Brevet FR2601770A1 — publié le 19880122

Dispositif de pesage à capteur capacitif pelliculaire. L'invention concerne un dispositif de pesage, notamment de pesage industriel, du type dans lequel l'élément de pesée comprend un détecteur capacitif. On connaît déjà des appareils de pesée qui comportent - une structure mécanique propre à recevoir un corps à peser, tout en subissant une déformation élastique sous l'effet du poids de ce corps, et - un détecteur capacitif relié à une partie mobile de cette structure. La structure mécanique peut être un ressort ou tout autre organe, monobloc ou articulé, propre à fournir un effort de rappel élastique, c'est-à-dire, tout organe déformable et revenant à son état initial après déformation. Cette structure produit un déplacement relatif des électrodes du détecteur capacitif. I1 s'ensuit une variation de sa capacité. De celle-ci, on tire par des moyens de mesure électriques, le plus souvent après étalonnage, le poids du corps à peser. Les dispositifs de pesage connus sont cependant des appareils peu maniables, du moins lorsqu'on souhaite une bonne précision. Ils ont des temps de réaction longs, ce qui les rend impropres au pesage dynamique, c'est-à-dire, au pesage d'objets mobiles rapides. De plus, la fabrication des appareils de pesée traditionnels nécessite un usinage compliqué, ce qui les rend chers, en particulier lorsqu'on veut les rendre de petite taille. L'un des buts de la présente invention est de permettre le pesage précis d'une masse, indépendamment de l'endroit où est appliquée la masse sur la surface de pesage, de la surface de sustentation de la masse et de la masse volumique de matériau de la masse à peser. Un autre but de l'invention est d'améliorer considérablement le pesage dit "au vol" ou dynamique en effectuant la mesure en un temps très bref, compatible avec la vitesse du corps à peser. Un autre but de l'invention est de permettre la réalisation de dispositifs de pesage comprenant un ou plusieurs éléments miniaturisés. L'invention a encore pour but de permettre la mesure de la charge d'essieu d'un véhicule mobile et d'en calculer la vitesse à l'aide d'un instrument de mesure du temps. L'invention a en outre pour but d'évaluer la pression de gonflage de pneumatiques de véhicule. Selon une caractéristique générale de l'invention, le détecteur capacitif du dispositif de pesage ou de mesure de forces comprend un capteur pelliculaire. On connaît déjà des capteurs pelliculaires de pression. Ceuxci sont amplement décrits dans la revue "La Recherche Aérospatiale", NO 3, Mai, Juin 1982, Paris, article de M. Portat et M. Chatanier, "Les capteurs pelliculaires de pression et leurs applications". Ces capteurs, de type capacitif, utilisés pour déterminer des variations de pression, ont une épaisseur maximale hors-tout de 80 micromètres. La présente invention vient permettre d'utiliser un capteur pelliculaire de ce type pour des applications de pesage ou de mesure de pression. Selon un aspect important de l'invention, le détecteur capacitif fournit, en partie au moins, le rappel élastique. Avantageusement, le capteur capacitif comprend un bloc diélectrique comprenant plusieurs feuilles de matériau diélectrique souples, collées l'une sur l'autre à l'aide de films de colle très minces. Des couches minces conductrices sont réalisées sur les deux faces externes de la feuille centrale et sur les faces externes des feuilles externes du bloc. Avantageusement, les feuilles diélectriques sont en Kapton. Ce matériau a l'avantage d'induire une variation de capacité linéaire en fonction de l'écrasement et de conférer au dispositif une étendue de mesure (rapport des forces maximale et minimale mesurables) supérieure à 105. Selon un autre aspect de l'invention, la structure mécanique est définie directement par le capteur pelliculaire lui-même. Le dispositif selon l'invention a l'avantage de fournir une variation de capacité induite par la déformation du capteur pelliculaire indépendante du point d'application. Fonctionnellement, on associe au capteur capacitif des moyens de mesure de la variation de la capacité. Selon