FR2578974A1 - Optical device for analogue detection of a force - Google Patents
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Abstract
Description
L'invention concerne un dispositif optique de détection analogique d'une force. The invention relates to an optical device for analog force detection.
L'objet de L'invention se rattache au secteur technique des capteurs de mesure en général. The object of the invention relates to the technical sector of measurement sensors in general.
Il est souvent ndcessaire, pour des applications diverses, de mesurer an permanence de nombreuses grandeurs physiques telles que position, vitesse, accélération, pression, contrainte... Gé neralament, on fait correspondre une grandeur de nature électrique à la grandeur à mesurer au moyen d'un capteur de mesure dont une caractéristique peut varier an fonction de cette grandeur. It is often necessary, for various applications, to permanently measure many physical quantities such as position, speed, acceleration, pressure, stress ... Generally, an electrical quantity is made to correspond to the quantity to be measured by means a measurement sensor, a characteristic of which may vary as a function of this quantity.
Il existe de nombreux types de capteurs teks que les capteurs de position angulaire, de position linéaire, de forces, de pression,.. La plupart de ces capteurs mettent en oeuvre des pièces ou éléments mécaniques susceptibles de subir une certaine usure. De plus, de part leur conception, ces capteurs sont limite dans leur application et ne peuvent atre utilises que pour des applications spécifnques,
Selon l'invention, on a voulu réaliser d'une manière simple et efficace, un nouveau type de capteur optique susceptible d'être utilisé pour des applications les plus diverses.There are many types of teks sensors such as angular position sensors, linear position sensors, forces, pressure, etc. Most of these sensors use mechanical parts or elements liable to undergo certain wear. In addition, due to their design, these sensors are limited in their application and can only be used for specific applications,
According to the invention, it was desired to produce in a simple and effective manner, a new type of optical sensor capable of being used for the most diverse applications.
Dans ce but, le dispositif optique est basé sur les pro prêtés de propagation de la lumière au travers d'un corps ayant certaines caractéristiques , notamment être déformable par élasticité. En effet, si on envoie un flux lumineux à l'intérieur du corps, la propagation de la lumière sera influence par la déformation que l'on fait subir au corps. Si le corps est à ltétat de repos, c'est-à-dire soumis à aucune force, le flux lumineux sera à une certaine valeur. Au contraire, si le corps subit une force quelconque, la valeur initiale du flux lumineux sera modifiée en fonction de l'intensité de la force appliquée sur ledit corps. En exploitant cette variation du flux lumineux, il est possible de réguler une force, un déplacement, une pression... For this purpose, the optical device is based on the loaned properties of propagation of light through a body having certain characteristics, in particular being deformable by elasticity. Indeed, if one sends a luminous flux inside the body, the propagation of the light will be influence by the deformation which one makes undergo to the body. If the body is in the resting state, that is to say subjected to no force, the luminous flux will be at a certain value. On the contrary, if the body undergoes any force, the initial value of the luminous flux will be modified according to the intensity of the force applied to said body. By exploiting this variation of the luminous flux, it is possible to regulate a force, a displacement, a pressure ...
Les applications an résultant sont donc bien nombreuses. The resulting applications are therefore very numerous.
Le problème étant ainsi posé, le dispositif selon l'invention est remarquable en ce qu'il comprend en combinaison, au moins un organe ou corps en une ou plusieurs parties , conformé et/ou agencé pour être traversé par un flux lumineux tout en étant étanche à la lumière extérieure, ledit corps étant déformable élastiquement en étant agencé et ou conformé pour revenir à son état initial après annulation de la force de déformation, le corps étant assujetti à un émetteur de lumière visible ou invisible,convenablement alimenté électriquement,et à un récepteur optique adapté audit émetteur pour créer au travers de l'organe un flux lumineux, ledit récepteur étant susceptible d'être relié à un appareil de traitement du signal optique povr des applications diverses. The problem thus being posed, the device according to the invention is remarkable in that it comprises in combination, at least one organ or body in one or more parts, shaped and / or arranged to be traversed by a luminous flux while being impervious to external light, said body being elastically deformable by being arranged and or shaped to return to its initial state after cancellation of the deformation force, the body being subjected to a visible or invisible light emitter, suitably electrically supplied, and to an optical receiver adapted to said transmitter for creating a light flux through the organ, said receiver being capable of being connected to an apparatus for processing the optical signal for various applications.
