Brevet FR2444255A1 — publié le 19800711

La présente invention concerne les dispositifs de mesure de déplacements de faible amplitude. Elle trouve une application particulièrement importante en métrologie, où il est souvent nécessaire de déterminer soit des déplacements de faible amplitude, soit les différences de cotes entre des pièces dont les dimensions doivent rester dans un domaine de tolérance déterminé. On connait des dispositifs de mesure de dëplacements comprenant un élément guidé dans un bâti, destiné à etre maintenu en contact avec le corps dont les déplacements sont à mesurer de façon à subir les mêmes déplacements suivant la direction linéaire ou angulaire de guidage et portant un obturateur de lumière constituant un écran occultant une fraction du faisceau émis par des moyens photo-émetteurs vers des moyens photo-récepteurs portés par le bâti, fraction variable en fonction dudit déplacement. On connait en particulier des dispositifs du genre cidessus définis utilisant des moyens photo-récepteurs ou optoélectroniques constitués par une barrette de photodiodes. La mesure de déplacement s'effectue par comptage du nombre de photodiodes illuminées par les moyens photo-émetteurs. Cette disposition exige un circuit numérique annexe de comptage complexe et, de plus, ne permet pas une mesure permanente. On connait par ailleurs des dispositifs de mesure utilisant comme organes transducteurs un transformateur différentiel : mais cette solution exige une mécanique prévue pour éviter toute application d'effort transversal au sens du déplacement. La présente invention vise à fournir un dispositif de mesure répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il fournit une plage de mesures notable, atteignant aisément plusieurs millimètres, tout en assurant une résolution élevée et en n'imposant pas de contraintes sévères sur les organes mécaniques. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif du genre ci-dessus défini, caractérisé en ce que lesdits moyens photo-récepteurs comprennent deux photodiodes planes fournissant un signal de sortie électrique d'intensité proportionnelle à l'éclairement reçu par leur surface sensible et associées chacune à une diode électroluminescente, le faisceau de lumière émis par chaque diode électroluminescente vers la photodiode correspondante étant occulté partiellement par le volet et la fraction occultée variant en sens inverse pour les deux diodes pour un déplacement de sens déterminé, et en ce que les photodiodes sont associées à un circuit formant la différence des signaux électriques qu'elles fournissent. Pour assurer la stabilité en température et l'équilibrage, les diodes électroluminescentes seront avantageusement alimentées par un générateur de courant constant muni d'organes ajustables, par exemple par résistance, permettant de tenir compte des dispersions de fabrication. Les deux photodiodes peuvent soit être distinctes, soit etre groupées en un seul et môme ensemble différentiel, disponible actuellement dans le commerce. Quant à'l'obturateur, il peut être constitué par un volet opaque porté par ledit élément, soit par une plaque transparente sur laquelle ont été déposés des caches opaques, par exemple par diffusion sous vide. Les diodes LED doivent fournir un flux relativement homogène dans l'angle solide sous lequel elles voient les photodiodes. On trouve dans le commerce des diodes électroluminescentes comportant une lentille incorporée assurant une homogénéité suffisante pour la plupart des applications. Si nécessaire, l'homogénéité peut entre encore améliorée en plaçant sur le flux lumineux de sortie des diodes un barreau mélangeur, en verre ou en plastique. On trouve dans le commerce de tels barreaux mélangeurs, fabriqués notamment par MINNESOTA MINING COMPANY 3M, qui donnent un flux homogène dans un angle de 200 environ. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma de principe montrant la disposition relative de l'écran et des photodiodes, - la figure 2 montre l'allure de la variation des flux lumineux reçus par les photodiodes en fonction du déplacement x, - la figure 3 est un schéma de principe d'une électronique pouvant etre associée aux photodiodes, - la figure 4 montre une variante de la figure 1, - la figure 5 montre une autre variante encore, utilisant un couple de photodiodes sur support unique, - la figure 6 montre une variante de l'invention, - la figure 7 montre une autre variante encore. La figure 1 montre schématiquement un élément 10, constitué par une touche, déplaçabl-e en translation dans un bâti non représenté. Cette touche est guidée par deux paliers li et 12 et se termine par un embout palpeur 13, qui sera généralement constitué en carbure de tungstène ou en rubis, destiné à venir en contact avec le corps dont les déplacements suivant l'axe de