Brevet FR2594948A1 — publié le 19870828

Capteur extensométrique de compression ou de traction. La présente invention se rapporte à un capteur extensométrique de compression ou de traction, comprenant un corps d'épreuve cylindrique chargé axialement et deux paires de jauges de contrainte disposées sur le corps d'épreuve, à savoir deux jauges diamètralement opposées orientées dans le sens longitudinaF- & -corps d'épreuve et deux jauges diametralement opposées orientées dans le sens transversal. De tels capteurs extensométriques sont utilisés dans des nombreux domaines de la mesure de forces ou du pesage. Lors de l'utilisation de capteurs extensométriques à corps d'épreuve cylindrique sollicité en compression ou en traction, la mesure de la charge se fait par quatre jauges de contrainte dont deux sont orientées suivant la direction de contrainte principale et les deux autres sont orientées transversalement. Sur les capteurs connus, ces jauges sont collées sur la face externe du corps d'épreuve, ce dernier se présente sous la forme d'un cylindre généralement creux. Ces capteurs extensométriques connus présentent de multiples inconvénients. I1 convient d'abord de noter que les jauges très fragiles col liées extérieurement sur le corps d'épreuve sont exposées non seulement aux endommagements mécaniques, mais sont également exposées à d'autres actions (humidité, température et notamment gradients de température, rayonnement thermique) de l'environnement dans lequel sont installés les capteurs, ce qui nécessite souvent des protections mécaniques et thermiques onéreuses, par exemple par des enveloppes étanches munies de membranes ou de soufflets, lesquels interfèrent fâcheusement sur les qualités métrologiques du capteur et sont par là même causes de difficultés et de mises au point onéreuses. Ces membranes et soufflets sont d'autre part des parties fragiles, sensibles aux chocs mécaniques. En outre, ces capteurs connus présentent des problèmes de linéarité dans la mesure où la sensibilité, c'est-à-dire le rapport entre la variation du signal fourni par les jauges et la variation de la charge qui a provoqué cette variation du signal des jauges. diminue avec l'accroissement de l'effort de compression, ou augmente avec l'accroissement de l'effort de traction. Les capteurs conventionnels, en colonne (massifs), sont parfois linéarisés par des procédés électriques qui en augmentent le cent. La présente invention a pour objet un capteur extensométrique de compression ou de traction assurant d'une minière étonnament simple une bonne protection des jauges, du point de vue mécanique et également vis- -vis d'autres actions liées au milieu dans lequel est placé le capteur. Un autre objet de l'invention est un capteur extensométrique de compression ou de traction de fabrication simple permettant une amélioration de la linéarité. Le capteur extensométrique conforme a l'invention comprend un corps d'épreuve en forme de cylindre creux et les quatre jauges sont disposées sur la surface intérieure du cylindre creux. Cette disposition assure une bonne protection mécanique des jauges, par le corps d'épreuve lui-même, ainsi qu'unie protection contre le milieu ambiant grâce au fait que l'espace intérieur du corps d'épreuve peut être rempli d'une manière simple par exemple d'élastomère coulé à l'intérieur du corps d'épreuve formant moule. Pour accroître encore la protection des jauges de contrainte et améliorer le fonctionnement, il est avantageux de transmettre la charge à mesurer au corps d'épreuve par deux plaques circulaires aux extrémités du corps d'épreuve, pour répartir la charge sur les génératrices du corps d'épreuve, et de relier lesdites plaques de façon étanche aux extrémités du corps d'épreuve, par exemple par soudage. De ce fait, l'espace intérieur du capteur est parfaitement hermétique, de sorte que quel que soit le milieu dans lequel est placé le capteur, les jauges fonctionnent dans une atmosphère invariable et de préférence très sèche, ou par exemple une atmosphère de gaz neutre. Ce volume intérieur hermétique peut avantageusement protéger non seulement les capteurs, mais également la partie électronique d'ampli fication du signal si cette dernière est disposée dans l'espace intérieur du capteur. Suivant un mode de réalisation préféré, l'une des deux plaques d'extrémité est réalisée d'une seule pièce avec le corps d'épreuve cylindrique, par usinage de cette plaque et du corps d'épreuve dans la même masse. il suffit dans ce cas d'assembler une plaque circulaire à l'autre extrémité du corps d'épreuve, ce qui améliore la fiabilité de la fermeture. Dans le cas où le capteur utilisé en cmpression est muni d'un bouton de charge au moins, il est avantageux que ce dernier soit directement formé sur la plaque solidaire du corps d'épreuve. I1 est également avantageux, afin d'éviter la concentration de contraintes dans le corps d'épreuve, d'usiner non pas dans le corps d'épreuve, mais dans la plaque circulaire solidaire du corps d'épreuve, les