Brevet FR2416458A1 — publié le 19790831

L'invention concerne un élément sensible muni de jauges extensométriques destiné à équiper un capteur servant à mesurer une force. Elle concerne également un capteur équipé d'un tel élément. Un capteur de force est normalement constitué d'un corps d'épreuve soumis à la force à mesurer, qui sous l'faction de celle-ci, subit une déformation. Un système de jauges convenablement placées sur ce corps d'épreuve permet, selon les techniques d'extensométrie, de déterminer la force appliquée. Pour que cette mesure soit juste il convient de tenir compte pour le choix du matériau et le dimensionnement du corps d'épreuve d'un certain nombre de paramètres tels que l'hystérésis, la limite de fatigue, la limite élastique de 1'ensemble que constituent les jauges et le corps d'épreuve.Par exemple un capteur dont l'étendue de mesure est de 200 Knewton, s'il est constitué d'un cylindre d'acier massifia un diamétre de l'ordre de 36 mm et une hauteur voisine du double de ce diamètre. Sur un support de cette configuration (cylindre de dimensions relativement élevées) la mise en place de jauges d'extensométrie s'avère très délicate et il est pratiquement exclu d'y déposer des jauges par la technique dite des couches minces. On pallie cet inconvénient en faisant appel à un second type de capteur dans lequel un élément sensible, adapté pour recevoir les jauges d'extensométrie dans de bonnes conditions, coopère avec un corps d'épreuve sur lequel est appliquée la force. Un des défauts des éléments sensibles actuellement connus est la mauvaise répartition des contraintes. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients et concerne un élément sensible comportant une partie déformable dite "membrane" dont la géométrie, tout en permettant la mise en place aisée de jauges y compris par un procédé de pulvérisation cathodique (technique dite des couches minces) assure également une répartition homogène des contraintes. L'invention concerne plus particulièrement un élément sensible, muni de jauges extensométriques, destinés à équiper un capteur servant à mesurer une force, cet élément étant essentiellement constitué par une membrane en forme de couronne rendue solidaire en son centre d'une pièce centrale de renforcement destinée à recevoir la force à mesurer, caractérisé en ce que la membrane présente une face supérieure et une face inférieure respectivement situées dans deux plans faisant entre eux un angle (i) tel que l'épaisseur de la membrane varie de la périphérie vers la pièce de renforcement, d'une valeur (e) à une valeur (el). L'invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles.: - les figures 1 et 2 sont des schémas explicatifs ; - les figures 3 et 4 illustrent l'invention ; - la figure 5 est une représentation d'un exemple de réalisation d'un élément sensible conforme à l'invention - la figure 6 est un schéma explicatif - les figures 7 et 8 représentent schématiquement deux exemples de réalisation d'un capteur de force équipé d'un élément sensible selon l'invention. Pour plus de clarté, les mêmes éléments portent les mêmes références dals toutes les figures. La figure 1 représente schématiquement une plaque circulaire 10 simulant un élément sensible de type connu. Elle comporte une couronne 1 jouant le rôle de membrane et ainsi dénommée dans la suite de la description. Son épaisseur est uniforme et calculée de telle sorte que la membrane soit élastique et subisse sous l'effet de la force F à mesurer des déformations compatibles avec une mesure par jauges d'extensométrie Cette membrane 1 est encastrée en A et en B. En effet elle est solidaire d'une part, en son centre, d'une pièce de renforcement central 2 sur laquelle est appliquée la force F à mesurer et, d'autre part, à sa périphérie d'un élément du capteur dont seulement une partie 4 est représentée.Les longueurs (a) et (b) interviennent comme cela est expliqué ci-dessous dans le calcul des contraintes auxquelles se trouve soumise la membrane sous l'action d'une force F appliquée sur la pièce centrale de renforcement 2. La longueur (a) correspond à la distance entre l'encastrement A et l'axe de la plaque 10 simulant l'élément sensible et la longueur (b) représente le rayon de la pièce de renforcement 2. Un calcul de résistance des matériaux montre que pour un rapport a/b donné,les contraintes aux encastrements A et B sont respectivement égales à Sous l'action de la force F, la pièce de renforcement subit un déplacement ou déflexion (d) dont la valeur est &alpha; et ss sont des coefficients dépendants de a/b et E est le module d'Young du matériau utilisé. Le tableau s dont adonne resp-ctivement les valeurs de #2 et &alpha; pour trois valeurs du rapport a/b. Pour a/b = . 