins deux zones de section droite différentes du corps d'épreuve à l'égard de la fibre neutre de celui-ci et, si deux jauges sont dans une mêmme zone de section droite du corps d'épreuve, elles sont disposées suivant des directions non parallèles. On peut également effectuer une compensation en température et procéder à une cartographie du plateau de charge pour affiner la mesure.

Description

La présente invention est relative à la mesure d'une grandeur mécanique telle qu'une force unidirectionnelle ou un moment qui résulte de l'application d'une charge pesante sur un plateau de réception.

Elle s'applique en particulier à la mesure de poids, par exemple dans des pèse-personnes, des pèse-aliments ou des bascules , ou à la mesure de couples.

La mesure est effectuée à l'aide d'un appareil qui comporte un plateau de réception de la charge qui est relié à un support par un corps d'épreuve déformable unique équipé de dispositifs de mesure extensométrique-sensibles aux déformations locales du corps d'épreuve.

On a déjà proposé divers appareils de ce type pour réaliser ce genre de mesure. Dans tous ces appareils, les dispositifs de mesure extensométrique sont constitués par des jauges de déformation qui sont placées sur la surface du corps d'épreuve. Selon la position de la charge sur le plateau de réception, ces jauges de déformation sont sollicitées essentiellement en flexion et en torsion. Dans les appareils connus, on s'est jusqu'à présent efforcé de spécifier les divers types de déformation pour déduire, de manière analogique ou numérique, la grandeur mécanique à mesurer. Ainsi, dans le Brevet français 82 20 040, on utilise trois ensembles de jauges de déformation, à savoir deux ensembles sensibles essentiellement à la flexion et présentant la même sensibilité, et un ensemble sensible à la torsion.Les trois signaux émis sont traités pour que la compo--sante de torsion existant dans les signaux des deux premiers ensembles soit éliminée, le signal résultant représentant donc essentiellement la déformation en flexion, à partir de laquelle on déduit la grandeur mécanique, en général le poids. Dans la pratique, cette mesure est effectuée de manière analogique en combinant les diverses jauges de déformation dans un même circuit électrique. Dans la Demande de Brevet français 87 16 085, on a proposé une réalisation pratique particulière de l'idée générale du document ci-dessus en traitant et en combinant les divers signaux dans une unité centrale de traitement numérique qui effectue les divers calculs pour donner en sortie l'indication de la grandeur mécanique.

Les appareils connus ci-dessus donnent satisfaction dans la pratique, mais ils présentent chacun deux inconvénients. Tout d'abord, la spécification des déformations essentiellement en flexion et en torsion impose une forme particulière et une implantation rigoureuse des jauges de déformation , ce qui entraîne un prix de revient élevé. Par ailleurs, ces appareils nécessitent un nombre minimal de jauges, par exemple quatre jauges associées à des résistances fixes, ce qui contribue également à les rendre coûteux.

L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients en permettant la mesure de la grandeur mécanique à l'aide d'un corps d'épreuve quelconque et de jauges de déformation en nombre réduit.

A cet effet, suivant un premier aspect, l'invention vise un appareil du type ci-dessus comportant en outre, de manière connue, une unité de traitement comprenant des moyens à mémoire et des moyens de calcul pour déterminer ladite glandeur mécanique représentative de la charge à partir des signaux respectifs émis par les dispositifs de mesure en passant par la détermination des paramètres de sensibilité du signal de chacun des dispositifs de mesure à l'égard des divers types de déformation du dispositif de mesure correspondant sous l'effet de la charge, cet appareil étant caractérisé en ce que : les dispositifs de mesure sont au nombre d'au moins trois et sont chacun constitués par une jauge extensométrique significative unique ; les jauges sont situées dans au moins deux zones de section droite différentes du corps d'épreuve ; et, si deux jauges sont dans une même zone de section droite du corps d'épreuve, elles sont disposées suivant des directions non parallèles.

Ainsi, avec l'appareil selon l'invention, il suffit de disposer seulement de trois jauges pour obtenir une évaluation de la grandeur mécanique. Au surplus, le corps d'épreuve peut être de forme, de structure et de conception quelconques, la seule condition à laquelle il doit satisfaire étant qu'il soit déformable dans les zones où sont situés les dispositifs de mesure extensométrique.

Au surplus, contrairement à ce qui se passe dans les appareils de l'art antérieur, les trois jauges n'ont pas à être disposées en des emplacements ou suivant des orientations précis, sinon très précis, car l'appareil selon 1 'in- vention est indifférent aux types particuliers des déformations qui se produisent, les appareils de l'art antérieur cherchant à faire travailler les jauges essentiellement en flexion et en torsion.

