Brevet FR2083646A1 — publié le 19711217

L'invention concerne un dispositif pour mesurer la vitesse d'une matière animée d'un mouvement essentiellement continu et ayant une certaine proportion diffuse de son pouvoir de réflexion superficiel, un laser qui émet un faisceau divergent, continu et cohérent étant dirigé sur la surface de la matière soumise à la mesure et les spots lumineux du laser réfléchis par celle-ci étant captés par un détecteur précédé d'une grille et étant évalués d'après leur fréquence de formation d'image. Des dispositifs connus de ce genreont trouvé en particulier une application dans le domaine de la navigation. Le faisceau lumineux, issu en règle générale d'un laser à gaz à l'hélium-néon, est réfléchi par la surface sous la forme de ce que l'on appelle lobes de-ra- yonnement qui produisent sur un détecteur des spots lumineux distribués statistiquément. On parle aussi à cet égard de la granulation de la lumière réfléchie du laser. Les spots lumineux se forment et s'éteignent à une fréquence qui est évaluable en tant que mesure statistique de la vitesse relative entre le laser et la surface à mesurer.Par l'utilisation d'une grille située par exemple devant une photocathode, on obtient au niveau de celle-ci un courant qui correspond à la brillance variable des spots, dont la fréquence est égale au quotient de la vitesse des spots sur la grille par la constante de la grille. La largeur de bande das fréquences du signal produit résulte du quotient de la vitesse superficielle de la matière par le diametre du faisceau laser qui frappe celle-ci. I1 existe donc, en ce qui concerne la largeur de bande des fréquences relative, C?55t à-dire le rapport de la largeur de bande des fréquences du signal à la fréquence fondamentale du courant sur la photocathode, une dépendance d'au moins les quatre grandeurs mentionnées au total Pour une évaluation fiable, on peut simplement utiliser les impulsions de fréquence qui ont un rapport signàl-bruit de fréquence suffisant. La satisfaction de cette exigence revet une importance particulière lorsqu'on doit mesurer des vitesses sur des objets qui, de par leur nature, ont - > endance dans une mesure particulière à la formation d'un niveau de bruit. En concevant l'invention, on s'est fixé pour but de réaliser un dispositif du type défini dans le préambule, de manière à augmenter le nombre des impulsions qui apportent une contribution positive à un signal correspondant à la vitesse effective de la matière à mesu rer. Avant tout, le dispositif doit de cette manière pouvoir être appliqué à la mesure de produits laminés et de matières similaires qui, d'une part, peuvent prendre des vitesses importantes jusqu'à 50 m/s environ ou davantage et qui, d'autre part, s-ubissent des différences en position au cours de leur mouvement, perpendiculairement à la direction de celui-ci et présentent, pour cette raison ou pour d'autres encore, un écart constamment variable par rapport à un point envisageable pour la mise en place d'un appareil de mesure. Selon une première proposition de l'invention, ce but est atteint par le fait que la grille est disposée à la même distance de la surface de la matière à mesurer que du point de divergence imaginaire du faisceau du laser et dans un plan à la rigueur légèrement incliné par rapport au plan normal à ce faisceau. Avec cette disposition, les influences qui résultent du rapport variable de la vitesse de la matière à mesurer à la vitesse du spot dans le plan de la grille sont complètement supprimées en ce qui concerne la largeur de bande de fréquences relative du signal. La largeur de bande relative dépend alors du rapport géometrique pur de la constante de grille à la double valeur de l'étendue de la zone frappée par le faisceau laser sur la surface de la matière.On peut ainsi éviter des corrections qu'il faudrait autrement apporter à la valeur mesurée en raison des différences en position mentionnées et quiXréduiraient le contenu d'information de cette valeur. I1 va de soi qu'on tiendra aussi compte de la sorte des conditions qui exis-tent dans le cas d'une matière dont la surface est courbe au niveau du point d'incidence du faisceau laser. Pour augmenter le nombre des impulsions qui fournissent une contribution positive à un signal correspondant à la vitesse effective, on fait également ao-rel à une forme d'exécution du genre défini dans le préambule, dans laquelle la grille a une division de valeur double du diamètre d'ira spot lumineux individuel. En soi, on visera certes en gén-ral à une largeur de bande aussi petite que possible, car lténergie du signal sg/condense alors sur une garde de fréquences très étrcite.Elle se distingue alors du spectre de perturbation environnant et peut être facilement reconnue, en particulier par un circuit de recherche automatique par exemple.Pour parvenir à des largeurs de bande relatives désirables, de l'ordre de quelques pourcents, on devrait donc irradier une zone aussi