Brevet FR2599138A1 — publié le 19871127

La présente invention concerne un dispositif de mesure de déplacement,de déformation et/ou d'effort de déformation d'une pièce mécanique et son utilisation pour le contrôle de serrage de boulons ou comme capteur de pression, Ia mesure du déplacement, de la déformation-et/ou de l'effort de déformation d'une pièce mécanique ne pose actuellement pas de problème de principe majeur lorsque ces mesures peuvent être conduites à l'aide d'appareils de laboratoire appropriés et dans des conditions d'opérations correspondantes. Dans le cas où cependant ces mesures doivent être effectuées de manière répétitive, en milieu industriel ou même en milieu hostile, les solutions proposées à ce jour restent éminemment limitées et réduites dans la mesure où celles-ci ne peut être guère envisagées sauf dans le cas d'applications bien déterminées. La mesure de déformation et/ou de, l'effort de déformation appliqué par les machines de vissage a fait l'objet de travaux récents publiés dans la demande de brevet français 2 563 138 publiée le 25 Octobre 1985. Dans ce document est décrit un dispositif pour l'étalonnage d'une machine-outil telle que les machines de vissage de boulons. Dans ce dispositif, l'effort de déformation est mesuré au moyen de jauges de contrainte. Si ce type de dispositif est susceptible de donner satisfaction pour un fonctionnement convenable même en milieu industriel, l'utilisation de jauges due contraintes implique nécessairement uneali mentation en énergie électrique de celles-ci. De tels dispositifs se prêtent donc mal à une utilisation en milieu hostile, et notamment en immersion, les circuits électriques correspondants nécessitant des moyens de protection étanches. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients précités par la mise en oeuvre d'un dispositif de mesure de déplacement, de déformation et/ou d'effort de déformation dans lequel la présence de circuits électriques peut être localement supprimée. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un dispositif de mesure de déplacement et/ou d'effort de déformation mettant en oeuvre des moyens de détection essentiellement optiques. Un autre objet de la présente invention est la mise en oeuvre d'un dispositif de mesure de déformation et/ou d'effort de déformation, susceptible d'être utilisé en immersion dans tout milieu, corrosif ou non, pourvu que ce milieu permette d'assurer une transmission convenable d'un rayonnement électromagnétique ou lumineux déterminé. Le dispositif de mesure de déplacement, de déformation et/ou d'effort de déformation d'une pièce mécanique objet de l'invention est remarquable en ce qu'il comprend des moyens d'émission et de réception d'un faisceau lumineux. Les moyens d'émission réception sont mécaniquement sdidaires d'une émbase commune. Des moyens de transmission optique du faisceau lumineux présentant un coefficient de transmission optique variable dans la direction de déplacement ou de déformation de la pièce soumise à déformation interceptent le faisceau lumineux. Les moyens de transmission optique et l'embase commune sont respectivement mécaniquement solidaires d'une base de référence et de la pièce mécanique soumise à déformation ou réciproquement. L'invention trouve application à la mesure du déplacement,de la déformation et/ou de l'effort de déformation de toute pièce mécanique et notamment au serrage de boulons, en immersion, ainsi autà la mesure de pressions. Elle sera mieux comprise à la lecture de la description et à l'observation des dessins ci-après dans lesquels - la figure 1 représente, en coupe, une vue du dispositif objet de l'invention, - les figures 2a et 2b représentent un mode de réalisation particulier des moyens de transmission optique conformément à l'objet de la présente invention, - les figures 3a et 3b représentent un autre mode de réalisation particulier, non limitatif, des moyens de transmission optique, conformément à l'objet de l'invention, - la figure 4 représente un capteur de pression mettant en oeuvre le dispositif de mesure de dé forma- tion et ou effort conformément à la présente invention. Le dispositif de mesure de déplacement,de défor mation et/ou d'effort de déformation d'une pièce méca nique, objet de l'invention, sera tout d'abord décrit en liaison avec la figure 1. Ainsi qu'il apparaît sur cette figure, cette figure correspondant à une représentation en coupe du dispositif selon un plan de symétrie, sensiblement vertical, le dispositif objet de l'invention comprend des moyens d'émission notés 20 et derécep- tion notés 21, d'un faisceau lumineux 2. Les moyens d'émission-réception 20 et 21 sont mécaniquement solidaires d'une embase commune-notée 3.Par moyens d'émission 20 et de réception 