Brevet FR2638839A1 — publié le 19900511

La présente invention concerne un appareil de mesure de force comprenant un socle, un plateau destiné å recevoir la force à mesurer et un capteur de force disposé entre ce socle et ce plateau. L'invention s'applique de préférence, mais non limitativement à un appareil de pesage tel qu'un pèsepersonne. On connait notamment des appareils de pesage dans lesquels la force appliquée sur le plateau déforme un barreau comportant des jauges d'extensométrie faisant partie d'un pont de mesure qui délivre un signal électrique qui est fonction de la force à mesurer. Pour qu'un tel appareil délivre un signal électrique indépendant de la position du point d'application de la force à mesurer sur le plateau, on a recourt à des jauges de mesures additionnelles qui compliquent la fabrication de ces appareils. Un tel appareil de pesage a été décrit par exemple dans le brevet français nO 2 554 229 au nom de la demanderesse. Ce type d'appareil nécessite pour être précis, une fabrication extremement rigoureuse et des etalonnages complexes et coûteux. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients. Suivant l'invention, l'appareil de mesure de force est caractérisé en ce que le capteur de force est constitué par au moins deux éléments allongés disposés entre le socle et le plateau pour subir une compression perpendiculaire à leur axe, ces éléments étant en un matériau transparent et isotrope devenant biréfringent sous l'effet de la compression précitée, des moyens étant prévus pour émettre un rayonnement lumineux suivant l'axe des deux éléments, des moyens étant prévus pour mesurer l'intensité du rayonnement lumineux ayant traversé ces éléments, un polariseur étant disposé en aval des moyens pour émettre le rayonnement lumineux et un polariseur étant disposé en amont des moyens pour mesurer l'intensité du rayonnement lumineux ayant traversé les éléments, ces deux polariseurs étant croisés et ayant de préférence leur axe privilégié à 450 de la direction de la force à mesurer et un circuit électronique étant en outre prévu pour convertir l'intensité du rayonnement lumineux mesurée en un signal électrique fonction de la force à mesurer. Les éléments allongés disposés entre le plateau et le socle travaillent en compression sous l'effet de la charge appliquée sur le plateau. Sous l'effet de cette compression, ces éléments deviennent biréfringents. Ainsi, l'intensité lumineuse à la sortie de ces éléments est fonction de la force appliquée sur le plateau. Les calculs et l'expérience montrent que l'intensité mesurée est fonction uniquement de la force appliquée sur le plateau, et non pas de la position du point d'application de cette force. L'appareil selon l'invention est ainsi simple à fabriquer et à étalonner. Les éléments allongés de l'appareil conforme à l'invention peuvent être choisis par exemple parmi les matériaux transparents suivants : verre, polyméthacrylate de méthyle, résine époxy. Ces matériaux sont courants et donc peu coûteux. Selon une version avantageuse de l'invention, les moyens pour émettre le rayonnement lumineux comprennent une diode électroluminescente et les moyens pour mesurer l'intensité du rayonnement lumineux comprennent une photodiode. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ciaprès. Aux dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs - la figure 1 est un schéma illustrant le phénomène physique å la base de l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en perspective d'un appareil de pesage conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue partielle suivant la flèche A de la figure 2. - la figure 4 est une vue en plan de l'appareil de pesage, - la figure 5 est une vue en plan de deux éléments allongés en V. selon une variante de l'invention, - la figure 6 est le schéma électrique d'alimentation électrique et d'asservissement de l'appareil de pesage, - la figure 7 est le schéma électrique de mesure de l'appareil de pesage. Une lumière polarisée qui traverse un corps biréfringent C (voir figure i) ne se propage pas à la même vitesse suivant que le plan de polarisation est parallèle & l'une ou l'autre des deux directions perpendiculaires propres au corps biréfringent. Certains corps transparents isotropes, normalement non biréfringents, le deviennent lorsqu'ils sot soumis à des contraintes exemple : plexiglass, verre, résine époxy;. Soit nO l'indice de réfraction ordinaire du milieu et ne l'indice de réfraction extraordinaire du à la contrainte, si ce milieu est soumis a une compression, d'un point de vue optique, ce milieu devient uniaxe, l'axe optique étant dirigé selon la direction de la force applique F (Seebeck 1813 - Brewster lu16), la biréfringence ainsi induite est proportionnelle à la pression appliquée (ne - nO) = k A .P avec h = longueur d'onde P = pression = F/S (force divisée par la surface) soit (d) la différence de marche (en longueur) entre des vibrations ordinaires et extraordinaires au travers d'une épaisseur (e) de matière dont la largeur est (1) (d) = (ne - nO) e = k.# .P . e = #.