Brevet FR2284863A1 — publié le 19760409

La présente invention a pour obJet un détecteur de déplacements à ultrasons, comportant un transducteur ultrasonore auquel un circuit d'excitation impose des oscillations ultraso neres à une fréquence démission fO, des objets en mouvement par rapport à ce transducteur réfléchissant ces ondes ultrasonores en modifiant leur fréquence de la valeur du décalage dt à effet Doppler fD. Pour la détection d'objets mobiles sont notamment utilisées des barrières ultrasonores. L'onde ultrasonore provenant d'un transducteur d'émission est reçue par un second transducteur ultrasonore qui fonctionne en microphone. Les signaux fournis par ce microphone sont amplifiés et convertis en un signal de tension continue. Lorsqu'est interrompue la trajectoire ultrasonore, cette interruption se traduit par une variation du signal de microphone. L'émetteur et le récepteur ultrasonores peuvent être disposés à proximité immédiate l'un de l'autre, et ils sont alors orientés parallèlement à l'objet dont on désire détecter le déplacement. On tire alors parti de la fraction des ondes ultrasonores qui est réfléchie par cet objet, ce qui fait parler d'une barrière ultrasonore à réflexion. La fraction des ondes qui est réfléchie par I'objet en mouvement parvient au récepteur avec une fréquence modifiée, cette modification de fréquence étant proportionnelle à la vitesse v du déplacement de l'objet (décalage par effet Doppler).On désigne alors par fréquence Doppler fD la valeur de l'écart de fréquence par rapport à la fréquence d'émission fg, cet écart étant donné par la relation fD = Dans cette relation, c désigne la vitesse du son dans l'air. Du fait que le récepteur est également exposé au rayonnement direct de l'émetteur, ce récepteur reçoit en fait la somme du rayonnement direct et de ltonde réfléchie avec décalage de fréquence par effet Doppler. Il en résulte un battement d'interférence dont l'enveloppe possède justement la fréquence Doppler fD Un tel détecteur de déplacements ultrasonore par réflexion a été décrit dans la publication : "Piezoxide-Wandler", par J. Koch, éditée par Valvo GmbH, Hambourg, 1973, pages 95 à 97. La présente invention se donne pour but de concevoir un détecteur de déplacements à ultrasons dans lequel un unique appareil sert aussi bien d'émetteur que de récepteur. Ce but est atteint, conformément à l'invention, et dans un détecteur de dépla cements à ultrasons du genre précité, gracie au fait que- dans le circuit d'excitation, et sur un élément du montage que parcourt un courant dont l'intensité dépend du courant traversant le transducteur ultrasonore, est raccordée une prise de signal servant à la captation du décalage de fréquence par effet Doppler. Il existe déjà, pour les ondes électromagnétiques, des dispositifs dans lesquels le même appareil sert aussi bien à l'émission d'un signal qu'à la réception du signal réfléchi. De tels appareils radars par effet Doppler, qui fonctionnent de fa çon continue, servent à la détection de déplacements et sont employés dans une gamme de fréquences d'environ 10 GHz. On connaît pareillement des appareils radars fonctionnant selon une méthode dtimpulsions, c'est-à-dire de façon essentiellement discontinue. En pareil cas sont rayonnés de brefs trains d'ondes à la manière dtimpulsions, et l'on mesure l'intervalle de temps s'écoulant entre l'émission du signal et sa réflexion. On a toutefois ignoré jusqu'à présent de quelle manière le principe du radar Doppler pouvait être transposé aux détecteurs de déplacements à ultrasons. Le dispositif de l'invention fonctionne de la manière suivante Un transducteur d'émission-réception convertit une tension électrique alternative en oscillations mécaniques. I1 en résulte l'émission d'une onde acoustique. L'onde acoustique réflé chie par 1 l'objet revient au transducteur dtémission-réception. Lorsque cet objet se déplace, l'onde acoustique réfléchie se trouve décalée en fréquence en vertu de l'effet Doppler. A l'em- placement du transducteur s'ajoute ainsi à l'amplitude d'excitation AA, qui est produite par voie électrique, l'amplitude supplémentaire Ad qui