Brevet FR2479447A1 — publié le 19811002

La présente invention a pour objet un procédé permettant de mesu- rer sans contact une dimension d'au moins un objet. A cet effet on fait dévier sur un échantillon qui se trouve à l'intérieur du champ de mesure un faisceau lumineux intense, en l'occurrence un rayon laser, et l'on compare la durée de l'interruption de la lumière par l'échantillon avec une durée de référence, ce qui permet de déterminer la dimension dudit échantillon. Un procédé semblable existant (brevet US 4 082 463) compare la durée de l'interruption de la lumière par l'échantillon avec la durée de -10 passage du faisceau lumineux par une fenêtre qui délimite le champ de mesure. Dans ce procédé la relation de la dimension à déterminer avec la dimension de l'ouverture de la fenêtre est proportionnelle à la relation de la durée d'interruption du fais- ceau lumineux par l'échantillon par rapport à la durée du passage du faisceau lumineux à travers le champ de mesure, c'est-à-dire d'un bord de fenêtre à l'autre. Lorsque la vitesse dé passage du faisceau lumineux à travers le champ de mesure est irrégulière, ceci peut générer des erreurs. Ces erreurs sont compensées par l'incorporation dans l'appareil de mesure d'une réglette binaire grossière à l'aide de laquelle sont stockées des valeurs étalons. Une interpolation est ensuite nécessaire pour la détermination des valeurs de mesure se situant entre les valeurs étalons. Ce procédé n'offre que des possibilités limitées pour la saisie et le traite- ment d'information parce que la saisie et le traitement des données après chaque passage du faisceau lumineux se font selon des cri- tères invariables. Le temps disponible pour le traitement des in- formations est relativement court. Nous avons déjà dit que ce pro- cédé ne permet qu'un calibrage grossier qui, de surcroît, nécessite une unité de programmation particulière, ce qui rend le réétalon- nage d'un appareil en fonctionnement extrêmement compliqué. La com- paraison de la dimension à mesurer avec la dimension de l'ouverture de la fenêtre suppose que cette ouverture est précise et invariable, condition qu'il est difficile de respecter lorsque l'appareil est par exemple exposé à des variations de température. La présente invention se propose de fournir un procédé de mesure complexe présentant un minimum de causes d'erreurs. Le procédé de la présente invention est caractérisé par le fait que les moments de chaque apparition et de chaque coupure du faisceau lumineux, pendant au moins un passage du rayon lumineux à travers le champ de mesure, sont stockés sans interruption sous forme de données de mesure et ensuite exploités. Dans le cas présent, le traitement se fera de préférence par un logitiel dans un micro- processeur. On obtient ainsi une possibilité de traitement com- plexe. Chaque cycle de mesure peut être basé ou sur un seul ou sur plusieurs passages du faisceau lumineux. Lorsqu'on utilise un mi- roir rotatif pour dévier le faisceau lumineux, on choisira comme durée de référence soit le laps de temps entre les passages suc- cessifs du faisceau lumineux à un endroit déterminé du champ de mesure, soit la durée de rotation du miroir. Ainsi on ne dépend pas d'une dimension de référence mécanique telle que l'ouverture d'une fenêtre par exemple. Nous donnons ci-après une description de la réalisation de l'invention en nous référant aux schémas: La figure 1 montre un dispositif de mesure, la figure 2 montre un schéma de principe pour le dispositif de mesure selon figure 1, la figure 3 est un graphique du dispositif selon figure 2 la figure 4 est un graphique illustrant le mesurage d'objets transparents. - Le dispositif selon figure 1 montre une construction optique qui est composée d'éléments courants. La source lumineuse 1, représen- tée schématiquement, envoie un rayon laser net 2 sur un miroir octogonal rotatif 3 ayant une vitesse de rotation constante. Ce miroir réfléchit le rayon laser et le dirige sur un système optique pourvue d'une lentille 5, d'o le faisceau lumineux atteint le point de mesure en passant par un diaphragme ou une fenêtre 6 dé- limitée par des éléments de