Brevet FR2810111A1 — publié le 20011214

DISPOSITIF POUR EVALUER L'ETAT DE SURFACE D'UN MATERIAU ET PROCEDE DE MISE EN #UVRE DUDIT DISPOSITIF La présente invention concerne un dispositif pour évaluer l'état de surface d'un matériau et un procédé de mise en oeuvre dudit dispositif, notamment en vue de caractériser la douceur au toucher. Il est important dans certains domaines de déterminer l'état de surface d'un matériau ou les modifications d'un tel état de surface. Cet état est fonction du matériau considéré: matériaux fibreux, textile, peau humaine ou animale, cheveux ou poils d'origine humaine ou animale, papier pour l'écriture, l'impression, ressuyage, l'hygiène ou l'emballage, les métaux, les matériaux d'origine végétale, d'origine animale ou minérale, le bois, les matières plastiques. Par exemple, dans le domaine du textile un traitement d'un tissu peut faire ressortir des microfibrilles, d'où une augmentation la rugosité du tissu. Il est utile, dans certains cas, de quantifier la modification de (état de surface du matériau pour déterminer une mesure de douceur au toucher. A titre d'exemple, cette mesure de la douceur au toucher peut être utilisée par les fabricants de lessives, détergents et produits d'entretien pour tester les qualités de leur lessive, ainsi que dans le domaine des cosmétiques. Il existe jusqu'à présent un premier type d'appareillages qui mesurent la topographie de la surface à analyser, par exemple par méthode optique, mécanique par imagerie. Le profil de la surface est ensuite étudié selon plusieurs techniques: Les méthodes statistiques: dans ce cas, le profil est considéré comme population d'éléments définis par deux ou trois coordonnées. L'analyse concerne dune part la hauteur des aspérités (moyenne, déviation par rapport la moyenne, écart-type, obliquité, finesse, etc.) et d'autre part leur répartition sur la surface (distance moyenne entre deux aspérités, etc # Les méthodes usuelles utilisées dans le traitement du signal, telles que l'analyse fréquentielle, l'analyse temporelle, l'analyse temps-fréquence, etc. # Les méthodes chaotiques telles que l'analyse fractale. Il existe un second type d'appareillages qui mesurent directement comportement au frottement d'une surface au moyen d'un palpeur mécanique. Dans ce cas, le signal mesuré est étudié en régime transitoire ou permanent par les méthodes usuelles du traitement du signal, les méthodes statistiques ou chaotiques citées ci-dessus. Ces différentes méthodes d'investigation ont chacune des inconvénients. En effet, les méthodes statistiques utilisées dans la mesure d'une topographie ou du frottement sont toutefois peu sensibles pour certaines applications car (information est prise dans son ensemble et les différences importantes peuvent être noyées dans le signal rendant (analyse peu discriminante. De plus, il est nécessaire de déterminer le paramètre le plus sensible pour la surface à analyser, d'où une certaine difficulté à extraire un paramètre unique et universel. Quant aux méthodes usuelles du traitement du signal, elles peuvent être très précises dans le cas de surfaces périodiques mais sont peu adaptées aux surfaces non périodiques. D'autre part, il s'agit de méthodes comparatives et en aucun cas absolues. Enfin, les méthodes chaotiques, en particulier le calcul de la dimension fractale, ont les mêmes inconvénients que l'analyse statistique car elles considèrent (ensemble de l'information donnée par la mesure. La présente invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un dispositif et son procédé de mise en oeuvre qui permettent d'analyser une surface présentant ou non une périodicité de son état de surface, de la. caractériser par un paramètre et de comparer des surfaces totalement différentes par leur structure, leur texture, ou les matériaux les composant et les éventuels traitements de surface subis. Dans ce but, (invention concerne un dispositif du genre indiqué en préambule, caractérisé en ce qu'il comprend un support sur lequel est monté au moins un élément vibrant susceptible d'entrer en vibration lors d'un contact avec la surface dudit matériau, ledit élément vibrant étant animé d'un mouvement relatif avec ladite surface. Le dispositif comprend également des moyens