FR2938909A1 - Dispositif de capteur comportant un element de deformation magnetoelastique - Google Patents

Abstract

Dispositif de capteur comportant un élément de déformation au moins en partie magnétoélastique pour mesurer des pressions engendrées par un fluide s'appliquant à l'élément de déformation, un circuit magnétique formé par une pièce de retour de flux magnétique (5) et une unité de capteur ainsi qu'une unité d'exploitation. L'unité de capteur est prévue sur l'élément de déformation (1) et l'unité d'exploitation comprenant une bobine d'exploitation (3) est séparée par construction de l'unité de capteur mais couplée à celle-ci par induction. L'unité de capteur comporte une bobine de capteur (2) placée sur l'élément de déformation (1). La bobine d'exploitation (3) est couplée par induction à la bobine de capteur (2). La bobine de capteur (2) forme avec sa capacité parasite propre ou avec une capacité supplémentaire, un circuit oscillant excité par la bobine d'exploitation (3) en résonance propre, avec couplage inductif fort ou faible par un circuit magnétique enveloppant les deux bobines (2, 3). En variante, l'unité de capteur et l'unité d'exploitation sont reliées par un circuit magnétique avec une pièce de retour de flux et la bobine d'exploitation (10) est bobinée directement sur la pièce (11; 15) ou est rapportée à celle-ci.

Description

1 Domaine de l'invention La présente invention concerne un dispositif de capteur comportant un élément de déformation au moins en partie magnétoélastique pour mesurer des pressions engendrées par un fluide, appliquées à l'élément de déformation magnétoélastique, un circuit magnétique formé par une pièce de retour de flux magnétique et une unité de capteur ainsi qu'une unité d'exploitation. Etat de la technique Il est connu de manière générale que dans un élément de déformation en des matériaux ferromagnétiques par exemple en un alliage Ni-Fe on peut exploiter l'effet magnétoélastique car la perméabilité de la matière ferromagnétique dépend de la tension mécanique appliquée à l'élément de déformation. Ainsi, des efforts de traction et de compression agissent comme des forces de déformation qui modifient les propriétés magnétiques de la matière ainsi sollicitée. Il est en outre habituel de mesurer les pressions hydrauliques dans les véhicules automobiles, par exemple dans les systèmes de freins hydrauliques, en effectuant une saisie aussi précise que possible de la pression sous la forme d'un signal permettant un traitement ultérieur dans une unité de régulation électronique par exemple dans un système antiblocage. Le document EP 0615118 B1 décrit un capteur de pression utilisant un effet de magnétostriction d'un alliage magnétique amorphe par exemple en des matériaux tels que Fe-Si-B-Cr avec dans ce cas également, un organe de déformation auquel on applique la pression. Il est également prévu une chambre de référence à laquelle on n'applique pas de pression. Deux bobines de détection sont prévues pour mesurer la variation de perméabilité de la couche magnétostrictive ou magnétoélastique, ainsi qu'un élément de retour de flux magnétique.

L'élément de capteur proprement dit se compose seulement de composants passifs et est relié par des câbles à un circuit d'exploitation et de pilotage. Le document JP-2005241567 A décrit un dispositif dans lequel, l'élément magnétostrictif est logé dans un milieu liquide ou gazeux mis en pression et on mesure la variation de perméabilité à

