FR2719408A1 - Transducteur de force à sortie numérique pour dispositif d'équilibrage de roue. - Google Patents
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Abstract
Dispositif pour convertir la sortie analogique provenant d'un élément de transducteur de force (10) en un signal numérique. Le dispositif comprend une enceinte (40, 42, 62) pour loger l'élément de transducteur de force et un convertisseur analogique/numérique (U1) situé dans l'enceinte et connecté à l'élément de transducteur de force, le convertisseur analogique/numérique produisant en sortie un signal numérique depuis l'enceinte.
Description
La présente invention concerne un appareil permettant d'équilibrer des
corps tournants tels que les roues d'un véhicule à moteur, lequel appareil est classiquement appelé dispositif d'équilibrage de roue. Plus particulièrement, l'invention concerne un assemblage de transducteur de force destinés à être utilisés dans un tel appareil, lequel convertit le signal analogique généré par le transducteur de force en un signal numérique dans un environnement
blindé qui est relativement imperméable à toute interférence électrique.
Les dispositifs d'équilibrage de roue à la fois du type motorisé et du type à manipulation manuelle sont bien connus dans l'art des équipements de service pour automobiles. Par exemple, le brevet des Etats-Unis d'Amérique n 4 046 017 qui a été délivré à Hill et dont la présente demanderesse est propriétaire décrit un dispositif d'équilibrage de roue motorisé comprenant un arbre tournant sur lequel la roue à équilibrer est montée et deux transducteurs de force appairés positionnés de manière à être adjacents à l'arbre pour produire des signaux représentatifs des forces de déséquilibre sur à la fois les jantes interne et externe de la roue. Les transducteurs de force utilisés dans les dispositifs d'équilibrage de roue de l'art antérieur sont typiquement des dispositifs analogiques, tels que des cellules de charge à cristal piézo-électrique, qui génèrent des signaux analogiques qui doivent ensuite être transmis à un processeur central positionné à une certaine
distance des transducteurs.
Un problème rencontré avec les transducteurs de force analogiques de l'art antérieur typiques et que ce sont des dispositifs haute impédance qui émettent en sortie un signal analogique de niveau bas qui est ensuite transmis sur un circuit de conversion et de numérisation connecté au processeur central. Le circuit de conversion et de numérisation présente une charge haute impédance et lorsque le circuit de conversion et de numérisation est positionné à une certaine distance des transducteurs, le signal de transducteur devient hautement sensible à une interférence ou à du bruit électrique rencontré de façon classique dans l'environnement du dispositif d'équilibrage de roue. Ce bruit est habituellement éliminé en utilisant soit des techniques de filtrage analogique soit des techniques de filtrage numérique. Par ailleurs, si la charge haute impédance résulte de l'utilisation de valeurs de résistance importantes, une dérive continue due à la
température et à l'humidité devient un problème.
Ces problèmes ainsi que d'autres sont surmontés en proposant un assemblage de transducteur de force comprenant un transducteur à cristal piézo-électrique et une carte de circuit de transducteur positionnés dans un boîtier blindé électriquement. La carte de circuit de transducteur comprend un circuit d'amplificateur opérationnel et un convertisseur analogique/numérique (NAN). Par conséquent, I'assemblage de transducteur de force peut générer un signal numérique qui est relativement imperméable à toute interférence électrique, ce qui élimine la nécessité d'un quelconque autre filtrage au niveau du processeur central. De préférence, le convertisseur A/N est un convertisseur du type sigma/delta haute résolution muni d'un filtre passe-bas incorporé qui garantit 16 bits de données monotones et qui réduit efficacement la largeur de bande du transducteur juste au-dessus de la fréquence d'arbre attendue pour encore réduire le bruit du système et pour permettre au signal numérique de représenter de manière davantage précise la force analogique réelle qui est mesurée. En outre, le circuit d'amplificateur
opérationnel présente de préférence une impédance d'entrée élevée.
L'utilisation du convertisseur A/N haute résolution en relation avec I'amplificateur opérationnel à impédance d'entrée élevée nécessite l'utilisation de seulement un étage d'amplification analogique et n'implique pas la nécessité de réglages de gain analogique. Ceci réduit notablement les
erreurs dues à une dérive continue due à la températu:e et à l'humidité.
