FR3076902A1 - Capteur a jauges de contrainte - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur à jauges de contrainte comprenant un pont de mesure implanté sur un support planaire de circuit électronique, le pont de mesure comportant des première et deuxième barrettes de mesure (BD) ayant une même architecture et comprenant chacune un agencement de mesure de déformation (SDD) et un agencement de compensation de dérive (RDD) intégrant une pluralité de jauges de contrainte, les première et deuxième barrettes de mesure étant agencées respectivement sur des première et deuxième faces opposées du support planaire de circuit électronique. Conformément à l'invention, chaque barrette de mesure comprend au moins une section de mesure de déformation (MD) et la section de mesure de déformation comprend au moins une jauge de contrainte de mesure de déformation (RM) ayant un axe de déformation aligné sur un axe longitudinal central (ACD) de la barrette de mesure et un ensemble de jauges de contrainte de compensation de dérive connectées électriquement (RA1, RA2, RB1, RB2) qui bordent spatialement la jauge de contrainte de mesure de déformation, les jauges de contrainte de compensation de dérive ayant chacune un axe de déformation qui est aligné orthogonalement à celui de la jauge de contrainte de mesure de déformation.
Description
CAPTEUR À JAUGES DE CONTRAINTE
L'invention concerne de manière générale la mesure de déformations mécaniques à l'aide de jauges de contrainte dans un environnement fortement exposé aux perturbations. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un capteur à jauges de contrainte intégrant des moyens de compensation de la mesure relativement à des gradients en température et à des phénomènes parasites transitoires. L'invention se rapporte aussi à un dispositif embarqué de mesure de force dans un véhicule de transport pour le pesage, mais pas exclusivement, intégrant le capteur à jauges de contrainte mentionné ci-dessus.
La mesure de force, dite également mesure dynamométrique, est une application bien connue des jauges de contrainte, dites aussi « jauges de déformation », qui se fonde sur la mesure de la déformation élastique d'un corps d'épreuve auquel sont collées les jauges. Il est fait appel généralement à un pont de mesure du type pont de Wheatstone dans lequel sont intégrées une ou plusieurs jauges de contrainte. Les montages en pont de Wheatstone apportent une meilleure sensibilité pour mesurer les faibles variations de la résistance électrique des jauges dues à leurs déformations, par rapport à celle qu'il serait possible d'obtenir avec une simple mesure ohmique de leur résistance électrique. Lorsque deux jauges de contrainte d'une même branche du pont de mesure sont disposées sur des faces opposées de l'élément sous contrainte et travaillent respectivement en compression et en tension, le signal de mesure est doublé par rapport à celui qui serait obtenu avec une seule jauge.
Dans la technique actuelle, il est usuel d'utiliser un montage en pont de Wheatstone complet pour obtenir une compensation de température. Dans un tel montage, les deux branches du pont sont munies de jauges de contrainte et les changements de résistance électrique dus aux variations de température se compensent en théorie automatiquement, dans la mesure où les jauges sont effectivement soumises aux mêmes variations de température.
Dans les environnements difficiles ou des situations de mesure dynamique avec des conditions très changeantes, les jauges peuvent être exposées de manière différente aux perturbations et la compensation automatique théorique apportée par le montage classique en pont de Wheatstone complet n'est pas suffisante. Cela peut être le cas, par exemple, avec un dispositif embarqué de mesure de force dans un camion, un engin de travaux publics, un container maritime, etc.
La mesure de la charge en béton frais portée par un camion malaxeur, appelé communément « camion toupie », est une application particulière du capteur à jauges de contrainte de la présente invention pour laquelle l'entité inventive a été incapable d'identifier une solution satisfaisante, en termes de coût-performances, dans les dispositifs à jauqes de contrainte connus dans l'état de la technique. Dans l'environnement particulièrement agressif d'un camion malaxeur, les montages classiques à pont de Wheatstone fournissent un signal de mesure avec un faible rapport signal/bruit, rendant le signal de mesure inexploitable. En effet, le capteur à jauges de contrainte est très exposé aux perturbations générées, par exemple, par l'exposition au soleil et aux intempéries, les flux d'air chauds ou froids dus au roulage du camion et au mouvement de son réservoir rotatif, l'échauffement des organes proches (freins, amortisseurs, etc.), les projections d'eau et autres. Ces nombreuses perturbations provoquent notamment des gradients de température et des chocs thermiques et, consécutivement, des dérives dans les différentes jauges de contrainte qui dégradent le signal de mesure.
La présente invention vise à pallier aux limitations de la technique antérieure en fournissant un capteur à
| jauges de contrainte de faible | coût et adapté pour | la | |
| mesure dans un environnement | fortement | exposé | aux |
| perturbations. | |||
| Selon un premier aspect, | 1'invention | concerne | un |
capteur à jauges de contrainte comprenant un pont de mesure implanté sur un support planaire de circuit électronique, le pont de mesure comportant des première et deuxième barrettes de mesure ayant une même architecture et comprenant chacune un agencement de mesure de déformation et un agencement de compensation de dérive intégrant une pluralité de jauges de contrainte, les première et deuxième barrettes de mesure étant agencées respectivement sur des première et deuxième faces opposées du support planaire de circuit électronique. Conformément à l'invention, chaque barrette de mesure comprend au moins une section de mesure de déformation, la section de mesure de déformation comprenant au moins une jauge de contrainte de mesure de déformation ayant un axe de déformation aligné sur un axe longitudinal central de la barrette de mesure et un ensemble de jauges de contrainte de compensation de dérive connectées électriquement qui bordent spatialement la jauge de contrainte de mesure de déformation, les jauges de contrainte de compensation de dérive ayant chacune un axe de déformation aligné orthogonalement à celui de la jauge de contrainte de mesure de déformation.