provient de la pression sonore de l'onde réfléchie. De ce fait, l'oscillation d'excitation du transducteur se trouve modulée en amplitude par l'oscillation réfléchie. Le taux de modu lation Ad/AA se situe dans 11 ordre de grandeur de 10 à 10'5, Cette valeur est sans doute particulièrement faible, mais l'ampli- tude absolue de modulation Ad est suffisamment importante pour que le dispositif selon l'invention puisse fonctionner correcte-ment.L'amplitude d'excitation AA doit toutefois être tenue à l'écart de perturbations de nature statique, par exemple de modulations perturbatrices, ce qui revient à dire que des fluctuations d'amplitude de l'excitation possédant des fréquences se si- tuant dans la gamme des décalages de fréquence par effet Doppler doivent être tenues inférieures à 10 5. Ceci est techniquement facile à obtenir : il suffit à cet effet de veiller à l'obten- tion d'une tension d'alimentation stable et à ce que le transducteur ne comporte aucun mauvais contact électrique en fonctionnement ni aucune approximation dans sa fixation mécanique. I1 n'a pas été jusqu'à présent reconnu qu'il était possible de tirer parti des fluctuations d'amplitude du transducteur provoquées par effet Doppler en captant sur un émetteur ultrasonore des courants ou des tensions proportionnels à l'amplitude de ce transducteur. Il est cependant facile de capter un signal sur des éléments de circuit de 1'émetteur ultrasonore que parcourent des courants qui dépendent de façon linéaire ou non linéaire du courant du transducteur. Lorsque ces éléments de circuit présentent une non-linéarité électrique marquée, par exemple une caractéristique de diode, il est alors possible de capter sur de tels éléments de circuit un signal déjà démodulé. Dans le cas d'émetteurs ultrasonores à excitation indépendante, c'est-à-dire d'émetteurs possédant un oscillateur autonome avec un transducteur raccordé en aval, cet oscillateur et ce transducteur ne pouvant s'influencer mutuellement, de tels éléments de circuit-sur lesquels peut être capté le signal sont par exemple constitués par des électrodes auxiliaires du transducteur ultrasonore, ou par une résistance insérée dans le circuit du transducteur, ou encore par un élément de circuit de l'oscillateur que parcourent des courants dépendant du courant du transducteur. Dans le cas d'émetteurs ultrasonores à auto-excitation, lesquels sont essentiellement constitués par un amplificateur et par un transducteur ultrasonores, et dans lesquels est appliqué à l'amplificateur aux fins d'excitation des'oscillations un signal d'entrée proportionnel à l'amplitude du transducteur (signal de réaction) possédant une phase propre à renforcer ltoscillation du transducteur, ce signal de réaction est précisément modulé selon la fréquence Doppler fD, ce qui signifie que l'on peut prélever-à ce niveau un signal de sortie. De la même manière que dans le cas d'émetteurs ultrasonores à excitation indépendante, il est également possible, dans celui d'émetteurs ultrasonores à auto-excitation, de capter un signal de sortie sur des elements de circuit que parcourent des courants dépendant du courant du transducteur. En outre, les émetteurs ultrasonores à auto-excitation offrent avantageusement la possibilité de tirer parti d'un autre effet d'amplification : si l'on règle en effet le taux de réaction de façon suffisamment critique pour que le signal de réaction suffise pour maintenir sur le transducteur une amplitude électrique qui soit inférieure à l'amplitude maximale possible, par exemple égale aux huit-dixièmesde cette amplitude, la valeur de cette amplitude dépend alors fortement des variations de l'impédance derayonnement acoustique du transducteur. Sur ce transducteur peut alors entre prélevée une tension électrique dans laquelle l'amplitude de la fréquence Doppler est fortement amplifiée. L'invention sera à présent décrite plus en détail à propos de quelques formes de réalisation, données à simple titre d'exemples illustratifs, et avec référence aux dessins ciannexés. La figure 1 des dessins reproduit le schéma d'une première forme de réalisation d'un détecteur de déplacements à