En effet, on sait qu'il existe une relation linéaire entre l'intensité de la déformation ponctuelle du corps d'épreuve et les intensités des forces et des moments qui lui sont appliqués. L'intensité E de cette déformation peut s'écrire d'une manière générale sous la forme :
E = aF + b MX + c My + Eg dans laquelle a, b et c sont des paramètres de sensibilité,
F est la force de la charge appliquée au plateau de réception, Mx et My sont les moments résultant de la charge suivant un système d'axez Y, en général orthonormé, et Eg est la déformation en l'absence de sollicitation, c'est-à-dire en l'absence de charge.

Dans une telle relation, il existe quatre varia bles, à savoir la déformation E qui est donnée par l'amplitude du signal de sortie de la jauge correspondante, et F, MX et My qui sont liées à la charge et à l'appareil, tandis que les autres éléments, à savoir a, b, c et Eg sont des constantes liées seulement à l'appareil.

On voit, d'après la relation ci-dessus, qu'il est donc nécessaire de disposer de trois sources d'information, donnant trois relations linéaires à trois inconnues (F, MX et My ), ces trois équations permettant de calculer les valeurs de F, MX et My. Au surplus, comme indiqué ci-après, on peut également déduire les coordonnées X et Y du point d'application de la charge sur le plateau de réception.

On démontre mathématiquement, sans que cela doive être explicité ici, que :

étant le déterminant constitué par les trois séries de valeur de a, b et c pour les trois points de mesure, D1 étant le déterminant constitué par les trois séries de valeurs de
E - Eg , b et c pour les trois points de mesure, D2 étant le déterminant constitué par les séries de valeurs de a,E-EO et c pour les trois points de mesurent D3 étant le déterminant constitué par les trois séries de valeurs de a, b et E1 - Eg pour les trois points de mesure.

Pour la résolution d'un tel système d'équations, on démontre qu'il est nécessaire que les coefficients a, b et c pour un point de mesure ne soient pas proportionnels aux coefficients correspondants d'un autre point de mesure.

C'est pour cette raison que, selon l'invention, les trois jauges de l'appareil selon l'invention doivent se distinguer deux à deux par leur position et/ou leur orientation.

On sait également que les coordonnées X et Y du point d'application de la charge sont données par les relations

Selon une caractéristique avantageuse, l'appareil selon l'invention comporte également des moyens de compensation en température comprenant des moyens détecteurs et des moyens, incorporés à l'unité de traitement, pour prendre en compte l'information fournie par les moyens détecteurs dans la détermination de ladite grandeur numérique.

Ces moyens détecteurs peuvent être constitués sot par une quatrième jauge extensométrique qui est fixée également sur le corps d'épreuve et qui satisfait à la relation géométrique ci-dessus des trois autres jauges. Suivant une autre réalisation, les moyens détecteurs sont constitués par une simple sonde thermique dont le signal de sortie est pris en compte également par l'unité centrale de traitement pour une intervention sur les paramètres a, b, c et Eg ci-dessus.

Suivant un autre aspect de l'invention, qui s'utilise de préférence dans l'appareil tel que défini ci-dessus, il est prévu un procédé de mesure précise de ladite grandeur numérique qui consiste à : calculer une première série de paramètres de sensibilité pour l'ensemble du plateau calculer pour chacune d'une pluralité de zones de surface prédéterminées dudit plateau une seconde série respective de paramètres de sensibilité ; mémoriser lesdites se condes séries de paramètres de sensibilité correspondant aux zones respectives ; pour la charge à mesurer, calculer la position de celle-ci sur le plateau à l'aide de la première série de paramètres de sensibilité ; sélectionner au moins l'une desdites zones en fonction de ladite position calculée ; et définir ladite grandeur mécanique à partir de la seconde série de paramètres de sensibilité correspondant à ladite zone sélectionnée et à partir des signaux émis par les dispositifs de mesure extensométrique
Suivant une première réalisation, lesdites zones sont d'aire non nulle, et on sélectionne une seule zone, à savoir celle qui contient ladite position calculée ; suivant une autre réalisation, lesdites zones sont constituées par des points, et on sélectionne au moins deux pOints, les plus voisins de ladite position calculée, ainsi que les deux séries de paramètres de sensibilité correspondants pour calculer ladite grandeur mécanique.De préférence, toutefois, on sélectionne les trois points qui définissent le plus petit triangle dans lequel se trouve cette position calculée; le calcul final se fait alors par approximation ou itération entre les deux ou les trois séries sélectionnées de paramètres de sensibilité en fonction de la position calculée de la charge par rapport aux deux ou trois points sélectionnés.

