FR2764691A1 - Differential torque measuring device - Google Patents

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    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/105Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving inductive means

Abstract

The device has a vertical axis which can be deformed along j and k directions by a force and a torque, respectively. The axis cooperates with two ferromagnetic U shaped pieces each carrying a coil. The U shaped pieces are separated by a horizontal ferromagnetic bar thus defining four magnetic circuits. The coils are connected in a bridge configuration and to a differential amplifier

Description

L'invention concerne un dispositif permettant les mesures différentielles d'une force et d'un couple appliqués sur une structure. II permet en un point d'application la mesure d'une force et d'un couple de direction perpendiculaire à la direction de la force, c'est-à-dire deux des six grandeurs (3 forces, 3 couples) qui caractérisent les actions en un point. L'intérêt de ces grandeurs réside dans le fait qu'elles sont caractéristiques des sollicitations mécaniques auxquelles est soumise une structure. The invention relates to a device allowing differential measurements of a force and a torque applied to a structure. It allows at a point of application the measurement of a force and a direction torque perpendicular to the direction of the force, that is to say two of the six quantities (3 forces, 3 couples) which characterize the actions at a point. The advantage of these quantities lies in the fact that they are characteristic of the mechanical stresses to which a structure is subjected.

L'une des applications de cette invention est son utilisation sur un véhicule sous-marin motorisé par deux propulseurs reliés entre eux, pour connaître la poussée des propulseurs et le couple entre les deux, ceci afin de faire une commande en poussée du véhicule. Ce type de commande est plus simple et plus fiable que celles pratiquées classiquement. Certains de ces véhicules sont motorisés par deux propulseurs placés de chaque côté. L'invention permet de mesurer simultanément et en un même point la somme des actions ou forces de poussée et le déséquilibre des actions de chacun des propulseurs ou couple. One of the applications of this invention is its use on an underwater vehicle powered by two thrusters connected together, to know the thrust of the thrusters and the torque between the two, this in order to make a thrust control of the vehicle. This type of control is simpler and more reliable than those practiced conventionally. Some of these vehicles are powered by two thrusters placed on each side. The invention makes it possible to measure simultaneously and at the same point the sum of the actions or thrust forces and the imbalance of the actions of each of the thrusters or torque.

Un certain nombre de dispositifs existent déjà, qui mesurent l'une des deux grandeurs (capteurs de couple, capteurs de force ou d'effort). II en existe également qui mesurent plusieurs grandeurs (capteurs d'effort 2 axes, 3 axes). A certain number of devices already exist, which measure one of the two quantities (torque sensors, force or force sensors). There are also some which measure several quantities (2-axis, 3-axis force sensors).

Le brevet FR 2 712 982 propose un couplemètre différentiel à aimants permanents. Le dispositif est formé de deux circuits magnétiques excités chacun par un aimant et ayant une branche commune centrale. Des couronnes dentées placées en vis-à-vis se déplacent l'une par rapport à l'autre sous l'effet d'un couple. La réluctance de chaque circuit est modifiée, de même que le point de fonctionnement des aimants. Le calage des dents des deux systèmes dentés est fait de façon à ce que les réluctances de chaque circuit varient en sens opposés pour un même couple appliqué. Le flux dans la branche centrale est la somme algébrique des flux dans les deux circuits. L'induction mesurée dans la branche centrale, à l'aide d'une sonde à effet Hall, est proportionnelle au couple appliqué et l'électronique de traitement est simple. Patent FR 2 712 982 proposes a differential torque meter with permanent magnets. The device is formed of two magnetic circuits each excited by a magnet and having a central common branch. Toothed rings placed opposite move relative to each other under the effect of a couple. The reluctance of each circuit is modified, as is the operating point of the magnets. The teeth of the two toothed systems are adjusted so that the reluctances of each circuit vary in opposite directions for the same applied torque. The flux in the central branch is the algebraic sum of the fluxes in the two circuits. The induction measured in the central branch, using a Hall effect probe, is proportional to the applied torque and the processing electronics is simple.

Le dispositif du brevet français n" 95.08620 utilise des bobines au lieu d' aimants et délivre un signal à la suite d'une démodulation synchrone. The device of French patent n ° 95.08620 uses coils instead of magnets and delivers a signal following a synchronous demodulation.

Ces deux dispositifs permettent la mesure du couple sur des arbres tournants. These two devices allow the measurement of the torque on rotating shafts.

Le dispositif du brevet français n" 95.08960, quant à lui permet la mesure du couple appliqué sur une structure fixe.  The device of French patent no. 95.08960, meanwhile, allows the measurement of the torque applied to a fixed structure.

