Brevet FR2605736A1 — publié le 19880429

POUTRELLE DE JAUGE DE CONTRAINTE AVEC PROTECTION CONTRE LES SURCHARGES INCORPOREE La présente invention concerne de manière générale les transducteurs d'efforts comprenant une jauge de contrainte à film mince réalisée sur la surface d'une poutrelle flexible et a trait notamment à la réalisation d'une poutrelle en parallélogramme incorporant une limite permettant d'empêcher une course excessive. La mesure des efforts peut être réalisée à l'aide d'une jauge de contrainte qui convertit un déplacement mécanique en un signal électrique. Une poutrelle flexible est ancrée par une extrémité sur une surface fixe et est soumise à l'effort à mesurer à l'autre extrémité. On prévoyant un système d'élements résistifs sur la surface extérieure de la poutrelle, on peut mesurer la déformation de la poutrelle résultant de l'effort en fonction d'un changement de la résistance des élements résistifs lorsqu'ils sont tendus ou comprimés. De manière générale, on mesure le changement de résistance à l'aide d'un circuit à pont de Wheatstone, dont la totalité ou une partie peut être également prévue sur la surface de la poutrelle. Par une liaison mécanique entre la poutrelle et un diaphragme, un soufflet ou un tube de Bourdon, on peut réaliser des mesures de pression. La présente invention concerne un type particulier de poutrelle de jauge de contrainte connue sous le nom de poutrelle en parallélogramme et décrit dans les brevets américains N 3 341 796 et 4 331 035. La poutrelle en parallélogramme est conçue pour créer une région d'inversion de contraintes entre les extrémités de la poutrelle lorsque celle-ci est ancrée par une extrémité et qu'une force est appliquée près du milieu de la poutrelle. En particulier, un élément apte à fléchir est incorporé dans la poutrelle, élément qui n'est raccordé que par l'extrémité distale ou non ancrée - 2 - de la poutrelle. Ainsi, par application de l'effort à mesurer directement sur l'élément apte à fléchir, une contrainte en forme de S ou d'inversion est provoquée dans la poutrelle. A l'aide d'une jauge de contrainte à film mince placée sur la surface de la poutrelle, notam- ment dans les zones de tension et de compression maxim- ales, on peut mesurer la flexion de la poutrelle et étab- lir son rapport directement avec l'effort appliqué sur la poutrelle. Bien que les appareils de mesure de déformation mettant en oeuvre un élément intégrant apte à fléchir assure une mesure plus précise et plus sensible de l'effort que les poutrelles connues jusqu'à présent, l'élément apte à fléchir est fragile et risque de se cas- ser lors de sa fabrication et son utilisation. Une telle fragilité impose une limitation à la sensibilité de la jauge du fait que l'élément apte à fléchir et les régions de la poutrelle qui sont soumises à l'effort doivent être suffisamment rigides pour éviter une cassure. Pour ces raisons, il serait souhaitable de dis- poser de jauges de contrainte à poutrelles en parallèlo- gramme selon des conceptions perfectionnées permettant de protéger l'élément intégrant apte à fléchir lors de sa fabrication et son utilisation. En particulier, il serait souhaitable de disposer de telles poutrelles dotées de moyens d'immobilisation de l'élément apte à fléchir lors de la fabrication et de protection contre des surcharges variables de l'élément apte à fléchir lors de son utilis- ation. La présente invention a donc pour but une pout- relle apte à fléchir réalisée selon un procédé qui permet de protéger les portions fragiles de la poutrelle contre l'endommagement. La structure résultant apporte en outre une protection contre les surcharges de la poutrelle lors de son fonctionnement. Ainsi, on peut réaliser et utiliser des poutrelles aptes à fléchir relativement fragiles de très haute sensibilité tout en - 3 - écartant le risque d'un endommagement de la poutrelle par un effort excessif. Les poutrelles réalisées selon le procédé de la présente invention peuvent assurer une déviation extrême avec des efforts en dessous de 28g et une déviation totale de l'ordre de 0,0025 cm. La poutrelle apte & fléchir conforme à la présente invention est une poutrelle en parallélogramme comprenant un bloc muni d'un élément intégrant apte à fléchir. L'élément apte à fléchir est un élément en porte à faux s'étendant depuis une extrémité du bloc vers le centre. Un passage traversant l'autre extrémité du bloc est aligné avec une encoche ou évidement pratiqué dans l'élément apte à fléchir. En introduisant une goupille de retenue dans le passage et dans l'évidement, on peut immobiliser l'élément apte à fléchir pendant les opérations de fabrication restantes, y compris le polissage et la réalisation du circuit en pont de Wheatstone sur la surface de la