2 partir de l'extérieur à travers la paroi de l'organe mis en pression à l'aide d'une bobine. Selon le document WO 2006/ 1 1 7293 Al, on connaît en outre un dispositif comportant également un organe de pression. Cet organe de pression est soit, directement réalisé en une matière magnétoélastique soit, muni d'une couche de matière magnétoélastique ou encore un organe de déformation magnétoélastique est placé dans le corps soumis à la pression. La détection de la variation de perméabilité se fait également dans ce cas à l'aide de bobines en variante à l'aide de capteurs à effet Hall combinés à un élément générant un champ magnétique. Selon ce dernier état de la technique, il est également connu de pouvoir déplacer des bobines et des moyens de guidage de flux par l'intermédiaire de l'organe de déformation ce qui permet d'avoir un dispositif de capteur en deux ou plusieurs parties. Dans ce cas, il est également connu de séparer l'unité hydraulique et l'unité électronique sans avoir à mettre en oeuvre un système de connecteurs et de contacts pour le contact électrique. Cette forme connue de séparation des composants de l'unité hydraulique et de l'unité électronique, présente néanmoins l'inconvénient que la bobine et l'organe de guidage du flux doivent être enfilés sur l'organe de déformation, si bien qu'au passage entre l'organe de guidage du flux et l'organe de déformation (circuit magnétique), on a forcément un intervalle. Or, une variation de la largeur de cet intervalle qui est souvent inévitable pendant le fonctionnement, produit une variation relativement brusque de la perméabilité efficace se répercutant dans le signal de mesure. But de l'invention La présente invention a pour but de réaliser une unité de capteur permettant de remédier à ces inconvénients. Exposé et avantages de l'invention La présente invention concerne un dispositif de capteur du type défini ci-dessus, caractérisé en ce que l'unité de capteur est placée sur l'élément de déformation et l'unité d'exploitation comprenant

3 une bobine d'exploitation est séparée de l'unité de capteur du point de vue de la construction tout en étant couplée à celle-ci par induction. Dans les dispositifs de capteur connus, il faut en fonction de la géométrie et des caractéristiques de la matière, réaliser dans le circuit magnétique des entrefers inférieurs à 10 m ou moins. Cela nécessite une précision de fabrication non acceptable pour une unité électronique utilisée comme unité d'exploitation à la fois du point de vue des coûts de fabrication et des opérations d'assemblage de sorte que souvent on ne peut pas réaliser une telle séparation entre l'unité hydraulique et l'unité de capteur et l'unité électronique. Or, la présente invention permet de réaliser un dispositif de capteur dans lequel l'unité électronique et l'unité hydraulique ou l'unité de capteur sont séparées d'une manière simple à réaliser ; cela concerne notamment l'éventuel entrefer/intervalle et les procédés d'exploitation de ce capteur. L'invention permet de séparer de telles unités tout en donnant un procédé de mesure très précis évitant que les tolérances géométriques affectant la bobine de capteur et/ou d'exploitation et en particulier le retour du flux vers l'élément magnétoélastique n'entraîne de modifications significatives du signal, donnant lieu à une interprétation erronée comme signal de pression. D'une manière particulièrement avantageuse, l'unité de capteur comporte une bobine de capteur placée sur l'élément de déformation et l'unité d'exploitation comporte la bobine d'exploitation couplée par induction à la bobine de capteur.

La bobine de capteur peut utiliser sa propre capacité parasite ou être combinée à une capacité supplémentaire pour former un circuit oscillant. Ce circuit peut être excité par la bobine d'exploitation en résonance libre par un couplage inductif fort à l'aide du circuit magnétique enveloppant les deux bobines. La fréquence de résonance est ensuite définie dans l'unité d'exploitation. La fréquence de résonance se détermine par exemple de manière simple à partir du passage par zéro de la phase de l'impédance de la bobine d'exploitation et est influencée par les propriétés magnétiques de l'élément de déformation subissant des déformations

4 sous l'effet de la pression. Cela permet de déduire une valeur de mesure relative à la pression dans l'élément de déformation. Selon une variante la bobine de capteur forme un circuit oscillant avec sa capacité parasite propre ou avec une capacité supplémentaire, ce circuit oscillant étant susceptible d'être excité par la bobine d'exploitation en résonance libre avec un fort couplage inductif par le circuit magnétique enveloppant les deux bobines, le circuit d'exploitation déterminant la fréquence de résonance. La fréquence de résonance peut également se déterminer par exemple à partir de la phase et/ou de l'amplitude de l'impédance du circuit oscillant excité par une fréquence variable. Des avantages particuliers de l'invention résident dans le fait que l'électronique de l'unité d'exploitation peut être largement séparée de l'unité de capteur au moment de la réalisation de sorte que de façon intentionnelle, les tolérances géométriques peuvent rester très grandes dans le cadre du concept présenté. Les composants critiques à savoir, la bobine de capteur et la pièce de retour de flux magnétique sont reliées solidairement à l'unité hydraulique ou à l'unité de capteur. Cela permet d'obtenir une très grande fidélité de la géométrie des composants pris isolément par la conception et la fabrication, indépendamment de l'opération d'assemblage des unités. La transmission du signal de mesure se fait alors vers une seconde bobine fonctionnant comme bobine de réception ou bobine d'exploitation elle-même reliée à l'unité d'exploitation.

