Brevet FR2561384A1 — publié le 19850920

La présente invention a trait à un transducteur pour détecter les ondes de contrainte et délivrer un si- gnal électrique qui est indicatif de l'amplitude des on- des de contrainte détectées. Dans le brevet anglais n 1 116 531, est décrit un transducteur de pression qui comprend un cristal piézo- électrique monté de façon telle qu'il soit sujet à déforma- tion sous l'effet d'ondes de pression qu'il reçoit. La dé- formation du cristal a pour effet d'engendrer à travers le cristal une différence de potentiel qui est indicative de l'amplitude des ondes de pression. Les transducteurs de ce type peuvent fournir de fausses indications de l'ampli- tude de l'onde de pression si le cristal est sujet à défor- mation par les ondes de pression qui ont déjà agit sur le cristal mais qui sont ensuite réfléchies vers le cristal par d'autres constituants structurels du transducteur. Le transducteur décrit dans le brevet anglais n 1 116 581 résoud ce problème en disposant une barre de base sur l'ar- rière du cristal piézoélectrique. La barre est entourée par un matériau amortisseur, tel qu'un caoutchouc silicone, 2. de sorte que toute onde de pression qui traverse le cris- tal piézoélectrique pénètre ensuite dans la barre et est amortie par le matériau amortisseur, ce qui assure qu'au- cune onde de pression réfléchie ne parvient au cristal. Bien que les transducteurs du type décrit dans le brevet anglais n 1 116 581 soient efficaces pour indi- quer l'amplitude des ondes de pression, leurs applications sont limitées du fait de leur dimension. Ils tendent à être plutôt volumineux du fait de la dimension de la bar- re amortie qu'ils contiennent. Une autre limitation est celle qui est imposée par les limites de température du matériau qui est utilisé pour amortir la barre. Les maté- riaux qui sont appropriés à l'amortissement, tels que ceux qui sont vendus sous la marque déposée "Plasticene" et "Neoprene", ne sont utilisables qu'à des températures de service ne dépassant pas 150 C. De plus, ces transduc- teurs sont sensibles aux effets de l'accélération et des vibrations. C'est un objet de la présente invention de réa- liser un transducteur pour détecter les ondes de contrain- te qui soit compact et capable de fonctionner efficacement à des températures supérieures à celles qui ont été possi- bles jusqu'ici avec les transducteurs de l'art antérieur du type décrit ci-dessus, et qui soit moins sensible aux effets des vibrations et de l'accélération. Conformément à la présente invention, un transduc- teur pour détecter les ondes de contrainte comprend un organe piézoélectrique, une barre conductrice de l'élec- tricité sur laquelle ledit organe piézoélectrique est mon- té, et avec laquelle il est en contact électrique, et un support en nitrure de bore,qui supporte à la fois ledit organe piézoélectrique et ladite barre, ledit organe piézoélectrique étant disposé de façon à être exposé en service aux ondes de contrainte, d'o il résulte que tou- tes les ondes de contrainte provoquent la déformation de l'organe piézoélectrique et engendrent ainsi un signal 3. électrique dont Tamplitude est indicative de l'amplitude desdites ondes de contrainte. Dans la présente demande de brevet, le terme "ondes de contrainte" doit être compris comme incluant à la fois les ondes de pression se. déplaçant dans les milieux gazeux et liquides et les ondes d'émission acoustiques se déplaçant dans les milieux liquides et solides. - En se référant au dessin, un transducteur d'on- de de pression indiqué dans son ensemble en 10, comprend un disque 11 qui est constitué d'un cristal piézoélectri- que de titanate zirconate de plomb et est cimenté au moyen d'une résine époxy à une barre de laiton 12 en forme de disque. Bien cue le disque 11 soit constitué dans ce cas particulier, d'un cristal de titanatezirconate de plomb, il sera compris que d'autres matériaux ayant des proprié- tés piézoélectriques peuvent être utilisés si on le dési- re. On emploiera peu de résine époxy entre le dis- que 11 de titanate-zirconate de plomb et la barre de lai- ton 12, pour être sûr de ne pas empêcher le passage d'un courant électrique entre eux. Ceci étant, quand le dis- que 11 de titanate-zirconate