WO2003054498A1 - Dispositif capteur, dispositif de mesure et dispositif d'analyse comportant un tel dispositif capteur - Google Patents

Dispositif capteur, dispositif de mesure et dispositif d'analyse comportant un tel dispositif capteur Download PDF

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WO2003054498A1
WO2003054498A1 PCT/FR2002/004466 FR0204466W WO03054498A1 WO 2003054498 A1 WO2003054498 A1 WO 2003054498A1 FR 0204466 W FR0204466 W FR 0204466W WO 03054498 A1 WO03054498 A1 WO 03054498A1
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point
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measurement
force
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PCT/FR2002/004466
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Christian Jean Gauthier
Robert Schirrer
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/161—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance
    • G01L5/162—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using variations in ohmic resistance of piezoresistors
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02—Measuring coefficient of friction between materials

Definitions

  • Sensor device, measurement device and analysis device comprising such a sensor device
  • the present invention relates generally to the determination of mechanical stresses, more particularly the forces applying at a given point, and relates to a sensor device for determining the intensities of the spatial components and the direction of any force. , a measuring device for determining the mechanical stresses at the surface of an object, a tree or the like, as well as a device for analyzing the physical and mechanical properties of such a surface.
  • the first object of the present invention is to meet the current need for a sensor to determine the magnitude of any forces, in particular of their components in a given plane, having a simple and space-saving structure and a cost price. low, while being easily adaptable, in particular geometrically, to varied conditions and circumstances of measurement and by providing reliable and precise measurements.
  • the invention should advantageously also, in an additional manner, be able to possibly take these parameters into account and vary them within ranges of values corresponding to real situations and applications .
  • the present invention also aims to overcome this limitation.
  • the main object of the present invention is a sensor device for determining the intensities of the components of any force along the three directions of any orthogonal coordinate system, characterized in that it is mainly constituted by three traction sensors / compression mounted in and / or forming an integral part of a rigid material structure extending between a measurement point at which the force to be determined applies and at least one reference point, these sensors being arranged in a non-coplanar manner and with their respective measurement or acquisition axes competing at the measurement point, the components of the force to be determined in the orthogonal coordinate system, one of the axes of which passes through the measurement or force application point , being calculated from the intensities of the components measured at each sensor and as a function of the geometrical characteristics of the mate structure rial integrating said three sensors, by projection of the components decomposing the force to be determined along the axes of the three sensors, on the three axes of said orthogonal coordinate system.
  • the principle underlying the present invention therefore consists in decomposing the force to be determined into its components according to three non-coplanar measurement directions and all passing through the measurement (and force application) point, a sensor being installed according to each of said directions for measuring the intensity of the force component in the corresponding direction.
  • Figure 1 is a principle representation of a sensor device according to the invention
  • FIG. 1A represents the components of the force to be determined applying at the level of the measurement point
  • FIGs 2 and 3 are schematic representations of two alternative embodiments of the sensor device of Figure 1, "series” structure ( Figure 2) and “parallel” structure ( Figure 3);
  • FIGS. 4A, 4B and 4C are schematic representations of degraded versions of the sensor device according to the invention, with two sensors arranged in a plane;
  • Figure 5 is a schematic representation in side elevation of an analysis device according to the invention and incorporating a measuring device mainly consisting of a sensor device according to the invention;
  • FIG. 6 is an enlarged view in lateral elevation of the contact zone between the surface to be analyzed and the end of the head of the analysis device of FIG. 5, and,
  • FIG. 7 is a block diagram of a thermal regulation circuit associated with the thermoregulated chamber forming part of the analysis device shown in FIG. 5.
  • the sensor device 1 is mainly constituted by three traction / compression sensors 5, 5 ', 5 "mounted in and / or forming an integral part of 'a rigid material structure 4 extending between a measurement point 2 at which the force F to be determined applies and at least one reference point 2'; A, B, C, these sensors 5, 5 ', 5 "being arranged in a non-coplanar manner and with their respective measurement or acquisition axes AM, AM ', AM" concurring at the level of the measurement point 2, the components Fx, Fy, Fz of the force F to be determined in a reference frame orthogonal x, y, z, one of whose axes z passes through point 2 for measuring or applying force F, being calculated from the intensities components F A , F B , F c measured at the level of each sensor 5, 5 ', 5 "and as a function of the geometrical characteristics of the material structure 4 integrating said three sensors 5, 5'
  • These static deformation measurement sensors of simple structure and only making a measurement in the direction of their respective axes can, for example, be of the calibrated gauge type, in particular those known under the designation sensors series EL of the company ENTRAN.
  • the sensor sensors 5, 5 ′, 5 are mounted in series in portions of support branches 4" of the material structure 4 connected between them and, where appropriate, at the reference point 2 ′ by parts of intermediate branches 4 ′ ′′, this support structure 4 extending from a reference point 2 ′ to the measurement point 2 and each sensor 5, 5 ′, 5 "being subjected to all of the forces and stresses resulting from the force F to be measured.
