Brevet FR2389878A1 — publié le 19781201

La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesures du module et de la direction d'une force parallèle à un plan de référence. On a déjà proposé, dans l'art antérieur, des appareils de mesures dont le dispositif ou barreau dynamométrique peut être logé dans un fourreau cylindrique et est associé à deux paires de jauges de contraintes fixées sur la surface du barreau dynamométrique qui engendrent, par leurs organisations convenables en deux ponts de mesure, des signaux électriques Vx, Vy d'amplitudes proportionnelles aux composantes cartésiennes d'une force F parallèle à un plan d'analyse lui-même parallèle à un plan de référence xOy coplanaires auxdites composantes cartésiennes0 Les mesures des valeurs des paramètres de la force, à savoir son module F et l'angle d'inclinaison 6 de sa direction par rapport à l'une F de ses composantes cartésiennes F et F , s'obtiennent au moyen d'un calculateur anale x gique tel que celui décrit par exemple dans le brevet français 2.173.962 déposé le 12 janvier 1973. Selon ce brevet, les deux signaux électriques Vx et V sont y fournis aux entrées du calculateur analogique qpi effectue l'élévation au carré de ces signaux, la somme des signaux Vx et Vy̑ et l'extraction de la racine carree de cette sonme engendrant un signal résultant proportionnel au module de la force t selon les relations suivantes: V = (Vx+ ou V = kE ( ces2 &alpha; + t F2 sin2 ) ou V = kEF où E représente la tension d'alimentation continue des ponts de mesures, et k un facteur de proportionnalitée Il est connu que les dispositifs analogiques d'extraction de racine carrée actuellement disponibles sont peu précis et présentent des dérives de zéro et, par conséquent, les valeurs des paramètres de la force F à mesurer au moyen d'un tel appareil de mesures sont obtenues avec une résolution autour du zéro moins bonne que 10-2 et une erreur de linéarité supérieure à 10 3.Par conséquent, ces appareils ne répondent pas aux exigences de précision nécessaires à la détermination du module et de la direction d'une force, notamment dans le domaine de l'aéronautique lors, par exemple, de la mesure des efforts exercés sur les pédales d'un palonnier par les pieds d'un pilote d'avion. Plus récemment, le brevet français 2.295.493, déposé le 17 décembre 1974, propose, pour remédier aux inconvénients précités, un procédé et un appareil de mesures d'un secteur comme celui du champ magnétique dans lequel les signaux représentant les composantes dudit vecteur sont modulés par deux signaux slnusoldaux en quadrature, puis additionnés en un signal résultant dont l'amplitude proportionnelle au module du vecteur est déduite par un premier filtrage et redressement du signal résultant suivi d'un second filtrage et dont la phase, mesurée par comparaison avec celle des signaux sinusoldaux, détermine l'angle d'inclinaison de la direction du vecteur par rapport à une direction de référence.Cet appareil de mesure évalue avantageusement les paramètres à mesurer avec une précision supérieure à celle obtenue par 1' appareil de mesures du premier brevet précité. Par contre, les appareils décrits dans les deux brevets précités ne permettent pas de compensera lors des mesures, les erreurs mécaniques dues à la non-orthogonalité des axes de coordonnées de référence ou de détection des contraintes Ox et Oy. En effet, les positionnements délicats des jauges de contraintes collées sur la surface du barreau dynamométrique définis sent un défaut d'orthogona- lité des axes d'analyse qui entrain des écarts, par rapport aux axes de référence, augmentant l'imprécision des valeurs des paramè- tres à mesurer. La-présente invention a pour objet principal de compenser le défaut d'orthogonalité entre les axes de détection des contraintes par réglage du déphasage entre les deux signaux sinusoïdaux dtali- mentation des ponts de mesures. Un autre objet de la présente invention est d'effectuer avec une grande précision des mesures du module et de la direction d'une force parallèle à un plan de référence indépendamment du