Brevet FR2177476A1 — publié le 19731109

L'invention est relative aux vélocimetres interférentiels. On rappelle que lton dénomme ainsi des appareils ou dispositifs pour mesurer la vitesse d'éléments de surfaces ou d'éléments de yeines fluides transportant des particules diffusantes. Ils comportent une source lumineuse, avantageusement un laser, un dispositif diviseur de flux séparant le faisceau lumineux en deux composantes, des moyens pour faire interférer lesdites composantes sur ou dans l'élément de surface ou de veine dont on désire mesurer la vitesse et des moyens pour analyser la fréquence de modulation de la lumière diffusée les micro-accidents de surface de l'élément de paroi ou les particules transportées par l'élément de surface ou de veine pendant leur passage dans la zone d'interférence. Ils ne permettent en principe que la mesure d'une seule composante de vitesse, à savoir celle située dans le plan d'interférence. Pour mesurer deux composantes, afin de connaître l'orientation et l'amplitude de la projection du vecteur vitesse dans un plan, on a prévu, dans l'art antérieur - soit d'utiliser deux appareils ce qui permet la mesure simultanée des deux composantes moyennant un coût d'appareillage plus élevé, une augmentation de l'encombrement et u9e grande difficulté de réglage. - soit de faire varier l'orientation du plan d'interférence en cours de mesure. La demande de brevet déposée le 3 mars 1972 sous le numéro 73*v744 décrit un vélocimètre interférentiel dans lequel le changement d'orientation est obtenu par le déplacement d'un seul élément optique. Ce procédé, quel que soit son intérêt, ne permet pas la mesure simultanée des composantes du vecteur vitesse et n'est pas applicable dans le cas où les vitesses locales à mesurer varient rapidement. L'objet de l'invention est de fournir un vélocimètre interférentiel qui permette de mesurer simultanément et de façon continue les deux composantes de la projection dans un plan du vecteur vitesse d'un élement de paroi ou de veine. L'objet de l'invention est en outre de fournir un tel vélocimètre permettant cette mesure par analyse de la lumière rétrodiffusée axialement par l'élément de surface ou de veine. Un tel appareil conjugue alors les avantages de la présente invention et ceux du vélocimètre déjà décrit dans la demande de brevet déposée le 2.12.1971 sous le numéro 71.43 216. Le vélocimètre de l'invention comporte - D'une part, un dispositif dit d'émission dont l'objet est de former sur ou dans l'élément de paroi ou de veine deux réseaux monochromatiques de franges d'interférences dont les orientations sont différentes, et dont les radiations constitutives ont des longueurs d'ondes différentes, à savoir et et Xp, et qui comporte un émetteur de rayons laser à fonctionnement con- tinu émettant deux pinceaux monochromatiques a et b de longueurs d'ondes res pectines Xa et lj b et deux diviseurs de flux opérant respectivement sur chacun des pinceaux et séparant, à partir du pinceau a, un couple de composantes coplanaires a1 et a2 et, à partir du pinceau b, un couple de composantes b1 et b2 coplanaires dans un plan sécant au plan de a1 et a2, lesdits couples donnant sur ou dans l'élément de paroi ou de veine deux réseaux de franges de direction et de couleur différentes, - D'autre part, un dispositif de réception comportant des moyens pour collecter un faisceau de la lumière bicolore modulée et diffusée par l'élément, un diviseur de flux séparant ledit faisceau en ses deux composantes monochromatiques de longueurs d'ondes respectives \a et Xb et modulées en intensité par l'élément diffusant à des fréquences respectivement différentes onctions des valeurs des composantes de vecteur vitesse dans chaque direction d'interférence et, disposés sur le trajet de chacune desdites composantes, des moyens pour mesurer ou afficher la fréquence de modulation de chaque composante. L'émetteur de rayons laser peut comprendre, soit deux lasers monochromatiques émettant respectivement sur les longueurs d'ondes Xa et Xb, soit avantageusement, un laser émettant sur au moins deux longueurs d'ondes a et Nb et un diviseur de flux lumineux séparant le faisceau laser polychromatique en deux composantes a et b de longueurs d'ondes respectives \a et Xb. En outre, il est avantageux de disposer les éléments du dispositif d'émission pour obtenir des composantes al, a2, b1 et b2 parallèles et de projeter lesdites composantes à l'aide d'un objectif. Quant au dispositif de réflexion, il comprend un objectif collecteur de la lumière diffusée, un diviseur de flux opérant la séparation des deux composantes monochromatiques de la lumière diffusée, de longueurs d'ondes respectives \a et Xb et des récepteurs photoélectriques disposés sur le trajet desdites composantes et donnant des signaux électriques dont la fréquence de modulation peut entre, soit mesurée par un fréquencemètre, soit affichée sur un oscilloscope, soit encore enregistrée. L'appareil de l'invention permet ainsi de former sur ou dans l'élément de surface ou de veine objet de la mesure deux réseaux d'interférences a'orien- tation différente et mettant en oeuvre deux longueurs d'ondes différentes et d'extraire, de la lumière diffusée par ledit