FR2715468A1 - Capteur de position intégré dans un amortisseur. - Google Patents

Abstract

Capteur de position inductif constitué de deux bobines (1, 2) coulissant sans recouvrement sur une tige (3) ferromagnétique, l'une d'elles étant alimentée par un signal alternatif, l'écartement (E) entre les bobines étant mesuré par le déphasage du signal recueilli aux bornes de l'autre bobine, amortisseur (6) équipé d'un tel capteur, et procédé et dispositif de mesure de l'élongation d'un tel amortisseur.

Description

La présente invention est relative à un capteur de position inductif, à un amortisseur équipé d'un tel capteur ainsi qu'à un procédé et un dispositif adaptés pour mesurer l'élongation de cet amortisseur à l'aide de ce capteur.

Avec la généralisation des systèmes de suspension pilotée électroniquement dans le domaine automobile, on a vu se développer de nombreuses solutions pour mesurer la position d'une roue par rapport à la caisse du véhicule. Parmi les solutions employées, la préférence va généralement aux capteurs de type inductif, du fait de leur robustesse, de leur coût et de l'absence de contact entre les parties mobiles. En outre, les contraintes d'intégration propres au domaine automobile ont favorisé l'emploi de capteurs susceptibles d'être étroitement associés aux amortisseurs afin d'éviter le montage de pièces supplémentaires sur le châssis du véhicule.

On connaît de la technique antérieure, par exemple du brevet européen
EP 0 039 181, un capteur inductif dans lequel le déplacement d'une spire en court-circuit dans un solénoïde modifie les caractéristiques de la relation tension / courant dans celui-ci. Cependant, pour qu'un tel capteur permette de mesurer avec précision la position d'une partie mobile liée à la spire en court-circuit, il est nécessaire que le solénoïde ait une longueur supérieure au déplacement maximum de cette partie mobile, ce qui conduit à la réalisation de bobines présentant un rapport longueur / diamètre considérable, difficiles à fabriquer. On connaît également d'autres variantes de capteurs inductifs, avec une, deux ou trois bobines, fonctionnant sur le principe de l'inductance variable en fonction de la position d'un noyau plongeur en matériau ferromagnétique (par exemple EP 0 169 633 pour un capteur à simple bobine, ou EP 0 242 058 pour un capteur à double bobine) ou sur le principe du transformateur différentiel linéaire à couplage variable (LVDT) utilisant trois bobines (EP 0 128 824). Toutefois, ces capteurs présentent également l'inconvénient d'exiger au moins une bobine de longueur supérieure ou égale au déplacement maximum à mesurer.

La présente invention a donc pour but de proposer un capteur inductif de conception et de réalisation simples, facilement intégrable dans un amortisseur, qui permette de mesurer continûment la position ou le déplacement d'un membre mobile sans requérir de bobine de grande longueur.

On atteint ces buts de l'invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront dans la suite de la présente description, au moyen d'un capteur de position inductif, du type comportant une bobine émettrice parcourue par un courant altematif et une bobine réceptrice. Selon l'invention, les bobines sont montées coaxialement et sans recouvrement autour d'une tige en matériau ferromagnétique, les bobines sont mobiles l'une par rapport à l'autre, I'une des bobines au moins coulissant sur la tige. En outre, la tige est d'une longueur suffisante pour s'étendre continûment sous la totalité des bobines et entre elles.

Suivant une caractéristique importante de la présente invention, I'écartement entre les bobines est obtenu par la comparaison entre le signal d'alimentation de la bobine émettrice et le signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice, soit calculé à partir de la différence de phase entre le signal d'alimentation de la bobine émettrice et le signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice, soit calculé à partir du rapport entre la tension du signal d'alimentation de la bobine émettrice et la tension du signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice.

L'invention a également pour objet un amortisseur pour véhicule automobile, du type comportant un corps dans lequel coulisse un piston solidaire d'une tige en matériau ferromagnétique qui traverse le corps à l'une de ses extrémités, équipé d'un capteur présentant les caractéristiques précédentes, remarquable en ce que l'une des bobines est solidaire de la tige du piston et l'autre bobine est solidaire du corps de l'amortisseur et coulisse autour de la tige du piston.

