Brevet FR2923908A1 — publié le 20090522

L'invention concerne un procédé de mesure des déformations longitudinales compensées en température d'une zone d'un élément structurel, un capteur de mesure de telles déformations, ainsi qu'un palier à roulement intégrant au moins un tel capteur. Pour mesurer les déformations d'une zone, notamment les déformations d'une bague extérieure d'un roulement dues au passage des corps roulants, on connaît l'utilisation de jauges de contrainte de type à couche épaisse. En particulier, les jauges utilisées comprennent un motif d'un matériau piézorésistif et une paire de bornes disposées de part et d'autre dudit motif selon une direction longitudinale de mesure suivant laquelle le courant électrique circule. La jauge est alors disposée sur la zone de déformation pour que les déformations de ladite zone induisent celles du motif et donc une variation de la résistance dudit motif, lesdites variations pouvant être mesurées pour déterminer les valeurs des déformations longitudinales de la zone. Toutefois, les mesures sont sensibles à la température de sorte qu'il peut être nécessaire de compenser l'influence de ladite température sur ces mesures, afin d'obtenir des valeurs de déformations qui sont indépendantes de ladite température. Pour ce faire, il est connu de mettre en oeuvre des techniques de types pont de Wheatstone ou boucle de courant dans lesquelles au moins une deuxième jauge est utilisée. Toutefois, la fiabilité de la compensation réalisée n'est pas parfaite, notamment dans le cas où les jauges ne sont pas exactement à la même température ou si elles ne voient pas exactement les mêmes déformations. L'invention a pour but de pallier à cet inconvénient en proposant notamment un procédé de mesure des déformations longitudinales d'une zone d'un élément structurel, lesdites mesures étant compensées en température en utilisant une 2 seule jauge de contrainte permettant de mesurer séparément les variations de résistance du motif suivant les directions longitudinale et transversale. A cet effet, et selon un premier aspect, l'invention propose un procédé de mesure des déformations longitudinales compensées en température d'une zone d'un élément structurel, ledit procédé prévoyant : de reporter sur ladite zone le substrat d'une jauge de contrainte sur lequel sont formés un motif de matériau résistif électriquement et deux paires de bornes en contact électrique avec ledit motif, lesdites bornes étant formées de part et d'autre du motif selon une direction respectivement longitudinale pour une paire et transversale pour l'autre paire ; de mesurer de façon alternée la tension électrique entre les paires de bornes ; d'établir une relation entre lesdites tensions en fonction des déformations longitudinales et transversales, ladite relation étant indépendante de la température ; d'établir les déformations transversales qui correspondent aux tensions électriques mesurées selon la direction transversale ; - à partir de la relation et des déformations transversales, de calculer les déformations longitudinales compensées en température en fonction des mesures de tension électrique selon les directions longitudinale et transversale. Selon un deuxième aspect, l'invention propose un capteur de mesure des déformations longitudinales compensées en température d'une zone d'un élément structurel, ledit capteur comprenant : - au moins une jauge de contrainte comprenant un substrat sur lequel sont formés un motif de matériau résistif électriquement et deux paires de bornes en contact électrique avec ledit motif, lesdites bornes étant formées de part et d'autre du motif selon une direction respectivement longitudinale pour une paire et transversale pour l'autre paire, ledit substrat étant destiné à être reporté sur ladite zone ; 3 un circuit de hachage qui est connecté aux bornes de la jauge pour mesurer de façon alternée la tension électrique entre les paires de bornes ; un dispositif de traitement des signaux de tension qui est agencé pour calculer les déformations longitudinales compensées en température par mise en oeuvre d'un tel procédé. Selon un troisième aspect, l'invention propose un palier à roulement comprenant un organe fixe, un organe tournant et au moins une rangée de corps roulants disposés dans un chemin de roulement qui est formé entre lesdits organes de sorte à permettre leur rotation relative, ledit palier intégrant au moins un tel capteur, le substrat étant reporté sur l'organe fixe de sorte à mesurer les déformations longitudinales compensées en température de l'organe fixe qui sont induites lors de la rotation du palier. