Brevet FR2293703A1 — publié le 19760702

La présente invention concerne, d'une façon générale, les capteurs à barreau dynamométrique comportant des extensomètres et, plus particulièrement, des moyens de rendre ces capteurs sensibles uniquement à l'une des composantes d'un torseur à l'exclusion des autres. Les appareils de ce type sont essehtiellement constitués par un corps d'épreuve ou barreau dynamom#trique sur lequel sont calées un certain nombre de jauges estensométriques. Ces jauges sont reliées électriquement de façon à constituer des ponts de mesure fournissant un signal électrique en réponse aux contraintes mécani- ques subies par le corps d'épreuve. Le corps d'épreuve est soumis à des déformations élastiques et on s'efforce d'obtenir en lui donnant une forme appropriée, qu'il ne subisse aucune autre déformation importante que celle provoquée par le mesurande. D'autres déformations apparaissent cependant sous lteffet de sollicitations diverses, thermiques ou mécaniques. La connexion des jauges en pont offre la possibilité délimintr les effets d'origine thermique et la symétrie de leur positionnement# sur le corps d'épreuve permet de réduire l'effet des déformations de ce corps d'épreuve dues à des sollicitations 7ndésirables. Nain le positionnement des jauges sur le corps d'épreuve ne peut avoir le degré de précision nécessaire pour permettre la mesure pure d'une des composantes d'un torseur, c'est-à-dire sans interférence d'une autre ou d'autres composantes de ce torseur. Différents procédés ont été proposés pour réaliser par extensométrie la mesure de la composante pure d'un torseur. Le brevet N 1 152 289 du 19 juin 1956 au nom de l'actuel demandeur emploie, dans ce but, un pont comportant huit jauges collées sur le barreau d'une façon dépendant de la composante à mesurer et connectées en anneau, ledit pont comprenant en outre des résistances et potentio- mètres dont le réglage permet de supprimer les interactions. On peut aussi prévoir un équipement nécessaire pour la détection des autres composantes et un calculateur pour séparer les composantes. Ces solutions permettent la mesure exacte en temps réel sans mesure des grandeurs d'influence. On peut aussi mesurer par tarage les grandeurs d'influence mais les valeurs exactes ne sont alors connues qu'à posteriori. Quelle que soit la solution employée, elle nécessite un matériel lourd, encombrant et sujet à dérèglement et, pour les deux dernières solutions, l'usage d'un calculateur. L'objet de la présente invention est un procédé d'usinage du corps d'épreuve du capteur muni de ses jauges qui permette la mesure directe d'une contrainte pure. Le taux de travail sous une jauge est proportionnel au moment fléchissant, à la distance entre fibre moyenne dè la jauge et le plan de flexion, et inversement proportionnel au moment dtinertie de la section de la zone de mesure dans le plan perpendiculaire à la jauge. D'une façon générale, l'invention consiste à usiner le barreau ou la pièce dynamométrique d'un capteur à déformation élastique, de façon à équilibrer les réponses de jauges réagissant en sens opposé à l'effet d'une sollicitation indésirable en modifiant les moments d'inertie des sections du barreau oudelapièceaux endroits des jauges. Si le barreau ou la pièce dynamométrique subit un effet de masse, tel un accéléromètres l'opération de découplage d'avec la sollicitation indésirable consiste à déplacer le centre d'inertie de cette masse en modifiant sa répartition. L'invention va être maintenant décrite en détail d'après quatre applications en se référant aux dessins annexés, dans lesquels - les Figs. 1 et 2 représentent un accéléromètre angulaire insensil ble aux accélérations rectilignes ; - la Fig. 3 représente un dispositif de mesure de poussée comportant des dynamomètres dont le corps d'épreuve est un barreau prismatique - les Figs. 4a à 4e sont des figures expliquant comment