CA1164553A - Determination de contraintes a partir de potentiels d'origine piezo-electriques - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé pour déterminer des contraintes par mesure et analyse de potentiels d'origine piézo-électrique engendrés par un organe rigide allongé en un matériau organique consécutivement à une solicitation mécanique de cet organe. Ce procédé est caractérisé en ce que des signaux caractéristiques des potentiels sont détectés en deux endroits écartés longitudinalement au moins adjacent de la surface de l'organe. Chacun de ces signaux est amplifié et intégré. Les types de contraintes génératrices de ces signaux sont identifiées et ces contraintes (de flexion ou de torsion) sont mesurées séparément et comparées ensuite à des valeurs de référence en vue par exemple de déclencher un signal de commande. La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Le procédé (ou dispositif) pourrait notamment être utilisé pour commander l'ouverture d'une fixation de ski de sécurité.

Description

~L16i~;3 Dornaine technigue L'invention se rapporte à un procédé pour mesurer et analyser des potentiels d'origine piezo-éiectrique engendrés par ~r~ organe ri~ide allongé en un matériau organique, consécutivement à une sollici-5 tation mécanique.
Etat de la technique i3es travaux scientifiques ont montré que différents corps orga-i~ niques produisent des varia-ti~ns de potentieis électriques lorsqu'71s se déforment. C'est n~tamment le cas des muscles~
11 a déià éte proposé d'utiiiser les si~naux d'origine musculaire pour commander l'ouverture au-tomatique d'une fixation de ski en cas de risque de fracture de la jambe du skieur. Un tel disposit7F de sécurité fait i'objet des brevets DE ? 121 827, US 3 776 566 et 3 8~6 sos.
; 15 Cette solution pose cependant plus de problèmes qu'elle n'en résoud. En ef-Fet, si i'on considère que toute activité muscuiaire est génératrice d'une variation de potentiel électri~ue, ces brevets restent muets sur la manière d'utiliser ces courants à bon escient pour générer un signal de r?mmande de l'ouvertur e de la fixation . La pratique du 20 ski s'accornF)agne obligato~rement d'un travail musculaire. Or l's~uver-ture de la fixation ne doit intervenir qu'exceptionnellement au moment où les sollicitations des os de la jambe dev~ennent anormales. Il est par conséquent nécessaire de deFinir un seuil à partir duquel on désire générer un signal issu du potentiel électr;que d'origine musculaire. La 25- déFinition de ce seuil pose des problèmes extremement complexes, étant donné que ies sollicitations auxquelles l'os est soumis et celias qui s'exercent sur les muscles ne sont pas ~orcement ni proportionnelles ni simultanées. En outre, les potentiels électriques d'origine musculaire ne permettent pas de déterminer le type ~e contrainte auquel les os sont ~o soumis; or la résistance d'un os n'est pas la même s'il est soumis à une flexion ou à une torsion. Ceci signi~ie que les potentiels électriques si'origine musculaire peuvent, dans certains cas, ~épasser le seuil Iimite, alors que la sollicitation de l'os est parfaitement tolérable, tanclis ! --~
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-~ 6~5~3 que dans d'autres cas, ce seuil limite n'est pas a-tteint quand l'os est soumis à une contrainte depassant sa limite de resistance.
Les defau-ts et les dangers de la solution propo-see apparaissent immediatement et semblent inherents à la ` conception même de ce dispositif de securite, etant donne qu'il mesure des potentiels électriques dependant de l'ac-tivité muscuIaire et que ces potentiels sont senses être caracteristiques des sollicitations exercees sur les os.
10Des travaux scientifiques ont montre par ailleurs que des effets piezo-electriques se manifestent lorsque des organes rigides en materiaux organiques tels que le bois ou les os sont soumis ~ des sollicitations mecaniques. Des essais ont permis de constater que les formes de signaux engendres par les potentiels electriques consecutifs aux sollicitations exercees sur les os sont differents suivant la nature de la contrainte et que l'amplitude du signal est fonction à la fois de l'importance de la contrainte et de sa vitesse d'application. Cela signiEie que, pour un ;20 niveau de contrainte donne, le signal mesure va dependre de la vitesse d'application de la contrainte.
En tenant compte de ces donnees, il apparait qu' il doit être possible de mesurer le type e-t l'amplitude des contraintes exercees sur un os ou sur une tige de bois, de manière a comparer le resultat avec une contrainte type.
~ette comparaison peut etre utilisee à differentes fins, `
notamment pour declencher une fixation de ski lorsque la contrainte relevee sur la jambe du skieur depasse une ~ limite admissible ou a d'autres fins que l'on enumerera par la suite.
A cet effet, la presente invention a pour objet un procede pour determiner des contraintes par mesure et ; analyse de potentiels piezo-electriques produits dans un matériau organique rigide en forme d'organe allonge ayant une extremite encastree consécutivement a des sollicita-tions mécaniques exercées sur organe, caracterise par le