II existe de nombreux autres dispositifs permettant la mesure d'un couple seul, dont les différences reposent sur les choix technologiques effectués. There are many other devices allowing the measurement of a single torque, the differences of which are based on the technological choices made.

Les capteurs utilisant des jauges de déformation sont fréquemment utilisés. Sensors using strain gauges are frequently used.

Ils mesurent la déformation d'une structure sous l'effet du couple appliqué. Ils sont alimentés par des contacts glissants, souvent remplacés par un transformateur tournant, comme dans l'article de E. Zabler et al. intitulé "a non contact strain-gage torque sensor for automotive servo-driven steering systems" dans la revue "Sensors and Actuators" A, 41-42 (1994).They measure the deformation of a structure under the effect of the applied torque. They are powered by sliding contacts, often replaced by a rotary transformer, as in the article by E. Zabler et al. entitled "a non contact strain-gage torque sensor for automotive servo-driven steering systems" in the journal "Sensors and Actuators" A, 41-42 (1994).

Les solutions capacitives existent également et sont mentionnées dans un article de Reinoud F. Wolffenbuttel "non contact capacitive torque sensor for use on a rotating axel", IEEE Trans. Instr. Meas., Vol 39, N .6. Dec. 1990. Elles utilisent le déplacement relatif des armatures d'un condensateur en fonction de la torsion de l'arbre liée au couple appliqué. Capacitive solutions also exist and are mentioned in an article by Reinoud F. Wolffenbuttel "non contact capacitive torque sensor for use on a rotating axel", IEEE Trans. Instr. Meas., Vol 39, N. 6. Dec. 1990. They use the relative displacement of the armatures of a capacitor as a function of the torsion of the shaft linked to the applied torque.

De nombreuses solutions de mesures de couple ont également vu le jour ces dernières années et utilisent les propriétés de magnétostriction des matériaux. Many torque measurement solutions have also emerged in recent years and use the magnetostriction properties of materials.

II existe depuis longtemps des solutions volumineuses pour gros arbres, telles que celles proposées par O. Dahle dans un article "the ring torductor -a torque-gauge, without slip rings, for industrial measurement and control", ASEA
Journal, 1960, Vol 33, No 3;elles utilisent directement la magnétostriction de l'arbre en acier qui subit le couple. Un circuit magnétique est constitué d'un "noyau" porteur d'une ou plusieurs bobines, qui se referme par l'arbre. La réluctance du circuit varie en fonction des modifications de perméabilité magnétique de l'arbre. Les versions ultérieures de ce dispositif consistent en des modifications de la forme du circuit magnétique extérieur (William J. Fleming, "magnetostrictive torque sensors
Comparison of branch, cross and solenoidal designs", SAE technical papers series, 900264) ou bien en sa miniaturisation (I. Sasada et al., "a new thin pickup coil for magnetic head type torque sensors", IEEE Trans. Mag. Vol. 29, No. 6, Nov. 1993).
There have long been voluminous solutions for large trees, such as those proposed by O. Dahle in an article "the ring torductor -a torque-gauge, without slip rings, for industrial measurement and control", ASEA
Journal, 1960, Vol 33, No 3; they directly use the magnetostriction of the steel shaft which undergoes the torque. A magnetic circuit consists of a "core" carrying one or more coils, which is closed by the shaft. The reluctance of the circuit varies with changes in the magnetic permeability of the shaft. Later versions of this device consist of modifications to the shape of the external magnetic circuit (William J. Fleming, "magnetostrictive torque sensors
Comparison of branch, cross and solenoidal designs ", SAE technical papers series, 900264) or in its miniaturization (I. Sasada et al.," A new thin pickup coil for magnetic head type torque sensors ", IEEE Trans. Mag. Vol. 29, No. 6, Nov. 1993).

Les solutions présentées par I. J. Garshelis dans un certain nombre d'articles (dont "a torque transducer utilizing a circularly polarized ring", IEEE Trans. The solutions presented by I. J. Garshelis in a number of articles (including "a torque transducer utilizing a circularly polarized ring", IEEE Trans.

Mag. Vol. 28, N" 5, Sept. 1992 et "a torque transducer utilizing two oppositely polarised rings", IEEE Trans. Mag., Vol. 30, No. 6, Nov. 1994) utilisent un matériau magnétostrictif en forme d'anneau, polarisé, et rendu solidaire de l'arbre qui se déforme sous forme d'un manchon. La mesure du champ se fait à l'aide de sondes à effet Hall placées au-dessus de l'arbre et est une image du couple appliqué.Mag. Flight. 28, N "5, Sept. 1992 and" a torque transducer utilizing two oppositely polarized rings ", IEEE Trans. Mag., Vol. 30, No. 6, Nov. 1994) use a ring-shaped magnetostrictive material, polarized , and made integral with the tree which deforms in the form of a sleeve. The measurement of the field is made using Hall effect probes placed above the tree and is an image of the applied torque.

