Brevet FR2613833A1 — publié le 19881014

Capteur à jauges de contrainte La présente invention concerne un capteur à jauges de contrainte, et, plus particulièrement, un capteur du type comprenant des jauges de contrainte montées en ponte Wheatstone, deux bornes d'alimentation reliées à deux sommets opposés du pont, deux bornes de mesure reliées aux deux autres sommets du pont, et des résistances d'ajustage du pont. Un domaine particulier d'application de l'invention est celui des capteurs de pression utilisant des jauges de contrainte logées dans une cavité étanche. Toutefois, L'invention est également applicable à d'autres types de capteurs à jauges de contrainte montées en pont de Wheatstone, par exemple des capteurs d'efforts. Dans un capteur de pression connu du type défini plus haut, le pont de Wheatstone est ouvert pour pouvoir insérer une ou plusieurs résistances d'ajustage dans une des branches du pont. Ces résistances d'ajustage sont sous forme de fils résistants qui sont coupés à la longueur voulue. En raison de leur disposition, les résistances d'ajustage sont parcourues par un courant relativement important. Aussi, la précision de la mesure est-elle affectée par toute variation même peu importante des - résistances des composants d'ajustage et des connexions entre ceux-ci et les autres éléments du pont. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient en fournissant un capteur à jauges de contrainte du même type dans lequel la stabilité des résistances d'ajustage présente un caractère beaucoup moins critique. Ce but est atteint du fait que, conformément à l'invention, le pont de Wheatstone formé par les jauges de contrainte est fermé et les résistances d'ajustage sont constituées par des résistances discrètes branchées chacune entre un point d'une liaison reliant un sommet du pont à une borne de mesure et un point d'une liaison reliant un autre sommet du point à une borne d'alimentation. Ainsi, l'ajustage est réalisé non pas au moyen de résistances de faible valeur branchées en série avec une ou des jauges de contrainte dans des branches du pont, mais au moyen de résistances branchées en parallèle sur des jauges de contrainte constituant des branches du pont. Les résistances d'ajustage peuvent donc avoir une résistance élevée et être formées de composants discrets, au lieu de fils coupés à longueur. Par ailleurs, le courant parcourant les résistances d'ajustage étant faible, la précision de la mesure n'est pas fortement dépendante de la stabilité des résistances d'ajustage. Avantageusement, dans le cadre de L'application à un capteur de pression, le pont de Wheatstone formé par les jauges de contrainte est fermé à l'intérieur de la cavité étanche et a ses sommets reliés à l'extérieur de la cavité par quatre conducteurs respectifs. Le fait que le pont soit logé à L'intérieur de la cavité etanche à l'état fermé et la suppression des résistances de câblage reliant les résistances d'ajustage avec les jauges de contrainte font que d'importantes sources d'instabilité sont éliminées. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description faite ci-après, à titre indicatif mais non limitatif, en référence aux dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est un schéma électrique d'un capteur à jauges de contrainte de l'art antérieur, et - la figure 2 est un schéma électrique d'un mode de réalisation d'un capteur à jauges de contrainte conforme à l'invention. Le capteur connu dont le schéma est représenté par la figure 1 comprend quatre jauges de contrainte J1, J2, J3, J4 disposées dans les quatre branches d'un pont de Wheatstone. Ce capteur est un capteur de pression dans lequel les jauges sont des éléments résistants collés ou déposés sur un substrat, par exemple métallique, logé dans une cavité étanche C (schématisée par des tirets sur la figure 1). Les jauges de contrainte comprennent deux jauges J1, J3, ayant des caractéristiques identiques ou aussi semblables que possible, qui sont logées dans deux branches opposées du pont, et deux autres jauges J2, J4 ayant des caractéristiques identiques ou aussi semblables que possible, qui sont logées dans les deux autres branches du pont.Pour un point de fonctionnement de référence du pont (par exemple la pression atmosphérique), les jauges présentent des résistances sensiblement identiques, mais les jauges d'une des deux paires ont une résistance qui croit en fonction de la pression, tandis que les jauges de l'autre paire ont une résistance qui décroît en fonction de la pression. Le pont est alimenté au moyen d'un circuit d'alimentation comprenant une résistance discrète R1 branchée en série avec le montage formé par une résistance discrète R2 en parallèle sur une résistance R3 variant avec la température (par exemple une résistance au nickel). Le circuit d'alimentation relie un sommet SI du pont à une borne +V d'une source de tension continue dont l'autre borne -V est reliée directement au