élément, les radiations correspondant à chaque longueur d'onde et modulées respectivement à une fréquence proportionnelle à l'amplitude de la composante de vitesse dans chaque direction d' interférence. On va décrire maintenant un exemple de réalisation en se référant - à la figure 1 annexée qui est un schéma perspectif stéréométrique d'un vélo cimètre interférentiel à rétrodiffusion axiale conforme à l'invention, - à la figure 2 qui est une vue perspective d'une forme de réalisation d'un élément de la figure 1. L'appareil comporte un dispositif émetteur de lumière dirigée et un dispositif récepteur de lumière diffusé. On décrit tout d'abord le dispositif émetteur Le laser 1, à argon ionisé, émet un rayonnement polychromatique continu dont les radiations constitutives les plus intenses ont respectivement comme longueurs d'ondes Xa = 4 880 A (raie bleue) et \ b = 5 145 A (raie verte) Le pinceau laser est dédoublé en deux composantes a et b par une lame dichrot- que 2 qui transmet la composante a et réfléchit la composante b.Les composi tions spectrales respectives de ces deux composantes sont les suivantes Composante X a Na a 70 % 10 % b 30 % 90 % Un miroir 4 réfléchit une deuxième fois la composante b pour lui imposer une direction parallèle à la composante a. Un filtre interférentiel 3 ne transmet que la raie \a de la composante a et un filtre interférentiel 5 ne transmet que la raie Sb de la composante b. Le filtre 3 est suivi du dispositif séparateur de flux inscrit, sur la figure, dans le cadre I et qui comporte une lame semi-réfléchissante 6 qui transmet 50 % du flux a et réfléchit l'autre moitié donnant ainsi deux pompo- santes de pinceau a1 et a2 perpendiculaires et d'égale intensité. La composante a1 subit une réflexion simple par le miroir 7 et la composante a2 une double réflexion par les miroirs 8 et 9. Lesditescomposantes al et a2, de longueur d'onde Xa sortent ainsi du séparateur I parallèles entre elles et à la composante b réfléchie par le miroir 4. La composante b subit une double réflexion par les miroirs 10 et 11. On remarque que les miroirs 4, 10 et lI permettent à la composante b de contourner le séparateur I pour pénétrer dans le séparateur II, de constitution identique à celle de I et qui comporte donc une lame semi-réfléchissante 12 qui transmet 50 % du flux b selon la composante bl et réfléchit l'autre moitié selon la composante b2. La composante b2 subit une réflexion simple par le miroir 15 alors que la composante b1 est doublement réfléchie par les miroirs 13 et 14. A la sortie du séparateur II on obtient ainsi deux composantes b1 et b2, parallèles entre elles et aux composantes a1 et a2 mais de longueur d'onde Xb. La figure montre que les séparateurs I et II sont disposés de telle sorte que les composantes parallèles a1 et a2 d'une part, b et b2 d'autre part, 1 2 déterminent respectivement deux plans orthogonaux. Après avoir traversé par des orifices 17,le miroir 16, dont le rôle sera explicité plus loin, et que l'on voit ici par sa face réfléchissante, les quatre composantes al, a2, bl et b2 sont projetées par l'objectif 18 dans un élément de plan P qui est en fait l'élément de surface ou de veine objet de la mesure. La lumière diffusée, dans. la direction de l'objectif 18 soit par les accidents de surface de l'élément P, soit par les particules transportées par la veine à l'emplacement P, est symbolisée sur la figure par des flèches empennées. Elle transporte des radiations de longueurs d'ondes \a et qui sont respectivement modulées par la fréquence de passage d'accidents de surface ou de particules, à l'emplacement P, dans des directions correspondant respectivement aux directions perpendiculaires d'interférence entre al et a2, d'une part, b1 et b2 d'autre part. C'est-à-dire que lesdites radiations sont respectivement porteuses d'informations sur des composantes orthogonales de la vitesse de l'élément P précité. On décrit maintenant le dispositif récepteur dont le rôle est d'extraire ces informations. La lumière diffusée est reprise par l'objectif 18, réfléchie latéralement une première fois par le miroir 16, focalisée par l'objec- tif 19, réfléchie une deuxième fois par le miroir 20, que l'on voit sur la figure par sa face non réfléchissante et dont le rôle est uniquement de réduire l'encombrement latéral du dispositif. La lame dichroïque 21 réfléchit 90 % de la radiation de longueur d'onde Xb vers le récepteur photoélectrique 24, après traversée du filtre 25 dont le rôle est d'arrêter les longueurs d'ondes résiduelles autres que Xb. Quant à la radiation Aa, elle est transmise par la lame 21 vers le récepteur photoélectrique 22 après traversee du filtre 23 qui arrête les longueurs d'ondes rédisuelles autres que Xa. Les récepteurs photoélectriques, qui sont avantageusement des photomultiplicateurs, sont connectés aux amplificateurs et aux organes qui sont nécessaires pour mesurer, afficher ou enregistrer les fréquences de modulation des signaux de sortie et qui ne sont pas représentés sur la figure. L'appareil de l'invention peut être réalisé, relativement à la description ci-dessus, selon plusieurs variantes. I1 faut tout d'abord remarquer que si le vecteur vitesse de l'élé- ment objet de la