Brevet FR3092167A1 — publié le 20200731

Description Titre de l'invention : Capteur pour la mesure d'une première grandeur physique dont la mesure est influencée par une deuxième grandeur physique Domaine technique 100011 La présente invention se rapporte au domaine général des capteurs, et plus particu- lièrement des capteurs qui mesurent une grandeur physique et dont la mesure est influencée par les variations d'une autre grandeur physique. 100021 La présente invention peut typiquement être utilisée dans le domaine des capteurs de pression, et notamment les capteurs de pression utilisés dans l'aérospatiale ou l'aéronautique. Technique antérieure [0003] Actuellement les capteurs de pression utilisés dans l'aérospatiale mesurent la pression d'une enceinte en mesurant les déformations d'un élément sensible à la pression. Or, les propriétés mécaniques de déformations de l'élément sensible varient selon la température de l'élément sensible. [0004] Ainsi, afin d'obtenir une mesure précise de la pression, il est nécessaire de mesurer la température de l'élément sensible et d'intégrer la température mesurée au calcul de détermination de la pression à partir de la déformation de l'élément sensible. [0005] Il est connu qu'un système de contrôle d'un lanceur spatial ou d'un aéronef réalise un calcul de compensation pour chacun des capteurs auquel ledit système de contrôle est relié. Cette solution rencontre toutefois l'inconvénient que les données propre à chaque capteur, comme par exemple les dérives individuelles des capteurs en fonction de la température, doivent être rentrées dans le système de contrôle. En outre, lorsqu'un capteur doit être changé dans le cadre de la gestion de configuration du système, par exemple en cas de défaut, les données enregistrées dans le système de contrôle doivent être remises à jour. Exposé de l'invention [0006] La présente invention a donc pour but principal de fournir une solution simple répondant aux problèmes décrits précédemment. [0007] Selon un premier aspect, l'invention concerne un capteur pour la mesure d'une première grandeur physique dont la mesure est influencée par une deuxième grandeur physique, ledit capteur comprenant un corps de capteur à l'intérieur duquel sont installés : - un premier élément sensible configuré pour mesurer la première grandeur physique 2 - un deuxième élément sensible configuré pour mesurer la deuxième grandeur physique ; - une mémoire sur laquelle est enregistrée une table de compensation qui détermine une valeur corrigée de la première grandeur physique en fonction de la valeur mesurée de la première grandeur physique par le premier élément sensible et de la valeur mesurée de la deuxième grandeur physique par le deuxième élément sensible ; - une unité de traitement qui est reliée au premier élément sensible, au deuxième élément sensible et à la mémoire, l'unité de traitement étant contigu& pour générer un signal de mesure du capteur correspondant à la valeur corrigée de la première grandeur physique à partir de la valeur mesurée de la première grandeur physique par le premier élément sensible, de la valeur mesurée de la deuxième grandeur physique par le deuxième élément sensible, et de la table de compensation. [0008] Selon une caractéristique possible, le capteur comprend un composant chauffant qui est configuré pour chauffer l'unité de traitement et un capteur de température qui est configuré pour mesurer la température de l'unité de traitement, le composant chauffant et le capteur de température étant reliés à l'unité de traitement, l'unité de traitement étant contigu& pour contrôler ledit composant chauffant pour maintenir la température de l'unité de traitement supérieure à une valeur seuil. [0009] Selon une caractéristique possible, le composant chauffant comprend au moins une résistance, l'unité de traitement étant configurée pour contrôler l'alimentation électrique de la résistance pour maintenir la température de l'unité de traitement supérieure à la valeur seuil. [0010] Selon une caractéristique possible, la au moins une résistance est noyée dans une couche de matériau conducteur thermiquement disposée sur un boîtier de l'unité de traitement. [0011] Selon une caractéristique possible, le capteur est un capteur de pression, la première grandeur physique étant une pression et la deuxième grandeur physique étant une température du premier élément sensible. [0012] Selon une caractéristique possible, le premier élément sensible est un élément sensible à couche mince à jauges extensométriques ou un microsystème électromécanique (MEMS). [0013] Selon une caractéristique possible, le premier élément sensible comprend quatre ré- sistances formant un pont de Wheatstone, le premier élément sensible comprenant également un circuit de compensation pour compenser la différence de valeur de résistance entre les résistances de pont de Wheatstone. [0014] Selon une caractéristique possible, le premier élément sensible génère un premier signal de mesure analogique et le deuxième élément sensible génère un deuxième signal de mesure analogique, le capteur comprenant un premier convertisseur 3 analogique/numérique qui est configuré pour convertir