Pour la transmission d'une bobine à l'autre comme décrit ci-dessus, on peut envisager deux principes. Selon le premier de ces principes : - l'unité de capteur comporte une bobine de capteur placée sur l'élément de déformation et l'unité d'exploitation comporte la bobine d'exploitation couplée par induction à la bobine de capteur, - la bobine de capteur forme un circuit oscillant avec sa capacité parasite propre ou avec une capacité supplémentaire, ce circuit oscillant étant susceptible d'être excité par la bobine d'exploitation en résonance libre avec un fort couplage inductif par le circuit magnétique enveloppant les deux bobines, le circuit d'exploitation déterminant la fréquence de résonance. On a ainsi un couplage fort selon lequel, la bobine d'exploitation est positionnée dans la pièce de guidage du flux. 5 Selon le second de ces principes : ^ la fréquence de résonance se détermine par les passages par zéro de la phase de l'impédance de la bobine d'exploitation, ^ la bobine de capteur forme un circuit oscillant avec sa propre capacité parasite ou avec une capacité supplémentaire, ce circuit étant susceptible d'être excité par la bobine d'exploitation en résonance libre avec couplage inductif par un circuit magnétique n'enveloppant que la bobine de capteur et qui est faiblement couplé à la bobine d'exploitation par un entrefer, l'unité d'exploitation déterminant la fréquence de résonance.

On a ainsi, un couplage faible selon lequel la bobine d'exploitation est positionnée intentionnellement à l'extérieur du circuit magnétique et n'utilise que de faibles parties du champ parasite au niveau de l'entrefer de la pièce de guidage du flux pour le couplage. Dans les deux cas, on utilise un concept d'exploitation adapté au couplage respectif, qui est faiblement sensible du point de vue des variations de l'intensité du couplage. L'intervalle est toujours choisi suffisamment grand pour que les tolérances de sa géométrie aient aucun effet sur le signal de mesure. Selon un autre mode de réalisation de l'invention : - l'unité de capteur et l'unité d'exploitation sont couplées à une pièce de retour de flux par un circuit magnétique, et - la bobine d'exploitation est enroulée autour de la pièce de retour de flux et la variation de perméabilité produite par l'application de la pression sur l'élément de déformation et ainsi la variation de l'inductance de la bobine d'exploitation peuvent être déterminées. Ainsi, d'une part, la pièce de retour de flux magnétique peut être intégrée mécaniquement dans le circuit magnétique à l'aide d'une bobine d'exploitation déjà bobinée et cette insertion de la pièce de retour de flux et la liaison pour former un circuit fermé, peuvent se réaliser par une liaison avec une forme de coin ou une forme tige/orifice

6 correspondante ; d'autre part, la pièce de retour de flux peut également être reliée solidairement au circuit magnétique et la bobine d'exploitation peut ensuite être bobinée autour de la pièce de retour de flux.

Dans ces formes de réalisation, on obtient également avantageusement une séparation constructive de l'unité électronique ou unité d'exploitation et de l'unité hydraulique ou unité de capteur qui est choisie pour que l'intervalle qui se produit permette un guidage suffisant du flux magnétique.

L'assemblage des deux unités décrites ci-dessus se fait avantageusement dans les modes de réalisation décrits en dernier lieu, par la fermeture du circuit magnétique composé de l'élément de déformation magnétoélastique dans l'unité hydraulique ou de capteur et d'une pièce de retour de flux magnétique par l'intermédiaire de la matière d'un noyau portant une bobine d'exploitation, rapportée et faisant partie de l'unité électronique ou unité d'exploitation. En variante et comme déjà décrit ci-dessus, l'enroulement de la bobine d'exploitation peut également se faire comme composant de l'unité électronique sur l'organe de déformation réalisé sous la forme d'un noyau déjà fermé conduisant le flux magnétique dans l'unité hydraulique ou unité de capteur. Dessins La présente invention sera décrite plus en détails à l'aide d'exemples de réalisation représentés dans les dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de capteur comportant un élément de déformation magnétoélastique pour la mesure de la pression et une unité de capteur et une unité d'exploitation couplées fortement par induction, - la figure 2 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de capteur comportant un élément de déformation magnétoélastique pour la mesure de la pression et une unité de capteur et une unité d'exploitation couplées faiblement par induction, - la figure 3 est une vue en coupe schématique en coupe d'un dispositif de capteur comportant un élément de déformation