point d'application de la force au long d'une génératrice lu barreau dynamométrique. Ce dernier objet résulte de la possibilité, par exemple, qu'un pilote puisse conserver sa manière personnelle de piloter sans que cela influe sur la précision des mesures dans le cas où l'appareil de mesuresde l'invention mesure les efforts exercés par les pieds du pilote toujours perpendiculairement à leaxe transversal du palonnier. Le procédé de l'invention est issu de l'utilisation d'un appareillage du type décrit dans le second brevet susmentionné et il est caractérisé en ce qu'il comprend le réglage de la phase de l'un des deux signaux sinusoldaux d'alimentation des ponts de mesures par rapport à l'autre signal sinusoïdal à une valeur égale à #/2 additionnée de l'angle d'erreur d'orthogonalité mécanique des deux axes de détection des contraintes, et la mesure du déphasage entre l'antre signal sinusoïdal et le signal résultant de l'addition des deux signaux modulés afin de de terminer la direction de la force. Corollairement, appareil de mesure conforme à la présente invention est principalement caractérisé en ce qutil comprend un circuit à déphasage réglable et calé, lors de son étalonnage, à ladite valeur égale à /2 additionnée de l'angle d'erreur d'orthogo nalité mécanique des deux axes de détection des contraintes, ledit circuit à déphasage alimentant l'un des deux ponts de jauges au moyen dudit signal sinusoïdal premier cité. Ainsi, les caractéristiques de l'appareil de mesures répondent aux critères des dispositions adoptées lorsque le dispositif dynamométrique de l'appareil de mesures est inséré dans une pédale de commande d'un avion ou de tout autre véhicule. Ces critères relatifs principalement au dispositif dynamométrique sont les suivants - le dispositif dynamométrique est solidaire de la pédale de commande, le pilote étant ainsi entièrement libre de ses mouvements ;; - le dispositif dynamométrique contenu dans la pédale a nécessairement une forme cylindrique fadlitant l'analyse de la force exercée par le pilote, la direction de cilesi coupant nécess1rernent une droite dont la position est connue au long de l'axe de la forme cylindrique ; - le dispositif dynamométrique analyse les forces dans un secteur angulaire transversal à l'axe ae la forme cylindrique non limité aux 400 généralement utiies mais, au contraire, est insensible à la direction de la force exercée par le pied du pilote. Ceci évite l'obligation d'orienter. le dispositif dynamométrique pour que le domaine angulaire d'emploi (dans le cas où celui-ci serait limité) soit centré sur la direction moyenne des forces, cette direction variable dépendant principalement du type du véhicule et de la taille et des habitudes du pilote - le dispositif dynamométrique est insensible à la position du point d'application de la force tout au long de la génératrice du cylindre. En addition, la connaissance de la direction d'application de la force exercée n'étant pas toujours nécessaire, l'appareil de mesures selon l'invention est utilisé dans de nombreuses applications énoncées ci-après à titre non limitatif : - mesure d'efforts de traction, le dispositif dynamométrique poussant servir de point d'amarrage ; - mesure d'efforts lors de collisions provoquées, notamment lors des essais de déformation des coques d'automobiles lancées sur un obstacle fixe ou mobile ; - mesure dans les fluides au moyen d'anémomètre, le dispositif dynamométrique étant nurni, dans ce cas, d'une coiffe sphérique de coefficient de pénétration connu. