Brevet FR2645259A1 — publié le 19901005

Capteur capacitif de déplacements et capteur d'angle de torsion comportant au moins un tel capteur capacitif La présente invention se rapporte aux capteurs capacitifs utilisés pour la mesure de déplacements et plus particulièrement pour la mesure de très petits déplacements tels que la torsion à laquelle est soumis un arbre moteur. Ces mesures de déplace- ments permettent de déterminer la valeur de la grandeur physi- que qui a causé le déplacement: température, pression, force, accélération... Ainsi la mesure de l'angle de torsion d'un arbre moteur permet de déterminer la valeur du couple moteur transmis par cet arbre. I G De tels capteurs capacitifs sont connus; les capteurs connus sont constitués par des condensateurs à électrodes pla- nes, parallèles, situées à faible distance l'une de l'autre mais fixées en deux zones relativement éloignées l'une de l'autre, de manière que les déplacements de ces deux zones, l'une par rap- port à l'autre, occasionnent des variations de capacité suffisan- tes pour être exploitées par une électronique de mesure associée au capteur. Ces capteurs connus présentent des difficultés de réalisa- tion, particulièrement lorsqu'une grande précision de mesure est recherchée et que les conditions d'environnement sont difficiles: gamme étendue de températures de fonctionnement, vibrations importantes... En effet la réalisation des condensa- teurs de mesure, dont les électrodes planes, parallèles, doivent être situées à faible distance l'une de l'autre mais doivent être fixées en deux zones relativement éloignées d'une même structure à étudier, conduit à des usinages et à des procédés d'assemblage délicats et coûteux. De plus la fixation des élec- trodes planes ou des supports d'électrodes doit assurer une Immobilisation parfaite des électrodes mais ne doit pas intro- duire des contraintes mécaniques susceptibles de déformer les électrodes; or réaliser une telle fixation s'avère difficile en Z645259 raison des différences entre les coefficients de dilatation des matériaux à assembler. La présente invention a pour but d'éviter, ou, pour le moins, de réduire ces inconvénients. Ceci est obtenu en utilisant des capteurs capacitifs à électrodes cylindriques qui permettent un montage plus facile, à précision égale, que les capteurs à électrodes planes, et dont le montage peut être effectué de telle sorte que les dilatations n'entraînent, sur les pièces fragiles, que des contraintes de pression, supportables sans risque -de cassure, par ces pièces fragiles. Selon l'invention, un capteur capacitif des déplacements relatifs entre deux zones données comportant un premier et un second support respectivement solidaires des deux zones et mu- nis d'électrodes pour former des condensateurs, est caractérisé en ce que le premier support comporte un trou cylindrique, en ce que le second support comporte un barreau cylindrique dispo- sé de manière à traverser Iibrement le trou cylindrique et en ce que les électrodes sont portées par les parois en regard du trou et du barreau. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant, qui représentent: - la figure 1, un schéma de principe d'un capteur capaci- tif selon l'invention, - les figures 2, 3 et 5 des vues en coupe de capteurs capacitifs selon l'invention, - la figure 4 une vue, en développé, d'une partie du cap- teur déjà représenté sur la figure 3, - la figure 6, une vue montrant un capteur d'angle, selon l'invention, monté dans un arbre moteur. La figure 1 montre comment est réalisé un capteur capaci- tif selon l'invention. La figure 1 représente un ensemble mécani- que comportant deux sous-ensembles indéformables A et B et un capteur, C, fait d'un cylindre plein 1 et d'un cylindre creux 2, qui, au repos, comme il sera indiqué plus loin, ont un même axe longitudinal ZZ'. Au sous-ensemble A est lié un repère trirec- tangle oxyz et au sous-ensemble B un repère trirectangle o'x'y'z'. Le capteur C comporte des électrodes situées sur la paroi cylindrique du tube plein 1 et sur la paroi interne du tube creux 2; ces électrodes déterminent une certaine capacité. Le cylindre 1 est rendu solidaire du sous-ensemble A par une liaison rigide Li, symbolisée