Brevet FR2790548A1 — publié le 20000908

La présente invention concerne un système destiné à la mise au théorique de tables ainsi qu'à la surveillance géométrique de ces dernières. D'une manière générale, les bâtis, marbres, structures et outillages de grande taille subissent au cours du temps des fluctuations de leur géométrie préjudiciables à leur bonne utilisation. C'est le cas par exemple dans la construction aéronautique ou de laser. En construction aéronautique par exemple, des outillages de grande taille sont utilisés pour permettre le positionnement et l'assemblage des pièces constituant les structures des avions. Ces outillages subissent des déformations voulues par l'utilisateur pour permettre une adaptation de l'outillage aux défauts de l'avion fabriqué. Il peut aussi y avoir des déformations parasites pouvant être causées par les mouvements du sol, une relaxation des contraintes internes dans l'outillage, des variations de température ou tout autre phénomène. Il s'avère donc utile pour l'utilisateur de connaître les déformations subies pour éventuellement les corriger et retrouver la géométrie initiale. Dans le cas d'une structure de support d'un faisceau laser, cette dernière subit des fluctuations de sa géométrie sous les effets des variations de température, du tassement du sol et des fondations ou toute autre cause. Ces fluctuations de géométrie affectent les performances du laser. Il importe dans ce cas de surveiller la géométrie de la structure pour en corriger les variations ou pour les compenser par un dispositif optique ou autre. Pour assurer la mise au théorique et surveiller la géométrie des bâtis, marbres, structures ou outillages de grande dimension, il est connu de mesurer la position de différents points de référence par rapport à un plan horizontal prédéterminé. La mesure peut s'effectuer en déterminant le niveau d'un liquide dans plusieurs récipients reliés entre eux par un réseau hydraulique. Elle peut aussi être réalisée par la mesure sans contact du niveau d'un liquide. On utilise alors un réseau de capteurs capacitifs. La capacité variant en fonction de la distance qui sépare deux électrodes, on peut déterminer un niveau par rapport à une référence. Dans ce cas précis, une des électrodes est constituée par la surface de l'eau, l'autre par le capteur lui-même. L'amplitude du signal de sortie est proportionnelle à la capacité mesurée. Elle peut encore s'effectuer par mesure de la distance entre un flotteur et un capteur. Différentes techniques sont appliquées pour mesurer la position du flotteur: - par induction. Un détecteur composé d'un oscillateur est disposé à proximité d'une charge métallique portée par un flotteur. Lorsque le niveau d'eau varie, l'entrefer entre le détecteur et la charge varie, les courants induits varient. Après traitement électronique du signal issu de l'oscillateur, on obtient une mesure du niveau d'eau. - par triangulation laser. Un faisceau laser émis par la tête du capteur forme un point lumineux à la surface du flotteur. Ce point lumineux est observé par un capteur CCD après focalisation par une lentille optique. L'image du point lumineux se déplace sur le capteur CCD en fonction du déplacement du flotteur. Après traitement des signaux issus du capteur CCD, on obtient une mesure de la position du flotteur. - par magnétostriction. Le principe de mesure est fondé sur un phénomène de magnétostriction issu de l'interférence entre le champ magnétique d'un aimant flottant à la surface de l'eau et le champ magnétique issu d'une barre servant de guide à l'aimant. Puis un capteur fournit un signal électrique proportionnel à la distance entre l'aimant et le capteur. Ces principes conduisent à un dispositif coûteux dans le premier cas, ou à un dispositif peu précis (lorsqu'il est soumis à des vibrations) et présentant un hystérésis important. Ces inconvénients les rendent inaptes à répondre aux besoins. Afin de résoudre ces problèmes, l'invention propose un capteur spécifique, un dispositif de mise au théorique et de surveillance géométrique de tables intégrant ce capteur spécifique et un procédé de surveillance permettant de fournir une référence fiable à tout moment. L'invention a donc pour objet un