Brevet FR2412053A1 — publié le 19790713

L'invention est du domaine de la mesure du déplacement linéaire ou angulaire et concerne des perfectionnements apportés aux procédés et aux appareils dans lesquels on détermine les positions successives prises par un organe mobile en mesurant la tension délivrée par un transformateur dont le couplage magnétique des enroulements dépend de la position de l'organe en mouvement. Dans les appareils connus de mesure de déplacements, un oscillateur alimente le primaire d'un transformateur dont le couplage magnétique est influencé par un élément mobile. Dans un premier type de transformateur, les enroulements primaires et secondaires fixes sont couplés par un noyau ferromagnétique mobile solidaire de l'organe en mouvement. Dans un autre type de transformateur, l'enroulement primaire est fixe et le ou les enroulements secondaires sont mobiles.Les variations de flux magnétique qui résultent, d'une part, des variations périodiques du courant sinusoidal d'alimentation de l'enroulement primaire et, d'autre part, de la variation du couplage magnétique due aux changements de position de l'élément mobile, induisent dans l'enroulement secondaire une force électro-motrice alternative, dont la valeur VI constitue la mesure de position Vi '-- V M cos 2 qr ft + dM sin 2 qr ft (1) L dt 2 # f dans cette relation on désigne par V : l'amplitude du signal sinusoidal, de fréquence f, appliqué à l'enroulement primaire, M : le coefficient de couplage magnétique entre enroulements, L : la valeur la self de l'enroulement primaire, t : le temps. Pour obtenir un signal électrique dépendant uniquement de la valeur de M, donc de la position de l'organe mobile, on connecte généralement l'enroulement secondaire à l'entrée d'un démodulateur synchrone qui reçoit, en outre, le signal de référence y = sin (2 fr ft + jU ) délivré par l'oscillateur.Le 2 signal délivré par le démodulateur, qui a pour expression V2 = V M + M cos 4# ft + 1 dM sin 4 # ft ](2) L 2 2 2 dt 2# f est ensuite filtré,au moyen d'un filtre passe-bas, pour mettre en évidence le terme VM représentant la position de l'organe mobile. On peut donc en déduire le deplacement d'un organe mobile occupant des positions successives en mesurant, pour chaque position, la tension continue délivrée par le filtre et,en comparant le résultat des mesures à des valeurs d'étalonnage.Les termes parasites, de fréquence 2 f, de l'équation (2) sont partiellement éliminés par le filtre dont la fréquence de coupure est déterminée en fonction du niveau résiduel de signaux parasites acceptable et de la fréquence f des signaux alimentant le transformateur. La précision des mesures effectuées au moyen de ce procédé connu de traitement des signaux dépend donc - de la stabilité de l'oscillateur en amplitude et en fréquence, - de la bande passante du transformateur dont les capacités internes, entre spires et entre enroulements, introduisent des distorsions d'amplitude et de phase en fonction de la fréquence du signal dl alimentation et de la valeur du déplacement de l'organe mobile - des dérives de zéro des composants analogiques de la chaîne de mesure. La mise en oeuvre de ce procédé de mesure implique alors de choisir des composants très performants (oscillateur, transducteurs, amplificateurs), ce qui conduit à la réalisation d'appareils coûteux. En outre, si l'organe mobile dont on veut mesurer le déplacement se trouve animé de mouvements aléatoires, le signal V3 délivré par le démodulateur synchrone contient des signaux parasites dont les fréquences dépendent de la fréquence f du signal oscillateur et des composantes de fréquence du mouvement.Par exemple. pour une sollicitation de forme sinusoidale, on a V3 = V Mo cos 25rFt + V Mo f + F cos 2 (2f + F)t + f-F cos 2q5(2f - F) 2L 4L f T 3) dans cette relation Mo : est le coefficient de couplage correspondant à une position origine de l'organe mobile, F : est la fréquence de la sollicitation sinusotdale. Il faut alors calculer la fréquence de coupure du filtre passe-bas, d'une part, pour pouvoir mesurer la tension alternative à basse fréquence V Mo cos 29Ft et, d'autre part, pour éliminer suffisamment les signaux 2L parasites à fréquence f' = (2f + F) et fl' = (2f - F). Pratiquement, il est impossible de mesurer à 5 % près les déplacements linéaires ou angulaires qui entraînent des variations de tension de sortie dont la fréquence F est supérieure au 1/100ème de la fréquence du signal oscillateur, elle-meme limitée par la bande passante du transformateur. La présente invention a pour but de fournir un nouveau procédé de traitement des signaux élaborés par un transducteur électro-magnétique pour la mesure de déplacements et un appareil ne présentant pas ces inconvénients. Un autre but de l'invention est de fournir un appareil de réalisation simple et qui se prête bien à l'exploitation des mesures par un calculateur numérique fonctionnant en temps réel. L'invention a pour objet un procédé de mesure du déplacement linéaire ou angulaire d'un organe mobile agissant sur le couplage des enroulements d'un transformateur à couplage variable alimenté en courant périodique et délivrant un signal