l'élément 10 sont à mesurer. Les paliers 11 et 12 sont fixés dans un bâti non représenté. Le bâti porte également deux photo-récepteurs 14 et 15, constitués par des photodiodes planes aussi identiques que possible. Ces photodiodes sont placées de façon que, lorsque la touche 10 se trouve au milieu de la plage de mesure, un volet 16,fixé à la touche, masque la moitié de la surface sensible de chacune des photodiodes. Dans le mode de réalisation illustré en figure I, le-volet est de forme rectangulaire et ce sont les côtés du volet 16 perpendiculaires au sens de déplacement qui délimitent les parties occultées des photodiodes. L'étendue de la plage de mesures est alors déterminée par la longueur de la partie active des photodiodes dans le sens du déplacement. On peut notamment utiliser des photodiodes planes dont la partie active a une surface carrée dont le côté- dépasse 2 mm. On peut notamment utiliser-des photodiodes planes sous revêtement plastique du type BPW 34 de la société SIEMENS, dont la surface active est de 2,75 x 2,75 mm. Le dispositif comporte encore deux photo-émetteurs capables de fournir un flux lumineux orienté perpendiculairement au plan des photodiodes, suffisamment homogène pour ne pas créer d'écart de linéarité. Ces photo-émetteurs sont constitués par des diodes électroluminescentes fournissant un flux lumineux dans une région du spectre auquel sont sensibles les photodiodes 14 et 15. On pourra notamment utiliser, dans le cas où les photodiodes sont du type indiqué plus haut, des diodes électroluminescentes travaillant dans l'infrarouge disponibles dansle commerce et éventuellement munies de barreaux mélangeurs. On voit. sur la figure 1 que le déplacement du volet 16 dans le sens indiqué par la flèche x diminuera le flux lumineux reçu par la photodiode 14 et augmentant celui reçu par la photodiode 15. La figure 2 montre schématiquement l'allure de la variation des flux U14 et U15 reçus respectivement par les photodiodes 14 et 15 en fonction du déplacement x. I1 faut noter au passage que le volet 16 peut entre, non pas solidarisé à demeure de la touche 10, mais relié à celle-ci par une liaison ajustable à vis et écrou, de façon à autoriser un réglage de zéro par rotation de la touche 10 dans le sens indiqué par la flèche f ou en sens inverse. La différence entre les flux lumineux reçus par les photodiodes peut avoir l'allure représentée en tirets sur la figure 2 et être nulle pour une position origine x = 0 ajustable du volet, si on prévoit un tel réglage. Pour obtenir un signal électrique fonction du déplacement, les composants opto-électroniques (photodiodes 14 et 15 et diodes électroluminescentes 17 et 18) doivent etre montés dans un circuit électronique différentiel, tel que celui montré en figure 3. Les diodes électroluminescentes 17 et 18 sont alimentées par un circuit comprenant une alimentation électrique proprement dite 23 reliée à une source de tension +V et un circuit de compensation en température 22. Les photodiodes 14 et 15 sont montées en série entre deux sources de tension -V et +V.Le point milieu entre les photodiodes attaque un circuit de réglage du décalage électrique 19, permettant un réglage du zéro, qui attaque à son tour un amplificateur 20. La tension de sortie de ce dernier est appliqué à un système de mesure de tension et d'affichage 21, pouvant hêtre constitué par un galvanomètre précédé d'un commutateur de réglage d'échelle. L'expérience a montré que la tension électrique de sortie de l'amplificateur 20 est sensiblement proportionnel à l'amplitude du déplacement dans une plage correspondant sensiblement à la longueur de la partie de la zone active des photodiodes 14 et 15. La figure 4 montre une variante de réalisation de l'invention permettant d'augmenter la plage de mesure pour une dimension donnée des photodiodes. Sur la figure 4, où les éléments correspondant à ceux de la figure 1 portent le même numéro de référence affecté de l'indice a, les arêtes du volet 16a qui occulte partiellement les photodiodes 14a et 15a font un angle différent de 900 avec la-direction du déplacement. Comme le montre la figure 4, on peut notamment utiliser un volet présentant une forme de parallélogramme ayant deux côtés perpendiculaires à la direction de déplacement et deux côtés obliques, ces derniers déterminant la partie occultée des photodiodes 14a et 15a. Il faut noter au passage que, quel que soit le mode de réalisation utilisé, grâce au montage différentiel des photodiodes 14 et 15, on s'affranchit dans une large mesure des variations dues aux jeux, à condition que le centre de la plage de fonctionnement coincide avec le point médian entre les paliers 11 et 12. En conséquence, le dispositif n'exige pas l'emploi de paliers de grande précision. Au lieu d'utiliser deux photodiodes distinctes, on peut utiliser