Electro-mechanical Device for Generating Small Forces

Dispositif électro-mécanique pour application de faibles forces

Naceur-Eddine Khélifa (1)

1 LCM - Laboratoire commun de métrologie LNE-CNAM

This report concerns the difficulties in generating and measuring small forces properly. In fact, no direct force realization linked to the International System of Units (SI) below 1 N has ever been carried out. Furthermore, small force is usually a varying one and no dynamic calibration technique for force sensors has ever been established. Finally, it is very difficult to evaluate the uncertainties both for the measured value of the small force and for the time of the measurement. To generate a very small force in a controlled way, one needs to know its point of application, direction and intensity. Here, we describe a system constructed from piezoelectric actuator with nano metric resolution working in open or closed loop and flex plates made from a special non-magnetic alloy. We report the first results obtained with this system tested using a commercial mass comparator having a resolution of 0.1 micro gramme. The ultimate objective of our experiment, described in a previous report, is measurement of small forces by using a laser made from a photo elastic Nd: YAG crystal.

Ce travail porte sur les difficultés à générer et à mesurer les faibles forces. En effet, aucune réalisation de force inférieure à 1 Newton, raccordée au système international d'unités (SI), n'a été effectuée pour le moment. Aussi, une faible force est en général assez variable et aucune technique dynamique d'étalonnage de capteurs de force n'a été établie. De ce fait, il est très difficile d'évaluer les incertitudes tant pour la valeur mesurée d’une faible force que pour le temps de la mesure. Pour générer une faible force d'une façon contrôlée, il faut connaître son point d'application, sa direction et son intensité. Ici, nous décrivons un système, construit à partir d'un actionneur piézoélectrique ayant une résolution de l’ordre du nanomètre, fonctionnant en boucle fermée, et d’une lame flexible en alliage amagnétique, destiné à appliquer de faibles forces sur un barreau laser. Nous présentons les premiers résultats obtenus avec ce système testé à l'aide d'un comparateur de masse commercial ayant une résolution de 0,1 microgramme. L'objectif ultime de notre expérience est une mesure de faibles forces à l'aide d'un laser fabriqué à partir d'un barreau Nd: YAG, connu pour sa biréfringent induite sous l’action d’une contrainte extérieure.

Mots clés: photo elastic effect; Small force; piezoelectric actuator; mass comparator

Domaines: Autre

Naceur-Eddine Khélifa. Dispositif électro-mécanique pour application de faibles forces. 15ème Congrès International de Métrologie, Collège français de métrologie, Oct 2011, Paris, France. Grandeurs Mécaniques et Apparentées. ⟨hal-00711096⟩