Les solutions de K. Harada et I. Sasada ("torque transducers with streesensitive amorphous ribbons of chevron-pattern", IEEE. Trans. Mag., Vol. MAG-20, N". 5, Sept. 1984) utilisent elles aussi la magnétostriction de matériaux amorphes collés sous forme de fins rubans sur l'arbre qui se déforme. La mesure se fait par l'intermédiaire d'une bobine excitatrice du circuit magnétique et d'une bobine réceptrice, dont l'inductance varie en fonction de la perméabilité du matériau, donc du couple. The solutions of K. Harada and I. Sasada ("torque transducers with streesensitive amorphous ribbons of chevron-pattern", IEEE. Trans. Mag., Vol. MAG-20, N ". 5, Sept. 1984) also use the magnetostriction of amorphous materials glued in the form of thin ribbons on the deforming tree. The measurement is made via an exciter coil of the magnetic circuit and a receiver coil, the inductance of which varies according to the permeability of the material, therefore of the torque.

II existe également d'autres dispositifs permettant la mesure d'une force ou d'un effort. Les solutions les plus classiques sont celles à jauges de contraintes, bien connues de l'homme de l'art, et sont commercialisées par de nombreux fabricants (Trayvou, Kyowa, Interface, Strainsert, Tefal). Les jauges sont collées sur des corps d'épreuve de forme et de propriétés adaptées à la mesure de la force suivant l'axe choisi. There are also other devices allowing the measurement of a force or a force. The most conventional solutions are those with strain gauges, well known to those skilled in the art, and are marketed by many manufacturers (Trayvou, Kyowa, Interface, Strainsert, Tefal). The gauges are glued on test bodies of shape and properties adapted to the measurement of the force along the chosen axis.

Les technologies utilisant les propriétés magnétostrictives de certains matériaux ont également été utilisées pour créer des dispositifs de mesure de force. Technologies using the magnetostrictive properties of certain materials have also been used to create force measurement devices.

(K. Mohri, E. Sudoh, IEEE Trans. Mag., MAG-17, N" 3, 1981).(K. Mohri, E. Sudoh, IEEE Trans. Mag., MAG-17, N "3, 1981).

II existe aussi des dispositifs qui mesurent des forces sur plusieurs axes, tel le dispositif décrit par D. Diddens et al. pour la mesure de forces selon trois axes dans "design of a ring-shaped three-axis micro forceltorque sensor", Sensors and actuators A 46-47 (1995). La technologie utilisée est celle de jauges de contraintes collées sur un corps d'épreuve dessiné afin de se déformer de façon exploitable sous l'effet d'une force. En fait, quatre ponts complets de jauges délivrent des signaux qui permettent de calculer les forces appliquées, moyennant la connaissance de la matrice de sensibilité du corps d'épreuve. Tous les dispositifs de mesure sur plusieurs axes nécessitent la connaissance de la matrice des contraintes appliquées au corps d'épreuve et des dessins parfois compliqués de pièces afin d'arriver à découpler certains efforts et simplifier le traitement des signaux obtenus. There are also devices which measure forces on several axes, such as the device described by D. Diddens et al. for the measurement of forces along three axes in "design of a ring-shaped three-axis micro forceltorque sensor", Sensors and actuators A 46-47 (1995). The technology used is that of strain gauges bonded to a drawn test body in order to deform in an exploitable way under the effect of a force. In fact, four complete bridges of gauges deliver signals which make it possible to calculate the applied forces, by means of the knowledge of the sensitivity matrix of the test body. All the measurement devices on several axes require the knowledge of the matrix of the stresses applied to the test body and the sometimes complicated drawings of parts in order to manage to decouple certain efforts and simplify the processing of the signals obtained.

Parmi les autres technologies utilisées, le brevet FR 2 680 874 présente une structure associant des aimants permanents pour créer dans un entrefer un champ dont la valeur varie beaucoup pour de faibles variations de cet entrefer. Ainsi la force appliquée à la structure la déforme et modifie l'entrefer, donc la valeur de
I'induction mesurée à l'aide d'une sonde à effet Hall. Ce dispositif mesure la force suivant deux axes, à l'aide de plusieurs sondes placées dans l'entrefer à cet effet.
Among the other technologies used, patent FR 2 680 874 presents a structure associating permanent magnets to create a field in an air gap whose value varies a lot for small variations of this air gap. Thus the force applied to the structure deforms it and modifies the air gap, therefore the value of
The induction measured using a Hall effect probe. This device measures the force along two axes, using several probes placed in the air gap for this purpose.