  • the sensors 5, 5 ′, 5 are mounted in parallel and each integrated in an independent branch 4A, 4B, 4C of the support structure 4, each branch extending between the measurement point 2 and a respective corresponding reference point A, B, C.
  • A, B and C denote either the three reference points in the case of a parallel structure of the sensor device 1 (figure
  • the three force recovery points A, B, C form, two by two, with the measurement point 2 the vertices of identical isosceles triangles.
  • the elements forming the portions of branches 4 "and 4 '" or the branches 4A, 4B, 4C, and therefore the framework of the structure 4 have a high rigidity and stiffness, in particular greater than those of said sensors 5, 5 'and 5 ".
  • a measuring device 1c for determining the mechanical stresses, in particular linked to friction or scratches, at a surface of an object characterized in that it is mainly constituted by a sensor device 1 described above, in which the measuring point 2 or point of application 3 "on the surface 3 consists of a point, an edge or a surface of contact of a head 2 "rigidly fixed on the end of said sensor device 1 opposite to the reference point 2 'or to the reference points (A, B, C), said sensor device 1 being stressed under stress against the surface 3 to study.
  • the head 2 is thus held rigidly in overhang at the end of the structure 4, the forces exerted on said head 2" causing corresponding deformations of the traction / compression sensors 5, 5 “and 5 '” by their components oriented along the respective detection directions AM, AM ′, AM ′′ of said sensors.
  • This head 2 "could, for example, be constituted by a cylindrical body having a pointed conical extension, by a prismatic body having a contact edge or else a shoe having a contact surface, the dimensions of which are very small compared to the dimension of the measuring device.
  • the sensors 5, 5 'and 5 "" consist of identical sensors, preferably with low deformation, and mounted in the structure 4 formed of elements preferably having a rigidity greater than that of said ones sensors.
  • the head 2 " can be secured to the structure 4 by a quick mounting means, allowing easy interchangeability.
  • the structure 4 can be part of an arm 4 ′ mounted with the faculty of pivoting in the manner of a beam, being subjected to a torque which is stressing, for example elastically and with adjustable intensity, the end of the arm
  • the elastic load may consist of a compression spring acting on the end of the arm 4 'opposite to that carrying the head 2 ", said arm 4' being pivotally mounted around a axis located between the two aforementioned ends.
  • said head 2 "will come into contact from below against the surface 3 to be studied.
  • the torque requesting the arm 4 ′ may however also be generated by a dead mass, by an electromagnet, by bending of an arm in the form of a spring blade or the like.
  • FIGS. 5 to 8 of the appended drawings it is advantageously provided that, to perform the measurement, the surface to be studied 3 is moved in translation, at an adjustable speed, relative to the head 2 ", said head 2" remaining fixed in translation during the measurement phase.
  • the surface to be studied 3 can be located in a thermoregulated chamber 6 and, if necessary if applicable, with controlled atmosphere and / or humidity.
  • the chamber 6 with regulated thermal flux could, for example, be integrated in a thermal regulation circuit as shown in FIG. 7 of the accompanying drawings.
  • Such a circuit may in particular comprise a source of liquid nitrogen 11 associated with a thermal evaporation pipe 11 ′ or with a source of compressed air 12, which can be connected alternately, for example by means of a three-way valve tracks 13, to a heating module 14 blowing the gaseous body delivered at a given temperature into the thermoregulated chamber 6.
  • the temperature of said chamber 6 is advantageously controlled by means of a regulation loop incorporating a probe 15 continuously determining the temperature internal of said chamber 6 and a regulator 16 controlling the operation of the heating module 14 as a function of the temperature measured by the probe 15 and of the desired setpoint temperature.
  • thermoregulated chamber 6 comprising the surface to be studied 3 is mounted on a motorized table 7 whose displacement in translation is controlled, the head 2 "and the three force sensors 5, 5 'and 5" being also located in said thermoregulated chamber 6 and remaining inside the latter during the measurement phase.
  • Said table piloted may for example consist of a motorized table making it possible to obtain continuously adjustable scrolling speeds (without mechanical gearbox), in particular between 1 ⁇ m / s and 15 mm / s, the temperature being able for example to vary from -100 ° C at + 100 ° C and the 2 "head can consist of a conical or pyramidal diamond tip (or other hard material) with a radius of curvature between 1 ⁇ m and 1000 ⁇ m.
  • the present invention also relates to a device for analyzing the physical and mechanical properties of a flat surface portion of an object, in particular for studying in real time its behavior in the event of friction or scratching, characterized in that '' it mainly consists of a measuring device Y as described above, associated with a computer unit 9 controlling said measuring device l 'and producing the acquisition and management of the parameters and data resulting from the measurement operations, as well as possibly their evaluation and their edition (figure 5).
  • said analysis device 8 may also include a unit 10 for taking pictures at high speed, preferably of the CCD camera type, situated on the opposite side of the surface to be analyzed 3 relative to the application side of the head 2 "of the measuring device 1c, focused and having a field of vision substantially centered with respect to the point or line of contact between the head 2 "and the surface to be analyzed 3 and remaining fixed during the experimentation and measurement phases.