de mesure des vibrations de (élément vibrant agencés pour fournir un signal correspondant auxdites vibrations, une unité de traitement et d'analyse dudit signal agencée pour faire correspondre audit signal une ou plusieurs données caractérisant l'état de surface ainsi qu'une interface agencée pour indiquer lesdites données. D'une manière particulièrement avantageuse, le dispositif peut comprendre une seconde unité de traitement agencée pour transformer ladite donnée caractérisant l'état de surface en une valeur quantifiant la douceur au toucher du matériau en fonction de critères prédéfinis. Le matériau peut être choisi parmi le groupe comprenant les matériaux de type métallique, organique ou minéral, d'origine naturelle, artificielle ou synthétique, ou une composition desdites matières. Le matériau peut être notamment un système vivant, tel que la peau ou les cheveux. L'élément vibrant peut être réalisé dans une matière choisie parmi le groupe comprenant les matières de type métallique, organique ou minérale, d'origine naturelle, artificielle ou synthétique ou une composition de plusieurs de ces matières. Les moyens de mesure des vibrations de l'élément vibrant peuvent être des capteurs permettant de mesurer des grandeurs mécaniques liées à l'élément vibrant, telles des grandeurs cinématiques (déplacements, vitesses, accélérations), ou telles que des grandeurs dynamiques liées à (élément vibrant (forces, moments), ou au matériau (contraintes, déformations, vitesses de déformation). Les capteurs peuvent également mesurer des grandeurs liées à l'environnement correspondant (grandeurs acoustiques et thermiques). Le ou les capteurs sont fondés sur une technologie choisie parmi le groupe comprenant les technologies mécanique, acoustique, électrique, électrostatique, électromagnétique, électronique, optique, optoélectronique, chimique, thermique, radioactiî, pouvant utiliser un fluide visqueux, liquide ou gazeux comme média, ou une composition desdites technologies. D'une manière avantageuse, l'unité de traitement et d'analyse du signal est agencée pour effectuer une transformée de Fourier dudit signal. Toute autre méthode mathématique ou physique d'analyse d'un signal analogique ou digital peut etre également utilisée. L'élément vibrant est fixé par le biais d'une liaison mécanique choisie parmi le groupe comprenant les liaisons par pivot, pivot glissant, sphérique à doigt ou non, linéaire, glissière, appui plan, ponctuelle, lui conférant entre 0 et 5 degrés de liberté. D'une manière particulièrement avantageuse, le dispositif selon (invention comprend un boîtier de protection de l'élément vibrant et de son support, ledit boîtier comportant une ouverture, permettant le passage d'une partie de l'élément vibrant. Les moyens de mesure des vibrations, l'unité de traitement et d'analyse et l'interface sont disposés partiellement ou en leur totalité dans ledit boîtier. L'invention concerne également un procédé de mise en oeuvre du dispositif ci- dessus, dans lequel on met ledit dispositif en mouvement relatif avec le matériau de manière à faire vibrer l'élément vibrant, on mesure les vibrations de l'élément vibrant par l'intermédiaire desdits moyens de mesure des vibrations, et on traite analyse le signal obtenu au moyen de l'unité de traitement et d'analyse de manière à obtenir la ou lesdites données caractérisant l'état de surface. D'une manière particulièrement avantageuse, on peut transformer ladite donnée caractérisant (état de surface en une valeur quantifiant la douceur au toucher du matériau en fonction de critères prédéfinis. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de plusieurs exemples de réalisation, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: - les figures 1 à 3 représentent schématiquement trois modes de réalisation et d'utilisation du dispositif selon l'invention, - les figures 4 et 5 représentent un état de surface d'un matériau respectivement avant et après traitement, et - la figure 6 est une représentation des spectres obtenus après application du procédé selon (invention à l'aide du dispositif de la figure 2. En référence à la figure 1, le dispositif 1 selon l'invention est utilisé pour mesurer l'état de surface d'une matière textile 5 