ultrasons avec circuit de réactionauto-excité. Entre la borne positive I et la borne négative 2 d'une source de tension est raccordé selon un branchement émetteur-base le transistor T1, dont l'é- metteur est relié à la borne négative 2 et dont le collecteur est relié à la borne positive 1 par l'intermédiaire d'une inductance H1 Le transducteur ultrasonore W1 se compose pour l'essentiel de deux lamelles piézocéramiques 40 et 50, qui sont plaquées sur les deux faces d'une lamelle- métallique 6, et qui portent sur leurs faces opposées à la lamelle métallique des métallisations 4 et 5.La lamelle métallique du transducteur est reliée à la borne négative 2, la métallisation 5 étant raccordée de son côté entre l'inductance et le collecteur du transistor. La base du transistor est reliée, par l'intermédiaire d'une résistance R2, à la métallisation 4 du transducteur. Entre cette métallisation et la résistance R2 est raccordée une résistance R1 dont l'autre extrémité est reliée à la borne positive 1. Entre 12 résistance z et la base du transistor T1 est raccordée une résistance R3 qui est reliée à la borne négative 2 par l'intermédiaire d'un concensa- teur C1. Entre cette résistance R3 et le condensateur C1 est connectée la borne de sortie 3.Dans ce détecteur de déplacements à ultrasons, la tension de réaction est prélevée sur-la métallisa tion et est appliquée à la base du transistor T1. Le transducteur ultrasonore W1 est excité grâce à la lamelle piézocéramique 50 de manière à produire des oscillations ultrasonores. La rési-s- tance R3 et le condensateur C1 constituent un filtre passe-bas Rc, en sorte qu'entre la borne de sortie 3 et l'une des bornes de connexion 1 ou 2 puisse être recueillie la fréquence 8 constituant le signal de sortie. Entre la résistance R2 et la base du transistor T1 est ainsi recueillie la tension présente entre base et émetteur du transistor, laquelle par suite de la nonlinéarité de cette impédance (diode) est déjà démodulée.Le filtre passe-bas RC libère cette tension de la fréquence d'émission fo Dans un cas concret de réalisation du schéma de la figure 1, les composants possèdaient les valeurs suivantes : R1 = 220 Kfl, R2 = 8,2 KO, R3 = 22 Kn, C1 = 10 nF, H1 = 47 mH, tension de service 9 V. La figure 2 des dessins illustre une variante de réalisation du détecteur de déplacements selon l'invention. Ici encore, il s'agit d'un circuit de réaction auto-excité. Entre la borne positive 10 et la borne négative 20 d'une source de tension, sont connectés le transistor T2 en branchement base-émetteur et le transistor T3 en branchement collecteur-base. Ces deux transistors sont complémentaires l'un de l'autre. L'émetteur du transistor T3 est raccordé par l'intermédiaire de la résistance R7 à la borne positive, tandis que son collecteur l'est à la borne négative. La base du transistor T3 est reliée par l'intermédiaire d'une résistance R6 à la borne positive 10, ainsi qu'au collecteur du transistor T2.L'émetteur du transistor T2 est raccordé par l'intermédiaire d'une résistance R10 et d'un condensateur C3 à la borne négative. La base de ce transistor T2 est elle-même connectée entre les résistances R5 et Rg, la résistance R5 étant reliée à la borne positive tandis que la résistance R9 l'est à la borne négative. Le transducteur ultrasonore W2 est raccordé, d'une part par l'intermédiaire de la résistance R8 à la borne négative, d'autre part au point de jonction entre la résistance W et l'émetteur du transistor T. Aux fins de réaction, un point intermédiaire entre le transducteur W2 et la résistance R8 est relié à un point intermédiaire entre la résistance R10 et le condensateur C3.Sur la base du transistor T2 peut titre capté, par l'intermédiaire d'un filtre-bas R4C2, le signal de sortie, une tension dont la fréquence correspond à la fréquence Doppler D pouvant être alors recueillie entre la borne de sortie 30, qui est connectée à un point intermédiaire entre la résistance R4 et le condensateur C2, et l'une des bornes de connexion 10 ou 20. Dans un cas concret de réalisation du montage de la figure 2, les composants possèdaient les valeurs suivantes R4 = 22 Kf; R5 = 18 