Les capteurs de forces piézo-électriques. utilisent les propriétés de certains matériaux, comme le quartz, pour lesquels une tension apparaît entre deux de leurs faces lorsqu'ils sont soumis à une force mécanique. L'exploitation de ces propriétés conduit à des capteurs, tels ceux de la société Kistler mesurant les forces suivant un ou plusieurs axes. Toutefois, la nature même de la propriété de piézo-électricité ne permet que la mesure de forces alternatives ou variant dans le temps, et non la mesure de la composante continue d'une force. Piezoelectric force sensors. use the properties of certain materials, such as quartz, for which a tension appears between two of their faces when they are subjected to a mechanical force. The exploitation of these properties leads to sensors, such as those from the Kistler company measuring forces along one or more axes. However, the very nature of the piezoelectricity property only allows the measurement of alternative or time varying forces, and not the measurement of the continuous component of a force.

Tous les dispositifs de l'état de l'art sont des dispositifs qui mesurent soit le couple seul, soit une force seule, soit plusieurs forces. Aucun des dispositifs existants ne permet la mesure simultanée des deux grandeurs couple et force. All the devices of the state of the art are devices which measure either the torque alone, or a single force, or several forces. None of the existing devices allows the simultaneous measurement of the two quantities torque and force.

L'invention a pour but de proposer un dispositif simple du point de vue conception et traitement électronique qui mesure à la fois une force et un couple dans une direction orthogonale à la force en un point d'application, et ce, même en continu. The object of the invention is to propose a device which is simple from the point of view of electronic design and processing, which measures both a force and a torque in a direction orthogonal to the force at a point of application, and this, even continuously.

L'invention a donc pour objet un dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k , et de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k, caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces en forme de "U" munies de bobinages sur chaque bras du "U", fixées par le fond du "U" à l'axe, les bras des "U" se faisant face, solidaires de l'axe, et définissant avec un barreau qu'elles encadrent et qui est fixé en son milieu à l'axe, un circuit magnétique avec deux entrefers supérieurs (e1 ,e4) et deux entrefers inférieurs (e2,e3), les deux pièces en forme de "U" et le barreau étant situés dans trois plans différents, décalés parallèlement les uns aux autres pour que sous l'action d'une force exercée dans la direction j, les surfaces des entrefers supérieurs (e1 ,e4) varient en sens inverse des surfaces des entrefers inférieurs (e2,e3), et, sous l'action d'un couple s'exerçant autour de l'axe k, les surfaces d'un entrefer supérieur et de l'entrefer inférieur opposé par rapport à l'axe k varient en sens inverse des surfaces des deux autres entrefers. The invention therefore relates to a device for differential measurement of the torsional torque exerted on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and of the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k, characterized in what it includes two "U" shaped parts provided with coils on each arm of the "U", fixed by the bottom of the "U" to the axis, the arms of the "U" facing each other, integral with the axis, and defining with a bar which they frame and which is fixed in its middle to the axis, a magnetic circuit with two upper air gaps (e1, e4) and two lower air gaps (e2, e3), the two pieces in "U" shape and the bar being located in three different planes, offset parallel to each other so that under the action of a force exerted in direction j, the surfaces of the upper air gaps (e1, e4) vary in direction reverse of the surfaces of the lower air gaps (e2, e3), and, under the action of a couple exerted ant around the axis k, the surfaces of an upper air gap and of the lower air gap opposite with respect to the axis k vary in opposite direction from the surfaces of the other two air gaps.

Le dispositif selon l'invention a une construction simple et permet de connaître l'état d'un dispositif mécanique et les contraintes appliquées sur une pièce.  The device according to the invention has a simple construction and makes it possible to know the state of a mechanical device and the stresses applied to a part.

Le barreau peut présenter des extrêmités et dans ce cas prendre une forme de "H". The bar may have ends and in this case take the form of an "H".

Dans un mode de réalisation préférentiel du dispositif selon l'invention, les surfaces des entrefers sont horizontaux. In a preferred embodiment of the device according to the invention, the surfaces of the air gaps are horizontal.

Dans une variante de réalisation du dispositif selon l'invention, les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction horizontale. In an alternative embodiment of the device according to the invention, the surfaces of the air gaps are inclined relative to the horizontal direction.

Dans un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, les surfaces des entrefers sont verticales. In another embodiment of the device according to the invention, the surfaces of the air gaps are vertical.

Dans une autre variante de réalisation, les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction verticale. In another alternative embodiment, the surfaces of the air gaps are inclined relative to the vertical direction.

Avantageusement, pour un traitement électronique simple les bobinages sont montés en pont magnétique. Advantageously, for simple electronic processing, the coils are mounted on a magnetic bridge.

