FR2962217A1 - Cellule de charge avec capteurs a fibre optique a reseau de bragg - Google Patents

Abstract

Le présent brevet décrit un dispositif destiné à mesurer une charge. Ce dispositif comprend un premier élément (103) et un second élément (102) destinés à recevoir une charge. Un élément élastique (105) est intercalé entre le premier élément (103) et le second élément (102) et relié à ces derniers par deux extrémités opposées entre elles, de façon à permettre la déformation par flexion dudit élément élastique (105) lorsque la charge est appliquée au premier élément (103) ou au second élément (102). Au moins un capteur à fibre optique, destiné à mesurer la déformation de l'élément élastique, est fixé à une face de l'élément élastique (105) tournée vers le premier ou le second élément. L'élément élastique est modelé de façon à ce que, lorsque la charge est appliquée au premier élément (103) ou au second élément (102), la face portant le capteur subisse une déformation particulièrement constante sur toute la longueur du capteur. Un train utilisant un tel dispositif pour mesurer la force échangée entre le pantographe du train et la caténaire est également décrit.

Description

CELLULE DE CHARGE AVEC CAPTEURS À FIBRE OPTIQUE À RÉSEAU DE BRAGG La présente invention a trait à un dispositif destiné à mesurer une charge selon le préambule de la revendication 1.

À l'heure actuelle, il existe des dispositifs permettant 10 de mesurer les charges agissant sur eux ; ces dispositifs sont typiquement nommés « cellules de charge ». Dans les cellules de charge électriques à extensomètres (dont la résistance électrique varie selon la déformation subie), un ou plusieurs extensomètres sont appliqués à un 15 élément élastique, par exemple une plaque métallique, destiné à recevoir la charge à mesurer. En relevant la variation de tension aux extrémités (typiquement un pont de relever l'intensité de 20 élastique. Un exemple de électriques est illustré du circuit de l'extensomètre Wheatstone), il est possible de la charge déformant l'élément cellule de charge à extensomètres par le brevet n°US 4 506 557. Ces cellules de charge présentent l'inconvénient d'être sensibles aux perturbations électriques et ne peuvent donc pas être efficaces en présence de champs électromagnétiques importants 25 tels que ceux générés par des câbles où circule une haute tension (de l'ordre de plusieurs milliers de volts). L'autre inconvénient de ces cellules est qu'elles nécessitent une alimentation. En cas d'application à proximité de hautes tensions, il devient dangereux de fournir l'alimentation par 30 un câble, une batterie est donc utilisée mais cette dernière nécessite de l'entretien. Ces cellules sont également sensibles aux liquides conducteurs (tels que l'eau), qui peuvent oxyder les composants électriques de ces dernières ou y créer un court-circuit. C'est pour cette raison que ces cellules sont peu adaptées à l'utilisation dans des lieux exposés à la pluie. Il existe également des cellules de charge comprenant des capteurs à fibre optique utilisant des réseaux de Bragg, alignées à l'axe de mesure et montées sur des éléments élastiques. Lorsque l'élément élastique est soumis à une charge, le réseau subit une déformation égale à celle de l'élément élastique ; il est donc possible de mesurer l'intensité de la charge déformant l'élément élastique en envoyant une impulsion lumineuse et en relevant la variation de la radiation lumineuse réfléchie par la fibre optique. Un exemple de cellule de charge monoaxiale de type optique est illustré dans le brevet n°US 2007/0 107 529.

Ces cellules de charge optiques sont insensibles aux perturbations électriques mais elles nécessitent que le réseau subisse une déformation la plus constante possible en direction longitudinale. Pour obtenir des cellules de charge aux dimensions plus compactes, des dispositifs en forme de S, dans lesquels l'élément élastique central est sollicité et déformé par un moment de flexion transmis par deux plaques auxquelles l'élément élastique lui-même est relié sont utilisés. Un exemple de cellule de charge en S est illustré dans le brevet n° US 4 565 255. Un exemple de cellule de charge en S comprenant des capteurs optiques à réseau de Bragg est illustré dans l'article scientifique suivant : Chuan Li, Yu Wang, Zhou Wan, Yan Chen, Jiang-Chun Xu, Xiao-Ping Xu, « Fiber Bragg grating weighing sensor of beam with two parallel fioles », Sensors and Actuators A 154 (2009). Cette solution comprend deux orifices transversaux passant dans l'élément élastique, dans lesquels quatre réseaux de Bragg sont insérés.

Cette solution présente néanmoins quelques inconvénients. Par exemple, il est très difficile de coller des capteurs dans la zone interne de l'élément élastique de cette cellule de charge.