Ces objets et avantages ainsi que d'autres de la présente invention
apparaîtront à la lumière de la description qui suit que l'on lira par report aux
dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 est une vue en perspective, certaines parties ayant été ôtées, d'un dispositif d'équilibrage de roue incorporant les assemblages de transducteur de la présente invention; la figure 2 est une vue en perspective éclatée de l'assemblage de transducteur de la présente invention; la figure 3 est une vue schématique du circuit de transducteur de la présente invention; et la figure 4 est une vue schématique d'un second mode de réalisation
d'une partie du circuit représenté sur la figure 3.
Tandis que l'assemblage de transducteur de force de la présente invention peut être adapté pour être utilisé dans une certaine variété d'applications, il convient tout particulièrement pour une utilisation dans des dispositifs d'équilibrage de roue de véhicule. Par report à la figure 1, deux assemblages de transducteur de force 10 selon la présente invention sont représentés comme étant incorporés dans un dispositif d'équilibrage de roue de véhicule représentatif 12. Le dispositif d'équilibrage de roue particulier représenté sur la figure 1 comprend un tube de palier 14 qui est supporté sur deux consoles de suspension 16. D'une manière connue de l'homme de l'art, le tube de palier 14 est conçu pour recevoir un arbre de montage tournant 18
sur lequel une roue W est montée en vue d'une correction d'un déséquilibre.
Les consoles de suspension 16 sont conçues pour être positionnées suivant une direction transversale à l'axe du tube de palier 14, et les assemblages de transducteur de force 10 sont montés en des emplacements appropriés sur les consoles de suspension 16 de telle sorte que les forces générées par le déséquilibre au niveau de la roue W lorsque la roue W tourne soient transmises par l'intermédiaire du tube de palier 14 aux assemblages de
transducteur de force 10. Une description davantage complète de la structure
dans laquelle les assemblages de transducteur de force 10 sont montés n'est
pas critique pour la compréhension de l'invention.
Les signaux numériques générés par les assemblages de transducteur de force 10, lesquels seront décrits de manière davantage complète ci-après, sont transmis à un circuit de traitement central 20 qui comprend un microprocesseur approprié pour traiter les signaux numériques et pour générer des données indicatives des amplitudes et des emplacements des masses qu'il est nécessaire d'appliquer sur la roue W pour corriger le déséquilibre au niveau de la roue W. Ces données sont transmises à un circuit d'affichage approprié 22 situé dans une console 24. Le circuit d'affichage 22 commande la présentation des données sur un affichage visuel 26. Les assemblages de transducteur de force 10, le circuit de traitement central 20, le circuit d'affichage 22 et un circuit de commande de moteur (non représenté) sont de préférence positionnés à une certaine distance les uns des autres sur des cartes de circuit individuelles afin d'empêcher qu'une quelconque interférence électrique générée par chaque carte de circuit n'affecte les autres cartes ou les assemblages de
transducteur de force 10.
Par report à la figure 2, chaque assemblage de transducteur de force 10 comprend un élément de transducteur piézo-électrique 28. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, l'élément de transducteur 28 est fabriqué à partir d'un matériau en piezo-céramique tel qu'un titanate zirconate de plomb équivalent à Channelite 5500 ou Navy Type II (standard militaire 1376 (bateau)) qui est argenté sur ses deux côtés, qui est soumis à un chargement par compression parallèlement à son axe et qui présente un diamètre de 16 mm et une largeur de 1,05 mm pour produire une sortie de 400 coulombs par Newton de force moyennant une valeur de capacité de 2900 picofarads. Un tel élément de transducteur peut être obtenu auprès d'un certain nombre de fabricants de dispositifs piézo-électriques dont l'un est Piezo Kinetics Incorporated, Bellefonte, Pennsylvanie. L'élément de transducteur 28 est pris en sandwich entre deux plaques de contact 30 dont chacune comprend un contact 32 qui est soudé à une jonction appropriée sur une carte de circuit de transducteur 34, ce qui sera décrit de manière
davantage complète ci-après.