On comprendra bien l'invention à l'aide du complément de description qui va suivre et en référence aux dessins annexés qui font partie de la description et dans lesquels :
Fig. 1 est une vue schématique en élévation d'un appareil établi selon un mode de réalisation de l'invention;
Figs. 2 à 4 montrent schématiquement plusieurs formes possibles pour le corps d'épreuve et pour la disposition des jauges ;
Fig. 5 est une vue schématique en plan montrant une disposition possible des trois jauges de base ; et
Fig. 6 est une vue schématique en plan du plateau de charge qui est géométriquement divisé en une pluralité de zones
L'appareil représenté sur la Fig. 1 comporte, de manière habituelle, un plateau 1 de réception d'une charge (non représentée) , un support ou socle fixe 2, un corps d'épreuve déformable 3 relié fixement à ses extrémités respectivement au plateau 1 et au socle 2, et une unité centrale de traitement 4 qui reçoit les signaux provenant de jauges de mesure extensométrique qui sont fixées à la surface du corps d'épreuve 3 et qui seront décrites ci-après.

Selon l'invention, on fait comporter au corps d'épreuve 3 trois dispositifs de mesure extensométrique qui sont chacun constitués par une jauge significative unique 5,6 et 7. Sur la Fig. 1, les jauges 5,6 et 7 sont schématiquement représentées par un petit cercle, alors qu'en réalité elles ont une forme allongée car, sous certaines conditions, leurs orientations sur le corps d'épreuve ne constituent pas un élément déterminant. En effet, comme indiqué ci-dessus, l'appareil selon l'invention permet une détermination de la charge appliquée, à partir des signaux 5', 6' et 7' délivrés par les jauges, sans que ces signaux soient principalement représentatifs de déformations de base telles que traction, flexion et torsion.

Selon l'invention, les trois jauges 5,6 et 7 sont disposées sur le corps d'épreuve 3 de telle manière qu'elles soient situées dans au moins deux zones de section droite différentes du corps d'épreuve par rapport à la fibre neutre de celui-ci et que, si deux jauges sont situées dans une même zone de section droite du corps d'épreuve, elles soient disposées suivant des directions non parallèles. Dans l'exemple d'implantation de la
Fig. 1, les jauges sont disposées dans trois zones de section droite différentes, ce qui permet, en principe, de les orienter de manière quelconque.

L'unité centrale de traitement 4 comporte, de manière connue, des moyens à mémoire et des moyens de calcul pour déterminer la grandeur mécanique recherchée, à partir des signaux 5', 6' et 7', en tenant compte des paramètres de sensibilité ci-dessus a, b, c et Eg pour chacune des trois jauges. Cette unité de traitement 4 permet également, par les relations rappelées ci-dessus, de calculer les coordonnées X et Y du point d'application de la charge sur le plateau 1 dans un repère orthonormé.

On a représenté sur les Figs. 2 et 3, à titre d'exemples, une forme possible pour le corps d'épreuve 3 et deux emplacements d'implantation des jauges. Sur ces
Figures, le corps d'épreuve 3 est constitué par un barreau horizontal, par exemple longitudinal par rapport au plateau 1, qui comporte deux parties terminales verticales de fixation au plateau 1 et au socle 2. Sur la Fig. 2, les trois jauges sont réparties dans deux zones schématiquement représentées en A et B sur la partie rectiligne horizontale du barreau 3, tandis que, sur la Fig. 3, les jauges sont situées dans deuxçzones schématisées en C et D sur les parties verticales de raccordement.

Sur la Fig. 4, qui est une vue partielle en plan, le barreau 3 est oblique en projection verticale et les jauges sont prévues dans deux zones E et F situées dans les parties terminales de raccordement du barreau.

Encore à titre d'exemple, on a représenté sur la
Fig. 5 un exemple d'implantation des trois jauges. Deux jauges 5 et 6 sont situées dans la même zone de section droite du corps d'épreuve 3, tandis que la jauge 7 est si tuée dans une zone de section droite éloignée des jauges 5 et 6. Comme représenté, les jauges 5 et 6 sont d'orientation différente , c'est-à-dire qu'elles ne sont pas parallèles, tandis que la jauge 7 a, comme sur la Fig. 1 , été représentée schématiquement sous la forme d'un petit cercle car son orientation peut être quelconque.

Il ressort de ce qui précède que l'appareil selon l'invention est grandement simplifié par rapport aux appareils antérieurs du fait qu'il n'existe que trois jauges dont l'implantation , sous la double condition géométrique ci-dessus, peut être quelconque et que le corps d'épreuve 3 n'a pas à obéir à des règles géométriques et mécaniques particulières, sous réserve néanmoins qu'il soit déformable dans les zones d'implantation des jauges extensométriques.

