Brevet FR2897936A1 — publié le 20070831

CAPTEUR DE FLEXIONS ET DE PRESSIONS La présente invention concerne un capteur de pressions et de flexions. Le capteur d'inventions est en particulier adapté à la modélisation du profil et de champs de pression en temps réel dans une voile de voilier en navigation. Depuis maintenant une vingtaine d'années, les progrès des technologies informatiques de modélisation des structures ont permis d'améliorer de façon considérable les performances des voiles de voiliers que ce soit pour la compétition ou la plaisance. Pour la navigation de plaisance en particulier, par l'utilisation de simulation numérique qui ont permis de mieux comprendre les phénomènes aérodynamiques intervenants lors de la navigation et les différents efforts sollicitant lors de cette navigation la voilure et le gréement dans son ensemble des voiliers. De ces travaux de simulation et de modélisation ont été développés de nouvelles techniques de fabrication des voiles conférant à celle-ci de meilleures performances, que ce soit en termes de d'aérodynamique, de puissance ou de tenue clans toutes les conditions de vents. Cependant, ni les simulations numériques, ni les essais en soufflerie complémentaires ne permettent de reproduire fidèlement des conditions de navigation réelle est donc de tester et analyser le comportement réel des voiles en navigation. En particulier, il est très difficile voire impossible de tenir compte des effets d'agitation de la houle sur le comportement d'une voile en simulation ou en soufflerie. En outre, ces simulations et essais en soufflerie ont un coût très important. Il est pourtant essentiel, tout particulièrement sur les voiliers de compétition, que ce soit pour la course au large ou en "Match Racing" comme sur la Coupe de l'America par exemple, de connaître et maîtriser et ajuster en permanence le profil et les réglages de la voilure pour conserver cap et allure quels que soient les conditions d'orientation et de force du vent ainsi que de houle. C'est la raison pour laquelle différentes techniques de mesure et de modélisation du profil des voiles en navigation ont été développées ces dernières années. Une première technique connue consiste à évaluer la performance des voiles sur la base d'images vidéo fournies par des caméras placées en tête de mât et/ou de baume. Des modèles incorporant les propriétés des voiles et les efforts supportés lors de navigation, sont utilisés en comparaison avec les images des voiles obtenues en temps réel lors de la navigation. Ces modèles sont par la suite superposés aux images vidéo. En fonction des variations de géométrie des voiles telles qu'elles sont filmées, les modèles s'adaptent à leurs formes réelles et permettent ainsi de retirer des informations importantes sur le comportement réel des voiles en cours de navigation. Ces données peuvent être par la suite exploitées pour ajuster les réglages des voiles et améliorer la marche du bateau. Toutefois, seule la grand-voile est facile à filmer et à analyser en raison de sa grande stabilité de forme ainsi que des références visuelles qu'elle comporte (lattes, publicités). De plus, définir la forme et le mouvement des voiles sur la base d'images est d'autant plus difficile que les données sont souvent incomplètes, imprécises voire entachées de distorsions et d'erreurs dues au fait aux mouvements permanents des voiles filmées. Enfin, les voiles d'avant telles que le spinnaker sont elles quasi impossible à filmer et capturer en images dans leur intégralité en raison de leur grande instabilité, de leur surface et de leur volume trop important. Une autre technique connue pour modéliser le profil de grand-voiles en navigation consiste à disposer des capteurs de flexion sur les lattes des voiles pour déterminer le lieu des points d'inflexion des lattes de la voile et ainsi retracer numériquement le profil de la voile en navigation. Toutefois cette technique ne permet pas d'établir et localiser le champ de pression du vent dans la voile simultanément à son profil en navigation. De plus c'est une technique contraignante dans la mesure où il est nécessaire d'équiper chaque latte de la grand-voile de dits capteurs de flexion lors de la fabrication ou avant gréement de la voile, et recommencer lorsqu'une des lattes doit être remplacée ou bien la voile entièrement changée. Enfin, cette technique est également inapplicable aux voiles qui ne sont pas munies de lattes telles que les voiles d'avant. La présente invention a pour objectif de fournir une alternative aux techniques présentées ci-avant pour le comportement des voiles de voiliers en navigation. L'invention vise en particulier à fournir un moyen simple, fiable et économique pour établir le profil et le champ de pression du vent dans les voiles en temps réel en navigation. L'invention vise également à fournir un moyen de modélisation du profil de tout type de voile, notamment des voiles d'avant telles que le spinnaker. Ces différents objectifs