7 magnétoélastique pour la mesure de la pression et une unité d'exploitation, reliées par une pièce de retour de flux magnétique, rapportée, - la figure 4 montre deux modes de réalisation des parties de la pièce de retour de flux de la figure 3 au moment de la mise en place, - la figure 5 est une vue en coupe schématique d'un dispositif de capteur comportant un élément de déformation magnétoélastique pour la mesure de la pression et une unité d'exploitation reliée à une pièce de retour de flux magnétique portant une bobine d'exploitation bobinée à postériori. Description de modes de réalisation de l'invention La figure 1 représente un dispositif de capteur comportant un élément de déformation magnétoélastique 1 constituant un organe de pression servant à mesurer la pression et une unité de capteur composée ici principalement par une bobine de capteur 2 enroulée sur l'élément de déformation 1. Une unité d'exploitation se compose principalement d'une bobine d'exploitation 3 reliée à un circuit électronique porté par une plaque de circuit 4. On réalise un fort couplage par induction au moyen d'une pièce de retour de flux magnétique 5; l'élément de déformation 1 et la pièce de retour de flux magnétique 5 forment un circuit magnétique. Ce circuit magnétique est coupé par un intervalle, défini 6 par exemple d'environ 1 mm ou plus, ce qui permet de glisser la bobine d'exploitation 3 dans le circuit magnétique à travers cet intervalle 6 et de créer ainsi un fort couplage entre les deux bobines 2 et 3. La bobine de capteur 2 positionnée de manière fixe constitue ainsi un circuit oscillant avec sa propre capacité parasite ou avec une capacité parasite supplémentaire. Ce circuit oscillant peut être excité de manière autorégulée en résonance libre par la bobine d'exploitation 3 ; la bobine d'exploitation 3 peut ensuite reconnaître la fréquence de résonance comme cela a été décrit ci-dessus ; par exemple, en utilisant le passage par zéro de la phase de l'impédance mesurée du côté récepteur de l'unité d'exploitation. Grâce au fort couplage, la fréquence de résonance est principalement définie par le circuit oscillant. Le positionnement de la bobine d'exploitation 3 est, de ce fait, non critique. La fréquence de

8 résonance du circuit oscillant, dépend de la capacité utilisée et de l'inductance de la bobine de capteur 2. L'inductance de la bobine de capteur 2 dépend elle-même des composants magnétoélastiques et sollicités en contrainte par la pression (p) dans le circuit magnétique.

Comme éléments de déformation 1, on peut utiliser des organes de pression magnétoélastiques, des organes de pression revêtus d'une couche magnétoélastique ou des organes magnétoélastiques se trouvant dans un milieu. La composante magnétoélastique du circuit magnétique global doit être aussi grande que possible pour que la variation dépendant de la pression pour cette composante produise une variation aussi grande que possible de la fréquence de résonance. Pour optimiser le signal, on peut optimiser l'épaisseur de la paroi de l'élément de déformation 1 et par un choix approprié de matériau, la perméabilité de la matière magnétoélastique.