L'invention a encore pour objet un procédé de mesure de l'élongation d'un tel amortisseur, selon lequel on alimente l'une des bobines avec une tension altemative de fréquence prédéterminée, on recueille aux bomes de l'autre bobine une tension induite, on mesure le déphasage entre ces deux tensions, on compare le déphasage mesuré avec une table de référence de l'élongation en fonction du déphasage obtenue expérimentalement et on déduit de cette comparaison la valeur de l'élongation de l'amortisseur.

Selon une caractéristique avantageuse de ce procédé, on mesure périodiquement la température à l'intérieur de l'amortisseur, on tire une correction de déphasage d'une table obtenue expérimentalement en fonction de la température mesurée, et on conige le déphasage mesuré avec la correction de déphasage ainsi obtenue.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen des dessins annexés dans lesquels:
- la figure 1 représente une vue schématique du capteur selon l'invention,
- la figure 2 représente un schéma électrique équivalent du capteur utile à la
compréhension de l'invention
- la figure 3 représente un amortisseur équipé d'un tel capteur
- la figure 4 représente schématiquement un dispositif pour la mise en oeuvre du
procédé de mesure de l'élongation de l'amortisseur selon l'invention.

On se réfère à la figure 1 dans laquelle on a schématiquement représenté le capteur selon l'invention. Ce capteur comprend une première bobine 1 alimentée par un courant altematif produit par un générateur de tension sinusoïdale 10. Cette bobine est montée autour d'une tige 3 en matériau ferromagnétique, par exemple en acier. L'axe de la bobine coïncide avec l'axe de la tige. Une deuxième bobine 2 est disposée de façon similaire sur la tige 3, coaxialement à la tige. les bobines 1 et 2 sont distantes l'une de
I'autre d'un écartement E mesuré entre leurs faces en regard. Cet écartement est variable par le coulissement de l'une au moins des deux bobines sur la tige 3. On notera que la tige 3 s'étend continûment entre les deux bobines, et sous les bobines ellesmêmes. L'écartement E maximum des deux bobines dépend donc de la longueur de la tige et de la largeur des bobines.

On s'intéresse maintenant au fonctionnement électrique de ce capteur. La première bobine (bobine émettrice 1) est parcourue par un courant altematif. La seconde bobine (bobine réceptrice 2) est couplée magnétiquement à la première par l'intermédiaire de la tige 3 qui joue le rôle d'un noyau magnétique commun aux deux bobines, en canalisant de manière volontairement imparfaite comme on l'expliquera par la suite, le flux magnétique généré par la première bobine. Ce flux magnétique est représenté, comme on peut le voir sur la figure 1, par des lignes de champ M. On peut constater que ces lignes de champ, quoique canalisées partiellement par la tige 3, se rebouclent dans l'air et que seul un certain nombre de ces lignes de champ traversent la bobine 2. La proportion de ces lignes qui traversent la bobine 2 est en relation inverse avec l'écartement E entre les deux bobines. Le capteur se comporte donc comme un transformateur dont l'inductance mutuelle entre les bobines varie en fonction de leur écartement. De ce fait, en comparant le signal recueilli aux bomes de la bobine 2 au signal foumi par le générateur 10 aux bomes de la bobine 1, on peut en déduire la valeur de leur écartement E.

