Brevet FR2649208A1 — publié le 19910104

CAPTEUR DE CHOCS ET DISPOSITIFS PORTANT APPLICATION DE CE CAPTEUR. Description La présente invention a pour objet un capteur de chocs et des dispositifs portant application de ce capteur. Elle s'applique notamment à la caractérisation d'un choc (détermination du spectre de choc, ... > et à La mesure d'accélérations et de vitesses - Une structure mécanique compLexe soumise à un choc entre en vibration. Les composantes de basse fréquence de cette vibration jouent un rôle important dans Les effets mécaniques suivant Le choc, comme par exempLe Les déplacements relatifs des différentes parties de la structure. Mais Leur caractérisation est rendue difficile par la présence de composantes perturbatrices de fréquence plus élevée qui n'infLuencent pratiquement pas les déplacements mais faussent la mesure. Les capteurs de chocs connus sont dotés d'une bande passante large (de queLques 10 kHz à quelques 100 kHz) et ceci constitue un inconvénient majeur car La sensibilité de ces capteurs est proportionnelle à Leur bande passante : iLs ne délivrent aucune information sur Les composantes de basse fréquence correspondant à des accélérations avoisinant 100 g. Celles-ci sont noyées parmi Les composantes de haute fréquence nombreuses et de forte amplitude. Les accélérations crête mesurées Lors des chocs envisagés sont comprises dans la gamme allant de 1 000 g à 100 000 9. Le but de la présente invention est de fournir un capteur de chocs permettant l'extraction aisée des composantes de basse fréquence de celles de haute fréquence et autorisant ainsi l'évaluation des différents effets mécaniques subis par Les parties d'une structure. Un autre but de la présente invention est de fournir un dispositif de caractérisation d'un choc portant appLication du capteur, simple à mettre en oeuvre et peu coûteux. Un autre but de la présente invention est de fournir un gyromètre portant application du capteur simple à mettre en oeuvre et peu coûteux. De manière précise, la présente invention concerne un capteur de chocs apte à être fixé sur une structure caractérisé en ce qu'il comprend : - selon un axe longitudinal perpendicuLaire à la structure, une tige apte à être solidarisée à la structure par une première extrémité, - une masselotte solidaire d'une seconde extrémité de la tige, - au moins un moyen pour détecter des vibrations selon un axe perpendiculaire à L'axe longitudinal, ce moyen étant fixé sur La masselotte. Ce dispositif constitue un oscillateur mécanique accordé sur une fréquence de résonance fondamentale choisie en fonction du type de choc à traiter. Cet oscillateur est excité Lorsque la structure sur laquelle il est fixé est soumise à un choc. Le moyen pour détecter des vibrations délivre alors un signal éLectrique proportionneL à l'accélération de La masselotte suivant une direction déterminée. Ce signal, après un traitement approprié, permet de déterminer La vitesse à la base du capteur et d'en déduire le spectre de choc. La présente invention concerne aussi des dispositifs portant application de ce capteur de chocs, en particuLier un dispositif de caractérisation d'un choc et un gyromètre. Les caractéristiques et avantages de l'invention apparattront mieux après la description qui suit donnée à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se référe à des dessins annexés sur Lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un dispositif pour La caractérisation d'un choc conforme à L'invention ; - la figure 2 représente schématiqument un gyromètre conforme à L'invention. La figure 1 représente schématiquement un dispositif pour la caractérisation d'un choc.. Le dispositif comprend un capteur de choc 10 conforme à L'invention. Ce dernier est fixé sur une structure ou un bàti 14. Un tel capteur de choc 10 présente une fréquence de résonance fondamentale inférieure à 1 kHz. Un moyen pour élever la va leur des fréquences de résonance harmoniques dont un exemple de réalisation est donné plus Loin, permet, lors du traitement des signaux électriques délivrés par te capteur, de séparer aisément La composante à La fréquence de résonance fondaoentale des composantes aux fréquences de résonance harmoniques. Le capteur de chocs 10 comporte une tige 12 cylindrique par exemple terminée par une première extrémité 16 qui peut être filetée. La tige 12 est solidaire de La structure 14 : eLLe est d'une part maintenue grace à une base 18 et d'autre part fixée