Selon une autre caractéristique particulière, dans chaque barrette de mesure, la section de mesure de déformation peut comprendre des première et deuxième découpes réalisées symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal central de la barrette de mesure et se prolongeant chacune d'un bord longitudinal de la barrette de mesure vers l'axe longitudinal central.
Selon une forme de réalisation particulière, le support planaire de circuit électronique peut être une carte de circuit imprimé double face comprenant une barrette de mesure sur chacune de ses faces.
Selon une autre forme de réalisation particulière, le support planaire de circuit électronique comprend des première et deuxième cartes électroniques et une plaque thermique intermédiaire, les première et deuxième cartes électroniques intégrant respectivement les première et deuxième barrettes de mesure et les première et deuxième barrettes de mesure étant maintenues en contact thermique avec des première et deuxième faces opposées de la plaque thermique intermédiaire.
Selon une caractéristique particulière, la plaque thermique peut être formée dans un matériau flexible et thermiquement conducteur.
Selon une autre caractéristique particulière, la plaque thermique peut avoir un contour externe comprenant des découpes en correspondance avec les découpes des barrettes de mesure.
Selon encore une autre forme de réalisation particulière, dans la section de mesure, la jauge de contrainte de mesure de déformation peut être disposée au centre d'un rectangle d'implantation de la section de mesure de déformation et l'ensemble de jauges de contrainte de compensation de dérive comprend quatre jauges de contrainte de compensation de dérive qui sont disposées respectivement aux quatre coins du rectangle d'implantation.
Selon une autre caractéristique particulière, les quatre jauges de contrainte de compensation de dérive peuvent être connectées électriquement selon un montage en série et en parallèle, avec une connexion en série par paire, et forment une résistance équivalente égale en valeur ohmique nominale à la valeur ohmique nominale de la jauge de contrainte de mesure de déformation.
Selon encore une autre caractéristique particulière, la jauge de contrainte de mesure de déformation et les quatre jauges de contrainte de compensation de dérive peuvent toutes avoir une même valeur ohmique nominale.
Selon une première configuration particulière de câblage, les jauges de contrainte de compensation de dérive connectées en série dans une même paire peuvent être situées dans des coins symétriquement opposés du rectangle d'implantation, par rapport à l'axe longitudinal central.
Selon une deuxième configuration particulière de câblage, les jauges de contrainte de compensation de dérive connectées en série dans une même paire peuvent être situées dans des coins diagonalement opposés du rectangle d'implantation.
Selon encore une autre caractéristique particulière, chacune des barrettes de mesure peut comprendre une pluralité de sections de mesure de déformation, l'agencement de mesure de déformation de la barrette de mesure étant formé de la connexion en série des jauges de contrainte de mesure de déformation des sections de mesure de déformation et l'agencement de compensation de dérive de la barrette de mesure étant formé de la connexion en série des ensembles de jauges de contrainte de compensation de dérive connectées électriquement des sections de mesure de déformation.
Selon encore une autre caractéristique particulière, dans la section de mesure, la jauge de contrainte de mesure de déformation et les jauges de contrainte de compensation de dérive peuvent être des composants électroniques triés et appariés.
Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi un dispositif de mesure de force embarqué dans un véhicule de transport, ou plus généralement sur tout type de structure fixe et/ou mobile dont la charge doit être évaluée, le dispositif comprenant au moins un ensemble formé d'un capteur à jauges de contrainte tel que décrit brièvement ci-dessus qui est fixé sur une lame ressort d'un dispositif de suspension du véhicule de transport.
D'autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières, en référence aux dessins annexés dans lesquels :
la Figure 1 est une vue extérieure en perspective d'une forme de réalisation particulière d'un capteur à jauges de contrainte selon l'invention ;
la Figure 2 est une vue plane simplifiée montrant une implantation du capteur de la Figure 1 dans un véhicule de transport équipé d'un dispositif embarqué de mesure de force ;
la Figure 3 est un schéma électrique simplifié d'un pont de mesure intégré dans le capteur à jauges de contrainte selon l'invention ;
la Figure 4 est une vue plane simplifiée montrant l'architecture générale, incorporant une plaque thermique intermédiaire, du capteur à jauges de contrainte selon l'invention ;
la Figure 5 est une vue en perspective d'un circuit électronique de type stratifié compris dans le capteur à jauges de contrainte selon l'invention ;
la Figure 6 est une vue plane montrant une première carte électronique incluse dans le circuit électronique de type stratifié de la Figure 5 ;
la Figure 7 est une vue plane montrant une deuxième carte électronique incluse dans le circuit électronique de type stratifié de la Figure 5 ;
la Figure 8 est une vue plane montrant une plaque thermique intermédiaire incluse dans le circuit électronique de type stratifié de la Figure 5 ;
la Figure 9 est une vue montrant un agencement spatial des jauges de contraintes dans une section de mesure de déformation incluse dans des barrettes de mesure des cartes électroniques ;
la Figure 10 est un schéma général de la connectique électrique d'un agencement de mesure de déformation et d'un agencement de compensation de dérive implantés dans les barrettes de mesure des cartes électroniques ; et les Figures 11A et 11B montrent deux configurations différentes des sections de mesure de déformation incluses dans les barrettes de mesure des cartes électroniques.
