Brevet FR2244156A1 — publié le 19750411

La présente invention concerne un dispositif de mesure de très petites deformations, applicable à des problèmes très variés et notamment à la réalisation d'un nextensomètre optique". On sait que l'eAtensométrie est une méthode de mesure de très petites deformations géométriques des matériaux subissant l'action d'efforts mécaniques. I1 existe de nombreux procédés de mesure de ces petites déformations dont le plus employé consiste à fixer par collage sur la pièce dont on veut déterminer la déformation, une petite éprouvette formée d'un fil- résistant fin, solidaire d'un support isolant mince, en plastique par exemple (jauge de contrainte ou "strain-gaugefl). Lorsqu'on exerce une traction sur la pièce, le support du fil ainsi que celui-ci s'allongent ; la résistance électrique du fil varie : on mesure cette variation après avoir au préalable étalonné la jauge en lui appliquant des allongements connus. Ce dispositif a trouvé un grand nombre d'applications et s'est imposé dans des domaines industriels variés mais il présente quelques inconvénients qui rendent son emploi délicat dans certains cas. On se heurte en particulier à certaines difficultés lorsqu'on se propose d'effectuer des déterminations extensométriques sur des matériaux caractérisés par des points de fusion bas et des conductibilités thermiques faibles, qui se rencontrent fréquemment dans le cas des plastiques par exemple. Le courant de mesure dans la jauge, quoique réduit, n'est cependant pas absolument négligeable. Il en résulte que la jauge s'échauffe et, à son contact, le matériau s'é chauffe également ; ses caractéristiques mécaniques sont modifiées, ce qui fausse évidemment les mesures de celles-ci. Le dispositif décrit ci-dessous ne présente pas ces inconvé nient. L'organe de mesure est de nature purement optique et les capteurs d'informàtion se réduisent à des régions de transparence ou de réflexion ménagées à la surface de la pièce dont on veut mesurer les déformations. Dans ces conditions, les perturbations apportées à la pièce sont pratiquement négligeables et, au pire, nettement inférieures à celles qu'apportent les jauges à fil. La sensibilité du dispositif peut être très élevée : on peut atteindre des valeurs de la déformation En prenant Q voisin de 15,7 mm, on arrive à mesurer des déplacements absolus de 5 na- nomètres environ. Le dispositif est utilisable avec des substances transparentes, auquel cas on observe la pièce en transmission, ou opaques, auquel cas on travaille en réflexion. La mesure des déformations est indépendante des mouvements dans semble du support. Le dispositif peut s'appliquer à des mesures de déplacements transversaux et à des mesures de petits déplacements relatifs, tels que ceux que l'on rencontre en dilatométrie lorsqu'on cherche à mesurer de petits écarts à une valeur donnée théorique c'est le cas par exemple dans les mesures d'excentricité de pièces circulaires ou sphériques. L'extensomètre optique de l'invention comprend essentiellement des moyens de convertir un déplacement en une différence d'ellipticité de deux ondes lumineuses de polarisation elliptique. Plus précisément, il se compose d'une source collimatée par une lentille dont le faisceau, après traversée de l'échantillon sur lequel est déposée ou collée une jauge constituée d'un écran opaque sur lequel ont été tracées deux fentes transparentes,traverse un polariseur et un système biréfringent linéaire dont la loi de biréfringence est donnée par où x est une distance dans un plan perpendiculaire au faisceau. Ce systeme biréfringent peut ëtre soit un compensateur de Babinet (Cf.Principles of Optics, Max Born et Emil Wolf, Pergamon Press 1959, page 690), soit un prisme en monocristal d'angle faible, soit encore une lame figée telle que celle décrite dans le brevet NO 2 048 153 du 3 juin 1969 et la demande de certificat d'addition NO 72 46 023 du 22 décembre 1972, au nom de l'Agence Nationale de Valorisation de la Recherche. La vibration