capteur magnétostrictif comprenant, une cuve partiellement remplie par un fluide, un élément de mesure longitudinal plongé dans le fluide comprenant un conducteur apte à engendrer un15 premier champ magnétique, un aimant permanent relié à un guide coulissant le long de l'élément de mesure et soumis à l'action d'un flotteur, et un convertisseur transformant une onde mécanique issue du phénomène de microstriction entre le premier champ magnétique et celui de l'aimant permanent en un signal électrique proportionnel à la distance entre le convertisseur et l'aimant permanent, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble d'au moins deux flotteurs fixés à l'aimant et destinés à constituer un moyen empêchant le coincement de l'aimant par rapport à l'élément de mesure. Avantageusement, les deux flotteurs sont reliés à l'aimant permanent en au moins deux points sur un bras disposé suivant un diamètre de la cuve. Le dispositif peut comprendre trois flotteurs disposés à 120 l'un de l'autre, chaque flotteur étant fixé sur un bras solidaire du guide. Avantageusement, les flotteurs sont disposés au-dessus de l'aimant de façon à constituer un système pendulaire. La cuve comporte au moins deux canalisations permettant la communication entre l'intérieur et l'extérieur de la cuve, l'un étant situé au-dessus du niveau du fluide, l'autre au-dessous. L'invention concerne également un dispositif hydrostatique comportant au moins deux capteurs magnétostrictifs. Avantageusement, les canalisations supérieure et inférieure de chaque capteur magnétostrictif sont connectées ensemble pour constituer d'une part un réseau hydraulique et d'autre part un réseau d'air. Les capteurs magnétostrictifs sont fixés sur une structure pouvant être déformée. L'invention concerne également un dispositif de mesure comprenant un ou plusieurs dispositifs hydrostatiques dont les signaux électriques délivrés par chaque convertisseur sont transmis à au moins un boîtier de raccordement. L'invention concerne aussi un procédé de mise en référence de structures, mettant en oeuvre le dispositif de mesure. Avantageusement, les informations issues du boîtier de raccordement sont ensuite transmises à un système de traitement permettant la visualisation de l'image des signaux électriques transmis par le convertisseur. L'invention concerne encore un procédé de surveillance géométrique de structures mettant en ouvre le dispositif de mesure. Avantageusement, les informations issues du boîtier de raccordement sont ensuite transmises à un système de traitement permettant la visualisation de l'image des signaux électriques transmis par le convertisseur. Ce dispositif permet d'assurer une bonne précision et une bonne répétition des mesures tout en restant peu onéreux. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait que la mise en euvre du dispositif peut être automatisée et ne nécessite pas un personnel qualifié pour effectuer les mesures. L'intervention humaine est ainsi éliminée. Un autre avantage de l'invention réside dans le fait qu'elle permet des mesures sur des structures de très grandes dimensions, 100 m ou plus, pour un coût économique abordable et sans perte de précision. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée, non limitative, qui va suivre de modes de réalisation en relation avec des dessins parmi lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un capteur magnétostrictif selon l'état de la technique, - la figure 2 est une coupe d'un premier mode de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 3 illustre une représentation schématique d'un second mode de réalisation du capteur selon l'invention, - la figure 4 est une coupe AA de la figure 3, - la figure 5 est une vue perspective du capteur, - la figure 6 est une coupe du capteur, - la figure 7 illustre la réalisation du dispositif de mesure mettant en oeuvre des capteurs selon l'invention, et - la figure 8 représente le système d'acquisition et d'impression qui permet de traiter les informations issues du dispositif de mesure. On a représenté sur la figure 1 le schéma de principe d'un capteur magnétostrictif 1 connu, c'est-à-dire un capteur fonctionnant par déformation élastique de la microstructure environnante. Il