Brevet FR2483604A1 — publié le 19811204

La présente invenrion concerne un capteur - rnamér'ue destiné au relèvement de la position d'un organe mobile et capable de délivrer un signal électrique numé- rioue correspondant à la grandeur mesurée, en utilisant de préférence un système de codage de cette grandeur dit code de Gray. Les capteurs basés sur le codage de Gray sont généralement constitués par un masque de codage relié cinématicuement à l'organe mobile et doté d'un réseau de zones-opaques et de zones transparentes correspondant auxchiffres binaires 0 et 1. Ces zones présentent une disoosition en matrice comprenant des séquences de zones élé- mentaires opaques et transparentes disposées suivant la direction de déplacement du masque relié à l'organe mobile, et des séquences de zones élémentaires opaques et trans- parentes disposées perpendiculairement à la direction de déplacement du masque, les zones élémentaires desdites premières séquences matérialisant les valeurs correspondant aux différentes positions de l'organe mobile et lesdites secondes séquences représentant les chiffres nlaires de la valeur codée correspondant à une position déterminée dudit organe mobile. Le masque de codage se déplace, entraîné par l'organe mobile, par rapport à une série de phototransistors de mesure dont le nombre est égal à celui de la séquence de zones élémentaires disposées perpendiculairement à la direction de déplacement, c'est-à-dire en nombre égal à celui des chiffres binaires qui matérialisent chacune des valeurs codées. Ce m sque permet par conséquent le 3o passage du rayonnement lumineux émis par une série corres- pondante de photodiodes en direction desphototransistors qui se trouvent en regard des zones transparentes d'une séquence disposée perpendiculairement à la direction de déplacement, tandis qu'il intercepte le rayonnement 5. dirigé vers les phototransistors qui se trouvent en regard des zones opaques de cette même séquence disposée perpendiculairement à la direction de déplacement. D'une manière générale, le signal de tension émis par chaque phototransistor est ensuite écr8té dans un circuit de comparateurs par comparaison avec un seuil de tension prédéterminé, de sorte que la valeur relevée exprimée en code de Gray pourra être ensuite utilisée dans des circuits ou des calculateurs connectés en aval. Ainsi qu'il est connu, l'avantage du code de Gray par rapport au code binaire naturel réside dans le fait que chacune des valeurs codées diffère de celles immédiatement contiguës par un seul des chiffres dont elle est constituée, ce qui rend la réalisation d'un capteur de déplacement très simple et son fonctionnement très s r et très précis. Dans les applications connues des capteurs basés sur le code de Gray, le pas entre les valeurs codées, et par conséquent l'écart entre les positions relevables, présente la même valeur sur toute la plage de variation du déplacement linéaire ou angulaire du masque sous l'action de l'organe mobile et, de ce fait, l'ampleur des zones élémentaires opaques et transparentes, qui est égale à ce pas, présente une valeur constante dans le sens de dépla- cement dudit masque. On a toutefois constaté que les capteurs de ce type étaient inadaptés aux cas o il est nécessaire de mesurer une grandeur physique, comme par exemple les déplacements d'un organe mobile, avec des degrés de résolution différents suivant la valeur acquise par cette grandeur dans sa plage de variation. Il en est souvent ainsi lorsque la grandeur mesurée est utilisée comme paramètre de réglage et lorsque dans le processus de réglage elle présente une variabilité différente en fonction de sa valeur Un exemple d'un tel cas est donné par les systèmes de réglage des moteurs à combustion interne, dans lesquels les paramètres de fonctionnement, tels que les déplacements angulaires d'une vanne papillon ou volet de dosage de l'alimentation, d'un volet papillon de mesure du débit d'air aspiré par le moteur, de la dépression à l'admission, de la vitesse de rotation, etc., sont u.iilsés comme Daramètres de réglage pour le contrôle des caractéristicues s fonctionnelles du moteur, tellE que l'alimentation en com- bustible, l'avance à l'allumage, etc. Dans ces processus de réglage, il est souvent requis une plus grande précision d'intervention dans les conditions de fonctionnement du moteur qui se caractérisent par de faibles valeurs de la vitesse de rotation et par de petites ouvertures du volet ou des volets de dosage, et il est par conséquent nécessaire que les écarts entre les valeurs relevées des paramètres de fonctionnement soient les plus faibles possible dans ces conditions et que l'on puisse y obtenir une plus forte concentration de ces valeurs. En revanche, dans les conditions de fonctionnement du moteur caractériséE par des vitesses élevées et par des grandes ouvertures du volet ou des volets de