sur cette dernière. Pour cela L'extrémité 16 est introduite dans un orifice pratiqué à cet effet dans la structure 14. Un écrou 20 est vissé sur ta partie filetée débouchant de l'orifice. Au repos, La tige 12 est disposée selon un axe longitudinal AL perpendiculaire à la structure 14. Une gorge 22 est pratiquée perpendicuLairement à L'axe AL sur La tige 12 dans Le voisinage immédiat de La base 18, c'est-à-dire au pied du capteur 10. Cette gorge 22 permet d'éLever ta valeur des fréquences de résonance harmoniques. Une teLLe gorge peut muLtiplier par dix la va leur de ces fréquences. Une masseLotte 24 est soLidaire de L'autre extrémité de La tige 12. ELLe peut être par exempLe fixée par colLage, grâce à une coLLe du type araLdite ou cyanotite. Dans cet exempLe de réaLisation, La masseLotte 24 est cyLindrique. ELLe est munie de deux moyens pour détecter des vibrations fixés par coLlage dans des Logements 28 pratiqués à cet effet dans La masselotte 24. Ces moyens pour détecter des vibrations sont préférentieLLement des détecteurs piézoéLectriques 26a et 26b du type 226C fabriqué par La Société Endevco. ILs sont disposés seLon deux axes AP1 et AP2 perpendicuLaires entre eux et à L'axe AL. PréférentieLLement, La masseLotte 24 et Les détecteurs de vibrations 26a et 26b forment un ensemble dont Le centre de gravité est situé, au repos, sur L'axe AL. La masse de La tige 12 est négLigeabLe devant La masse de La masseLotte 24. La masse des capteurs de vibrations 26a et 26b s'ajoute à La masse de La masselotte 24. La rigidité en flexion de la tige 12 et La masse de La masseLotte 24 sdnt choisies de manière à ce que La fréquence de résonance du capteur 10 soit au pLus égaLe à 1 kHz. De pLus, La tige 12 est réalisée dans un matériau tel qu'elLe resiste aux chocs. Les données suivantes iLlustrent de marnière non limitative un exemple de réalisation d'un capteur 10 ayant une fréquence de résonance fondamentale égaLe à 245 Hz : longueur utile de la tige (de la base à La masselotte) : 60 mm matériau dans LequeL La tige est réalisée Acier 15CDV6 masse de la tige : 1,4 grammes diamètre de la tige : 4,5 mm diamètre de la gorge : 4 mm matériau dans Lequel La masselotte est réalisée : Acier 15CDV6 masse totale de la masse lotte : 15 grammes diamètre de La masse-Lotte : 10 mm hauteur de La masseLotte : 20 mm masse d'un détecteur de vibrations : 2,8 grammes Dans tous les cas, La masse totaLe du capteur de chocs 10 est très inférieure à la masse de La structure 14 qui le supporte. Lorsque La structure 14 est soumise à un choc, Le capteur 10 oscille autour de L'axe AL. Les détecteurs de vibrations 26a et 26b délivrent alors des signaux électriques permettant d'évaluer la vitesse à la base 18 de La tige 12 dans tes deux directions AP1 et AP2. Les signaux éLectriques délivrés par Les détecteurs de vibrations 26a et 26b sont proportionnels à l'acceleration de La masselotte 24-suivant Les axes AP1 et AP2. Ces signaux électriques présentent une composante à La fréquence de résonance fondamentale et des composantes aux fréquences harmoniques ; ces dernieres sont filtrées grâce à des moyens de filtrage. Ces moyens de filtrage peuvent être constitués par un filtre passe-bas éliminant les fréquences supérieures ou égales à une fréquence Fo determinée. Cette fréquence Fo peut être choisie égale à deux fois la fréquence de résonance fondamentaLe Fr du capteur de chocs 10. Le signal filtrE est en-suite échantillonné par un échantiLlonneur. Toutefois de manière preférée, ces moyens de filtrage sont constituEs par un échantilLonneur 30 effectuant un échantillonnage à une fréquence égale à 4 Fr. L'échantiLLonneur 30 joue alors Le rôle d'un filtre passe-bas ayant une fréquence de coupure égale à 2 Fr. Le filtrage obtenu donne Lieu à un faible signal parasite aux fréquences supérieures à 2 Fr considéré comme faisant partie du bruit de mesure dans la suite du traitement du signal. Grâce à ce filtrage, la bande passante et donc L'étendue de mesure du capteur de chocs sont réduites. L'élévation des fréquences harmoniques de résonance fait que cette réduction n'entraîne pas de déformation dans L'allure du signal. Le signal échantillonné est délivré sur une entrée d'un moyen de transmission 32 dans lequel iL peut être multiplex à d'autres signaux. Ce moyen de transmission 32 comprend par. exempLe un moyen d'omission 32a d'une onde de radiofréquence couplé à un moyen de réception 32b. Dans Le cas d'une émission multiplexée, Le