  • a unit 10 for taking pictures at high speed preferably of the CCD camera type, situated on the opposite side of the surface to be analyzed 3 relative to the application side of the head 2 "of the measuring device 1c, focused and having a field of vision substantially centered with respect to the point or line of contact between the head 2 "and the surface to be analyzed 3 and remaining fixed during the experimentation and measurement phases.
  • the analysis device will find advantageous applications in particular in the study of the behavior and behavior of coatings with specific properties (anti-scratch, anti-friction, etc.) and in their development and fine-tuning.
  • the invention also relates to a device for measuring the stresses at the level of a shaft or the like which can rotate about its longitudinal axis, characterized in that it is mainly constituted by a sensor device 1 described above, in which the measurement point 2 is integral with said shaft or its guide bearings and the sensors 5, 5 'and 5 "are arranged in such a way that their measurement axes AiM, AM' and AM" intersect at a point located on the longitudinal axis or axis of rotation of said shaft.
  • the invention is not limited to the embodiments described and shown in the accompanying drawings. Modifications remain possible, in particular from the point of view of the constitution of the various elements or by substitution of technical equivalents, without thereby departing from the scope of protection of the invention.

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Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif capteur pour déterminer les intensités des composantes d'une force quelconque suivant les trois directions d'un repère orthogonal. Dispositif caractérisé en ce qu'il est constitué par trois capteurs de traction/compression (5, 5', 5') montés dans une structure matérielle rigide s'étendant entre un point de mesure (2) au niveau duquel s'applique la force (F) à déterminer et au moins un point de référence (2'), ces capteurs (5, 5', 5') étant disposés de manière non coplanaires et avec leurs axes de mesure ou d'acquisition respectifs (AM, AM', AM') concourant au niveau du point de mesure (2), les composantes (Fx, Fy, Fz) de la force (F) à déterminer dans le repère orthogonal (x, y, z), étant calculées à partir des intensités des composantes mesurées au niveau de chaque capteur (5, 5', 5'), par projection des composantes décomposant la force (F) à déterminer selon les axes (AM, AM', ÀM') des trois capteurs (5, 5', 5'), sur les trois axes (x, y, z) dudit repère orthogonal.

Description

Dispositif capteur, dispositif de mesure et dispositif d'analyse comportant un tel dispositif capteur
La présente invention concerne de manière générale la détermination de sollicitations mécaniques, plus particulièrement les forces s'appliquant au niveau d'un point donné, et a pour objet un dispositif capteur pour déterminer les intensités des composantes spatiales et la direction d'une force quelconque, un dispositif de mesure pour déterminer les sollicitations mécaniques au niveau de la surface d'un objet, d'un arbre ou analogue, ainsi qu'un dispositif pour l'analyse des propriétés physiques et mécaniques d'une telle surface.
Le premier but de la présente invention consiste à répondre au besoin actuel de disposer d'un capteur pour déterminer la magnitude de forces quelconques, notamment de leurs composantes dans un plan donné, présentant une structure simple et peu encombrante et d'un prix de revient faible, tout en étant aisément adaptable, notamment géométriquement, à des conditions et des circonstances de mesure variées et en fournissant des mesures fiables et précises.
De plus, dans le domaine de l'analyse des propriétés physiques et mécaniques des matériaux, plus particulièrement des surfaces solides soumises à des agressions du type frottement ou rayure, il existe actuellement un besoin pour un dispositif ou un appareil permettant d'analyser les sollicitations mécaniques et physiques lors du contact entre deux objets, notamment lorsque ces derniers sont animés de mouvements relatifs, et plus particulièrement des surfaces de matériaux à une ou plusieurs phases (matériaux homogènes, matériaux revêtus, etc..) soumises à un frottement ou à une rayure. II existe notamment un besoin pour un dispositif à structure et à fonctionnement simples, adaptable, peu encombrant, d'un poids faible et d'un bas prix de revient, permettant de mesurer fïablement et avec précision simultanément les forces tangentielle et normale apparaissant lors du contact. Un autre but de la présente invention consiste à répondre également de manière satisfaisante à ce dernier besoin.
En outre, les propriétés physiques des matériaux viscoélastiques ou viscoplastiques, par exemple, dépendant de différents facteurs (température, force d'application, géométrie du contact, etc.), l'invention devra avantageusement également, de manière supplémentaire, pouvoir éventuellement prendre en compte ces paramètres et les faire varier dans des plages de valeurs correspondant aux situations et aux applications réelles.
Par la demande de brevet français n° 01 13823 du 25 octobre 2001 au nom du demandeur, on connaît déjà un dispositif capteur et un dispositif de mesure répondant aux problèmes susvisés.
Toutefois, ces dispositifs sont limités à une décomposition de la force à déterminer dans un plan, ce qui n'autorise pas la détermination d'une force quelconque en termes d'intensité et de direction.
La présente invention a également pour but de surmonter cette limitation.