1,5 : 2 : 3 : ss1 : 0,168 : 0,257 : 0,347 : : ss2 : 0,22 : 0,405 : 0,703 : : &alpha; : 0,0064 : 0,0237 : 0,062 : De l'examen de ce tableau, il ressort que les contraintes et et #B dites respectivement extérieure et intérieure sont toujours différentes et que la contraintes maximale se trouve toujours à l'encastrement central(B). On voit également que la déflexion (d) au centre, sous l'action de la force F croît fortement avec le rapport a/b. D'une part,cette valeur (d) constitue un paramètre important et d'autre part des impératifs d'usinage de l'e'Lément sensible interdisent l'utilisation de rapport a/b inférieure à 1,5.Dans la suite de la description on adopte à titre d'exemple le rapport a/b = 2 Sur la figure 2 on a schématisé une membrane 1 d'un élément sensible tel que simulé dans la figure 1, et l'évoluticn des contraintes entre les deux encastrements A et B c'est-à-dire le long de la membrane L L'épaisseur de celle-ci est constante et e'gaLe à (e) Une partie de la membrane est soumise à des contraintes positives #(+) et l'autre partie à des contraintes négatives #(-) La zone cù se situe le changement de signe #= 0) a pour abscisse (C). Cette zone se trouve relativement éloignée du milieu de la membrane 1 et décalée vers e encastrement A. Il existe une dissyme'trie des moments fléchissants et cette dissymétrie est préjudiciable au bon fonctionnement d'une membrane ainsi réalisée et utilisée dans le cadre d'un élément sensible équipant un capteur de force.En effet pour les jauges d'extensométrie J1 et J2 situées près des J1 et J2 tuées près des encadments A et B, il est souhaitable de tendre vers l'égalisation des déformations positives et négatives de la membrane afin d'obtenir la meilleure linéarité possible des signaux électriques de sortie en vue de leur exploitation dans un pont de mesure tel qu'un post de Wheasthone L'invention a pour objet de pallier cet incarwémient et concerne une nouvelle géométrie de la membrane d'un élément sensible destiné à équiper un capteur de force. Une membrane 1 conforme à l'invention et la courbe correspondante montrant l'évolution des contraintes entre les deux encastrements A et B sont schématiquement représentées sur la figure 3. Cette membrane 1, au lieu de présenter une épaisseur constante (e), présente, conformément à l'invention une face inférieure 5 et une face supérieure 6 situées dans deux plans faisant entre eux un angle (i) tel qu > à l'un des encastrements (A) l'épaisseur soit égale à (e) et à l'autre encastrement (B) elle soit égale à (e1). Donc cette épaisseur varie de (e) à (el) depuis la périphérie de la membrane 1 jusqu'à la jonction entre cette membrane 1 et la pièce de renforcement centrale 3. Dans ces conditions l'expérience montre qu'en ajustant la valeur de l'angle i on déplace le point (C) correspondant à l'abaisse à laquelle se produit l'inversion du signe des. contraintes (abcisse correspondant à 5~= o) jusqu'à ce qu'il se trouve au voisinage du milieu de la membrane 1. On a ainsi la symétrie recherchée et des conditions de travail et donc de déformations optimales de la membrane 1 lorsqu'elle est soumise à une force F appliquée sur la pièce de renforcement central. Un nouveau perfectionnement est maintenant décrit. I1 a pour but d'améliorer encore les qualités des éléments sensibles dotés d'une membrane à géométrie conforme à l'invention. Si l'on se reporte à nouveau à la figure 3, on constate que la contrainte effectivement mesurée par la jauge 3, (coté encastrement A) et la jauge J2 (coté encastrement B) n'est en réalité qu'une contrainte moyenne (-) et Qc(+) et ceci parce que chacune des jauges couvre une certaine longueur La précision de la mesure impose que la contrainte moyenne soit aussi voisine que possible de la contrainte à l'encastrement. Ce résultat est obtenu au moyen d'une géométrie de la membrane présentant en plus de l'angle (i) déjà défini précédemment deux lignes brisées 15 et 16 ou même avantageusement deux congés 17 et 18 de raccordement aux deux extrémités de la membrane. Une telle géométrie est schématiquement représentée sur la figure 4 ainsi que l'évolution des contraintes G ) et6(-). Il apparait sur cette figure que les contraintes moyennes mesurées par les jauges sont très voisines de ces dernières. La figure 5 montre un exemple de réalisation d'un élément sensible 100 conforme à l'invention. I1 se présente sous la forme d'une plaque munie de moyens de fixation tel que 20. Cette plaque comporte d'une part une partie amincie d'épaisseur variant de (e) à (e (el) constituant,la membrane 1 se présentant sous la forme d'une couronne ayant un evidemment central et une périphérie. Les jauges J1 et 2 sont mises en place sur cette membrane 1. Elle a la géométrie décrite précédemment et présente donc, conformément à l'invention une face supérieure 7 et inférieure 6 situées dans deux plans faisant entre eux un angle (i). Elle est encastrée à sa périphérie( encastrement A) à un élément 4 rendu solidaire du capteur non représenté par