les dynamomètres de la Fig. 3 sont rendus insensibles à des forces latérales - la Fig. 5 représente le montage en pont des jauges du barreau de la Fig. 4a - les Figs. 6# à 6g représentent un dynnmomètre de mesure de poussée dans lequel le corps d'épreuve est un disque à jauges, et expliquant comment ce disque à jauges est rendu insensible à des forces latérales 3 - la Fig. 7 représente le montage en pont des jauges du disque des Figs. 6a et 6b ; et - les Figs. 8 et 9 représentent une application de l'accéléromètre angulaire de la Fig. 2. Première asplication La première application concerne la mesure de l'accélération angulaire d'une maquette d'avion en vol libre en soufflerie supersonique. Au moment du larguage, la maquette subit deux effets d'accélération rectiligne importants, l'un dA à la gravité et l'autre à la trainée. On veut faire an sorte qu'aucune accélération rectiligne ne produise un signal de torsion sur le capteur de façon à mesurer l'effet de torsion pur. En se référant aux Fige. 1 et 2, le corps d'épreuve est une poutre 1, très légère, ayant une nasse de l'ordre d'un granme par exemple, et dont la partie centrale 2 est amincie de façon que la raideur transversale dans le sens Oz sollicitée par le mesurande soit faible, par exemple qu'elle soit environ 20 fois plus faible que la raideur transversale dans le sens perpendiculaire 0y. La poutre est encastrée à son extrémité 3 dans un bottier 8. La poutre reçoit à son extrémité libre 4 un balancier 5, en forme de tube et qui contient à son intérieur la poutre; la pièce d'encastrement 6 de la poutre passe dans une fente 7 du balancier et est reliée au bottier 8. Dans cet exemple, le bottier 8 est un cylindre creux et les extrémités sont obturées par des bouchons 9 et 9'; ses dimensions extérieures sont : diamètre 6 mm, longueur 80 mm. La poutre et le balancier sont immergés dans un fluide silicone. Les jauges 11-14 sont distribuées en deux groupes 11-12 et 13-14 sur les faces larges de la partie amincie de part et d'antre du plan Oxzw contenant la déformée lOt de la fibre neutre 10 sous 11 action du mesurande F. Cette symétrie de positionnement permet théoriquement de maintenir l'équilibre du pont de mesure lorsqu'il y a des déformations dans le plan perpendiculaire Oxy contenant la déformée 10" de la fibre neutre 10. Stil nten est pas ainsi, et ctest en particulier le cas parce qutil est--impossible de disposer les jauges avec suffisamnent de précision, on peut obtenir cette insensibilité conformément à l'invention on translatant le plan de flexion Oxz par usinage latéral de la poutre, en 21 par exemple. La fibre axiale est ainsi positionnée là où elle doit entre pour obtenir le résultat cherché, par modification à posteriori de la répartition des moments d'inertie du corps d'épreuve. Le balancier forme avec la poutre un pendule compensé d' iner- tie (Fig. 2). Le balancier présente un ellipsoïde d'inertie dont le plus grand axe est dans la direction de la fibre axiale 10 de la poutre, mais dont le centre d'inertie n'est pas nécessairement, au moment de la construction, rigoureusement sur cette fibre. De la position d'origine supposée en 15 par exemple, il est amené de 15 en 16 par usinage en 22 de 16 en 17 par usinage en 23 et de 17 en 18 par usinage en 24. Dans cette dernière position, aucune accélération rectiligne dans une direction quelconque ne produit d'effet de torsion mesurable. La mesure des corrections à effectuer se fait par retournement à 1800 sur chacun des axe de contrôle. Si le centre d'inertie se trouve en dehors de la fibre axiale 10, un couple de torsion, dû à l'effet de gravité, provoque une interaction dont le signe s'inverse avec le retournement. La valeur moyenne est la valeur à obtenir après usinage. La méthode est itérative et le résidu ne dépend que des moyens mis en oeuvre. Par exemple, stil s'avère nécessaire de parfaire la correction, les mesures