L'assemblage de transducteur de force 10 comprend en outre deux
disques isolants 36 qui sont fabriqués à partir du même matériau en piezo-
céramique que l'élément de transducteur 28 mais qui ne sont ni argentés ni soumis à une compression. Les disques isolants 36 isolent des plaques de contact 30 vis-à-vis d'un contact électrique avec les bossements relevés respectifs 38 d'une plaque de poussée supérieure 40 et d'une plaque de poussée inférieure 42, lesquelles deux plaques de poussée sont fabriquées en un matériau métallique tel qu'un acier. L'élément de transducteur 28, les plaques de contact 30 et les disques isolants 36 sont maintenus ensemble entre les bossements 38 par une gaine 44 fabriquée en un matériau isolant approprié. La gaine 44 comprend deux fentes 46 qui sont conc,çues pour recevoir les contacts 32 pour ainsi permettre à la gaine 44 d'être positionnée autour des plaques de contact 30. La carte de circuit de transducteur 34 est fixée à la plaque de poussée inférieure 42 par des vis 48. L'espacement approprié entre la carte de circuit de transducteur 34 et la plaque de poussée inférieure 42 est maintenu par des entretoises 50. Les vis 48 et les entretoises 50 permettent de relier à la masse la carte de circuit de transducteur 34 par l'intermédiaire de la plaque de poussée inférieure 42. Un câble 52 comprenant un certain nombre de fils 54 soudés au niveau de jonctions appropriées sur la carte de circuit de transducteur 34 et comportant un connecteur 56 fixé aux extrémités distales des fils 54 assure une communication électrique entre la carte de circuit de transducteur 34 et la carte de circuit de traitement central 20. Le câble 52 s'étend au travers d'une ouverture 58 ménagée sur la plaque de poussée supérieure 40 et est fixé à la
carte de circuit de transducteur 34 à l'aide d'un sertissage 60.
L'assemblage de transducteur de force 10 comprend également un boîtier cylindrique 62 à l'intérieur duquel la plaque de poussée supérieure 40 et la plaque de poussée inférieure 42 sont reçues de façon coulissante pour ainsi former une enceinte complète pour les autres composants de l'assemblage de transducteur 10 décrit ci-avant. Le boîtier 62 est de préférence réalisé en le même matériau métallique que celui des plaques de poussée supérieure et inférieure 40 et 42 pour constituer un blindage électrique pour la carte de circuit de transducteur 34. En outre, un adhésif époxy à l'argent conducteur est de préférence appliqué sur les soudures entre le boîtier 62 et les plaques de poussée supérieure et inférieure 40 et 42. De cette manière, la totalité de l'enceinte formée par le boîtier 62 et par les plaques de poussée supérieure et inférieure 40 et 42 est maintenue au potentiel de masse pour blinder électriquement la carte de circuit de transducteur 34 vis-à- vis de toute interférence électrique générée par le dispositif d'équilibrage 12. En outre, des joints toriques d'étanchéité en élastomère 64 sont positionnés autour des circonférences des plaques de poussée supérieure et inférieure 40 et 42 avant que ces éléments ne soient assemblés dans le boîtier 62 pour constituer une enceinte étanche pour la carte de circuit de transducteur 34 et pour le reste des composants de l'assemblage de transducteur de force 10. Un environnement hermétiquement étanche est pleinement créé en appliquant un agent de scellement au silicone entre le câble 52 et l'ouverture 58. De cette manière, la carte de circuit de transducteur 34 et les autres composants de l'élément de transducteur de force 10 sont protégés de l'humidité et des contaminants de l'environnement. La carte de circuit de transducteur 34 est décrite de manière davantage complète par report à la figure 3. Lors du fonctionnement de l'assemblage de transducteur de force 10, l'élément de transducteur 28 émet en sortie une charge en réponse aux variations au niveau de la force appliquée sur les plaques de poussée supérieure et inférieure 40 et 42. Les forces sont créées par les charges qui sont en déséquilibre sur la roue en rotation W et qui sont transmises aux plaques de poussée supérieure et inférieure 40 et 42 par l'intermédiaire du tube de palier 14 et des consoles de suspension 16. La charge est communiquée par l'intermédiaire des plaques de contact 30 et de leurs contacts respectifs 32 à un circuit d'amplificateur opérationnel haute impédance 66 au niveau duquel elle est convertie en une tension. La tension de sortie du circuit d'amplificateur opérationnel 66 dépend de la valeur de charge émise en sortie par l'élément de transducteur 28 et de l'impédance d'entrée du circuit d'amplificateur opérationnel 66. L'impédance d'entrée requise dépend de la sensibilité de l'assemblage de support pour l'arbre de montage 18, c'est-à-dire de la capacité du tube de palier 14 et des consoles de suspension 16 à transmettre les charges de déséquilibre de la roue en rotation W aux assemblages de transducteur de force 10. Plus la sensibilité de l'assemblage de support est élevée, plus la charge qui est émise en sortie par l'élément de transducteur 28 est élevée et par conséquent, plus l'impédance d'entrée qui est requise pour éviter la saturation de l'amplificateur opérationnel U2 est faible. Pour des assemblages de support relativement sensibles, I'impédance du circuit d'amplificateur opérationnel 66 est déterminée par la résistance d'entrée R1, laquelle, dans ce mode de réalisation, est de 1 méga-ohm comme représenté sur la figure 3. L'amplificateur opérationnel U2 est un amplificateur faible bruit faible dérive tel que l'amplificateur opérationnel OP77GS disponible auprès de la société Analog Devices. La dérive de courant de décalage d'entrée et la dérive de tension de décalage d'entrée de l'amplificateur opérationnel U2 sont telles qu'aucune erreur significative n'est introduite sur la plage de
température de fonctionnement normal du dispositif d'équilibrage de roue 12.
