Brevet FR2790830A1 — publié le 20000915

EXTENSOMETRE MINIATURE DE FAIBLE RAIDEUR La mesure des contraintes sur des grandes structures est une nécessite industrielle qui a con- duit à la réalisation de nombreux dispositifs destinés à cette opération. la solution qui semble la plus logique est de coller sur la structure des jauges de déformation. Les grandes dimensions, ó et souvent les conditions de chantier ne permettent pas le collage des jauges de telle manière qu'on puisse assurer une bonne qualité de la mesure. D'autre part, très souvent les niveaux de contrainte sont faibles ce qui impose un gain important au conditionneur et par conséquence réduit le rapport signal/bruit ainsi que l'éventail de la mesure tout en augmentant son incerti- tude. -I vPour éviter le collage des jauges sur la structure, on a utilisé des plaquettes porteuses sur les- quelles on colle les jauges en laboratoire dans de bonnes conditions. Tout en présentant un avantage du point de vue de la qualité du collage la solution a un désavantage majeur qui con- siste en la raideur excessive du corps d'épreuve qui dans la plupart des cas travaille en trac- tion/compression. Cette raideur impose des fixations encore plus rigides que le corps d'épreuve ç- pour éviter une perte de signal et complique le montage tout en gardant un risque de glisse- ments entre plaquette et support avec des erreurs de mesure, non retour à zéro, etc. Tout cet ensemble fait que les dimensions (à cause des fixations) sont importantes, qu'on ne peut monter que sur des structures qui localement sont plus rigides que les capteurs ce qui limite les applications possibles. Les fixations rigides imposent un montage compliqué avec souvent des i.o perçages alésés en même temps dans la structure et dans le corps du capteur pour passer des goupilles travaillant en cisaillement et assurer la raideur requise. Dans une autre approche on a réalisé des capteurs qui s'introduisent, avec une précontrainte radiale, dans la paroi de la structure portante. Les dimensions importantes de ces trous font qu'il y a des risques de con- centration excessive des contraintes ce qui peut mener à la destruction de la structure. ConzSscient du risque, le fabricant lui-même attire l'attention des utilisateurs sur cet aspect limitatif. D'autre part de telles solutions ne peuvent être utilisées que sur des structures à parois épais- ses et sont par conséquent limitées en ce qui concerne les applications. La présente invention a les buts suivants: -Assurer une grande déformabilité du corps d'épreuve afin de réduire sa raideur dans le sens de la mesure, -Réduire les fixations en raideur et en dimensions, Réduire également les dimensions d'encombrement de l'extensomètre, Assurer la présence de contraintes/déformations du corps d'épreuve de sens contraires sur une même surface pour permettre le collage de jauges-pont ce qui simplifie l'équipement tout 3ren augmentant la sensibilité et la stabilité en température. -Augmenter le signal de sortie pour une même déformation de la base de mesure afin d'améliorer le rapport signal/bruit et permettrç r'utilisation à des niveaux de contraintes réduits. Pour fixer les idées on indique ci-après les sensibilités des différentes méthodes de mesures réalisées ou préconisées à ce jour: -Une jauge collée sur la structure qui présente une déformation relative dans le sens de la mesure" sB": = 1/4 * kj * EB o kj est le coefficient de jauge -Deux jauges à 90 sur la structure 6 = 1/4 * kj * ES * (1+v) o v est le coefficient de Poisson -Quatre jauges deux à deux à 90 sur la plaquette 6 = 1/2 * kj* EB * (1+v) -Sur la structure objet de ce brevet = kj * EB * Gs o Gs= gain intrinsèque du capteur Si l'on compare avec les méthodes les plus courantes on obtient les coefficients d'amplification suivants: - Par rapport à la jauge seule KA = (kJ*EB*Gs)/( 1/4* kJ* EB) = 4 Gs (g- - Par rapport à la plaquette KA = (kj * EB * Gs)/( 1/2 * kJ * EB * (1+ v)) = = 2Gs/(1 +v) 1,54 Gs On voit que dans tous les cas le gain de signal est supérieur à 3 avec un Gsk 2. Les solutions objet de ce brevet ont toutes des gain intrinsèques supérieurs à 3. Il est possible d'augmenter encore plus le gain en donnant au dispositif une base de mesure plus grande. 