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fait que l'on détecte des signaux caracteristiques desdits potentiels en deux points de l'organe qui sont écartes longitudinalement et situés à une distance determin-ee l'un de l'autrel on amplifie et integre les deux signaux detectes en ces points, on determine une valeur d'une contrainte de flexion s'exerçant au point de detection qui est le plus ~. e].oigne d'un point d'encastrement de l'organe allonge en - effectuant une difference entre les deux signaux integres et en multi.pliant cette difference par un rapport entre, d'une part, une distance entre le point de detection qui est le plus eloigne du point d'encastrement et ce point d'en-castrement, et d'autre part, la distance determinee entre les deux points de detection, et on determine une valeur d'une contrainte de torsion en effectuant une dif~erence ~:~ 15 entre le plus grand des deux signaux integres et la con-trai.nte de flexion.
La presente invention a egalement pour objet un dispositif pour determiner des contraintes par mesure et analyse de potentiels piezo-electri~ues produits dans un materiau organique rigide en forme d'organe allonge ayant une extremite encastree consecutivement a des sollicitations : mecaniques de ce-t organe, caracterise par le fait qu'il comporte deux electrodes de mesure ecartees longitudinale-ment et di.sposees a une distance determinee l'une de l'autre le long de l'organe allonge, ces deux électrodes etant ega-: lement reliees chacune a un circuit integrateur delivrant ; un signal sur une sortie de ce circuit integrateur, un premier : operateur analogique pour etablir une di~ference entre les signaux issus des deux circuits integrateurs, un second operateur analogique pour multiplier une valeur issue dupremier operateur analogique par un rapport entre, d'une part, une distance entre un point d'encastrement dudit : organe allonge et l'electrode qui est la plus eloignee de ce point d'encastrement et, d'autre part, la distance determinee entre les deux electrodes, pour faire apparaltre a une sortie de ce second operateur analogique une variation - 2 a ~ ' .

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-5 ~ 3 d'une contrainte de flexion, et un troisième opérateur ana-logique ayant des entrées qui sont reliées d'une part à la sortie du second opérateur analogique et d'autre part à la sortie du circuit intégrateur lie à ladite électrode qui est la plus eloignee du point d'encastrement pour faire apparaltre à une sortie de ce troisième opérateur analogi-que une valeur d'une contrainte de torsion.
Le dessin annexe illustre schematiquement et à
titre d'exemple seulement un mode de mise en oeuvre préfére du procedé et du dispositif objet de llinvention.

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La -Figure I illustre un schéma électronique de traitement des signaux captés.
I es fi1ures 2 et 3 sont des dia~rammes explîcatifs.
Meilleure manière de réaliser l'invention Dans le cas où la détection des potentiels piézo-électriques provenant des os est destiné à déclencher une fixation de ski par exemple dès qu'un seuil de contrainte prédéterminé a été atteint, il est nécessaire de mesurer indépendamment les deux composantes dont est ~ormé le signal afin de savoir quelle est la répartltion entre contraintes 10 de $orsion et contraintes de flexion. Il est bien connu de la theorie sur la résistance des matériaux que, dans le cas d'une torsion, la contrainte est constante en tous les points d'une poutre encastrée à
une ex-trémité, tandis qu'avec une flexion, la contrainte croît en direction du point d'encastrement. Il est d'autre- part également connu 15 que la tension d'origine piézo-électrique est dépendante de la vitesse d'application de la contrainte. Comme le montre le diàgramme de la figure 2, I'app1ication d'une contrainte C pendant un temps tl donne, pendant le même temps tl, un signal sl, tandis c~ue l'application de la 1~ même contrainte C pendant un temps t2 donne un signal 52 d'amplitude 20 plus faible pendan~t le même temps t2. Par contre, les surFaces ~1 et ~2 sont égales; par conséquent, en intégrant le signal S, on introduit:
la notion du paramètre "temps" et cette inté~ration nous ram~ne à la contrain:e elle-même plutôt qu'à sa dérivée.
Ce résultat peut être obtenu à l'aide de deux circuits intégrateurs 25 actifs à amplificateurs opérationnels illustres par la figure i qui comprend essentiellement deux électrodes de mesure I et 2, chacune associée à un circuit intégrateur actif à amplifi~ateur opérationnel Cl j `
e-t C12 à la sortie desquels apparaissent des signaux Sl, respectivement 52~ caractéristiques des potentiels et du temps ntesurés Ensuite, ces 30 signaux sont traités par une série d'opérateurs analo~iques agencés pour effectuer le développement mathématique que l'on va exposer en se référant aw diagramme de la figure 3.
Ce diagramme montre une droi te ~ qui correspond à la somme de deux contraintes de torsion T respectivement de flexion F d'une poutre 35 encastrée, la partie inférieure de la jambe, notamment le tibia, pouvant etre assimilée ~ ce ~as Les signaux 51 e- S2 mesurés en deux prints I