L' invention est exposée ci-après plus en détail à l'aide des dessins qui représentent seulement un mode d'exécution et quelques exemples d'application nullement limitatifs. The invention is set out below in more detail with the aid of the drawings which represent only one embodiment and a few non-limiting examples of application.
La figure 1 est une vue à caractère purement schématique montrant le principe du dispositif selon l'invention en position de repos. Figure 1 is a purely schematic view showing the principle of the device according to the invention in the rest position.
La figure 2 est une vue correspondant à la figure 1 lorsqu'une force est appliquée sur le corps élastique. Figure 2 is a view corresponding to Figure 1 when a force is applied to the elastic body.
La figure 3 est un exemple de liaison électrique entre les différents composants du dispositif. FIG. 3 is an example of an electrical connection between the various components of the device.
La figure 4 est une première forme de réalisation du dispositif. Figure 4 is a first embodiment of the device.
La figure 5 est une vue en variante de réalisation du dispositif. Figure 5 is an alternative embodiment of the device.
Les figures 6, 7,8 et 9 montrent, à titre indicatif nullement limitatif, quelques exemples d'application du dispositif. Figures 6, 7,8 and 9 show, by way of non-limiting indication, some examples of application of the device.
Les figures lO, ll et 12 sont des vues à caractère schématiques, montrant différentes implantations du dispositif selon la nature de la force à capter, compte-tenu de l'application dé sirée. Figures lO, ll and 12 are schematic views showing different implantations of the device depending on the nature of the force to be captured, taking into account the desired application.
La figure 13 montre une autre forme de réalisation du dispositif. Figure 13 shows another embodiment of the device.
Afin de rendre plus concret l'objet de l'invention, on le décrit maintenant d'une manière non limitative en se référant aux exemples de réalisation des figures des dessins
Le dispositif selon l'invention comprend en combinaison au moins un organe ou corps opaque (1) assujetti à un émetteur (2) de lumière visible ou invisible et à un récepteur optique (3) adaptéeaudit émetteur (2). Le corps (1) est réalisé en toute matière déformable élastiquement en étant agencé avec des moyens rapportés ou bien conformé directement, pour revenir à un état initial de repos, après annulation d'une force de déformation exercée sur ledit corps. Comme indiqué, le corps (1) est traité ou directement réalisé pour être entièrement étanche à la lumière extérieure afin de ne pas influencer le faisceau lumineux émis par émetteur. In order to make the object of the invention more concrete, it is now described in a nonlimiting manner with reference to the exemplary embodiments of the figures of the drawings
The device according to the invention comprises in combination at least one opaque member or body (1) subject to an emitter (2) of visible or invisible light and to an optical receiver (3) adapted to said emitter (2). The body (1) is made of any elastically deformable material by being arranged with added means or directly shaped, to return to an initial state of rest, after cancellation of a deformation force exerted on said body. As indicated, the body (1) is treated or directly produced to be completely sealed against outside light so as not to influence the light beam emitted by the emitter.
Le corps (1) est conformé en section pour autoriser la propagation de la lumière en provenance de l'émetteur (2) en direction du récepteur. Le corps (lj est creux en étant rectiligne ou non. The body (1) is shaped in section to allow the propagation of light from the emitter (2) towards the receiver. The body (lj is hollow by being rectilinear or not.