elliptique dans chaque voie est ensuite analysée par un montage de Sénarmont composé d'une lame quart d'onde et d'un analyseur. On suppose que le polariseur est à 450 des axes du système biréfringent, que les axes du système biréfringent sont parallèles aux fentes, que les axes de la lame quart d'onde sont parallèles à ceux du polariseur et que la direction de polarisation de l'anale 7 Dans ces conditions, les déphasages tf et * 2 provoqués par le système biréfringent sur les faisceaux ayant traversé les fentes sont w1 x2 abcisses des fentes ;X, longueur d'onde de la lumière a, constante. Les intensités des faisceaux sortant de l'analyseur sont Io, intensité du faisceau incident ; K, constante. Si ces intensités sont reçues dans un montage différentiel (cellules photoélectriques et amplificateur opérationnel), le courant de sortie du montage sera de la forme Si la base entre fentes est calculée de telle sorte qu'avant défor mation, on ait k# X1 - x2 = (k, entier) a on- aura, avant déformation #1 - #2 = 2k# et i1 - i2 = 0 Si la distance entre fentes varie de #(x1 - x2) x1 devient x'1 = x'2 t (x1 - x2) (1 + #) x2 devient x'2 #1 devient #'1 = #'2 + 2k# (1 + #) @ devient #' devient #i devient : : KIo #i = (-1)k sin k## sin&alpha; en posant = 2 # - (#'1 + k# - #k#) En confondant sin kTt avec k## et en faisant tourner l'analy- seur jusqu'à ce que sin&alpha; = 1, ctest-à-dire jusqu'à ce que #i soit maximum, on trouve Le courant de sortie de l'amplificateur opérationnel est proportionnel à la variation de la distance entre fentes. L'invention va être maintenant décrite en détails en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente en détail les différents éléments de l'exten- somètre optique, montrant les deux faisceaux - la Fig. 2 représente un exemple d'échantillon - la Fig. 3 représente une variante de ltextensomètre optique à une seule cellule photoélectrique éclairée en séquence par les deux faisceaux - la Fig. 4 représente une seconde variante de I'extensomètre optique monté en appareil de zéro et à analyseur tournant ; et - la Fig. 5 représente le dispositif de l'invention appliqué à des matériaux opaques. En se référant à la Fig. 1, le dispositif se compose essentiellement d'une platine sur laquelle sont montés par l'intermédiaire de supports convenables (supports et platine non représentés) un certain nombre d'éléments qui pour la clarté de l'exposé vont être divisés en quatre sous-ensembles. Sous-ensemble I ou d'éclairage. Il se compose d'une source monochromatique 1, par exemple un laser de faible puissance de 0,5 W à He - Ne, émettant un pinceau lumineux.de 1 mm de diamètre. Le rayonnement, par l'intermédiaire d'un objectif 2 de faible puissance (x 4 de la Société Nachet) et d'une lentille 3 convergente de 760 mm de distance focale dont la fonction est d'élargir le pinceau jusqu'à une largeur de 8 mm, éclaire en rayons parallèles le séparateur 5 - 5', éventuellement à travers un affaiblisseur 4 dont l'utilité est exposée ci-dessous. Le séparateur 5 - 5' est composé d'un séparateur à miroirs, l'un 5 semi-transparent et l'autre 5' réfléchissant dont la fonction est de diviser en deux le faisceau de rairons parallèles qui viennent éclairer le Sous-ensemble II ou capteur. Celui-ci comprend 11 échantillon 6 que l'on suppose transparent. Sur l'échantillon 6 est collée la jauge 7 constituée par un écran opaque dans lequel ont été taillées deux fentes fines 81 et 82 (voir aussi Fig. 2). Les rayons se dirigent alors vers le Sous-ensemble III ou de mesure. Le pinceau lumineux rencontre successivement - un polariseur 9 qui transforme la lumière normale en lumière polarisée rectilignement après la traversée de l'échantillon et de la jauges ou réflexion sur celle-ci lorsqu'on se trouve en présence de pièces opaques. - un système biréfringent linéaire 10 qui agit de façon à faire apparaître la phase entre polarisations orthogonales et à lier cette phase à la distance des fentes prise à partir d'une certaine origine choisie arbitrairement