L'invention est maintenant décrite dans le cadre de l'application du capteur à jauges de contrainte dans un dispositif embarqué de mesure de force dans un camion malaxeur. Les Figures 1 et 2 montrent une forme de réalisation particulière SG du capteur à jauges de contrainte selon l'invention et un exemple d'implantation du capteur dans un camion malaxeur TR.
Le capteur à jauges de contrainte SG, visible à la Figure 1 et dans l'agrandissement ZO de la Figure 2, se présente extérieurement sous la forme d'un composant surmoulé avec une résine RE. Un circuit électronique ED, dont des orifices de fixation mécanique OR apparaissent à la Figure 1, est surmoulé avec la résine RE et comporte l'ensemble des éléments fonctionnels nécessaires à la mesure, notamment, le pont de mesure à jauges de contrainte, les circuits de mesure, une source d'alimentation électrique telle qu'une pile au lithium et des moyens de connectivité externe. Ainsi, le capteur à jauges de contrainte SG pourra comprendre typiquement des moyens de numérisation du signal de mesure analogique fourni par le pont de mesure et des moyens radio d'émission/réception pour une liaison de communication de données avec une application logicielle de mesure de force ou de pesage. Cette application pourra, par exemple, être hébergée dans un dispositif informatique (non représenté), tel qu'un téléphone mobile intelligent, également connu sous l'appellation « smartphone » ou une tablette, en communication de données, par exemple via un protocole de communication de type Bluetooth (marque déposée) ou tout autre équivalent, avec le capteur à jauges de contrainte SG.
En référence à la Figure 2, dans cet exemple d'application de l'invention, le capteur à jauges de contrainte SG est fixé par collage sur un ressort à lames LA du camion TR. Le ressort à lames LA fait ici partie du dispositif de suspension d'un double train arrière qui portent les roues arrière WH du camion.
L'agrandissement ZO de la Figure 2 montre le capteur à jauges de contrainte SG qui est collé ici sur la face supérieure de la lame ressort haute LF du ressort à lames LA. Le ressort à lames LA fonctionne en mode élastique et la déformation de la lame haute LF, mesurée par le capteur à jauges de contrainte SG, est représentative du poids du camion TR. Le dispositif embarqué de mesure de force peut donc être étalonné pour déterminer la charge transportée par le camion TR à partir du signal de mesure fourni par le capteur à jauges de contrainte SG. Cependant, le capteur à jauges de contrainte selon l'invention ne saurait être limité à la seule fixation dudit capteur sur une lame de ressort d'un dispositif de suspension d'un véhicule de transport. Le capteur selon l'invention pourra plus généralement être fixé sur tout élément de structure du véhicule de transport, tel que, à titre d'exemple non limitatif le châssis, susceptible de subir une déformation suite à l'application d'une force sur ledit élément de structure, comportant ledit capteur à jauges de contrainte.
Comme montré à la Figure 3, le circuit électronique ED, dont seul le pont de mesure WB à jauges de contrainte est représenté ici, fait appel à un montage en demi-pont de Wheatstone.
Le pont de mesure WB comprend une première branche BR située à droite dans le dessin et une deuxième branche BL située à gauche. La branche de droite BR est formée de deux agencements bipolaires de mesure de déformation SDd et SDu comprenant chacun une pluralité de jauges de contrainte qui ont à charge la mesure de la déformation. La branche de gauche BL est formée de deux agencements bipolaires de compensation de dérive RDd et RDu comprenant chacun une pluralité de jauges de contrainte qui ont à charge la compensation des dérives. A la Figure 3, les agencements bipolaires SDd, SDu et RDd et RDu sont représentés par des dessins de jauges de contrainte et de résistances. On notera que ces dessins ne sont que des représentations symboliques et simplifiées et ne définissent pas ces agencements bipolaires SDd, SDu et RDd et RDu dont des exemples de réalisation particuliers sont décrits plus en détail par la suite.
Comme montré schématiquement à la Figure 4, dans la forme de réalisation du capteur à jauges de contrainte SG décrite plus particulièrement ici, le circuit électronique ED est réalisé sur un support planaire de circuit électronique SP ayant une structure de type stratifiée. Le support planaire de circuit électronique SP est flexible et élastique et comprend ici notamment une carte électronique inférieure ECD, un carte électronique supérieure ECu et une plaque thermique intermédiaire TP qui sont superposées et assemblées selon une architecture de type sandwich. L'architecture du circuit électronique ED est mieux visible dans le dessin en perspective de la Figure 5.
Comme cela apparaît à la Figure 4, la carte électronique inférieure ECD est celle qui est en proximité immédiate avec la face supérieure de la lame LF et porte l'agencement de mesure de déformation SDd qui travaille en compression et l'agencement de compensation de dérive RDd. La carte électronique supérieure ECu porte l'agencement de mesure de déformation SDu qui travaille en tension et l'agencement de compensation de dérive RDu. Le capteur SG a préférentiellement été décrit dans le cadre de mesures de déformation en compression et en tension. En variante ou en complément, dans le cas de mesures en extension, en compression ou en cisaillement, l'agencement mutuel des jauges de mesure de déformation pourra être adapté en conséquence selon les connaissances de l'homme du métier de manière à pouvoir mesurer une telle déformation.
On notera que dans d'autres formes de réalisation de l'invention, la plaque thermique intermédiaire TP sera absente et les cartes électroniques ECD, et ECu seront remplacées par une seule carte électronique de type double face formant le support planaire de circuit électronique et portant les agencements SDd et RDd sur une première face et les agencements SDu et RDu sur l'autre face. Le support planaire de circuit électronique pourra être formé d'une carte de circuit imprimé classique ou de tout autre support ou substrat de circuit électronique connu de l'homme du métier et présentant des caractéristiques de flexibilité et d'élasticité.