poutrelle. En outre, l'introduction d'une goupille de limitation présentant un jeu préselectionné par rapport à l'évidement permet de réaliser un arrêt mécanique limitant la déviation maximale de l'élément apte à fléchir lors de son utilisation. Dans le mode de réalisation préferé, l'élement apte à fléchir de la poutrelle est relié par une liaison mécanique avec un élément sensible à la pression, par exemple un diaphragme, un soufflet, un tube de Bourdon ou analogue pour réaliser un capteur de pression. La figure 1 est une vue en perspective, avec une portion arrachée d'une poutrelle en parallélogramme de jauge de contrainte réalisée selon les principes de la présente invention; la figure 2 est une vue latérale en élévation et en coupe transversale de la poutrelle de la figure 1; la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2, à la différence que l'élément apte à fléchir a fléchi jusqu'à ce qu'il entre en contact avec la - 4 - goupille de limitation; la figure 4 est une vue latérale en élévation d'une variante de réalisation de la poutrelle apte à fléchir d'une jauge de contrainte conforme à la présente invention; la figure 5 est une seconde variante de réalisation de la poutrelle apte à fléchir de jauge de contrainte conforme à la présente invention; la figure 6 est une vue latérale en élévation de la poutrelle des figures 1-3 comprenant la goupille d'immobilisation introduite lors de son fabrication; la figure 7 est une vue latérale en élévation et en coupe transversale d'un capteur de pression comportant la poutrelle apte à fléchir conforme à la présente invention. On va décrire une poutrelle apte à fléchir 10 réalisée conformément aux principes de la présente invention, en référence aux figures 1-3. La poutrelle 10 comprend un bloc métallique 12 comportant intérieurement, comme partie intégrante, un élément apte à fléchir 14. Une goupille de limitation 16 est reçue dans un passage axial 18 pratiqué dans le bloc 12. Le passage axial 18 s'étend depuis une extrémité du bloc 12 jusqu'à l'extrémité distale de l'élément apte à fléchir 14 et se trouve sensiblement aligné avec un évidement ou encoche que comporte l'élément 14. Le passage axial 18 est taraudé et la goupille de limitation 16 comprend une tige filetée de façon à permettre de communiquer à la goupille une translation axiale par rotation. Avantageusement, un contre-écrou 22 peut être prévu pour maintenir la goupille dans la position désirée. L'évidement 20 comprend deux parois convergentes 24 et un épaulement annulaire 26. La goupille de limitation 16 comprend une tête conique épousant la forme des parois convergentes 24. Lorsqu'elle est déplacée entièrement à gauche (non illustré), la goupille 16 entre en contact avec les - parois de l'évidement 20, empêchant de ce fait le dépla- cement de l'élément 14. A mesure que la goupille se dép- lace vers la droite, toutefois, il se forme un intervalle de plus en plus grand entre les parois 24 et la tête con- ique de la goupille 16. Par une sélection judicieuse de la position axiale de la goupille 16 il est par consé- quent possible de fixer une limite précise à la déviation latérale de l'élément 14. En se référant en particulier aux figures 2 et 3, on voit que l'élément 14 est percé d'un passage trans- versal 30. Le passage 30 reçoit la goupille de liaison 32 qui est reliée à son tour à un élément producteur d'efforts, tel qu'un diaphragme, un soufflet, un tube de Bourdon ou analogue. La goupille 32 est rendue solidaire de l'élément 14 par un procédé quelconque approprié, généralement par soudure par faisceau d'électrons 33, et exerce une force latérale sur l'élément 14, provoquant de ce fait une déviation latérale comme le montre la figure 3. Cette déviation provoque à son tour une déformation de la surface supérieure 34 de la poutrelle, en donnant lieu notamment à des régions de tension maximales à l'emplacement 36 (figure 3) et une compression maximale à l'emplacement 38. La mise en oeuvre de ces éléments aptes à fléchir pour provoquer une inversion d'effort dans une poutrelle apte à fléchir est bien connue dans l'art et décrite dans les brevets américains N s 3 341 796 et 4 331 035, dont les descriptions sont incorporées à la présente description par référence. Les zones précises o se produisent les inversions d'efforts sont déterminées par le profil de la découpe 40 qui délimite l'élément apte à fléchir 14, comme on va le décrire avec plus de détails ci-après. La poutrelle 10 est réalisée à partir d'une barre métallique, typiquement d'un acier inoxydable tel que 15-5 PH or 17-4 PH. Le matériau utilisé sera sélec- tionné pour avoir une dureté Rockwell comprise entre Rc42 et Rc45. Les dimensions de la poutrelle ne sont - 6 - pas critiques, et seront sélectionnées pour être