2 La solution qui est présentée ci-après consiste en: - Un corps d'épreuve pour la mesure de contraintes caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens pour transformer l'allongement linéaire de la surface sur laquelle il est monté en une flexion du dit corps d'épreuve bien définie dans des zones de travail prédéterminées. - Corps d'épreuve qui est également caractérisé par le fait que les moyens de transformation 2g de l'allongement en flexion génèrent des contraintes dans le dit corps d'épreuve de signes con- traires et de valeurs proches sur une même surface permettant de fixer ou de déposer sur cette surface un pont de jauges complet. - Le corps d'épreuve comprend deux blocs d'ancrage sur la surface portante et un bloc entre ces deux qui est relié aux deux blocs d'ancrage par des poutres minces et déformables en 2 flexion de manière à ce que les forces agissant sur ces poutres, en sens axial, conduisent à sa rotation selon un axe parallèle à la surface portante et perpendiculaire à celui du déplacement relatif des blocs d'ancrage. - Une autre solution présentée comprend entre les deux blocs d'ancrage une structure mince usinée ou en tôle pliée, en forme de Z ou V, formant par une réduction locale de sa largeur une - zone de flexion telle que le déplacement relatif des blocs d'ancrage génère dans la dite zone une flexion double. - L'extensomètre objet du brevet utilise un corps d'épreuve selon les descriptions plus haut équipé par un pont de 4 jauges et appliqué ou déposé par une des technologies usuelles telles que collage de jauges - pont à trame pelliculaire, dépôt de jauges en couche mince, collage de jauges en matériaux semi-conducteurs ou collage d'une mince plaquette en céramique sur la- quelle un pont de jauges en couche épaisse a été déposé. Dans une variante ultraminiaturisée il est possible de réaliser le corps d'épreuve en un matériau semi-conducteur te que le silicium et diffuser les jauges dans les zones de mesure. - L'extensomètre est fixe sur la structure portante de manière à assurer une raideur importante face au torseur des sollicitations par deux pièces cylindriques annulaires reliées sans jeux avec /o les blocs d'ancrage du corps d'épreuve, traversées en leur milieu par des vis de fixation et pré- sentant à la surface de fixation sur la dite structure une arrête circulaire résultant de l'intersec- tion de deux cônes ayant des angles de 40 à 60 pour le cône extérieur et 60 à 90 pour le cône intérieur, sur un diamètre de 1,5 à 3 fois celui de la vis centrale. /ç Le corps d'épreuve est conçu de telle façon qu'il transforme le déplacement linéaire entre les deux blocs d'ancrage ( 1.1 ou 2.1) de celui-ci sur la structure portante à mesurer (1.0) en une déformation de flexion (F) de la zone de mesure ( 1.2 ou 2.3) et de telle manière que sur une et même surface apparaissent à une distance prédéterminée, bien définie et constante dans le temps, des contraintes de traction (Z+) et de compression (Z-) égales ou proches en amplitude. 2c Par rapport aux plaquettes qui travaillent en traction/compression on a l'avantage, grâce à la flexion, d'une raideur nettement plus faible qui permet - tout en maintenant le contact sans glis- sements - de réduire considérablement les dimensions des fixations et par la suite celles de l'extensomètre. La transformation du déplacement linéaire en flexion peut se faire de différentes manières dont on présente à titre d'exemple 2 variantes tout en mentionnant que cette présentation n'est pas limitative car d'autres structures remplissent une fonction similaire et donc sont aptes à être utilisées pour obtenir le même