Dispositif photo élastique
L'invention a pour objet un dispositif photo élastique comprenant une couche photoélastique destinée à être appliquée sur une pièce dont on désire observer les sollicitations mécaniques. Ce dispositif est caractérisé en ce que la couche photoélastique est recouverte, au moins sur la face qui est tournée vers la lumière, par une couche de matière à propriétés polarisantes.
Grâce à elle, un organe mécanique, transmetteur de forces ou couples, donne par son aspect même une indication de l'effort qu'il transmet, en particulier son aspect extérieur se modifie suivant qu'il transmet une force, ou couple, supérieur ou inférieur, à une valeur prédéterminée.
Un tel organe mécanique peut être un outil de serrage, comme une clé, qui permet alors à l'utilisateur de se rendre compte s'il atteint ou non la valeur de limite de serrage qu'on s'est fixée et cela par observation de l'outil lui-même.
Pour un tel outil, la sécurité d'utilisation est totale et, en outre, on peut régler l'intensité d'action par simple observation.
Ce résultat est obtenu sans modifier la constitution générale de l'outil- et sans lui adjoindre d'organe fragile ou délicat, bref en lui conservant ses qualités de robustesse, de simplicité de fabrication et de facilité d'emploi.
De même, par modification d'aspect, une pièce d'un ensemble mécanique révèle qu'elle transmet un effort supérieur à ceux pour lesquels elle a été prévue et construite, donnant ainsi l'assurance qu'un appareil ou dispositif fonctionne dans des conditions de sécurité fixées à l'avance.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution et des utilisations du dispositif faisant l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une vue d'un outil.
La fig. 2 est une vue à plus grande échelle d'une partie de cet outil, en coupe suivant la ligne 2-2 de la fig. 1.
La fig. 3 est une vue de face d'une partie d'un outil comme représenté sur la fig. 1, mais pour une variante.
La fig. 4 est une vue d'un crochet faisant partie d'un appareil de levage.
La fig. 5 est une vue schématique d'un appareil de levage.
La fig. 6 est une vue d'un anneau dynamométrique.
La fig. 7 est une vue schématique d'un capteur de pression.
La fig. 8 est une vue analogue, mais pour une variante.
La fig. 9 est une vue schématique d'un autre appareil.
La fig. 10 est une vue d'une installation de mesure ou d'enregistrement.
La fig. 11 est une vue schématique d'une installation.
La fig. 12 est une autre forme d'exécution du dispositif.
La fig. 13 est une vue analogue à la fig. 12, mais pour une variante.
On se réfère d'abord aux fig. 1 et 2. La clé des serrages 10, qui comporte un manche 11 et une tête 12, celle-ci découpée intérieurement suivant un sixpans 13, est équipée, en un emplacement judicieusement choisi, ici près du raccord 14 entre le manche 11 et la tête 12, d'un dispositif photoélastique 15. Un tel dispositif comprend, surmontée d'une couche de matière à propriétés polarisantes 17, une couche photoélastique 16, à biréiringence variable suivant les contraintes auxquelles elle est soumise, et qui est collée sur le fond 18 de l'alvéole 19 ménagé dans la clé pour le logement du dispositif. Comme couche photoélastique, on utilise de préférence une plaquette photoélastique ou un vernis photoélastique de grande sensibilité.
On sait qu'une telle plaquette ou un tel vernis laisse apparaître, observées à travers une couche polarisante, des couleurs variables et/ou des franges à dessin variable lorsqu'elle est rendue solidaire d'une pièce mécanique subissant des contraintes. Cette variation peut affecter l'aire couverte par une teinte déterminée, ou bien elle réside dans le remplacement d'une teinte par une autre en un même endroit de l'espace, ou bien l'allure des franges colorées se modifie, ou bien il se produit une variation d'intensité lumineuse en lumière monochromatique.
Dans le cas d'une clé de serrage, les caractéristiques du dispositif photoélastique, notamment l'épaisseur et son emplacement sur la clé, sont de préférence choisis tels qu'il se produit un virage franc de couleur lorsqu'on atteint la limite supérieure qu'on s'est fixée pour l'effort de serrage.
Comme montré sur la fig. 2, l'outil est muni d'un dispositif photoélastique sur l'une et l'autre de ses faces, de manière à fournir à l'ouvrier un renseignement quelle que soit la face de l'outil tournée vers lui.
