Brevet FR2561383A1 — publié le 19850920

CAPTEUR DE FORCES VECTORIEL A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE La présente invention se rapporte aux capteurs de forces à ondes éLastiques de surface et notam ment 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 utilisable dans les accéléromètres et permet de mesurer une composante de L'accéLération produisant un effort sur Le capteur. On connaît des systèmes tels que ceux décrits dans tes demandes de brevet n 8308428 et 83 46993 déposées respectivement les 20 mai 1983 et 25 octobre 1983 par la société demanderesse dans Lesquels on prévoit, à ta 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 propagation 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 de brevet n 83 08428, concernant un capteur à lamelle flexible dans lequel Les contraintes m esurées sont des contraintes de flexion induites dans la lamelle, ta force à mesurer s' exerce perpendicuLaire ment au plan principaL de la lamelle où 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 ta direction de La force et orienter convenablement Le capteur. Par exempte, dans te cas d'un accéléromètre, on doit prévoir un système de Lestage associé au capteur1 pour que L'accéLération ait pour effet de mettre te capteur dans la position appropriée et que la contrainte m mesurée puisse etre interprêtée et donner la valeur de L'accéLération. Le capteur de forces vectoriel de l'invention permet de mesurer les trois composantes, seLon un trièdre détermine, d'une force dont on ne connait pas La direction et cela sans avoir orienté Le capteur ce qui permet de s'affranchir de tous systèmes d'équiUbrage. 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 ; caractérisé en ce qu'il comprend un premier ensemble de moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface disposés sur la face de mesure et entretenant une onde élastique polarisée selon une première direction et déterminant un premier axe de mesure ; un deuxième ensemble de moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface disposés égale ment sur La face de mesure et entretenant une onde élastique polarisée selon une deuxième direction et téter minant un deuxième axe de mesure ; au moins deux moyens magnétiques induisant des champs magnétiques dans Le barreau, te premier moyen magnétique induisant un premier champ magnétique parallèle à l'une des deux directions de polarisation, le deuxième moyen magnétique induisant un deuxième champ magnétique perpendiculaire au premier champ magnétique, faisant un angle déterminé avec t'autre direction de polarisation et déter minant un troisième axe de mesure ; un circuit séquentiel de commande permettant de commandeur séquentielle ment tes moyens magnétiques; des moyens de mesure connectés à chaque ensemble de moyens osciltateurs de mesure et fournissant des résultats de mesure de ta vitesse de propagation des ondes élastiques pour chaque séquence de fonctionne m ent fournie par te circuit séquentiel de commande, des circuits de traitement de signaux 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 mesures effectuées. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avait 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 représentent des diagra m mes expliquant le mode de fonctionnement du capteur de l'invention, - ta figure 4 représente un exemple de réalisation d'un capteur de forces selon L'invention. Les figures 5 et 6 représentent des diagrammes expliquant le mode de fonctionne m ent d'une variante du capteur de L'invention; - La figure 7 représente un exemple de réalisation d'une variante de capteur selon L'invention. En se reportant à La figure 1, on va tout d'abord décrire le fonctionne m ent du capteur de forces vectoriel selon L'invention. C e capteur comporte une la m elle 1 d'un matériau ferromagnétique. Cette lamelle est encastrée par l'une de ses extrémités dans une paroi support 8. Des moyens non représentés permettent d'exercer un effort en un point P situé à l'extrémité opposée de la lamelle 1. La face 2 de La Lamelle 1 est équipée d'électrodes interdigitées 3-4 et 5-6 d'une part, 13-14 et 15-16 d'autre part. Ces électrodes délimitent des intervalles rayonnants. Les électrodes 3 et 4 forment un transducteur d'émission d'ondes élastiques de surface qui progressent dans une direction Ox avant d'etre captée par les électrodes. 5-6 constituant le transducteur de réception. Les électrodes 3 et 5 sont connectées à une masse électrique non représentée. 