grande que possible sur la matière à mesurer et prévoir une division de grille très fine. A cet égard,la division de grille peut être définie comme la distance entre le début d'une fente de passage libre et le début de la suivante. Toutefois, la relation proposée ci-dessus en ce quMconcerne la division de la grille ou la constante de la grille représente une valeur optimale. te maintien de la relation mentionnée a pour effet qu'il est possible de mesurer, au niveau d'un spot individuel, autant d'énergie de rayonnement qu'il en faut pour produire un signal de réception perceptible dans un détecteur de lumière. Par contre, Si l'on réduisait à volonté la constante de grille et si l'on augmentait à volonté l'étendue de la zone illuminée par le faisceau laser sur la surface du matériel, on ne pourrait plus parzenlr à l'avantage mentionné. On parvient à un résultat particulièrement favorable, avec lequel on satisfait aux exigences en soi contradictoires, d'une part d'une faible dimension d'un spot individuel, souhaitable au profit d'une petite largeur de bande de fréquences relative, et d'autre part d'une plus grande dimension du spot individuel, souhaitable au profit d'un écart plus favorable entre le niveau du signal et le niveau de bruit, en intercalant à la suite du laser au moins une lentille cylindrique divergente. Au lieu de cela, on peut avantageusement disposer à la suite du laser un système de lentilles convergez; divergent formé d'au moins deux lentilles cylindriques.On parvient de la sorte à ce que le faisceau laser est formé en un trait mince dans la direction du mouvement sur la surface de. la matière à mesurer. tes spots lumineux qui seront reçus sont alors eux aussi des traits fins, mais qui s'étendent perpendiculairement au faisceau émis de sorte eue les lignes de la grille doivent être disposées-parallè- liement aux premiers traits. Par suite de leur grande etendue dans la direction du mouvement, les spots individuels ont une durée de vie relativement longue. Par suite du rapport réciproque de la largeur de bande du signal à la durée de vie de ceLi-ci, la largeur de bande du signal et, en meme temps, la largeur de bande relative sont notablement réduites. L'augmentation d'étendue des spots individuels sous forme de traits a pour conséquence une augmentation de l'éner- gie par spot individuel, de sorte que le rapport du niveau du signal au niveau de bruit est plus grand. Par cette seule disposition, le rapport mentionné peut être augmenté du quintuple. Cela s'accompagne d'une élévation notable du nombre des impulsions qui fournissent une contribution positive au signal. te rapport en question du niveau du signal au niveau de bruit peut encore être augmenté s'il est disposé, perpendiculairement à la direction des barres de grille, une fente dont la largeur corres pond à un petit multiple du diamètre moyen des spots individuels. On évite de cette manière que les trains d'onde à positions de phase différentes, produits par les spots lumineux individuels, puissent s'annuler mutuellement- dans une mesure excessive. tî énergie des spots lumineux mesurable effectivement à travers la fente est donc utilisée sans entrave. La longueur de la fente devra correspondre au moins au quintuple de l'étendue de la zone irradiée sur la surface de la matière à mesurer, afin que la longueur utile de la grille et, par suite, la durée de vie des spots lumineux ne soient pas abrégées, ce qui donnerait lieu à une augmentation de la largeur de bande. Enfin, le rapport du niveau du signal au niveau de bruit peut être encore augmenté Si l'on dispose, en arrière de la grille, un photomultiplicateur d'électrons dont le rendement quantique a une valeur aussi élevée que possible pour la longueur d'onde de la lu mière du laser. Cela repose sur le fait que le niveau du signal s'élè- ve proportionnellement au courant, tandis que le niveau de bruit n'augmente qu'avec la tachine carrée du courant. L'énergie minimale par spot lumineux individuel doit être suffisante pour donner un si gnal mesurable. Elle doit donc être au moins assez grande pour qu'en moyenne plus d'un électrons soit détaché de la cathode du photomultiplicateur.Comme il ressort d'un simple exemple de calcul, on n'obtient en moyenne que 0,04 électrons détachés en un temps de 2,10-6 s, avec un diamètre de 8 mm de la zone irradiée par la lumière du laser sur la surface de la matière à vérifier et en utilisant un simple photomultiplicateur d'électrons. En donnant au faisceau du laser la forme d'une ligne étroite et avec un photomultiplicateur d'élec- trons choisi de la man père proposée, le nombre des électrons deta- chés s'élève à 6,3 dans les mêmes conditions.Chaque spot Lumineux détache donc alors plusieurs électrons, c'est-à-dire qu'il se produit un signal de mesure utilisable. 