défilant de façon rectiligne dans le sens de production indiqué par la. flèche A. Le dispositif 1 comprend un support 2 dans lequel est encastrée une extrémité d'un élément vibrant constitué d'une lamelle 3 rectangulaire en acier de très faible épaisseur. Sur ladite lamelle 3 est collée une jauge résistive extensométrique 4 qui constitue le moyen de mesure des vibrations de la lamelle 3 et qui émet un signal correspondant aux vibrations de la lamelle 3. Le dispositif 1 est également pourvu d'un analyseur de spectres 6 relié ' la jauge 4 et constituant une unité de traitement et d'analyse du signal fourni par ladite jauge 4. L'analyse du signal permet d'isoler les fréquences et les amplitudes chacun des modes de vibration, chaque mode pouvant donner des informations différentes et évoluer différemment suivant l'énergie dont la lamelle 3 a besoin pour vibrer dans le mode considéré. L'analyseur de spectre 6 est agencé de sorte que, via un pont d'équilibrage de type Wheatstone et un traitement du signal par transformée de Fourier, on obtient la densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence de vibration de la lamelle 3. Le spectre obtenu peut être visualisé directement sur une interface 7. L'amplitude et l'énergie de vibration représentées sur le spectre permettent alors d'obtenir une donnée caractérisant (état de surface de la matière textile 5. Le dispositif 1 peut également comporter une seconde unité de traitement qui transforme les données obtenues par le biais du spectre en une valeur déterminée par rapport à une échelle prédéfinie en fonction de l'élément vibrant ou des moyens de mesure des vibrations, et suivant l'état de toute la surface analysée. Ladite valeur obtenue permet de quantifier la douceur au toucher de la matière textile 5 en fonction de certains critères prédéfinis. Le dispositif 1 est mis en oeuvre selon le procédé suivant permettant de faire des mesures en ligne: le support 2 est monté fixe, par exemple sur une émeriseuse , au- dessus de la matière textile 5 défilant selon la direction A. Il est placé une distance de la matière textile défilante 5 telle que (extrémité libre de la lamelle 3 frotte sur ladite matière textile 5 avec une légère flexion de ladite lamelle Du fait de (interaction textile-lasnelle, cette dernière entre en vibrations dans ses modes propres. La jauge extensométrique 4 mesure alors les déformations relatives à (état dynamique de la vibration de la lamelle 3 et transmet le signal correspondant à (analyseur de spectre 6. Le traitement du signal permet de visualiser les modes propres de vibration de la lamelle par des pics de densité spectrale de puissance aux fréquences correspondant à ces modes. L'amplitude de ces pics est mesurée en V2/Hz et toute variation d'amplitude signifie une modification de l'état de la surface analysée. En référence à la figure 2, le dispositif 10 selon l'invention est utilisé pour mesurer l'état de surface d'un échantillon de matière textile 15 fixé sur un plateau tournant et défilant de façon circulaire selon la flèche B, dans le but de réaliser des mesures en laboratoire. Le dispositif 10 comprend un support 12 dans lequel est encastrée une extrémité d'un élément vibrant constitué d'une lamelle 13 rectangul ' en polychlorure de vinyle de très faible épaisseur. Dans cette variante, le moyen de mesure des vibrations est un microphone 14 relié à un analyseur de spectres relié lui-même à une interface 17. L'analyseur de spectres 16 est choisi dans le même but que l'analyseur de spectres 6 à savoir transformer le signal émis par le microphone 14 en densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence, le résultat étant visualisé sur l'interface Là encore, il est possible de prévoir, dans le dispositif 10, une seconde unité de traitement qui transforme les données obtenues par le biais du spectre en valeur déterminée par rapport à une échelle prédéfinie en fonction de l'élément vibrant ou des moyens de mesure des vibrations, et suivant l'état de toute la surface analysee. Ladite valeur obtenue permet de quantifier la douceur au toucher de l'échantillon de matière textile 15 en fonction de certains critères prédéfinis. Le dispositif 10 est mis en oeuvre selon le procédé suivant