dmultiplexage est assuré par le moyen de réception 32b qui délivre sur une sortie un signal numérique correspondant au signal échantilLonné. Cette sortie est connectée à une entrée de moyens de traitement 34 du type calculateur : ce peut être par exemple un microordinateur. Lors de sa fabrication, on étalonne Le capteur de chocs 10, c'est-à-dire qu'on extermine avec précision l'ensemble des fréquences propres (fréquences de résonance) du capteur et les coefficients d'amortissement s'y rattachant. Ces paramètres sont utiles au traitement. En effet, les données d'entrée sont fournies par Le signal numérique qui correspond à ta suite des échantillons représentant L'accéLération de La masse Lotte au cours du temps. Par déconvolution, à t'aide des fréquences propres et des coefficients d'amortissements mesurés lors de l'étaLonnage, on détermine La vitesse de La base du capteur 10 au cours de temps. Cette étape de traitement prend en compte Le fait que Le capteur de chocs 10 présente une masse négLigeabLe devant La masse de La structure 14 qui Le supporte. La vitesse est déterminée selon Les deux directions AP1 et AP2 perpendicuLaires entre elles. On peut en déduire La vitesse de La base du capteur 10 dans n'importe quelle autre direction. A partir de La vitesse à La base, on détermine Le spectre de choc en accélération, en supposant que l'accélération est une fonction Linéaire par morceau entre deux points d'échantillonnage. Ce spectre constitue La caractérisation recherchée pour un choc. Une fois déterminé, le spectre de choc peut être imprimé sur un support, et conserve dans une mémoire. La figure 2 représente schématiquement un gyromètre conforme à L'invention. Ce gyromètre trois couples de capteurs 10 conformes à L'invention et du type de icelui precedemment decrit (cf. figure 1). Les capteurs 10 sont fixés sur un support 42 rigide, en forme de botte parallelepipedique par exemple. Chaque coupLe de capteurs est composé de deux capteurs places tête-bêche et fixés sur deux parois opposees de ta boite 42. Chacun des couples est fixé selon une des trois directions de l'espace ox, oy, oz. Chaque capteur 10 comporte deux détecteurs de vibrations (un suivant chaque axe transversaL), La détermination des vitesses anguLaires dans chaque direction de L'espace est doublée, ce qui permet de moyenner Les mesures et d'améLiorer Le rapport signaL/bruit. Dans cet exemple de réalisation, sous L'effet d'un choc chaque capteur 10 délivre deux signaux éLectriques proportionneLs aux accélérations de la masselotte dans Les directions perpendiculaires . à L'axe Longitudinal du capteur. Ces signaux sont échantiLLonnés par un ensembLe d'échantiLLonneurs 30 qui fait office de moyen de fiLtrage. L'échantiLLonnage s'effectue à une fréquence égaLe à 4 Fr (Fr étant La fréquence de résonance fondamentale des capteurs 10 qui est ici identique pour chaque capteur dans un souci de simpLicité) : Les échantillonneurs se comportent comme des filtres passe-bas dont La fréquence de coupure est égale à 2 Fr. On obtient donc en sortie de L'ensembLe d'échantillonneurs douze signaux échantillonnés représentant les accélérations des masselottes. Des moyens de transmission 32 sont connectés à cette sortie. Ces moyens 32 peuvent être identiques à ceux précédemment décrits (cf figure 1). Ils peuvent aussi consister en une simpLe Ligne de connexion. Des moyens de traitement 34, teL un calculateur du type microordinateur par exempLe, sont connectés à une sortie des moyens de transmission 32. Comme pour Le dispositif de caractérisation de chocs decrit précédemment, pour chaque capteur 10, on déduit la vitesse à La base des capteurs en fonction du temps selon les deux directions perpendiculaires à La direction LongitudinaLe des capteurs grâce à une déconvolution å L'aide de La donnée des fréquences propres et des coefficients d'amortisssement de chaque capteur, ceux-ci ayant été déterminés Lors d'un étalonnage préalable. Lors d'un choc, grâce à La connaissance de La vitesse à La base de chacun des capteurs et des distances séparant Les bases des capteurs formant un couple, on deduit les vitesses angulaires du support 42 par rapport à un repère de référence fixe. Le capteur de choc seLon L'invention parce qu'il permet de choisir sa fréquence de résonance fondamentale et qu'il est muni de moyens permettant d'éLever Les fréquences harmoniques, autorise un filtrage de ces dernières réalisé simpLement par échantillonnage. Les signaux échantilLonnés sont traités de manière à déduire par une déconvoLution La vitesse à la base du capteur Lors d'un choc. De Là, on détermine un spectre de choc. Revendications 1. Capteur de chocs apte à être fixé sur une structure (14), caractérisé en ce qu'iL comprend - seLon un axe LongitudinaL (AL) perpendiculaire à la structure (14), une tige (12) apte à être solidarisée à La structure (14) par une première extémité (16), - une masseLotte (24) soLidaire d'une seconde extrémité de La tige (12), - au moins un moyen pour détecter des vibrations selon un axe perpendicuLaire à L'axe LongitudinaL (AL), ce moyen étant fixé sur La masseLotte (24). 