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 2 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 (56). Un dispositif de lecture 70 connecté à la sortie de l'amplificateur7 permet de lire la fréquence d'oscillation de l'oscillateur et transmet un signal de valeur correspondante sur sa sortie 71. Les électrodes 13, 14, 15, 16 sont arrangées de façon similaire aux électrodes 3, 4, 5, 6 respectivement sur la face 2 de La lamelle 1. Elles permettent la transmission d'une onde de surface selon une direction Oy perpendiculaire à la direction Ox. Les électrodes 13 et 15 sont connectées également à une masse électrique non représentée Les électrodes 14 et 16 sont connectées respectivement à t'entrée et à la sortie d'un amplificateur 9. L'ensemble constitue donc également un oscillateur dont la fréquence d'oscillation dépend du temps de transit des ondes de surface échangées entre le transducteur d'émission (13-14) et le transducteur de réception (15-16). Le dispositif de lecture 90 connecté à la sortie de l'amplificateur9 permet de lire la fréquence d'oscillation de cet oscillateur et fournit un signal correspondant sur sa sortie 91. Sous l'effort 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 la elle 1 et donc sur les fréquences d'oscillation des deux oscillateurs. Si la contrainte développée dans la Lamelle est dans le plan de la surface 2 et selon l'axe de propagation des ondes de surface, La variation de fréquence de L'oscillateur utilisant les électrodes 3, 4, 5, 6 est proportionnelle à la contrainte. Il suffit donc de mesurer la fréquence à l'aide du dispositif 70, 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. C'est pourquoi l'invention prévoit d'utiliser deux ensembles de moyens oscillateurs 3, 4, 5, 6 d'une part et 13, 14, 15, 16 d'autre part tels que décrits précédemment, et d'induire deux champs magnétiques Hy et Hz selon deux directions déterminées. La direction de polarisation S1 de L'onde élastique de surface entretenue par les transducteurs 3-4 et 5-6 peut avoir trois directions (longitudinale et tranversales). A titre d'exemple on prendra S1 paraLlèLe à L'axe Ox défini précédemment. En ce qui concerne l'onde élastique de surface entretenue par les transducteurs 13-14 et 15-16, on considère que la direction de polarisationS2 est parallèle à l'axe Oy. Les champs magnétiques Hy et H2 sont induits respectivement selon la direction Oy et une direction Oz perpendiculaire à Oy et Ox. Comme on l'a vu précédemment, une contrainte induite dans ia 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 la m elle ainsi qu'avec un champ magnétique induit En donnant au champ Hy une valeur déterminée, 50 oersted par exemple, et au champ Hz une valeur nulle et en faisant varier la valeur de la contrainte mécanique appliquée à l'extrémité de Lez la lamelle 1 du capteur, on met en valeur que Les fréquences des ondes élastiques entretenues par les transducteurs 3-4 et 5-6, d'une part et, 13-14 et 15-16 d'autre part varient linéaire n ent avec la contrainte Il en est de même en donnant au champ Hz une valeur déter- minée, 50 oersted par exemple, et annulant Le champ Hy. Sur les figures 2 et 3, on a représenté, sur un trièdre de référence Oxyz, les trois composantes a xs a y, a z de La contrainte appliquée au capteur de la figure 1. On a représenté également les directions de polarisation des ondes de surface S1 et S2. En induisant un champ magnétique Hy parallèle à S2 conne cela est représente en figure 2, la variation de la fréquence d'oscillation du circuit comprenant les transducteurs 13-14 et 15-16 et concernant L'onde de direction de polarisation S2, a pour valeur: Les coefficients et sont des coefficients caractéristiques du mate- riau constituant la lamelle 1 La valeur de Hy étant connue, cette relation peut donc s'écrire:: avec a = &alpha;Hy et b = ssHy Le champ magnétique Hy a également pour effet de faire varier la fréquence d'oscillation du circuit comprenant les transducteurs 3-4 et 54, et entretenant l'onde de direction de polarisation SI. Cette variation de fréquence a pour valeur: Les coefficients Y, et sont également des coefficients caractéristiques du matériau constituant la lamelle 1.On peut donc écrire que: avec c1 = Y Hy d1 = S Hy e1 = #Hy y En induisant maintenant un champ magnétique Hz orienté perpendi- culaire n ent aux directions de polarisation S1 et S2, la variation de la fréquence d'ossillation du circuit, comprenant les transducteurs 3-4 et 54, peut s'écrire: Connaissant tes coefficients Y, #et E, cette relation peut s'écrire:: avec c2 = Y Hz et d2 = # Hz et e2 = # Hz Les trois relations (1), (2) et (3) précédentes constituent un système adéquations à trois inconnues (#x, #y, #z) qui permettent de déterminer ta valeur dune contrainte a. En effet, pour une contrainte mécanique déterminée, à chaque champ magnétique Hy, Hz appliqué successivement, on mesure les variations de fréquence correspondantes et résultant des champs magnétiques appliqués. Le système d'équation permet alors de calculer tes valeurs des composantes a? a? de La contrainte mécanique. On obtient alors La valeur vectorielle de la contrainte dans Le trièdre Oxyz dont on connalvt l'orientation dans l'espace. IL est à noter que L'influence du champ Hz sur la fréquence d'oscillation du circuit comprenant les transducteurs 13-14 et 15-16 (onde de direction de polarisation S2) fournirait une autre relation donnant une valeur de 52.2 2 C ependant les trois relations déjà fournies suffisent pour déterminer La valeur de la contrainte. En se reportant à la figure 4, on va décrire un exemple de réalisation de L'invention conforme aux diagra m mes des figures 2 et 3. 