par une barre; de même le cylin- dre 2 est rendu solidaire du sous-ensemble B par une liaison rigide L2 symbolisée par une autre barre. Le capteur C de la figure 1 a pour but de mesurer des petits déplacements de B dans le repère oxyz lié à A, ces déplacements étant limités à des translations parallèles à une direction XX' fixe par rapport à oxyz; dans ce montage les déplacements relatifs de A et B sont identiques aux déplacements relatifs des cylindres 1 et 2 du fait des liaisons rigides L1, L2. L'ensemble selon la figure 1 est réalisé de manière que, au repos, c'est-à-dire dans une position initiale servant d'origine à la mesure des déplacements entre A et B, - les axes des cylindres i et 2 soient confondus selon l'axe ZZ' - l'axe ZZ' soit perpendiculaire à la direction XX' des déplacements à mesurer. Ces déplacements de B par rapport à A déterminent une excentricité du cylindre plein 1 dans le cylindre creux 2, les axes des cylindres 1 et 2 restant parallèles. La figure 2 est une vue en coupe, dans un plan perpendi- culaire à ZZ' passant à travers les cylindres 1 et 2, du capteur C de la figure 1. Le cylindre creux 2 porte sur toute sa paroi interne une électrode CO; sur la figure 2 cette électrode est représentée comme une couche conductrice tapissant la paroi interne du cylindre 2 mais, dans les réalisations o le cylindre 2 est en matériau conducteur, une telle couche ne sera pas né- cessaire. Le cylindre plein 1 est un cylindre isolant qui porte sur sa paroi cylindrique deux couches conductrices formant 2-545259 électrodes: une électrode proprement dite C1 disposée, sur la coupe selon la figure 2, entre deux génératrices du cylindre distantes d'environ 70 degrés, et une électrode de garde G iso- lée de l'électrode C1 et dont la coupe est comprise entre deux génératrices du cylindre distantes de quelques degrés des deux génératrices délimitant l'électrode C1. Les électrodes CO et C1 constituent les deux électrodes d'un condensateur dont la capaci- té varie avec l'excentricité E des cylindres i et 2 l'un par rapport à l'autre; l'inverse de la valeur de la capacité est une fonction sensiblement linéaire de l'excentricité E, la linéa- rité étant d'autant meilleure que - le rapport du rayon du cylindre plein i et du rayon intérieur du cylindre creux 2, est plus proche de 1, - l'angle entre les génératrices qui délimitent l'éIec- trode C1 est petit, - la valeur maximum que peut prendre l'excentricité est petite devant le rayon du cylindre plein. La figure 3 est une vue en coupe, relative à une autre façon de réaliser le capteur C de la figure 1. Ici encore, le cylindre creux 2 porte, sur toute sa paroi interne, une électro- de CO représentée comme une couche conductrice et le cylindre plein A porte une électrode de garde G. Par contre cette élec- trode de garde n'entoure pas une seule mais deux électrodes proprement dites, C1 et C2, comme il apparaît sur la figure 4, qui est une vue en développé de ces électrodes après une cou- pure selon une génératrice du cylindre plein; les bords de la coupure sont représentés en traits interrompus sur la figure 4. La figure 4 montre également Ies connexions D1, D2, Dg relati- ves respectivement aux électrodes C1, C2, G. Le capteur selon les figures 3 et 4 se distingue essen- tiellement du capteur selon la figure 2 par la présence de l'électrode supplémentaire C2, symétrique de l'électrode C1 par rapport à l'axe du cylindre plein 1; cette électrode supplémen- taire constitue, avec l'électrode CO, un second condensateur de mesure, dont la capacité varie igalement avec l'excentricité E, mais en sens contraire des variations du condensateur que cons- titue l'électrode C1 avec t'électrode CO. Soient C1 et C2 les valeurs des deux condensakeurs C1, CO et C2, CO; il est à noter que, à dimensions égales par ailleurs, le rapport (C1-C2)/(C1+C2), obtenu avec le capteur selon les figures 3 et 4, présente une meilleure linéarité en fonction de l'excentricité E que la linéarité de C1 en fonction de E, dans le cas du capteur selon la figure 2. De plus, lorsque la mesure de l'excentricité E est effectuée à l'aide du rapport (C1-C2)/C1+C2), les dérives éventuelles liées à la variation de la constante diélectrique du