2. Capteur seLon La revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente une fréquence de résonance fondamentale Fr au plus égaLe à 1 kHz. 3. Capteur seLon la revendication 1, caractérisé en ce qu'iL comporte deux moyens pour détecter des vibrations seLon deux axes (AP1, AP2) perpendiculaires entre eux et à L'axe Longitudinal (AL), ces moyens étant fixés sur La masselotte (24). 4. Capteur selon La revendication 1, caractérisé en ce que Le moyen pour détecter des vibrations est constitué d'un capteur piézoéLectrique (26a, 26b). 5. Capteur selon La revendication 1, caractérisé en ce que La masse lotte (24) munie du (des) moyen(s) pour détecter des vibrations présente un centre de gravité situé - sur L'axe LongitudinaL (AL) Lorsque le capteur (10) est au repos. 6. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'iL comporte un moyen pour elever Les fréquences de résonance harmoniques du capteur (10). 7. Capteur seLon la revendication 6, caractérisé en ce que Le moyen pour élever Les fréquences de résonance harmoniques du capteur (10) consiste en au moins une gorge (22) pratiquée sur La tige (12). 8. Capteur selon La revendication 1, caractérisé en ce que La tige (12) est cylindrique. 9. Capteur seLon La revendication 1, caractérisé en ce que la masselotte (24) est cyLindrique. 10. Capteur selon La revendication 1, caractérisé en ce que les moyens pour détecter des vibrations sont fixés dans au moins un évidement (28) de la masselotte (24). 11. Dispositif de caractérisation d'un choc comportant appLication du capteur seLon L'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'iL comprend - Ledit capteur (10) délivrant un signaL éLectrique sur une sortie, - un moyen de filtrage connecté à la sortie du capteur (10), - un échantillonneur (30) relié au moyen de fiLtrage déLivrant des signaux d'échantillonnage sur une sortie, - des moyens de transmission (32) reLiés par une entrée à la sortie de L'échantillonneur (30) et délivrant des signaux sur une sortie, - un moyen de traitement (34) relié par une entrée à La sortie des moyens de transmission (32). 12. Dispositif seLon La revendication 11, caractXrisé en ce que L'échantiLLonneur (30) constitue Le moyen de filtrage. 13. Dispositif seLon La revendication 12, caractérisé en ce que L'échantillonneur (30) fonctionne à une fréquence d'échantiLLonnage égale à quatre fois La fréquence de résonance fondamentaLe Fr du capteur (10). 14. Gyromètre comportant plusieurs capteurs conformes à L'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comporte : - au moins six moyens pour détecteur des vibrations, ces moyens étant réunis par paires pour détecter des vibrations-selon les trois directions de L'espace ox, oy, oz, chaque moyen d'une paire étant porté par un capteur (10) différent, Les capteurs (10) déLivrant des signaux électriques sur des sorties, - un support (42) sur Lequel sont fixés les capteurs (10), - un ensemble de moyens de filtrage connecté aux sorties des capteurs (10), - un ensemble d'echant-illonneurs (30) reLie aux moyens de filtrage et délivrant sur une sortie des signaux d'échantilLonnage, - un moyen de transmission (32) relié par une entrée à La sortie de L'ensembLe des échantillonneurs (30) et délivrant sur une sortie des signaux transmis, - un moyen de traitement des signaux transmis (34) reLié par une entrée à La sortie du moyen de transmission (32). 15. Gyromètre selon La revendication 14, caractérisé en ce que L'ensemble des moyens de fiLtrage est constitué par L'ensemble des échantiLlonneurs (30). 16. Gyromètre seLon La revendication 15, caractérisé en ce que chaque échantilLonneur de L'ensemble des échantillonneurs (30) fonctionne à une fréquence d'échantillonnage égaLe à quatre fois La fréquence de résonance fondamentale du capteur (10) auqueL iL est associé.