trous de passage de câble pour relier les jauges a la partie d'exploitation du signal du capteur (amplification, enregistrement, lecture) située à l'extérieur du capteur. Une possibilité pour améliorer la linéarité du capteur à corps d'épreuve cylindrique avec jauges de contrainte intérieures consiste à munir le corps d'épreuve de plaques ciculaires d'extrémité minces susceptibles de fléchir sous charge lorsque ces plaques sont sollicitées en leur centre. Sous l'effet de cette flexion des plaques d'extrémité, qu'elles soient réalises d'une pièce avec le corps d'épreuve cylindrique ou fixées par soudage à ce dernier, le corps d'épreuve subit également une déformation de flexion, soit en tonneau lorsque le capteur est sollicité en compression, soit en diabolo lorsque le capteur est sollicite en traction. Cette déformation en tonneau ou en diabolo du corps d'épreuve conduit, par rapport à un corps d'épreuve sollicité en compression ou en traction pure, a une amplification de la déformation de la zone dans laquelle sont placées les jauges. Ce mode de déformation en tonneau ou en diabolo, du corps d'épreuve sous charge permet non seulement une augmentation de la sensibilite, mais également une amélioration de la linéarité dans la mesure où la flexion que le corps d'épreuve subit sous charge a tendance s'amplifier en cas d'augmentation de la charge, de façon analogue à la flexion que subit un poteau soumis au flambage. Cet effet qui se traduit par une augmentation de la sensibilité sous charge est donc opposé à 11 effet habituel contraire de perte de sensibilité sous charge d'un corps d'épreuve cylindrique sollicité en compression.Par conséquent, la combinaison de ces deux effets contraires sur le capteur conforme à l'invention permet de conférer à ce dernier une sensibilité globale nettement moins variable avec la charge, donc une meilleure linéarite. > - Une autre possibilité pour obtenir une amélioration de la linéarité sur un capteur conforme à l'invention avec les jauges de contrainte disposées à l'intérieur d'un corps d'épreuve cylindrique consiste à munir le corps d'épreuve d'une partie cylindrique mediane dont les fibres moyennes sont décalées vers l'extérieur par rapport aux fibres moyennes des deux parties cylindriques d'extrémité du corps d'épreuve, et de placer les jauges sur la face interne de la partie cylindrique médiane. En effet, sous une charge de compression, l'effort que subit le corps d'épreuve agit sur la partie cylindrique médiane non pas suivant les fibres moyennes de cette partie, mais avec un déport vers l'intérieur par rapport à ces fibres moyennes, de sorte que ladite partie cylindrique médiane subit une déformation de flexion vers l'extérieur ou en tonneau, procurant les effets déjà décrits cidessus pour un corps d'épreuve à plaques d'extrémité déformables en flexion. En cas de traction, la partie cylindrique médiane du corps d'épreuve subit une déformation de flexion vers l'intérieur c'està-dire en diabolo. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la plaque d'extrémité inférieure du corps d'épreuve peut avantageusement présenter une base sphérique, le rayon de courbure de cette base sphérique étant avantageusement supérieure à la hauteur du capteur. La base sphérique autorise une orientation du capteur, d'où une répartition plus régullure des défornations dans le capteur que dans le cas d'une plaque d'extrémité à base plane, ette partition dépendant par ailleurs moins de l'état de la surface d'appui du capteur. Si le rayon de courbure de la base sphérique de la plaque d'extrémité inférieure du capteur est supérieur à la hauteur du capteur, ce dernier bénéficie d'un effet d'autostabilisation, toute inclinaison du capteur provoquant une force de rappel tendant à le redresser et proportionnelle à la charge appliquée. En se référant aux dessins schématiques annexés, on va décrire ci-après plusse détail plusieurs modes de réalisation illustratif et non limitatifs de l'objet de l'invention; sue.-les dessins la figure 1 est une vue en perspective d'un capteur conforme à l'invention, montrant la conformation générale du corps d'épreuve et la disposition générale des jauges de contrainte sur ce dernier; la figure 2 est une coupe axiale d'un mode de réalisation d'un capteur conforme à l'invention; la figure 3 est une coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'un capteur conforme à l'invention; la figure 4 représente schématiquement la déformation en tonneau que subit le capteur de la figure 3 lorsqu'il est sollicité en compression;; la figure 5 est une coupe axiale d'un autre mode de réalisation d'un capteur conforme à l'invention à déformation en tonneau. les figures 6a, 6b et 6c montrent trois variantes de réalisation du corps d'épreuve d'un capteur conforme à l'invention, en vue de permettre une déformation en tonneau du corps d'épreuve lorsque le capteur est sollicité en compression. Selon la figure 1, le corps d'épreuve 1 d'un capteur extenso metrique est constitué