le premier signal de mesure analogique en un premier signal de mesure numérique et transmettre ledit premier signal de mesure numérique à l'unité de traitement, le capteur comprenant également un deuxième convertisseur analogique/numérique qui est configuré pour convertir le deuxième signal de mesure analogique en un deuxième signal de mesure numérique et transmettre ledit deuxième signal de mesure numérique à l'unité de traitement. [0015] Selon une caractéristique possible, le capteur comprend un premier composant de filtrage et d'amplification qui est configuré pour filtrer et amplifier le premier signal de mesure analogique avant la conversion analogique/numérique dudit premier signal de mesure, et un deuxième composant de filtrage et d'amplification qui est configure pour filtrer et amplifier le deuxième signal de mesure analogique avant la conversion analogique/numérique dudit deuxième signal de mesure. Brève description des dessins [0016] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la des- cription faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. [0017] [fig.1[ La figure 1 représente schématiquement un système comprenant un capteur d'une première grandeur physique dont la mesure est influencée par une deuxième grandeur physique. [0018] [fig.2] La figure 2 représente schématiquement un capteur de pression dont la mesure est influencée par la température. [0019] [fig.3[ La figure 3 représente schématiquement une table de compensation entre la pression et la température. Description des modes de réalisation 100201 Comme représenté sur la figure 1, un capteur 1 d'une première grandeur physique dont la mesure est influencée par une deuxième grandeur physique comprend un corps de capteur 10 à l'intérieur duquel sont situés d'une part un premier élément sensible 11 qui est configuré pour mesurer la première grandeur physique, et d'autre part un deuxième élément sensible 12 qui est configuré pour mesurer la deuxième grandeur physique. 100211 Le premier signal de mesure de la première grandeur physique généré par le premier élément sensible 11 est modifié par les variations de la deuxième grandeur physique. 100221 Le capteur 1 comprend également une mémoire 13 situé dans le corps de capteur 10 et sur laquelle est enregistrée une table de compensation qui détermine une valeur corrigée de la première grandeur physique en fonction de la valeur mesurée de la première grandeur physique par le premier élément sensible 11 et de la valeur mesurée de la deuxième grandeur physique par le deuxième élément sensible 12. La mémoire 13 peut par exemple être une mémoire flash. [0023] La table de compensation est réalisée à partir de la dérive du premier élément sensible 11 par rapport à la deuxième grandeur physique. [0024] Le capteur 1 comprend en outre une unité de traitement 14 située dans le corps de capteur 10 et qui est reliée au premier élément sensible 11, au deuxième élément sensible 12, et à la mémoire 13. L'unité de traitement 14 est configurée pour générer un signal de mesure du capteur 1, à partir du signal de mesure du premier élément sensible 11, du signal de mesure du deuxième élément sensible 12, et de la table de compensation enregistrée sur la mémoire 13, ledit signal de mesure du capteur 1 correspondant à la valeur de la première grandeur physique corrigée de l'influence de la deuxième grandeur physique. L'unité de traitement 14 peut par exemple être un processeur, ou bien un circuit logique programmable (FGPA). [0025] Le fait que l'unité de traitement 14 détermine la valeur corrigée de la première grandeur physique à partir d'une table de compensation qui est enregistrée sur la mémoire préalablement au fonctionnement du capteur 1 permet d'éviter une étape de calcul de la part de l'unité de traitement 14, augmentant ainsi la rapidité à laquelle le signal de mesure du capteur 1 est généré. En effet, l'unité de traitement 14 n'a besoin que de lire les valeurs des première et deuxième grandeurs physiques mesurées respectivement par les premier et deuxième éléments sensibles 11 et 12, et d'identifier dans la table de compensation la valeur colligée associées aux valeurs mesurées lues. [0026] Comme cela est illustré sur la figure 1, le capteur 1 est destiné à être relié à un système de contrôle 2, qui est par exemple un système de contrôle 2 d'un véhicule, le véhicule pouvant par exemple être un lanceur spatial ou un aéronef. Le signal de mesure du capteur 1 reçu par le système de contrôle 2 est directement la valeur colligée de la première grandeur physique, et ainsi d'une part le système de contrôle 2 n'a plus besoin de faire de calcul de compensation, et d'autre part il n'est plus nécessaire de rentrer les données du capteur 1 dans le système de contrôle 2. [0027] En outre, comme visible sur la figure 1, le système de contrôle 2 peut être relié à une pluralité de capteurs 1 qui possèdent une structure identique au capteur 1 détaillé précédemment, afin de mesurer la première grandeur physique à différents endroits, et/ou afin d'avoir des redondances. [0028] Selon une variante de réalisation possible, Le capteur 1 peut comprendre au moins un composant chauffant 15 qui est situé dans