un premier mode de réalisation, ces moyens de mesure opèrent à l'aide d'une haute fréquence d'excitation. Par exemple, une capacité de référence forme avec le détecteur un pont capacitif. Selon d'autres modes de réalisation, les moyens de mesure opèrent par polarisation du capteur capacitif en tension continue, la mesure elle-même faisant intervenir un amplificateur de charge ou bien une impédance de très haute valeur, associée à un adaptateur d'impédance et aux bornes de laquelle sont mesurées les variations de potentiel dues au courant de charge du détecteur capacitif. La présente invention a l'avantage de fournir une mesure pre- cise avec un corps en mouvement. Avantageusement, le dispositif de pesage de la présente invention est utilisé dans le pesage de tout ou partie d'un véhicule. Il comprend de préférence deux capteurs pelliculaires capacitif s implantés à la surface de la chaussée. En y associant avantageusement un instrument de mesure de temps, il est possible de déterminer la vitesse du véhicule. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention appa paîtront à l'examen de la description détaillée ci-après et des dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est un schéma de principe du dispositif de pesage selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe, schématique, d'un premier type de capteur pelliculaire, à diélectrique solide;; - la figure 3 est le schéma d'un premier circuit électrique de mesure, utilisant une haute fréquence d'excitation - la figure 4 est le schéma d'un second circuit électrique de mesure, utilisant un amplificateur de charge - la figure 5 est le schéma d'un troisième circuit électrique de mesure utilisant une impédance très élevée - la figure 6 est une vue en coupe schématique d'un capteur pelliculaire et du circuit électrique associé - la figure 7a est une vue de dessus d'un dispositif de pesage de charge d'essieu; d'essieu - la figure 7b est une coupe suivant la ligne FF de la figure 8a ; - la figure 8a est une vue de dessus du dispositif d'évalua tion de la pression de gonflage de pneumatiques; et - la figure 8b est une coupe suivant la ligne HH de la figure 8a. Sur la figure 1, le dispositif de pesage comprend ici un détecteur 1 de type capacitif constitué par des électrodes 4 (éventuellement individualisées en 4-1 et 4-2) et undié- lectrique 3. Le corps à peser 2, de masse M et de surface s, est posé sur le détecteur 1, sur toute sa surface s. Le diélectrique est un diélectrique souple de module de compression K, de permittivité E et d'épaisseur e. Les électrodes ont chacune une surface S, supérieure dans tous les cas à la surface de sustentation de la masse à peser. Le détecteur forme ainsi un condensateur de capacité C. Les travaux menés par le Demandeur ont montré que la variation relative de la capacité est proportionnelle au poids M.g du corps 2, pourvu que - ce corps 2 repose entièrement à l'intérieur de la surface S de l'électrode 4-1, et que - les variations de capacité demeurent assez faibles pour jus- tifier d'un traitement en première approximation, par différentiation de ces variations de capacité. La relation exacte est donnée par la formule (I) ci-après dC = M.g (I) C S.K La figure 2 illustre plus précisément le type de détecteur capacitif utilisé. I1 s'agit d'un capteur pelliculaire, constitué principalement de 3 feuilles diélectriques 3, assemblées en bloc. Des électrodes 4 sont déposées sous forme de couche minces sur les surfaces externes opposées de la feuille centrale diélectrique du bloc. La métallisation s déposée sous forme de couche mince sur les faces externes des feuilles externes sert de blindage au capteur. Les feuilles diélectriques sont en Kapton (polyamide de Dupont de Nemours), matériau qui peut être disponible en faible épaisseur (6 à 100 micromètres) et qui a une bonne tenue en température (3000C). Les feuilles diélectriques 3 sont collées entre elles à l'aide de films de colle 7 très minces (2 micromètres) et exempts de toute inclusion, réalisés de manière connue. Les électrodes métalliques sont déposées en couches minces à l'aide de techniques