compatibles avec le matériau utilisé et l'intervalle d'efforts à mesurer. De manière typique, le bloc aura une longueur d'environ 0,5 à 2,54cm, étant en général d'environ lcm, une largeur comprise entre 1,27 et 0,127cm, étant en général d'environ 0, 254cm, et une hauteur comprise entre 0,254 et 1,27cm,. étant en général d'environ 0,43cm. Le passage axial 18 et le passage transversal 30 sont réalisés d'abord, soit par un procédé de perçage classique soit par une opération d'usinage par une gravure par décharge d'électrodes (EDM). Une fois les passages 18 et 30 réalisés, on réalise un troisième passage ou trou (non représenté) qui traverse le bloc à l'emplacement de l'évidement 20. On place ensuite un électrode filiforme dans le trou et on l'utilise pour réaliser la découpe 40 par EDM. La découpe 40 délimite deux portions d'articulation 44 et 46 qui délimitent à leur tours les zones de tension maximale 36 et de compression maximale 38 comme on l'a déjà mentionné. Une fois la découpe 40 et l'évidement 20 réalisés, on introduit la goupille d'immobilisation 50 (figure 6) pour qu'elle traverse le passage axial 18 pour pénétrer dans l'évidement 20. Le diamètre de l'extrémité avant 51 de la goupille d'immobilisation 50 est choisi pour s'adapter à celui de l'épaulement annulaire 26 de l'évidement 20. La goupille 50 est de ce fait en mesure de maintenir l'élémént 14 en place pendant les opérations de fabrication suivantes, y compris le polissage et le dépôt d'un circuit en pont de Wheatstone 52 sur la surface supérieure 34 de la poutrelle 10. Sans la présence de la goupille d'immobilisation 50, les contraintes survenant lors des opérations de fabrication auront pour effet de soumettre l'élément 14 à un effort excessif, avec le risque conséquent d'endommager les sections d'articulation aminicies 44 et 46. La présence de la goupille d'immobilisation 50, par contre, permet de prévoir des sections d'articulation très minces 44 et -7- 46, ce qui assure à son tour une détermination hautement sensible et précise des efforts. Une fois la fabrication terminée, on retire la goupille d'immobilisation et on la remplace par la goupille de limitation 16, comme on l'a décrit ci-dessous, en se référant à nouveau aux figures 2 et 3, et on positionne la goupille de limitation 16 axialement pour permettre une déviation latérale désirée de l'élémént 14. La déviation latérale désirée sera fonction de la "raideur" de l'élément 14, de l'intervalle de mesure d'effort désiré, de l'élasticité du matériau constitutif du bloc, etc. De manière typique, la déviation désirée sera comprise entre 0,000254 et 0, 0254 cm, étant ordinairement comprise entre 0,00254 et 0,0127cm, étant typiquement d'environ 0,00762cm. Lorsque l'élément apte à fléchir 14 est à l'état non chargé ou neutre, la tête conique de la goupille de limitation 16 sera située au centre de l'évidement 20, comme on le voit sur la figure 2. Lorsqu'on applique toutefois une force sur la liaisoh32, l'élément 14 sera contraint à se déplacer vers le haut par rapport au reste du bloc 12. Comme on le voit sur la figure 3, toutefois, ce déplacement vers le haut est limité par la présence de la goupille de limitation 16 qui entre en contact avec la paroi 24 de l'évidement 20 pour une déviation présélectionnée. L'importance de la déviation est déterminée, bien entendu, précisément par la position axiale de la goupille de limitation 16. Un déplacement vers la gauche de la goupille 16 diminue la déviation autorisée, alors qu'un déplacement vers la droite de la goupille 16 augmente la déviation autorisée. Une variante de réalisation de la goupille de limitation 16 (désignée 16') est représentée sur la figure 4. La goupille de limitation 16' comprend une région 60 de diamètre réduit à l'extrémité qui est introduite dans l'élément 14'. La zone de diamètre réduit - 8 - présente un diamètre contrôlé avec précision qui est déstiné à permettre un mouvement de valeur précise par rapport à l'encoche cyindrique 20' qui est réalisé dans l'élément 14'. Ainsi, le mode de réalisation de la figure 4 permet un contrôle très précis de la déviation. Le réglage du degré de déviation, toutefois, nécessite l'introduction de la goupille de limitation d'un diamètre réduit différent, plutôt que le simple réglage axial d'une seule goupille de limitation. Une variante de réalisation de l'élément 14" est représenté sur la figure 5. Dans ce cas, les sections d'articulation 44' et 46' sont séparées par une distance beaucoup plus grande que dans le mode de réalisation de la figure 1. Le fonctionnement de la poutrelle 10" sera toutefois sensiblement le même. En se réferant maintenant à la figure 7, on va décrire l'utilisation de la poutrelle apte à fléchir 10 dans un ensemble capteur de pression 