L'élément de retour de flux magnétique 5 peut être réalisé dans la même matière que l'élément de déformation 1 ; on peut également réaliser cette pièce par une technique d'assemblage appropriée dans un autre matériau magnétique permettant d'optimiser le circuit magnétique. Une technique d'assemblage appropriée doit être telle que l'intervalle 6 résultant de l'assemblage restera constant pendant le fonctionnement et la durée de vie de la pièce. La figure 2 représente un exemple de réalisation avec un couplage inductif faible entre la bobine de capteur 2 et la bobine d'exploitation 3 ; sur cette figure et dans la description qui s'y rapporte, on utilise les mêmes références que ci-dessus pour désigner les mêmes éléments. Contrairement à l'exemple de réalisation représenté sur la figure 1, la bobine d'exploitation 3 est extérieure au circuit magnétique car seule la pièce de retour de flux magnétique 7, n'entoure que la bobine de capteur 2. Bien que selon la figure 2, le circuit magnétique ne soit pas complètement fermé, il y a néanmoins une interaction suffisante entre les deux bobines 2 et 3. La bobine de capteur 2 positionnée de manière fixe, constitue également dans ce cas un circuit oscillant avec des capacités parasites ou des capacités supplémentaires. Le circuit

9 oscillant peut être excité par exemple par une fréquence variable et l'impédance résultante peut être exploitée d'une manière connue en elle même, en phase et/ou en amplitude. A partir de la courbe de fréquence de l'impédance exploitée, on peut définir la fréquence de résonance.

Dans ce cas également, le positionnement de la bobine d'exploitation 3 n'est pas important, car la fréquence de résonance déterminée ne dépend que de manière négligeable de la position de la bobine d'exploitation 3. Pour le choix de la matière du circuit magnétique, on a les mêmes indications que celles données à propos de la figure 1 pour un fort couplage inductif. La figure 3 représente un dispositif de capteur comportant un élément de déformation magnétoélastique 1 pour mesurer la pression et une unité d'exploitation réalisée sous la forme d'une bobine d'exploitation 10 reliée à une pièce de retour de flux magnétique 11 fermée, rapportée. L'élément de déformation magnétoélastique 1 constituant un réceptacle de pression servant à mesurer la pression (p) par exemple du côté d'une unité hydraulique, est également réalisé dans ce cas en un matériau présentant des caractéristiques magnétoélastiques ; et produisant une variation de perméabilité, en cas d'application d'une pression. La pièce de retour de flux 11 est située du point de vue de la construction d'un côté de l'unité d'exploitation comportant une électronique correspondante non représentée ici et est initialement complètement séparée de l'élément de déformation 1.

Pour exploiter les variations de perméabilité de l'élément de déformation 1 sous l'effet d'une variation de pression, on enroule la bobine d'exploitation 10 autour de la pièce de retour de flux 11 et pour pouvoir utiliser le dispositif de capteur, on ferme le circuit magnétique en rapportant la pièce de retour de flux 11 comme cela est indiqué par les flèches 12. On peut ainsi mesurer la variation de perméabilité au niveau de l'élément de déformation 1 en tant que variation de perméabilité dans l'ensemble du circuit magnétique. La variation de perméabilité dans la zone de l'élément déformable 1, modifie l'inductance de la bobine d'exploitation 10 qui est exploitée par l'unité d'exploitation électronique prévue en aval.

10 Une caractéristique décisive dans le cadre de la réalisation de ce dispositif de capteur selon l'invention, est la qualité de la pièce de retour de flux 11 au niveau des surfaces de contact 13 entre l'unité de capteur ou unité hydraulique et l'unité d'exploitation. En réalisant les surfaces de contact 13 sous la forme de surfaces planes telles que celles représentées à la figure 3, on obtient du fait des tolérances et des intervalles qui peuvent influencer de manière négative la qualité de la pièce de retour de flux 11. Sur la coupe de détail 14 de la figure 4, on a représenté des formes de réalisation avantageuses possibles des surfaces de contact 13. Les deux modes de réalisation reposent sur le fait qu'une surface aussi grande que possible est choisie pour réaliser le contact et, en outre, que les surfaces de contact 13 ne doivent pas être orientées dans une seule direction de l'espace, ce qui autorise des tolérances de position dans différentes directions. Sur la partie gauche de la figure 4, on a représenté une réalisation en forme de coin ; des surfaces de contact 13 sur la partie droite, on a représenté une surface de contact réalisée sous la forme d'une tige. Dans le cas de la réalisation sous la forme d'une tige, représentée sur la partie droite de la figure 4, les parois verticales sont fermées même par exemple dans la position représentée qui n'est pas encore la position définitive d'engagement. Un autre mode de réalisation selon la figure 5 du dispositif de capteur selon l'invention, est fondé sur le fait qu'à la différence de l'exemple de la figure 3, la bobine d'exploitation 10 est enroulé autour d'une pièce de retour de flux 15 terminée, et déjà fermée. Le problème de la garantie d'une pièce de retour de flux de qualité suffisante qui se pose dans le mode de réalisation des figures 3 et 4, n'est plus décisif dans le cas présent. Il suffit en effet d'enrouler la bobine d'exploitation 10 autour de la pièce de retour de flux 15.