La valeur de la force de flexion est ainsi proportionnelle à la tension entre un point situé entre les deux premières bobines montées en série et un point situé entre les deux autres bobines montées en série. The value of the bending force is thus proportional to the tension between a point located between the first two coils connected in series and a point located between the other two coils connected in series.

La valeur du couple de torsion est aussi proportionnelle à la tension d'alimentation diminuée de la tension entre le point situé entre les deux premières bobines montées en série et le point situé entre les deux autres bobines montées en série. The value of the torque is also proportional to the supply voltage minus the voltage between the point between the first two coils connected in series and the point between the other two coils connected in series.

D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre illustratif et non limitatif, et des figures annexées dans lesquelles:
-la figure 1 représente un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention avec des surfaces d'entrefers horizontales;
-la figure 2 représente le schéma électronique du dispositif selon l'invention;
-les figures 3a et 3b représentent deux modes de réalisation du dispositif selon l'invention vus de face, avec des surfaces d'entrefers inclinées par rapport à l'horizontale;
-la figure 4a représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, vu de face avec des surfaces d'entrefers verticales;la figure 4b représente le même mode de réalisation vu de profil;
-la figure 4c représente un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention vu en partie de face, avec des surfaces d'entrefers inclinées par rapport à la verticale;
-la figure 5 représente des modes de réalisation particuliers du dispositif selon l'invention.
Other characteristics and advantages of the present invention will appear on reading the following description of preferred embodiments, given by way of illustration and not limitation, and the appended figures in which:
FIG. 1 represents a first embodiment of the device according to the invention with horizontal gap surfaces;
FIG. 2 represents the electronic diagram of the device according to the invention;
FIGS. 3a and 3b represent two embodiments of the device according to the invention seen from the front, with airfoil surfaces inclined relative to the horizontal;
FIG. 4a represents another embodiment of the device according to the invention, seen from the front with vertical airgap surfaces; FIG. 4b represents the same embodiment seen in profile;
FIG. 4c represents another embodiment of the device according to the invention seen partly from the front, with air gap surfaces inclined relative to the vertical;
FIG. 5 represents particular embodiments of the device according to the invention.

Sur la figure 1, le dispositif selon l'invention est constitué d'une pièce 1 qui se déforme sous l'action conjuguée d'une force dans une direction j et d'un couple dans une direction k. II est complété par deux pièces 2 et 4 en forme de "U" fixées par le fond du "U" à la pièce 1, les branches ou bras des "U" se faisant face. In FIG. 1, the device according to the invention consists of a part 1 which deforms under the combined action of a force in a direction j and a torque in a direction k. It is completed by two parts 2 and 4 in the shape of a "U" fixed by the bottom of the "U" to part 1, the branches or arms of the "U" facing each other.

Ces deux pièces sont munies de bobinages. Elles sont séparées par un barreau 3, fixé lui aussi en son milieu à la pièce 1. L'ensemble constitue ainsi un circuit magnétique définissant quatre entrefers, dont deux sont supérieurs et situés au dessus du barreau 3: el, e4, et deux sont inférieurs et situés au dessous du barreau 3: e2, e3. On peut aussi le considérer comme l'assemblage de quatre circuits magnétiques élémentaires correspondant chacun à un entrefer. These two parts are fitted with coils. They are separated by a bar 3, also fixed in its middle to the part 1. The assembly thus constitutes a magnetic circuit defining four air gaps, two of which are higher and located above the bar 3: el, e4, and two are lower and located below the bar 3: e2, e3. We can also consider it as the assembly of four elementary magnetic circuits each corresponding to an air gap.

Les pièces 1 et 3 constituent des branches communes aux circuits élémentaires: la partie la est commune aux circuits 1 et 4, la partie 3a aux circuits 1 et 2, la partie 1 b aux circuits 2 et 3, la partie 3b aux circuits 3 et 4. Chaque circuit est excité par une bobine Bi avec i = 1, 2, 3 ou 4 selon le circuit. Parts 1 and 3 constitute branches common to elementary circuits: part 1a is common to circuits 1 and 4, part 3a to circuits 1 and 2, part 1b to circuits 2 and 3, part 3b to circuits 3 and 4. Each circuit is excited by a Bi coil with i = 1, 2, 3 or 4 depending on the circuit.

Comme cela est visible sur la figure 1, les pièces 2, 3, 4 sont fixées à la pièce 1 dans trois plans différents, décalés parallèlement les uns par rapport aux autres de telle façon que sous l'action d'une force dans une direction j, les surfaces des entrefers ei et e4 diminuent, par exemple, pendant que les surfaces des entrefers e2 et e3 augmentent et réciproquement pour une force de sens oppose. As can be seen in FIG. 1, the parts 2, 3, 4 are fixed to the part 1 in three different planes, offset parallel to each other so that under the action of a force in one direction j, the areas of the air gaps ei and e4 decrease, for example, while the areas of the air gaps e2 and e3 increase and vice versa for a force of opposite direction.