un montage comportant deux -photodiodes réalisées sur un même support et montées en différentiel. On peut en particulier utiliser le circuit sous boitier plastique SIEMENS BPX 48, comportant deux photodiodes séparées par un intervalle de 50 Vm dont les surfaces sensibles ont une longueur de 2,25 mm. Dans ce cas, l'écran sera constitué, comme indiqué sur la figure 5, par un masque fixé à la touche 10a constitué par une fine lamelle transparente, dont seule une fraction, 24, est représentée. Sur ce masque 24 sont déposées, par exemple par évaporation sous vide, des zones opaques 25 et 26 indiquées en hachures et correspondant à deux secteurs de 900 de développement angulaire. Là encore, lorsqu'on souhaite augmenter la sensibilité du dispositif, on peut utiliser, au lieu de la disposition montrée en figure 5, celle de la figure 6 où les organes correspondant à ceux déjà montrés sont désignés par le môme numéro de référence, affecté de l'indice c. Le masque comporte alors deux zones 25c et 26c délimitant une bande transparente 27 à bords parallèles et faisant un angle O avec la direction de déplacement x. La largeur 1 de la bande est évidemment choisie en fonction des caractéristiques des photodiodes 14c et 15c. Dans tous les modes de réalisation décrits jusqu'ici, la zone de mesure est limitée par la longueur des photodiodes disponibles. Pour écarter cette limitation, le dispositif peut comporter plusieurs couples de photodiodes coopérant avec un même volet ou avec des volets distincts, intervenant successivement dans la mesure. Dans le mode de réalisation illustré en figure 7, le volet 26d coopère avec deux couples de photodiodes 14d, 15d et 28, 29 associées à des diodes électroluminescentes correspondantes. Les couples de diodes sont successivement utilisés et, pour assurer une bonne linéarité, le décalage entre les couples de photodiodes est égal à la moitié de la longueur de chaque photodiode. Ainsi, la mesure s'effectue chaque fois dans la zone linéaire de la courbe de réponse des photodiodes. Le dispositif est alors évidemment complété par un compteur qui donne les chiffres de poids fort de la mesure. L'invention est encore susceptible de nombreuses autres variantes de réalisation. En particulier, elle peut s'adapter de façon simple à la mesure de déplacement de rotation. REVENDICATIONS l. Dispositif de mesure de déplacement, comprenant un élément guidé dans un bâti, destiné à être maintenu en contact avec le corps dont les déplacements sont à mesurer de façon à subir les mêmes déplacements suivant la direction linéaire ou angulaire de guidage et portant un obturateur de lumière constituant un écran occultant une fraction du-faisceau émis par des moyens photo-émetteurs vers des moyens photo-récepteurs portés par le bati, fraction variable en fonction dudit déplacement, caractérisé en ce que lesdits moyens photo-récepteurs comprennent deux photodiodes planes fournissant un signal de sortie électrique d'intensité proportionnelle à l'éclairement reçu par leur surface sensible et associées chacune à une diode électroluminescente, le faisceau de lumière émis par chaque diode électroluminescente vers la photodiode correspondante étant occulté partiellement par l'obturateur et la fraction occultée variant en sens inverse pour les deux diodes pour-un déplacement de sens déterminé, et en ce que les photodiodes sont associées à un circuit formant la différence des signaux électriques qu'elles fournissent. 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les diodes électroluminescentes sont alimentées par un générateur de courant constant de stabilisation-en temwérature. 3. Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que l'obturateur est constitué par un volet opaque porté par ledit élément et venant s'interposer plus ou moins entre les photodiodes et les diodes électroluminescentes correspondantes. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le volet comporte deux bords perpendiculaires à la direction de déplacement et coopérant chacun avec une photodiode de façon à découvrir l'une quand il recouvre l'autre. 5.- Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les volets comportent deux bords parallèles, faisant un angle différent de 900 avec la direction de déplacement et coopérant avec les photodiodes de façon que le volet découvre davantage une photodiode lorsqu'il recouvre davantage l'autre. 6. Dispositif suivant la revendication 3, 4 ou 5, caractérisé en ce que les photodiodes sont situées symétriquement par rapport au point milieu entre des paliers de guidage dudit élément. 7. Dispositif suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les photodiodes sont groupées en un même ensemble, sur un môme support et coopèrent avec un obturateur constitué par un masque porté par une lame transparente fixée audit élément.