milieu Interélectrode, sont éliminées; il en est de même des dérives de zéro liées aux variations dimensionnelles des cylindres 1 et 2 avec la température. Par contre ces dérives perturbent la mesure de l'excentricité E effectuée à partir de la seule valeur du condensateur C1. Ces capteurs capacitifs, avec des électrodes disposées comme indiqué sur les figures 2 et 3, permettent la mesure de très petits déplacements suivant la direction XX' mais sont pratiquement insensibles à de très petits déplacements suivant l'axe ZZ' (voir figure 1) commun aux cylindres I et 2 dans leur position de repos, et sont également pratiquement insensibles à de très petits déplacements suivant un axe YY' perpendiculaire à XX' et ZZ', c'est-à-dire suivant un axe qui serait perpendiculaire à XX' dans le plan des figures 2 et 3. La figure 5 montre, vu en coupe selon un plan perpendicu- laire aux axes des deux cylindres porte-électrodes, un capteur capacitif permettant la mesure de très petits déplacements sui- vant les axes XX' et YY' dont il vient d'être question ci-avant. Le capteur ne se distingue de celui décrit à l'aide des figures 3 et 4 que par l'adjonction de deux électrodes supplémentaires, C3, C4, sur la paroi du cylindre plein 1; ces électrodes sont situées à 90 degrés des électrodes C1, C2, autour de l'axe du cylindre 1. Cette disposition d'électrodes permet de mesurer les composantes, selon XX', des déplacements à l'aide des condensateurs Cl et C2 constitués respectivement par les électrodes, CO, C1 et C0,C2 et les composantes, selon YY', à l'aide des condensateurs C3, C4 constitués respectivement par les électrodes C0,C3 et C0,C4. La figure 6 montre comment, avec un capteur capacitif du type décrit à l'aide des figures 1, 3 et 4 a été réalisé un capteur d'angle de torsion qui a été monté sur un arbre moteur 3. La figure 6 est une vue simplifiée sur laquelle n'ont pas été représentés différents éléments afin d'alléger le dessin et de faciliter la compréhension. L'arbre moteur 3 est creux et comporte trois parties métalliques: un tube intermédiaire 30 prolongé à chacune de ses extrémités par des tubes 31, 32 qui n'ont été représentés que sur une faible partie de leur Iongueur. Ces tubes 31, 32 ont été dessinés en traits interrompus et leur raccordement au tube 30, qui dans l'exemple décrit est un raccordement par flasques ren- dues solidaires par vis, n'a pas été représenté. De plus seule une moitié de ces trois tubes, obtenue par un plan de coupe passant par l'axe MM' de l'arbre 3, apparaît sur la figure 6, de manière à laisser voir le contenu du tube intermédiaire 30. Le tube 30 n'est pas d'épaisseur constante sur toute sa longueur: il possède deux partie épaisses, A, B, situées respec- tivement à ses deux extrémités, de part et d'autre d'une partie plus mince H. Sous les efforts que subit l'arbre moteur 3 pen- dant son fonctionnement, la torsion est plus importante dans la partie H que dans le reste de I'arbre et c'est là qu'une mesure est effectuée avec un capteur capacitif afin de permettre de déterminer la valeur du couple transmis par l'arbre 3. Pour cela deux pièces métalliques 2, 4 formant bouchons, prennent appui respectivement sur la paroi interne des parties A et B, dont elles sont rendues rigidement solidaires par soudure; sur la figure 6 ces liaisons par soudure ont été dessinées en traits plus épais. Les pièces 2 et 4 sont percées de trous cylindriques qui sont alignés suivant un même axe ZZ' quand l'arbre 3 n'est soumis à aucun couple. Le trou percé dans la pièce 2 est un trou dont la paroi métallique correspond à l'électrode CO des figures 2, 3 et 5. Dans I i'cou de la pièce 4 est enfoncé une extrémité d'un barreau cylindrique isolant en céramique, 1; le montage du barreau 1 dans la pièce 4 s'effectue par frettage, le barreau de céramique étant refroidi et la pièce métallique 4 étant chauffée avant d'être assemblés. Le barreau 1 se prolonge à l'intérieur et légèrement au delà du trou percé dans la pièce 2. Au niveau de sa traversée du trou percé dans la pièce 2 le barreau 1 porte sur sa paroi deux électrodes C1, C2 obtenues 0 O par sérigraphie; ces électrodes correspondent aux électrodes C1, C2 décrites à l'aide des figures 3 et 4. Sur la