Force excercée par un aimant, et déformation d'une lame de plastique

[invitedee7f084]

Bonsoir,

Dans le cadre de mon TIPE, je cherche a mesurer le déplacement occasionné par un élément piézoélectrique.
Pour cela, je place l'élément de façon a qu'il pousse le chariot sur lequel est fixé le miroir d'un interféromètre de Michelson, et grâce aux figures d’interférences j'en déduit le déplacement.

Or, j'ai remarqué qu'il y avait entre mon élément piézoélectrique et le chariot, une fine lamelle de plastique assez molle.
J'ai fait les mesures avec et sans la cette lamelle.
J’obtient une différence de 1.5 micromètres de déplacement (sur un déplacement de 2.5 à 4 micromètres)

Le chariot est retenu par un aimant, et mon élément piézoélectrique mesure a peu près 1 cm de long.

Ma question est donc:
Est-il possible que l'aimant exerce une force suffisant pour déformer une lamelle de plastique (d'un millimètre d’épaisseur environ) de 1 micromètre, si celle ci s’éloigne ou se rapproche de 4 micromètres?

merci
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[invite8143fd64]

j'y connais pas grand chose en aimen mais je crois que c'est a cause de la structure moléculaire

[phuphus]

Bonsoir munsterkiler,

pourrais-tu joindre un schéma ? Ce que je comprends de tes explications, c'est qu'un aimant assure le retour du chariot lorsque tu coupes le courant alimentant ton élément piezo, c'est à dire que l'aimant n'est pas en contact avec le chariot.

Si c'est cela, alors une différence de position de 4 µm ne devrait pas changer quoi que ce soit dans la force exercée par l'aimant sur le chariot, et donc la compression de la lamelle de plastique reste la même. A mon avis, si vraiment cette lamelle est aussi "souple" que tu le laisses entendre (arrives-tu à la comprimer de manière sensible entre tes doigts ?), tes problèmes viennent plutôt de la souplesse de la lamelle de plastique combinée avec les frottements du chariot.

Qu'est-ce qui t'oblige à garder celle lamelle ?

[invitedee7f084]

Tu a bien compris ce que j'ai décrit, l'aimant assure en effet le retour du chariot.

Rien ne m'oblige à garder la lamelle de plastique,
j'ai juste des résultats, ou j'ai mesuré le déplacement de l'élément piézoélectrique, avec la lamelle et sans la lamelle.
J'observe que le déplacement environ 20% plus petit lorsqu'il y a la lamelle de plastique entre l'élément piézoélectrique et le chariot.
Étant donné que, a priori, la seule chose qui ait changée dans ma manipulation est le fait qu'il y ait ou non cette lamelle de plastique, et que j'ai effectué plusieurs fois les mesures, j'en déduit que cette lamelle "absorbe" une partie de la déformation de l'élément piézoélectrique.

Je cherche donc à comprendre s'il est effectivement possible que cette lamelle absorbe une partie de la déformation, ce qui confirmerait le fait que mes 2 mesures (avec et sans lamelle) donne des déplacements différents.

C'est pourquoi je demande si l'aimant peut impliquer une déformation de la lamelle.
Mais si vous avez d'autres idées sur ce qui pourrait occasionner cette différence de déformation qui déplace le miroir.

merci

[A voir en vidéo sur Futura]

[invite8143fd64]

soi la lamele amortie soi elle renvoi dans l'autre sens,c'est comme le son et un mur

[phuphus]

Bonjour munsterkiler,

et donc si je comprends toujours bien, avec la lamelle de plastique tu obtiens un déplacement moindre que sans cette lamelle. L'éventuelle compression de cette lamelle par l'aimant ne peut pas être en cause : modélise ta lamelle par un ressort, pars du principe que la force exercée par l'aimant sur le chariot diminue avec la distance (mais sur quelques microns, tu peux la considérer comme constante), et tu dois normalement en conclure que théoriquement, le déplacement doit être plus grand en présence de cette lamelle.

Donc je confirme : l'explication serait plutôt du côté des frottements du chariots. Ces frottements sont systématiquement vaincus lorsque l'éléments piézo, rigide, est en contact direct avec le chariot, mais pas lorsque tu intercales une compliance entre les deux. Tu peux le vérifier simplement, en traçant une courbe déplacement = f(tension). En l'absence de la lamelle, ta courbe passe par l'origine. En présence de la lamelle, si vraiment ce sont les frottements du chariot qui interviennent, ta courbe passe par un point de coordonnées (Xmin,0), Xmin étant le déplacement minimum imposé par l'élément piézo pour faire avancer le chariot.

A ce déplacement minimum Xmin, la compression de la lamelle contrebalance exactement les frottements.

Pour t'amuser : une fois la raideur de ta lamelle connue, tu peux déterminer la réponse en fréquence de ton système piézo + lamelle + chariot. Il est éventuellement possible de s'affranchir des frottements au niveau du chariot sans pour autant perturber la mesure en superposant à la tension électrique continue que tu appliques à l'élément piézo une composante alternative, de fréquence et d'amplitude à déterminer.