comprend un élément de mesure 2 constitué par exemple d'un alliage nickel-fer spécial constituant un guide d'onde, dans lequel est emboîté un conducteur en cuivre. L'élément de mesure 2 est relié à une extrémité à un convertisseur 3 dont le rôle est de délivrer un signal électrique en réponse à une déformation mécanique. Un aimant permanent 4 de forme annulaire enserre l'élément de mesure 2 et coulisse librement par rapport à celui-ci. L'ensemble décrit est positionné par rapport à une cuve 5 contenant un liquide 6, de l'eau par exemple, dans lequel plonge l'élément 2 au niveau de son extrémité libre 7. L'aimant 4 baigne dans le liquide 6 et bien entendu, sa flottabilité est assurée par un flotteur 8 sur lequel il est fixé. A son extrémité libre 7, l'élément de mesure 2 est muni d'un amortisseur d'onde. Ce capteur connu 1 fonctionne de la manière suivante. On envoie une brève impulsion de courant dans le conducteur en cuivre qui engendre un champ magnétique circulaire focalisé dans le guide d'onde (élément de mesure 2) du fait de ses propriétés magnétiques. Le point de mesure est matérialisé par l'aimant 4 et ses lignes de champs sont focalisées dans le guide d'onde. Dans la zone o ces deux champs magnétiques se rejoignent, une déformation élastique de la microstructure produit une onde mécanique qui se propage des deux côtés du guide (phénomène de magnétostriction). Cette onde mécanique est amortie au niveau de l'extrémité libre 7 et transformée en signal électrique par le convertisseur 3 au niveau de l'autre extrémité. Le temps de parcours de l'onde pour parvenir au convertisseur est représentatif de la distance séparant l'aimant 4 du convertisseur 3. Cette distance est définie avec un haut degré de précision. La mesure de cette distance permet de connaître la position d'un repère solidaire de la structure à analyser. Le capteur 1 tel que décrit précédemment n'est pas adapté à des mesures fiables, car il connait un hystérésis important lié au frottement contre le guide d'onde. La solution de ce problème réside dans la conception d'un nouveau capteur et suivant l'invention on adopte une structure comprenant au moins deux flotteurs. La figure 2 représente une telle structure. Le capteur 10 représenté comprend l'élément de mesure 2, le convertisseur 3 et l'aimant 4. L'aimant 4 peut être simple, mais on préfère prévoir suivant l'invention un ensemble d'au moins deux aimants élémentaires montés face à face dans un anneau5 support. On peut aussi prévoir un ensemble de quatre aimants montés en croix. Dans les deux cas, l'élément de mesure 2 passe dans l'espace libre délimité par les aimants. Le capteur 10 comporte une cuve 11 formant un corps support renfermant un liquide 12 susceptible d'occuper un niveau haut 12a et un niveau bas 12b. Le corps 11 peut se présenter sous la forme d'un cylindre limité par un couvercle 13 et un fond 14. Le convertisseur 3 est appliqué à l'extérieur du couvercle et l'élément de mesure 2 plonge dans le liquide 12. Sur la figure, on voit que le couvercle supporte une canalisation 15 reliée à un réseau 16 qui sera explicité plus en détail ultérieurement. Le fond 14 supporte également une canalisation 17 en relation avec un réseau 18 qui sera explicité ultérieurement plus en détail. Le corps 11 est muni extérieurement d'un rétreint 19 permettant de le fixer sur une structure quelconque à l'aide d'une bride 20. L'aimant 4 est relié à deux flotteurs 21 et 22 par l'intermédiaire d'un guide 23, un système de fixation permet de relier l'aimant au guide par l'intermédiaire d'un bras 24 sur lequel on vient fixer les flotteurs 21 et 22. Sur la figure, on voit que les deux flotteurs 21 et 22 sont fixés sur un diamètre passant par l'élément de mesure 2. On obtient ainsi un guidage tout à fait satisfaisant de l'aimant par rapport à l'élément de mesure. Le capteur ainsi réalisé possède une sensibilité très réduite aux vibrations, contrairement aux systèmes de mesure optique par lunette de nivellement ou théodolite. D'autre part, le capteur selon l'invention permet une mesure au théorique par rapport à un plan de référence sans artifice de mesure supplémentaire. Sur la figure 3, on a représenté un système mobile à trois flotteurs