sont atteints selon la présente invention grâce à un capteur de pressions et de flexions, caractérisé en ce qu'il 20 comporte : - une couche support de matériau thermoplastique souple, non ductile et non conducteur, de préférence une bande support, comportant un matériau résistif ; - au moins deux pastilles comportant un matériau électriquement 25 conducteur disposées sur au moins une face de ladite couche support pour former un capteur de flexion ; - au moins deux peignes (ou grilles) comportant un matériau conducteur, lesdites grilles ou peignes étant disposé(e)s en regard l'un de l'autre sur chacune des faces de ladite couche support pour former au moins un capteur de pression ; lesdites pastilles et lesdits peignes comportant chacun au moins une borne de connexion électrique, et l'ensemble ainsi formé présentant une faible épaisseur. Le capteur selon l'invention permet de satisfaire tous les objectifs assignés ci-dessus. En effet, lesdites pastilles et lesdits peignes conducteurs constituent respectivement, en collaboration avec la couche support résistive, un capteur de flexion et un capteur de pression qui permettent de mesurer simultanément des efforts de pression et de flexion appliqué au capteur. Le capteur de l'invention, présentant une faible épaisseur, c'est à dire une épaisseur telle que ledit capteur est souple et pliable, peut ainsi être par exemple collé, ou intégré lors de la fabrication des voiles, dans différentes zones de la voile d'un voilier et ainsi, en connectant lesdites pastilles et peignes à un système d'acquisition de données, il est possible de mesurer la pression et l'incurvation de la voile sur toute sa surface et ainsi d'établir un profil et un champ de pressions de celle-ci. De plus, le capteur selon l'invention peut comporter une pluralité de capteurs de pression et de flexion répartis sur toute la longueur du capteur pour autant que celleci soit choisie suffisamment longue. En pratique, le capteur de l'invention est avantageusement fabriqué et présenté en rouleaux, ledit capteur étant alors formé d'une bande résistive de très grande longueur (de plusieurs mètres au moins) sur laquelle sont déposés alternativement desdites pastilles et desdits peignes pour former une dite pluralité de capteur de pression et de flexion, le tout étant souple et facilement enroulable de par sa faible épaisseur. Il suffit ensuite de découper une longueur voulue de capteur en fonction de l'utilisation que l'on souhaite faire de celui-ci, par exemple en fonction de la surface de voile à couvrir. Enfin, le capteur selon l'invention peut avantageusement être employé pour déterminer en temps réel le profil de tout type de voile, notamment de grand-voile ou de voile d'avant (spinnaker) en raison de sa faible épaisseur qui lui confèrent légèreté et souplesse et le rend apte à être fixé sur n'importe quelle voile. Le capteur selon l'invention peut également être employé pour déterminer les efforts de pressions et de flexions appliqués à n'importe quelle structure sur ou dans laquelle il est placé, notamment par exemple sur une aile d'avion, ou dans la structure de sièges de véhicules pour déterminer la nature des passagers assis (adultes, enfants) et régler les paramètres des organes de sécurité du véhicule (ceinture, coussins de sécurité gonflables) en fonction de ces données. Selon une première caractéristique préférée de l'invention, lesdites pastilles et lesdits peignes du capteur sont électriquement indépendants et dépourvus de contact le long de ladite couche support. Ceci permet avantageusement de pouvoir choisir et couper une longueur de capteur sans affecter le fonctionnement ni la précision de celui-ci en coupant entre deux pastilles par exemple ou entre une pastille et un peigne. De plus, à aucun moment n'est ainsi rompu le circuit électrique lorsque l'on découpe le capteur ou que la couche support de celui-ci se brise. Seul le nombre de valeurs de pression et de flexion peut être affecté mais pas la fonctionnalité du capteur dans son ensemble Dans un mode de réalisation avantageux, ledit capteur présente une épaisseur d'au plus 500 micromètres. Selon une variante de réalisation préférée du capteur de l'invention, ladite couche support est constituée par une bande de matériau thermoplastique recouverte sur chacune de ces faces d'une couche d'encre résistive, notamment une encre chargée de particules de carbone. Une telle encre résistive permet de réduire au minimum l'épaisseur du capteur et de lui conférer la plus grande souplesse possible. De préférence, le capteur de l'invention comporte au moins un segment de mesure, de préférence une pluralité de segments de mesure disposés en série, chaque dit segment comportant au moins un dit capteur de flexion et au moins un dit capteur de pression. Une telle configuration permet notamment d'améliorer les mesures en déterminant le nombre de données susceptibles d'être acquises par unité de longueur du capteur. De préférence encore, lesdites pastilles