résultat. Les points communs de ces structures se trouve dans l'énoncé précédent. La présence des contraintes contraires ( + et -) à une distance bien déterminée ajoute l'avantage de l'utilisation O de jauges en pont complet, de disposer de 4 jauges actives et à des taux de contraintes pro- ches. Ceci réduit considérablement la dérive en température du pont, assure une incertitude de mesure nettement plus faible et réduit également le coût de l'équipement. La première solution présentée à titre d'exemple ( voir fig. 1) consiste en deux blocs d'ancrage 1.1 et un bloc central 1.3 reliés par deux zones élastiques 1.2. Les blocs 1.1 sont fixés par les c- fixations 1.6 sur la surface portante 1.0. Sur l'une des zones 1.2 est collé une jauge pont 1. 4. En fonction des déplacements relatifs ( 1.7) des blocs 1.1 apparaissent sur le bloc 1.3, après une rotation ( R) de celui-ci, des couples qui sont équilibrés par la flexion des zones 1.2 ainsi que la fig.1.b le montre. On voit sur cette figure les flexions (F) et les zones de signes contraires Z+ et Z-. On voit également que la déformation de la zone de mesure est uniquement dépendante de la variation de lon- gueur de la base de mesure. On peut donc -comme indiqué plus haut- varier le gain du capteur en modifiant la base et sans changer la zone de mesure. Ceci est un avantage important dans le cas de faibles contraintes car on amplifie le signal utile sans amplifier le bruit de fond. Une autre solution présentée à titre indicatif et pour montrer le caractère non limitatif de la con- ception est décrite en fig. 2. Les 2 blocs d'ancrage 2.1 sont fixes sur la surface portante (1.0) par des fixations comme indiqué sur la figure 1. Ils sont reliés par une structure mince (2.2) ob- tenue soit par usinage, soit par le pliage d'une tôle et qui a en son milieu une zone de mesure de largeur réduite (2.3) sur laquelle est appliqué ou déposé le pont de jauges (2.4). En cas de déplacement axial relatif (1.7) des blocs 2.1 celui-ci est transmis par les deux extrémités de la structure 2.2 à la zone de mesure 2.3 qui va se déformer comme indiqué sur la fig. 2.b Cette déformation génère ainsi que la figure le montre deux zones de contraintes de signes contraires Z+ et Z-. A cause de cette flexion en sens longitudinal la projection de la longueur de la zone de / mesure sur la perpendiculaire à la surface portante 1.0 est modifiée ( réduite) quel que soit le sens de l'allongement 1.7. Cette réduction introduirait sans la compliance des extrémités de la structure 2.2 des contraintes de traction dans la zone de mesure qui pourraient réduire la quali- té de la mesure et la durée de vie de l'appareil. Le deuxième volet de l'invention est la fixation des blocs d'ancrage 1.1 ou 2.1 sur la structure 2o portante 1.0. Cette fixation doit assurer: -Une résistance aux forces apparaissent durant la déformation de l'ensemble extensométre- structure portante ainsi qu'une grande raideur dans le sens d'action de ces forces ( parallèle à la surface de montage) afin de transmettre sans pertes la déformation de la structure au corps Z5 d'épreuve. -Une raideur importante vis à vis de tout couple agissant soit parallèlement à la surface de montage soit perpendiculairement à celle-ci. -Une raideur en flexion importante pour que les forces excentrées ne modifient pas par flexions parasites les signaux de mesure en introduisant des non linéarités. 