Appareil électromécanique de mesure dynamique (vibromètre).
On connaît des appareils de mesure, tels que les dynamomètres, qui permettent de mesurer statiquement la force qui s'oppose au déplacement d'un objet, de masse Jili par rapport à un autre objet, référentiel, de masse M3. Ces appareils présentent divers inconvénients, tels que de donner des mesures in- exactes quand les déplacements sont très petits ou quand la position de l'objet référentiel n'est pas constamnient et exactement déterminable.
L'appareil conforme à leinvention permet de mesurer dynamiquement la force qui s'oppose au déplacement relatif d'un objet; il comprend un dispositif générateur qui communique certains déplacements mécaniques à l'objet et un dispositif récepteur qui permet de mesurer électriquement l'amplitude de ces déplacements. Les déplacements mesurables peuvent être extrêmement petits sans que pour cela les dispositifs générateur et récepteur doivent être nécessairement en repos par rapport au référentiel. Les dispositifs générateur et récepteur peuvent au contraire être logés dans une poignée mobile sans que l'exactitude des mesures en souffre, pourn que les accélérations qu'il subit soient beaucoup plus petites que celles qu'il communique.
L'appareil peut mesurer des forces d'origine élastique ou inertiale. I1 permet, par exemple, de mesurer la force d'un ressort, l'élasticité d'un corps, la dureté d'une surface, le moment d'inertie ou, d'une manière générale, le degré de mobilité relatif d'un objet quelconque.
Les déplacements communiqués sont généralement des vibrations sinusoïdales (vibromètre), mais ils peuvent être des oscillations autres ou des impulsions.
A titre d'exemple, la fig. 1 du dessin annexé montre, schématiquement, un appareil conforme à l'invention. A titre d'exemple de réalisation pratique, la fig. 2 représente la coupe longitudinale à travers un appareil qui sert à la mesure du degré de mobilité des dents humaines (vibromètre dentaire) et qui permet de contrôler la paradentose. La fig. 3 est une vue latérale de l'appareil conforme à la fig. 2, avec un arrachement partiel. La fig. 4 est une vue partielle de l'appareil selon la fig. 2, et la fig. 5 un détail.
Selon la fig. 1, il s'agit de mesurer la force du ressort Ri, dont la masse i est négligeable, et qui est encastré dans un corps référentiel, de masse Sol2. Le degré de mobilité de l/l relativement à lI2 est une fonction inverse de la force du ressort Rl. L'appareil complet se compose d'un dispositif générateur et d'un dispositif récepteur, logés dans un boîtier cylindrique 1 qui peut être une poignée maniable, et d'un appareillage d'alimentation et de mesure, logé dans le boîtier 21, qui peut être posé sur une table. Le e dispositif géné- rateur de vibrations se compose d'une bobine 2 parcourue par un courant électrique alternatif et qui engendre un champ magnétique alternatif.
Celui-ei fait vibrer l'armature pola risée, constituée par la tige d'acier 3, dont une extrémité est suspendue par la lame de ressort R3 et dont l'autre extrémité est couplée mécaniquement avec le dispositif récepteur de vibrations par l'intermédiaire de la lame de ressort R5. La bobine 2, qui reçoit en réaction les vibrations de la tige 3, est solidaire d'une masse 1l/3 suspendue par les lames de ressort R4, R5. La masse 31, et les ressorts
R4, R, constituent un filtre mécanique présentant une résistance élevée pour la fréquence de vibrations, de sorte que les vibrations de réaction ne sont transmises que d'une manière très amortie à la poignée cylindrique 1, ou boîtier mobile.
Le dispositif récepteur de vibrations comprend une armature polarisée, constituée par la tige d'acier 4, dont les vibrations engendrent des variations de champ magnétique.
