Brevet FR2229042A1 — publié le 19741206

l'invention a pour objet un procédé et un appareil électro- optiques pour rn aeterminatioen de petits déplacements d'un point de la surface d'un corps solide. Dans ltétude de la déformation des corps solides ou des structures, il est fréquent d'appliquer à la stwactu-e es so;lici- tations périodiques et d'étudier le comportement de la structure en déterminant les déplacemenbs de points de la surface de la struc- ture. La plupart du temps, on fait appel pour cette étude à des appareils de mesure qui comportent un palpeur qu'on met en contact avec un point de la surface du corps solide ou de la pièce et la détermination du mouvement du palpeur renseigne sur les déplacements du point de la pièce avec lequel le palpeur est en contact. Mais le contact mécanique entre le palpeur et la pièce modifie quelquefois les conditions de déformation de la pièce, ce qui est gênant pour certaines applications. C'est le cas, notamment, pour l'étude d'aubes de turbomachines. I1 est donc souhaité depuis longtemps de pouvoir déterminer les déplacements de points de la surface d'une pièce sans qu'il soit nécessaire d'établir un contact matériel entre la pièce et l'appareil de mesure. tes appareils proposés dans ce but, et qui font appel à des variations de capacité électrique, sont d'une utilisation difficile et présentent des servitudes qui en limitent le domaine d'emploi. L'appareil selon l'invention est basé sur un principe différent. I1 fait appel aux variations qui sont apportées dans les conditions de transmission d'un flux lumineux qui parvent à un corps -ci solide sensiblement normalement à la surface de celui/suivant que l'image d'une source lumineuse d'où est issu le faisceau est exactement sur la surface du corps solide ou en est légèrement distante, dans un sens ou dans l'autre, la distinction entre l'un et l'autre cas étant obtenue par l'application d'un couteau du type de ceux utilisés en strioscopie, faisant apparaître des modifications d'éclairement qui sont mises à profit par un moyen photo-électrique. Il a été constaté que des résultats satisfaisants pouvaient être obtenus pour des corps solides ou des pièces très divers présentant des surfaces différentes au point de vue de la configuration géométrique et/ou dempropriétés de réflexion. En particulier, il n'est pas nécessaire que la surface de la pièce soit sphérique ni qu'elle soit à poli de miroir. L'invention peut donc être utilisée directement pour l'étude de pièces mécaniques ou de maquettes comme celles d'aubes de turbomachines et ainsi apporte aux techniciens des renseignements sur les déformations que prend une pièce mécanique pour différents modes vibratoires. Dans la description qui suit, faite à titre d'exemmle, on se réfère au dessin annexé, dans lequel - la figure 1 est un schéma de l'appareil selon l'invention - la figure 2 montre, vu de face, un diaphragme faisant partie de l'appareil - la figure 3 précise des parcours de rayons lumineux au voisinage du couteau - la figure 4 est une vue de face du couteau - la figure 5 est une vue analogue à la figure 5, mais pour une autre condition - la figure 6 montre un diaphragme inégalement éclairé sur sa surface - la figure 7 est un diagramme - la figure 8 est un autre diagramme - la figure 9 est un schéma relatif à l'étude des déplacements de divers points d'une aube de turbomachine. L'appareil comprend une source lumineuse S (Figure 1), qui peut être le filament d'une lampe à incandescence, et une lentille ti qui forme l'image de la source S sur une fente F dont les longs côtés, parallèles, sont perpendiculaires au plan de figure. Un objectif 0 forme à travers une lame semi-réfléchissante LS l'image de la fente F sur une partie p ou "point" de la surface s de la pièce P dont les déformations sont à étudier. l'objectif 0 est avantageusement un objectif à miroirs du type Cassegrain. Une lentille B2, appliquée contre les plaquettes fi et f2 définissant la fente F, conjugue la lentille ti et la pupille de l'objectif 0. La lumière renvoyée par la surface s de la pièce P tombe sur la lame semi-réfléchissante LS qui la réfléchit et sur le faisceau réfléchi a est placé un "couteau" CF. Ledit couteau a son arête b perpendiculaire au plan de figure. Il est symétrique de la fente F par