Brevet FR2053051A1 — publié le 19710416

-1- 2053052 la présente invention concerne la mesure de l'épaisseur. Un certain nombre de matériaux, en particulier les métaux, sont capables de transmettre des ondes élastiques qui sont réfléchies par les surfaces des matériaux. Une technique permettant de 5 déterminer l'épaisseur de tels matériaux consiste à mesurer le temps qu'il faut à une courte impulsion d'énergie ultrasonore pour traverser l'épaisseur du matériau et pour revenir après réflexion à partir de la surface éloignée du matériau. La durée est proportionnelle à l'épaisseur. 10 la présente invention concerne un appareil destiné à mesurer l'épaisseur d'un échantillon capable de transmettre des ondes élastiques, appareil qui compbrte. une source de signaux élastiques, de préférence ultrasonores, sousforme d'impulsions, un détecteur des signaux élastiques, un dispositif de couplage pour coupler la source 15 et le détecteur à un échantillon, dispdsitif de couplage qui est conçu et agencé de façon que le retard entre l'émission d'un signal d'impulsions et la réception par le détecteur du premier écho réfléchi par la surface de l'échantillon soit supérieur.au temps s'écoulant entre la réception par le détecteur des échos successifs pro-20 duits par les réflexions successives suivant un mouvement de va-et-vient entre les surfaces de l'échantillon» De préférence, la source et le détecteur sont constitués par un seul transducteur électrique à ultrasons coopérant avec un appareil électrique destiné,respectivement,à engendrer des signaux 25 électriques et les appliquer au transducteur et--à recevoir les signaux électriques détectés par le transducteur. De préférence, le dispositif de couplage est tel que le temps s'écoulant-entre l'émission d'une impulsion et la réception du premier écho par le détecteur est au moins cinq fois plus long que le temps s'écoulant 30 entre les échos successifs provenant de l'intérieur de l'échantillon. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le dispositif de couplage a une impédance à l'égard des signaux ultrasonores qui est inférieure au dixième de l'impédance du matériau 35 de l'échantillon. L'appareil convient tout particulièrement pour mesurer l'épaisseur des métaux et, dans ee cas, il est préférable que le dispositif 26722 -2- 2053051 •le couplage comprenne un bloc de polystyrène interposé enti-e la souree et l'échantillon métallique. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention ressor-tiront de la description qui va suivre,faite en regard des dessins 5 annexés et donnant à titre explicatif, mais nullement limitatif, une forme de réalisation de l'invention. Sur ces dessins : la figure 1 est une vue schématique de l'appareil ; la figure 2 montre les signaux de tension de sortie provenant 10 du récepteur couplé au détecteur ; - la figure 3 représente un agrandissement d-'une partie de la figure 2 ; la figure 4 est une vue déployée tirée de la figure 1, montrant un schéma synoptique complet de l'appareil électrique. ; 15 les figures 5A à 51 représentent des formes d'ondes"de signaux électriques montrant les formes d'ondes aux points A à I, respectivement, de la figure 4 ; *• " - la figure 6 est un schéma de montage électrique d'une partie de l'appareil ; 20 la figure 7 montre la caractéristique courant-tension d'une ' diode tunnel, et la figure 8 est un schéma de montage électrique d'une autre partie de l'appareil. Dans cet exemple, l'appareil est destiné à mesurer un métal, 25 en particulier l'acier, ayant une épaisseur comprise entre 0,â5 >■•*' et 1 cm. l'appareil comprend un transducteur électrique à ultrasons 11 qui est couplé à une surface d'un échantillon métallique 12 par un bloc de couplage 13 en polystyrène. 30 le transducteur à ultrasons 11 constitue à la fois un émet teur d'impulsions de signaux ultrasonores et un récepteur d'impulsions réfléchies par l'échantillon métallique, le transducteur 11 est relié à un générateur 14 d'impulsions électriques à la fréquence ultrasonique voulue et est également relié à un amplificateur-récep-35 teur électrique 15,destiné à produire un signal de sortie électrique indiquant les impulsions ultrasonores reçues par le transducteur 11. 