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit, faite en référence aux figures jointes dans lesquelles : - la figure 1 représente un circuit de hachage qui est connecté aux bornes d'une jauge de contrainte utilisée selon l'invention ; - les figures 2 sont des représentations en vue de dessus de cinq géométries d'un motif de matériau pour une jauge de contrainte utilisée selon l'invention ; les figures 3 sont des représentations en vue de dessus de trois variantes de réalisation d'un motif de matériau pour une jauge de contrainte utilisée selon l'invention ; - la figure 4 est une vue en perspective d'un mode de réalisation d'un roulement intégrant des capteurs selon l'invention. En relation avec la figure 1, on décrit un mode de réalisation d'un capteur de mesure des déformations longitudinales d'une zone d'un élément structurel. Dans le cadre de l'invention, le terme � longitudinal � est utilisé afin de clarté en relation avec le repère du roulement représenté sur la figure 4, toutefois ce qualificatif ne limite pas la portée de l'invention à cette direction dans l'absolu. Le capteur intègre une jauge de contrainte comprenant un substrat 1, par exemple en céramique, sur lequel est formé au moins un motif 2 de matériau résistif électriquement, notamment un matériau piézorésistif ou magnétostrictif, de sorte à traduire un effort mécanique en résistance électrique. De façon connue, le matériau peut comprendre une pâte de verre intégrant des particules conductrices, et le motif 2 peut être déposé sur le substrat 1 en couche épaisse par sérigraphie. La jauge comprend en outre deux paires de bornes 3 réalisées en matériau conducteur électriquement, notamment en métal comme l'argent, qui sont formées sur le substrat 1 pour être en contact électrique avec le motif 2. De même que le motif 2, les bornes 3 peuvent être réalisées par sérigraphie en couche épaisse d'une pâte de matériau, et ce préalablement à la formation dudit motif. Les bornes peuvent être de forme quelconque, notamment rectangulaire, triangulaire, circulaire.... Selon une application, le capteur mesure les déformations longitudinales d'une zone d'un organe fixe d'un palier à roulement comprenant également un organe tournant et au moins une rangée de corps roulants disposés dans un chemin de roulement qui est formé entre lesdits organes de sorte à permettre leur rotation relative. Dans un exemple d'application représenté sur la figure 4, le palier est un roulement de roue de véhicule automobile et le substrat 1 est fixé sur un méplat 4 formé sur la périphérie de la bague extérieure 5. Ainsi, le capteur permet de mesurer les déformations de la bague extérieure 5 qui sont notamment dues au passage des corps roulants lors de la rotation, lesdites déformations étant alors périodiques et approximables par une sinusoïde. Sur la base de ces mesures, il est possible de déterminer les efforts qui s'appliquent sur le roulement, de sorte à pouvoir notamment, comme décrit par exemple dans le document FR-2 893 106, déterminer les efforts qui s'appliquent à l'interface entre la roue et la chaussée sur laquelle la roue tourne. Sur la figure 4, le roulement comprend deux rangées de billes qui sont 5 disposées coaxialement dans respectivement un chemin de roulement prévu entre la bague extérieure fixe 5 et la bague intérieure tournante 6. Par ailleurs, la bague fixe 5 est pourvue de moyens de fixation au châssis qui sont formés d'une bride 7 comprenant quatre saillies radiales 7 dans lesquelles un trou axial 8 est réalisé pour permettre la fixation par vissage. Dans le mode de réalisation représenté, le capteur comprend plusieurs jauges qui sont disposées sur un même substrat 1. Plus précisément, deux groupes de trois motifs 2 alignés sont formés sur le substrat 1 qui est rigidement fixé à la bague fixe 5, par exemple par collage ou soudage, pour transmettre les déformations depuis le méplat 4 jusqu'aux motifs 2. En outre, le substrat 1 est positionné sur le méplat 4 pour disposer chaque groupe de jauges sensiblement en regard d'un chemin de roulement et selon la direction générale de rotation. Le roulement représenté comprend quatre capteurs qui sont équirépartis autour de la bague extérieure 5, les signaux issus des capteurs pouvant être utilisés par un calculateur pour déterminer les efforts appliqués lors de la rotation sur la bague fixe 5 et/ou sur un élément solidaire de la bague tournante 6, comme décrit dans le document FR-2 839 553. L'invention prévoit de mesurer les déformations E. des motifs 2 suivant la direction longitudinale qui est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation du roulement, lesdites mesures étant compensées en température. Pour ce faire, la jauge comprend deux paires de bornes 3 qui sont formées de part et d'autre du motif 1 selon la direction respectivement longitudinale pour une paire et transversale pour l'autre paire, de sorte à pouvoir mesurer les variations de résistance électrique du motif selon lesdites directions 6 longitudinale et transversale. En particulier, le contact entre chaque borne 3 et le motif 1 s'étend sensiblement perpendiculairement par rapport à la direction suivant laquelle la paire de ladite borne est formée, de sorte que les lignes de courant soient disposées sensiblement selon la direction de la paire. Les figures 2 représentent des géométries envisageables pour le motif 2 ainsi que la disposition des bornes 3 correspondantes, la distance entre les bornes 3 des paires étant identique. Les géométries représentées sont : carré pour la figure 2a ; - en croix pour la figure 2b ; en cercle pour la figure 2c ; - en losange pour la figure 2d ; et en croix avec des zones de jonction courbes entre les bras pour la figure 2e. De manière générale, toutes les géométries comprenant deux paires de bornes électriques 3 disposées