mesure fait un angle très faible avec l'une des directions d'interférence, la mesure de la composante de vitesse orientée selon l'autre direction risque d'être imprécise. On peut avantageusement dans une première variante, pour pallier cet inconvénient, rendre les éléments optiques 2 à 13 du dispositif d'émission, c'est-à-dire ceux qui constituent le séparateur du faisceau laser et les deux séparateurs I et II des composantes a et b, solidaires d'un bâti orientable par rapport au bAti principal de l'appareil.Les orifices 17 du miroir 16 sont modifiés conformément à la figure 2, c'est-àdire qu'ils sont disposés selon des portions d'arc elliptiques dont l'amplitude est un peu supérieure à 220 30' de part et d'autre de leurs bissectrices verticales ou horizontales. Cette amplitude suffit pour adapter la position du bâti orientable à n'importe quelle direction du vecteur vitesse à déterminer. Bien que la version décrite par la figure 1 soit particulièrement économique puisqu'elle n'utilise qu'un seul laser, on peut, dans une deuxième variante comprise dans le domaine de l'invention, remplacer le laser 1 par deux lasers émettant selon des longueurs d'ondes différentes et disposés respectivement en face des filtres 5 et 3, la lame dichroïque 2 et le miroir 4 étant alors évidemment supprimés. Dans une troisième variante, on peut adapter le vélocimètre de l'invention pour la mesure à partir des caractéristiques de la lumière diffusée dans une direction quelconque, par exemple dans la direction de diffusion opposée à celle sur laquelle opère l'appareil de la figure 1. Les dispositifs émetteurs (éléments 1 à 18 de la figure 1) et récepteurs (éléments 19 à 25) sont alors disposés sur des bâtis séparés et le dispositif récepteur est placé, par rapport au dispositif émetteur, de l'autre côté du plan de l'élément P. Le miroir 16 peut, dans ce cas, être supprimé. REVENDICATIONS 1 - Appareil pour la mesure, par vélocimétrie interférentielle, de la vitesse d'un élément de paroi solide ou d'un élément de veine fluide transporteuse de particules diffusantes caractérisé en ce que, pour la mesure simultanée de deux composantes du vecteur vitesse, il comprend d'une part un dispositif optique dit d'émission comportant des moyens pour former sur ou dans l'élément deux réseaux monochromatiques de franges d'interférence dont l'orientation est différente et dont les radiations constitutives'ont des longueurs d'ondes différentes, respectivement \a et Xb, d'autre part un dispositif électro-optique dit de réception comportant des moyens pour collecter un faisceau de la lumière modulée diffusée par l'élément, des moyens pour séparer ledit faisceau en deux faisceaux monochromatiques de longueurs d'ondes respectives \a et Xb et des moyens pour mesurer ou afficher la fréquence de modulation desdits faisceaux. 2 - Appareil selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens du dispositif d'émission sont constitues par - un émetteur de rayons laser à fonctionnement continu émettant deux pinceaux monochromatiques a et b de longueurs d'ondes respectives \a et - un diviseur de flux lumineux séparant à partir du pinceau a deux composantes coplanaires a1 et a2, - un diviseur de flux lumineux séparant à partir du pinceau b deux composantes bl et b2 coplanaires dans un plan sécant au plan de a1 et a2, - un objectif faisant concourir les composantes al a2, bl, b2 sur ou dans l'élément de surface ou de veine pour y former deux réseaux monochromatiques de franges d'interférences d'orientation différente et dont les radiations constitutives ont respectivement les longueurs d'ondes \1 et 2 3 - Appareil selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'émetteur de rayons laser est constitué par un seul laser émettant un pinceau sur au moins deux longueurs d'ondes a et \ b et par un diviseur de flux séparant à partir du pinceau laser deux composantes monochromatiques a et b de longueurs d'ondes respectives a et \ 4 - Appareil selon l'une quelconque des revendications l à 3 carac- térisé en ce que les moyens du dispositif électro-optique dé réception sont constitués par - un objectif collectant un faisceau de la lumière modulée diffusée par ltélé- ment, - un diviseur de flux lumineux séparant le faisceau en deux composantes mono chromatiques modulées de longueurs d'ondes respectives \a et - deux récepteurs photo-électriques interposés sur les trajets respectifs des dites composantes et connectés à des moyens de mesure ou d'affichage des fré quences respectives de modulation des signaux électriques donnés par lesdits récepteurs. 5 - Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce qu'il comporte en outre, disposé derrière l'objectif du dispositif d'émission, un miroir oblique dont la face réfléchissante est tournée vers ledit objectif et qui réfléchit vers le dispositif de réception disposé latéralement le faisceau de lumière modulée diffusée par l'élément et collectée par ledit objectif, ledit miroir étant perforé par des orifices laissant le passage aux composantes a1, a2, b et b2. - 6 - Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que les diviseurs de flux sont solidaires d'un même bâti orientable par rapport aux autres éléments de l'appareil.