sommet S3 opposé à SI. La résistance R3 a pour objet de compenser la dérive thermique du module de Young du métal formant le substrat sur Lequel les jauges de contrainte sont collées ou déposées. La tension de sortie du pont, ou tension de mesure, est prélevée entre deux bornes de mesure -M, +M reliées respectivement aux autres sommets opposés du pont S2, 54. Des résistances d'ajustage R4, R5 sont prévues à l'extérieur de la cavité étanche pour être sélectivement insérées en série avec les jauges J1, J4 dans les branches S1-S4 et S3-S4 du pont. Les résistances R4, R5 peuvent être connectées de quatre façons différentes (comme indiqué en tirets sur la figure 1). Le montage et la valeur des résistances R4, R5 dépendent des caractéristiques initiales du capteur et de sa dérive thermique. Typiquement, les résistances R4, R5 ont des valeurs relativement faibles, par exemple 0 à 8 ohms pour R4 et O à 0,2 ohm pour R5. Ces résistances sont constituées de fils résistants coupés à la longueur voulue pour obtenir les valeurs déterminées par des essais. Dans cet arrangement connu, les résistances d'ajustage R4, R5 sont parcourues en service par un courant d'intensité relativement élevée ; la stabilité de ces résistances est donc un facteur important pour la précision de la mesure. De plus, Le pont est ouvert à l'intérieur de l'enceinte étanche et se referme à l'extérieur de celle-ci par l'intermédiaire de câblages et de bornes qui sont des sources d'instabilité et d'erreur. L'arrangement conforme à l'invention, et dont un mode de réalisation est représenté par la figure 2 permet de réduire considérablement les facteurs d'instabilité. Dans les circuits des figures 1 et 2, les mêmes références désignent des éléments similaires ou identiques. Dans le capteur conforme à l'invention, les jauges de contrainte J1 à J4 logées à L'intérieur de la cavité étanche C forment un pont de Wheatstone fermé, chaque jauge J1, J2, J3, J4 constituant une branche respective S4-S1, S1-S2, S2-S3, 53-S4 du pont. La liaison électrique entre le pont et l'extérieur est donc réalisée au moyen de quatre conducteurs seulement passant à travers une traversée étanche à quatre bornes. A l'extérieur de la cavité étanche, on retrouve le circuit d'alimentation formé par les résistances R1 et R2/R3 et reliant la borne d'alimentation +V au sommet S1, l'autre borne d'alimentation (par exemple la masse) étant reliée au sommet S3. Les bornes de mesure -M, +M sont reliées directement aux sommets S2, S4, respectivement, et les résistances d'ajustage du pont sont constituées par des résistances discrètes R6, R7 disposées à l'extérieur de la cavité étanche C pour pouvoir être branchées en parallèle sur des branches adjacentes du pont. Plus précisément, dans le mode de réalisation de la figure 2, la résistance d'ajustage R6 a une extrémité connectée au point commun entre les résistances R1 et R2 du circuit d'alimentation, et L'autre extrémité reliée sélectivement à l'une ou l'autre des bornes de mesure +M, -M. Ainsi la résistance R6, en série avec le montage parallèle R2/R3, peut-elle être branchée en parallèle soit sur la jauge J1, soit sur la jauge J2. Quant à la résistance d'ajustage R7, elle a une extrémité connectée à la borne d'alimentation -V et l'autre extrémité reliée sélectivement à l'une ou l'autre des bornes de mesure -M et +M pour être branchée en parallèle soit sur la jauge J3, soit sur La jauge J4. Les différents branchements possibles des résistances d'ajustage R6, R7 sont indiqués en tirets sur la figure 2, le câblage de ces résistances étant déterminé en fonction des caractéristiques initiales du capteur, c'est-å-dire du sens des corrections à apporter pour réaliser un équilibre initial du pont en raison des inévitables écarts entre les caractéristiques des jauges dans chaque paire. Dans l'arrangement de la figure 1, les valeurs des résistances d'ajustage sont déterminées par des essais. Cela n'est pas réalisable avec l'arrangement selon L'invention en raison des interactions entre les résistances d'ajustage. C'est pourquoi, dans le circuit de la figure 2, et pour un mode de câblage donné des résistances R6, R7, les va leurs de celles-ci et des résistances RI, R2 sont déterminées par le calcul pour donner au capteur une réponse voulue. Un mode de calcul des valeurs des résistances R1, R2, R6, R7 est maintenant décrit à titre indicatif. En supposant que les résistances R6 et R7 sont branchées sur le sommet S4, les équations de fonctionnement du pont de jauges peuvent s'écrire (I) : dans lesquelles rl, r2, r3, r6 et r7 sont les admittances des résistances R1, R2, R3, R6 et R7 ; x est l'admittance des jauges J1, J3 ; y est l'admittance des jauges J2, J4 ; V1 est la tension au point commun entre R1, R2, R3 et R6 ; V2, V3, V4 sont Les tensions aux sommets S1, S4 et S2 du pont ; les bornes +V et -V étant à des tensions égales respectivement à 1 V et O V. Les admittances x et y des jauges sont mesurées à deux