par un cylindre creux chargé axialement en compression, comme indiqué par des flèches, ou en traction. Sur la face intérieure du corps d'épreuve 1 sont collées deux paires de jauges de contrainte 2, 3 diamètralement opposées, à savoir deux jauges 2 disposées longitudinalement et deux jauges 3 disposées transversalement. Selon la figure 2, le corps d'épreuve 1 en forme de cylindre creux, muni sur sa face intérieure de jauges 2, 3, est réalisé d'une seule pièce avec une plaque d'extrémité 4 munie d'un bouton de charge 5. A son autre extrémité, le corps d'épreuve 1 est fermé par une plaque 6 rapportée, de préférence fixée par.soudage. L'espace intérieure du capteur est ainsi complètement isolé de l'extérieur, de sorte que les jauges 2,3 ainsi qu'éventuellement le système électronique d'amplification des signaux des jauges, qui peut également être disposé a l'intérieur du capteur, se trouvent dans une atmosphère invariable, de préférence très sèche ou une atmosphere de gaz neutre. Un ou plusieurs trou(s) de passage 6 pous.le ou les câble(s) reliant l'intérieur du capteur à la partie extérieure d'amplification, enregistrement et/ou de lecture des signaux des capteurs sont ménagés radialement dans la plaque d'extrémité 4 réalisée d'une seule pièce avec le corps d'épreuve 1, afin d'éviter les concentrations de contraintes qui se produiraient dans le corps d'épreuve 1 si le-ou les trou(s) de passage étaient ménagés dans ce dernier. La figure 3 représente un capteur qui se distingue principalement du capteur de la figure 2 par le fait que les deux plaques d'extrémité 4, 5 sont minces et déformables en flexion de maniere que sous l'effet des charges de compression appliquées au capteur par deux boutons de charge 7, 8 formés sur les plaques 4, 5, au centre de ces dernieres, les plaques d'extrémité 4, 5 subissent une flexion vers l'intérieur. Cette flexion vers l'intérieur des plaques d'ex trémité 4, 5 provoque une déformation vers l'extérieur, en tonneau, du corps d'épreuve 1, comme indiqué schématiquement en tirets sur la figure 4.Cette déformation en tonneau du corps d'épreuve 1 a pour effet d'amplifier les déformations que le corps d'épreuve subit dans la zone des jauges, aussi bien en ce qui concerne la déformation de compression axiale détectée par les jauges longitudinales 2 que la déformation de traction transversale due à l'effet dit de Poisson, détectée par les jauges transversales 3. I1 en résulte une augmentation de la sensibilité du capteur. De plus, la flexion que subit la paroi du corps d'épreuve 1 lors de la déformation en tonneau de ce dernier sous charge tend à s'amplifier, de façon analogue à la flexion que subit un poteau soumis au flambage. Cet effet est Opposé à l'effet habituel contraire qui peut être observé sur un corps d'épreuve cylindrique sollicité uniquement en compression, à savoir une perte de sensibilité sous charge. La combinaison de ces deux effets contraires confère au capteur selon la figure 3 une sensibilité variant moins avec la charge, donc une meilleure linéarité. La figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un capteur conforme à l'invention bénéficiant également d'une amélioration de la sensibilité et de la linéarité, par la mise en oeuvre de moyens différents. Selon ce mode de réalisation, le.orps d'épreuve 1 comporte une partie cylindrique médiane 9 dont les fibres moyennes sont décalées vers l'extérieur par rapport aux fibres moyennes des deux parties cylindriques d'extrémité 10, 11 du corps d'épreuve 1. Selon la figure 6a, ce décalage peut être obtenu, par le fait que le corps d'épreuve la présente une surface intérieure ayant partout le même diamètre et une surface extérieure ayant, dans la partie médiane 9a, un diamètre plus grand que dans les deux parties d'extrémité 10a, lla. Selon la figure 6b, ce décalage des fibres neutres peut également être obtenu par le fait que le corps d'épreuve lb présente une surface extérieure ayant partout le même diamètre et une surface intérieure ayant, dans la partie médiane 9b, un diamètre suivant la fibre neutre plus important que dans les parties d'extrémité lOb et llb. Une autre possibilité est illustrée sur la figure 6c selon laquelle aussi bien la surface intérieure que la surface extérieure du corps d'épreuve lc présentent, dans la partie médiane 9c, un diamètre plus important que dans les parties d'extrémité lOc et llc. Le mode de réalisation de la figure 6a présente l'avantage d'une fabrication plus simple du corps d'épreuve, la surface intérieure, moins accessible pour l'usinage, étant lisse. Dans tous les cas, le raccordement des parties cylindriques de diamètres différents peut se faire à angle vif ou de préférence progressivement, par des arrondis. Ce décalage vers l'extérieur des fibres neutres dans la partie mediane 9 du corps d'épreuve 1 conduit, lorsque le corps d'épreuve est mis sous compression, à une déformation en tonneau du corps d'épreuve, du fait que l'effort résultant de la charge agit sur la partie médiane 9 