A cet effet, la présente invention a pour principal objet un dispositif capteur pour déterminer les intensités des composantes d'une force quelconque suivant les trois directions d'un repère orthogonal quelconque, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par trois capteurs de traction/compression montés dans et/ou faisant partie intégrante d'une structure matérielle rigide s'étendant entre un point de mesure au niveau duquel s'applique la force à déterminer et au moins un point de référence, ces capteurs étant disposés de manière non coplanaires et avec leurs axes de mesure ou d'acquisition respectifs concourant au niveau du point de mesure, les composantes de la force à déterminer dans le repère orthogonal, dont l'un des axes passe par le point de mesure ou d'application de la force, étant calculées à partir des intensités des composantes mesurées au niveau de chaque capteur et en fonction des caractéristiques géométriques de la structure matérielle intégrant lesdits trois capteurs, par projection des composantes décomposant la force à déterminer selon les axes des trois capteurs, sur les trois axes dudit repère orthogonal. Le principe à la base de la présente invention consiste donc à décomposer la force à déterminer en ses composantes selon trois directions de mesure non coplanaires et passant toutes par le point de mesure (et d'application de la force), un capteur étant installé selon chacune desdites directions pour mesurer l'intensité de la composante de la force selon la direction correspondante.
Ces mesures d'intensité sont ensuite converties en modules des composantes de la force à déterminer dans un repère orthogonal, cette conversion étant plus ou moins complexe en fonction de l'arrangement des capteurs mis en œuvre.
L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :
La figure 1 est une représentation de principe d'un dispositif capteur selon l'invention ;
La figure 1A représente les composantes de la force à déterminer s'appliquant au niveau du point de mesure ;
Les figures 2 et 3 sont des représentations schématiques de deux variantes de réalisation du dispositif capteur de la figure 1, à structure "série" (figure 2) et à structure "parallèle" (figure 3) ;
Les figures 4A, 4B et 4C sont des représentations schématiques de versions dégradées du dispositif capteur selon l'invention, à deux capteurs disposés dans un plan ;
La figure 5 est une représentation schématique en élévation latérale d'un dispositif d'analyse conforme à l'invention et intégrant un dispositif de mesure principalement constitué par un dispositif capteur selon l'invention ;
La figure 6 est une vue agrandie en élévation latérale de la zone de contact entre la surface à analyser et l'extrémité de la tête du dispositif d'analyse de la figure 5, et,
La figure 7 est une représentation synoptique d'un circuit de régulation thermique associé à la chambre thermorégulée faisant partie du dispositif d'analyse représenté à la figure 5.
Conformément à l'invention, et comme le montrent notamment les figures 1 à 3 des dessins annexés, le dispositif capteur 1 est principalement constitué par trois capteurs de traction/compression 5, 5', 5" montés dans et/ou faisant partie intégrante d'une structure matérielle rigide 4 s'étendant entre un point de mesure 2 au niveau duquel s'applique la force F à déterminer et au moins un point de référence 2' ; A, B, C, ces capteurs 5, 5', 5" étant disposés de manière non coplanaires et avec leurs axes de mesure ou d'acquisition respectifs AM, AM', AM" concourant au niveau du point de mesure 2, les composantes Fx, Fy, Fz de la force F à déterminer dans un repère orthogonal x, y, z, dont l'un des axes z passe par le point 2 de mesure ou d'application de la force F, étant calculées à partir des intensités des composantes FA, FB, Fc mesurées au niveau de chaque capteur 5, 5', 5" et en fonction des caractéristiques géométriques de la structure matérielle 4 intégrant lesdits trois capteurs 5, 5', 5", par projection des composantes FA, FB, Fc décomposant la force F à déterminer selon les axes AM, AM', AM" des trois capteurs 5, 5', 5", sur les trois axes x, y, z dudit repère orthogonal. Les capteurs 5, 5' et 5" du type traction/contraction seront insensibles aux sollicitations dans les directions autres que leurs axes de mesure respectifs (insensibilité aux efforts de flexion/cisaillement).
Ces capteurs de mesure de déformation statique de structure simple et n'effectuant qu'une mesure dans la direction de leurs axes respectifs peuvent, par exemple, être du type jauge calibrée, notamment ceux connus sous la désignation capteurs série EL de la société ENTRAN.
Conformément à une première variante de réalisation de l'invention, représentée à la figure 2 des dessins annexés, les capteurs capteurs 5, 5', 5" sont montés en série dans des portions de branches support 4" de la structure matérielle 4 reliées entre elles et, le cas échéant, au point de référence 2' par des parties de branches intermédiaires 4'", cette structure support 4 s'étendant d'un point de référence 2' jusqu'au point de mesure 2 et chaque capteur 5, 5', 5" étant soumis à la totalité des efforts et sollicitations résultant de la force F à mesurer.
Conformément à une seconde variante de réalisation de l'invention, représentée à la figure 3 des dessins annexés, les capteurs 5, 5', 5" sont montés en parallèle et intégrés chacun dans une branche indépendante 4A, 4B, 4C de la structure support 4, chaque branche s'étendant entre le point de mesure 2 et un point de référence respectif correspondant A, B, C.