Dans la forme de réalisation montrée sur la fig. 3, l'alvéole pratiqué dans l'outil pour le logement du dispositif photoélastique n'est occupé qu'à moitié par une plaquette photoélastique 20; celle-ci est hémicirculaire, l'autre moitié du logement contient une plaquette 21 de couleur fixe. Cette couleur et le dispositif photoélastique sont choisis tels que, aussi longtemps que l'outil transmet un effort inférieur à une limite qu'on s'est fixée, la plaquette 20 a une couleur différente de la plaquette 21 et que, lorsque cette limite est atteinte, la plaquette 20 vire de couleur jusqu'à prendre celle qui est précisément celle de la plaquette 21. La couleur de référence peut être obtenue par peinture, par lame cristalline ou par tout autre moyen.
La fig. 4 montre une forme de réalisation d'un crochet de levage. Ce crochet 22 porte sur au moins une face une plaquette ou un vernis photoélastique 23, et une fenêtre 24 est ménagée pour l'observation des phénomènes lumineux provoqués par la biréfrin- gence variable de la plaquette 23 sous l'effet des contraintes qu'elle subit et qui varient suivant l'effort que transmet ledit crochet. La fenêtre 24 est avantageusement prévue à l'endroit où une rupture est susceptible de se produire en cas de charge trop lourde. Le dispositif est choisi de manière qu'il se produise une variation brusque du phénomène lumineux observé lorsque la limite de sécurité est atteinte.
Il suffit donc à un servant de l'appareil de levage d'observer la fenêtre 24 pour se rendre compte si la charge accrochée peut être soulevée et transportée sans risque. Un tel crochet permet non seulement l'usage d'un appareil de levage en toute sécurité, mais également assure pour ledit appareil un rendement maximum en donnant à l'utilisateur la possibilité, lorsque la charge peut être choisie, de lever à chaque fois une charge qui s'approche de la capacité maximum de l'appareil.
Le dispositif peut, bien entendu, entrer dans la constitution d'organes de l'appareil de levage autres que le crochet et dans d'autres appareils qu'un appareil de levage.
Sur la fig. 5, on a montré schématiquement un appareil de levage 25, qu'on a équipé de deux dispositifs photoélastiques, l'un, 26, près de l'assemblage du bras horizontal 27 avec l'ossature verticale 28, l'autre, 29, à la base de ladite ossature, du côté tourné vers le bras. L'observation desdits dispositifs photoélastiques ou l'enregistrement des phénomènes dont ils sont le siège permet d'éviter avec certitude qu'on dépasse les valeurs des efforts subis par le bras et par l'ossature pour lesquelles ils sont construits.
On se réfère maintenant à la fig. 6. L'anneau dynamométrique 30, d'un type en soi connu, interposé entre deux plateaux 31 et 32, sollicités l'un vers l'autre au rapprochement, et qui comprend en son intérieur l'indicateur habituel 33, est équipé sur chacune de ses moitiés d'une plaquette, respectivement 34 et 35, continue ou discontinue, comprenant une matière photoélastique à haute sensibilité surmontée d'un polariseur. Ces deux demi-anneaux présentent les mêmes caractéristiques, de sorte que, aussi longtemps que les efforts tendant au rapprochement des plateaux 31 et 32 s'exercent dans la direction prévue, les demi-anneaux prennent la même couleur ou présentent les mêmes franges.
Si, par contre, les efforts de rapprochement ne s'exercent pas suivant la direction prévue (lorsqu'il existe une flexion ou une torsion parasite, par exemple), les deux demianneaux prennent des aspects différents; on est ainsi averti du déréglage de la machine et que l'indication fournie par l'indicateur 33 n'est plus exacte. L'utilisateur peut donc effectuer un réglage de la machine en vue d'obtenir une indication exacte par l'indicateur.
On prévoit également, dans le cas où l'on désire limiter à un maximum la valeur de l'effort tendant au rapprochement des plateaux 31 et 32, de placer sur un ou sur les deux côtés de l'anneau dynamométrique un dispositif photoélastique comme décrit ci-dessus en référence aux formes de réalisation précédentes, l'indicateur pouvant alors être supprimé.