En référence de nouveau à la Figure 3, une pile BAT et un régulateur de tension REG sont prévus dans le circuit électronique ED et assurent la fourniture d'une tension d'alimentation réqulée VAR pour l'alimentation du pont de mesure WB. La régulation de la tension VAR est importante pour la précision de la mesure.
La tension VAR est appliquée entre des points de connexion opposés PA et Pc du pont de mesure WB. Le signal de mesure A/M est prélevé entre des points de connexion opposés PB et PD du pont de mesure WB. Le point de connexion PA raccorde électriquement des premières bornes des agencements SDd et RDd. Le point de connexion Pc raccorde électriquement des premières bornes des agencements SDu et RDu. Le point de connexion PB raccorde électriquement des deuxièmes bornes des agencements SDd et SDu. Le point de connexion PD raccorde électriquement des deuxièmes bornes des agencements RDd et RDu.
Un convertisseur numérique-analogique DAC est prévu pour le réglage du zéro dans le pont de mesure WB. Le réglage du zéro est obtenu par l'injection d'un courant continu ajustable au niveau du point de connexion PD.
En référence plus particulièrement aux Figures 6 à 10 et 11A, 11B, il est maintenant décrit en détail ci-dessus le circuit électronique ED et les agencements SDd, RDd et SDu, RDu des cartes électroniques inférieure ECD et supérieure ECu pour la forme de réalisation de la Fig. 5 comprenant un support planaire de circuit électronique SP de type stratifié avec une plaque thermique intermédiaire TP.
Comme montré respectivement aux Figures 6 et 7, les cartes électroniques inférieure ECD et supérieure ECu ont des portions formant barrettes de mesure BD et Bu ayant une architecture similaire. La barrette de mesure BD ou Bu comprend un axe longitudinal central ACD, ACu, qui est aligné sur l'axe X d'un repère spatial orthogonal XYZ dont le plan XY est parallèle à la face visible de la barrette de mesure BD, Bu. La barrette de mesure BD, Bu, se prolonge en ses extrémités longitudinalement opposées par des portions de fixation mécanique C1D et C2D, Clu et C2u, qui comportent les orifices de fixation mécanique OR (cf. aussi Figure 1 ) .
Comme montré à la Figure 7, la carte électronique supérieure ECu comprend aussi une portion EL dans laquelle est implantée l'électronique de mesure, la conversion analogique-numérique du signal de mesure, la source d'alimentation électrique, la régulation de tension, les moyens de connectivité externe et autres.
La portion EL est en continuité de matière seulement avec la portion de fixation mécanique C2u et forme ainsi une aile complètement séparée de la barrette de mesure Bu. Avec cette configuration, la flexibilité mécanique de la barrette de mesure Bu n'est pas impactée par la portion EL, cette flexibilité de la barrette étant nécessaire pour la mesure de la déformation. Il pourra également être envisagé, dans un mode de réalisation particulier, de dissocier la portion EL de la carte électronique ECU, telles que les portions EL et ECU puissent être connectées par une liaison filaire ou par tout type de moyens de couplage sans fil connus de l'homme du métier.
Dans cette forme de réalisation particulière, chaque barrette de mesure BD, Bu, est divisée en sept sections de mesure de déformation, référencées MC1D à MC7D pour la barrette de mesure BD et MClu à MC7u pour la barrette de mesure Bu, qui sont juxtaposées côte-à-côte selon l'axe longitudinal central ACD, ACu, de la barrette BD, Bu. Bien entendu, les barrettes de mesure BD, Bu, pourront avoir un nombre de sections de mesure plus ou moins grand selon l'application. Dans une version minimale du capteur à jauges de contrainte SG selon l'invention, chaque barrette de mesure BD, Bu, aura une seule section de mesure.
En référence plus particulièrement à la Figure 9, il est maintenant décrit ci-dessous l'agencement spatial des jauges de contrainte dans une section de mesure de déformation MC des barrettes de mesure BD et Bu, sachant que l'ensemble des sections de mesure MC1D à MC7D et MClu à MC7u ont toutes le même agencement spatial.
La section de mesure MC comprend cinq jauges de contrainte, à savoir, une jauge de contrainte RM dédiée à la mesure de déformation et quatre jauges de contrainte RAi, RA2, RBi et RB2 dédiées à la compensation de dérive. On notera que les jauges de contrainte RM, RAi, RA2, RBi et RB2 ont une disposition spatiale qui s'inscrit dans un rectangle d'implantation SQ. La jauge de contrainte RM est placée au centre du rectangle SQ. Les jauges de contrainte RAi, RA2, RBi et RB2 sont disposées aux quatre coins du rectangle SQ et forment, avec la jauge de contrainte RM, une configuration en « H ».
Les cinq jauqes de contrainte RM, RAi, RA2, RBi et RB2 sont typiquement des composants standard de type CMS (pour « Composant Monté en Surface ») , ayant un substrat en céramique, et sont soudées à la surface de la carte de circuit imprimé PCB de la barrette de mesure. Les cinq jauges de contrainte RM, RAi, RA2, RBi et RB2 sont de même référence, avec les mêmes caractéristiques nominales, et sont de préférence des composants triés et appariés issus d'un même lot de fabrication, de manière à ce que leurs caractéristiques soient les plus proches possibles.
La jauge de contrainte RM, dédiée à la mesure de déformation, est située au centre de la section de mesure MC, sur l'axe longitudinal central AC de la barrette de mesure, et est implantée avec son axe de déformation aligné en X. Les jauges de contrainte RAi, RA2 et RBi, RB2, dédiées à la compensation de dérive, sont implantées sur des bras parallèles A et B de la configuration en « H », respectivement.