Pour des assemblages de support moins sensibles, un autre mode de réalisation de circuit d'amplificateur opérationnel 66 peut être requis. Ce circuit d'amplificateur opérationnel est représenté sur la figure 4 et il est indiqué au moyen d'un index de référence 68. Le circuit d'amplificateur opérationnel 68 permet d'obtenir une impédance d'entrée élevée sans utiliser des valeurs de résistance importantes au moyen du procédé connu classiquement appelé "auto-élévation". Dans le circuit d'amplificateur opérationnel 68, des résistances R3, R4 et R5 présentent des valeurs respectives de 20000, 200000 et 200 ohms. Les avantages de l'utilisation de ces résistances plus faibles est que des erreurs de sortie plus faibles dues à une dérive de courant de polarisation d'entrée en fonction de la température et à une dérive de la tension de décalage d'entrée en fonction de la température sont obtenues. Par ailleurs, la sensibilité du circuit vis-à-vis de l'humidité est notablement réduite. Le circuit d'amplificateur opérationnel 68 présente une impédance d'entrée d'environ 20 méga-ohms. L'amplificateur opérationnel U6 est de préférence un amplificateur OP77GS, soit le même
que l'amplificateur opérationnel U2 de la figure 3.
Indépendamment du circuit d'amplificateur opérationnel utilisé, la tension de sortie est appliquée directement sur un convertisseur analogique/numérique (A/N) sigma/delta 16 bits U1, lequel inclut de préférence un filtre passe-bas à 10 hertz et 6 pôles intégré. Un convertisseur NAN approprié U1 est le convertisseur AD7701 disponibles auprès de Analog Devices. La sortie du convertisseur A/N U1 est un train de 16 bits d'information série. Le convertisseur A/N U1 garantit 16 bits de données monotones et réduit efficacement la largeur de bande de l'élément de transducteur 28 juste au-dessus de la fréquence attendue de l'arbre de montage 18. Ceci réduit le bruit du système et permet au signal numérique de représenter de manière davantage précise la force analogique qui est mesurée. La sortie du convertisseur A/N U1 est communiquée par le câble 52
à la carte de circuit de traitement central 20 pour un traitement ultérieur.
Une alimentation appropriée est appliquée sur la carte de circuit de transducteur 34 au niveau de jonctions 70 et 72 et des régulateurs d'alimentation U4 et U5 assurent respectivement une tension constante à + 5V et -5V au niveau des jonctions 74 et 76. En outre, une tension de référence à
2,5V constante est appliquée sur le convertisseur A/N U1 par l'élément U3.
Les assemblages de transducteur de force 10 convertissent par conséquent la sortie analogique provenant de l'élément de transducteur 28 en un signal numérique à l'intérieur de l'enceinte blindée formée par le boîtier 62 et par les plaques de poussée supérieure et inférieure 40 et 42. Ceci réduit notablement les effets de l'interférence électrique sur le signal et élimine la nécessité de tout autre filtrage supplémentaire au niveau de la carte de circuit de traitement central 20. Par ailleurs, le fait d'utiliser un convertisseur A/N haute résolution U en même temps qu'un circuit d'amplificateur opérationnel à impédance d'entrée élevée nécessite seulement un seul étage d'amplification analogique et élimine la nécessité de réglages de gains analogiques. Ceci réduit notablement les erreurs dues à
une dérive continue en fonction de la température.