On peut ainsi équiper non seulement un anneau dynamométrique, mais aussi un dynamomètre à lame fléchie, ou bien un mesureur de couple comme un arbre à section circulaire ou carrée, soumis à la torsion statique ou dynamique, ainsi qu'un cadre, d'un dispositif photoélastique fournissant par son observation la grandeur de l'effort auquel est soumis ledit dynamomètre. Afin d'effectuer des mesures précises de la force ou du couple, le dispositif peut comprendre un polariscope avec un compensateur de Babinet, à pénombre, à cellule photoélectrique ou autre.
Notamment, dans le cas où un dispositif photoélastique est utilisé dans un but de sécurité, on prévoit de lui faire commander automatiquement, par sa variation de teinte ou d'intensité lumineuse, un avertisseur ou des moyens supprimant ou diminuant l'effort subi par l'appareil qu'il équipe.
L'invention est également applicable à des appareils de mesure autres que des anneaux dynamométriques ou des mesureurs de couple. La fig. 7 montre, à titre d'exemple, son application à un capteur de pression. La membrane 40, élastiquement déformable, faisant partie de la paroi 41 d'une enceinte dont on désire mesurer ou enregistrer la pression, porte, collée sur elle, ou autrement rendue solidaire, une plaquette photoélastique 42 recouverte par une couche de matière polarisante qui participe ainsi aux déformations de la membrane; en se déformant, la plaquette devient biréfringente et la mesure du degré plus ou moins grand de biréfringence fournit l'indication de la pression intérieure de l'enceinte.
Dans une variante, la couche photoélastique, en forme de plaquette ou vernis photoélastique, est fixée directement sur la paroi de l'enceinte. Dans ce cas, la plaquette est métallisée sur la face qui n'est pas en contact avec la couche polarisante.
Dans la forme de réalisation suivant la fig. 8, on colle sur la face avant de la plaquette 42 une lame cristalline 43 et sur celle-ci une plaque Polaroïd (marque déposée) 44. Une cellule photoélectrique 45 placée devant le dispositif peut être utilisée.
On peut également effectuer des mesures d'autres genres, telles que, par exemple, la mesure de la vitesse du vent, celle des vibrations de toutes natures, les déplacements, etc. Sur la fig. 9, on a représenté schématiquement, à titre d'exemple, un appareil propre à mesurer la vitesse du vent et les variations de cette vitesse. Cet appareil comporte simplement une lame flexible 60 encastrée à son extrémité 61 et sur laquelle on a collé une plaquette photoélastique 62 recouverte par une couche de matière polarisante.
Sous l'action du vent, la lame fléchit, d'où naît le phénomène de biréfringence dans la plaquette. On peut aussi coller ou poser à la surface de la plaquette une plaque Polaroïd surmontée ou non de lames biréfringentes additionnelles.
On prévoit d'obtenir des capteurs de vibrations en collant des plaquettes sur des éléments étalonnés.
La mesure de la- bîréfringence, pour les diverses formes de réalisation, peut être effectuée à l'aide d'un polariscope à réflexion ou d'un microscope polarisant à réflexion.
Dans l'installation selon la fig. 10, le dispositif photo élastique collé, par exemple, sur la membrane 40 faisant partie de l'enceinte 43 dont la pression est à mesurer ou à enregistrer, reçoit un pinceau de rayons fournis par un objectif 44 recevant la lumière à partir d'une glace semi-réfléchissante 45, inclinée à 45O, dont le pinceau incident 46 est fourni par une source lumineuse 47 après traversée d'une plaque Polaroïd 48, d'une lame quart-d'onde 49 et d'un filtre monochromatique 50. L'observation ou l'enregistrement de la lumière, après réflexion sur la face métallisée 51, nouvelle traversée de l'objectif 44 et de la glace 45, se fait après traversée de la lame quart-d'onde 52 et de l'analyseur 53.
Dans la réalisation, la lumière tombe, après traversée d'un oculaire 54, sur une cellule photoélectrique 55 dont le courant est acheminé par les conducteurs 56 vers un oscillographe d'enregistrement ou un galvanomètre.
Les avantages d'une telle installation de mesure sont les suivants: - l'apparell de mesure proprement dit est séparé
de la membrane ou autre élément capteur; - sa sensibilité est variable par réglage du disposi
tif électronique de la cellule photoélectrique mul
tiplicatrice d'électrons ou autre cellule photo
électrique ; - elle permet l'étalounage statique et dynamique; - elle permet de mesurer à grande distance sans
contact avec la pièce ou le capteur; - on peut choisir l'épaisseur de la plaquette de
manière à avoir une sensibilité fixée à l'avance; - on peut contrôler avec un polariscope si la pres
sion se transmet correctement (symétrie ou uni
formité d'aspect).
