Mesure sans contact du voile et de la variation d’épaisseur de disque de frein
En mesure de distance sans contact, nous vous présentons ici un retour d’expérience sur la mesure capacitive appliquée aux disques de freins dans l’automobile avec, au sommaire :
Mesure de distance sans contact : le choix de la précision et de la fiabilité
Les mesures fiables de distance sans contact à haute et moyenne température sont recherchées par exemple dans les industries aéronautiques en mesure du jeu aube/carter sur compresseur, de déplacement d’arbre et de roue. Les mesures de RTV (pour Rotation Thickness Variation) et de voile de disque de frein (en fonte ou carbone) de véhicules roulants sont demandées dans l’industrie automobile, ferroviaire et aéronautique.
Les capteurs capacitifs haute température CCHT de CAPAAB conviennent à une large gamme d’application comme les mesures de RTV (Rotation Thickness Variation) et de voile sur disque de frein.
La coopération entre CAPAAB et les sociétés dont l’activité principale réside dans la fabrication de câbles à isolant minéral (incluant les éléments chauffants, les thermocouples et les sondes capacitives) aboutit à la disponibilité d’une panoplie de solutions. Aussi, jusqu’aux températures capteurs atteignant 1300 °C (sans refroidissement), CAPAAB peut fournir des solutions multivoies (jusqu’à 8) incluant le traitement temps réel et l’affichage des données.
Principe de fonctionnement de la mesure sans contact de voile de disque
Le principe de la mesure sans contact de voile d’un disque est explicité avec le schéma suivant. Le système comporte principalement 2 capteurs capacitifs placés de chaque côté du disque à tester.
La variation de capacité se produisant entre la face de mesure de chaque capteur et la face du disque en regard est convertie en volts puis en millimètres.
La variation instantanée de capacité est traduite en une variation de distance correspondante.
Le signal brut provenant du conditionneur a l’allure de la figure précédente (en sortie 1) : comme la distance varie autour d’une valeur moyenne quasi-constante, le signal moyen varie peu et les petites variations sont dues au RTV (variation d’épaisseur circonférentielle) et au voile.
Le signal 1 est un exemple de résultat réel. La valeur maximale est due au voile.
Le signal 2 a l’allure de la figure ci-dessus. Les deux signaux sont numérisés et traités de manière à afficher le RTV et la valeur moyenne du voile interne & externe.
RTV = variation d’épaisseur du disque sur 1 tour
Voile = variation de la distance interne et externe du disque /capteurs
L’unité de traitement est utilisée pour convertir la tension numérisée en millimètres (ou en pouces) grâce à la représentation polynomiale de la courbe de calibration, stockée dans le programme d’application.
L’allure typique de la courbe de calibration du capteur capacitif + conditionneur est donnée ici.
Pour relever cette courbe de calibration, aucun dispositif complexe n’est nécessaire. La courbe de calibration statique est relevée à l’aide d’un montage permettant de déplacer précisément la cible face au capteur. La cible peut être le disque lui-même ou réalisé avec toute pièce métallique, même si le disque à tester est composé de carbone.
Un système à vis micrométrique permet de connaître la distance séparant le capteur de la cible. La tension statique correspondante est simplement lue sur un voltmètre ou par la carte d’acquisition.
Par l’utilisation d’une feuille de calcul, le polynôme représentatif est calculé. Les valeurs des différents coefficients de ce polynôme sont chargées dans le programme de l’application et utilisés pour convertir les tensions en mm ou en inch.
Dans le cas idéal, la capacité C est reliée à la distance d qui sépare 2 électrodes de surface S, placées dans un média de constante diélectrique ε, par l’ expression : C = S ε / d
NB : On remarque que l’inverse de la capacité est linéaire avec d
Le système est bâti autour d’un pont de mesure à fréquence porteuse. On en retrouve donc les fonctions essentielles : oscillateur, amplificateur, démodulateur synchrone. Ce pont a la particularité d’être asservi à l’équilibre par l’utilisation d’une boucle de retour commandée à partir d’un comparateur (réseau intégrateur actif RC de sortie) et d’un modulateur d’amplitude.
Le descriptif succinct du fonctionnement est donné en mode “C-1” soit une sortie proportionnelle à l’inverse de la capacité, donc linéaire avec la distance.
La boucle d’asservissement permet d’ajuster le niveau de courant Ipol de manière à l’égaliser au courant Iref. Le courant Ie est alors nul. Le modulateur applique au capteur une tension (k .Vs) dont l’amplitude est l’image de la tension de sortie Vs.
A l’équilibre, Ipol = j k .Vs . Cx . ω et Iref = j . Vref . Cref . ω ( avec ω = pulsation du signal de l’oscillateur). Comme Ipol = Iref, cela entraîne :
Vs = Vref . Cref / k . Cx
Ce mode de fonctionnement correspond bien à la fonction ” C<sup>-1</sup> “. En effet, la tension de sortie Vs est inversement proportionnelle à Cx (capacité du capteur) et donc proportionnelle à la distance séparant les armatures de Cx (Cx = [constante / distance] en géométrie plan / plan).
Le mode de fonctionnement “C” est obtenu en permutant les sources associées à Cx et Cref. Dans ce cas, nous avons :
Vs = Vref . Cx / k . Cref
La tension Vs est alors proportionnelle à Cx.
Remarques
Dans les deux modes de fonctionnement, deux générateurs indépendants appliquent la même tension à l’électrode de mesure et à l’anneau de garde du capteur (au travers du câble triaxial de liaison capteur / électronique associée). Cette disposition, courante en mesure capacitive de qualité, permet d’assurer une configuration optimale à la topologie du champ électrique inter électrodes.
Sans anneau de garde porté au même potentiel que l’électrode de mesure, des mesures linéaires en distance ne seraient pas possibles. En outre, ces mesures peuvent être effectuées même si le capteur est placé à l’extrémité d’un câble de liaison. Celui-ci est alors “transparent” dans la mesure où les effets de sa propre capacité parasite sont, par principe, totalement éliminés.
Vous avez un besoin en mesure sans contact ?
Les principaux avantages de la technique capacitive proposée par CAPAAB
Par comparaison aux techniques capacitives conventionnelles, la technique CAPAAB offre de nombreux atouts ou de nombreuses possibilités.
La solution clé en main : le conditionneur capacitif CAP100
Du capteur à l’acquisition, de la calibration à l’affichage temps réel, de la phase développement au système embarqué… le conditionneur capacitif CAP 100 est disponible soit pour des tests au banc d’essais soit pour les systèmes embarqués sur véhicule.
Un système de numérisation et de traitement peut être utilisé avec ce conditionneur. Bâti autour d’un PC, le système supporte 4 modules et les signaux sont acquis avec numérisation simultanée.
La solution complète de mesure de voile et de variation d’épaisseur de disque de frein