figure 6 l'électrode de garde portée par le barreau 1 et correspondant à l'électrode G des figures 3 et 4, n'a pas été représentée, de même que n'ont pas été représentés - trois autres capteurs capacitifs qui sont respectivement décalés de 90, 180 et 270 degrés, autour de l'axe MM', par rap- port au capteur dessiné sur cette figure, - le dispositif de couplage assurant la liaison électrique entre les quatre capteurs qui tournent avec l'arbre moteur 3 autour de l'axe MM' et les circuits électroniques d'utilisation des signaux fournis par les condensateurs; ces circuits électro- niques sont fixes par rapport à l'axe MM' et le dispositif de couplage est, dans l'exemple décrit, un transformateur tournant à plusieurs enroulements, dont le rotor est solidaire de l'arbre moteur 3 et dont le stator est fixe par rapport à l'axe MlM' de l'arbre 3. Il est à noter que, à la liaison L1 du capteur selon la figure 1, correspond, dans la figure 6, la soudure entre la pièce 2 et la partie épaisse A du tube 30 tandis que la liaison L2 correspond, sur la figure 6, à la pièce 4 et à la soudure entre la pièce 4 et la partie épaisse B du tube 30. A titre indicatif l'arbre moteur de la figure 6 est entraî- né par un moteur de 300kW à une vitesse de rotation qui peut atteindre 10000 tours par minute, et son diamètre extérieur est de 5 centimètres. La présente invention n'est pas limitée aux exemples dé- crits ci-avant, c'est ainsi que les capteurs capacitifs selon l'invention peuvent comporter un nombre entier quelconque d'élec- trodes régulièrement répar4_s; et il est à remarquer qu'avec trois électrodes réparties b 120 degrés les unes des autres, il est possible d'effectuer les même mesures de déplacement qu'avec le capteur à quatre électrodes selon la figure 5 mais l'exploita- tion des signaux est plus compliquée. De même avec un ou plusieurs capteurs capacitifs selon l'invention, il est possible de mesurer non seulement des angles de rotation d'une zone A par rapport une zone B mais il est également possible de mesurer tout déplacement de faible ampli- tude d'une zone par rapport à une autre, à condition que la disposition de ces zones autorise, entre elies, la réalisation d'un montage qui s'apparente au montage de principe selon la figure 1. g REVENDICATIONS 1. Capteur capacitif des déplacements relatifs entre deux zones données (A, B) comportant un premier et un second sup- port (1, 2) respectivement solidaires des deux zones et munis d'électrodes (C0,C1-C4,G) pour former des condensateurs, caractérisé en ce que le premier support (2) comporte un trou cylindrique, en ce que le second support (1) comporte un bar- reau cylindrique disposé de manière à traverser librement le trou cylindrique et en ce que les électrodes (CO, C1-C4, CG) sont portées par les parois en regard du trou et du barreau. 2. Capteur capacitif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi du trou du premier support (2) est entière- ment conductrice et constitue l'une des électrodes (CO), en ce que le barreau cylindrique (1) est isolant et porte les autres électrodes (C1-C4, CG) du capteur. 3. Capteur capacitif selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdites autres électrodes comportent n électrodes principales (C1-C4), o n est un entier positif, disposées sensiblement selon n génératrices du barreau cylindrique et réparties à 360 /n les unes des autres, et une électrode de garde (G) qui entoure partiellement chacune des électrodes prin- cipales. 4. Capteur d'angle de torsion d'un arbre moteur d'axe donné (MM') , caractérisé en ce qu'il comporte: m capteurs capacitifs (m entier positif) selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, disposés avec l'axe géométrique (ZZ') de leur barreau en moins sensiblement parallèle à l'axe (MM') de l'arbre moteur (3). 5. Capteur d'angle selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une pièce cylindrique creuse (30) destinée à être intercalée dans l'arbre moteur (3) pour en constituer un tronçon, en ce que les m capteurs capacltifs sont logés à l'inté- rieur de la pièce cylindrique creuse et en ce que les deux zones (A, B) sont situées respectivement au voisinage des deux extré- mités de la pièce cylindrique creuse.