21 d'un faisceau lumineux, on entend en fait, soit une source de lumière directement montée sur l'embase commune 3 jouant le rôle de moyens d'émission 20, les moyens de réception 21 pouvant être constitués par tout moyen photodétecteur adapté, soit,en ce qui concerne les moyens d'émission 20, tout conducteur de lumière présentant une pupille de sortie, jouant le rôle de moyens d'émission 20,et,en ce qui concerne les moyens de réception 21 ,tout conducteur de lumière comportant un angle d'ouverture optique convenable, permettant la réception du faisceau lumineux, les conducteurs de lumières alors notés 20 et 21, étant normalement reliés aux moyens d'émission et de réception précités respectivement. Ainsi qu'il apparaît en outre en figure 1, des moyens notés 4 de transmission optique du faisceau lumineux 2, sont en outre prévus. Les moyens de transmission optique précités interceptent le faisceau lumineux 2 et présentent un coefficient de transmission optique variable dans la direction notée a sur la figure 1 de déformation de la pièce mécanique considérée. par coefficient de transmission optique variable dans la direction de déformation ou de déplacement de la pièce mécanique 1, on entend en fait, soit des moyens de transmission optique présentant un coeffi cient d'absorption variable dans la direction b pré- citée, la variation du coefficient d'absorption étant sensiblement continue, soit des moyens de transmission optique présentant un coefficient d'absorption discontinue en fonction d'une géométrie adaptée des moyens de transmission optique 4, relativement à la direction de déformation ;;6 ainsi qu'il sera décrit ultérieurement dans la description. En outre, les moyens 4 de transmission optique et l'embase commune 3 sont respectivement mécanique ment solidaires d'une base de référence et de la pièce mécanique 1 ou réciproquement. Ainsi, lors de la déformation de la pièce mécanique 1 soumise à effort de déformation, le déplacement relatif des moyens 4 de transmission optique par rapport au faisceau lumineux 2, permet, du fait du coefficient de transmission optique variable dans la direction A de déformation de la pièce mécanique 1, d'engendrer une variation correspondante du niveau d'énergie, lumineuse transmis par les moyens 4 de transmission optique, du fait de cette déformation. On comprendra bien entendu, que les moyens 4 de transmission optique peuvent être solidaires soit de la base de référence, soit de la pièce mécanique 1 soumise à déformation, alors que l'embase commune 3 est au contraire solidaire de la pièce mécanique 1 ou de la base deirEférence. Sur la figure 1, on a représenté le dispositif de mesure de déformation objet de 11 invention, dans le cas où celui-ci est appliqué à l'extrémité d'un boulon de serrage, le boulon de serrage soumis à des déformations du fait du vissage d'un écrou, constituant la pièce mécanique 1 soumise à déformation, la base de référence notée 5 ,support des moyens 4 de transmission optique, conformément à l'invention, étant constituée par une pige non soumise à déformation. Cette structure de boulon de serrage munie de pige est parfaitement connue de l'état de la technique, notamment dans la technique de serrage hydraulique des boulons. En conséquence, elle ne sera pas décrite en détail. Par faisceau lumineux, on entend, en fait, tout faisceau de rayonnement électromagnétique situé dans le domaine du spectre visible, ou éventuellement, dans le domaine proche infrarouge par exemple. Dans tous les cas, les moyens 4 de transmission optique interceptant le faisceau lumineux, sont choisis en un matériau présentant une transparence ou semi-transparence suffisante au rayonnement électromagnétique considéré. A titre d'exemple non limitatif, ainsi qu'il sera d'ailleurs décrit en liaison avec la figure 2a, les moyens 4 de transmission optique peuvent être constitués par un filtre optique dégressif, noté 40. Par filtre dégressif, on entend un filtre optique dont le coefficient d'absorption noté n présente un gradient d'absorption dans une direction déterminée. Sur la figure 2a, on a-représenté la variation du coefficient d'absorption fl en fonction d'une dimension.z du filtre dégressif 40. Sur la figure précitée, la variaticn du coefficient d'absorption n en fonction de la dimension z du filtre optique 40, est représentée selon une loi linéaire à titre d'exemple non limitatif. Bien enten du, toute loi de variation,pourvu que celle-ci corres ponde à une correspondance bi-univoque entre le coef ficient d'absorption TI et la dimension z précitée, peut bien entendu être utilisée.Dans le cas de l'uti lisation comme moyens4 de transmission optique d'un filtre dégressif, dont le coefficient d'absorption varie continûment en fonction d'une