On se réfère maintenant à la figure 2 pour expliquer plus en détail le fonctionnement du capteur. On a représenté sur cette figure un schéma électrique équivalent du capteur vu des bomes de la bobine émettrice 1. La tension sinusoïdale appliquée par le générateur 10 aux bomes de la bobine 1 est représentée par la tension d'entrée V appliquée entre les bomes la et lb. les résistances R1, R2 et Rs représentent respectivement les résistances correspondant aux pertes par courants de
Foucault des bobines 1 et 2 et la résistance série de la bobine 1. La tension VO entre les bomes 2a et 2b du schéma représente le signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice 2. Les inductances variables LFP, LFS et LM représentent respectivement les inductances de fuite primaire et secondaire du transformateur précédemment évoqué et l'inductance mutuelle entre les bobines 1 et 2. On comprend que ces inductances varient en fonction de l'écartement entre les bobines. En effet, lorsque l'écartement E est nul, c'est à dire lorsque les bobines sont accolées l'une à l'autre, la quasi totalité des lignes de champ générées par la bobine 1 traverse la bobine 2. les inductances de fuite primaire et secondaire LFP et LFS sont alors minimales et l'inductance mutuelle LM est maximale. A l'inverse, lorsque l'écartement E augmente, les inductances de fuite primaire et secondaire LFP et LFS augmentent et l'inductance mutuelle LM diminue. On peut constater que sur le plan électrique, le capteur se comporte comme un filtre en T dont la fréquence caractéristique varie avec l'écartement E entre les bobines 1 et 2. Il apparaît donc que pour une tension V de fréquence et d'amplitude données, la tension de sortie VO varie en phase et en amplitude en fonction de l'écartement E. On pourra donc obtenir la valeur de l'écartement E entre les deux bobines à partir de la différence de phase entre le signal d'alimentation de la bobine émettrice 1 et le signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice 2. On pourra de même obtenir la valeur de cet écartement en formant le rapport entre la tension d'alimentation de la bobine émettrice 1 et la tension recueillie aux bomes de la bobine préceptrice 2.

Un capteur tel que décrit précédemment se prête particulièrement favorablement à l'intégration dans un amortisseur pour véhicule automobile par exemple.

On a représenté à la figure 3 un exemple d'une telle intégration. L'amortisseur 6 se compose d'un corps 5 de forme généralement tubulaire, divisé en deux chambres par un piston 4 solidaire d'une tige de piston 3 usuellement réalisée en acier. Le piston 4, et par conséquent la tige 3 coulissent dans le corps 5 sous l'effet des mouvements relatifs de la roue et de la caisse d'un véhicule (non représentés) auxquels sont respectivement reliés le corps et la tige de l'amortisseur. On profite alors avantageusement de la tige de piston 3 qui est en matériau ferromagnétique pour réaliser le capteur permettant de mesurer l'élongation de l'amortisseur. La bobine émettrice 1 du capteur est alors montée coaxialement sur la tige de piston 3 et solidaire de celle-ci au niveau du piston 4. La bobine réceptrice 2 est montée coaxialement à, et coulissante sur la tige 3. La bobine 2 est solidaire du corps 5, à l'endroit où la tige 3 passe au travers de l'extrémité du corps.

On constate ainsi que, lors des mouvements du piston 4, I'écartement entre les deux bobines varie alors que la tige de piston 3 s'étend toujours continûment entre et sous les deux bobines. L'élongation de l'amortisseur est maximale lorsque l'écartement entre les deux bobines est minimal et inversement. De manière connue en soi, par exemple pour les électrovannes intégrées dans les amortisseurs, la liaison électrique des bobines vers un appareillage externe à l'amortisseur pourra se faire au travers d'un conduit ménagé dans la tige 3 ou encore directement au travers du corps.

Bien entendu, la position relative des bobines émettrice et réceptrice pourrait être inversée, la première étant solidaire du corps 5 et la seconde de la tige 3 sans pour autant perturber le fonctionnement du capteur.

