Brevet FR2648559A1 — publié le 19901221

DISPOSITIF DE HE$ERE DE FORCE VAU NON DL JAUNIS EXTENSOMETRIQUES SOLLICITEES NORMALEMENT A LEUR SURFACE La présente invention se réfère à un dispositif de mesure de force au moyen de jauges extensométriques déposées sur un support isolant et sollicitées par la force à mesurer normalement à leur surface. Dans ce dispositif, l'application de la force conduit par variation volumique de la jauge à une variation de sa résistance electrique proportionnelle à l'effort applique et indépendante de la déflection eventuelle du support sur lequel la jauge a e te déposée. Dans les dispositifs habituels de mesure de force, celle-ci engendre la déformation d'un corps d'epreuve généralement mesuree au moyen de jauges extensométriques colleys à sa surface. La résistance à la déformation longitudinale de la jauge étant très faible comparée à celle du corps d'épreuve, on peut dire que la quasi-totalité de la force passe par le corps d'épreuve tandis qu'une proportion infime de l'effort traverse la jauge. Il en résul- te que la jauge travaille en élongation en suivant la déformation superficielle du corps d'épreuve. Dans ce mode d'application conventionnelle, la jauge est caractérisée par un coefficient extensometrique de sensibilité défini par dR/R - K * dl/l où R représente la résistance électrique de la jauge au repos, dR représente la variation de la résistance électrique de la jauge consécutive à son allongement dl, 1 représente la longueur de la jauge au repos, dl représente la variation de longueur imposée à la jauge par la déformation du corps d'épreuve, K représente le coefficient extensométrique de sensibilité habituellement appelé "coefficient de jauge". L'allongement relatif imposé à la jauge par le corps d'épreuve est habituellement de l'ordre de 0,05t à 0,15X. Le coefficient de jauge étant de l'ordre de 2 la variation relative de résistance observée est de l'ordre de 0,1% à 0,3x. La présence d'une colle entre la jauge et le corps d'épreuve se traduit par - un phénomène de fluage à toute température, - une dérive thermique en l'absence de toute sollicitation due aux diffe- rences entre, les coefficients de dilatation linéaire de la jauge, de la coile et du corps d'épreuve. La présente invention a pour objet un dispositif de mesure de force utilisant l'effet de variation de résistance électrique d'une jauge consécutive à une variation volumique de ladite jauge sous l'effet d'une force qui lui est appliquée normalement. Dans ce dispositif, contrairement à l'usage conventionnel rappelé ci-dessus, la jauge est traversée par l'effort appliqué et non plus entraînée longitudinalement par la déformation de son support. Le support de la jauge ne jouant plus le rôle de corps d'épreuve mais seulement de support passif, il peut etre conçu avec une très grande raideur permettant ainsi d'élaborer des capteurs de forcie à treks faible écrasement sous charge et à grande bande passante. Le support peut cotre réalisé dans tout matériau isolant tel que céramique à base d'alumine ou métal recouvert d'une couche isolante céramique ou émaillée, dont la déformation en plan sous charge normale est inférieure à la déformation maximale admise en élongation pour le matériau de jauge. Afin d'éviter les inconvénients des jauges collées mentionnés plus haut, la jauge peut etre constituée d'une pite conductrice telle que celles employées dans la réalisation des circuits hybrides en couches épaisses, et déposée sur son support par exemple par projection, tampon, impression rotative, écran ou tout autre moyen de dépôt. Selon l'invention, si l'on considère que la variation de la résîs- tivité est proportionnelle à la variation relative de volume on a P C S * ( 1 + k * dV/V ) où 50 représente la résistivité du matériau de jauge au repos, # représente la résistivité du même matériau sous charge k représente le coefficient de proportionnalité entre la variation relative de volume du matériau sous charge et la variation de sa résistivité, dV/V représente la variation relative de volume sous charge. Pour une jauge de longueur "1", de largeur "b", et d'épaisseur "h", parcourue par un courant "i" circulant dans le sens de sa longueur et soumise à un effort F normal à la surface l*b, correspondant à une contrainte F i l*b on peut démontrer que R - Ro * ( 1 + Kfl'* ) où : Ro représente la résistance électrique de la jauge au repos R représente la résistance électrique de la jauge sous charge 6 représente la contrainte définie ci-dessus, Xn représente le coefficient te sensibilité de la jauge soumise à un effort normal. Des mesures faites