à 90° sont envisageables. En outre, la résistance des bornes 3 étant beaucoup plus faible que celle du motif 2, ledit motif présente une plus petite dimension caractéristique de qui est supérieure à 1 mm pour éviter de former des chemins faciles pour le courant via les bornes 3. En outre, il est possible d'envisager des géométries dans lesquelles la distance entre les bornes 3 des paires n'est pas la même, par exemple des géométries en rectangle, en ellipse ou en croix avec des bras de longueurs inégales. Comme représenté sur les figures 3, il est possible de réaliser des rainures 9 dans le motif 2, lesdites rainures étant disposées pour améliorer le maintien des lignes de courant dans ledit motif respectivement suivant les directions longitudinale et transversale. Cette technique, dite de triming ou d'ajustage de résistance, permet de retoucher la géométrie sérigraphiée pour lui donner la géométrie souhaitée. Par exemple, les rainures 9 peuvent être réalisées à l'aide d'un laser, au sable ou par toute autre technique, de sorte à couper complètement la conduction électrique à travers la couche de matériau formant le motif 2. En particulier, une rainure 9 peut être réalisée entre chaque borne 3 de sorte à éviter de former des chemins faciles pour le courant via lesdites bornes, lesdites rainures pouvant être en L (figure 3a), dans le plan médian entre les bornes 3 (figure 3b) ou incurvées (figure 3c). L'avantage de ces rainures 9 est de pouvoir parvenir à des dimensions caractéristiques utiles pour le motif 2 qui sont plus petites que par sérigraphie seule, l'épaisseur de la rainure 9 pouvant être de l'ordre de 0,1 mm. En particulier, la réalisation selon la figure 3b permet de disposer des bornes 3 plus larges pour une plage centrale du motif 2 réduite, tout en maintenant les lignes de courant parallèles aux directions respectivement transversale et longitudinale. En relation avec la figure 1, on décrit le circuit de hachage du capteur, ledit circuit étant connecté aux bornes 3 d'une jauge selon la figure 2a pour mesurer de façon alternée la tension électrique entre les paires de bornes 3, c'est-à-dire selon les directions longitudinale (Vx) et transversale (Vy). On a alors : Vx = RX.i et Vy = Ry.i ; Rx et Ry étant les résistances électriques du motif selon les directions respectivement longitudinale et transversale. Et, Rx = -KL�XX - Krsyy et R' = -KT �XX - KLeyy ; R Exx et Eyy étant les déformations du motif suivant respectivement l'axe longitudinal et l'axe transversal, KL et KT étant les sensibilités du motif suivant respectivement ces axes.30 8 Le circuit comprend un générateur de courant 10 et deux interrupteurs 11, 12 qui sont pilotés pour faire passer le courant i alternativement entre les bornes 3 d'une paire. La fréquence de mesure des tensions VX, Vy est choisie pour pouvoir supposer que les déformations Ex, et Eyy n'ont pas variées entre deux instants de mesure. Si l'on suppose que l'effet de la température T sur le motif peut être représenté par une loi a(T) multiplicative, on a : VX = a(T).(R + (SR), ).i et Vy = a(T).(R + bRy ).i R étant la valeur de la résistance à une température de référence. et On obtient : RX = a(T).(1 + RX ).i = a(T).(1-KLEXX - KTEyy ).i V Ry = a(T).(1 + Ry ).i = a(T).(1 - KTEXX - KLEyy ).i D'où la relation entre les tensions en fonction des déformations longitudinales et transversales, ladite relation étant un température: `%X 1-KLEXX -KTEyy Vy 1-KT Exx - KLEyy rapport qui est indépendant de la (1) Le procédé selon l'invention prévoit d'établir les déformations transversales Eyy qui correspondent aux tensions électriques Vy mesurées selon la direction transversale. Selon une réalisation, les déformations transversales peuvent être établies à une valeur constante, notamment égale à zéro. En effet, dans certaines configurations, les déformations transversales peuvent être considérées comme négligeables par rapport aux déformations longitudinales. En particulier, la jauge peut être agencée pour limiter ses déformations transversales. Dans cette réalisation, on a alors : V 1-K X LSXX Vy 1 -KT Ex), Et donc : �XX VX.KT - Vy .KL VX -Vy Le procédé permet donc, à partir des déformations transversales (ici considérées comme négligeables) et de la relation (1) de calculer les déformations longitudinales compensées en température en fonction des mesures de tension électrique selon les directions longitudinale et transversale. Selon une autre réalisation où les déformations transversales ne sont pas négligeables, ces déformations peuvent être établies en fonction des déformations longitudinales, par exemple par une relation indépendante de la température en fonction du coefficient de Poisson. Par conséquent, en intégrant au capteur un dispositif de traitement des signaux de tension Vx, Vy, il est possible de calculer les déformations Fxx suivant la direction longitudinale de façon indépendante de la température. En particulier, le dispositif de traitement peut comprendre un amplificateur, un filtre, un convertisseur analogique / numérique et un processeur de calcul des déformations. En outre, dans le cas où plusieurs jauges sont disposées sur un même substrat 1, le capteur peut comprendre un dispositif de traitement commun à au moins deux jauges, ledit dispositif de traitement comprenant alors un moyen de multiplexage des signaux provenant de chacune des jauges. Par ailleurs, des technologies de type circuit hybride permettent d'intégrer sur le substrat 1, outre la ou les jauges de contrainte, le circuit de hachage et/ou le 30 dispositif de traitement sur le substrat. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure des déformations longitudinales compensées en température d'une zone d'un élément structurel, ledit procédé prévoyant : de reporter sur ladite zone le substrat (1) d'une jauge de contrainte sur lequel sont formés un motif (2) de matériau résistif électriquement et deux paires de bornes (3) en contact électrique avec ledit motif, lesdites bornes étant formées de part et d'autre du motif (2) selon une direction respectivement longitudinale pour une paire et transversale pour l'autre paire ; de mesurer de façon alternée la tension électrique (Vx, Vy) entre les paires de bornes (3) ; d'établir une relation entre lesdites tensions en fonction des déformations longitudinales et transversales, ladite relation étant indépendante de la température ; d'établir les déformations transversales qui correspondent aux tensions électriques mesurées selon la direction transversale ; à partir de la relation et des déformations transversales, de calculer les déformations longitudinales compensées en température en fonction des mesures de tension électrique selon les directions longitudinale et transversale. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déformations transversales sont établies à une valeur constante, notamment égale à zéro. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les déformations transversales sont établies en fonction des déformations longitudinales. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce 30 que la relation entre les tensions électriques (Vx, Vy) est un rapport. 5. Capteur de mesure des déformations longitudinales compensées en température d'une zone d'un élément structurel, ledit capteur comprenant : 20 2530 11 au moins une jauge de contrainte comprenant un substrat (1) sur lequel sont formés un motif (2) de matériau résistif électriquement et deux paires de bornes (3) en contact électrique avec ledit motif, lesdites bornes étant formées de part et d'autre du motif (2) selon une direction respectivement longitudinale pour une paire et transversale pour l'autre paire, ledit substrat (1) étant destiné à être reporté sur ladite zone ; -un circuit de hachage qui est connecté aux bornes de la jauge pour mesurer de façon alternée la tension électrique (VX, Vy) entre les paires de bornes (3) ; un dispositif de traitement des signaux de tension (VX, Vy) qui est agencé pour calculer les déformations longitudinales compensées en température par mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit de hachage et/ou le dispositif de traitement sont intégrés sur le substrat (1). 7. Capteur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'il comprend plusieurs jauges de contrainte qui sont disposées sur un même substrat (1). 8. Capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de traitement commun à au moins deux jauges, ledit dispositif de traitement comprenant un moyen de multiplexage des signaux provenant de chacune des jauges. 9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que le dispositif de traitement comprend un amplificateur, un filtre, un convertisseur analogique / numérique et un processeur de calcul des déformations. 10. Capteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce que le contact entre chaque borne (3) et le motif (2) s'étend sensiblementperpendiculairement par rapport à la direction suivant laquelle la paire de ladite borne est formée. 11. Capteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 10, caractérisé en ce que le motif (2) comprend des rainures (9) qui sont disposées pour améliorer le maintien des lignes de courant dans ledit motif respectivement suivant les directions longitudinale et transversale. 12. Capteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 11, caractérisé en ce que la distance entre les bornes (3) des paires est identique. 13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 12, caractérisé en ce que le motif (2) et les bornes (3) sont déposés en couche épaisse sur le substrat (1). 14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 13, caractérisé en ce que la plus petite dimension caractéristique du motif (2) est supérieure à 1 mm. 20 15. Palier à roulement comprenant un organe fixe (5), un organe tournant (6) et au moins une rangée de corps roulants disposés dans un chemin de roulement qui est formé entre lesdits organes de sorte à permettre leur rotation relative, ledit palier intégrant au moins un capteur selon l'une quelconque des revendications 5 à 14, le substrat (1) étant reporté sur l'organe fixe (5) de sorte 25 à mesurer les déformations longitudinales compensées en température de l'organe fixe (5) qui sont induites lors de la rotation du palier. 16. Palier à roulement selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'axe longitudinal est sensiblement perpendiculaire à l'axe de rotation dudit palier. 30