Brevet FR2558955A1 — publié le 19850802

CAPTEUR DE FORCES VECTORIEL A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE La présente invention se rapporte aux capteurs de forces à ondes élastiques de surface et notamment à ceux qui comportent au moins un oscillateur relié à des transducteurs situés sur une face d'une pièce mécanique soumise à un effort à. mesurer. Elle est particulièrement utili- sable dans les accéléromètres et permet de mesurer une composante de l'accélération produisant un effort sur le capteur. On connaîit des systèmes tels que ceux décrits dans les demandes de brevet n 83 08428 et 83 16993 déposées respectivement les 20 mai 1983 et 25 octobre 1983 par la société demanderesse dans lesquels on prévoit, à la surface d'un capteur, des transducteurs conçus pour exciter et recueillir des ondes élastiques de surface dont on sait que la vitesse de propagation varie en fonction des contraintes mécaniques le long de la direction de propa- gation des ondes. Le capteur est donc conçu pour qu'une force à mesurer donne lieu à une contrainte selon la direction de propagation de l'onde. Pour établir une relation directe et connue entre la force à mesurer et la contrainte, on oriente le capteur de telle façon que la force à mesurer fasse un angle connu avec la direction de propagation de l'onde élastique de surface. Par exemple, dans le cas du capteur de forces faisant l'objet de la demande dé brevet n 83 08428, concernant un capteur à lamelle flexible dans lequel les contraintes mesurées sont des contraintes de flexion induites dans la lamelle, la force à mesurer s'exerce perpendiculairement au plan principal de la lamelle o sont détectées les contraintes de flexion. Il s'ensuit que pour mesurer une force dont on ne connaît pas la direction on doit prévoir des moyens pour détecter la direction de la force et orienter convenablement le capteur. Par exemple, dans le cas d'un accéléromètre, on doit prévoir un système de lestage associé au capteur, pour que l'accélération'ait pour effet de mettre le capteur dans la position appropriée et que la contrainte mesurée puisse être interprétée et donner la valeur de l'accélération. Le capteur de forces vectoriel de l'invention permet de mesurer les trois composantes, selon un trièdre déterminé, d'une force dont on ne connaît pas la direction et celà sans avoir à orienter le capteur ce qui permet de s'affranchir de tous systèmes d'équilibrage. L'invention concerne donc un capteur de forces vectoriel à ondes élastiques de surface comprenant: un barreau sur lequel s'exerce une contrainte à mesurer et possédant une face de mesure; un ensemble de moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface disposés sur la face de mesure et entretenant une onde élastique de direction de polarisation déterminée; caractérisé en ce qu'il comprend en outre: au moins trois moyens magnétiques induisant des champs magnétiques dans le barreau, le premier moyen induisant un premier champ magnétique parallèle à la direction de polarisation de l'onde élastique de surface, le deuxième moyen induisant un deuxième champ magnétique perpendiculaire à la direction de polarisation de l'onde élastique et parallèle à la face de mesure, le troisième moyen induisant un troisième champ magnétique perpendiculaire à la face de mesure; un circuit séquentiel de commande permettant de commander séquentiellement les moyens magnétiques; des moyens de mesure connectés à chaque moyen oscillateur de mesure et fournissant des résultats de mesure de la vitesse de propagation des ondes élastiques durant chaque séquence de fonctionnement fournie par le circuit séquentiel de commande, des circuits de calculs recevant les résultats de mesure des vitesses de propagation et fournissant la valeur vectorielle de la contrainte appliquée au barreau. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avan- tages apparaîtront à l'aide de la description qui suit, faite en référence aux figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 illustre un schéma explicatif du capteur de forces selon l'invention, - les figures 2, 3 et 4 représentent des diagrammes expliquant les différents modes de fonctionnement du capteur de l'invention, - la figure 5 représente un exemple de capteur de forces selon l'invention. En se reportant à la figure 1, on va tout d'abord décrire le fonction- nement du capteur de forces vectoriel selon l'invention. Ce capteur comporte une lamelle 1 d'un matériau ferromagnétique. Cette lamelle est encastrée par l'une de ses extrémités dans une paroi support 8. Elle comporte à son extrémité opposée une masselotte 2 permet- tant d'exercer un effort a sur l'extrémité de la lamelle 1. La face 9 de la lamelle 1 est équipée d'électrodes interdigitées 3-4 et 56. Ces électrodes délimitent des intervalles rayonnants. Les élec- trodes 3 et 4 forment un transducteur d'émission d'ondes élastiques de surface qui progressent dans la direction Ox avant d'être captées par les électrodes 5-6 constituant le transducteur de réception. Les électro- des 3 et 5 sont connectées à une masse électrique. Les électrodes 4 et 6 sont connectées respectivement à l'entrée et la sortie d'un amplificateur 7. Les éléments conducteurs portés par la face 9 forment une ligne à retard à ondes élastiques de surface qui fait office de boucle de l'amplificateur 7. L'ensemble constitue un oscillateur dont la fréquence d'oscillation dépend du temps de transit des ondes de surface échangées entre le transducteur d'émission (3-4) et le transducteur de réception (5-6). Un dispositif de lecture 70 connecté à la sortie S de l'amplificateur 7 permet de lire la fréquence d'oscillation et transmet un signal de valeur correspondante sur sa sortie 71. Sous l'effet de l'effort a exercé par la masselotte 2 sur la lamelle 1, une contrainte se développe à la surface de la lamelle. On sait qu'une telle contrainte a une influence sur la vitesse de propagation des ondes élastiques à la surface de la lamelle 1 et donc sur la fréquence d'oscillation du système. Si la contrainte développée dans la lamelle est dans le plan de la surface 9 et selon l'axe de propagation des ondes de surface, la variation de fréquence est proportionnelle à la contrainte. Il suffit donc de mesurer la fréquence des ondes élastiques avant et après application de la contrainte pour mesurer l'effort exercé. Cependant cette façon de procéder est insuffisante lorsqu'on ne connaît pas la direction de la contrainte appliquée. L'invention prévoit donc d'induire trois - champs magnétiques Hx, Hy et Hz dans la lamelle 1. Si l'on considère que S est la direction de polarisation de l'onde élastique de surface entretenue par les transducteurs 3-4 et 5-6. Cette 2-558955 direction S est parallèle à un axe Ox d'un trièdre de référence Oxyz. Les champs magnétiques Hx, Hy, Hz sont induits selon les directions Ox, Oy, Oz respectivement. Ces champs magnétiques définissent précisément, dans le système de l'invention, le trièdre de référence Oxyz. Comme on l'a vu précédemment, une contrainte induite dans la lamelle 1 du capteur donne lieu à une variation de la vitesse des ondes élastiques de surface existant à la surface 9 de la lamelle. Une variation de champ magnétique donne lieu également à une variation de la vitesse des ondes élastiques de surfaces. Il s'ensuit que la fréquence de l'oscillateur du capteur de la figure 1, qui est liée à la vitesse de propagation des ondes élastiques de surface, varie avec une contrainte appliquée à la lamelle ainsi qu'avec un champ magnétique induit. En donnant au champ Hx une valeur déterminée, quelques dizaines d'oersted, 50 oersted par exemple, et aux champs Hy et Hz des valeurs nulles et en faisant varier la valeur de la contrainte mécaniques appliquée à l'extrémité de la lamelle I du capteur, on met en valeur que la variation de la fréquence de l'onde élastique de surface varie linéairement avec la contrainte. Le système de l'invention met à profit les observations qui précèdent. En effet, en donnant successivement aux champs Hy, puis Hz des valeurs déterminées tandis qu'on annule la valeur des autres champs, on obtient des résultats similaires. Sur les figures 2 à 4, on a représenté, sur un trièdre de réfé- rence Oxyz, les trois composantes ax, ay az de la contrainte appliquée au a y' z capteur de la figure 1. On a représenté également la direction de la polarisation de l'onde de surface S. En induisant un champ magnétique Hx parallèle à S comme cela est représenté en figure 2, la variation de la fréquence d'oscillation du circuit du capteur de la figure