dimension, le faisceau 2 peut, avantageusement, être focalisé sur le filtre optique dégressif, de manière à présenter un point de focalisation de dimension très faible.Dans ce cas, la résolution du dispositif de mesure, objet de l'invention, telle que représentée en figures 1 et 2a est une fonction directe de la résolution du filtre optique 40. Ainsi qu'il apparait,en outre, en figure 2b, les moyens 4 de transmission optique peuvent être cons titués,selon une variante de réalisation non limitative, par un système présentant une variation discontinue du coefficient de transmission optique. Dans ce cas, et selon le mode de réalisation représenté en figure 2b, les moyens 4 de transmission optique peuvent être constitués par un écran 41, partiellement occulteur du faisceau 2.L'écran 41, partiellement occulteur, présente au moins un bord 410, incliné par rapport ou perpendiculaire à la direction de déformation ou de dépla cement de la pièce, direction notées. Dans ce cas, le déplacement relatif entre le faisceau lumineux 2 et l'écran occulteur 41, déplacement provoqué du fait de la déformation de la pièce 1, permet à nouveau d'engendrer une variation du niveau d'énergie transmis par les moyens de transmission optique. De manière avantageuse, le faisceau lumineux 2 peut être focalisé dans le cas de la figure 2b, de façon à présenter une section S, sensiblement rectangulaire, le grand côté de la section S du faisceau 2 étant sensiblement parallèle à la direction de déformation de la pièce mécanique~1. De manière classique, un faisceau de section rectangulaire S, peut être obtenu par mise en place au niveau des moyens d'émission 20, d'un diaphragme de section rectangulaire correspondante, le diaphragme étant disposé sensiblement au niveau du point focal objet d'un système optique de focalisation, lequel sera décrit ci-après dans la description. Ainsi qu'il apparaît en outre en figure 1, en vue d'assurer la mesure de l'effort ou contrainte de serrage appliquée à une pièce mécanique 1, pièce mécanique telle qu'un boulon, l'embase 3 peut comprendre une enceinte notée 30, sensiblement de révolution, destinée à être fixée sur le boulon lui-même, constituant la pièce mécanique 1~. L'enceinte 30 peut présenter, de manière avantageuse, une cavité intérieure, notée 300, l'enceinte 30 étant destinée à coiffer les moyens 4 de transmission optique du faisceau lumineux 2. L'enceinte 30, comprend, disposés en vis-à-vis sur la paroi latérale de celle-ci, des premiers moyens de focalisation, notés 301, du faisceau lumineux 2, et des deuxièmes moyens de focalisation de ce même faisceau notés 302. Les premiers moyens de focalisation 301 permettent la focalisation du faisceau lumineux 2 issu d'une source lumineuse 20, ainsi que décrit précédemment, sur les moyens 4 de transmission optique et des deuxièmes moyens de focalisation 302, permettent la focalisation du faisceau lumineux 2,émergeant des moyens 4 de transmission optique,sur des moyens récepteurs 21 du faisceau lumineux ainsi que précédemment décrit. Dans le cas où la source lumineuse 20 est directement montée sur l'embase commune 3, celle-ci peut être constituée par une diode laserélectroluminescente ou autre. De la même manière, lorsque les moyens récepteurs sont montés directement sur l'embase commune 3, ceux-ci peuvent être constitués par une photodiode sensible à la longueur d'onde d'émission de la diode laser précitée. Le dispositif de mesure de déplacement, de déformation et/ou d'effort de déformation d'une pièce mécanique, objet de l'invention, n'est pas limité à une utilisation dans laquelle la pièce mécanique soumise à effort de déformation est animée d'un seul mouvement de translation dû à la déformation appliquée, par rapport à une base de référence. En effet, selon une caractéristique avantageuse du dispositif objet de l'invention, la mesure de déformation peut également être effectuée dans le cas où la pièce mécanique et la base de référence sont animées non seulement d'un mouvement de translation relatif, mais également d'un mouvement de rotation relatif par rapport à l'axe de déformation et de déplacement en translation précité. On pense en particulier au cas où la pièce référencée 5 sur la figure 1, représente non plus la pige d'un boulon, mais le boulon lui-même, les moyens de transmission optique 4 étant disposés solidairement au boulon 5, alors que l'embase commune 3 est disposée sur l'écrou lui-même. Dans ce cas, ou dans tout cas analogue dans lequel une composition d'un mouvement de translation et de rotation précités est obtenue, et en vue de se prémunir notamment des variations d'incidence du faisceau lumineux sur les moyens 4 de transmission optique, les moyens de transmission du faisceau lumineux précité peuvent