connues : évaporation sous vide, pulvérisation cathodique, etc. L'épaisseur de ces couches métalliques est de l'ordre de 0,2 micromètre. L'épaisseur hors tout de ce capteur n'excède pas 80 micromètres. De préférence, elle est de 50 micromètres. La formule (I) montre que la sensibilité de ce capteur à l'écrasement varie comme l'inverse du module de compression; elle est typiquement de l'ordre de 40.000 kg/cm2 .Ce type de capteur accepte des charges très importantes de l'ordre de 500 kg/cm2. Le capteur décrit ci-dessus en référence à la figure 2 a une plage de températures d'utilisation a-llant de -OOC à 600C. Leur étendue de mesure, rapport des forces maximale et minimale mesurables, est supérieure à 105. Les figures 3, 4, 5 illustrent trois solutions utilisables pour mesurer la variation de capacité. Dans un premier mode de réalisation, représenté en figure 3, le circuit de mesure comprend deux générateurs 12 et 12' de tensions alternatives respectivement opposées, à des fréquences élevées (là 50 kHz), une capacité de référence 11 et le détecteur de pesée 1. Le signal électronique, mesuré sous la forme d'une tension V, est alors proportionnnel au poids du corps à peser. I1 est en effet possible, par un calcul simple, de résoudre le système électrique régi par les lois de Kirchhoff et d'obtenir la relation suivante (II) entre la tension V et la masse M V - E eit . M.g (II) 4 S.K où + E ei W t est la tension alternative de pulsation délivrée par les générateurs 12 et 12'. Cette mesure permet de faire à la fois du pesage statique (corps reposant sur le capteur en permanence) ou du pesage dynamique (pesage au vol). Selon un second mode de réalisation (figure 4), le détecteur capacitif 1 est polarisé à l'aide d'une source 13 d'une tension continue U (typiquement de l'ordre de 10 à 100 V). Les variations de la charge Q du détecteur 1 sont alors mesurées à l'aide d'un amplificateur de charge 16. On montre que dQest proportionnel à C et donc au poids du corps à peser. Q Dans un troisième mode de réalisation (figure 5), la capacité du détecteur est toujours polarisée par la tension continue U de la source 15. Elle est alimentée au travers d'une impédance de très haute valeur 15, de l'ordre de 108 ohms. Un amplificateur adaptateur d'impédance 14 est branché aux bornes de l'impédance 15. Les variations V apparaissant aux bornes de cette impédance déterminent le poids du corps à peser, car on montre que dV est proportionnel à dC et donc M.g V C S.K La figure 6 illustre comment en pratique le circuit électri que (selon la figure 5) est associé au capteur. Non seulement les électrodes 4, mais aussi les connexions 6 et 8 ainsi que le circuit de garde 5 sont réalisées sous la forme de couches minces déposées par évaporation sous vide ou pulvérisation cathodique. La connexion 8 achemine le signal V vers un adaptateur d'impédance 14, muni d'une impédance 15 de très haute valeur. La connexion 6 relie le capteur à une source 13 de tension continue U. Un circuit de garde 5 est disposé au dessus de la connexion "point chaud" 8. Ce circuit de garde réduit les perturbations induites d'origine électromagnétique, évite l'accumulation de décharges électriques sur la connexion "point chaud", réduit enfin les capacités parasites par rapport aux masses métalliques environnantes. Typiquement, les dimensions de la microélectronique associée au capteur 1 (connexions, circuits de garde, etc.) peuvent être 2 x 4 x 1 mm3. Le troisième mode de réalisation, illustré par les figures 5 et 6, est utilisé préférentiellement pour le pesage dynamique car le temps de mesure nécessaire est très court, de l'ordre de 10-3s. Comme, d'autre part, l'encombrement des composants électroniques peut être minimisé (électronique hybride), ce mode de réalisation est particulièrement adapté au pesage d' objets mobiles pour lesquels la taille de l'instrumentation de mesure doit être réduite ("starting-block" de coureur, etc.). Eventuellement, les signaux de sortie des capteurs sont amplifiés par des chaînes de mesure à grand gain, avant d'etre transmis vers les moyens de mesure eux-mêmes. Les figures 7a et 7b