Les jauges de contrainte RAi, RA2 et RBi, RB2 ont leurs axes de déformation alignés dans l'axe Y. Les jauges de contrainte RAi et RBi sont situées sur la partie haute des bras parallèles A et B, respectivement. Les jauges de contrainte RA2 et RB2 sont situées sur la partie basse des bras parallèles A et B, respectivement.
Comme visible à la Figure 9, la section de mesure MC comporte deux découpes en encoche, Ei et E2, qui sont réalisées dans la carte de circuit imprimé PCB. Les découpes Ei et E2 sont réalisées symétriquement de part et d'autre de l'axe longitudinal central AC. La découpe Ei, E2, se prolonge entre les jauges RAi et RBi, RA2 et RB2, du bord longitudinal de la carte de circuit imprimé PCB jusqu'au voisinage immédiat de la jauge RM. Les découpes Ei et E2 se prolongent ici suivant l'axe Y.
Les découpes El et E2 ont pour fonction de créer dans la carte de circuit imprimé PCB quatre parties ou îlots, aux quatre coins du rectangle d'implantation SQ, qui restent non contraintes par la déformation à mesurer intervenant suivant l'axe X. C'est dans ces quatre parties non contraintes que sont placées respectivement les jauges RAi, RA2, RBi, RB2, dédiées à la compensation de dérive. Les jauges RAi, RA2, RBi, RB2, ont ainsi peu de sensibilité à la déformation suivant l'axe X, et cela d'autant plus que les axes de déformation de celles-ci sont orientés transversalement ou orthogonalement à l'axe X, c'est-àdire, suivant l'axe Y. Grâce à ces découpes El, E2, la contrainte de la déformation à mesurer est concentrée dans la partie centrale, ou arête centrale, de la section de mesure MC, partie centrale où est située la jauge de contrainte RM dédiée à la mesure de la déformation.
Comme montré à la Figure 6, l'agencement de mesure de déformation SDd est formé de l'ensemble des jauges de contrainte RM disposées selon l'axe longitudinal ACD dans l'arête centrale de la barrette de mesure BD. L'agencement de compensation de dérive RDd est formé de l'ensemble des
| j auges | de | contrainte | RA! | et | RB! | alignées | dans | la | partie |
| haute | de | la barrette | de | mesure | Bd et de | l'ensemble des | |||
| j auges | de | contrainte | ra2 | et | rb2 | alignées | dans | la | partie |
basse de la barrette de mesure BD.
Comme montré à la Figure 7, l'agencement de mesure de déformation SDu est formé de l'ensemble des jauges de contrainte RM disposées selon l'axe longitudinal ACu dans l'arête centrale de la barrette de mesure Bu. L'agencement de compensation de dérive RDu est formé de l'ensemble des
| j auges | de | contrainte | RAi | et | RBi | alignées | dans | la | partie |
| haute | de | la barrette | de | mesure | Bu et de | l'ensemble des | |||
| j auges | de | contrainte | ra2 | et | rb2 | alignées | dans | la | partie |
basse de la barrette de mesure Bu.
La plaque thermique TP, montrée en détail à la Figure 8, a pour fonction d'équilibrer les phénomènes thermiques selon un axe Z, axe orthogonal aux axes X et Y, en facilitant les transferts thermiques entre les jauges de contrainte des barrettes de mesure BD et Bu. Un matériau thermoconducteur ayant une excellente conductivité thermique devra donc être choisi pour la plaque thermique TP. On notera, par ailleurs, que l'épaisseur de la plaque thermique TP permet d'éloigner selon l'axe Z, les barrettes de mesure BD et Bu, ce qui présente l'avantage d'augmenter la sensibilité de mesure du capteur à jauges de contrainte SG. Un matériau ayant aussi une bonne flexibilité mécanique sera utilisé de préférence de manière à pouvoir réaliser une plaque thermique TP de plus grande épaisseur, sans pour autant que cette épaisseur de la plaque TP s'oppose à la déformation des barrettes de mesure. Typiquement, la plaque thermique TP sera en métal, tel que l'aluminium, mais pas exclusivement car d'autres matériaux pourront aussi convenir.
Comme montré à la Figure 8, la plaque thermique TP a un contour externe comprenant des découpes transversales El et E2 en correspondance avec celles des barrettes de mesure BD et Bu. Des portions de connexion mécanique, munies des orifices de fixation mécanique OR, sont également prévues à des extrémités longitudinalement opposées de la plaque thermique TP.
Comme visible en perspective à la Figure 5, la plaque thermique intermédiaire TP est fixée et serrée mécaniquement entre les barrettes de mesure BD et Bu. Les barrettes de mesure BD et Bu sont ainsi maintenues en contact thermique étroit avec les faces opposées de la plaque thermique intermédiaire TP. Dans cette forme de réalisation, la fixation mécanique des barrettes de mesure Bd et Bu et de la plaque thermique intermédiaire TP est faite par collage.
Des connecteurs à broches CXD, CXu, sont prévus dans les cartes électroniques ECD, ECu, pour assurer les connexions électriques entre les barrettes de mesure BD et Bu. Par ailleurs, on notera que les orifices de fixation mécanique OR des cartes électroniques ECD, ECu, seront de préférence métallisés pour favoriser les transferts thermiques entre les barrettes de mesure. Les orifices OR devront être séparés du circuit électrique du capteur SG pour ne pas être polarisés électriquement, compte-tenu de leur fonction de fixation mécanique. On notera aussi que de nombreux vias pourront être réalisés dans les cartes PCB des barrettes de mesure afin de faciliter les transferts thermiques entre celles-ci.