L'émetteur (2) et le récepteur (3) sont convenablement montés d'une manière étanche de préférence, en combinaison avec le corps opaque (1) déformable élastiquement. L'émetteur et le récepteur optique sont de tout type connu et approprié. Par exemple, l'émetteur (2) peut être constitué par une lampe à incandescence, une diode luminescente, une diode infrarouge..., le récepteur étant alors constitué, en correspondance, par une photo-résistance, une photo-diode ou un photo-transistor, une diode infrarouge... The transmitter (2) and the receiver (3) are suitably mounted in a sealed manner preferably, in combination with the opaque body (1) elastically deformable. The optical transmitter and receiver are of any known and suitable type. For example, the transmitter (2) can consist of an incandescent lamp, a light-emitting diode, an infrared diode, etc., the receiver then being constituted, in correspondence, by a photo-resistance, a photo-diode or a photo-transistor, an infrared diode ...
On sait que la propagation de la lumière au travers d'un corps creux ou transparent se fait d'une manière variable en fonction du diamètre, de la longueur et de sa forme générale. It is known that the propagation of light through a hollow or transparent body takes place in a variable manner depending on the diameter, the length and its general shape.
Si l'on considère un flux lumineux fixe, visible ou invisible, émis par l'émetteur (2), ce flux arrivera au récepteur (3) avec une certaine atténuation si le corps (1) n'est pas déformé. La valeur de ce flux lumineux est (Fss ) par exemple (figure 1).If we consider a fixed luminous flux, visible or invisible, emitted by the emitter (2), this flux will arrive at the receiver (3) with a certain attenuation if the body (1) is not deformed. The value of this luminous flux is for example (Fss) (Figure 1).
Par contre, si le corps (1) est soumis à une force quel conque F, la déformation correspondante dudit corps perturbe la propagation du flux lumineux de sorte que le récepteur (3) enregistrera un flux lumineux de valeur (F t ) inférieur ou supérieur à celle du flux lumineux (Fi) (figure 2). Il en résulte une loi de propagation de la lumière dans le corps (1) qui est fonction de la force, pression ou autre exerces sur une partie dudit corps. On the other hand, if the body (1) is subjected to a force whatever conch F, the corresponding deformation of said body disturbs the propagation of the light flux so that the receiver (3) will record a light flux of value (F t) lower or higher to that of the luminous flux (Fi) (Figure 2). This results in a law of propagation of light in the body (1) which is a function of the force, pressure or other exerts on a part of said body.
Il est ainsi possible d'exploiter cette variation du flux lumineux au niveau du récepteur (3), afin de réguler une force, un déplacement, une pression et autre. It is thus possible to exploit this variation of the light flux at the level of the receiver (3), in order to regulate a force, a displacement, a pressure and the like.
Comme le montre la figure 3, l'émetteur (2) est convenablement relié à une alimentation électrique quelconque (4)(courant al ternatif, courantcontinu, courant pulsé.. .). Le récepteur (3) est relié à un circuit (5) de détection et de traitement du signal optique pour des applications diverses. As shown in FIG. 3, the transmitter (2) is suitably connected to any electrical supply (4) (alternating current, direct current, pulsed current, etc.). The receiver (3) is connected to a circuit (5) for detecting and processing the optical signal for various applications.
Le dispositif peut présenter différentes formes de réalisation pour mettre en oeuvre le principe de base énoncé précédemment. Par exemple, comme le montrent les figures 1 et 2, le corps (1) est réalisé à partir d'un tube rectiligne opaque (la) en matière déformable élastiquement. The device can have different embodiments for implementing the basic principle stated above. For example, as shown in Figures 1 and 2, the body (1) is made from an opaque rectilinear tube (la) of elastically deformable material.
Pour que le tube (la) revienne à sa position d'origine, après annulation de la force de déformation F, ce dernier peut être logé à l'intérieur d'un ressort à spires jointives (7) (figure 4) faisant également office de gaine protectrice. So that the tube (la) returns to its original position, after cancellation of the deformation force F, the latter can be housed inside a spring with contiguous turns (7) (Figure 4) also acting protective sheath.
