Brevet FR2275752A1 — publié le 19760116

Il existe un certain nombre de principes Re cozlstruc- tion de niveau haute précision dont certains comportent un élément pendulaire, la mesure consistant, dans ce cas, en ltévaluation de la direction du pendule par rapport à une direction de référence liée au boîtier. Cette mesure peut elle-meme s'effectuer à l'aide de différents moyens. Il y a donc une très grande variété de solutions possibles. La présente invention se rapporte à la solution qui consiste à lier au pendule un petit miroir et à mesurer l'angle par un autocollimateur photoélectrique. L'invention porte également sur les différents perfectionnements apportés à ce procédé de manière à obtenir une bonne précision, une grande stabilité et une excellente fidélité. l'invention vise plus particulièrement un niveau de précision automatique dont la mesure est donnée, à l'aide dtun autocollimateur p.otoélectrique comprenant un objectif et une fente de micromètre, par l'évaluation de la direction d'un miroir pendulaire par rapport à une direction de référence liée au boîtier du niveau, caractérisé en ce quril comprend, dans un meme boîtier, d'une part, une masse pendulaire suspendue portant un élément optique se comportant comme un miroir, facile à équilibrer et dont la suspension, suffisamment solide, n'introduit qutun couple de frottement négligeable, et, d'autre part, un auto-collimateur monobloc, mécaniquement très stable, dans lequel le trajet ljrine:: entre la fente du micromètre et l'objectif est replié afin d obtenir une grande distance focale sous un faible encombrement, l'ensemble conférant à l'appareil une grande ensibilité et une grande fidélité. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description qui va suivre, faite en regard du dessin annexé sur lequel - figure I est une vue en perspective de la masse pendulaire du niveau de precision selon l'invenlicn - figure 2 est une vue en élévation schématique de l'en- semble de l'appareil - figure 3 est un Cehéma explicatif. lie déplacement angulaire a mesurer étant celui autour de l'axe de rotation du pendule à l'exclusion de tout autre, le miroir est constitué en fait par un dièdre de verre (1) à section rectangle isocèle et dont les arêtes sont perpendiculaires à l'axe de suspension. Par deux réflexions sur les faces perpendiculaires, un tel dièdre se comporte comme un miroir pour les mouvements autour de l'axe de suspension, est un invariant en ce qui concerne les mouvements autour d'un axe parallèle à son arête et donne un déversement pour un mouvement autour du troisième axe, mais ce déversement, comme il sera vu plus loin au sujet de ltautocollimateur,est sans influence sur la mesure. le prisme de verre est enchâssé dans usinasse métallique (2) de manière que l'ensemble constitue un parallélépipède rectangle plus facile à équilibrer et qui permet la fixation de la suspension. Pour obtenir- une bonne sensibilité, il est nécessaire que la suspension n'introduise qu'un couple de frottement négligeable et que ce couple, très faible, soit aussi peu sensible que possible aux influences extérieures : température et humidité. il faut aussi que cette suspension soit suffisamment solide pour sou-tenir la masse du pendule.On peut avantageusement utiliser deux rubans (3 et 4) réalisés en une matière connue dans le commerce sous la dénomination "mZTlar", qui peut facilement srob- tenir sous forme de ruban de quelques microns d'épaisseur et qui possède toutes les caractéristiques souhai-Lebles. Pour éviter les contraintes sur les rubans, au voisinage du point de suspension, on peut pincer les rubans dans le pendule, d'une part, et, d'autre part, sur une pièce (5) liée au boîtier. lies rubans peuvent alors reposer librement sur un petit axe (6) rectifié comme représenté sur la figure lie pendule ainsi constitué a une période propre d'oscillation qui est fixée par la longueur libre des rubans et par les dimensions et la mase du parallélépipède. lies oscillations peuvent avantageusement entre amorties par frottement de l'air en layent le pendule dans un bottier (non représenté) qui laisse un jeu minimum (quelques dixième; de millimètre) aux faces la térales. Un autocollimateur est essentiellement constitué d'un objectif et d'un micromètre au foyer de cet objectif. Le micromètre peut être constitué par une fente éclairée d'une maniere classique (méthode de Köhler). Les rayons lumineux issus de la fente sont collimatés par l'objectif et vont frapper le miroir. Ils reviennent vers l'objectif et reforment dans le plan focal de celui-ci une image de la fente qui coincide avec la fente elle-même dans le cas où le miroir est perpendiculaire à la direction définie par le milieu de la fente et le centre optique de ltobjectif. Si la normale au miroir fait avec cette direction un angle 2a, l'image se forme à une distance 2 fa (où f est la distance focale). Pour obtenir une grande sensibilité, il est donc nécessaire de réaliser un autocollimateur de distance focale aussi grande que possible. Pour obtenir une grande fidélité, il faut que l'autocollimateur soit mécaniquement très stable. Pour cette deuxieme raison, l'invention réalise avantageusement l'ensemble de l'autocollimateur sous fcrme d'un ensemble morlobloc par collage d'éléments en verre. Pour la première raison, l'invention prévoit avantageusement de replier le trajet lumineux entre le micromètre et l'objectif de manière à obtenir une gronde distance focale sous un encombrement hors tout le-plus faible possible compatible avec les dimensions raisonnables du boîtier du niveau. il est donc particuliérement iitéressant de réaliser le corps de