#. F/1 K = coefficient caractéristique du milieu exemple pour le verre crown : K = -0,05 Si la pression appliquée varie d'un point à un autre du milieu transparent contraint, la formule précédente reste valable, F désignant la force globale appliquée.Supposons que le corps C ait la forme d'un barreau allongé selon l'axe z le long duquel on fait se propager la lumière et désignons par P(z) la pression au niveau d'un point d'abscisse z ; la force élémentaire dF appliquée sur une tranche de largeur L et de longueur dz vaut dF = P(z .l.dz on en déduit la différence de chenin optique correspondant à la tranche dz d(d)= k.#.P(z).dz = (k /l) dF et par conséquent d = Si on place le corps contraint entre des polariseurs croisés dont les directions privilégiées sont à 450 de la direction de la force et qu'on l'éclaire avec un faisceau lumineux d'intensité Io, le faisceau émergent a pour intensité I = Io . sin2 (2##/# ) = lo . sin2((t L'appareil de mesure de force selon l'invention applique les principes physiques précités. Dans la réalisation selon les figures 2 & 4, cet appareil est un appareil de pesage. Il comprend un socle 1, un plateau 2 destiné à recevoir la force F à mesurer et un capteur de force disposé entre ce socle et ce plateau. Conforménent à l'invention, ce capteur de force est constitué par deux éléments allongés ou barreaux 3, 4, disposés entre le socle 1 et le plateau 2 pour subir une compression perpendiculaire à leur axe. Ces éléments 3, 4 sont en un matériau transparent et isotrope devenant biréfringent sous l'effet de la compression précitée. Une diode électroluminescente 5 est disposée pour émettre un rayonnement lumineux suivant l'axe de l'élément 4 et une photodiode 6 est prévue à l'extrémité de l'élément 3 pour mesurer l'intensité du rayonnement lumineux ayant traversé les deux éléments 3, 4. Par ailleurs, un polariseur 7 est disposé en aval de la diode 5 qui émet le rayonnement lumineux et un polariseur 8 ou analyseur est disposé en amont de la photodiode 6 qui mesure l'intensité du rayonnement lumineux ayant traversé les éléments 3, 4. Ces deux polariseurs 7, 8 sont croisés et ont de préférence leur axe privilégié à 450 de la direction de la force F à mesurer. Un circuit électronique qui sera détaillé plus loin, est en outre prévu pour convertir l'intensité du rayonnement lumineux mesurée en un signal électrique fonction de la force F à mesurer. Les éléments allongés 3, 4 sont de préférence choisis parmi les matériaux transparents suivants : verre, polyméthacrylate de méthyle (plexiglass) et résine époxy. Dans la réalisation représentée, les éléments allongés 3, 4 sont directement en contact avec le socle 1 et le plateau 2. On voit sur les figures 2 et 3 que les éléments 3, 4 sont en contact avec le plateau 2 par une surface polie et arrondie telle que 3a définissant une ligne de contact rectiligne. Par ailleurs, ces éléments allongés 3, 4 sont en contact avec le socle l par une surface plane telle que 3b. On voit également sur la figure 3 que l'extrémité de l'élément allongé 3 adjacente à la photodiode 6 présente près de la surface de contact 3b avec le socle 1, une fenêtre non matérialisée 10 par laquelle diffuse le rayonnement lumineux dont l'intensité est à mesurer. Cette fenêtre 10 définit ainsi une zone préférentielle de circulation de la lumière. Cette fenêtre 10 peut éventuellement être matérialisée dans une couche opaque 9. Dans la réalisation représentée sur les figures 2 à 4, les deux éléments 3, 4 sont parallèles. Ceux-ci sont calés par rapport au socle 1 et au plateau 2 par des moyens appropriés non représentés. Les extrémités 3c et 4c des éléments allongés 3, 4 forment un angle de 450 par rapport à leur axe (voir figure 4). Ces extrémités 3c et 4c sont revouvertes par une couche de métal ou simplerent polies optiquement, de telle sorte que le rayonnement lumineux traversant l'élément 4 soit réfléchi à 900 sur la couche de métal appliquée ou surface polie optiquement en 4c de cet élément, puis renvoye vers la couche de métal ou surface polie optiquement à l'extrémité 3c de l'autre élément 3 et réfléchi à 900 suivant l'axe de cet autre élément (voir le trajet lumineux représenté par des flèches sur la figure 4). Cette disposition évite d'avoir à utiliser une photodiode, une diode êlectroluminescente et deux polariseurs pour chaque élément 3, 4. Dans la variante de réalisation selon la figure 5, les deux éléments 3k, 4A sont disposés suivant un V formant un angle de 900. Leur extrémité commune 3B présente un méplat perpendiculaire à la bissectrice B du V. Le méplat 3B présente une couche de métal ou est polie optiquement, de telle sorte que le rayonnement lumineux traversant l'élément 4A soit réfléchi à 900 sur la couche de métal puis renvoyé suivant l'axe de l'autre élément 3A (voir le trajet lumineux représenté par des flèches). Cette disposition en V permet d'obtenir les mêmes avantages que celle des figures 2 à 4. Dans la réalisation selon les figures 2 et 4, on voit en outre qu'entre le polariseur 8 et l'extrémité 9 de l'élément 3 est disposée une photodiode 11 servant à asservir la puissance du rayonnement lumineux émis par la diode électroluminescente 5 à la puissance mesurée par la photodiode 6 située en aval du polariseur 8. En effet, on a observé que le flux lumineux émis par la diode électroluminescente 5 dérive au cours du temps. L'asservissement réalisé par la diode 11 permet d'obtenir que la diode 5 émette un flux lumineux constant. La figure 6 représente le schéma du circuit électrique permettant de réaliser