sont disposées selon un écartement constant sur ladite couche support, et lesdites pastilles et lesdites grilles sont constituées d'argent ou de cuivre ou autres matériaux conducteurs. On assure ainsi une valeur de résistance nominale constante entre toutes les pastilles et tous les peignes ou grilles, ce qui permet par exemple d'étalonner et de régler avec précision le dispositif d'acquisition et de modélisation employé pour exploiter le capteur, ou encore de simplifier l'industrialisation de la fabrication dudit capteur. Ladite fabrication du capteur selon l'invention peut notamment s'effectuer selon un procédé comportant au moins les étapes suivantes: - on forme une couche support de matériau thermoplastique souple, non ductile et non conducteur comportant un matériau résistif, en particulier une encre résistive ; on dépose, de préférence par sérigraphie ou impression, sur ladite couche support desdites pastilles et desdits peignes pour constituer respectivement des capteurs de flexion et de pression. De façon additionnelle, on peut également, pour protéger le capteur, recouvrir celui-ci d'une gaine de matériau thermoplastique, en particulier de polyamide souple, non ductile et non conducteur. Le capteur selon l'invention trouve une application particulièrement avantageuse et appropriée pour déterminer simultanément et en continu le profil d'une voile et le champ de pression appliqué par le vent dans une voile de bateau et modaliser ainsi ladite voile en trois dimensions. D'autres caractéristiques de l'invention ressortiront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux figures annexées parmi lesquelles - la figure 1 représente en plan le capteur selon l'invention; - les figures 2 et 3 représentent un navire dont les voiles sont équipées du capteur selon l'invention. Par référence à la figure 1 tout d'abord, le capteur 1 selon l'invention est un capteur double piezo-résistif. Il se compose schématiquement dans sa forme la plus simple d'au moins deux éléments principaux, un capteur de flexion 2 et un capteur de pression 3 dédiés respectivement à la mesure de flexions et la mesure de la pressions engendrées et/ou appliquées au support sur lequel le capteur est fixé, par exemple une voile de voilier. Plus concrètement, le capteur 1 se compose d'une bande de matériau résistif 4, constitué d'une couche support d'un matériau thermoplastique tel que du polyamide, recouverte sur chacune de ces faces d'un bande d'encre résistive chargée de particule de carbone présentant de préférence une épaisseur d'environ 2 m. Cette bande 4 présente une longueur déterminée en fonction des dimensions souhaitées du capteur, cette longueur pouvant atteindre plusieurs mètres. Sur les faces encrées de la bande 4 sont déposées, par exemple par sérigraphie, impression, ou dépôt en couches minces (CVD/PVD), des pastilles 5 d'un matériau conducteur tel que de l'argent ou du cuivre. Ces pastilles 5 sont déposées en chaîne de deux pastilles consécutive au minimum, et préférentiellement en chaîne de 6 à 10 pastilles consécutives selon un écartement constant de l'ordre de 1 à 20 mm, et de préférence de 2 à 10 mm. De telles chaînes de pastilles 5 forment ainsi des capteurs de flexion 2 piezo-résistifs. Les pastilles 5 ont en outre de préférence une épaisseur de l'ordre de 10 à 100 m, la couche d'encre résistive 4 ayant une épaisseur de l'ordre de 2 à 8 m de préférence, le capteur 1 présentant une épaisseur totale d'au plus 500 m. Entre chaque chaîne de pastilles 5 est formé un capteur de pression 3 piezo-résistif composé de deux peignes 6 formés de fils conducteurs en argent ou en cuivre, lesdits peignes 6 étant disposés en regard l'un de l'autre sur chacune des faces opposées de la bande support résistive 4. Ces peignes 6, comme les pastilles 5, ont une épaisseur d'au plus 500 m. De façon avantageuse, le capteur 1 peut être fabriqué en bande de plusieurs mètres de longueur pour être conditionné sous forme de rouleaux. Pour cela, il suffit de former dans un premier temps sur les faces d'une bande de polyamide souple, une couche d'encre résistive 4 de longueur déterminée, puis de déposer sur celles-ci alternativement desdites chaînes de pastilles 5 et desdits peignes 6 pour constituer une série de segments de mesure 7 consécutifs comportant chacun un capteur de flexion 5 et un capteur de pression 6. Ensuite, on peut également le cas échéant recouvrir l'ensemble du capteur 1 d'une gaine de matériau thermoplastique de polyamide souple, non ductile et non conducteur, afin de protéger et isoler le capteur 1. Chaque pastille 5 et peigne 6 du capteur 1 est muni d'une borne de connexion électrique permettant de les raccorder à un système d'acquisition conçu à cet effet. Un tel système d'acquisition peut être avantageusement, dans le cadre d'une application du capteur 1 à la modélisation du profil et du champ de pression dans les voiles de voiliers, un système de navigation maritime informatique classique dans lequel aura été chargé un