les moyens de fixation 20.Elle est également encastrée dans son évidement central à la pièce de renforcement 3 (encastrement B); Son épaisseur varie de (e) à (el) et dans une version préférée, elle comporte également des congés de raccordement 17 et 18 au niveau des encastrements A et B. Les proportions relatives et plus particulièrement celles des jauges J1 et J2 par rapport aux autres parties de l'élément sensible ne sont pas respectées, ceci en vue de plus de clarté. Sur un élément sensible 100 conforme à l'invention la mise en place des jauges peut être réalisée facilement. I1 est possible et même avantageux de réaliser les jauges par pulvérisation cathodique directement sur la membrane 1 des éléments les constituants et plus particulièrement des éléments résistants dont les déformations propor -:ionnelle9 aux déformati-ns de la membrane elle-mê.ne vont permettre de mesurer la force appliquée sur la partie centrale de renforcement 3. Carne cela a été dite précédemment, un élément sensible, selon l'invention décrit ci-dessus est notamment destiné à équiper un capteur de force. Le fonctionnement d'un tel capteur est schématisé sur la figure 6. Si l'on applique une force F sur les bases d'un cylindre déformable 105 dit "corps d'épreuve" métallique de hauteur H et de section S, il apparait une contrainte dont l'expression est # = F S et une variationFde longueur relative dH H E E étant le module d'dune du matériau considéré. La variation dH de longueur totale du cylindre s'exprime alors sous la forme dH = FH D'une part on adapte à l'intérieur du cylindre, un élément sensible 100, conforme à l'invention de façon que sa membrane soit parfaitement encastrée dans les conditions définies précédemment. D'autre part une tige 101 solidaire du cylindre, constitué du même matériau que luitappuie sur la pièce centrale de renforcement 3 de l'élément sensible 100. La hauteur utile de cette tige c'est-à-dire comprise entre son encastrement au cylindre et son point d'appui sur l'élément sensible est égale à L, valeur inférieure à H. Le cylindre est soumis à une force F provoquant une déformation dH, il en résulte une variation de longueur dL. Le dimensionnement de la tige 101 étant étudié pour que celle-ci soit indéformable dans les conditions d'essai, cette déformation est encaissée en totalité par la membrane qui, elle, se déforme. Il suffit alors de mesurer cette déformation au moyen de jauges et d'en déduire la valeur de la force F appliquée. Un premier exemple de réalisation d'un capteur fonctionnant selon ce procédé est représenté sur la figure 7 indice a et indice b correspondant aux deux coupes AA1 et BB1. Un tel capteur est essentiellement constitué par une embase inférieure 50 et une embase supérieure 51 reliées entre elles par des moyens déformables par exemple des colonnes 52 qui, dans l'exemple décrits, sont au naobre de quatre. L'ensemble comprenant les deux embases inférieure et supérieure et les quatre moyens déformables rendus solidaires de celles-ci par tout moyen de fixation tel que des vis 53 par exemple, constituent le corps d'épreuve ctest-à-dire le cylindre défini dans la figure 6.La force est appliquée entre les deux embases et les colonnes 52 dont la hauteur est H subissent sous l'action de cette force, la variation dH définie précédemment. A l'intérieur de ce corps d'épreuve l'élément sensible 100 est rendu solidaire de l'embase et les jauges débouchent dans une cavité prévue à cet effet dans l'embase inférieure. I1 peut être vissé ou de préférence soudé par bombardement électronique. Il comporte, comme l'élément sensible décrit dans la figure 6, une membrane 1 d'une part encastrée en A et en B et présentant une géométrie conforme à l'invention et d'autre part, une partie centrale de renforcement. L'embase supérieure 51 présente une partie en forme de tige 55 de longueur L capable d'appuyer sur la pièce centrale de renforcement 3 de l'élément sensible 100. Cette tige est dimensionnée pour ne subir aucune-déformation dans les conditions d'essai et corme cela a été expliqué précédemment. C'est l'élément sensible et plus exactement la membrane 1 qui encaisse toute la déformation dL, résultant de la déformation dH. Celle-ci est alors mesurée au moyen des jauges J1 et J2 portées par la membrane 1. Les signaux électriques receuillis aux bornes des jauges sont transmis à un circuit imprimé 60 chargé de les traiter et de les transmettre au moyen de conducteurs(non visibles) au pont de mesure également non représenté et ceci à travers un passage étanche 61 prévu à cet effet dans 1'embase inférieure. Une membrane 63 ferme cette cavité 56. Elle peut être scellée par bombardement électronique ce qui assure la mise sous vide en même temps de l'enceinte. Elle peut aussi être soudée par tout autre procédé et dans ce cas il est conseillé de faire le vide puis d'obturer la prise de vide au