Brevet FR2745385A1 — publié le 19970829

CAPTEUR DES GRANDEURS CINEMATIQUES D'UN MOBILE CONDUCTEUR La présente invention concerne un dispositif capteur sans contact destiné à la mesure des grandeurs cinématiques d'un mobile conducteur, telles que l'accélération ou la vitesse. On connalt de multiples dispositifs qui permettent de mesurer le comportement dynamique des matériaux et notamment des jauges de déformation que l'on fixe généralement par collage sur une éprouvette du matériau à étudier. Si ces jauges de déformation se révèlent particulièrement efficaces dans le domaine des mesures statiques, il n'en est pas de même lorsqu'il s'agit d'effectuer des mesures dynamiques. Dans ce type de mesures elles se montrent en effet d'une grande fragilité puisque, sous l'effet d'une accélération, il se produit souvent un décollage de la jauge ou une rupture des fils de liaison qui relient celles-ci aux moyens électroniques de mesure. On a proposé, pour les mesures dynamiques, de remplacer les jauges de déformation par des capteurs d'autres types et notamment par des capteurs de type électromagnétique. Ces capteurs sont constitués d'une bobine qui est collée sur une éprouvette du matériau à tester et qui est plongée dans un champ magnétique uniforme, si bien que cette bobine est le siège d'une tension proportionnelle à la vitesse de déplacement de l'éprouvette. Un premier inconvénient de ce type de dispositif provient du mode de fixation par collage de la bobine sur l'éprouvette à tester qui, comme précédemment, à tendance à se décoller sous l'effet d'une accélération subie par l'éprouvette. De plus les fils de liaison de la bobine créent des tensions induites parasites. Enfin une source de perturbations de ces dispositifs provient des courants de Foucault qui sont induits dans la masse conductrice de l'éprouvette. On s'est tourné vers des capteurs qui n'ont aucun contact physique avec l'éprouvette utilisée. On remarque qu'une application préférentielle de ce type de capteurs concerne les barres de Hopkinson qui constituent comme on le sait un moyen d'essai privilégié pour accéder à la mesure du comportement dynamique de certains matériaux conducteurs, c'est à dire à la loi qui relie les contraintes et les déformations lorsque la vitesse de déformation de ces matériaux est élevée. Dans cette technique l'échantillon à tester est placé entre deux longues barres cylindriques sur lesquelles sont effectuées des mesures de déformation ou d'une grandeur dynamique qui est associée à celles-ci, telle que la vitesse ou l'accélération. Pour une telle application il est particulièrement intéressant de faire appel à des dispositifs de mesure sans contact. On connaît principalement deux technologies de mesure sans contact, à savoir la technologie optique et la technologie électromagnétique. Dans le domaine optique l'une des méthodes utilisable consiste à faire appel à la mesure de la vitesse particulaire en un point de l'élément au moyen d'un vélocimètre laser à effet Doppler. Une telle méthode présente deux inconvénients notables. D'une part le cout de l'appareillage nécessaire à sa mise en oeuvre est très élevé, spécialement en comparaison du coût d'une simple jauge de déformation, et d'autre part les appareillages utilisés sont d'une mise en oeuvre particulièrement délicate qui s'accommode mal de certaines conditions expérimentales. Ces méthodes ne peuvent donc en rien constituer une solution de rechange à l'utilisation des jauges de déformation. Les capteurs électromagnétiques quant à eux fonctionnent en régime sinusoïdal, si bien que la fréquence de modulation doit être de l'ordre de plusieurs MHz pour obtenir la même bande passante que celle fournie par les jauges de déformation, (de l'ordre du MHz), ce qui pose de ce fait un certain nombre de contraintes d'ordre technique. La présente invention a pour but de proposer un dispositif capteur sans contact en mesure de détecter une vitesse ou une accélération liée à un déplacement, et notamment au passage d'une onde, dans un solide, par exemple dans une barre de Hopkinson. La présente invention a ainsi pour objet un dispositif capteur sans contact destiné à mesurer une grandeur cinématique d'un élément conducteur du courant électrique en mouvement, telle que l'accélération ou la vitesse, caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens aptes à créer sur l'élément mobile un champ magnétique à composante normale à la surface de celui-ci, - des moyens détecteurs de champ magnétique ou de variation de champ magnétique, disposés à proximité immédiate de la surface de l'élément mobile, - des moyens récepteurs aptes à recueillir un signal produit par les moyens détecteurs. Dans un mode de mise en oeuvre intéressant de l'invention les moyens de création du champ magnétique sont aptes à créer un champ magnétique autour de l'élément mobile. Dans un autre mode de mise en oeuvre de l'invention, les moyens