Celles-ci induisent un courant électrique alternatif dans la bobine 5. L'une des extrémités de la tige est suspendue dans le boîtier 1 par l'intermédiaire de la lame de ressort R6, l'autre l'étant par le ressort de couplage R3. La bobine 5 est solidaire d'une masse 1114, solidaire elle-même du boîtier 1. La tige 4 actionne une griffe 6 par l'intermédiaire d'une tige 7 et d'une articulation 8. La tige articu- lée 9, supportée par le levier coudé 10, 11, qui pivote autour de l'axe 12, solidaire du boîtier 1, eompense les forces qui s'exercent dans une direction normale à l'axe de vibration de l'armature 4. Les axes des tiges 7, 9 et du levier 10 forment trois côté d'un parallélogramme.
Tant qu'aucune force normale extérieure ne sollicite la griffe 6, le ressort 13 engage automatiquement la lame de ressort 14, encastrée dans le levier coudé 11, dans une gorge de la molette 15, solidaire de la tige 4.
Ainsi, pendant la marche à vide de l'appareil, les vibrations de l'armature 4 sont amorties par la lame de ressort 14, qui fait office d'étalon. Par contre, quand la griffe 6 est appuyée contre l'objet Ml, dont le degré de mobilité doit être mesuré, le levier 10 pivote de l'angle 16, la lame 14 est automatiquement dégagée de la gorge de la molette 15 et les vibrations de l'armature 4 ne sont plus amorties que par l'objet à mesurer 111i.
Le boîtier 21 comprend un transformateur 22 qui alimente la bobine 2 du dispositif générateur de vibrations et dont la tension primaire peut être variée à l'aide du potentio mètre -23, dont la position peut être repérée sur l'échelle 24. La tension induite dans la bobine 5 du dispositif récepteur de vibrations est multipliée par le transformateur 25, puis redressée par les diodes 26, 27 et sa valeur effective est finalement mesurée par le voltmètre 28. On pourrait brancher aussi sur l'enroulement 86 de 25 un oscillographe permettant de voir toute variation de tension induite dans la bobine 5. Les articulations, telles que 8, peuvent être constituées par des lames de ressort, ce qui leur enlève tont jeu.
L'appareil permet aussi de mesurer le degré de mobilité de il1 par rapport à 111, meme quand 1115 présente une inertie trop faible pour permettre des mesures exactes. A cet effet, il suffit d'ap ;puyer le bord 34 du boîtier cylindrique 1 contre un bord 35 de l'objet de référence M2.
Alors, on mesure bien le degré de mobilité relatif de M1 par rapport à M2, indépendamment de l'inertie de 1115.
Pour la construction de l'appareil de la fig. 1, les conditions fondamentales suivantes devraient être respectées: la force inertiale des parties vibrantes, telles que 4, 6, 7, 8, 15, doit être beaucoup plus petite que la force de l'objet à mesurer Ml. La force élastique des ressorts de suspension R2, R6 doit être beaucoup plus petite que celle de l'objet à mesurer
M1.
La force inertiale des parties réagissantes, telles que 31, du dispositif générateur et M4 du dispositif récepteur, doit être beaucoup plus grande que celle de M1. La force élastique des ressorts R4, R, du filtre mécanique doit être plus grande que celle du ressort de couplage R"qui doit être elle-même du même ordre de grandeur que la force élastique du ressort R1, ou inertiale de l'objet dI. La masse du boîtier cylindrique 1, comprenant celle qui est solidaire de la partie non vibrante du dispositif récepteur, doit être du même ordre de grandeur que celle de la partie non vibrante rlu dispositif générateur telle que 1W.
Un exemple de réalisation pratique de la partie de l'appareil comprise dans le boîtier cylindrique 1 de la fig. 1 est montré par les fig. 2 à 5 :
Le dispositif générateur et le dispositif récepteur de vibrations sont constitués par deux dispositifs électrodynamiques analogues à ceux qui sont employés dans la construction des haut-parleurs à aimants permanents eonnus, mais avec diverses modifications. Ils com- prennent chacun un aimant permanent 41, 42 et une bobine mobile 43, 44, suspendue par un dispositif de ressorts en étoile, appelé spider, 45, 46. Chaque corps de bobine mobile est constitué par un cylindre en métal non magnétique 36, tel que du laiton, fendu longitudinalement. Chaque spider est constitué par un certain nombre de ressorts en bronze, en forme d'S, qui sont disposés en étoile.
