Brevet FR2476359A1 — publié le 19810821

L'invention est relative à un dispositif à ultra-sons, du genre de ceux qui comprennent un émetteur propre à envoyer un faisceau d'ultra-sons vers un récepteur et des moyens pour répondre aux signaux fournis par le récepteur. L'invention a pour but, surtout, de rendre les dispositifs du genre en question tels qu'ils répondent mieux que jusqu'à présent aux diverses exigences de la pratique et notamment tels qu'ils conservent un rendement aussi voisin de l'optimum souhaité en dépit des variations possibles des conditions ambiantes, notamment de la température. Selon l'invention, un dispositif à ultra-sons, du genre défini précédemment, est caractérisé par le fait que le récepteur est relié à l'entrée de l'émetteur par l'intermédiaire de moyens de liaison et de moyens d'amplification dont les paramètres sont choisis de manière à permettre le fonctionnement en auto-oscillation du dispositif à ultra-sons, ce fonctionnement ayant lieu sur une des fréquences propres d'oscillation de l'émetteur et du récepteur. De préférence, les moyens de liaison comprennent des moyens de filtrage agencés pour ne permettre l'autooscillation du dispositif à ultra-sons que sur l'une des fréquences propres d'oscillation de l'émetteur et du récepteur, de préférence, la fréquence propre d'oscillation principale. Même si, par suite de variation des conditions ambiantes, notamment de la température, les fréquences propres de l'émetteur et du récepteur varient,le dispositif à ultrasons continue à fonctionner sur cette fréquence propre, avec un rendement optimal. Avantageusement, la bande passante du filtre est choisie de manière à ne pas introduire une atténuation trop forte des signaux pour les valeurs limites de la fréquence propre correspondant aux conditions extrêmes (admissibles) de fonctionnement, notamment de température. Le dispositif de l'invention constitue donc un système bouclé, une partie de la boucle étant assurée par la liaison à travers l'air, entre l'émetteur et le récepteur par le faisceau d'ultra-sons. On choisit les paramètres des moyens d'amplification de telle manière que le gain du système bouclé, formé par le dispositif de l'invention, reste supérieur ou au moins égal à un (condition d'auto-oscillation) dans les circonstances de fonctionnement les plus défavorables. Le dispositif à ultra-sons, de l'invention, peut servir à détecter la présence d'objets, et les moyens pour répondre aux signaux fournis par le récepteur sont alors propres à établir un signal lorsqu'un objet de volume suffisant passe entre l'émetteur et le récepteur de manière à couper le faisceau d'ultra-sons. Le dispositif à ultra-sons peut aussi servir, dans le cas où le milieu de propagation des ultra-sons entre émetteur et récepteur est à faible perturbation, à la mesure de distances par déplacement relatif du récepteur et de l'émetteur et localisation des noeuds et ventres de vibration , les moyens pour répondre aux signaux fournis par le récepteur ont, alors, des fonctions de seuil et de comptage. L'invention consiste, mises à part les dispositions exposées ci-dessus, en certaines autres dispositions dont il sera plus explicitement question ci-après à propos d'un mode de réalisation particulier décrit avec référence aux dessins ci-annexés, mais qui n'est nullement limitatif. La figure 1, de ces dessins, est un schéma du dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est un diagramme illustrant la courbe de réponse des émetteurs et récepteurs d'ultrasons, à trois températures différentes, en fonction de la fréquence portée en abscisses. La figure 3, enfin, est un diagramme de la courbe de réponse des moyens de filtrage. En se reportant à la figure 1, on peut voir un dispositif D à ultra-sons destiné à détecter la présence d'un objet, dépassant un certain volume, dans une zone R. Cette zone est constituée par l'espace compris entre un émetteur 1 et un récepteur 2, l'émetteur envoyant un faisceau d'ultra-sons vers le récepteur. Cet émetteur et ce récepteur sont placés dans l'air qui assurent la transmission des ondes ultra-sonores. L'émetteur 1 est formé par un transducteur à ultra-sons, par exemple une céramique, associée à une antenne émettrice, l'ensemble ayant des fréquences propres de vibration. Le récepteur 2 comprend une antenne réceptrice et un transducteur, les fréquences propres de vibration de l'ensemble du récepteur étant identiques ou aussi voisines que possible de celles de l'émetteur. La sortie du récepteur 2 est reliée à l'entrée de l'émetteur 1 par des moyens de liaison L et par des moyens d'amplification A de telle sorte que l'ensemble du système forme un système bouclé, une partie de la boucle étant assurée par la liaison à travers l'air entre l'émetteur 1 et le récepteur 2. Les paramètres des moyens de liaison L et des moyens d'amplification A sont choisis de manière à permettre le fonctionnement en auto-oscillation du dispositif. Le dispositif oscille de lui-meme à une des fréquences propres de l'émetteur 1 et du récepteur 2. Les moyens