Bien entendu, on pourrait, en prétendant viser une plus grande précision, multiplier le nombre de jauges, ou encore prévoir une duplication d'une partie au moins des jauges sans sortir pour autant du cadre de l'invention.

L'appareil ci-dessus selon l'invention est avantageusement complété par des moyens de compensation en température qui permettent de moduler la détermination de la grandeur mécanique en fonction de la température. Ces moyens de compensation en température comportent des moyens détecteurs et des moyens, incorporés à l'unité centrale de traitement 4, pour prendre en compte l'information fournie par les moyens détecteurs dans la détermination de la grandeur mécanique en cause.

La température est une quatrième variable intervenant dans la mesure, et, comme montré schématiquement sur la Fig. 1, cette variable peut être prise en compte par l'unité de traitement 4 soit par une quatrième jauge de déformation 8, soit par une sonde thermique 8'. Le signal de sortie 8" est reçu et traité dans l'unité 4.

Dans la formule générale ci-dessus donnant la déformation locale E du corps d'épreuve 3, l'introduction de la compensation en température consiste à modifier la valeur Eg pour l'associer à une température de référence, par exemple 200 C, et à ajouter un monome du genre d hT 11 appareil ayant alors à gérer un système de quatre équations linéaires à quatre inconnues.

Dans le cas où on utilise la jauge 8, celle-ci obéit à la même règle géométrique que les jauges 5,6 et 7, à savoir que les quatre jauges sont situées dans au moins deux zones de section droite différentes du corps d'épreuve 3 et que, si deux des quatre jauges sont dans une même zone de section droite du corps d'épreuve, elles sont disposées suivant des directions non-parallèles.

Suivant une autre caractéristique de l'invention, qui s'utilise de préférence avec les précédentes mais qui, le cas échéant, pourrait être appliquée indépendamment, il est prévu un procédé suivant lequel, pour accroître la précision de la mesure de la grandeur mécanique en cause, on divise le plateau de réception 1 en une pluralité de zones et, comme indiqué ci-après, on effectue le calcul en se basant sur des paramètres de sensibilité qui sont sélectionnés en fonction de la position du point d'application de la charge sur le plateau 1.

On effectue donc une cartographie du plateau et le calcul final de la grandeur mécanique est fait en fonction de cette position. Cette cartographie peut être réalisée, comme représenté schématiquement sur la Fig. 6, soit par des zones 9 d'aire non nulle qui sont distinctes et qui recouvrent l'ensemble du plateau, soit par des points 9' disposés suivant un réseau approprié prédéterminé. A titre d'exemple, on a représenté sur la Fig. 6 cinq colonnes comportant chacune trois zones, à savoir deux zones extrêmes carrées et une zone centrale rectangulaire; par simplification, les points 9' ont été représentés sur les sommets de chacune de ces zones, y compris sur les bords du plateau. Bien entendu, on pourra adopter toute autre forme de cartographie, que ce soit dans le cas des zones 9 ou des points 9'.

Pour la mise en oeuvre du procédé, on procède tout d'abord au calcul des coordonnées X et Y du point d'application de la charge. Pour cela, d'après les relations rappelées ci-dessus, il est nécessaire de définir une première série de valeurs que l'on pourrait qualifier de grossières ou d'approchées, pour les paramètres de sensibilité des jauges pour l'ensemble du plateau. Lorsque ces coordonnées X, Y sont calculées, l'unité 4 sélectionne la zone 9 dans laquelle se trouve ce point, ou au moins deux points 9', et de préférence trois points 9', qui0sont les plus voisins de ce point.On a schématiquement représenté sur la
Fig. 6 par des hachures la zone 9 dans laquelle se trouve ce point ; on a également représenté le triangle dans lequel se trouve ce point et qui est défini par les trois points 9' les plus voisins de ce point dont la position a été calculée.

Au préalable, pour chacune des zones 9 ou chacun des points 9', on aura calculé et mémorisé des secondes séries respectives de paramètres de sensibilité pour-les divers dispositifs de mesure extensométrique à l'aide d'une charge de référence placée soit par exemple au milieu de la zone considérée, soit sur le point 9' lui-même. Lorsque la zone 9 ou les points 9' ont été sélectionnés par l'unité 4 en fonction de la position calculée du point d'application de la charge, cette unité effectue un dernier calcul, soit directement sur la base de la seconde série unique de paramètres de sensibilité sélectionnés dans le cas où on utilise une cartographie en zones 9, soit par approximation ou itération à partir des deux ou trois secondes séries de paramètres de sensibilité sélectionnee dans le cas où on utilise les points 9'.