rapport à la lame LS. te faisceau al franchissant le couteau CF tombe, après réflexion sur un miroir M, sur un diaphragme D. Une lentille X), voisine du couteau CF, conjugue la pupille de ltobjec- tif 0 et le diaphragme D. te diaphragme D présente deux ouvertures annulaires cl, c2 (Figure 2), disposées symétriquement de part et d'autre d'un diamè tre XX' perpendiculaire au plan de la figure i et limitées par des arcs de circonférence di, ei et d2, e2, respectivement. te centre géométrique g du diaphragme D est sur l'axe optique hi. Deux surfa ces réfléchissantes p1 et P2, par exemple faisant partie d'un pris me rectangulaire P dont les faces perpendiculaires ont été traitées dans ce but et dont l'arête d'intersection est parallèle à l'axe XX', dirigent la lumière ayant traversé les ouvertures annulaires ci et c2 respectivement vers des récepteurs photo-électriques ou cellules RI et R2 par exemple des diodes photo-sensibles, montées en pont. Le fonctionnement est le suivant lorsque le point p de la pièce P située sur l'axe optique h des lentilles 11, L2 et de l'objectif 0 est en coincidence avec limage que forme l'objectif 0 de la fente F éclairée par la source S, l'objectif 0 reforme de ladite image une image f' (Figure 4) dans le plan du couteau CF, c'est-à-dire que les divers rayons lumi neux renvoyés par le point X de la surface s viennent converger sur l'arête b du couteau CF, comme montré sur la figure 3. La luminosité de l'image f' dans le plan du couteau CF est uniforme et le dia phragme D est éclairé uniformément par le faisceau lumineux a2 résultant de la réflexion du faisceau ai sur le miroir M.Les quan tités de lumière qui tombent sur les dispositifs récepteurs Ri et R2, après traversée des ouvertures annulaires ci et c2, sont égales et les tensions à la sortie des dispositifs Ri et R2 sont égales. Ces dispositifs étant montés en pont, lesdites tensions fournissent un signal nul. Si, par contre, le point de la surface s de la pièce P n'est pas en coIncidence avec l'image de la fente F fournie par l'objectif 0, l'image de ladite fente fournie par ledit objectif après réflexion sur la lame 15 n'est pas dans le plan du couteau CF. Elle est, par exemple, légèrement à l'amont dudit couteau CF, comme schématisé par l'intersection k des rayons lumineux g'l et g'2 sur la figure 5. te couteau n'intervient alors pas de manière identi tuque sur les rayons lumineux provenant des divers points de la pu pille de l'objectif 0 :: il joue un rôle d'occultation différent suivant l'inclinaison des rayons lumineux qui parviennent sur lui par exemple, il occulte le rayon '4 alors qu'il n'occulte pas le rayon '2. La quantité de lumière qu'il laisse passer est donc, dans un plan parallèle au plan du couteau, variable suivant la distance par rapport à l'intersection dudit plan avec le rayon lumi neux moyen '3. Dans le plan du diaphragme D, après réflexion sur le miroir M, ceci se traduit par un éclairement du diaphragme D différent suivant diverses zones du diaphragme. ta partie inférieure du diaphragme, comme montré sur la figure 6, est, dans l'exemple, relativement très éclairée et l'éclairement diminue au fur et à mesure qu'on se rapproche de la partie supérieure.L'éclairement est nul ou presque nul au voisinage de l'extrémité verticale du diamètre du diaphragme D disposé suivant la direction YY' perpendiculaire à la direction XX'. ta quantité de lumière traversant l'ou- verture annulaire cl est plus petite que celle qui traverse l'ouverture annulaire c2. la tension délivrée par la cellule Ri est plus faible que celle délivrée par la cellule R2. Il y a alors déséquilibre du pont de mesure et le signal électrique résultant renseigne sur la grandeur et sur le sens de la distance ou dépointage existant entre l'image de la fente F et le point p de la surface s. La forme circulaire des ouvertures cl et c2 tient compte de la répartition circulaire des variations de luminosité. L'appareil est utilisable pour l'étude de déplacements de points de pièces présentant des surfaces planes ou courbes, polies, diffusantes ou bien pourvues d'un revêtement catadi-optrique. les courbes de la figure 7 ont été établies en portant en ordonnées le signal obtenu, en fonction des déplacements parallèlement à l'axe h, portés en abscisses d'une pièce