peuvent se faire sous accélération volontairement plus élevée. Si le détecteur doit entre amorti par immersion dans un fluide donné, les mesures doivent se faire dans les conditions d'utilisation. Une telle structure permet ainsi d'accéder à une composante pure de déformation, par retouche d'usinage après équipement en détecteurs. Ces retouches agissent, soit par modification des moments inertie de section, soit par modification de répartition de masses. On obtient ainsi des capteurs sensibles à une seule composante d'accélération angulaire dont l'étalonnage et les qualités d'analyse sont invariables dans le temps, aux conditions de stabilité de forme de la matière près. Deuxième application Dynamomètre destiné à la mesure pure de la poussée d'un propulseur En se référant à la Fig. 3, on a représenté une plateforme 30 supportant un propulseur 39. La plateforme est supportée, par rapport au sol, par quatre dynamomètres à cardans élastiques 31-34 et, par rapport à deux murs verticaux rectangulaires, par des dynamomètres à cardans élastiques 35-36 et 37-38. On désire connattre la poussée et la position de l'axe de poussée, Les déformations thermiques et mécaniques que subit le plateau font varier les distances des points d'ancrage des dynamomètres et la souplesse des liaisons latérales contenant les dynamomètres 35-38 fait varier les orientations des directions axiales des dynamomètres.Il s'ensuit (i) des erreurs dues aux variations de position des dynamomètres et (ii) des contraintes supplémentaires dans les dynamomètres dues aux translations et rotations de leurs bases. Les erreurs (i) sont négligeables ou mesurables, mais les contraintes (ii) provoquent des réponses erronées difficilement contrClables#à posteriori. Pour connaître la poussée du propulseur, on fait la somme des réponses des quatre dynamomètres 31-34 dont les axes sont parallèles, à ltorîgine de la mesure, à l'axe du propulseur et, pour connattre larposition de l'axe de poussée, on fait la diffé- rence entre les réponses de deux dynamomètres opposés 31-33 ou 32-34. Si l'on admet que la différence maximale des réponses de deux dynamomètres représente 1 % de leur étendue nominale et si l'on vent connattre la position de l'axe de poussée à 1 H près, il faut que chaque dynamomètre ait à tout instant une réponse précise à 10-4 près. Chaque dynamomètre 31-34 comporte, entre les découplages (cardans élastiques), une section de mesure de contrainte axiale sous la forme d'un prisme rectangulaire court (Fig. 4a). Cet élé- ment doit outre insensible aux cinq autres composantes du torseur à analyser, dont quatre, provoquant la déformation de la fibre axiale, peuvent être relativement i-riantes. La cinquième, la torsion autour de l'axe, est naturellement très faible Sur chaque dynamomètre sont placés deux groupes de quatre jauges 41-44 et 51-54, respectivement dans deux plans, A et B, pour mesurer la force suivant l'axe Ox du dynamomètre.Conne il est habituel, les jauges 41, 44, 522 53 sont collées longitudinalement et les jauges 42, 43, 51, 54 transversalement0 Biles sont montées en pont conne l'indique la Fig. 5. Les droites en pointillé 45 et 46 (Fig. 4b) représentent les contraintes le long du barreau pour une force transversale Z selon Oz. On aurait la même configuration pour une force Y selon Oy perpendiculaire au plan de la Fig. 4a. Ces contraintes sont fonction de la force Z (ou T) et de la distance entre la fibre moyenne des jauges et le plan d'analyse Oxy.Ces distances sont invariables, après construction, de mEme que les distances des plans A et B, à la direction de la force0 Les quatre composantes pour lesquelles le dynamomètre doit titre insensible sont les déformées planes dans les plans Oxz et OxT (courbures circulai#es, paraboliques ou en S) I1 s'agit donc, quelle que soit la courbure de la fibre neutre, d1 équilibrer les réponses des jauges placées de part et d'autre du