70 26722 -3- 2053051 Dans cet exemple, le métal est de l'acier et le polystyrène a une impédance acoustique qui est inférieure au dixième de celle de l'acier. En se référant à la figure 2, le numéro de référence 16 5 désigne la sortie du récepteur 15 au moment de la génération d'une impulsion. Le numéro de référence 17 désigne le signal de sortie du récepteur 15 tiré de l'écho provenant de la première surface du métal. Le numéro de référence 18 désigne l'écho provenant de la seconde surface du métal. Les numéros de référence 19» 21, etc. dési-10 gnent les échos successifs provenant de la seconde surface du métal après que le signal a parcouru la largeur de l'échantillon quatre fois, six fois, etc., respectivement. Le numéro de référence 26 désigne le second écho provenant de la surface frontale du métal et qui est tiré du signal qui a parcouru quatre fois le bloc de 15 polystyrène 13. La longueur du bloc de polystyrène est choisie de façon que le temps s*écoulant entre l'émission de l'impulsion 16 et le premier écho 17 soit au moins cinq fois supérieur au temps s'écoulant entre les échos successifs 17, 18, 19. 20 Dans cet exemple, la mesure du temps pour obtenir une indi cation de l'épaisseur du métal est effectuée en mesurant le temps s'écoulant entre les échos désignés par 18 et 21 sur la figure 2. Si on le désire, la mesure peut être effectuée en commençant par le premier écho 17» mais on a constaté que le résultat est plus 25 satisfaisant si l'on commence par le deuxième écho 18. . En outre, une mesure effectuée sur plusieurs échos successifs donne une plus grande précision, la limitation étant imposée par le fait d'assurer une amplitude convenable du signal à partir des derniers échos. 30 Le gain du récepteur 15 est réglé de façon que l'amplitude des échos mesurée soit maintenue constante pour améliorer la précision du chronométrage. Le chronométrage électronique de chaque écho est effectué par une détection du passage par zéro au premier passage par la 35 tension nulle après la première demi-période principale de la forme d'onde de tension. Cela est représenté par la figure 3» sur laquelle la mesure du temps est effectuée entre les points T1 et T2. 70 26722 -4- 2053051 La figure 4 représente l'appareil plus en détail. Sur la figure 4» un transducteur électrique à ultrasons 11 est représenté comme étant couplé à une surface d'un échantillon métallique 12 par un bloc de couplage 13 en polystyrène. Cette dis-5 position, avec le générateur 14 d'impulsions électriques, correspond à celle de la figure 1. Les impulsions ultrasonores sont engendrées en déchargeant rapidement un condensateur qui a été chargé à 400 volts, par l'intermédiaire d'un redresseur au silicium, en excitant ainsi par choc un cristal dont la fréquence propre est de 10 10 MHz. Les signaux résultants sont amplifiés par un amplificateur 31 à bande passante de 10 MHz,pour donner une forme d'onde A ,(figure 5A), ces signaux passant dans un amplificateur à gain variable 32 et étant appliqués- à un redresseur de crête 33. Ce dernier est bloqué pendant l'émission des impulsions, de sorte que le premier si- 15 gnal qu'il' reçoit est l'écho provenant de l'interface entre l'échan- d1 un tillon 12 et le bloc de polystyrene 13, qui dépassé le niveau/discriminateur 34 de niveau élevé et conditionne le montage pour le préparer en vue du premier écho provenant de la surface arrière de l'échantillon 12. Après le redressement de crête, ce premier écho 20 provenant de la surface arrière est transmis à la fois au discriminateur 34 de niveau élevé et à un discriminateur 35 de faible niveau. / Si le signal se trouve entre les niveaux de discrimination faible et élevé, le gain global du système est accru ; si le niveau élevé est également dépassé, le gain diminue. Ce réglage du gain 25 est effectué par un amplificateur 36 à réglage automatique du gain sous la commande d'un circuit logique 37,destiné à détecter l'état des discriminateurs 34 et 35 à niveau élevé et à faible niveau. Un réglage automatique du gain est également effectué par le signal de sortie d'un convertisseur 38 de données numériques en données 30 analogiques,d'une façon qui sera décrite ci-après. L'appareil mesure efficacement la "durée de parcours" de l'impulsion ultrasonore à travers l'échantillon,en mesurant le temps s'écoulant entre les échos successifs provenant de la surfane arrière de l'échantillon. 