le corps de capteur 10 et qui est configuré pour chauffer l'unité de traitement 14. Le composant chauffant 15 peut par exemple être une résistance qui produit de la chaleur sous l'effet du courant électrique qui la traverse. Le capteur 1 comprend également un capteur de température 16 qui est situé dans le corps de capteur 10 et qui est configuré pour mesurer la température de l'unité de traitement 14. L'unité de traitement 14 est reliée d'une part au composant chauffant 15, et d'autre part au capteur de température 16. L'unité de traitement 14 est configure° pour contrôler le composant chauffant 15 pour que ledit composant chauffant 15 maintienne la température de ladite unité de traitement 14 au-dessus d'une valeur seuil. Une telle caractéristique est avantageuse lorsque le capteur 1 est soumis à des températures très basses, comme par exemple lorsque le capteur 1 est destiné à mesurer la pression dans un réservoir de gaz liquide, comme par exemple du dioxygène liquide ou du dihydrogène liquide. La valeur seuil correspond à la température minimale à laquelle l'unité de traitement 14 peut fonctionner, la température minimale de fonctionnement de ladite unité de traitement 14 variant suivant le matériel utilisé. A titre d'exemple, la valeur seuil peut être de -55°C. [0029] De manière avantageuse, le composant chauffant 15 est également configuré pour chauffer la mémoire 13, afin d'assurer que la mémoire 13 reste au-dessus de sa température minimale de fonctionnement. Un capteur de température peut être disposé à proximité de la mémoire 13 afin de mesurer la température de ladite mémoire 13, l'unité de traitement 14 chauffant la mémoire 13 avec le composant chauffant 15 en fonction de la température mesurée par ce capteur de température. [0030] En outre, afin d'améliorer la chaleur créée par la au moins une résistance et la ré- partition de cette chaleur sur l'unité de traitement 14, ladite au moins une résistance peut être noyée dans film dissipatif qui entoure l'unité de traitement 14. Le film dissipatif peut par exemple être en polyimide (du kapton) qui offre l'avantage d'avoir une bonne tenue en température. D'autres matériaux peuvent toutefois être utilisés pour former le film dissipatif. Le film dissipatif peut également entourer la mémoire 13 si le composant chauffant 15 est configuré pour chauffer ladite mémoire 13. [0031] Le premier élément sensible 11 génère un premier signal de mesure qui est analogique, et le deuxième élément sensible 12 génère un deuxième signal de mesure qui est également analogique. Comme cela est illustré sur la figure 1, le capteur 1 comprend un premier convertisseur analogique/numérique 17a (CAN) qui permet d'une part de convertir le premier signal de mesure analogique en un premier signal de mesure numérique et d'autre part de transférer ledit premier signal de mesure numérique à l'unité de traitement 14. Le capteur 1 comprend également un deuxième convertisseur analogique/numérique 18a (CAN) qui permet d'une part de convertir le deuxième signal de mesure analogique en un deuxième signal de mesure numérique et d'autre part de transférer ledit deuxième signal de mesure numérique à l'unité de traitement 14. [0032] L'unité de traitement 14 réalise la compensation de la mesure de la première 6 grandeur physique avec des signaux numériques, et peut transmettre un signal numérique au système de contrôle 2, ce qui permet de simplifier et d'augmenter la précision de la mesure reçue par le système de contrôle 2 par rapport à une transmission d'un signal analogique. Le fait que le signal de mesure du capteur 1 soit transmis sous forme numérique permet également de réduire la masse et l'encombrement des câbles reliant ledit capteur 1 au système de contrôle 2, ce qui est particulièrement avantageux dans le domaine aérospatiale ou le domaine de l'aéronautique. En outre, le système de contrôle 2 ne limite plus la performance des capteurs 1 car il n'a plus de calcul à réaliser, le système de contrôle 2 se contentant de lire les valeurs transmises par les capteurs 1. [0033] L'unité de traitement 14 peut toutefois comprendre un convertisseur numérique/ analogique (CNA) afin de transmettre le signal de mesure du capteur 1 sous forme analogique. [0034] Le composant chauffant 15 peut également être configuré pour chauffer le premier convertisseur analogique/numérique 17a et/ou le deuxième convertisseur analogique/ numérique 18a. [0035] En outre, le capteur 1 peut également comprendre un premier composant de filtrage et d'amplification 17h qui est relié d'une part au premier élément sensible 11 et d'autre part au premier convertisseur analogique/numérique 17a, et qui permet de filtrer et amplifier le premier signal de mesure analogique avant sa conversion en premier signal de mesure numérique par ledit premier convertisseur analogique/numérique 17a. Le capteur 1 peut en outre comprendre un deuxième composant de filtrage et d'amplification 18b qui est relié d'une part au deuxième élément sensible 12 et d'autre part au deuxième convertisseur analogique/numérique 18a, et qui permet de filtrer et amplifier le deuxième signal de mesure analogique avant sa conversion en deuxième signal