– la r´ep´etabilit´e : c’est la capacit´e d’un capteur `a restituer la mˆeme information de sortie pour des mesures identiques, dans des conditions identiques et s´epar´es par un court laps de temps. La r´ep´etabilit´e caract´erise donc la dispersion des mesures. Dans le cas des capteurs asservis, on s’int´eresse plutˆot aux crit`eres dynamiques sui- vantes :
– stabilit´e : Un syst`eme est stable si `a tout signal d’entr´ee e(t) born´e correspond une r´eponse s(t) born´ee ;
– la rapidit´e : c’est le temps de r´eaction d’un capteur entre la variation de la gran- deur physique qu’il mesure et l’instant o`u l’information est prise en compte et compens´ee par la partie commande ;
– la pr´ecision dynamique : c’est l’´ecart entre la sortie et l’entr´ee pendant le r´egime transitoire. Pr´ecision et rapidit´e sont intimement li´ees durant cette phase d’´evolution du syst`eme ;
– la r´eponse en gain sur la bande passante de la mesure : si le gain de la fonction de transfert associ´ee au capteur n’est pas constant sur la bande passante, la sensi- bilit´e du capteur est fonction de la fr´equence de variation de la grandeur en entr´ee ; A cˆot´e des caract´eristiques li´ees `a la qualit´e de la mesure, on peut associer `a un capteur d’autres crit`eres de performances, tels que l’encombrement, la consommation, le coˆut de fabrication et la dur´ee de vie. L’ensemble de ces crit`eres d´etermine les appli- cations et le march´e potentiel du capteur.
1.10
Conclusion
Au cours de ce chapitre nous avons d´etaill´e le contexte de la mesure de force `a l’´echelle microscopique et nanoscopique. Nous nous sommes particuli`erement int´eress´es `
a deux probl´ematique qui concernent la micromanipulation et la nanotribologie. Les moyens, les difficult´es et les contraintes impos´ees ont ´et´e mis en ´evidence pour ces deux probl´ematiques. Nous avons vu que les mod`eles physiques qui r´egissent le comporte- ment de ces objets sont diff´erents de ceux que nous employons habituellement. Ainsi, des forces que nous avons l’habitude de n´egliger dans le macromonde de par leur faible influence, deviennent pr´epond´erantes et engendrent des interactions avec le micromonde difficilement pr´edictibles. Malgr´e les efforts des microroboticiens, des lacunes subsistent encore sur les lois physiques de comportement dans le micromonde.
Les dispositifs actuels de mesure de micro et nano forces permettent de caract´eriser dans une certaine mesure les interactions pr´esentes dans le micromonde. Ainsi, il est possible d’´etoffer les mod`eles de comportement du micromonde ou encore d’en ´etablir
1.10 Conclusion 42
de nouveaux. Ce travail ne peut se r´ealiser qu’au travers de la mesure exp´erimentale des forces dans des cas concrets et repr´esentatifs des ph´enom´enes physiques. Il est donc n´ecessaire de disposer de capteurs de forces performants et adapt´es `a ces probl´ematiques. Le capteur de forces «id´eal» pour la microrobotique est un capteur conjuguant `a la fois grande r´esolution et grande ´etendue de mesure (grand d´eplacement ou d´eformation). Dans les capteurs de forces actuellement utilis´es en microrobotique, les parties com- pliantes ne permettent pas un d´ebattement suffisant pour couvrir une large plage de mesure (typiquement du nN au mN ). Une solution pour augmenter ce d´ebattement consiste `a utiliser un principe de mesure qui ne repose pas sur la d´eformation d’un corps d’´epreuve mais sur le d´eplacement d’une masse sismique. Si la partie mobile peut su- bir un grand d´eplacement, le capteur sera alors capable de mesurer une large plage de force `a condition que la raideur reste faible pendant tout le d´eplacement. Le principal facteur qui limitera les performances d’un tel capteur sera ´evidemment les frottements secs que subira la masse sismique. Il s’agit donc de concevoir un capteur d´epourvu de frottement sec et ayant de performances plus int´eressantes que celui initialement deve- lopp´e `a l’AS2M en 2003 (figure 1.26). Ce capteur devra utiliser une masse sismique, ˆ
Chapitre 2
M´ecanisme de
flottaison-magn´etique
Au cours de ce chapitre, nous allons pr´esenter les concepts et les ´el´ements fondamen- taux indispensables `a la comprehension de la plate-forme de mesure de micro et nano forces. Ces principes importants ont servi de fondement pour la conception de la plate- forme, notament au travers d’une configuration ´el´ementaire que l’on a appel´e m´ecanisme de flottaison magn´etique (MFM).
2.1
Principe de mesure de force passif
Nous avons vu au cours du premier chapitre qu’un capteur de force qui pr´esente des int´erˆets en basse fr´equence pour la microrobotique est un capteur avec une faible raideur (si possible constante) et une grande plage de mesure. Nous avons vu aussi que la r´ealisation d’un tel capteur est possible, en utilisant un principe qui repose sur le d´eplacement d’une partie mobile macroscopique ind´eformable pour la plage d’effort consid´er´ee, caract´eris´ee par une faible raideur K, ajustable si possible (voir figure 2.1).
Fig. 2.1 – Principe de mesure de force
Cette partie mobile constitue l’organe sensible (aux efforts) du capteur et doit pr´esenter un ´equilibre stable dans l’espace. Cette stabilit´e doit ˆetre de pr´ef´erence passive pour limiter la complexit´e du dispositif. Le d´eplacement ~d de la partie mobile, suite `a une force externe ~Fextqui lui est appliqu´ee, est mesur´e `a l’aide d’un capteur de position `
a grande r´esolution. En r´egime stationnaire, si le capteur est lin´eaire sur sa plage de fonctionnement, ce d´eplacement est proportionnel `a la force externe appliqu´ee, avec :