Dans une autre forme de réalisation (figure 5), le corps (1) est conformé directement pour revenir automatiquement à sa position initiale de repos après annulation de la force de déformation exercée sur lui. A cet effet, le corps (1) est convenablement profilé en forme et en section, par exemple en présentant plusieurs tronçons (ld) de sections dégressives, ou bien le corps(l), quelle que soit sa section, peut être annelé ou en forme de soufflet. In another embodiment (Figure 5), the body (1) is shaped directly to automatically return to its initial rest position after cancellation of the deformation force exerted on it. To this end, the body (1) is suitably shaped in shape and in section, for example by presenting several sections (ld) of declining sections, or else the body (l), whatever its section, can be ringed or in bellows shape.
Quelle que soit sa forme de réalisation, l'émetteur (2) et le récepteur (3) sont convenablement montés respectivement à chacune des extrémités du corps (1) en étant disposés facialement an regard (figure 1 et 2). Eventuellement, selon les applications spécifiques recherchées, l'émetteur (2) et le récepteur () sont disposés et montés d'un même côté du corps (l) dont 1sextlémité opposée est dans ce cas agencée en (8) pour réfléchir les faisceaux lumineux en direction du récepteur (figure 5). Whatever its embodiment, the transmitter (2) and the receiver (3) are suitably mounted respectively at each of the ends of the body (1) while being disposed visually opposite (FIG. 1 and 2). Optionally, depending on the specific applications sought, the transmitter (2) and the receiver () are arranged and mounted on the same side of the body (l), the opposite opposite end of which is in this case arranged at (8) to reflect the light beams. towards the receiver (Figure 5).
Il est bien évident que les applications mettant en oeuvre le dispositif optique décrit sznt très nombreuses. A titre d'exemple indicatif, nullement limitatif, le dispositif qui fait office de potentiomètre optique peut être mis en oeuvre pour la détection analogique d'une force, d'une pression, d'un déplacement linéaire ou angulaire, d'une torsion, d'un cisaillement... It is obvious that the applications using the optical device described are very numerous. By way of an indicative example, in no way limiting, the device which acts as an optical potentiometer can be used for the analog detection of a force, of a pressure, of a linear or angular displacement, of a twist, of a shear ...
Dans le cas ou le corps opaque et élastique est exécuté sous forme d'un tube rectiligne, les applications suivantes peuvent être envisagées
- mesure analogique de l'angle de flexion d'un bras, d'un genou, du dos... (figure 6) en vue de la rééducation fonctionnelle,
- mesure de l'angle d'ouverture d'une porte par exemple (figure 7),
- détection de la force d'appui exercée en marchant, pour chaussure à semelle dynamométrique, dans le cas d'une rééducation ; plusieurs ensembles corps (1) , émetteur (2) - récepteur (3) étant disposés an parallèle entre deux faces d'appui par exemple (figure 8).Le corps (l) peut aussi présenter plusieurs canaux longitudinaux faisant office de guida pour le passage du flux lumineux,
- détection de toute pression transversaie ou axiale selon le positionnement du tube ainsi que tout effet de fléchissement, de traction,
- commande de différents appareils, organes ou machines en exerçant une simple impulsion sur le corps (1) dont une extremi- té est fixée sur un support -- rigide quelconque (S).In the case where the opaque and elastic body is executed in the form of a straight tube, the following applications can be envisaged
- analog measurement of the flexion angle of an arm, a knee, the back, etc. (Figure 6) for functional rehabilitation,
- measurement of the opening angle of a door for example (Figure 7),
- detection of the support force exerted while walking, for a shoe with a dynamometric sole, in the case of rehabilitation; several body (1), transmitter (2) - receiver (3) assemblies being arranged in parallel between two support faces for example (FIG. 8). The body (l) can also have several longitudinal channels acting as a guide for the passage of light flux,
- detection of any transverse or axial pressure depending on the positioning of the tube as well as any flexing, traction effect,
- control of different devices, organs or machines by exerting a single pulse on the body (1), one end of which is fixed on any rigid support (S).