35 Un détecteur 39 de passage par zéro détermine unçfcéférence de temps à l'apparition de chaque écho. La figure 6 représente un schéma du détecteur 39 de passage par zéro utilisant une diode 70 26722 -5- 2053051 tuumel 41. Cette/dernière est polarisée dans le sens direct par on courant provenant d'un transistor T3, de sorte qu'elle fonctionne au point "A" de sa courbe caractéristique (figure 7)» Une excursion négative suffisamment importante du signal d'entrée 5 réduit le courant direct passant pas5 la diode tunnel 41 jusqu'à ce qu'il atteigne le point B, ce qui fait entrer la diode tunnel 41 dans sa région de résistance négative» en passant jusqu'au point Cs où le transistor T1 devient conducteur aux dépens, du transistor T2. lorsque le signal d'entrée commence à devenir positif» le courant 10 direct passant par la diode tunnel 41 augmente- et si le courant de polarisation fourni par le transistor T3 est correctement choisi, la diode tunnel 41 peut atteindre le point "D" de sa courbe caractéristique, auquel le signal d'entrée passe par la tension zéro. A ce moment, la diode tunnel 41 revient au point "A" de cette courbe 15 caractéristique, ce qui fait passer le'courant du transistor T1 au transistor T2, le bord positif engendré au collecteur/transistor 11 étant utilisé comme référence de temps, la première impulsion provenant du détecteur 39 de passage par zéro après le premier écho provenant de l'échantillon,est utilisée pour faire-basculer un cir-20 cuit bistable 42. Oe dernier est rebasculé par une impulsion- de passage par zéro après un nombre prédéterminé de passages par zéro. Comme on le voit sur la figure le fonctionnement effectif du circuit bistable 42 après le nombre voulu de passages par zéro est assuré grâce à un second circuit bistable 43. Ainsi, le 25 second circuit bistable 43 est basculé par un signal provenant du circuit logique 37, lors de la réception du premier écho à partir de la surface arrière de l'échantillon, le signal de sortie du circuit bistable basculé 43 est combiné par une porte ET 44 avec le signal de sortie du détecteur 39 de passage par zéro pour donner un 30 signal de basculement synchronisé net et précis pour le circuit bistable 42. le second circuit bistable 43 est rebasculé par un signal de sortie d'un compteur à présélection 45 et le signal de sortie résultant est combiné par une porte ET 46 avec le signal de sortie 35 du détecteur 39 de passage par zéro, pour donner un signal de rebasculement synchronisé net et précis pour le circuit bistable 42. 70 26722 -6- 2053051 Cn obtient une meilleure précision en mesurant la durée de parcours sur un certain nombre d'échos. le nombre d'échos utilisé dépend de la qualité du signal ultrasonore ; une mesure de deux échos est habituellement possible, mais dans des cas favorables,1a 5 mesure peut être effectuée sur quatre échos, le signal de sortie du compteur à présélection 45 utilisé pour compter le nombre des impulsions de passage par zéro est décodé par le convertisseur 38 pour donner.un signal de réglage automatique du gain (forme d'onde de la figure 51), pour porter au même niveau l'amplitude des échos 10 utilisés pour la mesure de passage par zéro. Bien que la référence de temps produite par le détecteur de passage par zéro à diode tunnel ne dépende pas de l'amplitude du signal d'entrée, en stabilisant l'amplitude du signal d'entrée, le seuil des détecteurs de passage par zéro'"peut être amené à un niveau plus élevé, en 15 garantissant l'élimination de tout signal parasite sur la ligne de base, qui pourrait