plan de flexion, dans une même zone A ou B, considérée coite homogène, si les jauges sont situées de façon identique par rapport au plan A ou B. On exercera donc des forces latérales dans les plans Oxz et Oxy au moyen de masses pesantes agissant dans des directions normales à l'axe Ox, en bout du barreau, si les huit jauges peuvent entre tarées ensemble, ou au droit des plans A et B pour une correction par zone et par groupe de quatre jauges, si cela est nécessaire. Par exemple, si la réponse en compression suivant l'axe Ox est positive, et si une force Z donne une interaction positive, c1 est que les effets de compression agissant sur les jauges sous le plan Oxy sont plus importants que les effets de traction sous les jauges au-dessus de ce plan : donc, les réponses des jauges 41+43+51+53 donnent un signal trop faible pour compenser celui qui résulte de l'action sur les Jauges 42+44+52+54. Le moment d'inertie en flexion au-dessus du plan Oxy donne un taux de contrainte trop faible sur les fibres moyennes des jauges 41, 43, 51 53 et, à défaut de pouvoir déplacer les jauges pour augmenter la distance fibre moyenne-plan de flexion, on peut déplacer celui-ci en réduisant la raideur de la zone considérée et le faire évoluer de Oxy en O# x1y1 (Fig. 4c) en meulant la partie 47. De mOrne, pour une force Y (Fig. 4d) dans le plan perpendiculaire à la figure provoquant par exemple une interaction négative, on en déduit que les jauges 41+42+51+52 répondent moins que les jauges 43+44+53+54, d'où nécessité d'intervention par meulage dans les zones 48 et 49 (Fig. 4d) pour amener le plan de flexion de Oxz en 1x1 Z1 On remarque que le meulage est effectué en oblique sur les faces ne portant pas les jauges et de façon à enlever plus de matière du côté des jauges dont la réponse est trop faible. Dans les Figs. 4c et 4d, les réglages par usinage du barreau ont été faits globalement pour les huit jauges. Pour parfaire les réglages (Fig. 4e), il y a lieu de faire des réglages séparés pour les quatre jauges 41-44 du plan A et les quatre jauges 51-54 du plan B. A cet effet, on applique successivement les forces ' et zn dans les plans A et B. Les jauges situées dans le plan d'application de la face travaillent en cisaillement et donnent une réponse quasinulle. On usine le barreau dans celui des plans de jauges qui ne contient pas la force co#ormérnent à la méthode précédente. On peut être aussi amené, comme le représente la Fig. 4e, à meuler le barreau en 55 dans le plan A, si les jauges 4143 ont une réponse trop faible, et en 56 dans le plan B, si les jauges 51=53 ont une réponse trop forte. Le plan de flexion est ainsi amené de Oxy en 02x2y2 dans la région Â et de Chry en 03x3y3 dans la région B. Pour apprécier les possibilités de la méthode de l'invention, on prendra le cas d'un barreau équipé correctement, avec des jauges aussi identiques que possible, et bien positionnées. On peut alors constater des réponses aux interactions latérales, de l'ordre de un à deux pour mille de l'étendu nominale de mesure. Une channe de mesure d'étalonnage permet couramment 100.000 unités à fl pour l'étendue nominale. Si les distances du plan de flexion à la fibre moyenne des jauges sont de tordre de 5 mn et l'épaisseur de part et d'autre du plan de flexion de 10 mn, une interaction de 2 %* soit 200 unités nécessite une réduction dtépais- seur de 10 x 2 = 20 pm par usinage à la meule portative, par exemple. 