L'objectif de la présente invention est de présenter un dispositif en mesure de résoudre plusieurs problèmes posés par la technique antérieure. En particulier, la présente invention a pour objectif de présenter un dispositif de mesure d'une charge qui puisse obtenir une mesure avec un bon rapport signal/bruit et qui ait une sensibilité réduite aux perturbations, en particulier aux perturbations électriques. La présente invention a également pour objectif de 15 présenter un dispositif de mesure d'une charge aux dimensions compactes. Ces objectifs, ainsi que d'autres objectifs de la présente invention, seront atteints au moyen d'un dispositif de mesure d'une charge possédant les caractéristiques des revendications 20 jointes, qui constituent une partie intégrante de la présente description. L'idée générale sur laquelle la présente invention est fondée consiste à concevoir un dispositif de mesure d'une charge, de type cellule en S, comprenant au moins un capteur à 25 fibre optique (en particulier à réseau de Bragg) fixé à une face de l'élément élastique tournée vers l'un des deux éléments destinés à recevoir la charge à mesurer. L'élément élastique est moulé de façon à subir, par l'effet de la charge axiale, une déformation constante dans toute la zone sur 30 laquelle le capteur est fixé. En particulier, l'élément élastique est moulé de façon à subir une déformation constante dans une partie située le long de l'axe longitudinal de la face ou des faces portant le ou les capteurs.

La conformation particulière de l'élément élastique rend possible une mesure efficace et exacte de la déformation grâce à plusieurs capteurs à fibre optique à réseau de Bragg, permettant ainsi d'en exploiter les caractéristiques d'immunité aux perturbations électromagnétiques et aux liquides conducteurs ainsi que le fonctionnement sans alimentation électrique. La configuration avantageuse en S du dispositif décrit par l'invention permet de réaliser une cellule de charge aux dimensions compactes et au poids réduit ; ces caractéristiques permettent d'appliquer et d'utiliser ce dispositif même dans des conditions dans lesquelles la présence de cellules de charge encombrantes aurait une influence négative sur la qualité des mesures.

De manière préférée, l'élément élastique comprend des cavités de passage réalisées sur les deux faces tournées vers les éléments recevant la charge. Ces cavités doivent être en mesure de loger la fibre optique et permettent de positionner avec plus d'exactitude les capteurs à réseau de Bragg. Ainsi, les capteurs se trouvent dans des zones majoritairement protégées du contact accidentel avec des corps étrangers. De manière préférée, les cavités de l'élément élastique sont symétriques par rapport à l'axe longitudinal de l'élément élastique et de manière préférée également symétriques par rapport à un plan perpendiculaire à cet axe. Cette symétrie a l'avantage de donner lieu à un état de déformation équilibré sur l'élément élastique lorsque la charge est appliquée. De manière préférée, les cavités ont une forme de trapèze isocèle aux portions raccordées ; cela permet aux zones de déformation constante situées le long de l'axe longitudinal de la face portant le capteur d'être assez étendues pour couvrir une grande surface desdites faces, ce qui facilite l'application des capteurs.

De manière préférée, le dispositif comprend quatre réseaux de Bragg disposés par deux sur deux faces opposées tournées vers les éléments recevant la charge, afin de mesurer quatre déformations respectives. Cela permet de séparer les contributions dues à la charge axiale et au moment de flexion, appliquées au dispositif et permet en outre de compenser les variations de température auxquelles le dispositif est soumis pendant la mise en service. D'autres objectifs et avantages de la présente invention 10 seront évoqués plus clairement dans la description détaillée ci-après.

Quelques exemples de réalisation préférés et avantageux de la présente invention sont décrits à titre d'exemple et ne 15 sont pas restrictifs. Ils font référence aux figures jointes, dans lesquelles : - La Figure 1 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de mesure d'une charge selon la présente invention. 20 - La Figure 2 représente une vue latérale du dispositif de mesure d'une charge illustré en Figure 1. La Figure 3 représente une vue éclatée du dispositif de mesure d'une charge illustré en Figure 1. La Figure 4 représente deux vues d'un élément 25 élastique utilisable dans un dispositif de mesure d'une charge illustré selon la présente invention. - La Figure 5 représente le profil typique des déformations superficielles de l'élément élastique de la Figure 4 lorsqu'une charge est appliquée. 30 - La Figure 6 représente plusieurs exemples de réalisation de l'élément élastique utilisé dans le dispositif de mesure d'une charge selon la présente invention. - La Figure 7 représente l'application de cellules de charge selon la présente invention à un pantographe de train. Les figures susmentionnées illustrent différents aspects et modes de réalisation de la présente invention, dans lesquels des structures, des composants, des matériaux et/ou des éléments similaires sont désignés quand nécessaire par des numéros de référence similaires dans les différentes figures.

Dans l'exemple illustré en Figure 1, un mode de réalisation d'un dispositif 101 selon la présente invention est représenté ; dans la suite ci-après de la présente description, le dispositif sera également appelé « cellule de charge » ou plus simplement « cellule ».