De la même manière, sous l'action d'un couple selon k, les surfaces des entrefers el et e3 diminuent, par exemple, alors que les surfaces des entrefers e2 et e4 augmentent et réciproquement pour un couple de sens opposé.Similarly, under the action of a couple along k, the areas of air gaps el and e3 decrease, for example, while the areas of air gaps e2 and e4 increase and vice versa for a couple of opposite directions.

Dans le mode de réalisation indiqué sur la figure i, les entrefers ont des surfaces planes horizontales. In the embodiment shown in Figure i, the air gaps have horizontal planar surfaces.

Les variations de surface des entrefers se traduisent par des variations de réluctance R (R = I/,uoS, I étant la longueur de l'entrefer, S la section du circuit qui correspond à la surface de l'entrefer, et sso la perméabilité magnétique du vide) de chacun des circuits magnétiques et donc par des variations du flux dans les branches.  The variations in the area of the air gaps result in variations in the reluctance R (R = I /, uoS, I being the length of the air gap, S the section of the circuit which corresponds to the surface of the air gap, and sso the permeability magnetic vacuum) of each of the magnetic circuits and therefore by variations of the flux in the branches.

Les inductances des bobinages varient elles aussi. Or, I'angle de torsion d'un arbre sous l'effet d'un couple est proportionnel à ce couple et la variation de surface des entrefers est proportionnelle à l'angle de torsion. De plus, la flexion d'un arbre sous l'effet d'une force se traduit par un déplacement linéaire en fonction de cette force, et les variations de surface des entrefers sont proportionnelles au déplacement. The inductances of the windings also vary. However, the torsion angle of a shaft under the effect of a torque is proportional to this torque and the variation in area of the air gaps is proportional to the torsion angle. In addition, the bending of a tree under the effect of a force results in a linear displacement as a function of this force, and the variations in surface area of the air gaps are proportional to the displacement.

Les variations des réactances, Xi (i=i à 4), des quatre bobinages sont donc les suivantes:
X1 = X (i - aC + ss F)
X2 = X (i + aC - P F)
X3 = X( 1 C -'3 F)
X4=X(i +ctC+'3F)
avec X = Lo et L = N2/R, et où C est le couple appliqué, F la force appliquée, a et ss deux constantes, L l'inductance au repos, o la pulsation de l'alimentation de la bobine, N son nombre de spires, X la valeur de réactance au repos.
The variations of the reactances, Xi (i = i to 4), of the four coils are therefore the following:
X1 = X (i - aC + ss F)
X2 = X (i + aC - PF)
X3 = X (1 C -'3 F)
X4 = X (i + ctC + '3F)
with X = Lo and L = N2 / R, and where C is the applied torque, F the applied force, a and ss two constants, L the inductance at rest, o the pulsation of the coil supply, N sound number of turns, X the reactance value at rest.

Cette expression signifie que les variations de réactance en fonction de la force et du couple sont linéaires. This expression means that the variations in reactance as a function of force and torque are linear.

Les bobines sont connectées en pont complet, comme il est indiqué à la figure 2. La bobine B1 est connectée en un point B en série avec la bobine B2 et la bobine B3 est connectée en un point A en série avec la bobine B4. Ces deux associations sont connectées en parallèle et l'ensemble est alimenté par une tension alternative E. The coils are connected in full bridge, as shown in Figure 2. The coil B1 is connected at a point B in series with the coil B2 and the coil B3 is connected at a point A in series with the coil B4. These two associations are connected in parallel and the whole is supplied by an AC voltage E.

Une première tension, Vf, est prélevée entre les points A et B, et ainsi évaluée:
Vf=VA - VB
Classiquement Vf est égal à E (X1X4 - X2X3) / (X1 + X2) (X3 + X4)et donc à '3EF
A l'aide d'un montage à amplificateur opérationnel qui additionne les tensions prélevées aux points A et B et soustrait cette somme à la tension d'alimentation, on construit une tension Vc = E - (VA + VB), soit Vc = aE C
Ces deux tensions alternatives s'obtiennent très simplement, et après démodulation elles sont continues et proportionnelles, I'une au couple et l'autre à la force.
A first voltage, Vf, is taken between points A and B, and thus evaluated:
Vf = VA - VB
Classically Vf is equal to E (X1X4 - X2X3) / (X1 + X2) (X3 + X4) and therefore to '3EF
Using an operational amplifier assembly which adds the voltages taken at points A and B and subtracts this sum from the supply voltage, a voltage Vc = E - (VA + VB) is constructed, ie Vc = aE VS
These two alternating voltages are obtained very simply, and after demodulation they are continuous and proportional, one to the torque and the other to the force.