donner lieu à des impulsions parasites de passage par zéro. l'information du temps de parcours produite par le.détecteur de passage par zéro n'a qu'une durée de quelques microsecondes, et 20 pour la mst't're sous forme numérique,il faudrait une fréquence d'horloge de centaines de Mis pour que l'erreur quantitative soit équivalente par esempls à 0,0003 cm. la durée de parcours sur deux échos pour un acier douz d'une épaisseur de 0,3000 cm est, par exemple,d'environ 1,7 microseconde. Une fréquence d'horloge de 25 600 MHz serait nécessaire pour une résolution de 0,0003 cm dans le chiffre de plus petit poids. Pour que la fréquence d'horloge devienne plus raisonnable (10 MHz), l'impulsion de durée de parcours provenant du détecteur de passage par zéro est multipliée dans un circuit analogique 47 d'expansion de la base de temps représenté 50 sur la figure 8. l'impulsion de durée de parcours est utilisée pour communiquer un courant déterminé par le transistor T7 du transistor T6 au transistor T5. Un condensateur C. est déchargé négativement jusqu'à la fin de l'impulsion de durée de parcours, le degré de décharge étant proportionnel à la durée de parcours, le condensa-35 teur C est rechargé par un courant constant déterminé par le transistor T4 (forme d'onde, figure 5H) et lorsque la tension aux bornes du condensateur revient à son niveau initial, un discriminateur 48, 70 26722 -7- 2053051 dont le signal de sortie (forme d'onde, figure 51) commuté du niveau élevé au faible niveau au début de l'impulsion de temps de parcours, est ramené au niveau élevé. Le rapport entre la durée de décharge et la durée de recharge du condensateur C correspond au 5 rapport entre le courant de décharge et le courant de charge. En soustrayant la durée de parcours du signal de sortie du discriminateur, on obtient une impulsion de durée égale à la durée de recharge et cette impulsion est égale à la durée de parcours multipliée par le rapport entre le courant de décharge et le courant de 10 recharge. Pour mesurer l'épaisseur d'un acier doux sur deux échos en utilisant une fréquence d'horloge de 10 MHz, un élargissement de soixante fois est nécessaire pour une résolution.de 0,0003 cm. Le calibrage de l'instrument peut être effectué en modifiant le rapport d'expansion pour tenir.- compte des différences de 15 vitesse de propagation des ultrasons d'un matériau à l'autre. Une épaisseur comprise entre 0,2000 et 2,0000 cm peut être mesurée à une. précision de 0r0003 cm. La limite inférieure est déterminée par la largeur de l'écho ultrasonore obtenu en utilisant un cristal dont la fréquence propre est de 10 MHz et la limite 20 supérieure est déterminée par la gamme dynamique d'expansion de la base de temps.. La limite supérieure n'est pas fondamentale et peut être facilement modifiée, la limite définitive étant déterminée par la réduction du retard acoustique, étant donné que ce retard doit être suffisamment long pour contenir au moins trois réflexions 25 (pour le cas où la durée de parcours est mesurée entre des échos adjacents) à l'intérieur de 1'échantillon,avant l'apparition du second écho de l'interface. La limite inférieure peut être modifiée en utilisant un cristal présentant une fréquence supérieure. Un signal de sortie numérique est obtenu en 49 (figure 4) 30 en déclenchant une horloge 51,dont la fréquence propre est de 10 MHz, avec le signal de sortie du circuit d'expansion de la base de temps. Le signal de sortie numérique convient pour un affichage numérique direct ou peut être appliqué à un dispositif de traitement'de données numériques. Il n'est pas facile à un opérateur humain d'interpréter 35 les données, en particulier si elles changent rapidement au fur et à meaure de l'exploration de la pièce. Pour surmonter cette difficulté, on peut avoir recours à un affichage numérique-analogique 70 26722 -8- 2053051 combiné,en utilisant un indicateur d'échelle préréglé et un compteur-indicateur de zéro. L'indicateur d'échelle préréglé est utilisé pour déterminer un intervalle de temps, en comptant des impulsions