'amplitude du eourrrt alterna- tif à l'anode du photomultiplicateur d'électrons 0'l?: environ pour un facteur d'amplification de 3.106 par exemple. Dans l'ensemble du dispositif, il est intercalé à la suite du photomultiplicateur d'électrons un modulateur auquel se raccorde un filtre que suit un oscillateur de recherche, lequel présente une sortie pour une mesure de fréquence et un couplage réactif au modu- lateur. Le système optique est complété par un filtre d'interférence à bande très étroite qui est réglé sur la longueur d'onde du laser et qui exclut dans une large mesure toute lumière étrangère indésirable. te photomultiplicateur d'électrons coopère avec un amplificateur qui délivre, à sa sortie à basse résistance, un signal suffisamment grand pour l'évaluation ultérieure. L'invention va être décrite plus en détail en référence aux dessins schématques qui concernent un exemple d'exécution. La figurevest un schéma en perspective de la partie optique du dispositif. La figure 2 est un schéma par blocs de la partie électrique du dispositif. La figure 3 représente une image de spots lumineux. Pour plus de clarté, la figure I est reproduite dans un système de trois cpordonnées X, Y et Z mutuellement perpendiculaires, la direction du faisceau de laser I correspondant à la coordonnée Y. On peut observer la surface 2 de la matière, dont on cherche à mesurir la vitesse dans la direction ae la flèche 3. te faisceau du laser 1 traverse un système de deux lentilles cylindriques convergez~ tes-divergentes 4 et5 et est projeté sur la surface 2 sous la forme du trait mince 6. Dans la direction du faisceau 1 du laser se trouve encore le point de divergence imaginaire 6' qui est à la même distance de la surface 2 que de la grille 7, laquelle est par ailleurs légèrement inclinée par rapport au plan normal du faisceau du laser 1. La surface 2 réfléchit les lobes de rayonnement 8 qui s'étendent perpendiculairement à la direction du trait 6 et qui frappent la grille 7. A la suite de la grille 7 est encore intercalé un filtre d'interférence à bande étroite, auquel se raccorde le détecteur de radiation. Sur le schéma de la figure 2, on a fait appel à des éléments par blocs, qui sont connus en soi et qui, pour cette raison, ne seront pas décrits en détail. A l'entrée, on peut observer le photo multiplicateur d'électrons 9, auquel se raccorde l'amplificateur 10 dont la sortie est appliquée au modulateur 11. A celui-ci se raccordent le filtre 12 et l'oscillateur de recherche 13 dont la sortie est appliquée au fréquencemètre 14 et est couplée rétroactivement au modulateur 11. A l'entrée du filtre 12 est prévu un passe-bas 15 qui est muni de sorties pour un filtre de 16 Miz et un filtre de 24 kHz, respectivement 16 et 17, chacun de ces filtres étant suivi par un redresseur, respectivement 18 et 19. tes sorties de ces redresseurs sont appliquées à une porte OU 20 dont la sortie est dirigée, par l'intermédiaire d'un comparateur 21, à l'intégrateur 22. L'intégrateur et par ailleurs connecté directement au redresseur 18 et, par l'intermédiaire d'un adplificateur inverseur, au redresseur 19.La sortie de l'intégrateur 22 est d'une part couplée rétroactivement par l'intermédiaire d'un dispositif 24 de remise en l'état initial de l'intégrateur et,' par un multivibrateur astable, elle est couplée rétroactivement au modulateur 11 et connectée d'autre part au fréquencemètre 14 dans lequel un formateur d'impulsions 26, une bascule mo-- nostable, un filtre passe-bas 28 et un indicateur de valeur mesurée 29 sont montés successivement. Pour des raisons de clarté, on a encore reproduit sur la figure 3 la représentation graphique qu'une photo des spots lumineux du laser qui ont été réfléchis par une matière laminée, irradiée avec un faisceau de laser. Dans un exemple pratique d'exécution, le dispositif décrit a été mis en oeuvre pour mesurer la vitesse du fil machine, en liaison avec le groupe finisseur d'un train à fils. Comme on a pu le constater, le rapport du niveau du signal au niveau de bruit suffit encore pour procéder à une évaluation électronique. te signal délivré par le photodétecteur suivi par un anPlplifi- cateur est composé d'un spectre de fréquences à bande étroite, avec une fréquence moyenne fl proportionnelle à la vitesse de la mati-- re, ainsi que d'un bruit à bande large qui doit être en particulier attribué au bruit du courant cathodique produit par la lumière incidente. te rapport signal-bruit dépend fortement des propriétés réfléchissantes de la surface de la matière. S'agissant du fil incandescent, il n'atteint que 2-4 environ, tandiiqutil s'élève à 20-40 dans le cas du métal blanc. L'obtention de la fréquence f1 re cherche s'effectue au moyen du circuit de recherche décrit.Outre l'entrée du signal de mesure en provenance de l'amplificateur, le modulateur reçoit de l'oscillateur de recherche commandé par la tension un train d'impulsions variable à la fréquence f2. A la sortie du modulateur, on obtient, entre autres, la différence f1 - 2, à la suppression de laquelle sert le filtre. t'oscillateur de recherche est commandé de sorte que sa fréquence f2 s'écarte