G - Physics – 01 – L
Patent
G - Physics
01
L
G01L 5/16 (2006.01) G01B 15/06 (2006.01) G01L 1/04 (2006.01) G01L 1/25 (2006.01) G01L 5/22 (2006.01)
Patent
CA 2203539
A triaxial force sensor using a hemispherical target (60) supported by a compliant element such as a spring or an elastomer (416) supported by a rigid support member (402). The sensor includes a plurality of ultrasonic transducers (52) disposed in a plane at equal intervals about the target (60) and vertically and laterally offset from the target (60). The transducers (52) are orientated at an oblique angle to the plane, and aimed at the target (60) in its rest position. The target (60) is displaced by sufficient force applied to elastically deform the compliant element (416), which displacement alters the transit times of ultrasonic signals from the transducers (52) which are reflected from the target (60). If at least three sensor units are employed non-colinearly, the six force-torque components, Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz, can be determined from the pulse transmit times, the speed-of-sound in the medium or media (416) between the transducers (52) and the target (60), the deformation response of the compliant element (416), and the known geometry and spacing of the transducers (52). Pairs of transducers (52) may be rotationally offset from each other to determine different force-torque components. A plurality of sensors as described may be employed together in a multi-sensor array. An alternative embodiment employing both the amplitude and the transit time of an ultrasonic pulse is also disclosed.
L'invention concerne un capteur de forces triaxial comportant une cible hémisphérique (60) supportée par un élément élastique tel qu'un ressort ou un élastomère (416), et le capteur est monté sur un support rigide (402). Le capteur comprend plusieurs transducteurs d'ultrasons (52) disposés dans un plan, à des intervalles égaux autour de la cible (60) et décalés verticalement et latéralement par rapport à la cible (60). Les transducteurs (52) sont orientés sous un angle oblique par rapport au plan et dirigés vers la cible (60) quand elle est en position de repos. La cible (60) est déplacée par l'application d'une force suffisante pour produire une déformation élastique de l'élément élastique (416). Ce déplacement modifie les temps de transit de signaux ultrasoniques, provenant des transducteurs (52), qui sont réfléchis par la cible (60). Si l'on utilise au moins trois unités à capteurs non alignées, les six composantes du couple de forces, F¿x?, F¿y?, F¿z?, M¿x?, M¿y?, M¿z?, peuvent être déterminées à partir des temps de transmission des impulsions, de la vitesse du son dans la matière ou les matières placées entre les transducteurs (52) et la cible (60), de la réaction de l'élément élastique (416) à la déformation ainsi que de données connues: les caractéristiques géométriques et l'espacement des transducteurs (52). Les paires de transducteurs (52) peuvent être décalées en rotation l'une par rapport à l'autre afin de déterminer différentes composantes du couple de forces. On peut employer en même temps plusieurs capteurs comme celui qui est décrit, dans un réseau de capteurs multiples. L'invention concerne aussi un autre mode de réalisation où sont utilisés à la fois l'amplitude et le temps de transit d'une impulsion ultrasonique.
Grahn Allen R.
Grahn Josephine M.
Bonneville Scientific Incorporated
Oyen Wiggs Green & Mutala Llp
LandOfFree
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Profile ID: LFCA-PAI-O-1605850