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'un exemple de realisation et à l'examen des dessins annexés, dans lesquels - la Fig. 1A est une vue en coupe suivant la ligne A-A de la Eig. 1B d'une section comprise entre les deux sections de jauges de contaain- tesdu dispositif dynamométrique de l'appareil de mesures conforme à la présente invention - la Fig. 1B est une vue en coupe partielle longitudinale suivant la ligne B-3 de la Fig. 1A confondue avec l'un des axes de détection des contraintes du dispositif dynamométrique ;; - la Fig. 2 représente, sous forme de blocs diagramme, l'appareillage électronique de 1 1appareil de mesures selon l'invention permettant d'évaluer le module et la direction d'une mesurande n contenue dans un plan parallèle à celui de la section de la Fig. 1A - les Figs. 3A et 3B sont des vues de côté et de face d'un premier type de montage d'une première application de la présente invention, destiné à mesurer les efforts exercés par le pied d'un pilote de véhicule sur un organe de commande - les Figs. 4A et 4B sont des vues de face et de côté d'un second type de montage de la première application ; et - la Fig. 5 est une vue en coupe partielle longitudinale suivant la. ligne B-B de la Fig. 1A d'un montage d'une seconde application de la présente invention destiné à des mesures anémométriques. Les Figs. 1A et 13 représentent schématiquement en coupe le dispositif dynamométrique d'un appareil de mesures conforme à l'invention de forme générale cylindrique coaxiale à un axe Oz et de section transversale parallèle à un plan de référence xOy d'un repère cartésien. Les axes de détection des contraintes sensiblement orthogonaux sont Ox et Oy. Ce dispositif comprend un barreau dynamométrique ou corps d' épreuve 1, un premier groupe X de deux paires de jauges extensométriques et X2, X4 ayant des plans médians confondus avec le plan xOz, un second groupe Y de deux paires de jauges extensométriques Y1, Y3 et Y2, Y4 ayant des plans médians confondus avec le plan yOz et unfourreau cylindrique 2 coaxial à l'axe Oz. Le barreau 1 présente une partie centrale allongée 3 à section transversale octogonale, terminée à ses extrémités par deux collets 4 et 5. Le collet 4 est ajusté dans l'une des extrémités de l'alésage du fourreau 2, ce dernier entourant la partie centrale 3-du barreau 1. L'autre collet 5 est encastré dans l'alésage d'un élément d'adaptation 20 solidaire, par exemple, d'un organe de commande (non représenté) actionné par la mesurandeO Deux sections transversales S13 et S24, à une distance déterminée des collets 5 et 4, définissent respectivement deux autres plans médians des jauges de contraintes X1, X3, Y1, Y3 et X2, X4, Y2, Y4. Ainsi, les jauges d'une paire telles que X1 X3, X2 X4, Y1 Y3 et Y2 Y4 sont collées au milieu de deux faces diamétralement opposées de la section octogonale de la partie centrale 1. Chaque jauge extensométrique comprend, de manière connue, un élément conducteur de section faible en forme de ruban ou de fil constituant la résistance d'une branche d'un pont de mesures décrit plus loin, cette résistance variant en fonction des contraintes mécaniques appliquées au barreau 1. Une mesurande est une force F ayant deux composantes cartésiennes F et F suivant les deux axes Ox et Oy comme représenté à la x y Fig. 1A. Cette force F est exercée avec une direction parallèle au plan de référence xOy et inclinée d'un angle par rapport au plan xOz.Les composantes de la force m sont données par les relations suivantes = F cos x F = F sin y En se référant maintenant à la Fig. 2, l'appareil de mesures conforme à ltinvention comprenant le dispositif dynamométrique susmentionné comporte un appareillage électronique permettant d'évaluer avec précision le module de la force F et l'inclinaison &alpha; à partir des variations des éléments conducteurs des jauges de contraintes. Cet appareillage comprend un générateur 10 de deux signaux sinusoldaux V et V#, deux ponts de mesures ti, et11y respectivement associés aux deux groupes X et Y de -jauges de contrainte, un amplificateur 12 de gain G du type additionneur (ou soustracteur), un dispositif de redressement et de filtrage 13 et un phasemètre 14. Chaque pont de mesures 11X (ou 11Y) est un pont de Wheatstone dont les deux paires de branches, respectivement constituées par les éléments conducteurs des jauges à indices impairs X1, X3 (ou Y1, Y3) et à indices pairs X2, X4 (ou Y2, Y4),ont des bornes conrunes constituant l'entrée du pont de mesures, la sortie du pont de mesures étant constituée par les deux autres connexions entre les jauges de contraintes X1 et x3 (ou Y1 et Y3) et X2 et X4(ou