On va maintenant décrire en relation avec la figure 4, un procédé et un dispositif permettant d'obtenir la valeur de l'élongation d'un amortisseur équipé d'un tel capteur. On a pu constater que dans un amortisseur tel que décrit précédemment, certaines contraintes physiques, comme par exemple la configuration mécanique de l'amortisseur (mono tube ou bi-tube), la matière du corps 5, la disposition de certains organes, etc., peuvent rendre la relation entre l'écartement des bobines ou l'élongation et la différence de phase mesurée très difficile à modéliser. On propose donc un procédé de mesure de l'élongation de l'amortisseur selon lequel on alimente la bobine émettrice avec une tension sinusoïdale de fréquence prédéterminée et on recueille aux bomes de la bobine réceptrice une tension induite, de même fréquence. Cette fréquence est définie de manière à permettre une mesure précise du déphasage entre le signal d'alimentation et le signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice sans être perturbée par le mouvement relatif des deux bobines. On choisira donc une fréquence très supérieure à la fréquence des mouvements à observer. A titre d'exemple, pour pouvoir observer des oscillations de l'amortisseur à des fréquences de l'ordre de 10 Hz, avec une précision de quelques pour-cent sur l'élongation, une fréquence du signal d'environ 100 Hz s'est avérée suffisante. On évite également de prendre des fréquences trop élevées pour ne pas être perturbé par des pertes dues par exemple aux courants de Foucault qui pourraient se produire dans la tige de l'amortisseur. On mesure le déphasage entre les tensions présentes aux bomes des deux bobines, par exemple en mesurant l'intervalle de temps qui sépare le passage à zéro de la tension aux bomes de la bobine émettrice du passage à zéro correspondant de la tension aux bomes de la bobine réceptrice. Cette méthode présente l'avantage de ne pas être sensible aux variations d'amplitude entre les tensions d'alimentation et induite. De plus, les moyens électroniques actuels permettent des mesures de temps très précises sans nécessiter des ressources excessives. On utilise alors le déphasage obtenu pour rechercher dans une table la valeur de l'élongation de l'amortisseur correspondant à cette valeur de déphasage. Cette table aura été préalablement établie expérimentalement en mesurant pour un certain nombre de valeurs de l'élongation la valeur du déphasage correspondant sur un amortisseur de même type. Bien entendu, entre les valeurs de déphasage ainsi mesurées, on utilisera les techniques bien connues d'interpolation pour calculer l'élongation correspondant au déphasage exact obtenu.

Cependant, il faut noter qu'à l'intérieur de l'amortisseur, les bobines sont en général plongées dans un fluide (usuellement de l'huile) dont la température peut varier de façon importante. Ces variations de température, appliquées au capteur, modifient ses caractéristiques électriques et magnétiques, et sont la cause d'erreurs de déphasage pour une élongation donnée. On complète donc le procédé décrit ci-avant en mesurant de manière périodique la température qui règne dans l'amortisseur, et en corrigeant le déphasage obtenu au moyen de valeurs de correction issues d'une table elle aussi établie expérimentalement en mesurant les variations de déphasage liées à l'écart de température avec la température de référence à laquelle la première table a été établie. Avantageusement, la température des bobines dans l'amortisseur peut être évaluée sans faire appel à un capteur spécifique. En effet, la résistance série de la bobine émettrice 1 (Rs dans la figure 2) varie linéairement en fonction de la température.

On remarque en outre que la tension aux bomes de la bobine réceptrice 2 peut être prélevée au moyen d'un dispositif dont l'impédance d'entrée est très élevée, ce qui permet de considérer que la bobine 2 est en circuit ouvert, c'est à dire non chargée. Ceci a pour conséquence que l'impédance de la bobine émettrice est insensible à la position de la bobine réceptrice. On peut dès lors déduire une relation entre la température et l'impédance de la bobine émettrice à partir de la mesure des valeurs efficaces de sa tension d'alimentation et de l'intensité du courant qui la traverse. On calcule alors l'impédance de cette bobine à partir du rapport entre sa tension d'alimentation et de l'intensité du courant qui la traverse et on utilise alors une table des valeurs de correction de déphasage en fonction de l'écart entre l'impédance mesurée et une impédance de référence. Le déphasage ainsi corrigé est ensuite utilisé pour obtenir la valeur de l'élongation de l'amortisseur comme décrit plus haut.

Le dispositif représenté à la figure 4 permet la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus. On reconnaît les bobines 1 et 2 et la tige 3. La bobine 1 est alimentée par une source de tension altemative 10. Deux comparateurs 14 et 15 montés en parallèle respectivement aux bomes des bobines 1 et 2 permettent de détecter le passage par zéro de la tension aux bomes de ces bobines. Des moyens 16 sont alimentés par les signaux en provenance des comparateurs pour foumir une valeur du déphasage entre ces signaux. Ces moyens peuvent être constitués, à titre d'exemple par une horloge et des moyens de calcul formant le rapport entre l'intervalle de temps qui sépare les transitions montantes des deux signaux à celui qui sépare deux transitions montantes successives du signal foumi par le comparateur 14 pris pour référence. Des moyens 13, constitués par exemple par un moyen de mesure 11 de l'intensité du courant qui traverse la bobine 1 et un moyen de mesure 12 de la tension à ses bomes foumissent aux moyens 17 des signaux permettant d'évaluer l'impédance de la bobine 1.