1000 L'appréciation d'une intervention d'usinage, portant sur quelques microns, par une nouvelle mise en charge de l'interaction permet de contrôler l'évolution de la correction opérée et de la conduire jusqutà la limite permise par les moyens de mesure employés. Expérimentalement, on arrive à ramener les erreurs à moins de 5.10~5après plusieurs cycles d'intervention~ Pour obtenir un résultat comparable par construction, il aurait falun, en supposant un corps d'épreuve parfaitement isotrope et des jauges rigoureusement identiques, positionner ces dernières avec une précision de +0,5 ~, ce qui bien entendu est totalement impossible. Troisième application (Figs. 6A à 6E et 7) Dynamomètre de type différent de celui de la deuxième application mais destiné à la mEme utilisation L'élément de mesure est une rondelle 60 en forme d'anneau, munie d'un côté de deux pattes longitudinales 62 situées dans un premier plan diamétral et de l'autre côté de deux pattes longitudinales 63 situées dans un second plan diamétral, perpendiculaire au premier. Sur les deux faces de la rondelle sont collées des jauges respectivement 71-74 et 81-84, les couples de jauges 71-81, 72-82, 73-83, 74-84 se faisant vis-à-vis de part et d'autre du plan médian de symétrie de la rondelle. On voit que, si une force d'interaction perpendiculaire à lut axe Ox normal à la rondelle passe par le centre de la rondelle, toute la section de cette dernière située dans un plan passant par la direction Ox et perpendiculaire à la force subit une traction sous l'axe des x et une compression dessus, donc oppose une raideur relativement grande. On voit, et l'expérience le vérifie, que l'élément d'analyse ne sera sensible qu'au moment d'un couple radial, En torsion autour de Ox, on a aussi une très grande raideur relative et la disposition à huit jauges réduit l'interaction qui en résulte à des valeurs négligeables. On procède donc à la réduction des interactions qui apparaissent pour les déformations de torsion qui résultent de la translation d'une base 64 par rapport à l'autre 65. Cette translation peut être de l'ordre de 0,3 mm en utilisation; on la porte dans le tarage à plus d'un millimètre pour faciliter l'analyse, par une charge en Z (Fig. 6D) puis en Y normale à Z (Fig. 6E). Si la réponse axiale en compression est positive et qutà la force Z correspond une interaction positive, il suffit d'augmenter la réponse des jauges qui fournissent le signal négatif. il faut donc réduire le moment d'inertie dans la région 86 entre les jauges 72 et 82 et dans la région 85 entre les jauges 73 et 83, par meulage de la face externe de la rondelle. Il en est de meme pour l'action par une force Y mais, ici, au lieu de modifier le moment d'inertie, on modifiera le plan de symétrie de la déformation en S que subit la rondelle, plan contenant l'axe longitudinal Ox. Si la réponse axiale en compression est négative, une action de réduction du moment d'inertie en 87 et 88 augmentera le signal du groupe 73-83 et 74-84 et réduira l'interaction de Y. Les actions pour réduire les interactions successivement dans chacune des deux directions perpendiculaires à Ox modifient les résultats acquis transversalement, mais il est facile de faire des retouches et de vérifier que 11 analyse radiale est correcte. Quatrième application Elle concerne un appareil permettant de détecter les réflexes inconscients de l'homme debout. Cet appareil se compose de - un socle 90 pourvu de deux montants 91 portant des paliers 92 - un plateau mobile de charge 93 portant un accéléromètre angulaire 100. Ce plateau possède un arbre 94 transversal passant par son centre de gravité et tournant dans les paliers 92 - des butées élastiques 95 et 96 solidaires d'tm des plateaux et butant sur l'autre de façon à donner aux deux plateaux une position de repos dans laquelle ils sont sensiblement parallèles - un amplificateur 97 relié à l'accéléromètre angulaire à travers un filtre passe-bas 98 - un oscilloscope de visualisation 99 relié à l'amplificateur. Ltaocéléromètre angulaire est, comme celui de la première application, insensible aux accélérations rectilignes. L'appareil permet de mettre en évidence qu'une personne humaine en station debout sur le plateau provoque la naissance de signaux variant de 10 à 50 fois la résolution de l'appareil de mesure et à une fréquence de 5 à 7 Hz environ. Une masse inerte du môme