d'horloge jusqu'à un nombre prédéterminé. Le nombre 5 des impulsions est défi ni par un commutateur à molettes à quatre décades. L'intervalle de temps engendré par l'indicateur d'échelle est comparé avec le signal de sortie du circuit d'expansion de la base de temps dans un circuit OTJ-exclusif. Le signal de sortie du circuit OTJ-exclusif correspond à la somme algébrique des 10 deux formes d'ondes et commande un indicateur à zéro central par l'intermédiaire d'un intégrateur. Lorsque les deux formes d'ondes sont de même longueur, le signal de sortie de l'intégrateur est égal à zéro, mais si elles diffèrent, l'indicateur est dévié à partir du point zéro dans le sens positif, si la forme d'onde du signal de 15 sortie du circuit d'expansion de la base de temps est plus longue que l'intervalle de temps de l'indicateur d'échelle préréglé, et inversement-. Axnsi, lorsque le compteur indique zéro, l'épaisseur est donnée par le nombre des impulsions d'horloge comptées par l'indicateur d'échelle préréglé, c'est-à-dire le nombre affiché sur 20 les commutateurs à molettes. L'écart du compteur peut être calibré pour afficher la variation d'épaisseur à partir d'une épaisseur moyenne, réglée sur l'indicateur d'échelle préréglé, au fur et à mesure de l'exploration de la pièce. En variante, le compteur peut être amorti par une constante de temps convenable,de manière à pou-25 voir mesurer l'épaisseur moyenne, lorsqu'une zone donnée de la pièce est explorée à plusieurs reprises. Cette forme d'affichage convient parfaitement pour une mesure en cours de processus, étant donné qu'il suffit que l'opérateur règle l'épaisseur voulue sur l'indicateur d'échelle préréglé et usine la pièce jusqu'à ce que le 30 compteur indique zéro. Comme avec tous les dispositifs de mesure à ultrasons, une bonne liaison de couplage entre la zone à ultrasons et la pièce est nécessaire,si l'on veut transmettre une quantité suffisante s-~ d'énergie ultrasonore dans ladite pièce. Etant donné que le calibre 35 d'épaisseur décrit ci-dessus nécessite un retard acoustique entre la sonde.à ultrasons et la pièce, on peut utiliser un agent de couplage fluide, ce qui réduit les difficultés d'exploration. Dans 70 26722 -9- 2053051 l'exemple ci-dessus, les variations de ce retard acoustique n'ont pas d'effet sur la mesure pendant l'exploration de la pièce. Il s'agit d'un aspect d'un avantage important de l'appareil, à savoir que l'impulsion transmise n'est pas utilisée comme référence pour 5 le minutage, ce qui permet d'éviter des imprécisions dues au transducteur et au couplage de ce dernier- avec la surface de l1échantillon. Heureusement, dans les cas où une mesure en cours de processus est effectuée pendant l'usinage de l'échantillon, il y a habituellement une quantité suffisante de fluide de coupe qui s'écoule 10 autour de la pièce et qui peut être utilisé comme agent de couplage entre la sonde et la pièce à usiner, le réglage automatique du gain réduit au minimum les variations de l'intensité des signaux dues aux changements de l'efficacité du couplage pendant l'exploration de la pièce à usiner et la forme d'onde de réglage 15 automatique du gain peut être détectée et .une indication peut être donnée chaque fois que le signal à ultrasons se trouve dans des limites acceptables pour un fonctionnement satisfaisant. la présence d'une ample quantité de fluide de coupe susceptible de constituer un agent de couplage est avantageuseD mais elle 20 peut être également gênante si elle eiitre en contact avec la.face de l'échantillon qui est éloignée de la sonde à ultrasons« là présence, de l'agent de couplage sur cette face arrière peut affecter l'écho renvoyé, ce qui se traduit par de fausses données du temps . de parcours. Pour surmonter cette difficultés il suffit de diriger 25 un jet d'air sur la face arrière pour enlever tout fluide de coupe qui essaie de s'y accumuler. Naturellement, l'invention n'est pas limitée à la forme de réalisation décrite et représentée et est susceptible de recevoir diverses variantes entrant dans le cadre et