3o -Une facilité de mise en oeuvre sur site. La fixation, présentée en fig. 3, consiste en une pièce cylindrique annulaire (3.1) ayant à l'une de ses extrémités un double cône et qui est traversée par une vis (3.2). Cette pièce est réalisée dans un acier traité pour obtenir en surface des duretés > 55 HRC. Elle est fixée sans jeu dans le corps d'épreuve 3.3. Au moment du serrage l'arrête ( 3.4) définie par l'intersection des deux 7S' cônes déforme de manière élastoplastique la surface de montage de la structure portante (1.0) et crée un bourrelet qui va s'opposer à tout déplacement transverse en créant une liaison de forme entre les deux pièces. La déformation en compression élimine les risques de fatigue lo- cale car uniquement les contraintes de traction font progresser par ouvertures successives les éventuelles fissures. Des angles sortant des domaines indiqués sur la fig.3 ne peuvent assurer la formation correcte du bourrelet. D'autre part la raideur de cette zone de contact - bien définie - ainsi que la précontrainte dans la vis 3.2 réalisent un ensemble s'opposant à tout couple dont le vecteur est dans un plan parallèle à la surface de fixation. Les forces de contact entre cette pièce et le support assurent également une résistance à tout couple dirigé ( en tant que vecteur) perpendiculairement à la surface. Le choix judicieux des dimensions et des proportions des éléments de fixation fait que la précontrainte des vis est maintenue même sous l'effet de vibra- tions ou charges dynamiques. a Cet ensemble de mesures optimisé permet une réduction drastique des dimensions des fixa- tions ainsi que celles de l'extensomètre dans son ensemble. La réduction de la raideur appa- rente de l'extensomètre ( dans sa variante de base) dans le sens de la mesure est telle que des fixations par simple collage sont suffisantes pour transmettre sans pertes les déformations de la surface portante vers le capteur. Pour une des constructions réalisées la raideur appa- S rente est celle d'une tôle de 0.2 mm d'épaisseur et permet donc l'utilisation même sur des structures fines. Revendications: 1. Corps d'épreuve pour la mesure de contraintes caractérisé par le fait qu'il com- porte des moyens pour transformer l'allongement linéaire de la surface sur laquelle il est monté en une flexion du dit corps d'épreuve bien définie dans des zones de travail pré- déterminées. 2. Corps d'épreuve d'extensomètre selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les moyens de transformation de l'allongement en flexion génèrent des contraintes dans le dit corps d'épreuve de signes contraires et de valeurs proches sur une même surface permettant de fixer ou de déposer sur cette surface un pont de jauges complet. 1 O 3. Corps d'épreuve pour extensomètre selon les revendications let 2 comprenant deux blocs d'ancrage sur la surface portante et un troisième bloc entre eux qui est relié aux deux blocs d'ancrage par des poutres minces et déformables en flexion de manière à ce que les forces agissant sur ces poutres en sens axial conduisent à sa rotation selon un axe perpendiculaire à celui de la mesure. /.ó 4. Corps d'épreuve pour extensomètre selon les revendications let 2 comprenant deux blocs d'ancrage sur la surface de mesure et entre eux une structure mince usinée ou en tôle pliée en forme de Z ou V formant par une réduction locale de sa largeur une zone de flexion telle que le déplacement relatif des blocs d'ancrage génère dans la dite structure une flexion double. 2 o 5. Extensomètre utilisant un corps d'épreuve selon les revendications là 4 équipé d'un pont de 4 jauges actives appliqué par une des technologies usuelles telles que col- lage de jauges - pont à trame pelliculaire, dépôt de jauges en couche mince, collage de jauges en matériaux semi-conducteurs ou collage d'une mince plaquette en céramique sur laquelle un pont de jauges en couche épaisse a été déposé. 6. Extensométre selon les revendications 1 à 5 fixe sur la structure portante, de manière à assurer une raideur importante face au torseur des sollicitations, par deux pièces cylindriques, annulaires, reliées sans jeux aux blocs d'ancrage du corps d'épreuve, traversées en leur milieu par des vis de fixation et présentant à la surface de fixation sur dite structure une arrête circulaire résultant de l'intersection de deux cônes o ayant des angles de 40 à 60 pour le cône extérieur et 60 à 90 pour le cône intérieur, sur un diamètre de 1,5 à 3 fois celui de la vis centrale.