Les schémas électriques des agencements de mesure de déformation SDd, SDu et des agencements de compensation de dérive RDd, RDu sont maintenant décrits en référence aux Figures 10 et 11A, 11B.
A la Figure 10, il est montré le schéma général de la connectique électrique de l'agencement de mesure de déformation et de l'agencement de compensation de dérive, référencés ici SD et RD, implantés dans chacune des barrettes de mesure des cartes électroniques ECD et ECu.
Comme visible à la Figure 10, l'agencement de mesure de déformation SD et l'agencement de compensation de dérive RD sont formés par l'ensemble des sections de mesure, référencées ici MCI à MC7, de la barrette de mesure.
L'agencement de mesure de déformation SD de la barrette de mesure est formé par la connexion électrique en série de l'ensemble des jauges de contrainte RM dans les sections de mesure MCI à MC7. En considérant Rn, la valeur ohmique nominale de chacune des jauges de contrainte RM, la valeur ohmique nominale RSd de l'agencement de mesure de déformation SD est ici égale à RSd = 7.Rn.
Deux configurations différentes de câblage, MCA et MCb, des quatre jauges de contrainte RAi, RA2, RBi et RB2 dédiées à la compensation de dérive dans la section de mesure sont montrées aux Figures 11A et 11B. On notera que les dessins des Figures 11A et 11B conservent l'implantation spatiale des jauges de contrainte qui a été décrite plus haut en référence à la Figure 9.
Dans ces deux configurations des Figures 11A et 11B, les jauges de contrainte RAi, RA2, RBi et RB2 de la section de mesure, décrites en lien avec la figure 9, sont respectivement connectées électriquement en série et en parallèle, avec une connexion en série par paire, et forment un ensemble bipolaire entourant spatialement la jauge de contrainte RM. Lesdites jauges de contraintes RAi, RA2, RBi et RB2 sont respectivement référencées RAiA, RA2a, RBiA et RB2a en figure 11A pour illustrer le câblage MCA. De la même manière, lesdites jauges de contraintes RAi, RA2, RBi et RB2 sont respectivement référencées RAiB, RA2b< RBib et RB2b en figure 11B pour illustrer le câblage MCB. Avec ce montage série/parallèle des jauges de contrainte
RAi, RA2, RBi et RB2, sachant que la valeur ohmique nominale de chacune des jauges de contrainte RAi, RA2, RB2 et RB2 est égale à Rn, comme la jauge RM, la résistance équivalente de l'ensemble bipolaire formé par les jauges de contrainte RAi, RA2, RB2 et RB2, a une valeur ohmique donnée par l'égalité (2.Rn)/2 = Rn.
Comme cela apparaît à la Figure 10, l'agencement de compensation de dérive RD de la barrette de mesure est formé par la connexion électrique en série de tous les ensembles bipolaires des jauges de contrainte RAi, RA2, RB2 et RB2 dans les sections de mesure MCI à MC7. La valeur ohmique nominale Rrd de l'agencement de compensation de dérive RD est donc ici égale à Rrd = 7.Rn.
Le pont de mesure WB (Figure 3) est donc équilibré avec des agencements SDd, RDd, SDu et RDu comportant des jauges de contraintes qui ont toutes la même valeur ohmique nominale égale à Rn dans cet exemple de réalisation, soit une valeur ohmique équivalente égale 7.Rn avec sept sections de mesure connectées en série.
Selon l'application, l'ensemble des sections de mesure MCI à MC7 intégrées dans les barrettes de mesure BD et Bu auront la configuration MCA montrée à la Figure 11A ou celle MCB montrée à la Figure 11B.
Dans la section de mesure de configuration MCA, les deux jauges de contrainte de compensation de dérive faisant partie d'un même bras A, B, sont connectées en série. En d'autres termes, les jauges de contrainte de compensation de dérive qui sont connectées en série par paire sont situées dans des coins symétriquement opposés du rectangle d'implantation SQ (cf. Figure 9), par rapport à l'axe longitudinal central AC. Ainsi, dans la section de mesure de configuration MCA, les jauges de contrainte RAiA et RA2a bras A forment une première paire série et les jauges de contrainte RBiA et RB2A du bras B forment une deuxième paire série.
Dans la section de mesure de configuration MCB, les deux jauges de contrainte alignées selon l'axe Y d'un même bras A, B, ne sont pas connectées en série comme dans la section de mesure de configuration MCA. Le montage en série des deux jauges de contrainte est ici fait avec une connexion croisée d'un bras vers l'autre. En d'autres termes, les jauges de contrainte de compensation de dérive qui sont connectées en série par paire sont situées dans des coins diagonalement opposés du rectangle d'implantation SQ (cf. Figure 9) . Ainsi, la jauge de contrainte RAiB du bras A et la jauge de contrainte RB2b du bras B forment une première paire série et la jauge de contrainte RBiB du bras B et la jauge de contrainte RA2B du bras A forment une deuxième paire série.
Les agencements de compensation de dérive RDd et RDu intégrés dans le capteur à jauges de contrainte SG de la présente invention, avec quatre jauges de compensation de dérive entourant spatialement chaque jauge de contrainte de mesure de déformation, apportent une compensation de dérive qui est supérieure à celle qu'il serait possible d'obtenir avec un montage classique, par exemple, un montage avec une seule jauge de contrainte de compensation de dérive pour chaque jauge de contrainte de mesure de déformation.