dosage, les écarts entre les valeurs relevées des paramètres de fonc- tionnement peuivent être relativement grands et une cer- taine raréfaction de ces valeurs est acceptable. Les capteurs doivent par conséquent être en mesure de fournir les valeurs mesurées avec le degré de résolution désiré dans les différentes conditions de fonctionnement du moteur. Pour résoudre ce problème, un masque de codage doté de zones élémentaires d'ampleur constante peut être couplé à l'organe mobile par une liaison cinématique à rapport de transmission variable, de manière que les dépla- cements du masque soient amplifiés par rapport à ceux de l'organe mobile dans les conditions demandant une plus grande résolution. Toutefois, un capteur de ce genre ne peut pas fournir des réponses très précises, car plus la _0 liaison cinématique de transmission interposée entre l'or- gane mobile et le masque de codage sera complexe et plus seront nombreux les jeux et les frottements qui altéreront d'une manière néfaste ces réponses. Le but de la présente invention est de réaliser un capteur numérique basé sur le code Gray, capable de fourAre les valeurs du déplacement relevées avec un degré de résolution différent en fonction de la valeur miême du déplacement, éventuellement avec l'emploi d'une liaison cinématique à rapport de transmission variable. Ce but est atteint par le capteur selon la présente invention, comprenant un masque de codage relié cinématiquement à l'organe mobile dont on désire mesurer les déplacements, ledit masque de codage étant doté d'un réseau de zones opaques et transparentes, avec des séquen- ces de zones élémentaires disposées perpendiculairement à la direction de déplacement, lesdites séquences étant en nombre égal à celui des valeurs codées--correspondant aux différentes positions de l'organe mobile, et avec des séquences de zones élémentaires disposées dans la direction de déplacement, lesdites séquences étant en nombre égal à celui des chiffres binaires qui constituent lesdites valeurs codées, ledit capteur comprenant en outre une série de photodiodes et une série de phototransistors en nombre égal à celuiles zones élémentaires correspondant aux chiffres binaires de9hacune des valeurs codées, ces photodiodes et phototransistors étant fixes et disposés face à face avec interposition dudit masque de codage et d'un élément collimateur apte à diriger le rayonnement lumineux des photodiodes sur les phototransistors, ledit capteur comprenant d'autre part de préférence un circuit de comparateurs reliés auxdits phototransistors et capable d'écrêter le signal de tension émis par chaque phototran- sistor par comparaison avec un seuil de tension prédéter- miné. Selon l'invention, un tel capteur est caractérisé par le fait qu'il comprend un masque de codage dans lequel le pas des valeurs codées de déplacement est variable en fonction des valeurs mêmes du déplacement dans sa plage de variation, et dans lequel l'ampleur des zones élémen- taires opaques et transparentes, mesurée dans la direction du déplacement, est variable, étant égale au pas. Dans un mode de réalisation préféré, l'ampleur totale de chacune des zones, opaques ou transparentes, de chaque séquence disposée dans. b diectLon du déplacement, cette ampleur étant mesurée dans la direction du déplacement, est égale à une puissance prédéterminée de 2 multiplié par ledit pas variable, les puissances de 2 associées aux difi-renées séquences disposées dans la direction du dépAacement variant suivant une progression géométrique. D'autres caractéristiques et avantages réssor- tirnoit pis clairement de la description qui va suivre d'une fo'rme de réalisation préférée de l'invention, donnée ici à titre d'exemple nullement limitatif en regard des dessins annexés. La figure 1 représente une vue du capteur selon l'invention, utilisé pour la mesure des déplacements angulaires du papillon ou des papillons de dosage d'an moteur à combustion interne, en coupe suivant laligne I-I de La figure 2. La figure 2 représente une vue en coupe trans- versale du capteur suivant la ligne II-II de la figure 1. On voit sur la figure 1 une portion d'un conduit d'alimentation 10 d'un moteur à combustion interne dans lequel peut tourner un volet ou Papillon de dosage 12, qui permet au conducteur de la voiture, via une tringlerie reliée à la pédale d'accélérateur (non représentées), de doser le débit du mélange aspiré par le moteur, si celui-ci est du type à carburation, ou de doser le débit d'air si le moteur est du type à injection. Sur l'axe 11 du volet de dosage 12, représenté dans sa position de fermeture maximale, est monté solidaire un levier 13, lequel est articulé en 14 à une tige 15 qui - - est à son tour articulée en 16 à un levier 17 solidaire d'un axe 18 tournant dans un bottier 19. Sur l'axe 18 est d'autre part calé un secteur circulaire 20 qui constitue le masque de codage 