La cellule 101, représentée en configuration assemblée en Figure 1, comprend deux éléments substantiellement parallèles : une plaque 102 et une plaque 103. Les plaques 102 et 103 sont reliées de manière rigide à un élément élastique 105 intercalé entre elles ; la liaison rigide est réalisée grâce à des moyens qui seront décrits plus en détail L'élément élastique 105 est de manière préférée matériau métallique d'une limite d'élasticité manière préférée résistant aux agents atmosphériques ; un matériau présentant de telles caractéristiques peut être l'acier inoxydable. Généralement, d'autres éléments de la cellule de charge, c'est-à-dire les plaques 102 et 103, sont réalisés de manière préférée dans le même matériau. De plus, la plaque 103 comprend un connecteur pour fibre 30 optique 104. Dans la Figure 2, une vue latérale de la cellule de charge 101 est illustrée ; dans cette figure, la configuration en S est visible : en effet, la plaque 103 est reliée par la par la suite réalisé dans élevée et un de saillie 201 à l'élément élastique 105 au niveau d'une extrémité 205a, alors que la plaque 102 est reliée par la saillie 202 à l'extrémité opposée 205b de l'élément 205. Lorsque la cellule de charge est en service, elle est reliée à une structure soumise à une charge 203 schématisée par les flèches sur la figure ; la cellule de charge 101 est donc intercalée entre l'élément fournissant la charge 203 (non illustré) et la structure soumise à la charge (non illustrée) qui fournit une réaction égale et contraire à la charge 203, chargeant donc les plaques 102 et 103. La charge 203 est transmise à l'élément élastique 105 grâce aux saillies 201 et 202 ; en présence de la charge 203, l'élément élastique 105 est ainsi principalement sollicité de manière tangentielle et en flexion et présente un état de déformation en conséquence.

La Figure 3 illustre une vue éclatée de la cellule de charge 101. Cette vue représente les éléments déjà décrits de manière plus détaillée ainsi que des éléments non visibles dans la figure précédente. La cellule de charge 101 comprend deux paires de vis filetées 301, chacune de ces paires étant utilisée pour réunir une des plaques 102 ou 103 à l'élément élastique 105, au moyen d'orifices de jonction évasés 302 prévus à cet effet et d'orifices de jonction 303 dans l'élément élastique 105 prévus à cet effet. Les saillies 201 et 202 précédemment décrites sont ainsi réalisées.

La cellule de charge 101 comprend également des goupilles de sécurité 304 qui sont fixées aux plaques 102 et 103. Les goupilles 304 ont une dimension leur permettant de dépasser des plaques 102 et 103, de façon à ce que lorsque la cellule de charge est trop sollicitée et se déforme excessivement en formant des « paquets », les goupilles réagissent à la surcharge et évitent des dégâts irréparables en jouant le rôle d'entretoises d'urgence.

La cellule de charge 101 comprend également des orifices d'interconnexion 305, présents sur chacune des plaques 103 ou 102, auxquelles la charge 203 est appliquée, ce qui permet de monter la cellule en position de travail.