K, R6 = 8,2 Kfl, W = 1 fl, R8 = 100 n, R9 = 1,5 Kn, R10 = 180fa C2 = 10 nF, C3 = 0,33 fiF, tension de service 15 V. Le schéma de la figure 3 des dessins illustre une forme de réalisation préférentielle de l'objet de l'invention. Entre la borne positive 100 et la borne négative 200 d'une source de tension sont connectées en série une résistance R12, une diode et une résistance R15 ici constituée par un potentiomètre réglable. Entre la diode et la résistance R12 est raccordée la base du transistor T4. Ce transistor est branché en montage émetteurbase, son collecteur étant relié par l'intermédiaire d'une résistance R16 à la borne positive 100, tandis que son émetteur l'est par l'intermédiaire d'une résistance R13 et d'une résistance R17 constituée par un potentiomètre à la borne négative 200. En parallèle sur la résistance R17 est branché un condensateur C5.Le transistor T5, qui est pareillement branché en montage émetteurbase, est relié par sa base au collecteur du transistor T4, tandis que son collecteur est relié à la borne positive 100 et son émetteur, par l'intermédiaire de la résistance R14, à la borne négative 200. Le transducteur ultrasonore W3 est inséré entre l'émetteur du transistor T5 et la prise de la résistancepotentiomètre R17. Au moyen du filtre passe-bas R18, C4 qui est interposé entre la base du transistor T5 et la borne positive 100 peut être recueillie la fréquence Doppler 9 entre la borne de sortie 300, laquelle est raccordée entre le condensateur C4 et la résistance R18, et l'une des bornes 100 ou 200. Dans cette forme de réalisation, le taux de réaction peut être réglé au moyen du potentiomètre R17, ceci de façon telle que, ainsi que déjà décrit ci-dessus, soit maintenue sur le transducteur W3 une amplitude électrique atteignant environ les huit-dixièmesde l'am- plitude maximale possible. On peut d'autre part régler, grSoe à la résistance R15, la valeur moyenne de la tension sur le collecteur du transistor Tq de façon telle que, soit les demi-ondes po sitives, soit les demi-ondes négatives de cette tension subissent un écrêtage, ce qui signifie que le montage fonctionne de façon dissymétrique. Cette dissymétrie rend la valeur moyenne dépendante de l'amplitude de cette tension.Cet écrêtage des demi-ondes est représenté à la figure 5 des dessins, sur laquelle sont portés en abscisses le temps t, et en ordonnées la tension U. Pour un réglage approprié de la résistance R15, on recueille sur le collecteur du transistor T4 une tension possédant l'allure représentée : il stagit d'une tension de haute fréquence U dont la fréquence correspond à la fréquence d'émission fO (courbe 1000). Cette tension est modulée par la fréquence Doppler D (courbe 1001) dans ses seules demi-ondes positives. Les demi-ondes négatives sont elles-mêmes coupées à une valeur de crête Us. Dans un cas concret d'application du montage de la figure 3, les composants possèdaient les valeurs suivantes R12 = 47 m, R13 = 180 #, R14 = 1 Kil, R15 K 4 KO, R16 = 8,2 Kfl, R17 = 100#, R18 = 22 KfX C4 = 10 nF, tension de service : 15 V. La figure 4 des dessins reproduit un schéma de principe d'une autre forme de réalisation préférentielle du détecteur de déplacements à ultrasons suivant l'invention. Dans cette forme de réalisation, la précision de mesure est accrue grâce au fait qu'est prévue une stabilisation d'amplitude pour le transducteur W4, gråce à laquelle peuvent être compensées des variations de nature non acoustique,telles par exemple que les influences de la température. Le transducteur W4, le dispositif de réaction 100, et l'amplificateur 101 constituent ensemble un oscillateur dont le taux de réaction peut être réglé par un organe de réglage d'amplitude 102 d'une valeur sous-régulée à une valeur sul régulée à partir d'une grandeur de réglage.Cette grandeur de réglage est elle-même délivrée par un comparateur 103 qui effectue la comparaison entre la valeur instantanée, ici par exemple représentée par l'amplitude de sortie du transducteur redressée dans le démodulateur 105, et la valeur prescrite d'une tension continue correspondant à l'amplitude désirée, cette valeur prescrite étant