Y2et Y4). les sections de la partie centrale 3 du barreau dynamométrique 1 dans les plans médians des jauges S13 et S24 étant égales, les signaux de déséquilibre des ponts de mesures 11X et 11Y sont alons proportionnels respectivement aux composantes de la différence des moments fléchissants coplanaires aux sections S13 et S24, Compte tenu de la configuration des ponts de mesures, les signaux de sortie des ponts de mesures 11X et 11Y sont indépendants de la coordonnée z suivant l'axe Oz du point d'application de la force , la différence des moments fléchissants restant constante lorsque le point d'application de la force F se déplace parallèlement à l'axe Oz du barreau dynamométrique 1 et est exercée contre la surface externe du fourreau 2. Les ponts de mesures lix et 11Y fournissent à leurs sorties, lorsqu ils sont alimentés par une tension continue, des signaux électriques continus d'amplitudes égales aux composantes F et E de x y la force E- à un facteur de proportionnalité k près déterminé lors de l'étalonnage de wappareil de mesures.Conformément à l'invention, ces ponts de mesures il et 11Y sont, en fait, alimentés par les deux signaux sinusoïdaux V et V# d'amplitudes égales A, de fréquence basse déterminée f et déphasés l'un parorasport à l'autre d'une phase . A cet égard, le générateur 10 comprend un oscillateur 100 à une fréquence porteuse f délivrant le signal de référence V V = A cos2#ft à l'entrée dtalimentation du pont de mesures 11X selon cet exemple de réalisation et à l'entrée d'un circuit 101 à déphasage réglable. Le fréquence porteuse f est choisie à basse fréquence en dépendance des applications comme celles décrites plus loin. En consequence, l'alimentation par des tensions alternatives des ponts de mesures 11X et 11Y 'apporte pas de difficultés supplémentaires par rapport à une alimentation continue des ponts de mesures. Généralement, l'appareil de mesures conforme à la présente invention a son oscillateur 100 calé sur une fréquence voisine de 125 Hz, celle-ci étant suffisamment éloignée des harmoniques d'ordre 2 et 3 de la tension d'alimentation du secteur d'un laboratoire et de la fréquence de 400 Hz employez à bord de certains véhicules, de sorte qu'aucun battement parasite n'apparaisse lors du fonctionnement de l'appareil de mesures. La sortie du circuit de déphasage 101, connectée à l'entrée @alimentation du pont de mesures Ily, délivre le signal V# = A cos(2#ft + #) Les ponts de mesures 11'X" et 11Y fournissent à leurs sorties, lorsqu'ils sont alimentés par les deux signaux sinusoïdaux V et V#, des signaux électriques modulés V et V associés aux composantes F x y x et F y Vx k V Vxy = k Fxy ces deux signaux étant appliqués aux deux entrées de l'amplificateur 12 fonctionnant en soustracteur selon cet exemple. Généralement, les axes de détections des contraintes Ox et Oy ne sont pas parfaitement orthogonaux et le défaut d1 orthogonalité entre ces axes ou l'erreur de mesure t relative à l'angle &alpha; par rapport à l'axe Ox doit être inséré dans les relations précédentes. Finalement, les signaux modulés. délivrés aux deux entrées de l'amplificateur 12 sont : Vx = k. F cos (&alpha; + #&alpha;). A cos(2#ft) Vy = k . F sin &alpha;. A cos(2irft +#) L'amplificateur 12 fournit à l'une des entrées du phasemètre. 14et à l'entrée du dispositif de redressement et de filtrage 13 le le signal résultant R = G(V - V) y ou, plus précisément R = k GAF [cos(2#ft).(cos&alpha; cos#&alpha; - sin &alpha; sin #&alpha; - sin&alpha; cos#) #+ sin(2#ft). sin&alpha;.sin #] On remarquera que, pour obtenir un signal résultant sinusoïdal ayant une amplitude RF proportionnelle au module F de la force F à mesurer et déphasé d'un angle &alpha; indiquant la direction de cette force F avec précision, il est nécessaire d'annuler les deux derniers termes de la partie entre parenthèse de la relation précédente. Cette annulation conduit à cos # = -sin#&alpha; En conséquence, la phase y du circuit de déphasage 101 est réglée conformémbnt àl'invention, de manière à annuler l'influence du défaut d'orthogohnalité # &alpha;, c'est-à-dire