A titre d'exemple, en considérant Rn = 100 Ω et r = 1 Ω, r étant une dérive induite par une perturbation, qui est ici égale à 1% de Rn, le tableau Tl ci-dessous montre une erreur δ qui est reportée, consécutivement à la dérive r, sur la valeur ohmique de la résistance équivalente de l'agencement des jauges de contrainte RAi, RBi, RB2 et RA2, pour la section de mesure de configuration MCA (sans croisement dans la connexion des jauges de contrainte) et pour la section de mesure de configuration MCB (avec croisement dans la connexion des jauges de contrainte) .
L'erreur δ est indiquée pour les cas 1) à 4) détaillés cidessous .
| Câblage MCA | Câblage MCB | |
| Cas 1) | δ = 0,498 % | δ = 0,5 % |
| Cas 2 ) | δ = -0,01 % | δ = 0 % |
| Cas 3 ) | δ = 0 % | δ = 0 % |
| Cas 4 ) | δ = -0,0025 % | δ = 0 % |
Tableau Tl
Cas 1) : Ce cas considère une perturbation transitoire qui intervient selon l'axe X ou à l'axe Y et affecte seulement, par un accroissement de valeur r, la résistance électrique Rn de chacune des deux jauges de contrainte de la première rangée faisant face à la perturbation dans l'agencement des jauges de contrainte RA2, RBi, RB2 et RA2.
Cas 2) : Ce cas considère un gradient de perturbation établi et orienté selon l'axe X, avec les deux jauges de contrainte de la première rangée faisant face à la perturbation qui sont affectées chacune par un accroissement de valeur r de la résistance électrique Rn et les deux jauges de la deuxième rangée qui sont affectées chacune par une diminution de valeur r de ladite résistance électrique Rn, dans l'agencement des jauges de contrainte RAif RBi, RB2 et R.A.2 ·
Cas 3) : Ce cas considère un gradient de perturbation établi et orienté selon l'axe Y, avec les deux jauges de contrainte de la première rangée faisant face à la perturbation qui sont affectées chacune par un accroissement de valeur r de la résistance électrique Rn de chaque jauge de contrainte concernée et les deux jauges de la deuxième rangée qui sont affectées chacune par une diminution de valeur r de ladite résistance électrique Rn de chaque jauge de contrainte concernées, dans l'agencement des jauges de contrainte RAi, RBi, RB2 et RA2.
Cas 4) : Ce cas considère un gradient de perturbation établi et orienté en « diagonale » c'est-à-dire sensiblement orienté selon un axe coplanaire aux angles X et Y et formant un angle d'environ 45° avec chacun d'eux, avec une jauge de contrainte de la première rangée faisant face à la perturbation qui est affectée par un accroissement de valeur r de la résistance électrique Rn et la jauge diagonalement opposée à la précédente de la deuxième rangée qui est affectée par une diminution de valeur r de la résistance électrique Rn, dans l'agencement des jauges de contrainte RAi, RBi, RB2 et RA2.
Les résultats ci-dessus montrent que la compensation de la dérive r de 1 % est complète ou quasi-complète dans les cas 2), 3) et 4) où les gradients de température sont établis, la section de mesure de configuration MCB présentant ici un avantage de performance. Dans le cas 1), concernant une perturbation transitoire selon l'axe X ou l'axe Y, c'est la section de mesure de configuration MCA qui présente un avantage de performance.
Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d'exemple. L'homme du métier, selon les applications de l'invention, pourra y apporter différentes modifications et variantes. Ainsi, par exemple, la section de mesure de déformation pourra comprendre une ou plusieurs jauges de contrainte de mesure de déformation connectées suivant différents câblages électriques et disposées dans l'axe de mesure de déformation. Par ailleurs, les jauges de contrainte de compensation de dérive pourront être en nombre supérieur ou inférieur à quatre et être câblées électriquement de différentes manières. Des configurations spatiales autres que la configuration rectangulaire plus particulièrement décrite ici pourront également être adoptées pour les jauges de contrainte de compensation de dérive. Bien entendu, les valeurs ohmiques nominales des jauges de contrainte seront choisies notamment en fonction des câblages électriques adoptées, de façon à obtenir un pont de mesure équilibré et la compensation de dérive souhaitée.
Claims (13)
- REVENDICATIONS1. Capteur à jauges de contrainte comprenant un pont de mesure (WB) implanté sur un support planaire de circuit électronique, ledit pont de mesure (WB) comportant des première et deuxième barrettes de mesure (BD, Bu) ayant une même architecture et comprenant chacune un agencement de mesure de déformation (SDd, SDu) et un agencement de compensation de dérive (RDd, RDu) intégrant une pluralité de jauges de contrainte (RM, RAi, RA2, RBi, RB2) , lesdites première et deuxième barrettes de mesure (BD, Bu) étant agencées respectivement sur des première et deuxième faces opposées dudit support planaire de circuit électronique, ledit capteur étant caractérisé en ce que chaque barrette de mesure (BD, Bu) comprend au moins une section de mesure de déformation (MC), ladite section de mesure de déformation (MC) comprenant au moins une jauge de contrainte de mesure de déformation (RM) ayant un axe de déformation aligné (X) sur un axe longitudinal central (AC) de ladite barrette de mesure (BD, Bu) et un ensemble de jauges de contrainte de compensation de dérive connectées électriquement (RAi, RA2, RBi, RB2) qui bordent spatialement ladite jauge de contrainte de mesure de déformation (RM), lesdites jauges de contrainte de compensation de dérive (RAi, RA2, RBi, RB2) ayant chacune un axe de déformation aligné (Y) orthogonalement à celui (X) de ladite jauge de contrainte de mesure de déformation (RM).