P, constituée par une sphère dont le centre est sur ledit axe, les ordonnées étant en millivolts et les abscisses en microns. les courbes i correspondent à une sphère à surface polie, constituée par un miroir en verre portant une couche réfléchissante d'aluminium déposée sous vide. Elles montrent qu'une bonne linéarité entre le signal et le déplacement est obtenue pour des valeurs du déplacement allant jusqu'à près de 20 , dans un sens et dans l'autre. La courbe il correspond à des déplacements dans un sens à partir de la position où le signal résultant de la différence des tensions fournies par les dispositifs Ri et 22 est nul et la courbe i2 est relative aux déplacements de sens opposé. Cette représentation montre en outre la bonne symetrie des courbes il et i2. les courbes i1 et i2 sont analogues aux courbes il et 12, mais sont relatives à une pièce en un alliage métallique connu sous le nom de AU4G dont la surface a simplement été traitée à la toile émeri fine, l'image de la fente F projetée sur la surface de la pièce étant dtune dimension nfdrieure au dixième de millimètre. Toutes choses égales d'ailleurs, la quantité de lumière réfléchie par la pièce est alors plus faible, ce qui se traduit par des ordonnées moins élevées. Mais la bonne linéarité est conservée jusqu'à des déplacements de l'ordre de 10b à 15v et la symétrie est également acceptable. les résultats restent aussi bons que la pièce soit non-sphérique et même plane. Les courbes du diagramme de la figure 8 ont été obtenues dans des conditions analogues, mais pour une pièce constituée non pas par une sphère mais par une aube de turbomachine, comme schématisée sur la figure 9. Elles traduisent l'influence de l'angle d'incidence du faisceau lumineux par rapport à la surface de la pièce en cours d'étude. Lorsque l'axe h du faisceau est perpendiculaire à la surface s de la pièce P au point d'incidence, comme montré en p4 de la figure 9, les courbes obtenues 4-4' du schéma de la figure 8 sont bien symétriques par rapport à l'axe des ordonnées. Elles restent encore d'une symétrie satisfaisante pour des points, comme montrés en pD et en r5, en lesquels la surface s s'éloigne de la perpendicularité à l'axe h et la loi de linéarité entre le déplacement et le signal est encore suffisamment satisfaite. Bes courbes s'éloignent de cette symétrie au fur et à mesure que l'angle d'incidence s'écarte encore plus de a00, comme montré par les courbes 1, 2 et 6 correspondant aux points p1, p2 et p6. L'appareil est d'une utilisation particulièrement intéressante pour l'étude des structures soumises à des vibrations. Il fonctionne parfaitement dans une gamme de fréquences allant de 1 Hz à 1000 Hz. REVE293ICATIONS 1. Procédé électro-optique pour l'étude de petits déplacements des points de surface d'un corps solide renvoyant la lumière, caractérisé en ce que pour l'étude des déplacements d'un point à partir d'une position on focalise sur ledit point l'image d'une fente lumineuse, en ce qu'on occulte le faisceau renvoyé par la pièce, et réfléchi par une lame traversable par le faisceau formateur d'image, par un couteau placé en un point conjugué de la fente et en ce qu'on tire parti des variations de flux lumineux ayant franchi le couteau pour être informé sur la position du point éclairé du corps solide par rapport à celle qui correspond à l'image de la fente. 2. Appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour former l'image d'une fente sur un corps solide par un faisceau arrivant sensiblement normalement audit corps après traversée d'une lame transparente-réfléchissante, un "couteau" placé sur le faisceau réfléchi par la lame en un point conjugué de l'image de la fente et des moyens photo-sensibles placés à l'aval du couteau. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comprend, entre le couteau et les moyens photo-sensibles, un diaphragme à deux ouvertures symétriques par rapport à l'image de la fente. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que les ouvertures sont des portions d'anneaux circulaires. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour réfléchir la lumière ayant traversé les deux ouvertures du diaphragme respectivement vers deux dispositifs récepteurs photo-électriques ou cellules dont les sorties sont montées en opposition.