Le nombre de ressorts peut être de 4 ou 3, par exemple. Chaque bobine mobile 44, avec son corps cylindrique 36 et son spider 46, est pourvue d'un disque en matière isolante 37 pour les connexions électriques, et d'une bagne 38 avec une vis 39 qui permet de serrer une bague fendue, solidaire du corps 36, afin d'ajuster la bobine mobile sur l'axe 51.
Le dispositif générateur 41, 43, 45 tout entier est suspendu élastiquement dans le boîtier cylindrique 47 (ou dans un châssis) par l'intermédiaire des spiders 48, 49, qui sont vissés sur les flasques 69, 70 sans toucher l'axe 50 vibrant.
Cette tige vibrante 50 du dispositif générateur est couplée mécaniquement avec celle 51 du dispositif récepteur par l'intermédiaire d'un dispositif de couplage réglable (fig. 5) qui comprend une croix rigide 52 et un spider élastique ou étoile de ressorts 53. Chacun de ces ressorts présente une fente circulaire, telle que 54, dans laquelle la vis de fixation, telle que 55, peut coulisser. Il suffit donc de desserrer ces vis, ainsi que la vis 56 de la bague de serrage de la croix rigide, pour modifier le degré de couplage.
La tige vibrante 51 du dispositif récepteur est prolongée par une lame de ressort 57, formant l'articulation sans jeu d'un levier 58, dans lequel est vissé le couteau 59 à échan enivre conique. En marche à vide, le levier 58 est rappelé par le ressort en spirale 60 ou 61, et la lame de ressort-étalon 62 s'engage dans l'échancrure conique du couteau 63. Par contre, quand on appuie le couteau 59 sur la dent à mesurer 64, le levier 58 bascule, dégageant ainsi le ressort-étalon 62 du couteau 63. Des bagues de serrage, telles que 64, servent de butée limitant les déplacements axiaux de la tige 51. Les flasques 69 à 73 forment un bâti rigide maintenu par les vis, telles que 75, 76 et les canons, tels que 77, 78. Une fourche 81, 82 est vissée d'une manière amovible sur le flasque 73.
En l'appuyant sur des dents voisines de celle à mesurer, on rend les mouvements du boîtier 47 solidaires de ceux de la tête de la personne examinée. La mâchoire inférieure peut être rendue solidaire de la tête quand la personne mord un objet, tel que la fourche 81, 82, par exemple.
Le fonctionnement de l'appareil décrit selon les fig. 1 à 5 est le suivant: On applique aux bornes 85 du transformateur 22 une tension alternative, telle que du réseau 50 Hertz, d'amplitude A1 volt. Alors la tige 50 du dispositif générateur vibre axialement avec une amplitude A, [mml. Une partie
A4 [watt. sec.] de son énergie vibratoire
k A2 [watt. sec.] est transmise à la tige 51 du dispositif récepteur, tandis que la différence
A2 A- A41 - 8: [watt. sec.] est consommée dans le couplage élastique R3.
La tension électrique induite dans la bobine 5. transformée par le transformateur 25, puis redressée par les diodes 26, 27 est indiquée par l'instrument de mesure 28. La valeur effective de cette tension est proportionnelle à l'amplitude A, [volt] ou A3 [amp.]. La formule du vibromètre est donc: A6 AS VA', -A,' w A2 a A2 Ai
Pendant la marche à vide, l'amplitude A4 du dispositif récepteur est contrôlée par le ressort-étalon 62.
On règle le potentiomètre 23, de manière que l'instrument 28 indique une certaine tension A, prescrite par un repère, tel que 31 ou 32, ce qui permet de corriger les variations de tension éventuelles du réseau ou de varier la sensibilité de l'appareil, c'est-à-dire la puissance du dispositif gé nérateur u A2 [watt].