est égale à : # = #/2 + #&alpha; On déduit des relations précédentes le signal résultant R = KGAF cos #&alpha; cos(2#ft-&alpha;) L'amplitude RF de ce signal résultant R, proportionnelle au module de la force , est détectée et délivrée au moyen du dispositif 13 comprenant en série un redresseur à double alternance 130 avec un filtre passe-bas 131. Ce dernier filtre a une fréquence de coupure voisine de zéro et nettement plus petite que la fréquence porteuse f afin d'éliminer toutes les fréquences harmoniques de la fréquence 2 f du signal transmis par le redresseur à double alternance 130. Ainsi, la sortie du filtre 131 restitue uniquement la composante continue du signal résultant R qui sera précisément proportionnelle au module F de la force F à mesurer. L'angle d'inclinaison c de la direction de la force F est . évalué. au moyen du phasemètre 14 mesurant le déphasage entre le signal de référence V issu de l'oscillateur 100 et le signal résultant R. Bien entendu, d'autres schémas d'organisation des circuits de lXappareillage électronique susmentionnés restent dans lue cadre de l'invention pour autant qu'ils permettent d'évaluer l'inclinaison précise &alpha; par rapport à un axe de référence Ox présentant un défaut d'orthogonalité avec un autre axe de référence Oy, au moyen d'un circuit de déphasage tel que 101. Pour un défaut d'orthogonalité #&alpha; déterminé, la sensibilité S de l'appareil conforme à l'invention est constante quelle que soit la direction d'application de la force F Le facteur 2jr résulte du redressement-à double alternance effectué par le redresseur 130. Le traitement analogique effectué par l'appareil de mesures conforme à l'invention a permis selon l'organisme demandeur d'objet nir couramment une variation relative à la sensibilité #s/s inférieure à 10-4 4 lorsque la direction de la force F décrit un angle de 3600.Contrairement aux appareils de mesures dynamométriques de l'art antérieur, pour lesquels la variation relative de la sensi bilité varie plus notablement en fonctionde llinclinaisonot &alpha; évoluant entre O et 2# # , un appareil de mesures conforme à l'inven- tion évalue les résultats des mesures avec des fluctuations dépendant uniquement de la stabilité d'equilibre des ponts de mesures ilx et ilY et, notamment, évalue le module F de la force appliquée avec une erreur de linéarité inférieure à 10 Première application Celle-ci concerne la mesure des efforts exercés par le pied d'un pilote de véhicule sur un organe de commande en référence aux Figs. 3A, 3B et 4A, 4B. Le dispositif dynamométrique 1-2 représenté schématiquement se présente sous la forme d'un cylindre de diamètre 28 mm et de longueur 120 mm encastré à une extrémité dans un adapteur mécanique 20 fixé à l'organe de commande 21. La partie libre 22, sensiblement égale à 100 mm, placée en avant de la commande 21 constitue la zone d'appui du pied du pilote 23 ; l'adapteur 20 sert de liaison entre le dispositif dynamométrique et l'organe de commande. Deux types de fixation sont prévus, l'un, représenté aux Figs. 3A et 3B, est destiné aux palonniers d'aéronefs équipés de pédales basculantes planes ou galbées, l'autre, représenté aux Figs. 4A et 4B, est destiné aux repose-pieds de forme cylindrique. L'appareillage électronique est logé dans un bottier de 100 mm x 100 mm x 180 mm, les liaisons avec les jauges de contraintes appartenant à un meme groupe X ou Y dans les sections S13 et S24 sont assurées par des cibles souples équipés de connexions enfichables. Ce bottier peut etre dispose n'importe où dans l'habitacle du véhicule. Seconde application Une seconde application de la présente invention est représentée à la Fig. 5 et concerne un dispositif anémométrique comprenant une sphère 24 plongée dans un fluide gazeux 25 rapportée par encastrement à l'extrémité libre 26 du barreau dynamométrique de l'appa- reil de mesures de la présente invention, l'autre extrémité du barreau I étant solidaire d'un plateau-support ou adapteur 20. La fixation du dispositif dynamométrique 1-2 à la sphère 24 est réalisée au moyen d'un joint