bordure. L'ensemble optique est orienté de telle façon que le faisceau lumineux sort de la lentille 5 tou- jours parallèlement à l'axe optique et se dirige dans le champ de la fenêtre 6-6 de haut en bas lorsque le miroir 3 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre, ce qui est indiqué sur la figure 1 par une flèche. Chaque facette du miroir 3 provoque alors un passage du faisceau lumineux de haut en bas, ce qui correspond à une mesure. Dans notre exemple, il se-trouve dans le champ de mesure un échantillon 8, par exemple un câble, un fil de fer ou un tuyau, dont le diamètre extérieur est à déterminer. Cet échantillon est disposé transversalement par rapport à l'axe optique. Après le point de mesure se trouve une lentille convergeante 9 qui focali- se le rayon laser sur la cellule photoélectrique 10. Cette der- nière émet un signal de sortie E, selon figure 3, qui a une va- leur O ou valeur basse lorsque le rayon se trouve protégé par les éléments de la fenêtre 6 ou par l'échantillon 8, et qui a une valeur I ou valeur haute lorsque le rayon laser passe libre- ment. Ainsi que montré dans la figure 3, il se produit régulière- ment deux impulsions; le début et la fin de ces impulsions coin- cident avec l'entrée et la sortie du faisceau lumineux dans la fenêtre 66, la différence entre les impulsions correspondant à l'interruption du rayon par l'échantillon 8. La réalisation selon figures 1 et 2 montre le principe de montage et le traitement numérique de l'information à l'aide d'un microprocesseur. Une seule cellule photoélectrique 22 se trouve sur le côté d'entrée du faisceau lumineux. Selon figure 2, le microprocesseur 23 est relié à d'autres cir- cuits électroniques par un bus d'informations 24 et un bus d'ad- ressage 25. Le signal d'entrée E de la cellule photoélectrique 10 arrive sur le circuit logique 36 qui est pourvu d'un différentiateur sen- sible à des flancs d'impulsions montantes ou descendantes, une commande de compteur d'adresses et des circuits de commandes complémentaires. Ce circuit logique reçoit également le signal d'un émetteur 3", signal produit par un chopper qui tourne avec le miroir et qui est composé d'un disque 3' à huit dents, dont chacune correspond à une des huit surfaces du miroir. L'oscil- lateur 30 alimente constamment le compteur 29 qui compte en per- manence, tandis qu'une bascule 28 transfère régulièrement les informations enregistrées par le compteur à la mémoire 27. L'oscillateur fonctionne à une fréquence de 18 MHz; le compteur possède une capacité élevée de 24 Bits par exemple. Le circuit logique 36 commande le transfert à la mémoire 27 des informations enregistrées par le compteur coirme décrit plus loin. Le circuit est en outre pourvu d'un compteur d'adresses 35. Ce dernier est d'une part directement relié à la mémoire 27 et d'autre part au bus d'informations 24 et au bus d'adressage 25 par l'intermédiaire des portes logiques avec la possibilité d'avoir les sorties à haute impédance 37 et 38.. La mémoire permanente 31 détermine le déroulement du pro- gramme et sert en plus à stocker des informations correctives destinées à des adresses spécifiques. Une mémoire 32 sert au processeur de mémoire de travail pour toutes les informations à traiter. Une interface 33 transmet les valeurs de mesure obtenues à l'indicateur de sortie 34. La sélection de la mémoire 32 se fait par l'intermédiaire de la porte 39 soit en accès mémoire direct (DMA) par le circuit logique 36 ou pendant le traitement des valeurs de mesure par le microprocesseur 23. La figure 3 montre les signaux d'entrée c'est-à-dire le signal de mesure E qui, au moment donné No, monte de O à I en fonction de l'entrée du faisceau lumineux par la fe- nêtre 6. Par la suite, pendant le premier passage du faisceau lumineux sur l'échantillon ce signal redescent à O pendant un temps Pl et remonte au niveau I lorsque le faisceau lumineux se trouve entre l'échantillon et la fenêtre 6 et éclaire la cellule. photoélectrique 10. On parcourt ainsi plusieurs périodes de mesure; huit périodes avec les impulsions Pl à P8 correspondent à un cycle de mesure, c'est-à-dire à une rotation du miroir 3. La figure 3 montre