La cellule de charge 101 comprend en outre au moins un capteur à fibre optique à réseau de Bragg (appelé en anglais « Fiber Bragg Grating » et souvent désigné par le sigle FBG), non illustré sur la Figure 3. Ce capteur est collé à une surface de l'élément élastique 105 et permet d'en mesurer la déformation ; le type même de cette déformation peut être lié à la charge 203 à mesurer à laquelle la cellule de charge 101 est soumise. Comme indiqué, un réseau de Bragg est une structure installée à l'intérieur d'une fibre optique monomodale. À l'intérieur de cette portion de la fibre optique, un réseau possédant un pas pouvant réfléchir une partie de la lumière le traversant, en particulier la lumière ayant une longueur d'onde égale au double du pas du réseau lui-même (en tenant compte de l'indice de l'indice de réfraction du verre), est incisé. Une déformation mécanique de la fibre optique produit une variation du pas du réseau ; une variation de la longueur d'onde réfléchie a lieu en conséquence. La longueur d'onde réfléchie peut être mesurée au moyen de centrales d'acquisition adaptées connectées à la cellule de charge (non illustrées), appelées « interrogateurs » ; la variation de longueur d'onde du pic est donc liée à la déformation d'ensemble du réseau. Afin qu'il soit possible d'évaluer avec exactitude la déformation d'ensemble du réseau, il est nécessaire que cette déformation soit le plus uniforme possible sur toute la longueur du réseau. On assiste ainsi à une translation en longueur d'onde du pic de lumière réfléchie par le réseau, plutôt qu'à une dispersion de la lumière réfléchie sur plusieurs longueurs d'onde adjacentes. Dans le cas où ces conditions optimales ne seraient pas remplies ou si l'on en est grandement éloigné, il serait même possible d'assister à un dédoublement du pic, qui empêcherait l'interrogateur d'effectuer une mesure correcte. La cellule de charge 101 inclut au moins une fibre optique comprenant au moins un réseau de Bragg ; cette fibre optique est reliée à l'interrogateur par un câble de raccord en fibre optique ; la liaison peut par exemple être établie grâce à un connecteur 104 de type standard FC avec une prise à branchement rapide, de manière à rendre possible la liaison de la fibre au capteur uniquement quand nécessaire. L'interrogateur (non illustré) fournit la radiation lumineuse transmise par le câble de raccord jusqu'aux capteurs dans la cellule de charge 101 et ce même interrogateur analyse la radiation lumineuse réfléchie par les capteurs qui revient le long du même câble de raccord. De cette façon, il n'est pas nécessaire d'alimenter électriquement la cellule de charge 101. L'emploi de capteurs à fibre optique pour la cellule de charge permet de réaliser les mesures même dans des environnements hostiles puisque ces capteurs optiques sont par nature moins sensibles aux facteurs de perturbation, dus par exemple à des phénomènes atmosphériques, tels que la pluie. De plus, les mesures sont moins perturbées par des effets transitoires de champs électromagnétiques, dus par exemple à des archets électriques situés dans les environs. En outre, il n'est pas nécessaire, lorsque des capteurs en fibre optique sont utilisés, d'intercaler un système de découplage du signal acquis entre la zone de mesure (par exemple soumise à des tensions électriques) et l'interrogateur, la fibre optique ne conduisant pas l'électricité. Un même interrogateur, tel que ceux que l'on trouve dans le commerce, peut être connecté à plusieurs cellules de charge, comprenant chacune plusieurs capteurs à fibre optique à réseau de Bragg, ce qui permet de mesurer plusieurs charges agissant sur différentes cellules en même temps. Les caractéristiques de la cellule de charge 101 décrite jusqu'à présent permettent en outre de réaliser une économie sur les coûts d'exploitation. En effet, comme la cellule de charge 101 est connectée à l'interrogateur au moyen d'un simple câble en fibre et qu'elle n'a besoin d'être alimentée ni par un courant externe, ni au moyen de batteries, les coûts d'installation et d'entretien de la cellule de charge 101 en position de travail sont réduits. De plus, les coûts de mise en sécurité sont également réduits car la cellule 101 n'est pas connectée électriquement à l'interrogateur et n'a par conséquent pas besoin de subir des essais de vérification d'isolation. La Figure 4 représente plus en détail une vue frontale et une vue latérale de l'élément élastique 105, sollicité de manière tangentielle et en flexion, auquel sont rigidement fixés quatre capteurs à fibres optiques à réseau de Bragg 401, 402, 403, 404. Dans le mode de réalisation de la Figure 4, l'élément élastique est symétrique par rapport au plan longitudinal, c'est-à-dire au plan passant par le centre de gravité et sur lequel se trouve la projection de la plus grande surface de l'une des deux faces de plus grande surface. Dans l'exemple de la Figure 4, le plan longitudinal est le plan F, parallèle aux deux faces tournées vers les plaques 102 et 103. Les capteurs à réseau de Bragg 401 et 402 sont rigidement fixés à l'élément élastique 105 sur la face tournée vers la plaque 103, de manière préférée dans la portion centrale 405 située le long de l'axe longitudinal 410 d'une face de l'élément élastique 105. Cette portion 405 peut, de manière préférée, contenir une cavité, dont les dimensions permettent de loger précisément en son sein la fibre optique comprenant les capteurs (dans ce but, la cavité peut avoir, de manière préférée, une largeur comprise entre 1,05 et 15 fois le diamètre de la fibre du capteur et de manière très préférée une largeur comprise entre 2 et 10 fois le diamètre de la fibre du capteur) ; les capteurs 401 et 402 sont fixés rigidement (par exemple collés) sur la surface de la cavité 405, en suivant les déformations de l'élément élastique 105 sur l'axe longitudinal 410, ce qui permet de les mesurer. La cavité 405 est raccordée et se poursuit en la cavité latérale 406, dont la fonction est de permettre de faire passer facilement la fibre optique en excès dans les zones des saillies 201 et 202. De plus, les cavités latérales 406 comprennent des zones curvilignes qui replient de façon contrôlée la fibre optique et qui permettent d'éviter que la fibre optique elle-même soit excessivement pliée, ce qui compromettrait ses propriétés de transmission. Les capteurs à fibre optique à réseau de Bragg 403 et 404 sont rigidement fixés à la surface de l'élément élastique 105, sur la face opposée de l'élément élastique 105 tournée vers la plaque 102 et de manière préférée dans la même position le long de l'axe longitudinal 410. Les capteurs 403 et 404 suivent également et permettent de mesurer les déformations locales de l'élément élastique 105 et de remonter à la nature de la charge sollicitant la cellule. Lorsque la fibre optique comprenant les quatre réseaux de Bragg 401, 402, 403, 404 est reliée à l'interrogateur, il est possible d'effectuer une lecture simultanée de la déformation de chaque capteur de façon séparée ; pour ce faire, il est nécessaire que le pas de chaque réseau soit assez différent de celui des autres, de façon à réfléchir des longueurs d'onde de pic assez différentes pour être mesurées avec exactitude. De cette façon, il est possible d'évaluer quatre grandeurs de déformation, à utiliser séparément ou simultanément pour une estimation plus exacte de la sollicitation de l'élément élastique 105. Il est possible de recourir à diverses méthodes pour calculer les grandeurs recherchées. Une première méthode très simple suppose que les capteurs soient tous égaux et aient la même sensibilité. Une seconde méthode propose de recourir à l'emploi de matrices d'étalonnage et ses résultats se révèlent plus exacts, elle est donc conseillée.