permettant de faire des mesures en laboratoire: le support 12 est monté fixe, au-dessus de la matière textile 15 défilant selon le sens B. Il est placé à une distance de la matière textile défilante 15 telle que (extrémité libre de la lamelle 13 frotte sur ladite matière textile 15 avec une légère flexion de ladite lamelle 13. Du fait de l'interaction textile-lamelle cette dernière entre en vibrations dans ses modes propres. On amène alors, une atmosphère silencieuse, le microphone 14,à quelques millimètres de zone de frottement lamelle-textile. Le microphone 14 capte par voie acoustique les déplacements dus à la vibration de la lamelle 13 et transmet un signal correspondant à l'analyseur de spectre 16. Via une transformé de Fourier, le traitement du signal permet d'obtenir la densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence et de visualiser ainsi les modes propres de vibration de la lamelle par des pics densité spectrale de puissance aux fréquences correspondant à ces modes. L'amplitude de ces pics est mesurée en Pa2/Hz et toute variation d'amplitude signifie une modification de l'état de la surface analysée. Pour illustrer ce procédé de mise en oeuvre, il est représenté sur la. figure un tricot 18 avant grattage et sur la figure 5 ce même tricot 18 passé dans une gratteuse. Cette machine est équipée de griffes métalliques sous lesquelles passe le tricot 18 et qui fait ressortir du tricot de nombreux poils 19. Le tricot gratté présente alors un toucher très doux. En référence à la figure 6, lorsque la lamelle 13 frotte sur le tricot 18 non gratté, on obtient par l'intermédiaire de l'analyseur de spectre 16 une courbe C de densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence qui présente un pic d'amplitude inférieure à 1,00E-05 Pa2/Hz. Lorsque la lamelle 13 frotte sur le tricot 18 gratté, la. présence de très nombreux poils 19 provoque une plus grande excitation mécanique et donc amplifie fortement la réaction de la lamelle 13. On obtient en effet une courbe D de densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence qui présente, à la même fréquence, un pic d'amplitude égale à 2,50E-05 Pa2/Hz. Cette variation significative de l'amplitude des pics signifie est bien témoin d'une modification de l'état de surface analysée, à savoir ici, une augmentation de la douceur au toucher. En référence à la 3, le dispositif 20 selon l'invention est un appareil portatif utilisé pour mesurer l'état d'une surface fixe 25. Le dispositif 20 comprend un support 22 dans lequel est encastrée une extrémité d'un élément vibrant constitué d'une lamelle 23 rectangulaire acier de très faible épaisseur. Dans cette variante, le moyen de mesure des vibrations est une jauge de contrainte piézo-électrique 24 collée sur la lamelle 23 et reliée un analyseur de spectres 26 relié lui-même à une interface 27. L'analyseur de spectres 26 est choisi dans le même but que les analyseurs de spectres 6 et 16, à savoir transformer le signal émis par la jauge de contrainte piézo-électrique 24 en densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence, le résultat étant visualisé sur (interface 27. Là encore, il est possible de prévoir, dans le dispositif 20, une seconde unité de traitement qui transforme les données obtenues par le biais du spectre en une valeur déterminée par rapport à une échelle prédéfinie en fonction de (élément vibrant ou des moyens de mesure vibrations, et suivant (état de toute la surface analysée. Le dispositif 20 comporte également un boîtier 21 renfermant le support 22, la lamelle 23, la jauge 24, fanaly de spectres 26 et (interface 27 de manière à obtenir un dispositif compact. Le boîtier comporte sur son fond une ouverture 28 permettant le passage de (extrémité de la lamelle 23. Il est également prévu des moyens de roulement 29 agencés pouvoir déplacer le dispositif 20 facilement sur la surface à analyser 25. Le dispositif 20 est ' en oeuvre selon le procédé suivant: (opérateur fait défiler le boîtier 21 sur la surface à analyser 25 dans la direction indiquée par la flèche E. Le support 22 est monté dans le boîtier à une hauteur telle que l'extrémité libre de la lamelle 23 dépassant de l'ouverture 28 frotte sur la surface à analyser 25 avec une légère