Exemple
On désire enregistrer des pressions statiques ou dynamiques pouvant prendre des valeurs comprises entre 0 et 2 kg/cm2. On choisit le matériau et l'épaisseur de la membrane de manière qu'il présente, pour la pression de 2 kg/cm2, une contrainte maximum, qui a, par exemple, une valeur de 12kg/mm2 pour une membrane en acier. En choisissant une plaquette photoélastique de 3 mm, on fera apparaître, pour une contrainte de 12kg/mm2, une frange, soit un retard de la lumière de l'ordre de 0,6. 10-3mm.
Dans ce cas, on pourra soit: a) observer et mesurer avec des compensateurs opti
ques les pressions en remplaçant la source de
lumière par un stroboscope (pressions alternées); b) enregistrer par l'intermédiaire d'une cellule;
celle-ci peut être réglée de manière à enregistrer
des allongements relatifs de 10-s et même de
10-9, c'est-à-dire des contraintes pour l'acier de
l'ordre de 20. 10-5 kg/mm2, d'où des pressions,
et leurs variations, de l'ordre de 3 10-6 kg/cm2.
La fig. 1 1 montre schématiquement le principe général d'une installation dont on vient de décrire une réalisation en référence à la figure précédente.
Dans une telle installation, le dispositif photoélastique 70 porté par une membrane 71 est placé en regard d'un polariscope 72 équipé d'une cellule photoélectrique 73. Le courant fourni par cette cellule à partir de la lumière influencée par le dispositif 70, et qui dépend des déformations de la membrane 71, est recueilli entre les conducteurs 74 et 75; il peut être utilisé dans un appareil de mesure, un appareil de signalisation, un appareil de régulation, etc. L'ensemble constitue un générateur de courant en fonction des efforts auxquels est soumise la membrane.
Sur la fig. 12, la pièce à étudier ou à surveiller est désignée par 201. Le dispositif photoélastique 202 comporte une plaque photo élastique 203, transparente, qui est collée par sa face 204 sur la pièce 201. La plaque 203 est solidarisée par son autre face 205 avec une feuille 206 en matière polarisante. Si la pièce 201 n'est pas réfléchissante, la face 204 est métallisée comme montré en 207. Le dispositif est éclairé par de la lumière incidente schématisée par les rayons 208 et, pour la surveillance ou l'étude, il suffit que l'observateur place son oeil, schématisé en 209, sur le trajet de la lumière, qu'on a schématisée en 210, réfléchie par la pièce brillante ou la face métallisée.
Une plaque composite, c'est-à-dire constituée par une plaque photoélastique recouverte d'une matière polarisante, peut aussi être utilisée pour des essais classiques de photoélasticité tels que les essais sur maquettes. La plaque est alors découpée suivant le contour devant servir de maquette, laquelle comprend ainsi, incorporée suivant une même unité mécanique, la matière photo élastique et les moyens de mesure, à savoir la matière polarisante. La face postérieure de la plaque composite est alors métallisée ou revêtue d'une peinture réfléchissante.
Dans une autre forme de réalisation, la plaque photoélastique est solidarisée non pas avec une feuille en matière polarisante, mais avec deux feuilles en une telle matière, placées de part et d'autre de la plaque photoélastique, de manière à constituer une plaque sandwich. Un tel dispositif est alors utilisable pour une analyse par transparence, notamment pour la détermination des directions des tensions principales par observation des franges isoclines et des valeurs des tensions par l'observation des isochromes. On peut utiliser deux polariseurs linéaires ou circulaires à axes parallèles ou à axes croisés, permettant ainsi l'exécution des différentes analyses classiques en photoélasticité sans qu'aucun appareil de mesure auxiliaire ne soit nécessaire.
La fig. 13 représente un tel dispositif comprenant une plaque photoélastique transparente 211, portant, d'une part, une feuille 212 en matière polarisante et, d'autre part, une seconde feuille 213 également en matière polarisante. L'étude se fait simplement en observant - l'oeil d'observation étant schématisé en 214 - la lumière qui traverse ce dispositif, les rayons lumineux ayant été schématisés en 215.