Toutes les variations et exploitations se font de façon linéaire. All variations and operations are done in a linear fashion.

Cette linéarité à tous les niveaux présente un très grand intérêt, puisque cela permet une construction et une exploitation très simples de l'information, et la mesure en continu du couple et de la force. This linearity at all levels is of great interest, since it allows very simple construction and use of information, and the continuous measurement of torque and force.

L'intérêt du dispositif selon l'invention réside dans sa simplicité : les pièces sont mécaniquement simples à réaliser. La pièce 1, qui sert de corps d'épreuve, doit être ferromagnétique. Les propriétés mécaniques du fer doux n'étant pas très bonnes, on peut remédier à cet inconvénient en réalisant cette pièce dans un matériau aux propriétés mécaniques choisies et en la manchonnant par du fer doux. The advantage of the device according to the invention lies in its simplicity: the parts are mechanically simple to produce. Piece 1, which serves as the test body, must be ferromagnetic. The mechanical properties of soft iron not being very good, this drawback can be remedied by making this part in a material with selected mechanical properties and by sleeving it with soft iron.

Les pièces 2, 3 et 4 sont ferromagnétiques. Parts 2, 3 and 4 are ferromagnetic.

Les grandeurs délivrées par le dispositif ne sont sensibles qu'à celles que l'on veut mesurer, couple selon k et force selon j. Par exemple, si la pièce 3 est suffisamment longue dans la direction de i, alors le dispositif est insensible à une force appliquée selon i. Ce découplage des grandeurs est primordial pour un traitement simple des mesures. The quantities delivered by the device are only sensitive to those that we want to measure, torque according to k and force according to j. For example, if the piece 3 is long enough in the direction of i, then the device is insensitive to a force applied along i. This decoupling of the quantities is essential for a simple processing of the measurements.

Le dispositif selon l'invention mesure la force et le couple de façon différentielle. Ceci est lié à l'utilisation d'un pont complet et au fait que les inductances varient en sens opposés, deux à deux, pour chacun des types de sollicitation, couple ou force. L'intérêt d'une structure différentielle réside dans son effet linéarisant des caractéristiques électriques et dans son insensibilité au premier ordre aux dérives liées à des variations de température, ainsi que dans un accroissement de la sensibilité du dispositif par rapport à une structure simple de mêmes caractéristiques. The device according to the invention measures the force and the torque differently. This is linked to the use of a full bridge and to the fact that the inductors vary in opposite directions, two by two, for each of the types of stress, torque or force. The advantage of a differential structure lies in its linearizing effect of electrical characteristics and in its first-order insensitivity to drifts linked to temperature variations, as well as in an increase in the sensitivity of the device compared to a simple structure of the same characteristics.

Le réglage initial des positions relatives des différentes pièces se fait de façon à ce que les quatre réluctances soient égales pour les valeurs de force et de couple choisies comme valeurs de repos, ces valeurs pouvant être nulles ou non. The initial adjustment of the relative positions of the different parts is done so that the four reluctances are equal for the force and torque values chosen as rest values, these values being able to be zero or not.

Les entrefers peuvent avoir d'autres formes, adaptées pour obtenir de meilleures performances du capteur, notamment en sensibilité. Le barreau peut avoir en particulier une forme de "H" comme cela est représenté sur la figure 5a. The air gaps can have other shapes, adapted to obtain better sensor performance, in particular in sensitivity. The bar can in particular have an "H" shape as shown in FIG. 5a.

La figure 4a montre également une forme de "H", dans laquelle les extrêmités du barreau forment avec les branches des "U" des entrefers avec des surfaces verticales. Le profil de la figure 4b montre les deux pièces en forme de "U" et le barreau dans des plans parallèles décalés. FIG. 4a also shows a form of "H", in which the ends of the bar form with the branches of the "U" air gaps with vertical surfaces. The profile of Figure 4b shows the two U-shaped parts and the bar in offset parallel planes.

A titre d'exemple, les entrefers peuvent avoir des surfaces en plan incliné, comme sur les figures 3a, 3b, 4c et 5b. By way of example, the air gaps can have surfaces in an inclined plane, as in FIGS. 3a, 3b, 4c and 5b.