également le signal C du chopper ainsi que le signal C' que le circuit logique transmet au microprocesseur 23, ce dernier signal résulatant de la division par huit du signal du chopper. A chaque flancs du signal E, c'est-à-dire à chaque apparition ou coupure du faisceau lumineux l'état momentané du compteur 29 est stocké dans la mémoire 27 sous forme de valeurs de mesure. Aussi- tôt après l'apparition de l'impulsion C" qui intervient toutes les huit mesures, c'est-à-dire à la fin de chaque cycle de mesure, le microprocesseur est mis hors circuit. Le circuit continue de fonctionner en accès mémoire direct. A ce moment toutes les va- leurs stockées dans la mémoire 27 sont transférées à la mémoire 32. Après ce transfert le circuit logique est branché sur "mesure" et le microprocesseur 23 sur "programme". Puisque le circuit lo- gique a accès direct aux mémoires 27 et 32, la transmission des valeurs peut être effectuée en un temps minimal mesurable en msec. Dans l'exemple de réalisation que nous avons choisi pour illustrer le procédé, cette transmission se fait dans l'intervalle qui sé- pare deux cycles de mesure consécutifs, comme indiqué dans la figure 3. Le début d'un nouveau cycle de mesure et la mémorisa- tion de nouvelles informations par la mémoire 27 interviennent simultanément au traitement séparé des informations selon le pro- gramme incorporé dans la mémoire 31. Le résultat du traitement arrive à l'affichage par l'intermédiaire de l'interface 33. Le programme peut être modifié et peut donc être choisi en fonction de critères différents, par exemple pour le mesurage de plusieurs échantillons à la fois qui seront disposés ensemble dans le champ de mesure. Dans ce cas il est facile de programmer le traitement de telle sorte qu'un seul ou plusieurs intervalles ou durées sont captés pendant lequel ou lesquels le faisceau lumineux est coupé par un échantillon donné, et de déterminer ensuite la dimension de l'échantillon concerné comme décrit plus haut, en comparant cette durée ou la somme des durées avec la durée du cycle de mesure. La figure 4 représente la possibilité de mesurer des objets transparents de forme cylindrique tels que tuyaux en matière pla- stique à usage médical. Ainsi que déjà indiqué, le signal E pré- sente un flanc montant No lors de l'entrée du faisceau lumineux par la fenêtre 6. Une réflexion totale du rayon lumineux se pro- duit au moment o le faisceau lumineux entre dans l'échantillon translucide, ce qui a pour conséquence que la cellule photoélec- trique 10 ne reçoit plus de lumière et que l'impulsion du signal devient descendante au moment Nl. S'agissant notamment d'échan- tillons creux, ils s'ensuivent plusieurs phases de passage lumi- neux et de réflexion, ce qui est représenté par plusieurs flancs du signal. Au moment donné Nx, le faisceau lumineux sort de l'échantillon. C'est alors qu'intervient une commande spécial dans le circuit logique 36 qui assure la transmission immédiate vers la mémoire 27 des informations correspondant aux moments NO et Nl. Les informations concernant les moments ou flancs sui- vants N2 à N(x-l) sont uniquement transmis à la bascule 28 o elles sont successivement surimpressionnées, ce qui veut dire que seule l'information saisie en dernier lieu est stockée. Sur le flanc descendant du chopper, la dernière information enregi- strée correspondant au moment Nx est transmise à la mémoire 27 o elle reste disponible pour un traitement ultérieur. Pour notre exemple, nous partons de l'hypothèse d'une seule mesure par cycle de mesure. Ceci veut dire que la dimension de l'échantillon qui est recherchée résulterait des durées sui- vantes: D =K P + P2+...P8 No' - No Autrement dit, la dimension recherchée D de l'échantillon résulte du rapport entre la somme des durées des passages du faisceau lumineux sur l'échantillon d'une part, et la durée de rotation du miroir 3 d'autre part. On établit donc une valeur moyenne des huit opérations de mesure-individurlles. Ainsi l'opération de mesure est indépendante-de la vitesse de rotation du miroir. D'autre part, d'éventuelles variations de la vitesse de rotation ainsi que d'éventuelles imprécisions