module logiciel complémentaire d'acquisition et de traitement de données du capteur 1 Le fonctionnement du capteur 1 est, comme sa constitution, extrêmement simple et basé sur le principe connu de piezo-résistivité. En absence de flexion du capteur 1, la résistance R du capteur 1 vaut la somme des résistances entre les pastilles 5 de chacun de segments de mesure 7. Dès qu'il y a flexion au niveau d'un des segments de mesure 7, la distance entre les pastilles 5 du capteur de flexion 2 de ce segment varie et la résistance augmente. La somme des résistances à la flexion est alors supérieure. La mesure de pression est quant à elle réalisée grâce aux peignes 6 formant les capteurs de pression 6 de chaque segment de mesure 7. Dès qu'un effort de pression ou compression est effectué sur lesdits peignes 6 d'un dit capteur de pression 3, cela tend à comprimer ledit capteur de pression 3 est à rapprocher lesdits peignes 6 séparés par la bande d'encre résistive 4, ce faisant diminuer la résistance électrique entre les peignes 6. Ainsi, en fixant des capteurs 1 conforme à celui de l'invention sur ou dans les voiles d'un voilier 8 comme représenté aux figures 2 et 3, il est possible de modéliser en temps réel le profil de voile et le champ de pression du vent dans la voile en mesurant les valeurs des résistances des capteurs de flexion 2 et de pression 3 de chaque segment de mesure 7 des capteurs 1, ces valeurs de résistances étant proportionnelles à la pression du vent dans la voile et à la flexion (incurvation) de la voile sous l'effet de cette pression. On peut ainsi, en utilisant une fréquence d'acquisition élevée, tracer en temps réel le profil de la voile et localiser le champ de pression du vent dans celleci pour permettre au navigateur d'ajuster les réglages du gréement afin de maintenir cap et allure du bateau. REVENDICATIONS 1. Capteur (1) de pressions et de flexions, caractérisé en ce qu'il comporte une couche support (4) de matériau thermoplastique souple, non ductile et non conducteur, de préférence une bande support, comportant un matériau résistif ; au moins deux pastilles (5) comportant un matériau électriquement conducteur disposées sur au moins une face de ladite couche support pour former un capteur de flexion (2) ; au moins deux peignes (6) comportant un matériau conducteur, lesdites grilles ou peignes étant disposé(e)s en regard l'un de l'autre sur chacune des facies de ladite couche support (4) pour former au moins un capteur de pression (3) ; lesdites pastilles et lesdits peignes comportant chacun au moins une borne de connexion électrique, et l'ensemble ainsi formé présentant une faible épaisseur. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites pastilles et lesdits peignes sont électriquement indépendants et dépourvus de contact le long de ladite couche support. 3. Capteur selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur d'au plus 500 micromètres. 4. Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite couche support (4) comporte au moins une bande d'encre résistive, notamment une encre chargée de particules de carbone. 5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un segment de mesure (7), de préférence une pluralité de segments de mesure disposés en série, chaque dit segmentcomportant au moins un dit capteur de flexion (2) et au moins un dit capteur de pression (3). 6. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites pastilles (5) sont disposées selon un écartement constant sur ladite couche support. 7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est sécable. 8. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdites pastilles (5) et lesdits peignes (6) sont constitués d'argent ou de cuivre ou autres matériaux conducteurs. 9. Capteur (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une gaine de matériau thermoplastique, notamment de polyamide souple, non ductile et non conducteur, recouvrant l'ensemble formé de ladite couche support (4), desdites pastilles 5 et dits peignes (6). 10. Procédé de fabrication d'un capteur (1) de flexions et de pressions, tel que défini selon les revendications 1 à 9, dans lequel : - on forme une couche support (4) de matériau résistif, en particulier une bande d'encre résistive; et - on dépose, de préférence par sérigraphie ou impression, sur ladite couche (4) support desdites pastilles (5) et desdits peignes (6) pour constituer respectivement des capteurs de flexion (2) et de pression (3) ; 11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel on recouvre l'ensemble formé par ladite couche support (4) recouverte desdites pastilles (5) et desdits peignes (6) d'une gaine de matériau thermoplastique, en particulier de polyamide souple, non ductile et non conducteur. 12. Utilisation d'un capteur (1) selon l'une des revendications 1 à 9 pour déterminer simultanément et en continu le profil d'une voile et lechamp de pression appliqué par le vent dans une voile et modaliser ainsi ladite voile en trois dimensions.