de mesure numérique par ledit deuxième convertisseur analogique/numérique 18a. [0036] Le premier composant de filtrage et d'amplification 17b et/ou le deuxième composant de filtrage et d'amplification 18b peut être configuré pour filtrer les interférences électromagnétiques avant l'amplification du signal. Le premier composant de filtrage d'amplification 17b et/ou le deuxième composant de filtrage et d'amplification 18b peut également être configuré pour filtrer les hautes fréquences (filtre passe-bas) après l'amplification du signal afin de réduire le bruit. [0037] Le composant chauffant 15 peut également être configuré pour chauffer le premier composant de filtrage et d'amplification 17b et/ou le deuxième composant de filtrage et d'amplification 18b. [0038] Selon un mode de réalisation possible, l'invention peut être appliquée pour les capteurs de pression qui sont influencés par la température Ainsi, dans cette ap- 7 plication, la première grandeur physique est la pression, et la deuxième grandeur physique est la température. L'invention peut également être appliquée à d'autres grandeurs physiques, la première grandeur physique pouvant par exemple être l'accélération et la deuxième grandeur physique la température. [0039] Dans la variante de réalisation illustrée sur la figure 2, un capteur de pression 3 comprend un corps de capteur 30. Le corps de capteur 30 comprend une ligne d'entrée pour un fluide (liquide ou gaz) dont la pression est à mesurer à une première extrémité 30a (prise de pression), et sortie de liaison à une deuxième extrémité 30h qui permet de relier le capteur de pression 3 à un système de contrôle, la deuxième extrémité 30h permettant par exemple de faire passer un connecteur. [0040] Le capteur de pression 3 comprend une membrane 31 qui est configurée pour se déformer sous l'effet de la pression du fluide qui entre dans le capteur de pression 3. La membrane 31 peut être réalisée en métal. [0041] Le capteur de pression 3 comprend un élément sensible à la pression 32 formé par une jauge de déformation qui est située sur la membrane 31 et qui permet de mesurer la pression du fluide en mesurant la déformation de la membrane 31. L'élément sensible à la pression 32 peut par exemple être un élément sensible à couche mince à jauges extensométriques qui est formé par des résistances formant un pont de Wheatstone, ou selon un autre exemple l'élément sensible à la pression 32 peut être un microsystème électromécanique (MEMS). L'élément sensible à la pression 32 en microsystème électromécanique (MEMS) peut par exemple être un microsystème piézo-électrique, ou selon un autre exemple possible un microsystème piézo-résistif. Lorsque l'élément sensible à la pression 32 est formé par un pont de Wheatstone, le premier élément sensible à la pression 32 peut comprendre un circuit de compensation qui permet de compenser la différence de valeur de résistance entre les quatre résistances formant le pont de Wheatstone. [0042] Le capteur de pression 3 comprend un élément sensible à la température 33 qui est également situé sur la membrane 31 et qui permet de mesurer la température de l'élément sensible à la pression 32. L'élément sensible à la température 33 peut par exemple être formé par une première résistance (ou une première paire de résistances) en matériau dont la valeur de résistance varie en fonction de la température (par exemple du platine), et une deuxième résistance (ou une deuxième paire de résistances) en matériau dont la valeur de résistance ne varie pas en fonction de la température (par exemple un alliage de Nickel-Chrome). De préférence, afin que l'élément sensible à la température 33 ne soit pas soumis aux déformations de la membrane 31, l'élément sensible à la température 33 est situé sur la périphérie de la membrane 31, là où la membrane 31 est encastrée et reste immobile. [0043] Le signal de mesure généré par l'élément sensible à la pression 32 est modifié par les 8 variations de la température. [0044] Comme illustré sur la figure 2, le capteur de pression 3 comprend un circuit 34 situé à l'intérieur du corps de capteur 30 et sur lequel sont disposés une unité de traitement 35 qui est reliée à l'élément sensible à la pression 32 et à l'élément sensible à la température 33, ainsi qu'une mémoire 36 reliée à l'unité de traitement 35 et dans laquelle la table de compensation est enregistrée. [0045] La figure 3 illustre schématiquement la table de compensation qui est enregistrée sur la mémoire 36. L'unité de traitement 35 utilise la table de compensation en lisant d'une part la valeur de pression mesurée par l'élément sensible à la pression 32, et d'autre part la valeur de température mesurée par l'élément sensible à la température 33, et en déterminant la valeur de pression corrigée associée aux valeurs lues. [0046] L'invention permet ainsi de fournir une solution simple permettant de mesurer de manière précise une première grandeur physique, comme par exemple une pression ou une accélération, en compensant la mesure du capteur en prenant en compte une deuxième grandeur physique, comme par exemple la température du capteur. 9 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]