La première méthode va à présent être décrite. Grâce à la disposition des capteurs représentée en Figure 4 et en indiquant la déformation mesurée par chaque capteur par E et la sensibilité de la cellule de charge à la force agissante mesurée par chaque capteur par SF, il est possible d'évaluer l'importance de la force F agissant sur la cellule selon la relation suivante : F - (+E401 - E402 - E403 + E404) /SF De plus, il est possible d'évaluer séparément le moment de flexion Mf agissant sur la cellule de charge en ayant connaissance de la sensibilité SMf de la cellule de charge au moment de flexion, selon la relation suivante : Mf - (+E401 + E402 - E403 - E404) /SMf En outre, toujours grâce à la composition des déformations selon les relations précédentes, il est possible de compenser les déformations isotropes de l'élément élastique dues à des variations de la température de travail de la cellule de charge. La variation parasite AFT de la force estimée, en raison de la température, qui induit un allongement isotrope (c'est-à-dire avec la déformation ET constante) sur les quatre capteurs, se révèle être en effet égale à zéro : AFT - (+ET-401 - ET-402 - ET-403 + ET-404) /SF - 0 De manière similaire, grâce au positionnement de quatre capteurs, il est possible d'obtenir d'autres informations, bien que moins précises, telles que par exemple l'intensité de la force transversale en direction axiale aux capteurs agissant sur la cellule de charge. Une seconde méthode permet d'obtenir toutes ces grandeurs par la composition numérique des quatre mesures de déformation E brutes, au moyen d'une matrice d'étalonnage adaptée, définie par une procédure numérique d'évaluation des grandeurs en sortie de la cellule de charge, lorsqu'elle est soumise à des charges connues.

Au moyen d'un processus de minimisation de l'erreur quadratique moyenne entre la charge appliquée et les déformations mesurées, il est possible, en phase d'étalonnage, de définir un ensemble de coefficients KF et KMf afin d'obtenir respectivement une estimation de la force F et du moment Mf appliqués à la cellule de charge, du type : F = (+KF1*E4o1 + KF2*E4o2 + KF3*E4o3 + KF4*E4o4) Mf = (+KMf1*E4o1 + KMf2*E402 + KMf3*E403 + KMf4*E404) L'avantage de cette méthode par rapport à la méthode plus simple réside surtout dans la capacité à compenser les inévitables différences de sensibilité des capteurs et les intermodulations. Cette méthode permet en outre d'imposer que les coefficients réalisent la compensation thermique sur l'estimation des charges appliquées. Il convient de noter que l'emploi d'un seul capteur à réseau de Bragg, collé de manière appropriée sur une zone de l'élément élastique 105, pourrait suffire à mesurer la seule composante axiale de la force 203 agissant sur la cellule de charge 101 de la Figure 2 (c'est-à-dire la composante normale au plan de l'élément élastique 105) ; mais il ne serait pas possible de mesurer dans ce cas le moment de flexion agissant et les variations de température de la cellule de charge ne seraient pas compensées. De la même manière, un certain nombre de capteurs peuvent être utilisés, par exemple 2 ou 8, voire même un nombre impair ; néanmoins, le nombre de 4 est le plus avantageux pour les raisons susmentionnées. La cellule de charge 101 selon la présente invention comprend un élément élastique 105 dont la forme doit garantir aux capteurs à fibre optique 401, 402, 403 et 404 une distribution de déformation adaptée afin que les mesures soient le plus justes possibles, c'est-à-dire une déformation constante sur toute la longueur du capteur. Pendant la phase de conception de la cellule de charge, des analyses mécaniques fondées sur l'état de déformation ont été réalisées en utilisant la simulation FEM pour repérer les formes les plus avantageuses de l'élément élastique 105. L'élément élastique 105 comprend deux encoches 420 et 421 présentes le long des deux bords reliant les deux extrémités 201 et 202 jointes aux plaques 102 et 103. Ces encoches 420 et 421 sur les faces de l'élément élastique 105 doivent avoir la capacité d'assurer un état de déformation par flexion présentant au moins deux zones à déformation constante le long de l'axe longitudinal 410 d'une face de l'élément élastique 105. La Figure 5 illustre l'évolution typique des déformations superficielles c,p (indiquées par la courbe 501) sur une face de l'élément élastique 105, sur laquelle sont collés les capteurs à réseau de Bragg 401 et 402. Il est possible de constater comment, étant donné que l'élément élastique 105 soumis à une flexion possède une forme particulière, la variation de déformation 501 est principalement localisée dans la portion centrale de l'élément élastique 105 dans lequel la section résistante est minime et les efforts sont maximums ; la variation de déformation 501 est par conséquent très réduite et presque négligeable dans les zones les plus éloignées du centre des deux encoches 420 et 421.