détecteurs sont disposés autour de l'élément mobile, ces derniers pouvant être disposés à l'intérieur des moyens aptes à créer le champ magnétique. De façon préférentielle les moyens détecteurs sont constitués d'un bobinage qui est enroulé autour de l'élément mobile et aux bornes duquel on mesure la différence de potentiel produite au cours de la mesure. On décrira ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, diverses formes d'exécution de la présente invention, en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 est une vue schématique montrant l'application de la présente invention à la mesure de grandeurs cinématiques obtenues à partir d'une barre de Hopkinson. La figure 2 est une vue en coupe d'un capteur suivant l'invention destiné à effectuer une mesure de grandeurs cinématiques sur la barre de Hopkinson représentée sur la figure 1. La figure 3 est une vue schématique de principe d'un capteur suivant l'invention. La figure 4 est une vue schématique en perpective d'un mode de mise en oeuvre de l'invention. La figure 5 est une vue schématique en perpective d'une variante de mise en oeuvre de l'invention. La figure 6 est une vue schématique en perspective d'une variante de mise en oeuvre d'un capteur suivant l'invention. La figure 7a est une vue schématique d'un exemple d'utilisation du capteur représenté sur la figure 6. La figure 7b est une vue schématique d'un autre exemple d'utilisation du capteur représenté sur la figure 6. La figure 7c est une vue schématique d'un autre exemple d'utilisation du capteur représenté sur la figure 6. On a représenté sur les figures l et 2 deux longues barres métalliques cylindriques 1,1' dites barres de Hopkinson entre lesquelles est disposé un échantillon à étudier 3. Un canon pneumatique 5 projette, par le moyen d'une détente d'air comprimé, un impacteur 7 sur une extrémité de l'une des barres l, de façon à créer une onde de déformation élastique (onde incidente) qui se propage dans celle-ci. Une partie de l'onde se réfléchit lorsqu'elle atteint l'autre extrémité de cette barre l (onde réfléchie) et, l'autre partie traverse l'échantillon 3 et se propage ensuite (onde transmise) dans l'autre barre 1'. Il a été établi que la connaissance de ces trois ondes permet d'accéder aux grandeurs physiques qui caractérisent le comportement de l'échantillon testé 3. Suivant l'invention, on dispose autour de chaque barre l et 1', à proximité immédiate de la périphérie de celles-ci, un capteur 4 relié à des moyens de traitement électroniques 6,6' du signal reçu. Ce capteur 4, ainsi que représenté sur la figure 2, est constitué d'un bobinage 9 réuni par des fils lia, llb aux moyens de traitement 6,6'. On dispose de plus autour du bobinage 9 un aimant permanent annulaire 15 apte à créer un champ magnétique radial ssr autour des barres 1 et 1'. Le diamètre interne de l'aimant 15 à champ radial est de préférence voisin du diamètre externe du bobinage 9. Comme représenté de façon schématique sur la figure 3, tout déplacement de la barre 1, ou toute onde se propageant dans celle-ci, a pour effet de générer une variation de flux magnétique à travers le bobinage 9 qui se traduit aux bornes de celui-ci par la présence d'une tension V qui est transmise aux moyens de traitement 6,6'. En effet, comme illustré sur le schéma de la figure 3, l'application du champ magnétique radial ssr sur les barres métalliques l,l' a pour effet de générer un champ électromoteur E=vAB qui, à son tour, produit un courant J=yE (où y est la conductivité du métal constituant les barres l,l'). Le champ magnétique ssr produit par l'aimant permanent 15 étant radial, les courants produits J sont circulaires et sont centrés sur le centre O de la section droite de la barre 1. Ces courants circulaires créent alors un champ magnétique de direction axiale a (dirigé vers le lecteur sur la figure 3) qui crée à son tour un flux au travers de la bobine 9. Toute variation du déplacement particulaire v produit donc une variation du champ magnétique axial a et en conséquence une variation du flux au travers de la bobine 9 qui induit à ses bornes une tension V. Cette dernière est communiquée par les fils lla,llb aux moyens de traitement 6,6'. Le capteur 4 ainsi constitué délivre donc à ses bornes une tension V liée à la dérivée de la vitesse particulaire, soit à l'accélération. Bien entendu, l'intégration de l'accélération pour obtenir la vitesse et l'intégration de celle-ci pour obtenir le déplacement diminuent encore le bruit de la mesure. L'aimant permanent 15 produisant le champ magnétique radial peut éventuellement, comme représenté sur la figure 4, être constitué d'une série de barreaux aimantés 15a qui sont maintenus entre eux par une résine durcissable 16 telle qu'une résine époxy. L'aimant permanent, comme représenté sur la figure 5, peut également être constitué à partir d'une plaque rectangulaire 15b en élastomère régulièrement