Brevet FR2356915A1 — publié le 19780127

La présente invention concerne un procédé de mesure rapi de et précis de la fréquence de résonance d'un résonateur mécanique; elle est plus particulièrement intéressante dans le cas de résonateurs constitués par des barreaux rzétalliques pleins de forme géné raclement cylindrique0 la détermulation de la fréquence de résonance de résonateurs mécanielues, par exemple de barreau: d'acier, est effectuée habituellement dans un montage en pont alimenté par un générateur à fréquence variable.Le résonateur est placé dans une bobine alimentée par une source à fréquence ajustable constituant l'une des branches du pont. le résonateur est par ailleurs placé dans les conditions d'oscillation suivant le mode désiré ce qui conduit souvent à des montages délicats. La mesure comporte l'équilibrage du pont, le générateur étant à une fréquence voisine de la. fréquence de résonance, puis la recherche de la fréquence pour laquelle le déséquilibre du pont est maximal0 Cette opération est relativement longue. Le procédé selon la présente invention utilise l'excita- tion du résonateur en vibration sous l'influence d'un choc mécanique extérieur ; le capteur est constitué par un solenoSde soumis à un faible flux dtaisantation dans lequel est placé le résonateur ; les vibrations du résonateur modifient la répartition du flux dans la bobine donnant naissance à une tension induite ; la mesure est basée sur le comptage du nombre de vibrations du barreau pendant une durée fixe ou sur la mesure de la durée correspondant à un nombre entier de vibra.tions. Cette durée est fonction de llamortis- sement des vibrations.Pour oes résonateurs performants, elle peut millisecondea atteindre une centaine de/ ce qui permet d'atteindre une précision de mesure de la fréquence ue l'ordre de 10-6, le procédé de mesure suppose l'existence dans le solenoS- de d'un flux magnétique polarisant. Suivant la nature du résonateur, il peut être créé soit par le résonateur lui-m8me lorsqu'il est aimanté, soit par un aimant extérieur, soit par un courant continu parcourant la bobine constituant le solénoïde. L'excitation par choc du résonateur selon La présente invention doit être réalisée de façon à exciter le mode de vibration désiré.Il est bien connu de favoriser un mode d'excitation au détriment d'autres modes, même d.e fréquences voisines, à l'aide ce supports convenablement placés dans ou sur le résonateur compte tenu du mode désiré. L'invention sera bien comprise en se reportant à la description suivante relative à la mise en oeuvre du procédé objet de l'invention à la mesure de la fréquence propre de résonance de barreaux métalliques vibrant suivant le mode longitudinal fondamental, étant bien entendu que cet exemple est donné sans aucun carac tère limitatif, Les figures jointes représentent respectivement - la figure 1 un schéma du montage de la tette de mesure, - la figure 2 un bloc digramme de la channe de traitement du signal délivré par la tête, - les figures 3 et 4 des courbes d'étalonnage de la mise en oeuvre de l'invention représentée sur les fixes 1 et 2. La tette de mesure ou capteur est représentée sur la figure 1. Le barreau 1 constituant le résonateur à mesurer est placé dans le champ magnétique Ce polarisation créé par l'aimant permanent 2 suivant ltaxe .'une bobine 3. La fixation ne doit pas diminuer le facteur de qualité du résonateur.Des résultats satisfaisants sont obtenus en maintenant le barreau en un noeud de vibration par une rondelle en matériau souple 4. Le ma.rteau 5 commandé par l'électroaimant 6 vient frapper le barreau et provoque sa mise en vibration. Un système amortisseur 7 limite les oscillations du marteau. Après le choc, l'amplitude des vibrations diminue avec une constante de temps proportionnelle au facteur ae qualité du matériau. Les oscillations du barreau modifient le flux magnétique dans la bobine ce.qui engendre aux bornes de la bobine, une tension induite, qui constitue le signal servant à la mesure0 le signal est traité dans le cricuit représenté sur la figure 2. Après amplification le signal de mesure traverse un filtre passe bande 12 centré à une fréquence voisine de celle de résonance du barreau, laissant passer cette dernière et définie d'après les dimensiov.s de celui-ci. Ce filtre peut être constitué d'une cellule en T à inductances et capacité3du type décrit dans le livre "Référence data for radio Engineers11dité par I T T (5ème édition 1969) chapitre 8. Ce filtre a pour.objet de réduire le bruit et d'isoler la fréquence de résonance à mesurer0 Pour obtenir une sensib.ilité de mesure acceptable, un amplificateur non linéaire 13 est prévu.Il peut être réalisé par un amplificateur intégré du type 709 (fabriqué par Vexas Instruments) équipé d'une contre réaction par un réseau à diodes, le gain du circuit croit quand l'amplitude du signal diminue suivant une loi quasi logarithmique. Le circuit de mise en forme 14 à seuils réglables (réalisé gracie à un circuit du type 7400 fabriqué par "Texas Instruments') isole le signal utile du résidu de bruit de façon à délivrer un signal en créneau compatible avec les caractéristiques d'entrée du fréquencemètre de mesure. Un système de commande temporisé 15 alimente ltélectro- aimant qui provoque le coup du marteau 5.