Les capteurs à réseau de Bragg sont justement placés avec inventivité dans les zones des deux faces dans lesquelles la variation de déformation est limitée. Chacun des capteurs subit une déformation presque constante sur toute sa longueur et se trouve dans les conditions optimales pour effectuer la mesure de déformation le long de l'axe longitudinal 410, optimisant également la qualité de la mesure de la charge à laquelle la cellule est soumise. En effet, comme précédemment décrit, les capteurs à réseau de Bragg sont situés dans une zone dans laquelle la déformation de l'élément élastique est constante sur toute la longueur de réseau. Sur la face opposée de l'élément élastique 105, la distribution de déformation sera analogue au cas déjà décrit en Figure 5, dans lequel les déformations auront la même évolution mais avec un tracé opposé. De même, sur la face opposée, les capteurs 403 et 404 seront positionnés dans les mêmes zones. Les encoches 420 et 421 sont de manière préférée symétriques par rapport à l'axe longitudinal 410 d'une face de l'élément élastique et elles continuent le long des bords de l'élément élastique 105 reliant les deux extrémités 205a et 205b, jointes aux plaques 102 et 103. De plus, de manière préférée, les deux encoches 420 et 421 sont également symétriques par rapport à un axe transversal 411 d'une face de l'élément élastique 105. Grâce à la symétrie des encoches 420 et 421, l'élément élastique présente un état de sollicitation symétrique, qui génère de manière avantageuse des déformations symétriques et évite tout désalignement en phase de mesure. Les encoches 420 et 421 comportent une réduction de section résistante de l'élément élastique 105 ; en particulier la largeur de l'élément élastique le long de l'axe transversal 411 dans la zone comprise entre les deux cavités est minime et la valeur de cette largeur est de manière préférée comprise entre 1/2 et 1/10 de la largeur d'ensemble de l'élément élastique 105 selon la même direction transversale. De manière très préférée, la valeur de cette largeur est comprise entre 1/5 et 1/6 de cette largeur d'ensemble de l'élément élastique 105. De plus, de manière préférée, les encoches 420 et 421 occupent au moins 90 % de la longueur libre des bords de l'élément élastique 105 qui relient les deux extrémités jointes. De manière très préférée, les encoches 420 et 421 occupent toute cette longueur libre. La Figure 6 illustre plusieurs exemples de réalisation d'un élément élastique utilisable avec la cellule de charge faisant l'objet de la présente invention. Chacune des deux faces de l'élément élastique 601 présente des encoches en forme de trapèze isocèle ne comportant pas de raccord ; ces encoches réduisent la largeur transversale de la face à environ 1/7 de la base principale du trapèze isocèle qui contient idéalement chacune des encoches. Les deux faces des éléments élastiques 602 et 604 présentent des encoches à la forme comparables à celles de l'élément élastique 601 ; elles en sont néanmoins différentes car elles possèdent des raccords sur les encoches, dont les rayons de raccordement sont respectivement égaux à 1/8 et 1/20 de la base principale du trapèze isocèle qui contient idéalement chacune des encoches. Les faces de l'élément élastique 603 présentent des encoches plus raccordées par rapport à celles des éléments élastiques 601, 602 et 604. La valeur des rayons de raccordement de l'élément 603 est égale à environ 1/4 de la base principale du trapèze isocèle contenant idéalement chacune des encoches. Dans le cas de l'élément élastique 603, la largeur transversale dans la zone comprise entre les encoches est égale à environ 1/4 de la largeur transversale d'ensemble. Les faces de l'élément élastique 105, utilisé comme exemple préféré dans la description ci-dessus de la cellule de charge, ont une largeur transversale de la zone entre les encoches comprise entre 1/5 et 1/6 de la largeur transversale d'ensemble de l'élément élastique ; ces encoches ont un rayon de raccordement d'une valeur comprise entre 1/5 et 1/6 de la base principale du trapèze isocèle qui contient idéalement chacune des encoches. Enfin, les faces de l'élément élastique 605 comprennent deux encoches semi-circulaires, dont la valeur du rayon est d'environ 3/8 de la largeur transversale d'ensemble de l'élément élastique et par conséquent une largeur transversale dans la zone comprise entre les encoches égales à environ 2/8 de la largeur transversale d'ensemble de l'élément élastique. L'évolution des déformations superficielles sur les faces des éléments élastiques illustrés en Figure 6 sera naturellement différente d'un élément à l'autre. Néanmoins, grâce à la présence des deux encoches, la différence, obtenue au moyen de simulations FEM, se révèle très limitée, en particulier dans les zones dans lesquelles la déformation est constante le long de l'axe longitudinal d'une face de l'élément élastique (105). Par conséquent, tous les modes illustrés ou leurs variantes peuvent être avantageusement utilisés avec des configurations des capteurs à réseau de Bragg analogues à celle représentée en Figure 4. Comme évoqué précédemment, les capteurs à réseau de Bragg sont de manière préférée fixés le long de l'axe longitudinal d'une face de l'élément élastique, dans les zones à déformation substantiellement constante, à l'exception de variations négligeables (inférieures à 10 % de la variation totale de la déformation sur l'élément).