de plomb est déformé et en- gendre ainsi un signal électrique, ce signal sera conduit à. la barre de laiton 12. La barre de laiton est formée avec un trou 13 à son centre pour recevoir le conducteur central 14 d'un câ- ble coaxial 15. L'écran 16 du châble coaxial 15 est appli- qué sur la surface interne d'un organe tubulaire 17 en acier inoxydable qui constitue le corps du transducteur 10. Le corps tubulaire 17 du transducteur comporte à son extrémité droite (telle que représentée sur le dessin) une partie 18 de diamètre élargi formant une bride pour recevoir un capuchon métallique 19. Le capuchon 19 a une face frontale 20 qui est plus mince que le reste du capu- chon de façon à constituer un diaphragme recouvrant une ex- trémité du transducteur 10. Le capuchon 19 renferme un 4. support cylindrique creux 21 en nitrure de bore, qui com- porte un gradin externe 23 de façon à faciliter son posi- tionnement sur la bride de l'extrémité 18 du transducteur et un gradin interne 24 pour définir un emplacement précis pour la barre de laiton 12 et pour le disque 11 de titana- te-zirconate de plomb,- qui sont logés à l'intérieur du ca- puchon. Le support 21 en nitrure de bore comporte en plus un disque 22 de silice revêtu de platine qui est interposé entre le diaphragme 20 et le disque 11 de titanate-zircona- te de plomb. Le diaphragme 20 et le disque 22 de silice revê- tu de platine servent à protéger le disque 11 de titana- te-zirconate de plomb des avaries quand le transducteur 10 doit fonctionner dans un environnement susceptible d'avoir un effet néfaste sur le disque 11. Cependant, ils doivent avoir une transparence acceptable aux ondes de contrain- te pour que quand le transducteur 10 est exposé aux ondes de contrainte, le cristal de titanate-zirconate de plomb soit déformé par ces ondes quand elles sont d'amplitude suffisante,et engendrer ainsi une différence de potentiel. La différence de potentiel engendrée est en relation avec le degré de déformation du disque 11 de titanate-zirconate de plomb et par suite l'amplitude des ondes de contrainte auxquelles il est exposé. Ainsi, le disque 11 délivre un signal électrique dont l'amplitude est indicative de l'am- plitude des ondes de contrainte. Le signal électrique du disque 11 est transmis par le disque 12 de base en laiton du conducteur central 14 du cble coaxial 15. Le conducteur 14 est connecté à un amplificateur classique (non représenté) qui est capable de délivrer un signal convenable dans le cas o les ondes de contrainte qui sont, soit à un niveau d'amplitude cons- tant, soit à un niveau d'amplitude variable, sont rencontrés par le transducteur 10. Le sortie de l'amplificateur est utilisée pour piloter des moyens appropriés pour indiquer 5. i 'amplitude des ondes de contrainte détectées. Bien que cette forme de réalisation particuliè- re de la présente invention ait été décrite en se réfé- rant à un transducteur 10 qui est muni d'un diaphragme 20 et d'un disque 11il de silice revêtu de platine afin de pro- téger le disque 11il de tïtanate-zirconate de plomb, il sera compris que dans certains environnements opératoires, de telles précautions ne soient pas nécessaires. On compren- dra donc que dans de telles circonstances, le dispositif ne comprendra pas de diaphragme 20 ni de disque de silice revêtu de platine.Par exemple, si le transducteur 10 de- vait être utilisé dans unenvironnement dans lequel les ondes de contrainte qu'il est destiné à détecter étaient constituées par des changements de pression d'un gaz ou d'un liquide qui soit à haute température et qui soit corrosif, alors le diaphragme 20 assurerait une protec- tion contre la corrosion et le disque 22 de silice revêtu de platine une protection thermique du disque 11 de tita- nate-zirconate de plomb. Cependant, si le transducteur 10 devait être utilisé pour détecter des ondes de contrain- te qui sont sous la forme d'émissions acoustiques dans un corps solide, alors le diaphragme 20 et le disque 22 de silice revêtu de platine pourraient être supprimés et le disque 12 de titanate-zirconate de plomb placé en con- tact avec ou immédiatement adjacent au corps examiné. En variante, le disque de silice 22 pourrait être placé sur la face externedu diaphragme 20 