-Ce circuit assure également la remise à zéro et la mise en route du fréquencemètre. Deux circuit s de mesure sont schématisés sur la figure 2 qui sont raccordés l'un ou l'autre aux bornes A et 3. le fréquencemètre peut entre constitué par les circuits 16 à 210 Le circuit 16 permet l'ouverture de la porte 17 pendant 10 n périodes du signal, pendant ce temps les impulsions de la base de temps à quartz 18 sont comptées dans le compteur 19, le nombre d'impulsions est inversé dans le calculateur 20. L'afficheur 21 indique le résultat. de la mesure et en assure la mise en mémoire (ces circuits peuvent être réalisés à l'aide de circuits-intégrés décrits dans le Manuel d'applications des circuits intégrés digitaux T T L Edité par Texas Instruments -Franee-). Dans le cas ou la vibration est obtenue pendant plus de 100 ms avec une amplitude suffisante, les circuits 16 à 21 peuvent entre replacés par un fréquencemètre réciproque du type 2620 fabriqué par la Société Schlumberger, cet appareil permet d'obtenir une précision de + 10'6 pour un temps de comptage voisin de 100 me. Une analyse succincte permet de chiffrer la précision et la sensibilité des mesures obtenues par mise en oeuvre de l'inventios Soit Ao l'amplitude initiale du signal d'entrée Al l'amplitude du signal d'entrée qui après traitement par les circuits 11, 12 et 13 correspond au seuil du circuit 14 (figure 2) Fs la. fréquence de résonance dans le mode voulu que l'on recherche Q le facteur de qualité du barreau tm la durée de la mesure t est le temps compté à partir du choc et de le mise en route de la mesure, L'amplitude du signal suit la loi A (t) = Ao exp -17F5 t /Q. m Pendant la durée tm le signal doit être supérieur à A1. Donc, il faut que l'amplitude au début du cycle soit : Ao > A1 exp#Fstm/Q Cette condition définit la sensibilité du procédée L'incertitude de mesure de fréquence AF5/F5 est inversement proportionnelle à tmo Lorsque le temps de mesure est un multiple entier de la période du signal à mesurer, l'incertitude de mesure est Fp étant la fréquence du signal local utilisé pour déterminer tm. Les courbes des figures 3 et 4 permettent de définir les conditions de mesure. La figure 3 donne le rapport minimal Ao/A1 pour un temps de mesure de 100 ms, en fonction du facteur de qualité du résonateurO la figure 4 représente la variation du rapport minimal Ao/A1 en fonction du temps de mesure (ou de le précision de mesure en supposant qu'on utilise un fréquencemètre du type ci-dessus dont la fréquence locale est de 10 IHz). les différentes courbes correspondent aux différentes valeurs du facteur de qua.lité du barreau qui sont portées à côté des courbes. Un appareil de mesure a été réalisé pour mesurer la fréquence de vibration longitudinale de barreaux d'alliage du type élinvar ou thermelast, de fréquence voisine de 130 kHz. La précision de la mesure est alors égale à + 0,1 Rz, la durée d'un cycle de mesure complet est inférieure à 500 ms. REVENDICATIONS lo Procédé de mesure de la fréquence de résonance d'un résonateur mécanique suivant un mode choisi à l'avance comportant essen tellement les opérations suivantes - introduction du résonateur dans un solénofde - fixation du résonateur en un noeud de vibration du mode désiré - établissement dtun champ magnétique dans le solénoïde - excitation par choc du résonateur à un instant initial - amplification - filtrage et mise en forme de la tension induite - comptage du nombre de périodes de la tension induite pendant une durée fixe commençant à l'instant initial ou mesure de la durée correspondant à un nombre entier de vibration 2.Procédé de mesure selon la revendication 1 dans lequel le champ magnétique e.;t établi dans le solénorde par des aimants extérieurs0 3O Procédé de mesure selon la revendication 1 dans lequel le résonateur est aimanté. 49 Procédé de mesure selon la revendication 1 dans lequel la durée du comptage est inférieure à 100 millisecondes. 5O Appareil de mise en oeuvre du procédé selon revendication 1 appliqué à des résonateurs en forme de barreau cylindrique comportant au moins les éléments suivants - un marteau commandé par un électroaimant - un circuit de base de temps commandant ledit électroaimant - une chaîne de traitement de signal - un appreil de mesure déclenché et remis à zéro par ladite base de temps. 6. Appareil de mesure selon revendication 5 dans lequel la channe de traitement de signal coiilporte au moins - un amplificateur non linéaire - un filtre passe-bande accordé au voisinage ae la fréquence à mesurer - un circuit de mise en forme alimentant l'appareil de mesure.