aimantée sur toute sa surface, (le champ magnétique ssr étant perpendiculaire à celle-ci) qui est ensuite enroulée. Le bobinage 9 utilisé doit préférentiellement comporter un grand nombre N de spires. En effet, dans la mesure où le dispositif doit posséder une grande bande passante, nous devons prendre en compte les paramètres RLC du bobinage 9. Son inductance L croit avec le nombre de spires N et le rayon de celles-ci, et décroît avec la section droite du fil utilisé. La résistance R est ici celle du fil utilisé et croit donc avec le nombre N de spires, et avec la résistivité p du fil et décroît avec la section droite de celui-ci. Bien entendu le capteur de grandeurs cinématiques d'un mobile conducteur suivant l'invention peut être utilisé pour des mesures de déplacement divers autres que sur des barres de Hopkinson. Ce capteur permet ainsi de mesurer des vitesses de déplacement en surface d'un solide conducteur. On a représenté sur la figure 6 la surface externe 20 d'un solide qui est animé d'un déplacement dans ia direction de la flèche v Un capteur 23 est constitué d'un tube cylindrique 22 à l'intérieur duquel sont disposés deux barreaux aimantés 24,24' dont les polarités sont inversées. Au centre du tube 22, à l'extrémité de celui-ci la plus proche du solide 20 est disposée une bobine 26 reliée par des fils 28,28' à des moyens de traitement, non représentés sur le dessin. Les aimants 24 et 24' créent des champs magnétiques ssi qui, appliqués sur la surface 20 du solide, créent avec le déplacement v un champ E qui, à son tour, crée un courant électrique J, ainsi que représenté sur la figure 6.Les spires de courant produites créent à leur tour un champ magnétique axial a et en conséquence un flux au travers de la bobine 26, dont les variations sont source d'une tension V aux bornes de celle-ci. Comme représenté sur la figure 7a, les capteurs 23 de ce type peuvent être utilisés pour mesurer la vitesse de rotation en périphérie d'un arbre 30, où comme représenté sur la figure 7b pour mesurer la vitesse en un rayon donné r d'une section droite de cet arbre 30. Le capteur 23 sera disposé de façon que son axe de symétrie yy' soit perpendiculaire à la surface sur laquelle on effectue la mesure. De tels capteurs peuvent bien entendu, comme représenté sur la figure 7c, mesurer les vitesses de déplacement longitudinal et transversal d'un banc 30' d'une machine-outil ou d'un organe en mouvement d'un véhicule. On pourrait bien entendu mettre en oeuvre le présent dispositif en remplaçant, dans le capteur suivant l'invention, les moyens détecteurs précédemment décrits par des détecteurs à effet Hall. De tels détecteurs s'ils présentent l'inconvénient de réduire la bande passante produite permettent néanmoins de mesurer directement la vitesse sans qu'il soit nécessaire pour cela d'intégrer l'accélération. REVENDICATIONS 1.- Dispositif capteur sans contact destiné à mesurer une grandeur cinématique d'un élément conducteur (1) du courant électrique en mouvement, telle que l'accélération ou la vitesse, caractérisé en ce qu'il comporte - des moyens (15,24,24') aptes à créer sur l'élément mobile (1) un champ magnétique à composante normale à la surface de celui-ci, - des moyens détecteurs du champ magnétique (9,26) ou de la variation de champ magnétique, disposés à proximité immédiate de la surface de l'élément mobile (1), - des moyens récepteurs (6,6') aptes à recueillir un signal produit par les moyens détecteurs (9,26). 2.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de création du champ magnétique (15) sont aptes à créer un champ magnétique autour de l'élément mobile (1). 3.- Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que les moyens détecteurs (9) sont disposés autour de l'élément mobile. 4.- Dispositif suivant l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé en ce que les moyens détecteurs (9) sont disposés à l'intérieur des moyens (15,24,24') aptes à créer le champ magnétique. 5.- Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens détecteurs sont constitués d'un bobinage (9,26). 6.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens détecteurs sont constitués d'au moins un détecteur à effet Hall. 7.- Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'élément de création d'un champ magnétique comprend un aimant permanent cylindrique (15) de section annulaire apte à produire un champ magnétique (ssr) radial, à l'intérieur duquel est disposé un bobinage (9) dont le diamètre interne des spires est voisin de la dimension externe de l'élément mobile (1). 8.- Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'il est constitué d'au moins une source de champ magnétique (24,24') et d'un bobinage (26) dont l'axe (yy') est parallèle à celui de ladite source de champ magnétique (24,24') et est disposé à proximité de celle-ci et sur la partie du capteur destinée à être positionnée à proximité de l'élément mobile (1).