Bien que les paramètres de sensibilité ne soient, en principe, pas très différents les uns des autres en fonction des zones 9 ou des points 9', ce procédé permet néanmoins d'obtenir une mesure plus précise que dans le cas où l'on ne dispose que d'une seule série de paramètres de sensibilité pour l'ensemble du plateau, cette précision pouvant être particulièrement avantageuse dans certaines applications.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation, non plus qu'au mode d'application) qui ont été décrits ; on pourrait au contraire concevoir diverses variantes sans sortir pour autant de son cadre.

Il va de soi que, dans le présent texte, on entend par "jauge extensométrique" tout élément qui est sensible à sa propre déformation, cet élément pouvant par exemple être du type résistif,capacitif ou inductif.

Par ailleurs, il est entendu que "série de paramètres de sensibilité" vise les valeurs de a,b,c et Eg, et éventuellement d, pour l'ensemble des dispositifs de mesure.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil pour la mesure d'une grandeur mécanique telle qu'une force ou un moment, comportant un plateau (1) de réception d'une charge relié à un support (2) par un corps d'épreuve déformable (3) équipé de dispositifsde mesure extensométrique sensibles aux déformations locales du corps d'épreuve, et une unité de traitement (4) comportant des moyens à mémoire et des moyens de calcul pour déterminer ladite grandeur mécanique représentative de la charge à partir des signaux respectifs émis par le dispositif de mesure, en passant par la détermination des paramètres de sensibilité du signal de chacun des dispositifs de mesure à l'égard des divers types de déformations du dispositif de mesure correspondant sous l'effet de la charge, caractérisé en ce que : lesdits dispositifs de mesure sont au nombre d'au moins trois et sont chacun constitués par une jauge extensométrique significative unique(5,6,7) ; lesdites jauges (5,6,7) sont situées dans au moins deux zones de section droite différentes du corps d'épreuve (3) à l'égard de la fibre neutre de celui-ci ; et, si deux jauges sont dans une même zone de section droite du corps d'épreuve (3), elles sont disposées suivant des directions non parallèles.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de compensation en température comprenant des moyens détecteurs (8,8') et des moyens, incorporés à l'unité de traitement (4), pour prendre en compte l'information fournie par les moyens détecteurs (8,8') dans la détermination de ladite grandeur mécanique.

3. Appareil selon la revendication 2, caractérisué en ce que les moyens détecteurs sont constitués par une quatrième jauge extensométrique (8) qui est fixée sur le corps d'épreuve (3) et qui satisfait à la relation géométrique des trois autres jauges (5,6,7).

4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens détecteurs sont constitués par une sonde thermique (8').

5. Procédé pour la mesure d'une grandeur mécanique telle qu'une force ou un moment, dans lequel une charge exerce son action sur un plateau (1) relié à un support (2) par un corps d'épreuve déformable (3) équipé de dispositifs de mesure extensométrique (5,6,7) qui sont sensibles aux déformations locales du corps d'épreuve et qui sont agencés pour émettre chacun un signal (5', 6', 7') représentatif desdites déformations, ces signaux étant traités numériquement dans une unité de traitement (4) comportant des moyens à mémoire et des moyens de calcul pour déterminer ladite grandeur mécanique à partir des signaux respectifs émis par lesfispositifsde mesure, en passant par la détermination des paramètres de sensibilité du signal de chacun des dispositifs de mesure à l'égard des divers types de déformations du dispositif de mesure correspondant sous l'effet de la charge, caractérisé en ce qu'il consiste à: calculer une première série de paramètres de sensibilité pour l'ensemble du plateau ; calculer pour chacune d'une pluralité de zones prédéterminées dudit plateau une seconde série- respective de paramètres de sensibilité ; mémoriser lesdites secondes séries de paramètres de sensibilité correspondant aux zones respectives ; pour la charge à mesurer, calculer la position de celle-ci sur le plateau à l'aide de la première série de paramètres de sensibilité; sélectionner au moins l'une desdites zones en fonction de ladite position calculée ; et définir ladite grandeur mécanique à partir de la seconde série de paramètres de sensibilité sélectionnée correspondant à ladite zone sélectionnée et des signaux émis par les dispositifs de mesure extensométrique.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que les zones (9) sont d'aire non nulle et qu'on sélectionne une seule zone, à savoir celle qui contient ladite position calculée.

7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que lesdites zones (9') sont constituées par des points et que la définition finale de ladite grandeur mécanique est faite par approximation à partir des paramètres de sensibilité correspondant aux points les plus voisins de la position réelle calculée de la charge.