La Figure 7 illustre l'emploi de quatre cellules de charge 701 faisant l'objet de la présente invention, utilisées pour mesurer les forces échangées entre le pantographe 702 d'un train 703 et la caténaire de la ligne électrique 704.

La figure représente une vue latérale et une vue frontale de la disposition des quatre cellules de charge 701. Dans le secteur ferroviaire, les composants en tension constituent un environnement hostile. Ces composants sont le pantographe 702 servant à capter le courant électrique : cet élément est soumis à une tension très élevée, habituellement comprise entre 1 000 V et 25 000 V selon le type de ligne. Il apparaît qu'une cause importante de pannes est liée à la ligne aérienne 704, dont une chute peut interrompre le trafic des trains pendant plusieurs heures ; un autre aspect concerne le captage adéquat entre le frotteur 705 du pantographe et la caténaire de la ligne électrique 704. En raison de l'augmentation de la vitesse des trains, les phénomènes dynamiques d'interaction entre le pantographe et la caténaire prennent de plus en plus d'importance et font l'objet de nombreuses études. Ce contexte est par exemple adapté à l'emploi d'une ou plusieurs cellules de charge 701 selon la présente invention ; naturellement l'emploi de cellules de charge selon la présente invention n'est pas limité à cette branche.

Plusieurs cellules de charge 701 sont positionnées entre l'archet 705 et le pantographe 702 et peuvent mesurer la force échangée entre ces derniers. Afin de mesurer les forces de contact entre le pantographe et la caténaire, en fonction du type de pantographe, deux ou quatre cellules de charge peuvent être utilisées pour identifier tant la force totale échangée avec la caténaire que la position du point de contact.

Les plaques 102 et 103 de la cellule de charge peuvent être optimisées pour être raccordées à des types d'archets ferroviaires variés utilisés sur des trains, au moyen de diverses configurations des orifices d'ajustage 305.

La cellule de charge selon la présente invention comprenant des capteurs passifs à fibre optique, il n'est pas nécessaire de l'alimenter par des batteries, qui se déchargent inévitablement après un certain temps. Par conséquent, la cellule de charge faisant l'objet de la présente invention est idéale dans le cadre d'un emploi dans la surveillance à long terme de pantographes ferroviaires lorsqu'il est difficile d'intervenir, voire même dans la maintenance du moteur. La cellule de charge peut être conçue sur la base des charges habituellement exercées sur un pantographe ferroviaire et avoir pour ces valeurs de force une endurance infinie. Les valeurs pour lesquelles une cellule de charge pour un emploi ferroviaire peut être conçue sont typiquement : - Force mesurable à portée maximale : ±500 N (il est possible de réaliser et de mesurer des valeurs supérieures mais cela n'est pas conseillé dans une utilisation à long terme) - Bruit spectral équivalent : 0.064 N//Hz (avec un interrogateur d'une résolution de 1 pm) - Première fréquence de résonance 250 Hz (portée d'utilisation de 0 Hz à 80 Hz) - Compensation thermique dans la mesure d'une force axiale et du moment de flexion Il est tout à fait possible d'obtenir de plus grandes et de plus petites valeurs, tout simplement en agrandissant ou en rapetissant en proportion les dimensions de la cellule de charge ; ou alors en réalisant un élément élastique de forme et d'épaisseur différentes, ou encore en modifiant de manière adéquate le matériau de l'élément élastique.

Des cellules de charge selon la présente invention de forme et de type nouveaux seront par la suite soumises à un étalonnage, afin de réaliser la matrice de sensibilité de laquelle la valeur des forces auxquelles la cellule est soumise sera extrapolée, grâce à la mesure de la déformation des réseaux de Bragg, comme décrit précédemment. Il est évident que l'homme du métier pourra réaliser de nombreuses variantes, sans pour autant dépasser la portée de la protection liée aux revendications jointes.