températures différentes et, à chaque température, sous deux pressions différentes, le pont étant seul. Ces quatre mesures fournissent quatre couples de valeurs (xl, y1), (x2, y2), (x3, y3) et (x4, y4). Par ailleurs, la résistance R3 a une valeur donnée connue qui est déterminée en fonction du substrat sur lequel les jauges sont déposées ou collées. Compte-tenu des valeurs mesurées des admittances des jauges, de la valeur fixée pour R3 et des équations de fonctionnement (I) ci-dessus, les valeurs des résistances R1, R2, R6 et R7 sont déterminées par approximations successives pour obtenir Les tensions convenables en sortie du capteur. La tension de sortie S du capteur est égale à la différence entre les tensions V3 et V4 : S = V3 - V4. En donnant aux admittances r1, r2, r6 et r7 des valeurs arbitraires de depart et en inversant les relations (I), on obtient des valeurs des tensions V1, V2, V3, V4 pour les quatre essais correspondant aux quatre valeurs mesurées pour chaque admittance x, y, et on en déduit quatre valeurs S01, S02, S03 et S04 de la tension de sortie du capteur correspondant aux quatre essais. Si l'on fait varier les résistnaces R1, R2, R6 et R7 de quantités respectives dR1, dR2, dR6 et dR7, les quatre nouvelles valeurs S1, S2, S3, S4 de la tension de sortie du capteur correspondant aux quatre essais peuvent s'écrire (II) K11, K12, ... étant des coefficients dont les valeurs sont déterminées comme suit. On choisit pour R1 une valeur différente de celle de la valeur arbitraire de départ d'une quantité dR1 connue et on calcule par inversion des relations (I) les nouvelles valeurs S'01, S'02, S'03 et S'04 obtenues, les résistances R2, R6 et R7 étant inchangées par rapport à leur valeur arbitraires de départ (dR2 = dR6 = dR7 = 0). On peut alors calculer K11 = (S'01 - S01)/dR1 K21 = (S'02 - S02)/dR1 K31 = (S'03 - S03)/dR? K41 = (S'04 - S04)/dR1. Les autres coefficients K12, K13, . sont alors déterminés de la même manière en faisant varier successivement R2, R6 et R7. Il reste alors à reporter dans Les relations (II) les valeurs calculées des coefficients K11, K12, ... et à remplacer, dans ces relations, les valeurs S1, S2, S3, S4 par les valeurs désirées des tensions de sortie du capteur pour les conditions de pression et de température des quatre essais effectués. On déduit alors des relations (II) des valeurs de dR1, dR2, dR6 et dR7. Le calcul est alors réitéré en partant de nouvelles valeurs des admittances r1, r2, r6, r7, valeurs obtenues en ajoutant aux valeurs arbitraires de départ des résistances R1, R2, R6 et R7 les valeurs calculées dR1, dR2, dR6 et dR7. On procède ainsi par approximations successives jusqu'à stabilisation des valeurs des résistances Ri, R2, R6, R7. Si la stabilisation n'est pas atteinte, mais au contraire une divergence des valeurs obtenues est observée, le calcul doit etre recommencé avec de nouvelles valeurs arbitraires de départ. Par ailleurs, si des valeurs négatives de R6 et/ou R7 sont obtenues, le calcul doit être recommencé avec branchement des résistances R6 et/ou R7 sur le sommet S2 du pont (au lieu de S4). A titre indicatif, pour un capteur dont les jauges ont une résistance de 1000 ohms au point de fonctionnement de référence du pont, les ordres de grandeurs des différentes résistances sont les suivants R3 : résistance au nickel de 100 ohms à 20 degrés C, R1 : O à 100 ohms, R2 : 100 Kohms à 1 Mohm, R7 : 100 Kohms à 1 Mohm. REVENDICATIONS 1. Capteur à jauges de contrainte (J1-J4) montées en point de Wheatstone, avec deux bornes d'alimentation (+V, -V) reliées à deux sommets opposés du pont, deux bornes de mesure (+M, -M) reliées aux deux autres sommets opposés du pont, et des résistances (R6, R7) d'ajustage du pont, caractérisé en ce que le pont de Wheatstone formé par les jauges de contrainte est fermé et les résistances d'ajustage sont constituées par des résistances discrètes (R6, R7) branchées chacune entre un point d'une liaison reliant un sommet du pont à une borne de mesure et un point d'une liaison reliant un autre sommet du pont à une borne d'alimentation. 2. Capteur de pression selon la revendication 1, dans lequel les jauges de contrainte montées en pont de Wheatstone sont logées dans une cavité étanche, caractérisé en ce que le pont de Wheatstone est fermé à l'intérieur de la cavité étanche et a ses sommets (S1 - S4) reliés à l'extérieur de la cavité par quatre conducteurs respectifs, les résistances d'ajustage (R6, R7) étant disposées à L'extérieur de la cavité. 3. Procédé de réalisation d'un capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on mesure les valeurs des résistances des jauges de contraintes dans différentes conditions de fonctionnement du capteur, et l'on détermine les valeurs des résistances d'ajustage par approximations successives pour obtenir entre les bornes de mesure des tensions de sortie du capteur ayant des valeurs désirées pour lesdites différentes conditions de fonctionnement.