P.S. : connais-tu le temps de réponse de ton élément piézo ?

[invitedee7f084]

j'ai peut être oublié de préciser, que lorsque j'augmente la tension aux bornes de l'élément piézoélectrique, celui ci diminue en taille.
Du coup la déformation de la lamelle due a la force exercée par l'aimant est en fait plausible.

Au niveau des frottements, le chariot du Michelson que j'utilise coulisse quand même sacrement bien, le coeficient de frottement est vraiment très faible, le problème serait plus du a quelque chose comme à une inertie de mise en mouvement du chariot, qui est plutôt énorme par rapport à l'élément piézoélectrique.
Ton hypothèse de frottements me parait donc assez improbable.

par contre dans le cas ou l'aimant ne puisse pas déformer la lamelle plastique, j'ai peut être une autre explication:

sachant que mon élément piézoélectrique se déforme en se rétractant, il devient plus petit.
Lorsque je pose l'élément piézoélectrique sur la lamelle, elle s'aplatit de quelques micromètres (normal, vu que la force de rappel de l'aimant fait que le chariot appui sur la lamelle)
Maintenant si l'élément piézoélectrique se rétracte, le chariot va se rapprocher de l'aimant qui l'attire, mais pendant ce mouvement, la force qui comprime la lamelle plastique est plus faible que lorsque l'ensemble est a l'équilibre.
Peut elle alors commencer a reprendre sa forme d'origine, c'est a dire qu'au lieu que ce soit entièrement le chariot qui recule, se soit en parti le chariot et en parti la lamelle qui s'épaissit pour tendre a retrouver son épaisseur normale?

Cela revient a demander s'il est possible que la lamelle ait plusieurs épaisseurs possible pour des positions d'équilibres différentes ou la même force est appliquée sur la lamelle a chaque position.

Je suis pas sur d'avoir été très clair, mais j'ai fait du mieux possible

Pour le temps de réponse du piézoélectrique, celui ci est très rapide.
J'ai, pour m'en assurer, essayé de le mesurer, mais en fait, le temps de réponse de mes instruments de mesures (photodiode, mais aussi camera CCD) de me permet pas de conclure. Je n'arrive pas a le mesurer car celui ci est trop petit.

merci

[phuphus]

Bonsoir,

j'ai peut être oublié de préciser, que lorsque j'augmente la tension aux bornes de l'élément piézoélectrique, celui ci diminue en taille.
Du coup la déformation de la lamelle due a la force exercée par l'aimant est en fait plausible.

Lorsque je pose l'élément piézoélectrique sur la lamelle, elle s'aplatit de quelques micromètres (normal, vu que la force de rappel de l'aimant fait que le chariot appui sur la lamelle)

Un schéma ou une photo seraient vraiment les bienvenus, parce que là je n'arrive pas du tout à voir le truc. La lamelle est située entre l'élément piézo et le chariot ? Dans ce cas, comment peux-tu poser l'élément sur la lamelle ? Le tout est à la verticale ??

Au niveau des frottements, le chariot du Michelson que j'utilise coulisse quand même sacrement bien, le coeficient de frottement est vraiment très faible, le problème serait plus du a quelque chose comme à une inertie de mise en mouvement du chariot, qui est plutôt énorme par rapport à l'élément piézoélectrique.
Ton hypothèse de frottements me parait donc assez improbable.

Il est difficile de se faire une idée précise de l'influence des frottements juste par un jugement subjectif de la bonne glisse du chariot. Si vraiment tu veux avoir la réponse, tu peux suivre la manip indiquée plus haut : courbe déplacement = f(tension), et tu vois la tête de la courbe.

Cela revient a demander s'il est possible que la lamelle ait plusieurs épaisseurs possible pour des positions d'équilibres différentes ou la même force est appliquée sur la lamelle a chaque position.

Oui, c'est possible, cela s'appelle du fluage. Tu peux le vérifier par une mesure dynamique : évolution de la position du chariot en fonction du temps à partir du moment où tu appliques la tension sur l'élément piézo. Le fluage allant de paire avec une hystérésis, ton problème est peut-être aussi lié à un décalage de la position de repos de tout l'ensemble.

En attendant un schéma ou une photo pour mieux comprendre.

[invitedee7f084]

voila, la c'est vu de dessus. En gros le piezo tient tout seul par la force que le chariot exerce par le fait qu'il soit attiré par l'aimant vars le bati.

Ce qui me semble aussi bizarre dans le fait que ce serrait du aux frottements, est que dans les 2 cas, j'ai fait les mesures dans les 2 sens. C'est a dire en augmentant la tension de 0 à 60 V (le piezo se rétracte) et en diminuant la tension de 60 à 0V (le piezo s'allonge).
J’obtiens bien des courbes qui rendent compte de l’hystérésis. Et les mesures faites avec la lamelle ou sans donnent les mêmes courbes à un facteur proportionnel près.

J'ai vérifié, les 2 courbes (avec et sans lamelle) passent toute deux par l'origine, la précision de mes mesures et de l'analyse de celles ci ne me permet pas de conclure quand a cette force de frottement que le piezo devrait vaincre.