Ces moyens 17 comparent l'impédance ainsi évaluée à une table de correction de déphasage, comme vu précédemment, et en déduisent une correction du déphasage mesuré par les moyens 16. Comme évoqué plus haut, en relation avec la description du procédé, les moyens 13 pourraient être également constitués par un capteur de température et la table de correction du déphasage incluse dans les moyens 17 serait alors établie en fonction de la température. Le déphasage mesuré par les moyens 16 et la correction de déphasage évaluée par les moyens 17 sont transmis à un additionneur 18 qui en effectue la somme algébrique et délivre un déphasage corrigé aux moyens 19.

Ces moyens 19 sont adaptés pour extraire d'une table mémorisée une valeur de l'élongation de l'amortisseur en fonction du déphasage corrigé. Naturellement, les moyens 16, 17, 18 et 19 peuvent être classiquement réalisés par un microprocesseur, ses mémoires RAM et ROM associées, et son horloge.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Capteur de position inductif, du type comportant une bobine émettrice (1) parcourue par un courant altematif et une bobine réceptrice (2), caractérisé en ce que:

- les bobines sont montées coaxialement et sans recouvrement autour d'une tige (3)

en matériau ferromagnétique

- les bobines sont mobiles l'une par rapport à l'autre, I'une des bobines au moins

coulissant sur la tige et,

- la tige est d'une longueur suffisante pour s'étendre continûment sous la totalité des

bobines et entre elles.

2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écartement (E) entre les bobines est obtenu par comparaison entre un signal d'alimentation de la bobine émettrice et un signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice.

3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écartement (E) entre les bobines est calculé à partir de la différence de phase entre le signal d'alimentation de la bobine émettrice et le signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice.

4. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'écartement entre les bobines est calculé à partir du rapport entre la tension du signal d'alimentation de la bobine émettrice et la tension du signal recueilli aux bomes de la bobine réceptrice.

5. Amortisseur pour véhicule automobile, du type comportant un corps (5) dans lequel coulisse un piston (4) solidaire d'une tige (3) en matériau ferromagnétique qui traverse le corps à l'une de ses extrémités, équipé d'un capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'une des bobines (1) est solidaire de la tige du piston, I'autre bobine (2), coulissant autour de la tige du piston est solidaire du corps de l'amortisseur.

6. Procédé de mesure de l'élongation d'un amortisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que:

- on alimente l'une des bobines avec une tension altemative de fréquence

prédéterminée,

- on recueille aux bomes de l'autre bobine une tension induite,

- on mesure le déphasage entre ces deux tensions,

- on compare le déphasage mesuré avec une table de référence de l'élongation en

fonction du déphasage obtenue expérimentalement et,

- on déduit de cette comparaison la valeur de l'élongation de l'amortisseur.

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que:

- on mesure périodiquement la température à l'intérieur de l'amortisseur

- on tire une correction de déphasage d'une table obtenue expérimentalement en

fonction de la température mesurée,

- on corrige le déphasage mesuré avec la correction de déphasage ainsi obtenue.

8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que:

- on mesure périodiquement la tension d'alimentation de la première bobine et le

courant qui la traverse,

- on calcule l'impédance de cette bobine à partir du rapport tension / courant,

- on tire une correction de déphasage d'une table obtenue expérimentalement en

fonction de l'impédance,

- on corrige le déphasage mesuré avec la correction de déphasage ainsi obtenue.

9. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte:

- des moyens (14,15,16) adaptés pour foumir une valeur du déphasage entre les

tensions aux bomes de deux bobines (1,2)

- des moyens (11,12,13,17) adaptés pour foumir une valeur de correction du

déphasage en fonction des conditions d'environnement des deux bobines (1,2)

- des moyens (18) adaptés pour fournir une valeur corrigée du déphasage entre les

tensions aux bomes des deux bobines (1,2)

- des moyens (19) adaptés pour tirer d'une table préalablement mémorisée une valeur

de l'élongation de l'amortisseur en fonction de cette valeur de déphasage corrigée.