électrique dont l'amplitude dépend de la position de l'or- gane mobile, caractérisé par la succession des étapes suivantes - on alimente l'enroulement primaire du transformateur en courant impulsionnel, - on commande à des instants t et t', respectivement retardés par rapport aux instants d'arrivée du front avant et du front arrière de chacune des impul sions, la mesure puis la mise en mémoire de la tension de sortie à ltenrou- lement secondaire, - on élabore, à chaque impulsion, un signal différence égal à la différence des tensions aux instants t et t', - on compare la valeur de ce signal différence à des valeurs d'étalonnage pour en déduire le déplacement linéaire ou angulaire de l'organe mobile. L'invention a aussi pour objet un appareil de mesure pour la mise en- oeuvre du procédé. L'appareil comprend un transformateur dont le couplage des enroulements varie en fonction de la position d'un organe mobile, un générateur de signaux périodiques alimentant l'enroulement primaire, des moyens de mesure de la tension aux bornes de l'enroulement secondaire;;et il est caractérisé en ce que le générateur de signaux périodiques est un générateur d'impulsions, de durée ij et de période T, et en ce que les moyens de mesure de la tension secondaire comportent - deux échantillonneurs à mémoire commandés successivement à des instants t et t' retardés-respectivement par rapport au front avant et au front arrière de chacune des impulsions, - un circuit de calcul fournissant un signal différence égal à la difference des valeurs mises en mémoire aux instants t et t', - un circuit comparateur recevant, d'une part, le signal différence et, d'au tre part, des valeurs d'étalonnage. La figure 1 est un schéma de principe d'un appareil conforme à l'invention, pour la mesure du déplacement. La figure 2 est un diagramme représentant les impulsions de commande en fonction du temps. La figure 3 est un schéma de principe d'un échantillonneur bloqueur utilisé dans l'invention. Le transducteur électro-magnétique 1 de la figure 1 comporte un générateur de flux magnétique tel qu'un enroulement inductif 2 alimenté, au moyen d'un amplificateur d'adaptation 3,par les signaux délivrés par le générateur 4 d'impulsions périodiques. Les variations de flux magnetiques sont captées par un dispositif sensible au flux comme un enroulement 5 couplé magnétiquement à l'enroulement 2 au moyen d'un noyau ferro-magnétique 6 mobile en rotation. La forme et la disposition des enroulements et du noyau sont déterminées selon la technique connue pour que le coefficient de couplage soit une fonction linéaire du déplacement. L'enroulement 5 est relié à un amplificateur 7, d'adaptation en impédance et en amplitude, connecté à un dispositif 8 d'échantillonnage et de mise en mémoire relié, par la liaison 14, au générateur 4. Les sorties 11 et 12 du dispositif 8 sont reliées à un amplificateur différentiel 13. Dans une forme de réalisation de l'invention, le dispositif 8 comprend deux échantillonneurs à mémoire identiques 9 et 10 commandés respectivement à des instants t et t' (figures2d, 2e) retardés d'un intervalle de temps G et zf (fiv 2b, 2c) respectivement par rapport aux instants d'arrivée du front avant et du front arrière de chacune des impulsions 28 (fig. 2a) délivrées par le générateur 4 de la fig.l. Les retards A 2; et A Z;/ sont choisis pour que l'échantillonnage et la mise en mémoire du signal délivré par l'enroulement 5 ajentlieu en dehors des phases transitoires d'établissement du potentiel (fig.2f) L'amplificateur différentiel 13 délivre en 15 un signal égal à la différence des tensions aux instants t et t'.Ce signal est ensuite comparé à des valeurs d'étalonnage, dans un dispositif non représenté sur la figure, pour déterminer la valeur du déplacement de l'organe mobile 6 aux instants de mesure tiNt+t' Dans une première variante de réalisation de 1'invention, ltéchan lonneur à mémoire 9 (ou 10) comprend (fig. 3) un monostable 17 qui élabore un retard au (ou Z ) et un circuit 18 qui délivre, aux instants t (ou t'), une suite limitée S (ou S') d'impulsions 19 de commande d'échantillonnage.La sortie du monostable 17 est reliée à l'entrée d'un bistable 20 qui commande, sur le front arrière du signal T (ou ') l'ouverture d'une porte ET 21 qui dirige les impulsions à fréquence élevée délivrées par le multivibrateur 22 vers l'entrée d'un compteur d'impulsions 23. Les sorties 30 des décades du compteur 23 sont reliées à un circuit 24 comportant des portes de décodage convenablement cablées pour appliquer sur l'entrée du dispositif 25 une suite S (ou S') limitée d'impulsions de commande 19 dont la fréquence dépend de la fréquence du multivibrateur 22 et des liaisons existantes entre le compteur 23 et le circuit à portes 24.Lorsqu'un nombre d'impulsions prédéterminé en fonction de la largeur des impulsions délivrées par le générateur 4 et de la précision de mesure souhaitée est atteint, le bistable 20 est remis à zéro ce qui interrompt le comptage et commande la remise à zéro du compteur 23. Chacune des impulsions 19 de la suite S (ou S') commande le dispositif 25 comportant un multiplexeur analogique 26 et une batterie de