d'étanchéité 27 entourant le fourreau 2 et encastré dans la sphère 24. Pour l'air, le coefficient de pénétration d'une sphere est à peu près constant et égal à 0,4 pour un nombre de Reynolds compris entre 2.10 et 4.105, ce qui permet de mesurer an moyen de l'appa- reil de mesures de la présente invention et pour une sphère 24, de diamètre égal à 10 cm, des vitesses d'écoulement comprises entre 0,28 m/s et 56 m/s. Pour augmenter de cent fois la sensibilité S de l'appareil de mesures, les sections S13 et S24 équipées des jauges sont réduites avantageusement dans un facteur 100, ce qui est équivalent à diviser par 10 les dimensions radiales du barreau 1. Dans ces conditions, les nouvelles caractéristiques de l'appareil de mesures ont pour valeurs - Etendue de mesure ou force maximale à mesurer F = 1,2 daN - Résolution ou force minimale à mesurer Fmin = 1,2 10-4 daN. Au moyen de cet appareil de mesures ayant son barreau dynamome trique 1 coiffé d'une sphère 24 de diamètre 10 cm, l'effort de traî- née détectable de 1,2. 10-4 daN correspond à une vitesse d'écoulement de 0,78 m/s, l'effort maximum de 1,2 daN correspond à une vitesse d'écoulement de 78 m/s. En addition, la fiabilité de l'anémomètre prédécrit est supérieure à celle des anémomètres classiques utilisant des pièces mécaniques en mouvement. R E V E N D I C A T I O N S 1 - Procéde de mesures du module et de la direction d'une force parallèle à un plan de référence, selon lequel les modulations de deux signaux électriques d'amplitudes proportionnelles aux composantes cartésiennes de ladite force suivant deux axes de dé- tection des contraintes sensiblement orthogonaux et coplanaires au plan de référence par deux signaux sinusoidaux d'amplitudes et de fréquences égales engendrent deux signaux modules qui sont additionnés en un signal, résultant redresse et filtré afin d'obtenir un signal continu proportionnel au module de ladite force, caracté- risé en ce qu'il comprend le réglage de la phase de l'un des deux signaux sinusoidaux par rapport à l'autre à une valeur égale à #/2 additionnée de l'angle d'erreur d'orthogonalité mécanique desdits axes de détection des contraintes, et la mesure du déphasage entre l'autre signal sinusoîdal et ledit signal résultant déterminant ladite direction de la force. 2 - Appareil de mesures~du module et de la direction d'une force parallèle à un plan de référence mettant en oeuvre le procédé conforme à la revendication 1, ledit appareil comprenant un barreau dynamométrique muni dtun fourreau cylindrique et comportant deux groupes de jauges de contraintes ayant des plans médians sensiblement orthogonaux entre eux et perpendiculaires audit plan de réfé- rence, deux ponts de mesures associes auxdits groupes de jauges de contraintes, un générateur comprenant un oscillateur à une frdquen- ce determinée et délivrant audlts ponts de mesures deux signaux sinusoidaux d'amplitudes égales, un dispositif additionneur ayant deux entrées reliées aux sorties desdits ponts de mesures, un dis- positif de redressement et defiltrage et un phasemètre ayant chacun une entrée reliée à la sortie dudit dispositif additionneur, caractérisé en ce que ledit générateur comprend un circuit à sage réglable interconnecté à la sortie dudit oscillateur et à l'entrée de l'un des ponts de mesures, ledit déphasage étant réglé à une valeur égale à # /2 additionnée de l'angle d'erreur dgortho- gonalité mécanique d'axes de détection des contraintes ddfinis par les intersections du plan de référence desdits plans médians, et l'autre entrée dudit phasemètre quant reliée directement à la sortie dudit oscillateur. 3 - Appareil de mesures conforme à la revendication- 2, carac térisé en ce que chaque groupe de jauges de contraintes comprend deux paires de jauges de contraintes, chaoue paire ayant un autre plan médian parallele audit plan de référence et localisé à une distance déterminée de l'une des extrémités dudit barreau dynamométrique et formant une paire des quatre branches du pont de mesures associé audit groupe connectée en parallèle à l'une des sorties dudit générateur.