géométriques du miroir n'au- ront aucune incidence sur la précision du résultat, puisqu'on procède à la moyenne de plusieurs mesures individuelles. La saisie permanente de valeurs individuelles offre également la possibilité de traiter toute autre information ou mesure complémentaire grâce au programme du microprocesseur. Il est donc à tout moment possible de saisir et de traiter des valeurs individuelles. Ainsi on peut établir la différence entre une valeur de mesure maximale et une valeur de mesure minimale et éliminer ensuite une mesure si la différence par rapport à la valeur maximale ou à la valeur mini- maie est supérieur à par exemple 10 %. Le procédé offre également la possibilité d'éliminer des résultats de mesures obtenus au cours d'un cycle pendant lequel le nombre d'impulsions du signal E n'aurait pas atteint un multiple entier de huit. On peut incor- porer un compteur qui enregistre toutes les mauvaises mesures éliminées ainsi que toutes les bonnes mesures, ce qui permet- trait de dresser un diagnostic du dispositif de mesure. On peut également réaliser une linéarisation de façon simple. Si la lentille 5 n'assure pas une vitesse de parcours constante du faisceau lumineux à travers le champ de mesure entre les bor- dures de la fenêtre 6 alors que la vitesse de rotation du miroir 3 est régulière, une correction ou une calibration est nécessaire. On obtient cette calibration de la manière suivante: à toutes les valeurs de mesures stockées dans la mémoire 27 sous forme de nom- bres d'impulsions de l'oscillateur 30 correspondent des valeurs corrigées stockées dans une mémoire séparée. La mémorisation de ces valeurs d'étalonnage peut se faire de plusieurs manières. A titre d'expérience on peut saisir et mémoriser les valeurs d'im- pulsions pour différents points du champ de mesure. Pour la cali- bration ou la correction il est cependant recommandé de se baser sur une fonction mathématique connue, à savoir le rapport entre l'angle d'incidence du rayon lumineux dans la lentille 5 et la distance du rayon lumineux dans le champ de mesure par rapport à l'axe optique. Pour un système optique donné et un miroir de dé- flexion donné on obtient une fonction mathématique spécifique qu' il faut prendre en considération. Lorsqu'il s'agit de lentilles de même nature ayant fondamentalement la même fonction, il est nécessaire de procéder à un calibrage en introduisant des valeurs caractéristiques ou constantes K tenant compte de la courbure de la fonction ou du décalage de la fonction du tracé linéaire. Sur la base de cette équation mathématique on peut établir les élé- ments à stocker dans une mémoire de calibration, Une autre possi- bilité consiste à fournir au microprocesseur un programme de cal- cul qui convertit les valeurs de mesures obtenues en fonction de ladite équation mathématique. Les méthodes de calibration ou de correction basées sur des rapports mathématiques qui viennent d'être décrites sont faciles à mettre en place au cours de la maintenance habituelle de l'appareil. S'il s'avère par exemple nécessaire de remplacer l'ensemble optique, il est facile d'in- troduire ses valeurs caractéristiques. En revanche, le procédé existant que nous avons décrit au début de la présente demande et qui utilise une réglette d'étalonnage, nécessite une logique de calibration compliquée d'autant plus qu'elle ne peut pas - être intégrée dans le dispositif de mesure même; le calibrage doit donc se faire à l'usine. R e ve nd ica ti on s 1. Procédé permettant de mesurer sans contact direct une dimension d'au moins un objet, par l'utilisation d'un faisceau lumineux net, en l'occurrence d'un rayon laser. Ce faisceau lumineux est dévié sur un échantillon qui se trouve à l'inté- rieur du champ de mesure, dans la direction de la dimension à déterminer. La comparaison de la durée d'interruption du rayon lumineux par l'échantillon avec une durée de référence permet de conclure à la dimension de l'échantillon. Le procédé est caractérisé par le fait que les instants de chaque apparition et de chaque coupure du faisceau lumineux pendant au minimum un passage du rayon lumineux à travers le champ de mesure sont stockés sans interruption sous forme de valeurs de mesure et ensuite traitesa. 