permettant à l'aimant permanent 4 d'être guidé le long de l'élément de mesure 2. Comme précédemment, l'aimant 4 est attelé au guide 23 coulissant par rapport à5 l'élément de mesure. Les trois flotteurs 25, 26 et 27 sont solidaires d'une plaque 28 par l'intermédiaire d'un pilier 29 et du guide 23. Chaque flotteur simple est disposé en partie supérieure, c'est-à-dire au-dessus de l'aimant 4 et du guide 23. Cette disposition favorise la stabilité verticale de l'ensemble. Les flotteurs 25-27 présentent une surface extérieure lisse et régulière. Ils sont réalisés en un matériau connu sous la désignation Nylon ou Téflon, ce qui permet de réduire les effets de capillarité nuisibles à la qualité de la mesure. Le guide 23 est réalisé également en Téflon ou en Nylon ou tout autre matériau assurant un faible coefficient de frottement avec le dispositif de mesure 2 dans un environnement aqueux. Le guide 23 est relié à l'aimant 4 ou au support sur lequel le ou les aimants élémentaires sont fixés par des boulons 39 en Nylon assurant légèreté et démontabilité. On pourrait cependant prévoir un montage fixe par collage ou tout autre moyen. Sur la figure 4, on a représenté une coupe en vue de dessus o l'on voit que les trois flotteurs 25, 26 et 27 sont disposés suivant un angle de 120 entre eux. Cette disposition permet de diminuer la sensibilité du capteur aux mouvements parasites provoqués par les ondes de surface qui se créent à la surface du liquide. Ces ondes sont dues à des vibrations ou des chocs mécaniques qui se propagent dans la structure de l'outillage. La plaque 28 est munie d'un certain nombre de perforations 30 assurant une libre circulation du liquide 12. On a représenté sur la figure 5 une vue perspective d'un autre mode de réalisation de l'ensemble flotteur. Dans cette réalisation, les trois flotteurs 25, 26 et 27 sont fixés à des bras 31 reliés chacun au guide 23. La coupe suivant la figure 6 montre l'arrangement spatial des trois flotteurs à 120 fixés sur les bras 31. La figure montre également que l'aimant 4 est constitué de quatre aimants élémentaires 4a, 4b, 4c et 4d disposés suivant des rayons perpendiculaires entre eux. Le flotteur triple ainsi décrit permet d'assurer à l'ensemble une flottabilité et une stabilité en position verticale tout à fait satisfaisante. On évite ainsi les frottements, les coincements pouvant être causés par une mauvaise position du guide 23 par rapport à l'élément de mesure 2. De plus, étant donné que l'aimant 4 ou les aimants élémentaires 4a-4d constituent un système pendulaire avec le guide 23 et les flotteurs 21-22 et 25- 27, la sensibilité de l'ensemble aux sollicitations mécaniques et aux ondes de surface est réduite. Sur la figure 7, on a représenté un dispositif de mesure 35 constitué de plusieurs capteurs magnétostrictifs reliés entre eux. Ces capteurs sont fixés par exemple sur la table 36 dont on veut déterminer la planéité ou bien les déformations en des points de mesure. Initialement, on s'arrange pour que la surface du fluide contenu dans les capteurs 10 soit perpendiculaire à l'élément de mesure incorporé. Les capteurs 10 sont reliés à un réseau hydraulique 18 par les canalisations 17 comme indiqué en relation avec la figure 2. Ce réseau 18 permet d'établir dans tous les capteurs 10 le même niveau de référence, par exemple à l'aide d'un niveau à bulle ou d'une lunette de nivellement. Ces capteurs sont également reliés au réseau d'air 16 par les canalisations 15 décrites précédemment. Chaque convertisseur 14 est relié par un câble électrique 37 à un boîtier de raccordement 38. On voit donc que les points de mesure sélectionnés o sont disposés les capteurs n'ont pas besoin d'être accessibles par un opérateur et de plus il n'est pas nécessaire de ménager des lignes de visée entre les points de mesure. C'est donc un avantage indéniable de l'invention. On a représenté figure 8, un système d'acquisition et d'impression 40 composé d'une interface 41, d'un micro contrôleur 42 ainsi que de périphériques tels qu'un afficheur 43, un clavier 44 et une imprimante 45. Ce système est relié au boîtier de raccordement 38. Le fonctionnement du dispositif destiné à la mise au théorique de tables ainsi qu'à la surveillance géométrique