- 2. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 1, pour lequel, dans chaque barrette de mesure (BD, Bu) , ladite section de mesure de déformation (MC) comprend des première et deuxième découpes (Ei, E2) réalisées symétriquement de part et d'autre dudit axe longitudinal central (AC) et se prolongeant chacune d'un bord longitudinal de ladite barrette de mesure (BD, Bu) vers ledit axe longitudinal central (AC).
- 3. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 1 ou 2, pour lequel ledit support planaire de circuit électronique est une carte de circuit imprimé double face comprenant une dite barrette de mesure (BD, Bu) sur chacune de ses faces.
- 4. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 1 ou 2, pour lequel ledit support planaire de circuit électronique comprend des première et deuxième cartes électroniques (ECD, ECu) et une plaque thermique intermédiaire (TP) , lesdites première et deuxième cartes électroniques (ECd, ECu) intégrant respectivement lesdites première et deuxième barrettes de mesure (BD, Bu) et lesdites première et deuxième barrettes de mesure (BD, Bu) étant maintenues en contact thermique avec des première et deuxième faces opposées de ladite plaque thermique intermédiaire (TP) .
- 5. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 4, pour lequel ladite plaque thermique (TP) est formée dans un matériau flexible et thermiquement conducteur.
- 6.Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 4 ou5, pour lequel ladite plaque thermique un contour externe comprenant des découpes en correspondance avec lesdites découpes desdites barrettesCapteur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, pour lequel, dans ladite section de mesure de déformation (MC), ladite jauge de contrainte de mesure de déformation (RM) est disposée au centre d'un rectangle d'implantation (SQ) de ladite section de mesure de déformation (MC) et ledit ensemble de jauges de contrainte de compensation de dérive comprend quatre jauges de contrainte de compensation de dérive (RAi, RA2, RB2, RB2) qui sont disposées respectivement aux quatre coins dudit rectangle d'implantation (SQ).
- 8. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 7, pour lequel lesdites quatre jauges de contrainte de compensation de dérive (RAi, RA2, RBi, RB2) sont connectées électriquement selon un montage en série et en parallèle (MCA, MCB) , avec une connexion en série par paire, et forment une résistance équivalente égale en valeur ohmique nominale à la valeur ohmique nominale (Rn) de ladite jauge de contrainte de mesure de déformation (RM).
- 9. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 8, pour lequel ladite jauge de contrainte de mesure de déformation et lesdites quatre jauges de contrainte de compensation de dérive (RAi, RA2, RBi, RB2) ont toutes une même valeur ohmique nominale (Rn).
- 10. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 8 ou 9, pour lequel lesdites jauges de contrainte de compensation de dérive (RAi, RA2, RBi, RB2) connectées en série dans une même paire sont situées dans des coins symétriquement opposés dudit rectangle d'implantation (SQ), par rapport audit axe longitudinal central (AC).
- 11. Capteur à jauges de contrainte selon la revendication 8 ou 9, pour lequel lesdites jauges de contrainte de compensation de dérive (RAi, RA2, RBi, RB2) connectées en série dans une même paire sont situées dans des coins diagonalement opposés dudit rectangle d'implantation (SQ) .
- 12. Capteur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, pour lequel chacune desdites barrettes de mesure (BD, Bu) comprend une pluralité de sections de mesure de déformation (MC1D à MC7D ; MClu à MC7u) , ledit agencement de mesure de déformation (SDd, SDu) de ladite barrette de mesure (BD, Bu) étant formé de la connexion en série des jauges de contrainte de mesure de déformation (RM) desdites sections de mesure de déformation (MC1D à MC7D ; MClu à MC7u) et ledit agencement de compensation de dérive (RDd, RDu) de ladite barrette de mesure (BD, Bu) étant formé de la connexion en série desdits ensembles de jauges de contrainte de compensation de dérive connectées électriquement (RA2, RA2, RB2, RB2) desdites sections de mesure de déformation (MC1D à MC7d ; MClu à MC7u) .
- 13. Capteur à jauges de contrainte selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, pour lequel, dans ladite section de mesure de déformation (MC), ladite jauqe de contrainte de mesure de déformation (RM) et lesdites jauges de contrainte de compensation de dérive (RA2, RA2, RB2, RB2) sont des composants électroniques triés et appariés.
- 14. Dispositif de mesure de force embarqué dans un véhicule de transport (TR) comprenant au moins un ensemble formé d'un capteur à jauges de contrainte (SG) selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 qui est fixé sur un élément de structure dudit véhicule de transport (TR).
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|---|---|---|---|
| FR1850416A FR3076902B1 (fr) | 2018-01-18 | 2018-01-18 | Capteur a jauges de contrainte |
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Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| FR1850416A FR3076902B1 (fr) | 2018-01-18 | 2018-01-18 | Capteur a jauges de contrainte |
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ID=61656009
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Citations (3)
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| EP0702220A2 (fr) * | 1994-09-14 | 1996-03-20 | ISHIDA CO., Ltd. | Boîte dynamométrique et dispositif de pesage l'utilisant |
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-
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- 2018-01-18 FR FR1850416A patent/FR3076902B1/fr active Active
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2019
- 2019-01-15 WO PCT/FR2019/050080 patent/WO2019141935A1/fr active Application Filing
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| DE102010036586A1 (de) * | 2010-07-23 | 2012-01-26 | Sartorius Weighing Technology Gmbh | Dehnungsmessstreifen |
Also Published As
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