avantageusement être constitués par un élément de révolution.Dans le cas où les moyens de transmission du faisceau lumineux 4 sont mis en oeuvre au moyen d'un coefficient d'absorption continûment variable, les moyens 4 de transmission peuvent avantageusement, ainsi que représenté en figure 3a, être constitués par une tige sensiblement cylindrique présentant un gradient d'absorption dans la direction z précédemment décrite. Dans le cas, où au contraire les moyens 4 de transmission optique du faisceau lumineux présentent un coefficient de transmission discontinu, l'écran occulteur peut alors être remplacé par une pièce sensiblement tronconique ainsi que représentée en figure 3b.La pièce tronconique peut alors être réalisée de façon à présenter une surface latérale totalement absorbante au rayonnement du faisceau lumineux 2, la disposition relative du faisceau précité et de l'élément tronconique de la figure 3a correspondant sensiblement à la représentation de la figure 2b. Conformsment à un mode de réalisation avantageux du dispositif objet de l'invention, la source lumineuse et les moyens récepteurs du faisceau lumineux 2 peuvent être couplés respectivement aux premiers 301 et deuxièmes 302 moyens de focalisation du faisceau lumineux, par l'intermédiaire de conducteurs de lumière du type à fibre optique. Dans ce cas, et ainsi que représenté notamment en figure 1, l'embase commune 3 peut être munie,avantaceusement, au niveau de chacun des premiers 301 et deuxièmes 302 moyens de focalisation d'un système connecteur de fibre optique auquel les fibres optiques peuvent être connectées.Le mode de réalisation précité apparat particulièrement avanta geux, notamment dans le cas d'une utilisation du dispositif de mesure de déplacement,de déformation et/ou- d'effort de déformation d'une pièce mécanique objet de l'invention en immersion. En effet, l'utilisation de fibres optiques, pour assurer la liaison entre des moyens émetteurs et des moyens récepteurs disposés par exemple au niveau d'une installation de surface, avec le dispositif objet de l'invention en situation immergée, apparaît particulièrement bien adaptée, desliaisons d'une longueur de plusieurs centaines de mètres pouvant être envisagées. On notera en outre, dans le mode de réalisation précédemment décrit, l'absence totale de circuits électriques, au niveau de la partie immergée. En outre, dans le cas d'une utilisation en immersion, l'embase commune 3 peut avantageusement être munie au moins d'une ouverture 31 de mise en équipression de la cavité intérieure. On notera en outre, que l'ouverture 31 peut avantageusement être munie d'un filtre 310 empêchant l'introduction de particules en suspension dans le milieu d'immersion dans la cavité 300. En outre, l'embase commune 3 coiffant les moyens de transmission optique 4, constituant une enceinte fermée, permet d'éviter l'apparition, dans la cavité 300, de toute perturbation tourbillonnaire du milieu d'immersion sur le trajet de propagation du faisceau lumineux 2.Onnotera bien entendu que le scellement de l'embase commune 3 sur la pièce 1, pièce mécanique soumise à déformation ou pièce soumise à un mouvement de rotation par rapport à la pièce mécanique soumise à déformation 5, ainsi que décrit précédemment, peut être effectué par tout moyen tel que notamment système de fixation magnétique, l'embase commune 3 étant munie à sa périphérie intérieure d'un aimant en forme d'anneau, ou par tout moyen de scellement. Le dispositif de mesure de déplacement de déformation et/ou d'effort de déformation d'une pièce mécanique objet de l'invention, sera maintenant décrit dans un mode de réalisation particulier, le dispositif constituant en fait un capteur de pression. Dans le mode de réalisation précité tel que représenté en figure 4, la pièce mécanique soumise à déformation est constituée par une capsule manomètrique notée 500. Dans ce cas, les moyens 4 de transmission optique du faisceau lumineux 2 peuvent alors avantageusement être fixés sur la capsule manométri-. que 500 dans des conditions analogues à celles décrites précédemment. L'embase commune 3 peut, si nécessaire, constituer une cavité 300 ouverte, la partie supérieure de l'embase précitée étant supprimée. Bien entendu, le principe de fonctionnement du dispositif de mesure de déformation et/ou d'effort de déformation, objet de l'invention, est identique, le dispositif précité pouvant, bien entendu, être utilisé pour le contrôle du serrage de boulons, ou analogues, ou de même comme capteur de pression. Dans les deux cas, le même phénomène physique est mis en jeu, les signaux obtenus par la détection de la variation d'énergie lumineuse transmise du fait du déplacement relatif des moyens 4 de transmission optique du faisceau