moyen d'une bille 70.Un capot métallique 80 constitue un boitier pour le capteur tandis qu'une couronne 85 est prévue pour isoler thermiquement et minimiser ainsi les gradients thermiques dûs à un apport de calories par les côtés du capteur, qui risqueraient de causer une dilatation différentielle entre les moyens déformables 52 et la tige 55. Celle-ci porte unevis de préréglage 88 qui sert aux réglages de précontrainte. Un bouchon 90 empêche l'accès à cette vis 88 une fois que celle-ci est réglée. Un second exemple de réalisation d'un capteur équipé d'un élément sensible conforme à l'invention est représenté sur la figea & b Tous les éléments constituant le capteur sont identiques à ceux de la figure 7 et portent les mêmes références à l'exception de la tige 55. Dans le premier cas, celle-ci était intégrée à l'embase supérieure. Dn revanche dans ce second exemple de réalisation, cette tige est interchangeable ; elle comporte deux parties, la tige 120 proprement dite et une bague 121 de raccordement vissée dans l'embase supérieure. On peut aussi changer de tige, à condition que la nouvelle soit munie d'une bague de raccordement, compatible et dans ces conditions faire varier la sensibilité d'un même capteur. Les capteurs équipés d'éléments sensibles dont la membrane présente, conformément à l'invention, une géométrie qui conduit à une répartition homogène des contraintes ont en Outre l'avantage de pouvoir recevoir des jauges d'extensométrie déposées sur la membrane par pulvérisation. Ils se prêtent à une fabrication en série relativement aisée. Leur domaine d'application est très étendu et l'on peut citer notamment toutes les applications relatives au pesage. REVENDICATIONS 1. Elément sensible, muni de jauges extensométriques, destiné à équiper un capteur servant à mesurer une force, cet élément étant essentiellement constitué par une membrane en forme de couronne portants les jauges, rendue solidaire en son centre d'une pièce centrale de renforcement destinée à recevoir la force à mesurer, caractérisé en ce que la membrane présente une face supérieure et une face inférieure respectivement situées dans deux plans faisant entre eux un angle (i) tel que l'épaisseur de la membrane varie de la périphérie vers la pièce de renforcement, d'une valeur (e) à une valeur (el). 2. Elément sensible selon la revendication 1, caractérisé en ce que, à cette valeur.de l'angle(i)correspond une évolution des épaisseurs (e) et (el) assurant le long de la membrane préalablement encastrée à ses deux extrémitées et soumise à une force, une répartition homogène des contraintes 3. Elément sensible selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la membrane comporte à sa périphérie extérieure et intérieure un congé de raccordement. 4. Elément sensible selon l'une des revendications précédentes, caractérisé dn ce que les jauges d'extensométrie sont mises en place sur la membrane par pulvérisation cathodique. 5. Capteur de force, caractérisé en ce qu'il est équipé d'un élément sensible selon l'une des revendications précédentes. 6. Capteur de force selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comprend un corps d'épreuve constitué d'une embase inférieure et d'une embase supérieure reliées entre elles par des moyens déformables, l'embase inférieure comportant une cavité et l'embase supérieure portant une tige indéformable capable sous l'action d'une force appliquée entre les deux embases d'appuyer sur la partie de renforcement de l'élément sensible encastré dans 1' embase inférieure. 7. Capteur de force selon la revendication 6 caractérisé en ce que les moyens déformables sont constitues par des colonnes calibrées au nombre de quatre uniformément réparties. 8. Capteur de force selon l'une des revendications 5, 6 et 7, caractérisé en ce que la tige est vissée dans l'embase supérieure et interchangeable en fonction de la sensibilité de mesure recherchée. 9. Capteur de force selon l'une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que, la tige porte une vis servant au réglage de la précontrainte. 10. Capteur de force selon l'une des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que les jauges débouchent dans la cavité de l'embase inférieure. 11. Capteur de force selon la revendication 10, caractérisé en ce que la cavité est obturée au moyen d'une membrane. 12. Capteur de force selon la revendication 11, caractérisé en ce que la cavité est mise sous vide. 13. Capteur de force selon l'une des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que les signaux électriques fournis par les jauges sont transmis à un circuit imprimé lui-même relié à l'extérieur par des conducteurs traversant l'embase inférieure à travers un passage étanche. 14. Capteur de force selon l'une des revendications 6 à 13, caractérisé en ce qu'un boîtier et une cloison isolante thermiquement protège le corps d'épreuve.