L'élément de déformation 1 constituant un récipient de pression et la pièce de retour de flux 15 sont fabriqués en une seule pièce; l'enroulement de la bobine d'exploitation 10 autour de la pièce de retour de flux 15 déjà fermée entraîne le couplage de l'unité de capteur et de l'unité d'exploitation.35 NOMENCLATURE

1 Elément de déformation 2 Bobine de capteur 3 Bobine d'exploitation 5 Pièce de retour de flux magnétique 6 Intervalle /entrefer 7 Domaine d'exploitation io 11 Pièce de retour de flux p Pression 12 13 Surface de contact Pièce de retour de flux 15

Claims (1)

1. REVENDICATIONS1 °) Dispositif de capteur comportant un élément de déformation au moins en partie magnétoélastique pour mesurer des pressions engendrées par un fluide, appliquées à l'élément de déformation magnétoélastique, un circuit magnétique formé par une pièce de retour de flux magnétique et une unité de capteur ainsi qu'une unité d'exploitation, caractérisé en ce que l'unité de capteur est placée sur l'élément de déformation (1) et l'unité d'exploitation comprenant une bobine d'exploitation (3) est séparée de l'unité de capteur du point de vue de la construction tout en étant couplée à celle-ci par induction. 2°) Dispositif de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de capteur comporte une bobine de capteur (2) placée sur l'élément de déformation (1) et l'unité d'exploitation comporte la bobine d'exploitation (3) couplée par induction à la bobine de capteur (2). 3°) Dispositif de capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bobine de capteur (2) forme un circuit oscillant avec sa capacité parasite propre ou avec une capacité supplémentaire, ce circuit oscillant étant susceptible d'être excité par la bobine d'exploitation (3) en résonance libre avec un fort couplage inductif par le circuit magnétique enveloppant les deux bobines (2, 3), l'unité d'exploitation déterminant la fréquence de résonance. 4°) Dispositif de capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fréquence de résonance se détermine par les passages par zéro de la phase de l'impédance de la bobine d'exploitation (3). 5°) Dispositif de capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que 13 la bobine de capteur (2) forme un circuit oscillant avec sa propre capacité parasite ou avec une capacité supplémentaire, ce circuit étant susceptible d'être excité par la bobine d'exploitation (3) en résonance libre avec couplage inductif par un circuit magnétique n'enveloppant que la bobine de capteur (2) et qui est faiblement couplé à la bobine d'exploitation (3) par un entrefer, l'unité d'exploitation déterminant la fréquence de résonance. 6°) Dispositif de capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence de résonance se détermine à l'aide de la phase et/ou de l'amplitude de l'impédance du circuit oscillant excité par une fréquence variable. 7°) Dispositif de capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de capteur et l'unité d'exploitation sont couplées à une pièce de retour de flux (11; 15) par un circuit magnétique, et la bobine d'exploitation (10) est enroulée autour de la pièce de retour de flux (11; 15) et la variation de perméabilité produite par l'application de la pression sur l'élément de déformation (1) et ainsi la variation de l'inductance de la bobine d'exploitation (10), peuvent être déterminées. 8°) Dispositif de capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pièce de retour de flux (11) est introduite mécaniquement dans le circuit magnétique dont la bobine d'exploitation (10) est déjà bobinée. 9°) Dispositif de capteur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'adjonction de la pièce de retour de flux (11) se fait par une liaison correspondante en forme de coin ou d'orifice et tige avec des surfaces de contact (13).3514 10°) Dispositif de capteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pièce de retour de flux (15) est reliée solidairement au circuit magnétique et la bobine d'exploitation (10) est bobinée ensuite autour 5 de la pièce de retour de flux (15). 10