Le dispositif selon l'invention trouve son application dans l'optimisation des dimensions à donner à des pièces mécaniques soumises à des efforts.  The device according to the invention finds its application in the optimization of the dimensions to be given to mechanical parts subjected to forces.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k, caractérisé en ce qu'il comprend deux pièces en forme de "U" (2,4), munies de bobinages sur chaque bras du "U", fixées par le fond du "U" à l'axe, les bras des "U" se faisant face, solidaires de l'axe, et définissant avec un barreau (3) qu'elles encadrent et qui est fixé en son milieu à l'axe, un circuit magnétique avec deux entrefers supérieurs (e1 ,e4) et deux entrefers inférieurs (e2,e3), les deux pièces (2,4) en forme de "U" et le barreau (3) étant situés dans trois plans différents, décalés parallèlement les uns aux autres pour que sous l'action d'une force exercée dans la direction j, les surfaces des entrefers supérieurs (e1 ,e4) varient en sens inverse des surfaces des entrefers inférieurs (e2,e3), et, sous l'action d'un couple s'exerçant autour de l'axe k, les surfaces d'un entrefer supérieur et de l'entrefer inférieur opposé par rapport à l'axe k varient en sens inverse des surfaces des deux autres entrefers. 1.A device for differential measurement of the torsional torque exerted on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and of the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k, characterized in that it comprises two "U" shaped parts (2,4), provided with windings on each arm of the "U", fixed by the bottom of the "U" to the axis, the arms of the "U" facing each other, integral with the axis, and defining with a bar (3) which they frame and which is fixed in its middle to the axis, a magnetic circuit with two upper air gaps (e1, e4) and two lower air gaps (e2, e3), the two U-shaped parts (2,4) and the bar (3) being located in three different planes, offset parallel to each other so that under the action of a force exerted in direction j, the surfaces upper air gaps (e1, e4) vary in opposite direction to the surfaces of the lower air gaps (e2, e3), and, under the action of a couple acting around from the k axis, the surfaces of an upper air gap and of the lower air gap opposite with respect to the k axis vary in opposite direction from the surfaces of the other two air gaps. 2.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe selon la revendication 1, caractérisé en ce que le barreau a une forme en "H" 2. A device for differential measurement of the torsional torque acting on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis according to claim 1, characterized in that that the bar has an "H" shape 3.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont horizontales. 3.Device for differential measurement of the torsional torque exerted on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis according to one of claims 1 or 2, characterized in that the surfaces of the air gaps are horizontal. 4. Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction horizontale. 4. Device for differential measurement of the torsional torque exerted on a deformable shaft in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k according to one of claims 1 or 2, characterized in that the surfaces of the air gaps are inclined relative to the horizontal direction. 5. Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont verticales. 5. Device for differential measurement of the torsional torque exerted on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k according to one of claims 1 or 2, characterized in that the surfaces of the air gaps are vertical. 6.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les surfaces des entrefers sont inclinées par rapport à la direction verticale. 6.Device for differential measurement of the torsional torque acting on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k according to one of claims 1 or 2, characterized in that the surfaces of the air gaps are inclined relative to the vertical direction. 7. Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les bobinages sont montés en pont magnétique. 7. Device for differential measurement of the torsional torque exerted on a deformable shaft in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k according to one of claims 1 to 6, characterized in that the coils are mounted on a magnetic bridge. 8.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon la revendication 7, caractérisé en ce que la valeur de la force de flexion est proportionnelle à la tension entre un point situé entre les deux premières bobines montées en série et un point situé entre les deux autres bobines montées en série. 8. A device for differential measurement of the torsional torque acting on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k according to claim 7, characterized in that the value of the bending force is proportional to the tension between a point located between the first two coils connected in series and a point located between the two other coils connected in series. 9.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la valeur du couple de torsion est proportionnelle à la tension d'alimentation diminuée de la tension entre le point situé entre les deux premières bobines montées en série et le point situé entre les deux autres bobines montées en série. 9. A device for differential measurement of the torsional torque exerted on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k according to claim 7 or 8, characterized in that the value of the torque is proportional to the supply voltage minus the voltage between the point between the first two coils connected in series and the point between the two other coils connected in series. 10.Dispositif de mesure différentielle du couple de torsion s'exerçant sur un arbre déformable en rotation suivant un axe k, et de mesure de la force de flexion appliquée selon une direction j perpendiculaire à l'axe k selon la revendication 7 ou 8, dans lequel les variations de surface des entrefers se traduisent par des variations de reluctance, caractérisé en ce que les quatre reluctances sont égales pour les valeurs de force et de couple choisies comme valeurs de repos, ces valeurs pouvant être nulles ou non.  10. A device for differential measurement of the torsional torque exerted on a shaft which is deformable in rotation along an axis k, and for measuring the bending force applied in a direction j perpendicular to the axis k according to claim 7 or 8, in which the variations in the area of the air gaps result in variations in reluctance, characterized in that the four reluctances are equal for the force and torque values chosen as rest values, these values possibly being zero or not.
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