En référence aux figures 1 à 3, on explicitera ci-après les formules de calcul permettant de réaliser la conversion des mesures effectuées au moyen des capteurs 5, 5' et 5" en des modules de vecteurs composants selon les trois axes d'un repère orthogonal (x, y, z).
Dans ce qui suit, A, B et C désignent soit les trois points de référence dans le cas d'une structure parallèle du dispositif capteur 1 (figure
3), soit les points de reprise d'efforts au niveau des axes de mesure des capteurs 5, 5' et 5" dans le cas d'une structure série dudit dispositif capteur 1 (figure 2), O désignant le point de mesure 2. +RA -RB sinΘB -Rc sinΘc
AO o BO ≈ +RB cosΘB CO = -Rc cosΘc
+ZΛ + ZR +ZC
IIÂÔII
Figure imgf000007_0002
l|BδHRB 2 + RB2
Figure imgf000007_0001
FA =
Figure imgf000007_0003
En relation avec les figures 1 et 1A, on obtient alors le système d'équations (1) suivant :
c RçsinΘç j Rc2 + Zc
JRc2 + zc
Figure imgf000007_0004
En vue de simplifier les formules ci-dessus, il peut être prévu, en relation avec la variante de réalisation de la figure 2, que les trois points A, B, C de reprise d'efforts et de connexion à des parties de branche intermédiaires 4'", des portions de branches 4" portant les capteurs 5, 5', 5", éloignés du point de mesure 2, soient tous situés à égale distance dudit point de mesure 2.
Une simplification identique peut être envisagée dans le cas de la variante de réalisation de figure 2, à savoir que les points A, B, C de reprise d'efforts et d'ancrage disposés aux extrémités des trois branches indépendantes 4A, 4B, 4C de la structure support 4, formant les trois points de référence A, B, C, sont tous situés à égale distance du point de mesure 2. Une simplification supplémentaire intervient lorsque, selon une caractéristique optionnelle avantageuse de l'invention, les axes de mesure ou d'acquisition AM, AM', AM" des capteurs 5, 5', 5" définissent entre eux, deux à deux, des angles identiques. Enfin, on aboutit à une simplification maximale des formules de conversion en combinant les deux types d'optimisation constructives décrites ci-dessus.
Dans ce cas de mode de réalisation préféré de l'invention, les trois points de reprise d'efforts A, B, C forment, deux par deux, avec le point de mesure 2 les sommets de triangles isocèles identiques.
On aboutit alors à : RA = RB = Rc = r, ZA = ZB = Zc = z et ΘB = Θc = Θ, et par conséquent à r2 + z2 = 1.
Le système d'équations (1) précédent devient alors :
sin Θ]
Figure imgf000008_0001
Dans le cas particulier de la décomposition de la force F dans un repère orthogonal (x, z) d'un plan, correspondant à la demande de brevet français précitée, on aboutit, en partant du système d'équations (1) ci-dessus et avec ΘB = H/2 et Fc = 0, à :
Figure imgf000008_0002
si RA = RB = r et ZA = ZB = z alors
Figure imgf000009_0001
si r = z alors : r U
Figure imgf000009_0002
De manière avantageuse, les éléments formant les portions de branches 4" et 4'" ou les branches 4A, 4B, 4C, et donc l'ossature de la structure 4, présentent une rigidité et une raideur élevées, notamment supérieures à celles desdits capteurs 5, 5' et 5".
La présente invention a également pour objet, comme le montrent notamment les figures 5 et 6 des dessins annexés, un dispositif de mesure l' pour déterminer les sollicitations mécaniques, en particulier liées aux frottements ou aux rayures, au niveau d'une surface d'un objet, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par un dispositif capteur 1 décrit ci-dessus, dans lequel le point de mesure 2 ou point d'application 3" sur la surface 3 consiste en une pointe, une arête ou une surface de contact d'une tête 2" fixée rigidement sur l'extrémité dudit dispositif capteur 1 opposée au point de référence 2' ou aux points de référence (A, B, C), ledit dispositif capteur 1 étant sollicité sous contrainte contre la surface 3 à étudier.
La tête 2" est ainsi maintenue rigidement en porte-à-faux à l'extrémité de la structure 4, les forces s'exerçant sur ladite tête 2" entraînant des déformations correspondantes des capteurs traction/compression 5, 5" et 5'" par leurs composantes orientées selon les directions de détection respectives AM, AM', AM" desdits capteurs. Cette tête 2" pourra, par exemple, être constituée par un corps cylindrique présentant un prolongement conique pointu, par un corps prismatique présentant une arête de contact ou encore un patin présentant une surface de contact, dont les dimensions sont très faibles par rapport à la dimension du dispositif de mesure l'.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les capteurs 5, 5' et 5"" consistent en des capteurs identiques, préférentiellement à faible déformation, et montés dans la structure 4 formée d'éléments ayant préférentiellement une rigidité supérieure à celle desdits capteurs. En outre, la tête 2" pourra être solidarisée à la structure 4 par un moyen de montage rapide, autorisant une interchangeabilité aisée.