condensateurs 27 commutés successivement à la sortie 16 de l'amplificateur 7 (fig. 1). A la sortie 11 (ou 12) de l'échantillonneur à mémoire 9 (ou 10) on dispose, à chaque instant t (ou t'), d'une série de mesures à partir desquelles il est possible de calculer une valeur moyenne et/ou d'apprécier la vitesse de déplacement de l'organe mobile. Dans une deuxième variante de réalisation de l'invention un système d'acquisition numérique de données,synchronisé sur le signal délivré par l'os- cillateur 4,commande le compteur 23 et les mesures sont directement échantillonnées, numérisées et stockées dans une mémoire numérique. Dans une troisième variante de réalisation de l'invention, le géné rateur 4 délivre des signaux carrés de période T et les retards Z d-G et g égaux, sont séparés d'un-intervalle de temps égal à T/2. En ajustant le nombre et la fréquence des impulsions des suites S et S', on augmente sensiblement la précision des mesures. Dans le cas où l'on doit mesurer des déplacements périodiques de l'organe mobile, il est possible de régler la fréquence de répétition des suites S et S', c'est-à-dire la fréquence des impulsions délivrées par le générateur 4, et d'effectuer des calculs de valeur moyenne sur un nombre prédéterminé de déplacements pour augmenter la bande passante des sollicitations mécaniques applicables à l'organe mobile. Le nouveau procédé de mesure de déplacement introduit, du fait de l'échantillonnage, un retard dans les instants de détermination des positions linéaires ou angulaires de l'organe mobile ce qui entraîne un déphasage linéaire, de valeur connue, qui peut bien entendu être corrigé par un traitement numérique des données mémorisées. L'invention s'applique, par exemple - aux mesures ou au contrôle (palpeur) des positions linéaires ou angulaires d'une pièce mécanique en mouvement, - aux mesures de pression, le capteur comprenant alors une membrane déforma ble solidaire de l'élément mobile du transformateur, - aux mesures d'effort, le capteur comprenant un ressort solidaire de l'élément mobile, - à la commande de moteurs. L'application de l'invention au contrôle de la position des pales d'un rotor d'hélicoptère en rotation permet de mesurer les angles de pas, de trainée ou de battement. Pour un rotor tournant à 3 000 tours/minute, les signaux appliqués à l'entrée du primaire du transducteur électro-magnétique étant des signaux carrés de fréquence 10 KHz, la position angulaire est déterminée avec une résolution de l'ordre de 1 REVENDICATIONS 1) Procédé de mesure du déplacement linéaire ou angulaire d'un organe mobile agissant sur le couplage des enroulements d'un transformateur à couplage variable alimenté en courant périodique et délivrant un signal électrique dont l'amplitude dépend de la position de l'organe mobile, caractérisé par la succession des étapes suivantes - on alimente l'enroulement primaire du transformateur en courant impulsionnel, - on commande à des instants t et t', respectivement retardés par rapport aux instants d'arrivée du front avant et du front arrière de chacune des impul sions, la mesure puis la mise en mémoire de la tension de sortie à l'enrou- lement secondaire, - on élabore, à chaque impulsion, un signal différence égal à la différence des tensions aux instants t et t', - on compare la valeur de ce signal différence à des valeurs d'étalonnage pour en déduire le déplacement linéaire ou angulaire de l'organe mobile. 2) Précédé de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on effectue respectivement aux instants t et t' une suite limitée de mesures de tension dont on calcule respectivement la valeur moyenne et on met en mémoire les deux résultats obtenus. 3) Appareil de mesure du déplacement linéaire ou angulaire d'un organe mobile comprenant un transformateur dont le couplage des enroulements primaire et secondaire varie en fonction de la position de l'organe mobile, un générateur de signaux périodiques alimentant l'enroulement primaire et des moyens de mesure de la tension aux bornes de l'enroulement secondaire, caractérisé en ce que le générateur de signaux périodiques est un générateur d'impulsion de durée Z et de période T et en ce que les moyens de mesure de la tension comportent - deux échantillonneurs à mémoire commandés successivement à des instants res pectifs t et t' retardés par rapport au front avant et au front arrière de chaque impulsion, - un circuit de calcul fournissant un signal différence égal à la différence de des valeurs mises en mémoire aux instants t et t', - un circuit comparateur à deux entrées recevant, d'une part, le signal diffé rence et, d'autre part, des valeurs d'étalonnage. 4) Appareil de mesure du déplacement selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque échantillonneur à mémoire comporte un circuit d'élaboration de deux suites distinctes d'impulsions de commande d'échantillonnage et de mise en mémoire et, en ce que le circuit de calcul du signal différence comporte des moyens de calcul de la valeur moyenne des mesures effectués sur chaque suite. 5) Appareil de mesure de déplacement selon l'une quelconque des revendications 3 ou 4 caractérisé en ce que le rapport #/T = 1/2.