toujours de la fréquence de mesure fl de la valeur de la fréquence moyenne du filtre. te train d'impulsions délivré par l'oscillateur de recher chies mesuré par le fréquencemètre qui indique la grandeur de f20 Dans l'exemple d'exécution, l'installation de mesure détecte, à chaque passage d'un fil dans une gamme de fréquences préalablement déterminée comprise entre 400 et 500 kHz, le signal délivré par le photodétecteur, d'après une fréquence évaluable qui est trouvée après l'arrivée du fil. La précision de mesure atteignable se situe entre 1 et 30/,8 environ. On peut encore élever le rapport du niveau du signal au niveau de bruit en utilisant simplement, selon ce qui est représenté schématiquement sur la figure 4, un seul écran exécuté de manière spéciale pour le tube du photomultiplicateur d'électrons. t'écran habituel, c'est-à-dire la plaque de verre porteuse 30, est muni d'une cathode en couche 12 déposée par évaporation sur sa face dirigée vers le tube 31. A la place de cette cathode en couche, on peut aussi utiliser une surface cathodique disposée obliquement ou dans une position courbe en arrière de la plaque de verre 30.Sur sa face opposée, la plaque de verre 30 présente des couches d'interférence 33 déposées directement par évaporation, qui sont enfermées vers l'extérieur par une plaque de verre 74 déposée par évaporation. la plaque de verre 74 reçoit en outre les barres de grille 35 sur sa. face externe. Enfin, un verre mince de protection au quartz 96 peut être encore déposé par évaporation à ilrc de revêtement extérieur. Avec cette forme d1 exécution, on évite la présence de plusieurs plaques de verre, autrement nècessare ce qui élimine en même tempe les pertes dues à leur absorption et leur réflexion. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour mesurer la vitesse d'une matière animée d1un mouvement essentiellement continu et ayant une certaine proportion diffuse de son pouvoir de réflexion superficiel, un laser qui émet un faisceau divergent, continu et cohérent étant dirigé sur la surface de la matière à mesurer et les spots lumineux du laser réfléchis par celle-ci étanicaptés par un détecteur précédé d'une grille et étant évalués d'après leur fréquence de formation d'image, caractérisé par le fait que la grille 7 est disposée à la même distance de la surface 2 de la matière à mesurer que du point de divergence imaginaire 6' du faisceau du laser et dans un plan légèrement incliné tout au plus par rapport au plan normal de ce faisceau. 2.- Dispositif pour mesurer la vitesse d'une matière animée d'un mouvement essentiellement continu et ayant une certaine proportion diffuse de son pouvoir de réflexion superficiel, un laser qui émet un faisceau divergent, continu et cohérent étant dirigé sur la surface de la matière à mesurer et les spots lumineux-du laser réfléchis par celle-ci étant captés par un détecteur précédé d'une grille et étant évalués d'après leur fréquence de formation d'image, caractérisé par le fait que la grille a une division qui correspond au double du diamètre d'un unique spot lumineux. 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'au moins une lentille cylindrique divergente est montée à la suite du laser. 4.- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait qu'il est monté, à la suite du laser, un système de lentilles divergent-convergent, composé d'au moins deux lentilles cylindriques 4,5. 5.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 , caractérisé par le fait qu'il est disposé, perpendiculairement à la direction des barres de grille, une fente dont la largeur correspond à un petit multiple de l'étendue du spot lumineux individuel et dont la longueur est un multiple, au moins égal à cinq, de l'étendue de la zone irradiée de la surface, 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'il est monté, derrière la grille 7, un photomultiplicateur d'électrons 9 dont le rendement quantique a une valeur aussi élevée que possible pour la longueur d'onde de la lumière du laser. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le photomultiplicateur d'électrons est précédé par un filtre d'interférence à bande étroite, perméablé à la longueur d'onde de la lumière du laser. 8.- Dispositif selon les revendications 6 et 7, caractérisé par le fait qu'il estIntercalé, -à la suite du photomultiplicateur d'électrons 9, un amplificateur 10 et à la suite de celui-ci un modulateur 11 auquel se raccorde un filtre 12 que suit un oscillateur de recherche 13 qui présente une sortie pour un fréquencemètre et un couplage de réaction au modulateur 11. 9.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est utilisé, à titre de recep- teur, un photomultiplicateur d'électrons dont l'écran du côté avant est exécuté sous forme de plaque-porteuse 30 de couches d'interférence 33 sur lesquelles est déposée par évaporation, de façon connue en soi, une couche de protection 34 dans ou sur laquelle sont disposées les barres de grille 35.