2. Procédé selon revendication 1 caractérisé par le fait que les instants de plusieurs passages successifs du faisceau lumi- neux à travers le champ de mesure sont stockés sous forme d'in- formations de mesure et que les informations obtenus lors de plusieurs passages du faisceau lumineux sont traitées ensemble. 3. Procédé selon les revendications 1 à 2 prises dans leur ensemble, utilisant pour la déviation du faisceau lumineux un miroirpolygone rotatif, caractérisé par le fait que l'intervalle entre deux passages successifs du faisceau lumineux à un point donné ou le temps de rotation du miroir sont utilisés comme durée de référence. 4. Procédé selon les revendications 1 à 3 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le traitement se fait à l'aide d'un microprocesseur. 5. Procédé selon les revendications 1 à 4 prises dans leur ensemble, caractérisé pàr le fait que les résultats de mesures individuelles déviant sensiblement d'une valeur moyenne déterminée sont éliminés. 24794A47 6. Procédé selon les revendications 3 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé par l'élimination de résultats de mesure découlant d'un nombre d'informations qui ne correspond pas à un multiple entier du nombre des facettes du miroir polygone. 7. Procédé selon les revendications 1 à 6 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le nombre de mesures erron- nées est enregistré et utilisé pour établir un diagnostic du dispositif. 8. Procédé selon les revendications 1 à 7 prises dans leur ensemble, caractérisé par une calibration ou une correction'de la mesure sur la base de l'équation mathématique entre l'angle d'in- cidence du faisceau lumineux dans l'optique et la distance du fais- ceau lumineux à la sortie du système optique par rapport à l'axe optique. 9. Procédé selon revendication 8 caractérisé par le fait que la calibration ou la correction interviennent en permanence à l'aide d'un calculateur. 10. Procédé selon revendication 8 caractérisé par le fait que les informations de mesures sont corrigées à l'aide de valeurs de calibration ou de correction correspondantes stockées dans une mémoire séparée d'o l'on peut les sortir au moment de la mesure. 11. Dispositif pour l'application du procédé selon les reven- dications 1 à 10 prises dans leur ensemble, équipé de moyens per- mettant la déflexion répétitive du rayon lumineux à travers le champ de mesure, de moyens permettant la saisie des moments de chaque entrée du faisceau lumineux dans et de chaque sortie du faisceau lumineux de l'échantillon, équipé en outre de moyens pour le calcul de la dimension de l'échantillon en comparant la durée de l'interruption du rayon lumineux par l'échantillon avec une durée de référence. Ce dispositif est caractérisé par l'existence de mémoires (27, 32) pour le stockage des valeurs saisies sans interruption, dé moyens (23, 31) pour le traitement permanent des différences de temps et de moyens pour l'affichage des valeurs de mesure ainsi obtenues. 12. Dispositif selon revendication 11, caractérisé par l'utilisation d'un miroir polygone (3) pour la déviation du faisceau lumineux et par la production d'un signal (C) corres- pondant à la déflexion périodique du faisceau lumineux. Ce sig- nal commande le traitement périodique des différences de temps. 13. Dispositif selon les revendications 11 et 12 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait qu'il fonctionne en accès direct à la mémoire (DMA) et est équipé de deux mémoires pour le stockage des valeurs obtenues; qu'en outre il est-doté de moyens (36) permettant à la fin de chaque cycle de mesure la transmission des informations obtenues de la première mémoire (27) à la secon- de mémoire (32) en vue du traitement à l'aide de moyens appropriés des informations mémorisées par la seconde mémoire (23) et (31). 14. Dispositif selon les revendications 12 et 13 prises dans leur ensemble, caractérisé par le fait que le miroir rotatif (3) est pourvu d'un chopper (3') dont le signal (C) commande le dé- roulement cyclique de la mémorisation et du traitement des infor- mations.