I a pour valeur: 3 - (tF) ( x + y2 z2) Hx Les coefficients a et { sont des coefficients caractéristiques du maté- riau constituant la lamelle 1. La valeur de Hx étant connue, cette relation peut donc s'écrire: àA F a =b a y + z (1) + y z Fl avec a = Hx et b= Hx En induisant un champ magnétique Hy orienté perpendiculairement à S et parallèlement au plan yOz, la variation de fréquence d'oscillation du circuit du capteur a pour valeur): ( F y a x + 6a + a) Hy F2 x yz Les coefficients y, 6 et sont également des coefficients caracté- ristiques du matériau constituant la lamelle 1. On peut donc écrire que: 1 (-F) 2 = cI ax + d1 ay + e a z (2) avec:cl = Y Hy 1 y dl = sHy e1 = CHy Enfin en induisant un champ magnétique Hz perpendiculaire aux champs magnétiques Hx et Hy la variation de fréquence d'oscillation du circuit du capteur s'écrit: F 3 (y x + y + Ca) Hz ou Fc2 ar + d a +e a ou(F)3 c2 y +d2 z (3) avec: C2 = y Hz d2 = 6 Hz e2 = s Hz Les trois relations (1), (2) et (3) précédentes constituent un système d'équations à trois inconnues. En effet, pour une contrainte mécanique déterminée, à chaque champ magnétique Hx, Hy, Hz appliqué successivement, on mesure la variation de fréquence(F) ' (F)2 (F 3 correspondante et résultant du champ magnétique appliqué. Le système d'équation permet alors de calculer -4. les valeurs des composantes a-, c z de la contrainte mécanique. On y z obtient alors la valeur vertorielle de la contrainte ddans le trièdre Oxyz dont on connait l'orientation dans l'espace. En se reportant à la figure 5, on va décrire un exemple de réalisation de l'invention. Comme celà a été décrit dans le demande de brevet fran- çais n 83 08428, la lamelle 1 a été placée sur deux pivots 10 et 11 qui déterminent une zone isocontrainte dans la lame 1. Les efforts à mesurer sont exercés par deux masses 12 et 13. Les transducteurs 3-4 et 5-6 sont identiques à ceux de la figure 1. Les circuits électriques liés à ces transducteurs (amplificateurs 7 et dispositif de lecture 70) sont ceux de la figure 1 et n'ont pas été reproduits sur la figure 5. Le transducteur d'émission 3-4 émet une onde élastique dont la direc- tion de polarisation est connue et détermine l'axe Ox. Un premier dispositif inducteur de champ magnétique est placé selon cet axe Ox et permet d'induire dans la lamelle un champ magnétique Hx. Ce dispositif inducteur peut être, par exemple, deux bobines d'Helmotz 20 et 21 connectées en série par des conducteurs de liaison non représentés et alimentées entre des conducteurs 30 et 31. Un deuxième dispositif inducteur, constitué par exemple par les deux bobines d'Helmotz 22 et 23, est placé de façon à induire un champ magné- tique Hy orienté selon le plan de la lamelle 1 et perpendiculairement à l'axe Ox. Ce champ Hy définit ainsi l'axe Oy et par suite l'axe Oz. Un troisième dispositif inducteur constitué par exemple par les deux bobines d'Helmoltz 24 et 25, est placé de façon à induire un champ magné- tique selon laxe Oz. Comme les bobines 20 et 21, les bobines 22 et 23 d'une part et les bobines 24 et 25 d'autre part, sont connectées en série par des laisions non représentées. Un dispositif d'alimentation 26 permet d'alimenter en courant les bobines 20 et 21 par les conducteurs 30 et 31, les bobines 22 et 23 par les conducteurs 32 et 33 et les bobines 24 et 25 par les conducteurs 34 et 35. Un circuit séquentiel de commande 27 délivre successivement des impulsions de temps tl, t2, puis t3 et commande le dispositif d'alimen- tation 26. Un circuit de calcul 28 reçoit les impulsions de temps tl, t2, t3. Il reçoit également, par la liaison 71, les résultats de mesure fournis par le dispositif de mesure 70 de la figure 1. Lorsqu'un effort est exercé par les masselottes 12 et 13 sur la lamel- le 1, pour mesurer cet effort, le circuit séquentiel de commande 27 com- mandé par des moyens non représentés délivre une première impulsion de temps tl. Cette impulsion tl commande l'alimentation en courant, des bobines 20 et 21 par le circuit d'alimentation 26 et les conducteurs 30 et 31. Un champ magnétique Hx est induit selon l'axe Ox. La vitesse de l'onde élastique de surface entretenue entre les transducteurs 3-4 et 5-6 varie. La fréquence d'oscillation détectée par le dispositif 70 de la figure 1 varie également. La