Pour que tu sache comment j'ai fait mes mesures,
j'ai fait les mesures en augmentant la tension a chaque fois de 1 volt, puis j'ai attendu quelques secondes à chaque fois qu'il n'y ai pas de mesures et que le signal mesuré se stabilise (la réponse du piezo est instantanée, mais le logiciel qui mesure l'intensité lumineuse fait une moyenne sur 10 mesures, ce qui crée un temps de réponse de l'ordre de la seconde) puis j'ai enregistré la valeur de l'intensité lumineuse au centre de l’écran.
J'obtiens donc une courbe résultat sinusoïdale (due au passages successifs des maximas et minimas de lumière)
puis sachant qu'entre chaque passage de maxima a minima ou inversement, il y a eu un déplacement de lambda/4, je note la tension pour laquelle j'ai les maxima et les minima, ce qui me permet finalement de tracer la courbe déplacement = f(tension).

Tout fonctionne "normalement" sauf le fait que mes courbes mesurées lorsqu'il y avait la lamelle de plastique montrent un déplacement maximal (pour 60V) 20% inférieur a celui obtenu sans la lamelle...

[phuphus]

Bonsoir munsterkiler,

merci pour le schéma !

OK pour les courbes qui passent toutes deux par l'origine : on peut en effet exclure les frottements.

Pour qu'il y ait une différence significative de force exercée par l'aimant avec 4 µm de déplacement, il faut que l'aimant soit à quelques µm du chariot. Dans ce cas, la lamelle serait plus comprimée lorsque l'élément piézo se rétracte, et tu devrais avoir une augmentation du déplacement.

Ici, le déplacement diminue, c'est comme si en fonctionnement la lamelle éloignait un peu le chariot du bâti. Est-ce que ton élément piézo chauffe au cours de la manip ? Si oui, la dilatation de la lamelle peut expliquer ce que tu observes.

[invitedee7f084]

Bonjour,

j’aurai tendance a exclure tout les effets de ce genre (dilatation a cause de la chaleur) car, j'ai fait les mesures a différent moments, le piezo ayant servi plus ou moins longtemps avant chaque séries de mesures, et les courbes du déplacement en fonction de la tension appliquée montrent vraiment que avec ou sans la lamelle ne change qu'un facteur de proportionnalité pour le déplacement.

La cause doit être quelque chose de linéaire par rapport au déplacement exercé par le piezo et indépendante du temps (ou alors elle atteint le regime permanent en moins d'une seconde a chaque fois que je modifie la tension et donc le déplacement).

[phuphus]

Bonsoir munsterkiler,

du coup, je sèche. Si tes tests étaient faits en dynamique (régime sinusoïdal), je comprendrais qu'intercaler un élément "souple" puisse changer le débattement du chariot (au fait, quelle est la raideur de ta lamelle en traction / compression ? Même un plasticus vulgaris ne s'écraserait pas de 2 µm sous la force exercée par l'aimant sur le chariot). Mais ici, tout est statique, tu as juste un déplacement, et apparemment les frottements sont négligeables.

Donc à part un effet thermique (dilatation de la lamelle et / ou isolation thermique du piézo du chariot) ou un effet électrique (isolation électrique entre le chariot et le piézo), je ne vois pas. Je n'en dis pas plus sur un éventuel effet électrique, je ne suis pas spécialiste des piézo.

En espérant qu'un autre intervenant sera plus clairvoyant que moi.

[invitedee7f084]

bonjour,

quelqu'un a t'il une idée?

merci

[invite6dffde4c]

Bonjour.
Il glisse sur quoi, le chariot ?
Les roues avec des roulements à billes sur des rails ?

Mon "pif" a du mal à admettre que si on pousse le dos du charriot de 1 ou 2 µm, tout ce beau monde va se mettre en mouvement. Mon "pif" me dit que tout le monde va se déformer avant de vaincre les forces de friction, aussi petites soient-elles.
Je pense que quand on utilise des éléments piézoélectriques dans des Michelsons, le miroir est directement tenu par l'élément piézo (et lui même tenu par une bobine de HP) et le tout sur un chariot.
Mais, enfin, ce n'est que mon "pif".
Au revoir.

[phuphus]

Bonjour LPFR,

Mon "pif" me dit que tout le monde va se déformer avant de vaincre les forces de friction, aussi petites soient-elles.

C'était ma première hypothèse (voir intervention n°3), que j'ai traduite par :

En présence de la lamelle, si vraiment ce sont les frottements du chariot qui interviennent, ta courbe passe par un point de coordonnées (Xmin,0), Xmin étant le déplacement minimum imposé par l'élément piézo pour faire avancer le chariot.

A ce déplacement minimum Xmin, la compression de la lamelle contrebalance exactement les frottements.

Ceci a été invalidé par les mesures de munsterkiler, puisque la courbe déplacement = f(tension) passe par l'origine dans tous les cas.

Peut-être me suis-je fourvoyé et que je pense, de manière erronée, qu'avec frottements la droite ne passe pas par l'origine. Votre concours est le bienvenu sur ce problème.