Claims (9)
1. Dispositif pour convertir la sortie analogique provenant d'un élément de transducteur de force (10) en un signal numérique, caractérisé par: une enceinte pour loger l'élément de transducteur de force; et un convertisseur analogique/numérique (U1l) positionné dans l'enceinte et connecté à l'élément de transducteur de force; dans lequel le convertisseur analogique/numérique émet en sortie un
signal numérique depuis l'enceinte.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que I'enceinte est fabriquée à partir d'un matériau métallique et est reliée a la masse pour assurer un blindage électrique pour l'élément de transducteur de
force (10) et pour le convertisseur analogique/numérique (U1).
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que
l'enceinte est rendue étanche pour empêcher l'entrée de l'humidité.
4. Dispositif d'équilibrage de roue de véhicule comprenant un arbre tournant (18) sur lequel une roue à équilibrer (W) peut être montée, au moins un moyen de transducteur de force (10) pour générer une sortie représentative des forces appliquées sur l'arbre par un déséquilibre de la roue en rotation et un moyen de processeur pour déterminer des amplitudes et des positions de déséquilibre au niveau de la roue à partir de la sortie générée par le moyen de transducteur de force, caractérisé par: une enceinte dans laquelle le moyen de transducteur de force est placé; un moyen de convertisseur analogique/numérique (Ul) pour convertir la sortie du moyen de transducteur de force en un signal numérique représentatif des forces appliquées sur l'arbre (18) par un déséquilibre au niveau de la roue en rotation; le moyen de convertisseur analogique/numérique étant placé dans l'enceinte; et un moyen pour communiquer le signal numérique au moyen de processeur.
5. Dispositif d'équilibrage de roue selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'enceinte comprend: au moins une plaque de poussée (40, 42) par l'intermédiaire de laquelle les forces appliquées sur l'arbre (18) sont transférées au moyen de transducteur de force (10); et un boîtier (62) qui, ensemble avec la plaque de poussée (40, 42), forme une enceinte complète pour le moyen de transducteur de force (10) et
pour le moyen de convertisseur analogique/numérique (U1).
6. Dispositif d'équilibrage de roue selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte est fabriquée à partir d'un matériau métallique.
7. Dispositif d'équilibrage de roue selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'enceinte est reliée à la masse pour assurer un blindage électrique pour le moyen de traducteur de force et pour le moyen de
convertisseur analogique/numérique.
8. Dispositif d'équilibrage de roue selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte est rendue étanche pour empêcher l'entrée
de l'humidité.
9. Dispositif d'équilibrage de roue de véhicule caractérisé en ce qu'il comprend un arbre tournant (18) sur lequel une roue à équilibrer (W) peut être montée, au moins un moyen de transducteur de force (10) pour générer une sortie représentative des forces appliquées sur l'arbre par le déséquilibre de la roue en rotation et un moyen de processeur pour déterminer des amplitudes et des positions de déséquilibre dans la roue à partir de la sortie générée par le moyen de transducteur de force, le dispositif comprenant en outre: une enceinte dans laquelle le moyen de transducteur de force est placé; un moyen de convertisseur analogique/numérique (U1) pour convertir la sortie du moyen de transducteur de force en un signal numérique représentatif des forces appliquées sur l'arbre par un déséquilibre de la roue en rotation; le moyen de convertisseur analogique/numérique étant placé dans l'enceinte; l'enceinte comprenant une plaque de poussée supérieure (40), une plaque de poussée inférieure (42) et un boîtier (62) formant les côtés de l'enceinte; la plaque de poussée supérieure et la plaque de poussée inférieure étant reçues de façon coulissante dans le boîtier pour ainsi former une enceinte complète; et un moyen pour communiquer le signal numérique au moyen de processeur; dans lequel l'enceinte est fabriquée à partir d'un matériau métallique et est reliée à la masse pour assurer un blindage électrique pour le moyen de transducteur de force et pour le moyen de convertisseur analogique/numérique et est rendue étanche pour empêcher l'entrée de l'humidité.
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