de façon à fonction- ner comme un sabot de protection pour protéger le diaphrag- me 20 si le transducteur 10 était placé en contact direct avec une surface dure. Le support 21 en nitrure de bore assure une double fonction. D'abord il sert de support isolant ther- mique pour le disque 11 de titanate-zirconate de plomb pour que le transducteur 10 puisse fonctionner dans des environnements chauds sans que le fonctionnement du disque 11 6. soit affecté défavorablement. En fait, dans les essais qui ont été effectués sur l'effet de la température sur le fonctionnement du transducteur 10, il a été trouvé qu'àa des températures de OC à 250 C, il était efficace pour détecter les ondes de contrainte dans les limites de fréquence de 35 Hz à 2 MHz. La seconde fonction du support 21 en nitrure de bore est d'absorber les ondes de contrainte après qu'elles aient traversé le disque 1i et le disque de base en laiton 12. Si une telle absorption n'est pas réa- lisée, des ondes de contrainte réfléchies repasseraient à travers le disque 11 et provoqueraient ainsi des résonan- ces à l'intérieur de ce disque, conduisant à leur tour à des signaux trompeurs du transducteur 10. Il a été trouvé lors d'essais du transducteur 10 que dans un domai- ne de fréquence d'onde de contrainte de 35 Hz à 2 MHz, il n'y avait pas de résonance sensible dans le disque 11 de titanate-zirconate de plomb. On voit donc que le transducteur 10 est suscep- tible de fonctionner à des températures plus élevées que celles o fonctionnent les transducteurs connus qui né- cessitent des barres d'amortissement pour l'élimination des résonances et est en outre de dimension plus compac- te que ces transducteurs. En fait, il a été trouvé qu'il est possible de manufacturer des transducteurs du type représenté en 10 qui ont une dimension globale de 2,5 mm de diamètre et 8 mm de long. De plus, comme le transduc- teur 10 est de dimension compacte et n'est pas dépen- dant de matériaux d'amortissement non rigides, il est moins sujet aux effets de l'accélération et des vibra- tions que les transducteurs de l'art antérieur décrits ci-dessus. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de va- riantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 256 384 7. REVENDICATIONS 1 - Transducteur pour détecter les ondes de con- trainte comprenant un organe piézoélectrique, une barre conductrice de l'électricité sur laquelle est monté ledit organe piézoélectrique et qui est en contact électrique avec cet organe, ledit organe piézoélectrique étant dis- posé de façon à être exposé en fonctionnement a des on- des de contrainte, d'o il résulte que lesdites ondes de contrainte provoquent la déformation de l'organe piézoélec- lO trique et engendrent ainsi un signal électrique dont l'am- plitude est indicatrice de l'amplitude desdites ondes de contrainte, caractérisé en ce que l'organe piézoélectrique (11) et la base (12) sont portés par un support (21) en ni- trure de bore. 2 - Transducteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une barrière protectrice (22) est in- terposée entre l'organe piézoélectrique (11) et la source de toutes ondes de contrainte, ladite barrière (22) étant sensiblement transparente auxdites ondes de contrainte. 3 - Transducteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la barrière protectrice (22) comprend un élément en silice muni d'un revêtement métallique. 4 - Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la barrière protectrice (22) com- prend en outre un diaphragme métallique (20). - Transducteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit organe piézoélectrique (11) et ledit élément (22) en silice revêtu de métal sont en forme de disque, et le support (21) en nitrure de bore a dans son ensemble la forme d'un cylindre creux, l'organe piézoélectrique (11) et l'élément (22) en silice revêtu de métal étant renfermés dans le support (21) en nitrure de bore, coaxialement à. ce support. 6 - Transducteur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que l'organe 8. piézoélectrique (11) est un cristal de titanate-zirconate de plomb. 7 - Transducteur selon l'une des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la barre (12) conductrice de l'électricité est en laiton.