valeur du signal sur la sortie 71 change. Par ailleurs, le circuit de calcul 28, avant l'impulsion til ou au début de cette impulsion, enregistre la valeur du signal sur la liaison 71. Durant l'impulsion tl, le circuit de calcul 28 enregistre la nouvelle valeur du signal reçu par la liaison 71; il calcule la différence entre les deux signaux représentant la variation de fréquence -à) I et stocke la valeur du ré- sultat. Le circuit séquentiel de commande 27 délivre ensuite une impulsion t2 servant à commander l'alimentation des bobines 22 et 23 et à induire un champ magnétique Hy selon l'axe Oy. Le circuit de calcul 28 calcule égale- ment la valeur de la variation de fréquence(-é-F) 2 et stocke cette valeur. Enfin le circuit séquentiel de commande 27 délivre une impulsion t3 qui donne lieu à l'induction d'un champ magnétique Hz selon l'axe Oz. Le circuit de calcul détermine la valeur de la variation de fréquence- à F)3 Les trois valeurs de variations de fréquences (-F) (.-.F)2 et 3 sont utilisées par le circuit de calcul pour calculer, à l'aide des trois relations (1), (2) et (3) précédentes, les valeurs des trois compo- santes Cx CFy y z selon les axes Ox, Oy, Oz de la contrainte appliquée à x' y' z la lamelle 1. Ces trois composantes déterminent donc en direction, en sens et en valeur la contrainte mécanique o recherchée. Selon l'exemple de réalisation de la figure 5, la lamelle 1 est placée sur les supports 10 et 11 de telle façon qu'elle travaille de préférence en flexion. Le système de l'invention est applicable à tout autre mode de fonctionnement et permet de mesurer tout autre type de contrainte, qu'elle agisse sous forme d'une compression, d'une extension ou d'une torsion. La lamelle I peut avoir alors tout autre forme que celle représentée sur les figures 1 et 5 selon le type de contrainte qu'elle doit subir. REVENDICATIONS 1/ Capteur de forces vectoriel à ondes élastiques de surface compre- nant un barreau (1) sur lequel s'exerce une contrainte à mesurer et possédant une face de mesure (9); un ensemble de moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface disposés sur la face de mesure (9) et entretenant une onde élastique de direction de polarisation (S) déterminée; caractérisé en ce qu'il comprend en outre: au moins trois moyens magnétiques (20-21, 22-23 et 24-25) induisant des champs magnétiques dans le barreau (1), le premier moyen (20-21) induisant un premier champ magnétique (Hx) parallèle à la direction de polarisation (S) de l'onde élastique de surface, le deuxième o moyen (22-23) induisant un deuxième champ magnétique (Hy) perpendi- culaire à la direction de polarisation (S) de l'onde élastique et parallèle à la face de mesure (9), le troisième moyen (24-25) induisant un troisième champ magnétique (Hz) perpendiculaire à la face de mesure (9); un circuit séquen- tiel de commande (27) permettant de commander séquentiellement les moyens magnétiques (20-21, 22-23 et 24-25); des moyens de mesure (70) connectés à chaque moyen oscillateur (3-4 et 5-6) de mesure et fournissant des résultats de mesure de la vitesse de propagation des ondes élastiques pour chaque séquence de fonctionnement fournie par le circuit séquentiel de commande (27), des circuits de traitement de signaux (28) recevant les résultats de mesure des vitesses de propagation et fournissant la valeur vectorielle de la contrainte appliquée au barreau à partir d'une combinaison vectorielle des trois mesures. 2/ Capteur de forces vectoriel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les directions des premier, deuxième et troisième champs magné- tiques (Hx, Hy, Hz) induits dans le barreau (1) déterminant trois axes d'un trièdre de référence (Oxyz), les circuits de calculs sont liés à ce trièdre de telle façon qu'ils déterminent les valeurs vectorielles des composantes, selon les trois axes (Ox, Oy, Oz) du trièdre, de la contrainte à mesurer et par suite la valeur vectorielle de ladite contrainte. 3/ Capteur de forces vectoriel selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque moyen magnétique est constitué de deux bobines d'Helmoltz situées de part et d'autre du barreau (I) et alimentées en série par un circuit d'alimentation (26) dont le fonctionnement est commandé par le circuit séquentiel de commande (27).