Conformément à une variante de réalisation avantageuse de l'invention, la structure 4 peut faire partie d'un bras 4' monté avec faculté de pivotement à la manière d'un fléau, en étant soumis à un couple sollicitant, par exemple élastiquement et avec une intensité réglable, l'extrémité du bras
4' portant la structure 4 et la tête 2" contre la surface à analyser 3 (figure 5).
Comme le montre notamment la figure 5 des dessins annexés, la charge élastique pourra consister en un ressort de compression agissant sur l'extrémité du bras 4' opposée à celle portant la tête 2", ledit bras 4' étant monté pivotant autour d'un axe situé entre les deux extrémités précitées.
Ainsi, ladite tête 2" viendra en contact par le bas contre la surface 3 à étudier.
Le couple sollicitant le bras 4' pourra toutefois également être généré par une masse morte, par un électro-aimant, par flexion d'un bras sous forme de lame ressort ou analogue.
Selon une autre caractéristique de l'invention, représentée aux figures 5 à 8 des dessins annexés, il est avantageusement prévu que, pour effectuer la mesure, la surface à étudier 3 soit déplacée en translation, à une vitesse réglable, par rapport à la tête 2", ladite tête 2" demeurant fixe en translation durant la phase de mesure.
Afin de pouvoir analyser le comportement de la surface 3 à étudier en fonction de la température et, le cas échéant, de composés gazeux particuliers en contact avec cette dernière, la surface à étudier 3 peut être située dans une chambre 6 thermorégulée et, le cas échéant, à atmosphère et/ou à hygrométrie contrôlée(s). La chambre 6 à flux thermique régulé pourra, par exemple, être intégrée dans un circuit de régulation thermique tel que représenté sur la figure 7 des dessins annexés.
Un tel circuit pourra notamment comprendre une source d'azote liquide 11 associé à une canne thermique d'évaporation 11' ou à une source d'air comprimé 12, pouvant être reliées alternativement, par exemple par l'intermédiaire d'une vanne à trois voies 13, à un module de chauffage 14 insufflant le corps gazeux délivré à une température donnée dans la chambre thermorégulée 6. La température de ladite chambre 6 est avantageusement contrôlée au moyen d'une boucle de régulation intégrant une sonde 15 déterminant en continu la température interne de ladite chambre 6 et un régulateur 16 commandant le fonctionnement du module de chauffage 14 en fonction de la température mesurée par la sonde 15 et de la température de consigne souhaitée.
De manière avantageuse, la chambre thermorégulée 6 comprenant la surface à étudier 3 est montée sur une table motorisée 7 dont le déplacement en translation est piloté, la tête 2" et les trois capteurs d'efforts 5, 5' et 5" étant également situés dans ladite chambre thermorégulée 6 et demeurant à l'intérieur de cette dernière durant la phase de mesure.
Grâce au montage de la tête 2" sur un bras support 4' en fléau, il sera relativement aisé d'assurer l'étanchéité et l'isolation de la chambre thermorégulée 6, même au cours du déplacement durant la phase de mesure. Ladite table pilotée pourra par exemple consister en une table motorisée permettant d'obtenir des vitesses de défilement continûment réglables (sans boîte de vitesses mécanique), comprises notamment entre 1 μm/s et 15 mm/s, la température pouvant par exemple varier de -100°C à +100°C et la tête 2" pouvant consister en une pointe en diamant (ou une autre matière dure) conique ou pyramidale de rayon de courbure compris entre 1 μm et 1000 μm.
La présente invention a également pour objet un dispositif pour l'analyse des propriétés physiques et mécaniques d'une portion de surface plane d'un objet, notamment pour étudier en temps réel son comportement en cas de frottement ou de rayure, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par un dispositif de mesure Y tel que décrit ci-dessus, associé à une unité informatique 9 pilotant ledit dispositif de mesure l' et réalisant l'acquisition et la gestion des paramètres et des données résultant des opérations de mesure, ainsi qu'éventuellement leur évaluation et leur édition (figure 5).
Conformément à une caractéristique supplémentaire de l'invention, très avantageuse pour l'étude d'un corps transparent ou d'un revêtement superficiel rapporté sur un corps en un matériau transparent, ledit dispositif d'analyse 8 pourra comporter, en outre, une unité 10 de prise de vues à grande vitesse, préférentiellement du type caméra CCD, située du côté opposé de la surface à analyser 3 par rapport au côté d'application de la tête 2" du dispositif de mesure l', focalisée et ayant un champ de vision sensiblement centré par rapport au point ou à la ligne de contact entre la tête 2" et la surface à analyser 3 et demeurant fixe au cours des phases d'expérimentation et de mesure.
Il sera ainsi possible de fournir, en temps réel, non seulement des données relatives aux efforts et aux sollicitations au niveau de la tête 2", mais également une vision in situ du contact et de la déformation (du sillon par exemple) générée.
Le dispositif d'analyse l' trouvera des applications avantageuses en particulier dans l'étude du comportement et de la tenue des revêtements à propriétés spécifiques (anti-rayure, anti-friction, etc..) et dans leur développement et mise au point.