avec des jauges constituées comme ci-dessus indiquent des valeurs pour Kn de l'ordre de 0,04Z (dR/R)/MPa. En se référant aux dessins schématiques annexés qui en pratique sont susceptibles t'être modifiés sans pour autant sortir du cadre de linven- tion, on va décrire ci-apres plus en détail plusieurs modes de réalisation à titre illustratif et non limitatif, basés sur un dispositif conforme à l'ln- invention - la fig. la montre une jauge sur son support. - les fig. lb et lc montrent des configurations de pont préférentielles. - la fig. 2a montre en coupe un dispositif de mesure de force réalisé selon l'invention. - la fig. 2b montre un pese-personne réalisé à l'aide de dispositifs comme celui de la fig. 2a. - la fig. 2c montre un capteur de force pour des forces importantes utilisant un dispositif comme celui de la fig. 2a. - la fig. 3a montre un appareil de mesure du déplacement réalisé avec un dispositif comme celui de la fig. 2a. - la fig. 3b montre un appareil destiné à la mesure de courses plus importantes que celui de la fig. 3a et base sur un dispositif comme celui de la fig. 2a. - la fig. 3c montre un appareil destiné à la mesure d'un angle et réalisé à l'aide d'un dispositif comme celui de la fig. 2a. - la fig. 4a montre un appareil basé sur un dispositif comme celui de la fig. 2a et destiné suivant la valeur relative de certains paramètres à la mesure de pression, de différences de pression ou de l'accélération. - la fig 4b montre un appareil basé sur un dispositif comme celui de la fig. 2a et destiné à la mesure d'une pression et à la différence entre cette pression et une autre pression. Tel que l'illustre la fig. la chaque jauge (J) déposée par les moyens cidessus sur le support (1) ayant de préférence une forme de prisme est caractérisée par les longueurs des arates 1, b et h. L'effort (F) appliqué paralIèlement à l'axe (z) induit comme énoncé plus haut une variation de la résistance de la jauge parcourue par un courant (i) suivant une direction parallèle à ltaxe (y). Les fig. lb et lc montrent, en vue de dessus, cornent, pour compenser la dérive en température qui serait la conséquence de l'utilisation d'une seule jauge, on dépose sur le support (1) quatre jauges (J1), (J2), (J3) et (J4) formant gracie aux liaisons (L1), (L2), (L3), et (LA) un pont de Wheatstone qui est alimenté en (A1) et (A2) et dont les sorties (S1) et (S2) sont celles où on obtient la tension différentielle proportionnelle à la variation de la résistance des jauges. La fig. lb montre un arrangement de jauges utilisé de préférence soit dans le cas de la mesure d'une force appliquée sur la zone (Z) soit à la mesure de la différence de deux forces appliquées respectivement sur les zones (Z1') et (Z2'). La fig. lc montre une configuration de pont utilisée de préférence dans la mesure de la différence de deux efforts appliqués sur les zones (Z1) et (Z2). Selon la fig. 2a la force (F) est appliquée à la jauge (J) déposée sur le support (1) par l'intermédiaire d'une pièce d'appui (2) et un coussin (3) fait d'un matériau déformable, de préférence élastique, et 'qui permet par sa déformation d'uniformiser la pression de contact sur la. jauge afin d'éviter la destruction de ladite jauge par des pointes de pression trop importantes. La fig. 2b montre une application directe du dispositif pour la réalisation d'un pè6e-personne. D'après la figure l'appareil consiste en un carter inférieur (1) qui prend appui au sol par les pieds (2) et dans lequel se trouve un nombre suffisant de dispositifs comme celui de la fig. 2a ayant un pont de jauges comme indiqué sur la fig. lb ici référencée. Un carter supérieur (4) s'appuie par les tiges (5) sur lesdits dispositifs. Un ressort (6) solidarise les deux carters en maintenant les pièces en contact et introduisant une précontrainte des dispositifs. La personne désirant connaître son poids se place sur la surface (7). Son poids passe intégralement à travers les dispositifs (3) et est ainsi déterminé comme la somme des efforts partiels enregistrés par chaque dispositif séparément. La fig. 2c indique l'utilisation d'un dispositif comme dans la fig. 2a pour la mesure de forces supérieures à son étendue de mesure. L'appareil consiste en un corps d'épreuve (1) de raideur C1, de deux plaques d'appui (2) et (2'), d'un dispositif (3) comme dans la fig. 2a ayant une configuration de pont comme dans la fig. lb et un élément élastique (4) de raideur C4. Etant donné que la raideur du dispositif peut être très grande comme indiqué ci-dessus la partie de l'effort qui traverse ledit dispositif sera F'-F / ( 1 + C1 / C4) En variant