Dans ce cas, le corps (1) peut être exécuté avec des formes et sections lui conférant une élasticité sans aucune rémanence.In this case, the body (1) can be executed with shapes and sections giving it elasticity without any persistence.
L'ensable émetteur-récepteur étant disposé à la base, tandis qu' un organe réfléchissant (8) est disposé à l'extrémité opposée du corps (figure 5). The transmitter-receiver assembly being arranged at the base, while a reflecting member (8) is arranged at the opposite end of the body (FIG. 5).
Selon les applications spcifiques envisagées, les deux extrémités du corps (1) sont montées sur un support rigide (figure lO), ledit corps étant libre, ou bien l'ensemble du corps (1) est disposé en appui sur une partie rigide (figure ll), ou bien encore une seule des extrémités est fixée sur un support rigide (figure 12). Depending on the specific applications envisaged, the two ends of the body (1) are mounted on a rigid support (FIG. 10), said body being free, or else the entire body (1) is placed in abutment on a rigid part (FIG. ll), or even only one of the ends is fixed on a rigid support (Figure 12).
/pour cela
Il est bien évident que sans/sortir du cadre de l'invention, le dispositif peut présenter différentes variantes de réalisation. Par exemple, dans le cas d'une détection de pression notamment, l'émetteur et le récepteur peuvent être disposés transversalement ou sensiblement an égard aux génératricesdu tube./for that
It is obvious that without / departing from the scope of the invention, the device can have different variant embodiments. For example, in the case of a pressure detection in particular, the transmitter and the receiver can be arranged transversely or substantially with regard to the generatrices of the tube.
Pour certaines applications, notamment pour des chaussures à semelles dynamométriques, le corps (1) peut être exécuté au moyen de deux plaques superposées (la) et (lb) an matière souple, déformable élastiquement et opaque, chacune des faces en regard présentant au moins une cavité en creux (lal)-(lbl) pour délimiter en combinaison un tunnel pour le passage du flux lumineux en combinaison avec l'émetteur et le récepteur optiques (figure 3)
De même, l'intérieur du corps (l), quelle que soit sa forme de réalisation peut être rendu réfléchissant afin de faciliter la propagation du flux lumineux, l'enveloppe externe dudit corps étant toujours opaque.For certain applications, in particular for shoes with dynamometric soles, the body (1) can be executed by means of two superimposed plates (la) and (lb) made of flexible material, elastically deformable and opaque, each of the facing faces having at least a hollow cavity (lal) - (lbl) to delimit in combination a tunnel for the passage of light flux in combination with the optical transmitter and receiver (Figure 3)
Likewise, the interior of the body (l), whatever its embodiment may be made reflective in order to facilitate the propagation of the light flux, the external envelope of said body being always opaque.
On peut prévoir également un corps de section pleine en matière souple et déformable élastiquement et conformé pour être transparent et/ou translucide. Dans ce cas, le corps est logé dans une enceinte opaque conformée et/ou agencée pour ne pas altérer les caractéristiques d'élasticité du corps (1). It is also possible to provide a solid section body made of flexible and elastically deformable material and shaped to be transparent and / or translucent. In this case, the body is housed in an opaque enclosure shaped and / or arranged so as not to alter the elasticity characteristics of the body (1).
Pour certainesapplicatiom" le flux lumineux émis par l'émetteur peut être perturbé par un ou plusieurs éléments débordant à l'intérieur de la section du corps avec capacité de déplacement ou non, afin de moduler la quantité de lumière arrivant sur le récepteur. For some applications, the luminous flux emitted by the emitter can be disturbed by one or more elements projecting inside the section of the body with or without displacement capacity, in order to modulate the quantity of light arriving on the receiver.
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| FR8504238A FR2578974B1 (en) | 1985-03-18 | 1985-03-18 | OPTICAL DEVICE FOR ANALOGUE FORCE DETECTION |
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