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 40 et 41. Les transducteurs 3-4, 54, 13-14 et 15-16 sont identiques à ceux de La figure 1. Les circuits électriques liés à ces transducteurs (a mplificateurs 7 et 9 et dispositifs de lecture 70 et 90) sont ceux de La figure 1 et n'ont pas été reproduits sur la figure 4. Le transducteur d'émission 3-4 émet une onde élastique dont la direction de polarisation (S1) est connue et détermine L'axe Ox. Le transducteur d'émission 13-14 émet une onde élastique dont la direction de polarisation S2 est également connue et détermine l'axe Oy perpendiculaire à l'axe Ox. L'axe Oy perpendiculaire aux axes Ox et Oy complète le trièdre de référence Oxyz. Un premier dispositif inducteur de champ magnétique est placé selon cet axe Oy et permet d'induire dans La lamelle un champ magnétique Hy. Ce dispositif inducteur peut être, par exemple, deux bobines dlHelmoltz 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'Helmoltz 22 et 23, est placé de façon à induire un champ magnétique Hz orienté selon l'axe Oz. Com me les bobines 20 et 21, Les bobines 22 et 23 sont connectées en série par des laisions non représentées. Un dispositif d'alimentation 26 permet d'ali n enter en courant Les bobines 20 et 21 par les conducteurs 30 et 31 et les bobines 22 et 23 par Les conducteurs 32 et 33. Un circuit séquentiel de con mande 27 délivre successivement des i m pulsions de temps t1 puis t2 et co m m ande le dispositif d'ali m entation 26. Un circuit de traitement 28 reçoit les impulsions de temps tl, t2. Il reçoit égale m ent, par les liaisons 71 et 91, les résultats des m esures fournis par les dispositifs de mesures 70 et 90 de la figure 1. Lorsqu'un effort est exercé par les n asselottes 40 et 41 sur la Lamelle1, pour mesurer cet effort, le circuit séquentiel de commande27 commandé par des moyens non représentés délivre une pre miere impulsion de temps t1. Cette impulsion tl commande l'alimentation en courant, des bobines 20 et 21 par le circuit d'ali m entation 26 et les conducteurs 30 et 31. Un champ magnétique Ny est induit selon l'axe Oy. Les vitesses des ondes élastiques de surface entretenues entre les transducteurs 3-4 et 56 d'une part, et 13-14 et 15-16 d'autre part, varient. Les fréquences d'osciltation détectées par les dispositifs 70 et 90 de La figure 1 varient également. Les valeurs des signaux sur les sorties 71 et 91 changent. Par ailleurs, le circuit de traitement 28, avant Compulsion ti ou au début de cette impulsion, enregistre La valeur des signaux sur les liaisons 71 et 91. Durant l'impulsion t1, le circuit de traitement28 enregistre les nouvelles'valeurs des signaux reçus par les liaisons 71 et 91 ; il calcule la différence entre les deux signaux représentant les variations de fréquence ainsi que et stocke les valeurs des résultats. Le circuit séquentiel de con mande 27 délivre ensuite une impulsion t2 servant à con mander l'alimentation des bobines 22 et 23 et à induire un champ magnétique Hz selon l'axe Oz. Le circuit de traitement 28 calcule également La valeur de la variation de fréquence et stocke cette valeur. Les trois vaLeurs de variations de fréquences sont utilisées par le circuit de traite ment pour caLcuLer, à l'aide des trois relations (1), t2) et B) précédentes, Les valeurs des trois composantes #x, #y, #z, selon Les axes Ox, Oy, Oz, de la contrainte appliquée à la Lamelle 1. Ces trois composantes déterminent donc en direction, en sens et en valeur la contrainte mécanique recherchée. Selon une variante de L'invention, La lamelle est soumise à un champ magnétique Hy orienté selon L'axe Oy comme cela est représenté par le diagramme de la figure 5. Elle est ensuite soumise à un champ Hx orienté selon L'axe Ox com me représenté en figure 6. Les relations exprimant les variations de fréquences détectées, Lors de chaque mesure, sont de formes similaires aux relations (1), (2) et G). Les mesures des variations de fréquences permettent donc de détenu miner Les composantes #x, #y, #z, selon Les axes Ox, Oy et Oz, et par suite La contrainte à mesurer. La figure 7 représente une variante de réalisation de L'invention conforme aux diagrammes des figures 5 et 6. Sur cette figure, on retrouve la lamelle 1 en appui sur Les pivots 10 et 11, et portant Les masses 40 et 