flexion de ladite lamelle 23. Du fait de l'interaction textile-lamelle, cette dernière entre en vibrations dans ses modes propres. La jauge piézo-électrique 24 mesure les variations de contrainte relatives à l'état dynamique de la vibration de la lamelle 23 et transmet un signal correspondant à l'analyseur de spectre 26. Via une transformé de Fourier, le traitement du signal permet d'obtenir la densité spectrale de puissance en fonction de la fréquence et de visualiser ainsi les modes propres de vibration de la lamelle par des pics de densité spectrale de puissance aux fréquences correspondant à ces modes. L'amplitude de ces pics est mesuree en V2/Hz et toute variation d'amplitude signifie une modification de l'état de la surface analysée. Ainsi, les dispositifs selon l'invention et leur procédé de mise aeuvre permettent d'analyser les vibrations d'un élément vibrant en mouvement relatif avec une surface à analyser et d'obtenir, par cette mesure indirecte, une caracterisation de l'état de diverses surfaces quelles que soient leur structure (périodique ou non), leur composition, et leur méthode d'obtention. Ces avantages ne peuvent pas être obtenus avec les méthodes de mesures actuelles qui analysent directement la réaction de la surface à une sollicitation quelconque, par exemple mécanique, optique ou électromagnétique. La présente invention peut être utilisée dans tous les domaines où il est nécessaire de connaître un état de surface et notamment d'évaluer la douceur toucher , tels que les domaines du textile, de la cosmétique, des détergents, des produits d'entretien, et de la réalisation d'objets divers. Il peut également être utilisé les systèmes vivants, tels que la peau ou les cheveux, le dispositif pouvant s'utiliser alors in vivo. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier. En particulier, on peut prévoir dans un même dispositif plusieurs éléments vibrants. Cet élément vibrant peut présenter de nombreuses formes différentes. Il peut tout d'abord avoir une forme pour laquelle deux dimensions sont négligeables devant la troisième: tige rigide ou non, plane ou courbe, de toute section, de toute forme, creuse, évidée ou pleine. Ce peut être également un assemblage de plusieurs de ces tiges maintenues d'une manière connue en soi. La forme de (élément vibrant peut avoir une dimension négligeable devant les deux autres, par exemple une plaque ou une poutre plane rigide ou non, plane ou courbe de toute section, de toute forme, creuse, évidée ou pleine, ou un assemblage plusieurs de ces éléments. Enfin, la forme de (élément vibrant peut n'avoir aucune dimension négligeable. Il s' dans ce cas, de tout volume fermé ou non, rigide ou non, plan ou courbe, de toute section, de toute forme, creux, évidé ou plein, ou un assemblage de plusieurs de volumes. La forme de l'élément vibrant peut être un assemblage de différentes formes ayant chacune aucune, une ou deux dimensions négligeables par rapport aux autres. L'élément vibrant peut être réalisé dans d'autres matières que celles décrites ci-dessus à savoir dans une matière de type métallique, organique ou minérale, d'origine naturelle, artificielle ou synthétique ou une composition de plusieurs de ces matières. L'élément vibrant peut être fixé par le biais d'une des liaisons mécaniques suivantes pivot, pivot glissant, sphérique à doigt ou non, linéaire, glissière, appui plan, ponctuelle lui conférant entre 0 et 5 degrés de liberté. Les moyens de mesure des vibrations de l'élément vibrant peuvent être des capteurs permettant de mesurer: # des grandeurs cinématiques telles que déplacements, vitesses accélérations, # des grandeurs dynamiques liées à l'élément vibrant telles forces, moments, ou au matériau telles que contraintes, déformations, vitesses de déformation # des grandeurs liées à l'environnement correspondant telles que grandeurs acoustiques et thermiques. Le ou les capteurs utilisés sont fondés sur les technologies suivantes: mécanique, acoustique, électrique, électrostatique, électromagnétique, électronique, optique, optoélectronique, chimique, thermique, radioactif. On peut envisager également d'utiliser un fluide visqueux, liquide ou gazeux comme média. Une composition desdites technologies est également