Par exemple, une variante possible consiste à modifier l'épaisseur de l'élément élastique 105 en plus de modifier la forme des deux faces, en utilisant des encoches, tel que cela a été décrit. De plus, au lieu d'un seul élément élastique, il serait 15 possible d'intercaler entre les plaques plusieurs éléments élastiques. Une autre possibilité consiste à réaliser, en plus des encoches, des orifices dans les faces de l'élément élastique ; ces orifices permettraient de modifier ultérieurement l'état 20 de contrainte et de déformation de l'élément élastique. En outre, il est possible de réfléchir à améliorer la protection mécanique des capteurs internes à la cellule de charge, en insérant cette dernière dans une structure fermée, qui pourrait également être en matière plastique. 25

Claims (16)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure d'une charge, comprenant : un premier élément (103) et un second élément (102) 5 destinés à recevoir une charge, un élément élastique (105) intercalé entre ledit premier élément (103) et ledit second élément (102), et relié auxdits premier et second éléments (103, 102) par deux extrémités (201, 202) opposées, de façon à permettre la déformation en 10 flexion dudit élément élastique (105) lorsque ladite charge est appliquée audit premier élément (103) ou audit second élément (102), et au moins un capteur (401,402,403,404) à fibre optique fixé sur une surface dudit élément élastique (105) servant à 15 mesurer une déformation dudit élément élastique (105), caractérisé par le fait qu'au moins l'un desdits capteurs est fixé sur une face dudit élément élastique (105) tournée vers l'un ou l'autre des éléments susmentionnés (103, 102), ledit élément élastique étant moulé de telle façon que, lorsque 20 ladite charge est appliquée audit premier élément (103) et audit second élément (102), ladite face subisse une déformation particulièrement constante sur toute la longueur dudit au moins un capteur.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit 25 capteur est fixé le long de l'axe longitudinal de ladite face.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit élément élastique présente deux encoches (420, 421) situées sur les bords reliant les deux extrémités susmentionnées (201, 202). 30
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ledit élément élastique (105) est tel qu'une section prise sur un plan orthogonal par rapport à l'axe longitudinal (410) de l'élément élastique est minimale dans la portion dudit élémentélastique (105) comprise entre les encoches (420, 421) susmentionnées.
5. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel la largeur de ladite face est comprise entre la moitié et un dixième, et préférablement entre un cinquième et un sixième, de la largeur maximale de ladite face.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, dans lequel lesdites encoches (420, 421) sont symétriques par rapport à l'axe longitudinal (410) dudit élément élastique.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel lesdites encoches (420, 421) sont symétriques par rapport à un plan orthogonal à l'axe longitudinal dudit élément élastique.
8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel les projections desdites encoches (420, 421) sur ladite face ont une forme de trapèze isocèle.
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, dans lequel les projections desdites encoches (420, 421) sur ladite face ont une forme de polygone particulièrement similaire à un trapèze isocèle mais dont les angles compris entre la deuxième base et les côtés sont biseautés.
10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel au moins un capteur susmentionné comprend quatre éléments à fibre optique à réseau de Bragg (401, 402, 403, 404), les quatre éléments susmentionnés étant disposés par deux sur deux faces opposées dudit élément élastique (105), de façon à mesurer quatre déformations respectives dudit élément élastique (105) quand ladite charge est appliquée.
11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel ladite face comprend une cavité latérale (406) placée à côté de l'une desdites extrémités (201, 202) etcomprenant au moins une courbe curviligne d'une largeur permettant de loger ladite fibre optique.
12. 12. Dispositif selon la revendication 11, dans lequel ladite face comprend une cavité longitudinale (405) disposée le long de l'axe longitudinal (410) de ladite face et raccordée à ladite cavité latérale (406), ladite cavité longitudinale (405) étant faite pour loger au moins un capteur susmentionné (401, 402, 403, 404), ladite cavité longitudinale ayant de manière préférée une largeur comprise entre 1,05 et 15 fois, et de manière encore plus préférée comprise entre 2 et 10 fois, la largeur dudit au moins un capteur (401, 402, 403, 404).
13. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit élément élastique est 15 symétrique par rapport à un plan longitudinal.
14. 14. Utilisation d'un dispositif de mesure d'une charge selon l'une des revendications 1 à 13 pour mesurer la force échangée entre le pantographe (702) d'un train et la caténaire d'une ligne électrique (704). 20
15. 15. Utilisation d'un dispositif de mesure d'une charge selon la revendication 14, dans lequel ledit dispositif est positionné entre ledit pantographe (702) et l'archet (705) dudit pantographe.
16. 16. Train comprenant un pantographe et un dispositif de 25 mesure de la force échangée entre ledit pantographe (702) et la caténaire d'une ligne électrique (704), ledit dispositif étant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13.