ltautocollimateur à à l'aide de deux équerres optiques collées (7 et 8) comme représenté sur la figure 2. L'objectif (9) est alors collé sur une des faces d'une des équerres optiques et la fente (10) du micromètre sur la face libre de la deuxième. Cette fente peut avantageusement être réalisée par la distance de séparation de deux arêtes de deux prismes à 600 (11 et 12) collés sur cette face. Ces prismes servent en même ternps à renvoyer vers deux cellules photoélectriques (13 et 14) la lurriè- re de l'image de retour de la fente quand celle-ci ne sc reforme pas exactement sur la fente d'émission. La différence des signaux fournis par des préamplificateurs associés aux deux cel lulus donne directement un signal proportionnel à 2 fa, donc à la déviation du miroir (figures 2 et 3). Il est facile de voir qu'un léger déversement de l'image de retour n'a pas dtimportance. La source lumineuse peut avantageusement être une diode photoémission (15) modulée de manière à faciliter les problèmes d'amplification électroni que des signaux. Le signal continu de mesure est alors finalement obtenu par démodulation synchrone et filtrage. Malgré l'amortissement obtenu par frottement dans l'air, le signal recueilli peut contenir une composante à la fréquence propre d'oscillation du pendule. il est facile de compléter le filtrage destiné à éliminer le bruit (compcsantes haute fréquence) par un filtre rejecteur (par exemple un filtre en double T) accordé à cette fréquence particulière. Il peut être intéressant de placer entre l'objectif et le miroir une lame légèrement prismatique déviatrice ou un diasporamètre de manière à faciliter le réglage du zéro de l'appareil. Eventuellement, ce diasporamètre peut être étalonné. Dans ce cas, le niveau peut être utilisé directement en arpa- reil de zéro, c'est-à-dire que ltutilisateur peut rarr.ener son appareil indicateur au zéro et lire ltalEle sur la cor.mrnande du diasporamètre. Enfin, la conception et le mode de réalisation qui viennent d'être décrits se prêtent bien à la miniaturisation et il est possible de réaliser, conformément à l'invention, un niveau dont la sensibilité est de l'ordre de 0,5 seconde d'arc avec une précision de 1 seconde d'arc dans une plage totale de mesure de + 5 minutes dans un volume de l'ordre de 10 cm3. il est bien entendu que la présente invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter des équivalences dans ses éléments constitutifs sans, pour autant, sortir du cadre de ladite invention, qui est défini dans les revedications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Niveau de précision automatique dont la mesure est donnée, à l'aide d'un autocollimateur photoélectrique comprenant un objectif et une fente de micromètre, par l'évaluation de la direction drun miroir pendulaire par rapport à une direction de référence liée au boîtier du niveau, caractérisé en ce qu'il comprend dans un meme bottier, d'une part, une masse pendulaire suspendue portant un élément optique se comportant comme un miroir, facile à équilibrer et dont la suspension, suffisamment solide, n'introduit qu'un couple de frottement négligeable et, d'autre part, un auto-collimateur monobloc, mécaniquement très stable, dans lequel le trajet lumineux entrera fente du micromètre et objectif est replié afin d'obtenir une grande distance focale sous un faible encombrement, l'ensemble conférant à l'appareil une grande sensibilité et une grande fidélité. 2. Niveau de précision selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément optique se comportant comme un miroir est un dièdre enchåssé dans la masse pendulaire suspendue. 3. Niveau de précision selon la revendication 2, caractérisé en ce que des rubans réalisent la suspension. 4. Niveau de précision selon la revendication 3, caractérisé en ce que les rubans sont pincés, d'une part, dans l aspe pendulaire et, d'autre part, dans une pièce liée au bottier. 5. NiveadXde précision selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que les rubans sont réalisés en une matière connue dans le commerce sous le nom de 11mylar". 6. Niveau de précision selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les rubans reposent librement sur un axe rectifié. 7. Niveau de précision selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les oscillations de la masse pendulaire sont amorties par frottement dans l'air. 8. Nivela de précision selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'autocollimateur comprend deux équerres optiques, l'objectif étant placé sur la face libre de l'une des équerres et la fente du micromètre étant placée sur la face libre de l'autre équerre. 9. Biveau de précision selon l'une quelconque des revendications 1 et 8, caractérisé en ce que la fente de micromettre est réalisée par la distance séparant deux arêtes de deux prismes à 600 collés sur la face libre de ltéquerre considérée, lesquels prismes renvoient vers deux cellules photoélectriques la lumière de l'image de retour de la fente quand celle-ci ne se reforme pas exactement sur la fente d'émission, les signaux fournis par les cellules donnant un sisal proportionnel à la déviation de l'élément optique formant miroir. 10. Niveau de précision selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il peut avantageusement comprendre également un filtre rejecteur accordé à la fréquence propre d'oscillation de la masse pendulaire et une lame dévia trice ou un diasporamètre , entre objectif et l'élément optique formant miroir, de manière à faciliter le réglage du zero de l'appareil ou de permettre l'utilisation de l'appareil en appareil de zéro, le diasporamètre étant alors étalonné.