20 du capteur 30 des déplacements angulaires du papillon 12. Dans le cas présent, étant donné son utilisation pour la mesure de déplacements angulaires, à savoir ceux du papillon 12, le masque de codage 20 présente la forme d'un secteur circulaire, tandis que les séquences de zones D5 opaques et transparentes, disposées dans la même direction que ïesdits déplacements angulaires, sont ordonnées le long de circonférences concentriques par rapport à l'axe 18 de rotation du masque 20. Dans le cas représenté, sur le masque 248360 r ont été prévues huit séquences circonférentielles de zones opaques et transparentes (chaque séquence étant désignée par la référence 21), car chacune des valeurs codées de déplacement angulaire est représentée par huit chiffres binaires: ces valeurs codées sont en effet matérialisées par les séquences radiales des zones élémen- taires opaques et transparentes, dont lTampleur mesurée dans la direction du déplacement est égale au pas choisi entre lesdites valeurs codées. Comme on l'a déjà mentionné, ce pas varie suivant la direction du déplacement et, dans le cas présent, il croît dans le sens de la flèche 22 de la figure 1, de sorte que, l'ampleur de chaque zone élémentaire étant égale au pas, l'ampleur totale des zones opaques et transparentes appartenant à chaque séquence circonférentieIe 21 augmente proportionnellement avec le pas dans le sens de cette flèche 22. Par ailleurs, en passant d'une séquence circonférentielle à une autre, l'ampleur totale des zones aussi bien opaques que transparentes varie avec le pas en progression géométrique, l'ampleur des zones appartenant à la première séquence, c'est-à-dire celle qui se trouve le plus à l'extérieur, étant égale à la première puissance de 2 multipliée par le pas, l'ampleur de celles appartenant à la seconde séquence étant égale à la seconde puissance de 2 multipliée par le pas, et ainsi de suite jusqu'à la huitième séquence, dans laquelle l'ampleur totale des zones est égale à la huitième puissance de 2 multipliée par le pas. Sur la figure 2 sont visibles les autres com- posants du capteur 30: une série de photodiodes 23, portées par une platine 24, en nombre égal à celui des séquences circonférentielles de zones opaques et transparentes du masque de codage, et dans le cas présent au nombre de huit; un élément collimateur 25, qui a pour fonction de diriger le rayonnement lumineux des photodiodes sur les photo- transistors mentionnés ci-après et qui peut comporter soit une seule et uniaue fente longitudinale de longueur et de largeur appropriées, soit une série de fentes lorn?;ritudinales en nombre égal à celui des photodiodes; enfin, une série de phototransistors 26 portés par une platine 27, en nombre égal à celui des photodiodes. Les photod odes, l'élément collimateur et les phototransistors sont fixes et disposés parallèlement à la séquence radiale de zones élémentaires opaques-et transparentes qui correspond à la position de fermeture maximale du papillon 12. Sur la figure 2, le bloc 28 représente le cir- cuit de comparateurs relié via une ligne 29 à la série des phototrarnsistors. Ce circuit réalise l'écrêtage du signal de tension émis par chaque phototransistor par comparaison avec un seuil de tension prédéterminé, de manière à rendre la valeur de déplacement ainsi relevée, exprimée en code de Gray, utilisable par des moyens de traitement appropriés. Chaque position angulaire prise par le papillon de dosage 12 détermine une position angulaire correspondante du masque de codage 20 qui se déplace dans un plan perpen- diculaire au plan radial contenant les photodiodes et les phototransistors. Ceux-ci sont disposés pour se trouver, à travers l'élément collimateur 25, en regard des zones élémentaires opaques et transparentes de différentes séquences radiales. Ainsi, le rayonnement lumineux émis par les photodiodes atteint les phototransistors qui se trouvent en regard des zones élémentaires transparentes d'une séquenceradiale, tandis qu'il est intercepté par les zones élémentaires opaques de cette séquence radiale, de sorte que les premiers deviennent conducteurs et émettent _D0 un signal de tension qui représente le chiffre 1, tandis que les seconds restent inactifs, l'absence de signal représentant le chiffie 0. L'ensemble de huit chiffres constitués par la combinaison de 1 et de 0 constitue la valeur relevée de la position angulaire du papillon 12, exprimée en code de Gray. Etant donné que le pas entre les valeurs codées (zones opaques et transparentes des séquences 21) augmente en même tanEps que l'ouverture du papillon 12, on parvient à obtenir un grand nombre de valeurs codées au niveau des petites ouvertures du papillon, ainsi qu'une raréfaction de ces mêmes valeurs au niveau des grandes ouvertures de ce dernier, de sorte que le-capteur présente respectivement un plus ou moins grand degré de résolution. Il va