l'esprit de l'invention» 70.26722 -10- 2053051 - LEGENDE DES DESSIES - figure Repère 2,3 a Tension de sortie du récepteur 2,3 "b Mesure du temps 5A c Impulsion émise 5A d Echo de l'interface 5A e Echos provenant de l'échantillon 5A f Signal ultrasonore amplifié 5B g Forme d'onde du signal du redresseur de crête 5B i Niveau élevé de référence du signal 5B j Niveau faible de référence du signal 5C ■ k Début - 5D 1 Forme d'onde du signal de l'amplificateur à réglage automatique du gain 5E m Forme d'onde du signal ultrasonore après reglage automatique du gain 5F n Signal de sortie du détecteur de passage par zéro 5G . o Temps de parcours de "n" échos 5H p Signal de sortie du circuit d'expansion de la base de temps 51,8 q Temps de parcours après expansion de la base de temps 6 r Signal ds entrée 8 s Signal d'entrée du temps de parcours 70 26722 -11- 2053051 - REVEMICATIOHS - 1. Appareil de mesure de 1'épaisseur d'un échantillon capable de transmettre des ondes élastiques, appareil caractérisé en ce qu'il comporte une source de signaux élastiques sous forme d'im- 5 pulsions, un détecteur des signaux élastiques, un dispositif de couplage pour coupler la source et le détecteur à un échantillon, un dispositif de couplage qui est conçu et agencé de manière que le temps qui s'écoule entre l'émission d'une impulsion et la réception par le détecteur du premier écho réfléchi par la surface de l'échan- 10 tillon soit plus long qu^Le temps s'écoulant entre la réflexion par le détecteur des échos successifs produits par les réflexions successives suivant un mouvement de va-et-vient entre les surfaces de l'échantillon. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 la source comprend une source de signaux ultrasonores. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que la source et le détecteur sont constitués par un seul transducteur électrique à ultrasons,coopérant avec un appareil électrique destiné respectivement à engendrer des signaux électriques et les ap- 20 pliquer au transducteur et à recevoir des signaux électriques détectés par ce dernier. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de couplage est tel que le temps qui s'écoule entre l'émission d'une impulsion et la ré- 25 ception du premier écho par le détecteur est au moins cinq fois plus long que le temps s'écoulant entre les échos successifs provenant de l'intérieur de l'échantillon. 5. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de couplage a une impé- 30 dance à l'égard des signaux élastiques qui est inférieure au dixième de l'impédance du matériau de l'échantillon. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif de couplage est constitué par un bloc de polystyrène interposé entre la source et 35 l'échantillon. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce *que le signal de sortie du détecteur 70 26722 -12- 2053051 est appliqué à un dispositif destiné à mesurer le temps s'écoulant entre les échos successifs provenant de la surface arrière de l'échantillon. 8. Appareil selon le revendication 7> caractérisé en ce que 5 le dispositif destiné à mesurer le temps s'écoulant entre les échos successifs■comporte un détecteur de passage par zéro pour déterminer une référence de temps à l'apparition de chaque écho. 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les signaux de sortie du détecteur de passage par zéro sont comptés 10 par un compteur à présélection et en ce qu'un circuit bistable est relié pour être basculé lors de la détection du premier écho et pour être rebasculé lors de la détection du nie écho, pour déterminer le réglage du compteur à présélection de façon que la durée du signal de sortie du circuit bistable soit proportionnelle au temps 15 de parcours de "n" ébhos. 10. Appareil selon la revendication 9» caractérisé en ce que le signal de sortie du circuit bistable est transmis à un circuit d'expansion de la base de temps et est mesuré en comptant les signaux émis par un générateur d'impulsions d'horloge pendant la 20 durée du signal de sortie dont la base de temps a été élargie.