Enfin l'invention, concerne aussi un dispositif de mesure des sollicitations au niveau d'un arbre ou analogue pouvant tourner autour de son axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par un dispositif capteur 1 décrit ci-dessus, dans lequel le point de mesure 2 est solidaire dudit arbre ou de ses paliers de guidage et les capteurs 5, 5' et 5" sont disposés de telle manière que leurs axes de mesure AiM, AM' et AM" sont sécants en un point situé sur l'axe longitudinal ou axe de rotation dudit arbre. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1) Dispositif capteur pour déterminer les intensités des composantes d'une force quelconque suivant les trois directions d'un repère orthogonal quelconque, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par trois capteurs de traction/compression (5, 5', 5") montés dans et/ou faisant partie intégrante d'une structure matérielle rigide (4) s'étendant entre un point de mesure (2) au niveau duquel s'applique la force (F) à déterminer et au moins un point de référence (2' ; A, B, C), ces capteurs (5, 5', 5") étant disposés de manière non coplanaires et avec leurs axes de mesure ou d'acquisition respectifs (AM, AM', AM") concourant au niveau du point de mesure (2), les composantes (Fx, Fy, Fz) de la force (F) à déterminer dans le repère orthogonal (x, y, z), dont l'un des axes (z) passe par le point (2) de mesure ou d'application de la force (F), étant calculées à partir des intensités des composantes (FA, FB, Fc) mesurées au niveau de chaque capteur (5, 5', 5") et en fonction des caractéristiques géométriques de la structure matérielle (4) intégrant lesdits trois capteurs (5, 5', 5"), par projection des composantes (FA, FB, Fc) décomposant la force (F) à déterminer selon les axes (AM, AM', AM") des trois capteurs (5, 5', 5"), sur les trois axes (x, y, z) dudit repère orthogonal.
2) Dispositif capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs (5, 5', 5") sont montés en série dans des portions de branches support (4") de la structure matérielle (4) reliées entre elles et, le cas échéant, au point de référence (2') par des parties de branches intermédiaires (4"'), cette structure support (4) s'étendant d'un point de référence (2') jusqu'au point de mesure (2) et chaque capteur (5, 5', 5") étant soumis à la totalité des efforts et sollicitations résultant de la force (F) à mesurer.
3) Dispositif capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs (5, 5', 5") sont montés en parallèle et intégrés chacun dans une branche indépendante (4A, 4B, 4C) de la structure support (4), chaque branche s'étendant entre le point de mesure (2) et un point de référence respectif correspondant (A, B, C).
4) Dispositif capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les trois points (A, B, C) de reprise d'efforts et de connexion à des parties de branche intermédiaires (4'"), des portions de branches (4") portant les capteurs (5, 5', 5"), éloignés du point de mesure (2), sont tous situés à égale distance dudit point de mesure (2).
5) Dispositif capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce que les points (A, B, C) de reprise d'efforts et d'ancrage disposés aux extrémités des trois branches indépendantes (4A, 4B, 4C) de la structure support (4), formant les trois points de référence (A, B, C), sont situés à égale distance du point de mesure (2).
6) Dispositif capteur selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que les axes de mesure ou d'acquisition (AM, AM', AM") des capteurs (5, 5', 5") définissent entre eux, deux à deux, des angles identiques.
7) Dispositif capteur selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisé en ce que les trois points de reprise d'efforts (A, B, C) forment, deux par deux, avec le point de mesure (2) les sommets de triangles isocèles identiques.
8) Dispositif de mesure pour déterminer les sollicitations mécaniques, en particulier liées aux frottements ou aux rayures, au niveau d'une surface d'un objet, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par un dispositif capteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le point de mesure (2) ou point d'application (3") sur la surface (3) consiste en une pointe, une arête ou une surface de contact d'une tête (2") fixée rigidement sur l'extrémité dudit dispositif capteur (1) opposée au point de référence (2') ou aux points de référence (A, B, C), ledit dispositif capteur (1) étant sollicité sous contrainte contre la surface (3) à étudier. 9) Dispositif de mesure selon la revendication 8, caractérisé en ce que les capteurs (5, 5' et 5") consistent en des capteurs identiques à faible déformation, et montés dans une structure (4) formée d'éléments ayant préférentiellement une rigidité supérieure à celle desdits capteurs.
10) Dispositif de mesure selon la revendication 9, caractérisé en ce que la structure (4) fait partie d'un bras (4') monté avec faculté de pivotement à la manière d'un fléau, en étant soumis à un couple sollicitant, par exemple élastiquement et avec une intensité réglable, l'extrémité du bras (4') portant la structure support (4) et la tête (2") contre la surface à analyser
(3). 11) Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que, pour effectuer la mesure, la surface à étudier (3) est déplacée en translation, à une vitesse réglable, par rapport à la tête (2"), ladite tête (2") demeurant fixe en translation durant la phase de mesure.
12) Dispositif de mesure selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que la surface à étudier (3) est située dans une chambre thermorégulée (6) et, le cas échéant, à atmosphère contrôlée.