le rapport des raideurs C1 et C4 on peut donc mesurer des forces F plus grandes que F' qui elle ne doit pas 'dépasser l'étendue de mesure dudit dispositif. La fig. 3a montre un appareil destiné à mesurer le déplacement relatif d'une piece (1) par rapport à une surface (2) en utilisant un dispositif (3) comme dans la fig. 2a ayant une configuration de pont selon la fig. lb. Entre la pièce (1) et le dispositif (3) est placé un élément (4) déformable et élastique ayant une raideur C4. Le déplacement (z) de la pièce (1) déforme l'élément 4 et induit un effort qui sollicite le dispositif (3), proportionnel au produit du déplacement par la raideur de l'élément élastique. Cet appareil dans lequel l'élément élastique travaille en compression est utilisable pour des déplacements faibles allant jusqu'à 25 mm. Pour des déplacements plus importants il est recommandable que l'élément élastique soit sollicité en traction. La fig.'3b indique un appareil de mesure du déplacement d'une pièce (1) par rapport à une surface (2) utilisant un dispositif comme dans la fig. 2a ayant une configuration de pont selon la fig. lb, un élément élastique (4) sollicité en traction et un inverseur (5) sur le palier sans frottement (6). L'appareil fonctionne d'auprès le mame principe que celui de la fig. 3a. Le palier sans frottement (6) est constitué par des éléments élastiques en flexion ou torsion présentant une grande raideur selon la direction d'action de l'effort de traction et une faible raideur en rotation autour de l'axe qui peut atre matérialisé ou non. La fig. 3c montre un appareil destiné à la mesure de l'angle d'un balancier (1) utilisant un dispositif comme dans la fig. 2a ayant une configuration de pont selon la fig. lc. Le déplacement angulaire du balancier (1) pousse par exemple le piston (3) vers le dispositif (2) d'une course (z) proportionnelle à l'angle. Etant donné que la position du dispositif t2) est fixée par rapport à'axe (A), l'élément élastique (4) de raideur C4 sera comprimé et l'effort sur la zone (22) sera augmenté du produit z * C4. Etant donné également que de l'autre côté le piston (3') reste contre la butée (5') l'effort sur la zone (Zl) reste inchangé. Le signal électrique recueilli selon la fig. lc aux bornes de sortie du pont (S1) et (S2) est proportionnel à la différence des deux forces donc à l'angle. Quand l'angle est nul il y a un jeu (j) entrez la partie supérieure des pistons (3) et (3') et ledit balancier. A ce jeu correspond une bande étroite d'insensibilité autour du zéro et qui est nécessaire pour l'utilisation ultérieure du signal de sortie. La fig. 4a présente un appareil de mesure qui peut être destiné suivant la valeur qu'on donne A certains paramètres de construction, soit à la mesure de pressions, soit à la mesure t'accélérations. Dans le premier cas, un dispositif (1) come celui de la fig. 2a ayant une configuration de pont selon la fig. lb est,placé dans un bottier (2) séparé par une membrane élastique (3) en deux espaces (El) et (E2). Au centre de la membrane une pièce rigide (4) présente un pied (5) qui s'appuie sur ledit dispositif. Un ressort (6) précontraint maintient un effort sur ledit dispositif méme ai les pressions (pl) et (p2) sont égales. Le fonctionnement en tant qu'appareil de mesure de la différence de pression est assuré ai Cet effort de précontrainte engendré par le ressort (6) est plus important que celui qui peut apparaître quand la différence de pression p2-pl atteint sa valeur maximale. Si la pression (pl) est plus importante que(p2)l'effort intégré par la membrane est transmis par la pièce (4) et le pied (5) au dispositif (1) qui est ainsi sollicité par une force égale à la somme de l'effort de pression et de celui engendré par le ressort (6). Dans le cas contraire, ctest-à-dire quand p2 > pl la force résultante est la différence entre l'effort du au ressort et celui du à la différence de pression. Dans le cadre de l'application ci-dessus, il est impératif de réduire à un minimum toutes les masses liées à la membrane afin d'assurer une bande passante aussi étendue que possible. La pression p2 peut être nulle, cas dans lequel le dispositif mesure la valeur absolue de pl. Dans le second cas où l'appareil est utilisé à la mesure d'une accélération, le schéma de principe reste le même. Pour cette application la pièce (4) qui devient la masse sismique de l'accéléromètre doit avoir une masse importante. La membrane (3) ne sépare plus d'une manière étanche les espaces El et E2 et est percée. Son rôle est uniquement de maintenir la pièce (4) en position radiale. Le boîtier (2) est complètement