envisageable. Pour le traitement du signal, on peut utiliser toute méthode mathématique ou physique d'analyse d'un signal analogique ou digital. Revendications 1. Dispositif (1, 10, 20) pour mesurer l'état de surface d'un matériau (5, 15, caractérisé en ce qu'il comprend un support (2, 12, 22) sur lequel est monté au moins un élément vibrant (3, 13, 23) susceptible d'entrer en vibration lors d'un contact avec la surface dudit matériau (5, 15, 25), ledit élément vibrant (3, 13, 23) étant animé mouvement relatif avec ladite surface du matériau (5, 15, 25), des moyens de mesure (4, 14, 24) des vibrations de l'élément vibrant (3, 13, 23) agencés pour fournir un signal correspondant aux dites vibrations, une unité de traitement et d'analyse (6, 16, 26) dudit signal agencée pour faire correspondre audit signal une ou plusieurs données caractérisant un état de surface, et une interface (7, 17, 27) agencée pour indiquer lesdites données. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde unité de traitement agencée pour transformer ladite donnée caractérisant l'état de surface en une valeur quantifiant la douceur au toucher du matériau en fonction de critères prédéfinis. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit matériau (5, 15, est choisi parmi le groupe comprenant les matériaux de type métallique, organique minéral, d'origine naturelle, artificielle ou synthétique ou une composition de plusieurs de ces matériaux. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément vibrant (3, 13, 23) est réalisé dans une matière choisie parmi le groupe comprenant les matières de type métallique, organique ou minérale, d'origine naturelle, artificielle ou synthétique ou une composition de plusieurs de ces matières. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure des vibrations (4, 24) de l'élément vibrant (3, 23) sont des capteurs permettant mesurer des grandeurs mécaniques liées à (élément vibrant. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mesure des vibrations (14) de l'élément vibrant (13) sont des capteurs permettant de mesurer des grandeurs liées à l'environnement correspondant. 7. Dispositif selon les revendications 1, 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens de mesure des vibrations (4, 14, 24) de l'élément vibrant (3, 13, 23) sont fondés sur une technologie choisie parmi le groupe comprenant les technologies mécanique, acoustique, électrique, électrostatique, électromagnétique, électronique, optique, optoélectronique, chimique, thermique, radioactif, pouvant utiliser un fluide visqueux, liquide ou gazeux comme média, ou une composition desdites technologies. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'unité de traitement et d'analyse du signal est agencée pour effectuer une transformée de Fourier dudit signal. 9. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément vibrant (3, 13, 23) est fixé par 1e biais d'une liaison mécanique choisie parmi le groupe comprenant les liaisons par pivot, pivot glissant, sphérique à doigt ou non, linéaire, glisse appui plan, ou ponctuelle, lui conférant entre 0 et 5 degrés de liberté. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier (21) de protection de l'élément vibrant (23) et de son support (22), ledit boîtier (21) comportant une ouverture (28) permettant le passage d'une partie de l'élément vibrant (23). 11. Dispo selon la revendication 10 , caractérisé en ce que les moyens mesure des vibrations (24), l'unité de traitement et d'analyse (26) et l'interface (27) sont disposés partiellement ou en leur totalité dans ledit boîtier (21). 12. Procédé mise en ceuvre du dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on met ledit dispositif en mouvement relatif avec le matériau de manière à faire vibrer l'élément vibrant, on mesure les vibrations de (élément vibrant par l'intermédiaire desdits moyens de mesure des vibrations, on traite et analyse le signal obtenu au moyen de l'unité de traitement et d'analyse de manière à obtenir lesdites données caractérisant l'état de surface. 13 Procédé selon la revendication 12, dans lequel on transforme ladite donnée caractérisant l'état de surface en une valeur quantifiant la douceur au toucher du matériau selon des critères prédéfinis.