illustrent un exemple d'application de l'invention, pour déterminer la charge d'essieu sur route d'un véhicule. Le dispositif de pesage comprend deux capteurs 1 et 1', constitués de feuilles diélectriques souples 3, de préférence pleines, disposés à une distance L déterminée l'un de l'autre, de l'ordre d'une dizaine de mètres dans la direction de déplacement du véhicule. Chaque capteur a une largeur 1, typiquement 15 cm, et une longueur égale à la largeur d'une voie de la chaussée. Une cavité est dégagée sur toute la largeur de la voie de circulation à la surface de la chaussée constituée de bitume 30. Le capteur 1 (respectivement 1') est collé sur les plaques métalliques 32 et 33 de mêmes dimensions planes que le capteur et l'ensemble plaque-capteur est déposé dans cette disposition au fond de la cavité.Les plaques métalliques 32, 33 ont pour rôle principal de faciliter l'intégration du capteur dans la chaussée et de la protéger contre l'usure. L'ensemble du dispositif est isolé par un enrobage souple 31 coulé à l'intérieur de la cavité, dans le but de le prémunir contre la pénétration de l'eau ou de l'humidité. Les deux capteurs 1 et 1' sont reliés respectivement à des adaptateurs d'impédance 14 et 14'. Les signaux recueillis, amplifiés par des amplificateurs 19 et 19' sont enregistrés par un enregistreur de pesage 18 qui permet la détermination de la valeur de la charge d'essieu à l'aide de l'un au moins des signaux émis par les capteurs. Le temps écoulé entre la réception du premier signal correspondant au capteur 1 et celle du second signal correspondant au capteur 1', mesuré par un chronomètre 17, permet de déterminer la vitesse du véhicule, connaissant la distance L séparant les 2 capteurs. Les figures 8a et 8b illustrent un exemple d'application de l'invention à la détermination de la pression de gonflage des pneumatiques d'un véhicule à partir de la connaissance de la force d'appui sur le sol. Le dispositif comprend un ou plusieurs capteurs capacitifs 1 réalisés sur une feuille unique de diélectrique Kapton 3 et d'autres feuilles 3' servant d'isolant ou de blindage 5, assemblées à l'aide de minces films de colle 7. Le bloc est collé sur une plaque métallique 32 et comporte au droit du capteur 1 et logée dans une ouverture ménagée dans la plaque supérieure 33. Comme dans l'exemple précédent l'ensemble est isolé par un enrobage souple de protection 31. Le capteur 1 est inclus dans un circuit de mesure conforme à la figure 3, il est polarisé par un générateur de tension alternative 12. Le signal recueilli est amplifié dans un amplificateur 19 avant d'être évalué dans un appareil de mesure 49 . La mesure s'effectue à l'arrêt. Si l'on désire connaître la répartition des forces en.différents points de la surface en contact entre le pneu et la route, il convient de réaliser un ensemble de capteurs 1 disposés soit en ligne, soit sous forme de mosaique. La mesure peut aussi s'effectuer au vol en utilisant plusieurs capteurs en ligne et disposés perpendiculairement au sens de déplacement. Dans ce cas, le schéma de la figure 5 est utilisé : polarisation continue 13, adaptateur d'impédance 14 et impédance d'entrée 15. Le signal temporel de chaque capteur est alors representa- tif de l'évolution de la pression de contact pneumatiquerevêtement au cours du roulement. A partir de là, on sait retrouver la pression de gonflage des pneumatiques. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation ci-dessus décrit. En particulier, toutes les applications correspondant aux besoins de pesage statique et particulièrement de pesage dynamique sont envisageables : pesage de pièces tombant sur une chaîne de fabrication ou d'emballage, détection et pesage-de mobiles, estimation d'efforts (travail manuel, starting-block de cou reur), estimation de variation de pesanteur réelle (pilote soumis à des accélérations élevées), etc. La même remarque s'applique au détecteur capacitif, dès lors que le capteur qu'il comprend est un capteur pelliculaire. La même remarque s'applique encore aux moyens de mesu-re des variations de capacité décrits, ainsi qu'à la structure mécanique déformable par élasticité. Revendications. 