13) Dispositif de mesure selon la revendication 12, caractérisé en ce que la chambre thermorégulée (6) comprenant la surface à étudier (3) est montée sur une table motorisée (7) dont le déplacement en translation est piloté, la tête (2") et les trois capteurs d'efforts (5, 5' et 5")) étant également situés dans ladite chambre thermorégulée (6) et demeurant à l'intérieur de cette dernière durant la phase de mesure.
14) Dispositif pour l'analyse des propriétés physiques et mécaniques d'une portion de surface plane d'un objet, notamment pour étudier en temps réel son comportement en cas de frottement ou de rayure, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par un dispositif de mesure (1') selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, associé à une unité informatique (9) pilotant ledit dispositif de mesure (1') et réalisant l'acquisition et la gestion des paramètres et des données résultant des opérations de mesure, ainsi qu'éventuellement leur évaluation et leur édition.
15) Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte, en outre, une unité (10) de prise de vues à grande vitesse, préférentiellement du type caméra CCD, située du côté opposé de la surface à analyser (3) par rapport au côté d'application de la tête (2") du dispositif de mesure (1'), focalisée et ayant un champ de vision sensiblement centré par rapport au point ou à la ligne de contact entre la tête (2") et la surface à analyser (3) et demeurant fixe au cours des phases d'expérimentation et de mesure. 16) Dispositif de mesure des sollicitations au niveau d'un arbre ou analogue pouvant tourner autour de son axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il est principalement constitué par un dispositif capteur (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le point de mesure (2) est solidaire dudit arbre ou de ses paliers de guidage et les capteurs de flexion (5 et 5' et 5") sont disposés de telle manière que leurs axes de mesure (AM, AM', AM") sont sécants en un point situé sur l'axe longitudinal ou axe de rotation dudit arbre.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101548554B (zh) * 2006-10-06 2011-11-16 彼得·G·克拉文 麦克风阵列

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE684307C (de) * 1937-01-20 1939-11-25 Aerodynamische Versuchsanstalt Mehrkomponentenwaage
DE722579C (de) * 1938-11-12 1942-07-13 Aerodynamische Versuchsanstalt Anordnung zur Bestimmung der an Koerpern auftretenden Kraefte und Momente nach mehreren Komponenten
CH394635A (de) * 1961-04-24 1965-06-30 Borg Warner Kraftmesseinrichtung
DE1243895B (de) * 1961-07-14 1967-07-06 Litton Industries Inc Elektromechanischer Messumformer zur Messung einer Kraft, insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungsmesser
FR2174072A1 (fr) * 1972-02-28 1973-10-12 Westland Aircraft Ltd
JPS56117135A (en) * 1980-02-20 1981-09-14 Seiichi Endo Measuring instrument for component
DE4243246A1 (de) * 1992-12-19 1994-06-23 Wabco Westinghouse Fahrzeug Kraftmeßeinrichtung

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE684307C (de) * 1937-01-20 1939-11-25 Aerodynamische Versuchsanstalt Mehrkomponentenwaage
DE722579C (de) * 1938-11-12 1942-07-13 Aerodynamische Versuchsanstalt Anordnung zur Bestimmung der an Koerpern auftretenden Kraefte und Momente nach mehreren Komponenten
CH394635A (de) * 1961-04-24 1965-06-30 Borg Warner Kraftmesseinrichtung
DE1243895B (de) * 1961-07-14 1967-07-06 Litton Industries Inc Elektromechanischer Messumformer zur Messung einer Kraft, insbesondere zur Verwendung als Beschleunigungsmesser
FR2174072A1 (fr) * 1972-02-28 1973-10-12 Westland Aircraft Ltd
JPS56117135A (en) * 1980-02-20 1981-09-14 Seiichi Endo Measuring instrument for component
DE4243246A1 (de) * 1992-12-19 1994-06-23 Wabco Westinghouse Fahrzeug Kraftmeßeinrichtung

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HATAMURA Y ET AL: "A MEASUREMENT OF SLIDING RESISTANCE FORCES FOR VARIOUS HEADS AND DISKS BY HIGH-RIGID FORCE SENSOR", IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, IEEE INC. NEW YORK, US, vol. 24, no. 6, 1 November 1988 (1988-11-01), pages 2638 - 2640, XP000111460, ISSN: 0018-9464 *
KANEKO M ET AL: "TWIN-HEAD TYPE SIX-AXIS FORCE SENSORS", INTELLIGENT ROBOTS FOR FLEXIBILITY. YOKOHAMA, JULY 26 - 30, 1993, PROCEEDINGS OF THE IEEE/RSJ INTERNATIONAL CONFERENCE ON INTELLIGENT ROBOTS AND SYSTEMS, NEW YORK, IEEE, US, vol. 2, 26 July 1993 (1993-07-26), pages 991 - 996, XP000447546 *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 005, no. 191 (P - 092) 5 December 1981 (1981-12-05) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101548554B (zh) * 2006-10-06 2011-11-16 彼得·G·克拉文 麦克风阵列

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