70. L'ensemble capteur de pression 70 comprend un boîtier 72 présentant un orifice de pression 74. Un diaphragme 76 est monté de façon à recevoir, sur un côté, la pression arrivant par l'orifice 74. Le diaphragme est relié à l'organe de liaison 32 et le bloc 10 est fixé sur un organe de montage 78. Ainsi, une augmentation de la pression agissant sur le diaphragme 76 entraîne un mouvement vers la droite de l'organe de liaison 32, comme on le voit sur la figure 6. Ce mouvement entraîne, à son tour, un déplacement vers le haut de l'élément 14, (comme le montrent les figures 1-3), et entraîne la déformation en S décrite ci-dessus. Le pont de Wheatstone 52 est raccordé à un circuit de détection classique et le système peut être calibré en unités de pression standard. Bien que l'on vienne de décrire l'invention en détail à titre d'illustration et d'exemple aux fins de la compréhension, il est évident que l'on pourrait y apporter des modifications dans le cadre des revendications annexées. -9- REVENDICATIONS 1. Poutrelle apte à fléchir perfectionnée du type comprenant un bloc, un élément apte à fléchir formant partie intégrante à l'intérieur du bloc, et des moyens de détection de la déformation du bloc résultant d'un effort appliqué sur l'élément apte à fléchir, caracterisée en ce que le bloc (12) comprend des moyens pour limiter de manière sélective le déplacement de l'élément apte à fléchir (14) par rapport au bloc. 2. Poutrelle selon la revendication 1, caracterisée en ce que lesdits moyens de limitation du déplacement de l'élément apte à fléchir (14) sont réglable sur un intervalle de déviation. 3. Poutrelle selon la revendication 1, caracterisée en ce que les moyens de limitation de déplacement de manière sélective comprennent une goupille de limitation (16) traversant le corps et reçucdans un évidement (20) pratiqué dans la poutrelle apte à fléchir. 4. Poutrelle selon la revendication 3, caracterisée en ce que l'extrémité distale de la goupille de limitation (16) est conique et l'évidement (20) présente une forme conique complémentaire, ce qui permet de fixer les limites de déviation par positionnement axial de la goupille dans l'évidement. 5. Capteur de pression, caracterisé en ce qu'il comprend: un cadre (72) une poutrelle apte à fléchir montée sur le cadre, la poutrelle (10) comprenant un bloc (10) et un élément apte à fléchir formant partie intégrante à l'intérieur du bloc, ledit bloc étant traversé d'un passage et l'élément apte à fléchir (14) présentant un évidement aligné avec le passage; une goupille de limitation reçue par le passage et l'évidement, ladite goupille étant réglable dans le sens axial à l'intérieur du passage et présentant une - 10 - géométrie préselectionnée pour permettre de régler la déviation latérale maximale de l'élément apte à fléchir par le positionnement axiale de la goupille; un diaphragme sensible à la pression (76) monté sur la cadre; une liaison (32) entre le diaphragme et l'élément apte à fléchir de la poutrelle; et des moyens (52) de détection de la déformation du bloc résultant des changements de pression agissant sur le diaphragme. 6. Capteur de pression, selon la revendication , caracterisé en ce que la goupille de limitation comprend une tête conique et l'évidement présente une forme conique complémentaire, permettant ainsi de régler les limites de déviation par le positionnement axial de la goupille dans l'évidement. 7. Capteur de pression, selon la revendication 5, caracterisé en ce que la goupille de limitation est reçue par vissage dans le passage du bloc. 8. Capteur de pression, selon la revendication 5, caracterisé en ce que des moyens de détection de la déformation du bloc sont constitués d'un circuit en pont de Wheatstone réalisé sur le bloc. 9. Procédé de fabrication d'une poutrelle apte à fléchir, caracterisé en ce qu'il consiste: à réaliser un élément apte à fléchir, à l'intérieur d'un bloc; à percer un passage dans le bloc; à réaliser un évidement sur l'élément apte à fléchir, en alignement avec le passage du bloc; à placer une goupille d'immobilisation dans le passage et en contact avec l'évidement pour immobiliser l'élément apte à fléchir, par rapport au bloc; à finir les surfaces extérieures du bloc; et à réaliser un circuit sur le bloc pour mesurer la déformation. 10. Procédé selon la revendication 9, - il - caracterisé en ce que le bloc est métallique et l'élément apte à fléchir, est réalisé par usinage par décharge à l'aide d'une électrode filiforme. 11. Procédé selon la revendication 9, caracterisé en ce que le passage est réalisé par le perçage d'un seul trou dans le bloc avant la réalisation de l'élément apte à fléchir,. 12. 11. Procédé selon la revendication 9, caracterisé en ce que ledit circuit est un pont de Wheatstone.