étanche, fermé vers l'extérieur. Le ressort (6) assure un effort de précontrainte en compression supérieure à la force d'inertie maximale résultant de l'accélération maximale appliquée à l'appareil afin d'assurer un contact permanent entre les diverses pièces de l'assemblage. La fig. 4a présente un appareil de mesure de la différence de pression basé sur un dispositif (1) comme dans la fig. 2a ayant une configuration de pont soit selon la fig. lb soit selon la fig. lc. Le dispositif se trouve dans un boîtier (2?. Chaque pression actionne une des deux membranes (3) et (3'). Les ressorts (5) et (5') sont utilisés afin d'assurer un contact permanent entre les membranes et le dispositif. Les. forces des ressorts et les forces de pression sont conduites par les picds (4) et (4') vers ledit dispositif. Dans le cas où le dispositif a une configuration de pont selon la fig lb, il est possible de mesurer avec l'appareil soit la pression pl soit la pression p2 ainsi que leur différence. le dispositif équipé de la configuration de pont selon la fig. lc ne permet que la mesure de la différence de pression pl-p2 ou p2-pl selon que pl est plus grand que p2 ou réciproquement. IEVIXICAlIONS 1) Dispositif de mesure de force au moyen de jauges extensométriques caractérisé en ce que l'effort appliqué normalement à la surface des jauges provoque une variation de leur volume engendrant une variation de résistance électrique proportionnelle à l'effort appliqué. 2) Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que le support sur lequel les jauges sont déposées est constitué soit par une céramique à base d'oxydes d'aluminium, silicium, titane, magnésium ou zirconium,. soit par une pièce métallique dont la surface a été rendue isolante par le dépôt d'une couche céramique ou un émail. 3) Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que les jauges déposées sur le support par une technique de dép8t telle que protection, tampon, impression rotative, écran ou autre sont constituées de pâtes conductrices contenant une combinaison de titane, bismuth, plomb, palladium, or, platine, ruthénium ou de leurs alliages ou sels. 4) Dispositif de mesure de force suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé par le fait que la force à mesurer est introduite dans la jauge (J) en totalité ou en majeure partie par l'intermédiaire d'un coussin (3) constitué d'un matériau élastique plus déformable que celui de la jauge supporté par une pièce d'un matériau rigide (2). 5) Appareil de mesure de poids utilisant un ou plusieurs dispositifs selon les revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que lesdits dispositifs sont montés entre deux carters rendus solidaires par un ou plusieurs ressorts de traction précontraints. 6) Appareil de mesure pour forces importantes utilisant un ou plusieurs dispositifs selon les revendications l à 4 et caractérisé en ce que ces dispositifs sont montés, chacun sous un ressort et en parallèle à un corps d'épreuve d'une raideur plus importante que la somme des raideurs des ressorts mentionnés ci-dessus, entre deux plaques d'appui communes au corps d'épreuve et aux ensembles ressort-dispositif. 7) Appareil de mesure de déplacement utilisant un dispositif selon les revendications 1 à 4 et caractérisé par le fait que le déplacement de 1' - trémité d'un élément élastique, dont l'autre extrémité s'appuie directement ou par pièce interposée sur ledit dispositif, engendre une force proportion- nelle au dit déplacement et mesurable par ledit dispositif. 8) Appareil de mesure d'un ou plusieurs déplacements angulaires utilisant un ou plusieurs appareils selon la revendication 7 et caractérisé par le fait que le déplacement angulaire d'un balancier est mesuré par le déplacement linéaire engendré par ledit balancier à une certaine distance de son axe t'oscillatlon. 9) Appareil de mesure d'une pression ou d'une différence de pression utilisant un dispositif selon les revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que la force mesurée par ledit dispositif est donnée par au moins une membrane précontrainte par un ressort et soumise à lteffet des dites pressions ou différences de pressions. 10) Appareil de mesure d'une accélération utilisant au moins un dispositif selon les revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la force mesurée par ledit dispositif est donnée par une masse sismique maintenue en position par un élément élastique ayant une grande raideur radiale et une très faible raideur axiale ladite masse étant appuyée sur ledit dispositif dans toute l'étendue de mesure par un ressort précontraint.