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et 2 de cette droite ~, écartés d'une distance d, Sl étant à une distance D du point d'encastrement, correspondent à la somme des deux contraintes de torsion et de flexion en ces po;nts de la droite ~.

5~ = T ~ F~

S~ = T + F~

Sl - S2. = Fl - F2 = F' La drolte a une équation de la forme: ~ .
y = ax ~ b a est la pente de = c~
b est l'ordonnée à l'origine ~ T au point I de la droite ô
51 ~ d D ~ T
ou encore Sl ~ d F' + T

Dans cette équation T est l'inconnue T = Sl - 3 F' ~ ';I - ~ F
Fl= D F' = Q F

3~ 25 Pour résoudre cette équation à partir des signaux Sl et S2 issus d~s circuits intégrateurs actifs Cll et Cl2, un opérateur analo~i4ue . ;1 :~ OAI dont les deux entrées sont reliees aux sorties de Cll et C12 établllt la difference entre ces signaux Sl et S2, de sorte que la valeur. F
: 30 appara^~t à la sortle de cet~ opérateur OAI. Un second opérateur analo-. ~ g ique OA2 multiplle cette valeur F par ~ qui correspond à D. La valeur ~ F sor~ant de l'opérateur OA2 est diris~ée d'une part vers un~
. ~ entrée d'un opérateur analogique OA3 dont la seconde entrée est reliée à la sortie de l'intégrateur Cll. Cet opérateur OA3 établit la différence . ~ : 3S entre 51 et a F, de sorte que la valeur T ap.paraît à sa sortie.
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Deux comparateurs Cl et C2 comparent les valeurs de T, respec-tivement de ~ F, avec une valeur de référence RT et RF correspon-dant, par exemple, dans le cas d'une ~ixation de ski de sécurité, à la limite admissible de torsion, res~ectivement de flexion. Ces deux 5 comparateurs qui émettent un signal dès que l'une de ces limites est dépassée sont reliés à une porte "OR" destinée à fournir le signal utile commandant le déclenchement de la fixation Bien entendu, la qualité et lc~ précision des mesures e~-Fectuées à
l'aide du procédé décrit dépendent essentiellement de la proprete du 10 signal capté que llon amplifie Cette propreté peut être influencés par divers facteurs, notamment par des potentiels ne provenant pas de I'os, mais par exemple de l'activité musculaire qui accompagne forcé-ment les contraintes appliquées sur l'os lors de la pratique clu ~ki notamment.
Des essais de mesure de ces potentiels in vivo ont été menés aussi bien en laboratoire que sur la iambe de skieurs évoluant sur le terrain. Ces essais ont été réalisés tout d'abord avec une paire d'élec-trodes simples. Les potentiels relevés à l'aide de ces électrodes ont bien permis de mesurer des ~ariations en fonction des contraintes 20 appliquées à l'os; toutefois les diagrammes relevés à l'aide d'un enre- `
gistreur utilisé pcur les électro-cardiogrammes on-t revélé une propor-tion importante de potentiels parasit~s, de sorte que le traitement d'un s,s~nal issu de cette électrode est difficilement exploitable, atant donné
que, pour certaines contraintes, I'amplitude du signal provenant des 25 variations de potentiel engendrées par l'effet piézo-électrique dû à l'os peut être du même ordre de grandeur que les potentiels parasites.
Ensuite, des essais ont été réalisés avec une paire de doubles ; électrodes, I'électrode de mesure étant entourée d'un anneau de gardePour améliorer le contact entre l'électrode et l`a peau, on a utilisé une 30 crème conductrice du type de celles utilisées pour l'enre~istrement des électro-cardio~rammes. Les électrodes ont été placées le long du tibia ` ~ qui est dlrectement adjacent à la peau sur une portion importante de sa longueur.
La propreté du signal enregistré dans ces conditions est nette-35 ment meilleure que précédemment et permet d'envisager un traitementdu signal selon le procédé décrit précédemment.

