Plateforme de force

Le choix d'une méthode de mesure de forces dépend beaucoup du contexte, du type de force à mesurer, du budget disponible. Il n'y a pas de méthode reine, tout dépend réellement du contexte et de la précision souhaitée. En voici trois.

Principe optique

Les méthodes optiques reposent sur les modifications que subissent les parcours des rayons lumineux en traversant la matière. Par exemple l' éclairage d'un morceau de plexiglas par la tranche provoque un faible éclairage uniforme de sa surface lorsqu'il n'y pas de contrainte mécanique sur le morceau de pléxiglas. Dès lors que le morceau de plexiglas est déformé par l'application d'une force, l'indice de réfraction du milieu est modifé provoquant l'apparition de franges irisées concentriques autour du point d'application de la force. Les couleurs et l'épaisseur de ses lignes peuvent être mis en relation avec la force exercée. Ces systemes sont moyennement précis mais peuvent suffir dans certain cas. Ils permettent par contre la récuperation de la mesure des forces associées à plusieurs pattes simultanément car plusieurs points d'appui peuvent être visualisé en même temps, un avantage par rapport au plateforme de force électrique qui, elles, moyennent les efforts exercés par tous les membres et ne fournissent qu'une force nette.

Principes électriques

Pour mesurer la déformation infinitésimale du support sur lequel on appuie, on a besoin d'un phénomène physique approprié qui nous permette de convertir la déformation en un signal électrique.

1. Les jauges de contraintes.

jaugeLes jauges de contraintes reposent sur le phénomène physique suivant: la résistivité d'un cable électrique varie en fonction du diamètre de ce cable. Si un cable est tendu entre deux pièces qui s'écartent ou se resserrent légèrement consécutivement à l'application de la force, il se déformera sous l'effet de la tension (mécanique) plus ou moins grande qui s'exercera à ses extrémités. Cette déformation mécanique va entraîner une variation légère de son diamètre et donc de sa résistance au passage du courant. Par conséquent la tension électrique, c'est à dire la différence de potentiel aux extrémités du cable sera aussi modifiée ( U = R . i ).

Ces variations de tension électrique sont mesurables après amplification. Les plateformes reposant sur des jauges de contraintes ont un bon rapport qualité prix. D'un point de vue pratique, elle se compose maintenant souvent d'un fil collé en zig-zag sur un support, plutôt qu'un fil directement tendu entre deux pièces. Ces capteurs peuvent être utilisés in vivo , collé sur l'os avec des colles spéciales.

 

2. Les capteurs piezo-électriques

piezoelectricite

Les capteurs piezo-électriques reposent sur un autre phénomène physique caractéristique de certains cristaux dit... piézo-électriques: on connaît la structure typique d'un cristal , empilement alterné et régulier d'anions (charges négatives) et de cations (charges positives). Au global un cristal est neutre électriquement . Si on prend une maille de base, les charges négatives et positives se compensent.

Sous l'effet d'une contrainte mécanique, le cristal peut se déformer d'une façon infinitésimale. Ces modifications de la géométrie des réseaux de charges positives et de charge négatives provoquent une non compensations parfaites des charges au niveau d'un maille et l'apparition à la surface du cristal de charges électriques. Cette charge électrique peut alors être mesurée après amplification. Lors de ce phénomène, la charge électrique de surface est assez proportionnelle à l'intensité de la contrainte mécanique appliquée.

Le principal avantage des capteurs piézo-électriques est leur réactivité immédiate. Ce sont des phénomènes à l'échelle atomique/moléculaire qui sont en jeu et qui sont ultrarapides au regard des phénomènes étudiés en science du mouvement. Les capteurs de type piézo sont donc un bon choix lorsqu'on étudie des phénomènes dynamiques.

Ils sont extrêmement sensibles aux vibrations ce qui n'est pas toujours un avantage !

Construction d'une plateforme de force à base de capteur piezo-électrique.

voici typiquement l'allure d'un capteur piézo-électrique. Le capteur est placé entre deux plaques de métal, l'une reposant sur le substrat, l'autre à la plaque qui recevra la force.

Chaque capteur livre 3 charges mesurables, chacune correspondant à une direction de l'espace.

Mais un seul de ces capteurs tridimensionnels ne suffit pas à la construction d'un plateforme : l'application d'une force non alignée sur l'axe du capteur générerait un moment qui va transmettre une force selon les autres axes. Si donc on veut mesurer les composantes de la forces indépendemment les unes des autres, il faut éviter les moments qui "tordent" le capteur. Pour contourner ce problème, les capteurs sont utilisés par lot, en général 4 au 4 coins d'une plaque. La force exercée sur la plaque se répartie sur les quatre capteurs en fonction du point d'application. Pour connaître l'effort selon l'axe vertical, on somme simplement les signaux en provenance des quatre capteurs. Le capteur qui est le plus près du point d'application "porte" le plus. On peut donc recalculer la position du point d'application à partir de l'intensité comparée des signaux provenant des quatre capteurs.

Last modified: Friday, 3 April 2020, 5:10 PM