41. Les transducteurs 3, 4, 5, 6 et 13, 14, 15, 16 entretiennent des ondes de surfaces dont les directions de polarisation S1 et S2 sont orientées selon les axes Ox et Oy. Le champ magnétique Hy est induit, selon L'axe Oy, par des bobines 20 et 21. C elles-ci sont alimentées par le circuit d'alimentation 26 et les conducteurs 30 et 31. Le champ magnétique H est induit, selon L'axe O x, par des bobines 24 et 25 qui sont ali n entées par le circuit 26 et Les conducteurs 34 et 35. Com me précédemment le circuit séquentiel de con mande 27 délivre des impulsions t1puis t2 au circuit d'aLimentation 26 et des circuits de traite ment 28. Lors de l'i m pulsion t1, les bobines 20 et 21 sont alimentées et les circuits de traitement 28 recueillent des résultats de mesures sur les liaisons 71 et 91. Lors de L'impuLsion t2, Les bobines 24 et 25 sont alimentées et les circuits de traitement 28 recueillent d'autres résultats de mesures sur les liaisons 71 et 91. A partir de ces résultats de mesure, Les circuits de traitement 28 déterminent La valeur de la contrainte appliquée à La lamelle 1. Selon les exemples de réalisation des figures 4 et 7, la Lamelle 1 est placée sur les supports 10 et Il de telle façon qu'elle travaille de préférence en flexion. Le système de l'invention est applicable à tout autre mode de fonctionne ment 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 1 peut avoir tout autre forme que celle représentée sur les figures 1, 4 et 7 selon Le type de contrainte qu'elle doit subir. La description qui précède a été faite en rendant parallèles aux axes d'un même trièdre rectangle Oxyz, les différents éléments du système: directions de polarisation des ondes élastiques 51 et S2, direction des champs magnétiques Hx, Hy, Hz et les composantes de la contrainte appliquée #x, #y, #z. Il convient dond de préciser que Le système de l'invention peut être réalisé non seulement avec un trièdre Oxyz qui n'est pas rectangle mais aussi avec des élé m ents, tels que ceux désignés ci-dessus, qui forment entre eux et avec Les axes Ox, Oy, Oz du trièdre des angles différents des /2 mais qui doivent alors être déterminés et connus des circuits de traitement 28. REVENDICATIONS 1/ Capteur de forces vectoriel à ondes élastiques de surface comprenant un barreau (1) sur Lequel s'exerce une contrainte à mesurer et possédant une face de mesure (2) ; caractérisé en ce qu'il comprend: un premier ensemble de moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface (3, 4, 5, 6) disposés sur la face de mesure (2) et entretenant une onde élastique polarisée selon une première direction (S1) et déterminant un premier axe de mesure (Ox) ; un deuxième ensemble de moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface (13, 14, 15, 10 disposés également sur la face de mesure (2) et entretenant une oncle élastique polarisée selon une deuxié me direction (s2) et déterminant un deuxième axe de mesure (Oy? ;; au moins deux moyens magnétiques (20-21, 22-23) induisant des champs magnétiques dans le barreau (1), le premier moyen magnétique (20-21) induisant un premier champ magnétique (Hy) parallèle à L'une des deux directions de polarisation (S1, S2), le deuxième moyen magnétique (22-23) induisant un deuxième champ magnétique (H3 perpendiculaire au premier champ magnétique (H), faisant un angle déterminé avec L'autre direction de polarisation (S2r S1) et déterminant un troisième axe de mesure (Oz) s un circuit séquentiel de commande (27) permettant de commandeur séquentiellèment les moyens magnétiques (20-21, 22-23); des moyens de mesure (70, 90) connectés à chaque ensemble de moyens oscillateurs de mesure et fournis- sant 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 mesures effectuées. 2/ Capteur de forces vectoriel selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux directions de polarisation (S1 et S2) sont perpendiculaires et déterminent deux axes de mesure (Ox et Oy) perpendiculaires. 3/ Capteur de forces vectoriel selon t'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le deuxième champ magnétique est perpendiculaire aux deux directions de polarisation c54 et S2) et détermine Le troisième axe de mesure Oz perpendiculaire aux deux premiers (Ox et Oy). 4/ Capteur de forces vectoriel selon t'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que L'un des champs magnétiques est parallèle à la première direction de polarisation (S1), que l'autre champ magnétique est parallèle à la deuxième direction de polarisation (S2) et que le troisième axe de mesure est déterminé par la direction perpendiculaire aux deux premiers axes de mesure. 5/ 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 (1) et alimentées en série par un circuit d'ali m entation (26) dont le fonctionne n ent est con mandé par le circuit séquentiel de con mande (27).