ordre que la personne ayant servi à li expérience, placée sur le plateau, ne provoque aucun signal. REVENDICATIONS 1 - Procédé pour rendre un capteur dynamométrique, formé d'un corps d'épreuve à déformation élastique et de jauges, destiné à mesurer une composante d'un torseur, insensible à au moins une autre compesante indésirable dudit torseur, comprenant la phase de placer, sur ledit corps d'épreuve, des jauges ayant substantielle~ ment des réponses égales et opposées à ladite autre composante indésirable, caractérisé en ce qu'il comprend en outre la phase d'usiner ledit corps épreuve en un emplacement ne portant pas de jauges, de façon à réduire le moment d'inertie du corps d'épreuve dans la zone des jauges ayant une réponse trop faible à cette composante indésirable. 2 - Procédé pour rendre un capteur dynamométrique insensible à une composante indésirable d'un torseur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que ltusinage du corps d'épreuve est un moulage. 3 - Procédé pour rendre un capteur dynamométrique insensible à des composantes indésirables d'un torseur conforme à la revendication 1, dans laquelle le corps d'épreuve est une poutrereetan#ilaLre encastrée à une extrémité, servant à la mesure d'une force dirigée suivant l'axe de la poutre et portant huit jauges couplées quatre par quatre autour de deux plans de section droite de la poutre, les quatre jauges d'un groupe étant deux par deux sur deux faces opposées, l'une au-dessus du plan de flexion, l'autre au-dessous du plan de flexion, lesdites jauges ayant des réponses presque égales et opposées à une force indésirable perpendiculaire à l'axe de la poutre et parallèle aux plans de la poutre portant les jauges, caractérisé en ce qu'il comprend la phase de meuler la poutre sur les faces ne portant pas de jauges de façon à réduire le moment d'inertie de la poutre dans la zone des jauges ayant une réponse trop faible à ladite composante indésirable. 4 - Procédé pour rendre un capteur dynamométrique insensible à des composantes indésirables d'un torseur conforme à la revendication 1, dans laquelle le corps d'épreuve estune poutre rectangulaire encastrée à une extrémité servant à la mesure d'une force dirigée suivant l'axe de la poutre et portant huit jauges couplées quatre par quatre autour de deux plans de section droite de la poutre, les quatre jauges d'un groupe étant deux par deux sur deux faces opposées, l'une au-dessus du plan de flexion, l'autre au-dessous du plan de flexion, lesdites jauges ayant des réponses presque égales etopposdies à une force indésirable perpendiculaire à l'axe de la poutre et parallaxe aux plans de la poutre ne portant pas les Jauges, caractérisé en ce qu'il comprend la phase de meuler la poutre sur les faces ne portant pas les jauges et en oblique vers la zone des jauges ayant une réponse trop faible, de façon à réduire le moment dtinertie de la poutre dans la zone desdites jauges ayant une réponse trop faible à ladite composante indésirable. 5 - Procédé conforme à la revendication 1 pour rendre un accéléromètre angulaire insensible à des accélrations rectilignes, caractérisé en ce qu'il comprend la construction d'une poutre encastrée ayant une portion amincie portant quatre jauges ayant des réponses presque égales et opposées a une force indésirable perpendiculaire à l' axe de la poutre, la phase de meuler la poutre dans la zone des jauges du côté des jauges ayant la réponse la plus faible, de façon à égaliser les réponses des jauges, la fixation de la poutre à un balancier ayant un 4 psoSde d'inertie et la phase de meuler le balancier dans trois directions rectangulaires entre elles de façon à amener le centre d'inertie du balancier dans le plan de flexion de la poutre. 6 - Capteurs dynamométriques rendus insensibles à au moins une composante indésirable d'un torseur par le procédé conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 5.