introduite au moyen d'un générateur 106. La différence, ctest-à-dire l'écart entre valeur instantanée et valeur prescrite, est fournie par le comparateur à ltorgane de réglage d'amplitude 102, ceci de façon telle que par une commande de la régulation de la réaction, l'écart entre ces valeurs soit réduit. L'organe C 107-inséré dans la ligne des valeurs instantanées possède une constante de temps de l'ordre de quelques secondes ou de quelques fractions de seconde, ce qui a pour effet d'empe- cher que les variations de l'amplitude haute fréquence correspondant au signal de sortie, dont la fréquence correspond à la fréquence Doppler fD, soient compensées par ce réglage. Le détecteur de déplacements à ultrasons selon l'invention peut être par exemple utilisé comme générateur de signaux pour des interrupteurs.électriques, par exemple pour des dispositifs d'ouvre-portes. Il est également possible de prévoir, pourdes raisons d'hygiène, des robinets d'eau à commande par ultrasons dans des installations de bains publiques. Le détecteur de déplacements à ultrasons selon l'invention représente par ailleurs un moyen précieux de mesurer des vitesses, en particulier dans le domaine des processus industriels. Le décalage de fréquence par effet Doppler fD fourni par ce détecteur peut être directement converti au moyen d'un fréquencemètre en une indication oe vitesse. R B V s N D I C A T I O N S 1. Détecteur de déplacements à ultrasons, comportant un transducteur ultrasonore auquel un circuit d'excitation impose des oscillations ultrasonores à une fréquence d'émission (fi), des objets en mouvement par rapport à ce transducteur réfléchissant ces ondes ultrasonores en modifiant leur fréquence de la valeur du décalage dA à effet Doppler, caractérisépar le fait que dans le circuit d'excitation, et sur un élément du montage que parcourt un courant dont l'intensité dépend du courant traversant le transducteur ultrasonore, est raccordée une prise de signal servant à la captation du décalage de fréquence par effet Doppler (fD). 2. Détecteur de déplacements selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comporte un transducteur ultrasonore piézocéramique (W1, W2, W3, F ). 3. Détecteur de déplacements selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le transducteur ultrasonore (W1) est constitué sous la forme d'un tripôle avec une électrode (4) sur laquelle peut être recueilli un signal électrique proportionnel au déplacement détecté. 4. Détecteur de déplacements selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que l'élément de montage auquel est raccordée la prise de signal présente une non-linéarité électrique. 5. Détecteur de déplacements selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'est prévu comme prise de signal un filtre passe-bas RC (R3C1, R4C2, R18C4), lequel possède une constante de temps de l'ordre de grandeur de f -1 D 6. Détecteur de déplacements selon la revendication 5, caractérisé par le fait qutil comporte un transistor bipolaire (T1, T2, T5) dans son circuit d'excitation, transistor dont le trajet base-émetteur est branché en démodulateur, et le filtre passe-bas étant raccordé à la base de ce transistor. 7. Détecteur de déplacements selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que le circuit d'excitation est constitué par un circuit à réaction auto-excité. 8. Détecteur de déplacements selon la revendication 7, caractérisé par le fait que sont prévus des moyens (R17, 102) grace auxquels peut être réglé le taux de réaction. 9. Détecteur de déplacements selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait que le taux de réaction possède une valeur telle que le transducteur ultrasonore (W1... W4 > reçoit une tension d'excitation dont l'allure de variation instantanée est non-sinusoldale, ou éventuellement de forme rectangulaire. 10. Détecteur de déplacements selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait qu'est prévu un comparateur (103) commandant un organe de réglage d'amplitude (102) et ajustant le taux de réaction en fonction d'une valeur prescrite prédéterminée (106) avec une constante de temps supérieure à f -1 D