Pour mesurer le degré de mobilité d'un objet, tel que la dent 64, on applique sur celle-ci l'échancrure conique du couteau 59, en utilisant éventuellement la fourche 81, 82 comme appui-butée sur les dents voisines.
Alors, le levier 10, 11 ou 58 bascule, le ressortétalon 14 ou 62 se dégage automatiquement de la gorge de la molette 15 ou de l'échancrure du couteau 63 et ie voltmètre 28 indique une certaine valeur qui est la mesure du degré de mobilité de l'objet tel que la dent 64 ou la mesure de la force d'un ressort, tel que Rl.
Si la force du ressort est négligeable et que c'est au contraire la masse de l'objet 111, qui est importante, l'appareil décrit permet d'en mesurer la force inertiale ou le moment d'inertie.
Le cadran du voltmètre 28 peut être étalonné de diverses manières: en degrés de mobilité, ou de paradentose, dans le cas dentaire; en grammes dans le cas de la force d'un ressort; en grammes-eentimètres-carrés dans le cas du moment d'inertie; ou en toute autre nnité adéquate.
On peut alimenter le dispositif générateur de vibrations par un courant de fréquence autre que 50 Hertz, ou par un courant de fréquence réglable, par exemple, entre 10 et 10 000 Hertz, ce qui permet de mesurer aussi le degré de mobilité d'un objet en fonction de la fréquence ou de déterminer sa résistance à des fréquences de résonance ou d'antirésonance.
On peut aussi l'alimenter par des impulsions, ce qui permet d'utiliser l'appareil pour la mesure de la dureté superficielle, en degrés
Brinell ou autres.
On peut multiplier la tension. induite dans le dispositif récepteur par un facteur très élevé, tel que 100 000 ou 1 million, à l'aide d'un amplificateur électronique, ce qui permet de mesurer des degrés de mobilité extrêmoment petits, tels que ceux qui correspondent à la déformation élastique de barres métalliques ou autres.
Au lieu du couplage décrit entre le dispositif générateur et le dispositif récepteur, on peut utiliser l'objet lui-même, dont le degré de mobilité est à mesurer, comme couplace, le dispositif récepteur étant pourvu d'une pointe indépendante du dispositif générateur et qui vient s'appliquer contre l'objet.
La tige réceptrice peut être disposée concen- triquement par rapport à la tige génératrice sans toucher celle-ci.
Le dispositif générateur ou le dispositif récepteur de vibrations peut être du type électromagnétique, électrodynamique, électrostrictif, piézo-électrique ou autres, tels que ceux qui sont connus dans la technique des transformateurs électro-acoustiques pour microphones, haut-parleurs, pick-ups ou autres.
Le dispositif générateur pourrait aussi être actionné par un moteur électrique adaptable, tel que celui d'une fraise dentaire, d'un rasoir électrique ou autre.
Selon la fig. 2, le dispositif générateur et le dispositif récepteur comprennent des dispositifs électromagnétiques identiques, dont les champs magnétiques sont disposés en opposition, de manière à en compenser les asymétries.
Exemple de valeurs numériques pour vibromètre dentaire: Dispositif générateur 300 grammes, 1/2 watt, 25 volts, 20 mA; dispositif récepteur 300 grammes, 2,5 microwatts, 0,1 volt, 25 micro-ampères. Epaisseur des spiders: 45, 46: 0,2 mm; 48, 49: 1 mm; 53: 1 mm.
Les spiders, tels que 46, 48, peuvent être en bronze ou autre métal élastique, non ma magnétique.
Afin d'augmenter l'amortissement et de diminuer les phénomènes de résonance du dis positif récepteur, on peut prévoir des spiders amortisseurs, ou les faire travailler dans un bain d'huile, ou encore les pourvoir d'un piston hydraulique ou à compression d'air, ou d'aillettes qui battent l'air.