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;3 Possibi!ité d'exp!o_ation industrielle Bien entendu, le procédé objet de l'invention n'est pas seulement utllisable dans le cas où l'on désire produire un signal de déclenche-ment d'une fixation de ski. Cette appiication n'est donnée qu'à titre 5 d'exemple. On peut, en efFet, envisager d'autres applications, par exemple médicales, en vue de détecter une ~racture ou une fissure ou I'état de guérison d'une fracture. On peut aussi envisager des appli-cations dans le domaine du sport, notamment de l'entraînement sportif;
on peut en effet imaginer de détecter les contraintes du tibia d'un 10 athlète qui saute ou qui court. Le tibia n'est pas le seul os dont on peut mesurer les potentiels d'origine pié~o-électrique, les os de l'avant-bras sont également proches de la peau, de sorte que l'on peut, dans ce cas, envisager par exemple de mesurer les contraintes résultant de la pratique du tennis et de là, relever des défauts dans la techniqye 15 cl'un joueur. Ce procédé n'est évidemment pas limité aux os, mais est - applicable à d'autres organes rigides en matériau organique tel quc~ le bois, de sorte qu'il est possible de mesurer l'état des contraintès s'exerçant sur des structures en bois.
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Claims (5)

Les réalisations de l'invention, au sujet des-quelles un droit exclusif de propriété ou de privilège est revendique, sont définies comme il suit:

1. Procédé pour déterminer des contraintes par mesure et analyse de potentiels piézo-électriques produits dans un matériau organique rigide en forme d'organe allongé
ayant une extrémité encastrée consécutivement à des solli-citations mécaniques exercées sur cet organe, caractérisé
par le fait que l'on détecte des signaux caractéristiques desdits potentiels en deux points dudit organe qui sont écartés longitudinalement et situés à une distance déter-minée l'un de l'autre, on amplifie et intègre les deux signaux détectés en ces points, on détermine une valeur d'une contrainte de flexion s'exerçant au point de détection qui est le plus éloigné d'un point d'encastrement dudit organe allongé en effectuant une différence entre les deux signaux intégrés, et en multipliant cette différence par un rapport entre, d'une part, une distance entre ledit point de détection qui est le plus éloigné du point d'encastrement et ce point d'encastrement, et d'autre part, ladite distance déterminée entre les deux points de détection, et on détermine une valeur d'une contrainte de torsion en effectuant une différence entre le plus grand des deux signaux intégrés et ladite contrainte de flexion.

2. Procédé selon la revendication 1, caracté-risé par le fait que l'on compare chacune des contraintes mesurées a une valeur de référence.

3. Procédé selon la revendication 2, carac-térisé par le fait que l'on génère un signal de commande chaque fois qu'au moins une des contraintes mesurées dépasse la valeur de référence.

4. Dispositif pour déterminer des contraintes par mesure et analyse de potentiels piézo-électriques produits dans un matériau organique rigide en forme d'organe allongé ayant une extrémité encastrée consécutivement à des sollicitations mécaniques de cet organe, caractérisé par le fait qu'il comporte deux électrodes de mesure écartées longitudinalement et disposées à une distance déterminée l'une de l'autre le long dudit organe allongé, ces deux électrodes étant également reliées chacune à un circuit intégrateur délivrant un signal sur une sortie de ce circuit inté-grateur, un premier opérateur analogique pour établir une différence entre les signaux issus des deux circuits inté-grateurs, un second opérateur analogique pour multiplier une valeur issue du premier opérateur analogique par un rapport entre, d'une part, une distance entre un point d'en-castrement dudit organe allongé et l'électrode qui est la plus éloignée de ce point d'encastrement, et, d'autre part, la distance determinée entre les deux électrodes, pour faire apparaître à une sortie de ce second opérateur analo-gique une variation d'une contrainte de flexion, et un troisième opérateur analogique ayant des entrées qui sont reliées d'une part à la sortie du second opérateur analo-gique et d'autre part à la sortie du circuit intégrateur lié à ladite électrode qui est la plus éloignée du point d'encastrement pour faire apparaître à une sortie de ce troisième opérateur analogique une valeur d'une contrainte de torsion.

5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé
par le fait qu'il comporte en plus un premier comparateur ayant des entrées reliées respectivement à la sortie du troisième opérateur analogique et à une valeur de référence de torsion, et un second comparateur ayant des entrées re-liées respectivement à la sortie du second opérateur analo-gique et à une valeur de référence de flexion.