cet asservissement. Sur ce schéma, la référence 5 désigne la diode électroluminescente qui émet le rayonnement (infra-rouge) traversant les éléments allongés 3, 4. La référence 11 désigne la diode réceptrice d'asservissement. Ce schéma électrique comprend entre les diodes 5 et 11 deux amplificateurs opérationnels 12, 13 et un transistor 14. La figure 7 représente le schéma du circuit électrique qui permet d'amplifier le signal électrique mesuré par la photodiode réceptrice 6 en un signal électrique Vs qui est fonction de la force F à mesurer appliquée sur le platéau 2. Ce circuit comprend principalement un amplificateur 15. Le flux de lumière mesuré Im par la photodiode 6 est une fonction de la force F appliquée sur le plateau 2 selon la formule On constate donc que l'intensité obtenue Im est une fonction de la charge appliquée sur le plateau 2 et non de sa répartition sur ce plateau. Ainsi, l'appareil de pesage que l'on vient de décrire est de réalisation simple et peu coûteuse, puisqu'il ne nécessite pas de moyens de correction pour tenir compte de la position du point d'application sur le plateau 2 de la force F à mesurer. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation que l'on vient de décrire et on peut apporter à ceux-ci de nombreuses modifications sans sortir du cadre de l'invention. Ainsi, on peut augmenter le nombre d'éléments allongés Si cela est nécessaire compte tenu de la valeur des charges à mesurer et des propriétés mécaniques de ces éléments. Par ailleurs, les éléments allongés pourraient être réalisés d'une seule pièce avec le socle par moulage, ces éléments étant dans ce cas constitués par des bossages allonges moulés sur un socle commun. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure de force comprenant un socle (1), un plateau (2) destiné à recevoir la force (F) à mesurer et un capteur de force disposé entre ce socle et ce plateau, caractérisé en ce que ce capteur de force est constitué par au moins deux éléments allongés (3, 4) disposés entre le socle (1) et le plateau (2) pour subir une compression perpendiculaire à leur axe, ces éléments (3, 4) étant en un matériau transparent et isotrope devenant biréfringent sous l'effet de la compression précitée, des moyens (5) étant prévus pour émettre un rayonnement lumineux suivant l'axe des deux éléments (3, 4), des moyens (6) étant prévus pour mesurer l'intensité du rayonnement lumineux ayant traversé ces éléments, un polariseur (7) étant disposé en aval des moyens (5) pour émettre le rayonnement lumineux et un polariseur (8) étant disposé en amont des moyens (6) pour mesurer l'intensité du rayonnement lumineux ayant traversé les éléments (3, 4), ces deux polariseurs (7, 8) étant croisés et un circuit électronique étant en outre prévu pour convertir l'intensité du rayonnement lumineux mesurée en un signal électrique fonction de la force (F) à mesurer. 2. Appareil conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments allongés (3, 4) sont choisis parmi les matériaux transparents suivants : verre, polyméthacrylate de méthyle, résine époxy. 3. Appareil conforme à l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens pour émettre le rayonnement lumineux comprennent une diode électroluminescente (5). 4. Appareil conforme a l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer l'intensité du rayonnement lumineux comprennent une photodiode (6). 5. Appareil conforme à l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les éléments allongés (3, 4) sont directement en contact avec le socle (1) et le plateau (2). 6. Appareil conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que les éléments (3, 4) sont en contact avec le plateau (2) -par une surface polie et arrondie (3a) définissant une ligne de contact rectiligne. 7. Appareil conforme à l'une des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les éléments allongés (3, 4) sont en contact avec le socle (1) par une surface plane (3b). 8. Appareil conforme à l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux éléments (3, 4) sont parallèles. 9. Appareil conforme à la revendication 8, caractérisé en ce que l'une des extrémités (3c, 4c) des éléments allongés (3, 4) forme un angle de 450 par rapport à l'axe de l'élément, et est réfléchissante, de telle sorte que le rayonnement lumineux traversant l'un (4) des éléments soit réfléchi à 900 sur l'extrémité de cet élément, puis renvoyé vers l'extrémité réfléchissante de l'autre élément (3) et réfléchi à 900 suivant l'axe de cet autre élément. 10. Appareil conforme a l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les deux éléments (3A, 4A) sont disposés suivant un V formant un angle de 900, leur extrémité commune (3B) présentant un méplat perpendiculaire à la bissectrice (B) du V, ce méplat présentant une surface réfléchissante, de telle sorte que le rayonnement lumineux traversant l'un (4A) des éléments soit réfléchi à 900 sur la surface réfléchissante puis renvoyé suivant l'axe de l'autre élément (3A). 11. Appareil conforme å l'une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'entre le polariseur (8) et l'extrémité (9) d'un élément (3) est disposée une photodiode (11) servant à asservir la puissance du rayonnement lumineux émis à la puissance mesurée par la photodiode (6) située en aval du polariseur (8 > .