non pas suivant les fibres neutres de cette dernière, mais avec un déport vers l'interieur, de sorte que la partie médiane 3 fléchit vers l'extérieur et le corps d'épreuve dans son ensemble prend une déformation en tonneau qui est analogue à celle obtenue suivant le mode de réalisation de la figure 3 par la flexion des plaques d'extrémité et qui procure les même avantages (amélioration de la sensibilité et de la linéarité). On reconnalt par ailleurs sur la figure 5 que la plaque inférieure 5 du corps d'épreuve 1 présente une base sphérique autorisant une oscillation du capteur. Le rayon de la base sphérique de la plaque 5 est supérieur à la hauteur du capteur, de sorte que le capteur bénéficie d'un effet d'autostabilisation, la force de rappel tendant à redresser le capteur étant proportionnelle à la charge appliquée à ce dernier. Cette plaque à base sphérique permet par ailleurs une répartition plus régulière des déformations dans le corps d'épreuve, cette répartition dépendant moins de l'état de la surface d'appui du capteur que dans le cas d'une plaque d'extrémité à base plane. Enfin, on reconnut sur la figure 5 que le capteur est recouvert d'un capot 12 formant écran thermique, en vue de la protection du capteur contre les gradients de température et en particulier les rayonnements. Cet écran thermique en forme de cloche peut etre très simple et n'a pas à être nécessairement étanche et très solide, comme c'est le cas pour les enveloppes de protection des capteurs classiques à jauges de contrainte extérieures, enveloppes qui doivent assurer non seulement une protection thermique, mais également une protection mécanique et une protection vis-à-vis de l'atmosphère ambiante. Ces deux dernières protections assurées, sur le capteur suivant l'invention, par le simple fait que les jauges sont disposées à l'intérieur du capteur. I1 va de soit que les modes de réalisation décrits ci-dessus et illustrés par les dessins annexés n' ont été données qu'à titre d'exemples non limitatifs et que de nombreuses modifications et variantes sont possibles dans le cadre de l'invention. Ainsi, le capteur conforme à l'invention peut être utilisé également comme capteur de traction. Dans le cas des figures 3 et 5, le capteur sollicité en traction subit alors, non pas une déformation vers l'extérieur en forme de tonneau, mais une déformation vers l'intérieur en forme de diabolo, avec les mêmes avantages en ce qui concerne la sensibilité et la linéarité. REVENDICATIONS 1. Capteur extensométrique de compression ou de traction, comprenant un corps d'épreuve cylindrique chargé axialement et deux paires de jauges de contrainte disposées sur le corps d'épreuve, à savoir deux jauges diamètralement opposées orientées dans le sens longitudinal du corps d'épreuve et deux jauges diamètralement opposées orientées dans le sens transversal, caractérisé par le faitqu'il comprend un corps d'épreuve (1) en forme de cylindre creux et que les quatres jauges (2,3) sont disposées sur la surface intérieure du cylindre creux. 2. Capteur suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve (1) est fermé, à ses deux extrémités, par deux plaques circulaires (4,5) reliées de façon étanche aux extrémités du corps d'épreuve. 3. Capteur suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que l'une (4) des deux plaques d'extrémité est réalisée d'une seule pièce avec le corps cylindrique (1), par usinage de cette plaque et du corps d'épreuve dans la même masse. 4. Capteur suivant la revendication 3, comportant au moins un bouton de charge, caractérisé par le fait que le bouton de charge (7) est formé directement sur la plaque d'extrémité (4) solidaire du corps d'épreuve (1). 5. Capteur suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé par le fait que les trous de passage de câble (6) pour relier les jauges (2,3) à la partie d'exploitation du signal du capteur située à l'extérieur du capteur sont usinés dans la plaque d'extrémité (4) solidaire du corps d'épreuve (1). 6. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve (1) comporte des plaques d'extrémité circulaires (4,5) minces, solidaires du corps d'épreuve, susceptibles de fléchir sous charge lorsque ces plaques sont sollicitées en leur centre. 7. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le corps d'épreuve (1) comprend une partie cylindrique médiane (9) dont les fibres moyennes sont décalées vers l'extérieur par rapport aux fibres moyennes des deux parties cylindriques d'extrémité (10, 11), les jauges (2,3) étant disposées sur la face interne de ladite partie cylindrique médiane (9). 8. Capteur suivant l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé par le fait que la plaque d' extrémité inférieure (5) du corps d'épreuve (1) présente une base sphérique, le rayon de courbure de cette base sphérique étant supérieur à la hauteur du capteur. 9. Capteur suivant l'une quelConque des~revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est recouvert d'un capot (12) en forme de cloche.