sur la jauge. Ce système 10 peut entre, ainsi quton l'a déjà dit, soit un compensateur de Babinet, soit un prisme en monocristal, soit, et de préférence, une "lame figée" La lumière, à la sortie de 10 est reçue par un analyseur de vibrations elliptiques du type de Sénarmont composé d'une lame quart d'onde 11 dont les lignes neutres sont amenées en cotncidence avec les axes de ltellipse et d'un analyseur 12. La lame quart d'onde ainsi montée transforme les vibrations elliptiques en vibrations rectilignes.La vibration rectiligne rétablie est pointée avec un analyseur 12 de type classique. Les deux pinceaux lumineux issus de 13 sont envoyés par l'intermédiaire de la lentille divergente 14 de - douze dioptries vers le sous-ensemble IF. Sous-ensemble IV ou de détection. Ce sous-ensemble permet de transformer les signaux optiques en signaux électriques directement utilisables dans un appareil de mesure ou un enregistreur, ou tout autre système d'affichage de données. Les deux pinceaux lumineux rencontrent successivement - des verres dépolis 151 et 152 - des cellules photoélectriques 161 et 162 constituées dans l'appareil décrit par des photomultiplicateurs IP28 de RCA qui, sous l'faction des flux F1 et F2 qu'ils reçoivent, engendrent des courants i1 et i2 que l'on applique à l'entrée d'un amplificateur différentiel 17. Le courant de sortie de cet amplificateur a la forme donnée par l'équation (1) et il est envoyé dans un appareil de mesure ou un enregistreur 18. Si les photomultiplicateurs sont éclairés par des intensités telles que la relation linéaire (1) n'est pas réalisée, il faut agir sur la source et régler le flux moyen reçu par les photomultiplica- teurs pour que i1 et i2 soient proportionnels à Fi et F2, c'est-à- dire que i1 = A1F1 i2 = A2F2 (A1, A2, constantes), ce qui entraîne I = A(A1F1 - A2F2) On peut obtenir ce résultat, soit en faisant varier le courant d'alimentation de la source I en agissant sur un rhéostat d'alimentation, ou directement sur le flux du laser en interposant une grille affaiblisseuse 4. Lorsqu'on est assuré de travailler dans la zone linéaire des cellules, on égalise leur réponse, ou autrement on réalise la condition A1 = A2 en disposant devant l'une d'elles une grille affaiblisseuse 19.On peut obtenir ce résultat en introduisant un potentiomètre dans le circuit d'anode du photomultiplica- teur. Bien entendu, toutes les variantes classiques de tels dispositifs différentiels s'appliquent ici. On peut notamment s'affranchir des erreurs dues aux différences des deux photomultiplicateurs 161 et 162 (A1 # A2) en en supprimant un et en disposant un système séquentiel d'illumina- tion d'un photomultiplicateur unique 20 (Fig. 3). Les rayons issus de 14 viennent sur deux miroirs plans 211 et 212 inclinés à 45 sur la direction des pinceaux. Après réflexion sur 211 et 212 ils viennent se réfléchir respectivement sur le miroir fixe 22 incliné à 450 sur le rayon venant de 211 et le miroir commutateur tournant 23 incliné sur le rayon venant de 212. Lorsque le miroir 23 tourne, il laisse passer le rayon issu de 211 dans la direction du photomultiplicateur 20, pendant la moitié de sa rotation.Pendant l'autre moitié, il réfléchit les rayons issus de 211. Il apparat alors aux bornes de sortie de l'amplificateur 17' - qui cette fois-ci n'est plus un amplificateur différentiel un courant alternatif que l'on peut redresser par une démodulation synchrone. Le courant redressé est proportionnel à # ; on l'envoie dans l'appareil d'enregistrement 18. On peut également s'affranchir des défauts de linéarité (Fig. 4) en réalisant une méthode de zéro où la grille d'affaiblissement 19 est mue par un servomécanisme 24 qui ramène à l'égalité les flux issus de l'analyseur 13. On lit sur un index 25 solidaire du déplacement de la grille 19 un déplacement proportionnel à 1 Dans la Fig. 4, on a supposé que l'analyseur 13 était animé d'un mouvement de rotation autour d'un axe 26 par un moteur 27, par l'intermédiaire de la démultiplication 28. Les composantes alternatives de i1 et i2 s'écrivent en appelant je la vitesse de rotation de l'analyseur i1 = K1 Io x cos (2 # t - # i = K I x cos (2# t - # o 2 La mesure électrique se ramène à celle de la différence de phase #'1 - #'2 des courants i1 et i2. L'amplificateur différentiel est remplacé par un comparateur de phase 29 qui donne directement ?'