de ces dernières est le suivant. L'ensemble des capteurs 10 permettent de mesurer la distance entre la surface de référence de l'aimant permanent 4 et le convertisseur 3. La mesure est déclenchée par une brève impulsion de courant parcourant le conducteur en cuivre intégré dans l'élément de mesure 2. Ce courant engendre un champ magnétique circulaire qui se trouve focalisé dans l'élément de mesure 2 du fait de ses propriétés magnétiques. Le point de mesure est matérialisé par la surface de référence de l'aimant permanent 4 dont les lignes de champ sont également focalisées dans l'élément de mesure 2. Une déformation élastique de la microstructure (magnétostriction) produit, dans la zone de l'élément de mesure 2 o les deux champs magnétiques se rejoignent, une onde mécanique qui se propage des deux côtés. Cette onde de torsion ultrasonique est transformée en signal électrique par le convertisseur 3. On sait que la célérité de l'onde dans le métal est constante (de l'ordre de 2,85 m/ms). Par conséquent, le temps nécessaire à l'onde pour parvenir de son origine au convertisseur 3 est directement proportionnel à la distance qui sépare la surface de référence de l'aimant permanent 4 du convertisseur 3. A partir de la durée, la distance est définie avec un haut degré de précision. Les dimensions du corps 11 et des autres éléments étant connus, il est aisé de déterminer la hauteur de fluide 12b dans le corps 11. l1 On notera qu'en cas de variation du niveau du fluide 6, si sa surface est parfaitement perpendiculaire à l'élément de mesure 2, l'élément 8 de l'état de la technique coulisse correctement sur l'élément de mesure 2. Par contre, s'il se produit des vibrations ou si la cuve 5 et par conséquent l'élément de mesure 2, sont inclinées (géométrie non horizontale de la table) par rapport à la surface du fluide 6, des coincements vont se produire entre l'élément 8 et l'élément de mesure 2. Ces coincements entraînent des erreurs de mesure et se traduisent par des hystérésis. Les deux ou trois flotteurs selon l'invention en raison de leur disposition régulière permettent au bloc formé par l'aimant 4 et le guide 23 de glisser régulièrement et de suivre strictement les variations du niveau du fluide 12 dans le corps 11. Les coincements sont supprimés et les valeurs issues du convertisseur 3 ne sont plus entachées d'erreurs. Pour réaliser la mise au théorique ainsi que la surveillance géométrique de la table 36, on y fixe de façon régulière plusieurs capteurs magnétostrictifs 10 comme représenté sur la figure 7. Le réseau d'air 16 et le réseau hydraulique 18 relient les cuves de chaque capteur 10. On obtient ainsi un réseau hydrostatique de vases communicants. Un faisceau de câbles électriques 37 relie tous les convertisseurs 3 au boîtier de raccordement 38. Le système d'acquisition 40, connecté au boîtier de raccordement 38, permet de visualiser la hauteur de fluide 12b dans chaque corps 11. Le dispositif de mesure ainsi réalisé peut être mis en oeuvre dans divers procédés. Les deux principaux sont: la mise au théorique de la table 36 et la surveillance géométrique de cette table. Le procédé de mise au théorique de la table 36 est en général la phase initiale de toute utilisation. Il comporte plusieurs étapes: - mise en position horizontale de la table. Cette étape peut être réalisée à l'aide d'un niveau à bulle; - mesure du niveau du fluide dans tous les corps 11; - réglage de la hauteur des corps 11 afin d'obtenir un centrage du niveau du fluide au milieu de l'étendue de la zone de mesure des capteurs magnétostrictifs 10; - mesure du niveau du fluide 12 dans tous les corps 11 pour définir le niveau zéro de chaque corps 11. Ensuite, on peut mettre en oeuvre le dispositif de mesure selon l'invention pour surveiller la géométrie de la table 36. Il est parfois nécessaire de déformer la table 36 ou de la conserver dans une position particulière malgré des perturbations extérieures telles que la dilatation ou l'affaissement du sol. Cela va être réalisé à l'aide d'actionneurs non représentés sur les figures qui vont agir sur la table. Plusieurs étapes sont nécessaires après la mise au théorique de la table 36: détermination de la position à obtenir ou de la déformée souhaitée de la table 36; - détermination du niveau de fluide à obtenir dans chacun des capteurs 10; - calcul de la différence entre le niveau du fluide 12 et le niveau souhaité dans chaque corps 11; - déplacement des actionneurs pour que cette différence devienne nulle. Puis retour périodique à la deuxième étape. Les opérations précédentes peuvent être réalisées manuellement, à l'aide d'automate ou de tout autre moyen. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au dispositif de mise au théorique et de surveillance géométrique de tables qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple non limitatif, sans sortir du cadre de protection défini par les revendications annexées. REVENDICATIONS 1. Capteur magnétostrictif comprenant, une cuve (11) partiellement remplie par un fluide (12), un élément de mesure (2) longitudinal plongé dans le fluide comprenant un5 conducteur apte à engendrer un premier champ magnétique, un aimant permanent (4) relié à un guide (23) coulissant le long de l'élément de mesure (2) et soumis à l'action d'un flotteur, et un convertisseur (3) transformant une onde mécanique issue du phénomène de microstriction entre le premier champ magnétique et celui de l'aimant permanent (4) en un signal électrique proportionnel à la distance entre le convertisseur (3) et l'aimant permanent (4), caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble d'au moins deux flotteurs (21, 22) fixés à l'aimant et destinés à constituer un moyen empêchant le coincement de l'aimant (4) par rapport à l'élément de mesure (2). 2. Capteur magnétostrictif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux flotteurs (21, 22) sont reliés à l'aimant permanent (4) en au moins deux points sur un bras (24) disposé suivant un diamètre de la cuve (11). 3. Capteur magnétostrictif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend trois flotteurs (25, 26, 27) disposés à 120 l'un de l'autre, chaque flotteur étant fixé sur un bras solidaire (31) du guide (23). 4. Capteur magnétostrictif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les flotteurs (21,22; 25-27) sont disposés au-dessus de l'aimant (4) de façon à constituer un système pendulaire. 5. Capteur magnétostrictif selon l'une quelconque des revendications i à 4, caractérisé en ce que la cuve (11) comporte au moins deux canalisations permettant la communication entre l'intérieur et l'extérieur de la cuve, l'une étant située au-dessus du niveau du fluide (12), l'autre au-dessous. 6. Dispositif hydrostatique, caractérisé en ce qu'il comporte au moins deux capteurs magnétostrictifs selon l'une des revendications précédentes. 7. Dispositif hydrostatique selon la revendication 6, caractérisé en ce que les canalisations supérieure et inférieure de chaque capteur magnétostrictif sont connectées ensemble pour constituer d'une part un réseau hydraulique (18) et d'autre part un réseau d'air (16). 8. Dispositif hydrostatique selon la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que les capteurs magétostrictifs sont fixés sur une structure pouvant être déformée. 9. Dispositif de mesure, caractérisé en ce qu'il comprend un ou plusieurs dispositifs hydrostatiques selon les revendications 6 à 8 dont les signaux électriques délivrés par chaque convertisseur sont transmis à au moins un boîtier de raccordement (38). 10. Procédé de mise en référence de structures, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif de mesure selon la revendication 9. 11. Procédé de mise en référence de structures selon la revendication 10, caractérisé en ce que les informations issues du boîtier de raccordement (38) sont ensuite transmises à un système de traitement (40) permettant la visualisation de l'image des signaux électriques transmis par le convertisseur (3). 12. Procédé de surveillance géométrique de structures, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif de mesure selon la revendication 9. 13. Procédé de surveillance géométrique de structures selon la revendication 12, caractérisé en ce que les informations issues du bottier de raccordement (38) sont ensuite transmises à un système de traitement permettant la visualisation de l'image des signaux électriques transmis par le convertisseur.