de soi que le critère de variation du pas entre les valeurs codées pourra être différent de celui qui vient d'être décrit, le choix dépendant uniquement du genre d'application auquel est destiné le capteur. Dans le cas représenté, la liaison cinématique 13, 14, 15, 16, 17 entre le papillon 12 et le masque de codage 20 a un rapport de transmission variable et permet une amplification des déplacements angulaires du masque de codage par rapport à ceux du papillon au niveau des petites ouvertures de ce dernier. Cet agencement, réalisé avec un ensemble de liaison très simple, permet d'augmenter le degré de résolution du capteur sans pénaliser la précision de réponse. Toutefois, lorsque le degré de résolution obtenu grâce au pas variable des valeurs codées est celui que l'on désire, le masque de codage peut être calé directement sur l'axe 11 du papillon de dosage. REVENDICATIONS 2- Capteur analogiaue-numérique basé sur le cote de Gray pour la mesure de la position d'un organe :roble, comp.rena-t unr masque de codege relié à cet organe mnobk.e, ledit masaue de codage étant doté d'un réseau de zones opaaues et transparentes, avec des séquences de zones élémentaires disposées perpendiculairement à la direction de déplacement, lesdites séquences étant en sombrie égal à celui des valeurs codées correspondant aux différentes positions de l'organe mobile, et avec des séoQ.ences de zones élémentaires disposées dans la direction de déplacement, lesdites séquences étant en nombre égal à celui des chiffres binaires qui constituent lesdites valeurs codées, ledit capteur comprenant également une série de photodiodes et une série de phototransistors en nombre égal à celui des zones élémentaires correspondant aux chiffres binaires de chacune des valeurs codées, ces photodiodes et phototransistors étant fixes et disposés face à face avec interposition dudit masque de codage et d'un élément collimateur apte à diriger le rayonnement lumineux des photodiodes sur les phototransistors, ledit capteur comprenan; d'autre part un circuit de comparateurs reliés auxdits phototranrisistors et capables d'écrêter le signal de tension émis par chaque phototransistor par comparaison avec un seuil de tension prédéterminé, ledit capteur étant caractérisé par le fait qu'il comprend un masque de codage dans lequel le pas des valeurs codées de déplacement varie en fonction des valeurs mêmes du déplacement dans sa plage de variation, et dans lequel i'amoleur des zones élémentaires opaques et transparentes, mesurée dans la direction du déplacement, est variable, étant égale au pas. 2.- Capteur selon la revendication 1, caractérisé ar le fait qu'il comprend un masque de codage dans lequel l'ampleur totale de chaque zone opaque et de chaque zone transparente de chacune des séquences disposées dans la direction du déplacement, cette ampleur totale étant mesurée darns la. direction du déplacement, est égale à une puissance prédéterminée de 2 multipliée par ledit pas variable, les puissances de 2 associées aux différentes séquences disposées dans la direction du déplacement variant suivant une progression géométrique. 3.- Capteur selon la revendication 1 pour la mesure des positions angulaires d'une vanne à papillon d'un moteur à combustion interne, ledit capteur comprenant un masque de codage en forme de secteur circulaire doté d'un réseau de zones élémentaires opaques et transparentes avec des séquences de zones opaques et transparentes disposées radialement, en nombre égal aux valeurs codées de déplacement angulaire, et avec des séquences de zones opaques et transparentes disposées circonférentiellement, en nombre égal aux chiffres binaires qui constituent lesdites valeurs codées, ledit capteur étant caractérisé par un masque de codage dans lequel le pas, mesuré dans le sens circonférentiel, entre les valeurs codées de déplacement angulaire varie en fonction des valeurs acquises par le déplacement angulaire dans sa plage de variation, et dans lequel l'ampleur des zones élémentaires opaques et transparentes mesurée dans la direction cir- conférentielle est variable,-étant égale au pas. 4.- Capteur selon la revendication 3, caracté- risé par un masque de codage dans lequel l'ampleur totale de chaque zone opaque et de chaque zone transparente de chacune des séquences circonférentielles, cette ampleur totale étant mesurée dans la direction circonférentielle, est égale à une puissance prédéterminée de 2 multipliée par ledit pas variable, les puissarices de 2 associées aux différentes séquences disposées circonférenciellement variant suivant une progression géométrique. 5.- Capteur selon la revendication 1, caracté- risé par le fait que le masque de codage est couplé cinéma- tiquement à l'organe mobile par l'intermédiaire d'une liaison mécanique à rapport de transmission variable dans la plage de variation des déplacements dadit organe mooile.