î g '2 = 2k7t (1 + ). Les performances de l'appareil ne dépendent alors que de la- qualité du pont de phase. La Fig. 5 représente la disposition des différents ensembles du dispositif dans le cas où, au lieu d' & re transparent, le matériau est opaque. La jauge est alors fornée de deux rectangles aplatis réfléchissants sur fond noir. Dans ce qui précède, le dispositif a été décrit dans son application à la mesure des déformations. Il peut être appliqué à la mesure des déplacements. Dans ce cas l'une des fentes est fixe et l'autre est portée par la pièce en déplacenent. REVENDICATIONS 1 - Dispositif extensométrique optique de mesure de petites déformations subies par un échantillon portant deux fentes paral lèles transparentes ou réfléchissantes,comprenant des moyens d'éclairer par deux faisceaux de lumière parallèle lesdites fentes, un polariseur transformant en polarisation rectliligne les faisceaux passant par les fentes, un analyseur de vibrations elliptiques de chaque faisceau produisant deux faisceaux de sortie et un récepteur photoélectrique différentiel desdits faisceaux de sortie, caractérisé en ce qu'un système biréfringent linéaire est interposé entre le polariseur et l'analyseur de vibrations elliptiques et que ce système biréfringent introduit entre deux composantes orthogonales de chaque faisceau un déphasage qui dépend de l'écart du faisceau par rapport à une ligne de référence du système biréfringent. 2 - Dispositif extensométrique optique de mesure de petites déformations conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le système biréfringent est un compensateur de Babinet. 3 - Dispositif extensométrique optique de mesure de petites déformations conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le système biréfringent est un prisme à angle faible d'un monocristal uniaxe. 4 - Dispositif extensométrique optique de mesure de petites déformations conforme à la revendication 1, caracterisé en ce que le système biréfringent est une lame diélectrique transparente figée sous contraintes mécaniques. 5 - Dispositif extensométrique optique de mesure de petites déformations conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'analyseur de vibrations elliptiques se compose d'une lame quart d'onde et d'un analyseur de polarisation rectiligne fixe et que le récepteur photoélectrique différentiel se compose de deux transducteurs photoélectriques recevant respectivement les faisceaux de sortie et d'un amplificateur différentiel des signaux de sortie desdits transducteurs. 6 - Dispositif extensométrique optique de mesure de petites déformations conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'analyseur de vibrations elliptiques se compose d'une lame quart d'onde et d'un analyseur de polarisation rectiligne tournant et que le récepteur photoélectrique différentiel se compose de deux transducteurs photoélectriques recevant respectivement les faisceaux de sortie et d'un comparateur de phase recevant les signaux de sortie desdits transducteurs. 7 - Dispositif extensométrique otique de mesure tle petites déformations conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que l'analvseur de vi@rations elliptiques se co@pose d'une lame quart d tonde et d 'irn analyseur le polarisation rectiligne fixe et que le récepteur photoélectrique différentiel se compose d'un transducteur photoélectrique nique, d'un miroir tournant à vitesse (le rotation donnée nvoyant séquentiellement sur ledit transducteur les deux faisceaux de sortie et d'un démodulateur svnchrone avec la vitesse de rotation dil miroir tournant, démodulant le signal de sortie du transducteur photoélectrique.