et de l'embase commune 3 étant soumis à un étalonnage différent, permettant d'établir, soit la déformation effectivement subie par la pièce mécanique considérée, soit l'effort de déformation appliqué à cette même pièce, soit la pression appliquée à cette même pièce et en particulier à la capsule manométrique 500. On a ainsi décrit dispositif de mesure de déplacement, de déformation et/ou d'effort de déformation d'une pièoemécanique, particulièrement performant, susceptible d'une pluralité d'applications. En particulier, le dispositif objet de l'invention est particulièrement adapté à des mesures de déformation et/ou d'effort de déformation, soit en immersion, des profondeurs sousmarines de plusieurs centaines de mètres pouvant être supportées sans inconvénient aucun par le dispositif tel que précédemment décrit, soit en milieu hostile, industriel nucléaire ou spatial. RAMNDICATIONS 1. Dispositif de mesure de déplacement, de déformation et/ou d'effort de déformation d'une pièce mécanique (1), caractérisé en ce qu'il comprend - des moyens d'émission B0) et de réception (21) d'un faisceau lumineux (2) lesdits moyens d'émission-réception (20,21) étant mécaniquement solidaires d'une embase commune (3), - des moyens (4) de transmission optique dudit faisceau lumineux, lesdits moyens de transmission optique interceptant ledit faisceau présentant un coefficient de transmission optique variable dans la direction () de déformation de ladite pièce (1), les moyens (4) de transmission optique et l'embase commune (3) étant respectivement mécaniquement solidaire d'une base de référence et de ladite pièce mécanique (1) ou réciproquement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (4) de transmission optique sont constitués par un filtre dégressif (40) le coefficient d'absorption (8) présentant un gradient d'absorption. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens (4) de transmission optique sont constitués par un écran (41) partiellement occulteur du faisceau, l'écran partiellement occulteur présentant au moins un bord (410) incliné par rapport à la direction de déformation de ladite pièce. 4. Dispositif selon a revendication 3, caractérisé en ce que ledit faisceau lumineux est focalisé de façon à présenter une section (S) sensiblement rectangulaire, le grand côté de la section du faisceau étant sensiblement parallèle à la direction de défor mation (0) ) de ladite pièce. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que, en vue d'assurer la mesure de l'effort ou contrainte de serrage appliqué à un boulon, ladite embase (3) comprend - une enceinte(30) sensiblement de révolution destinée à être fixée sur l'écrou de serrage (5), ladite enceinte 130) présentant une cavité intérieure (300) et étant destinée à coiffer les moyens (4) de transmi-ssion optique du faisceau lumineux (2). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que ladite enceinte(30) comprend, disposés en vis-à-vis sur la paroi latérale de celle-ci, des premiers (301) et deuxièmes (302) moyens de focalisation du faisceau lumineux (2), lesdits premiers moyens de focalisation permettant la focalisation d'un faisceau lumineux (2), issu d'une source lumineuse (20) sur lesdits moyens (4) de transmission optique et les deuxièmes moyens de focalisation du faisceau lumineux permettant la focalisation du faisceau lumineux (2) émergeant des moyens (4) de transmission optique sur des moyens récepteurs (21) du faisceau lumineux. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite source lumineuse (20) est constituée par une diode-laser électroluminescente, lesdits moyens récepteurs (21) du faisceau lumineux étant constitués par une photodiode. 8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que lesdits moyens (4) de transmission du faisceau lumineux, mécaniquement solidaires de la pièce soumise à effort de déformation sont constitués par un élément de révolution. 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que ladite source lumineuse et lesdits moyens récepteurs du faisceau lumineux sont couplés respectivement aux premiers et deuxièmes moyens de focalisation du faisceau lumineux par l'intermédiaire de conducteurs de lumière du type à fibre optique. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que, en vue d'une utilisation en immersion, ladite embase commune (3) est munie d'au moins une ouverture (31) de mise en équipression de la cavité intérieure. 11. Dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce mécanique soumise à déformation est constituée par une capsule manométrique (500). 12. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 11 pour le contrôle du serrage de boulons. 13. Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 et 11 comme capteur de pression.