1. Dispositif de pesage du type comprenant - une structure mécanique propre à recevoir un corps (2) à peser tout en subissant une déformation élastique sous l'effet du poids de ce corps; - un détecteur capacitif (1) relié à une partie mobile de ladite structure, et - des moyens de mesure des variations de capacité induites par la déformation de ladite structure dans le détecteur capacitif caractérisé en ce que le détecteur capacitif (l)comprend un capteur pelliculaire qui fournit, en partie au moins, le rappel élastique et comporte - un bloc diélectrique composé de plusieurs feuilles de matériau diélectrique souple (3) collées l'une sur l'autre; - des couches minces conductrices sur les deux faces externes d'une feuille centrale du bloc (4) et sur les faces externes (5) des feuilles externes du bloc - des films de colle (7) très minces pour le collage desdites feuilles entre elles. 2. Dispositif de pesage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les feuilles diélectriques souples (3) sont en Kapton. 3. Dispositif de pesage selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que le bloc diélectrique (3) utilisé induit une variation de capacité linéaire en fonction de l'écrasement. 4. Dispositif de pesage selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étendue de mesure du détecteur capacitif (1) est supérieure à 105. 5. Dispositif de pesage selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la structure mécanique est définie directement par le capteur pelliculaire lui-même. 6. Dispositif de pesage selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur est agencé de sorte que la variation de capacité induite par sa déformation soit indépendante du point d'application du corps (2). 7. Dispositif de pesage selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure opèrent à l'aide d'une haute fréquence d'excitation. 8. Dispositif de pesage selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent au moins un générateur de tension alternative (12) à ladite fréquence, une capacité de référence (11), l'ensemble formant avec le détecteur un pont capacitif. 9. Dispositif de pesage selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens de mesure opèrent par polarisation du capteur capacitif en tension continue. 10. Dispositif de pesage selon la revendication 9, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent une source de tension continue (13) et un amplificateur de charge (16) pour mesurer les variations de la charge du capteur capacitif. 11. Dispositif de pesage selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent une source de tension continue (13), une impédance de très haute valeur (15), associée à un adaptateur d'impédance (14) et aux bornes de laquelle sont mesurées les variations du potentiel. 12. Dispositif de pesage selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le corps à peser (2) est en mouvement. 13. Dispositif de pesage selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur pelliculaire, implanté à la surface de la voie d'une chaussée, de façon à permettre le pesage au vol de tout ou partie d'un véhicule circulant sur ladite voie. 14. Dispositif de pesage selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comprend un second capteur pelliculaire disposé en aval dans la direction de déplacement dudit véhicule, à une distance déterminée du premier capteur pelliculaire, de façon à ce que le véhicule circulant sur ladite voie déclenche successivement deux signaux, dont l'écart dans le temps, mesuré par un moyen de mesure du temps, permet le calcul de la vitesse dudit véhicule. 15. Dispositif de pesage selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce qu'il est utilisé pour toute mesure de forces appliquées sur ledit dispositif. 16. Dispositif de pesage selon la revendication 15, carac térisé en ce qu'il comprend au moins un capteur pelliculaire, implanté à la surface de la voie d'une chaussée, de façon à permettre la mesure de la force d'appui sur le sol de pneumatiques d'un véhicule stationné ou circulant sur ladite voie.