d'amplification A comprennent, du côté émetteur 1, un amplificateur 3 dont une entrée est attaquée par un signal en provenance du récepteur 2, et dont la sortie est reliée à l'émetteur 1 proprement dit. De préférence, cet amplificateur est du type amplificateur opérationnel. Du côté récepteur 2, les moyens d'amplification comprennent un pré-amplificateur 4 dont l'entrée reçoit le signal du récepteur 2, et dont la sortie est reliée par un cable électrique, et par l'intermédiaire de moyens de filtrage F à l'entrée de l'amplificateur 3. Les moyens de filtrage F sont constitués par une cellule résonante centrée sur la fréquence propre f0 sur laquelle on souhaite le fonctionnement en autooscillation du dispositif D. Cette fréquence f0 est la fréquence de résonance principale de l'émetteur 1 et du transducteur 2. Le filtre F permet d'obtenir un gain de boucle suffisant (au moins égal et de préférence supérieur à 1 pour la fréquence f0, et un gain de boucle inférieur à 1 pour toutes les fréquences de résonance autre que f0). De préférence, le filtre F est incorporé au pré-amplificateur 4. Toutefois, pour faciliter les explications, le filtre a été représenté, sur la figure 1, séparé du pré-amplificateur, Les paramètres des moyens de liaison et des moyens d'amplification sont choisis de manière à permettre 1 'auto-oscillation Cela signifie, tout d'abord que le gain de boucle doit etre égal ou supérieur à 1. Les différents gains ou pertes de la boucle sont les suivants - G3, gain de l'amplificateur 3 de l'émetteur d'ultrasons - PR,est la perte introduite par le couplage de l'émetteur 1 et du récepteur 2 à travers l'air dans la zone R - G4, est le gain de l'ensemble du pré-amplificateur 4 et du filtre F, ce gain étant maximum pour la fréquence propre f = f0. Pour que le système oscille de lui-meme, il faut que le gain de boucle égal au produit G3 PR pu . G4, soit supérieur ou égal à 1 pour la fréquence propre principale f0. On choisit ce gain de boucle > 1, pour des conditions normales de fonctionnement, de telle sorte que, meme dans le cas de conditions défavorables (par exemple vent transversal perpendiculaire à la direction A joignant émetteur et récepteur pouvant atteindre une vitesse de 130 km/heure) la condition d'auto-oscillation, au niveau du gain, reste satisfaite. En outre, pour que le système ne puisse pas osciller sur l'une des fréquences propres secondaires f de l'émetteur 1 et du récepteur 2, l'atténuation du s filtre F, incorporé au pré-amplificateur 4, est chsoie de manière telle que le gain de boucle soit inférieur ou égal à 0,5 dans tous les cas pour les susdites fréquences secondaires. L'ensemble des moyens de liaison et d'amplification est, en outre, agencé de telle sorte que les signaux provenant du récepteur 2 et renvoyés par les moyens L et A à l'entrée de l'émetteur 1 soient déphasés de 2 k par rapport aux signaux émis par 1 (k étant un nombre entier). Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant. Lorsque l'alimentation du pré-amplificateur 4 et de l'amplificateur 3 est assurée, le système se met de lui-merne en auto-oscillation ; les vibrations ambiantes recueillies par le récepteur 2 sont suffisantes pour amorcer le système. L'auto-oscillation s'établit à la fréquence propre principale f0. Si un objet de volume suffisant traverse l'espace R l'amplitude des oscillations baisse considérablement ou s'annule ; des moyens M sont prévus pour fournir, à partir de cette information, un signal indiquant qu'un objet est présent dans la zone R. Si, par suite d'une variation des conditions ambiantes, notamment d'une variation de température, la fréquence propre de l'émetteur l varie, simultanément la fréquence du récepteur 2, placé dans les memes conditions ambiantes, varie. Le système va continuer à osciller à la fréquence propre principale de l'ensemble, cette fréquence s'étant déplacée avec la température. L'ensemble va donc toujours fonctionner dans les conditions optimales de fréquence de résonance. Il n'en serait pas de même si, à la place d'un système auto-oscillant, on utilisait un émetteur 1 mis en vibration par un oscillateur. En effet, ur, tel oscillateur est réglé pour une fréquence déterminée, correspondant, par exemple, à la fréquence propre de l'émetteur 1 pour les conditions ambiantes les plus probables. Toutefois, lorsque ces conditions ambiantes varient, la fréquence propre de l'émetteur 1 et du récepteur 2 vont varier ; l'oscillateur, par contre, va conserver sa fréquence d'oscillation de telle sorte que pour les nouvelles conditions ambiantes, notamment nouvelles conditions de température, l'oscillateur ne sera plus accordé à la fréquence propre de l'émetteur. Il en résultera un moins bon rendement. L'invention permet donc, d'une manière simple, de conserver le rendement optimal. Si les températures de l'émetteur et du récepteur évoluent vers des valeurs différentes l'une de l'autre, le système continuera à osciller à une fréquence comprise dans la partie commune aux bandes passantes de l'émetteur, du récepteur et du filtre. L'invention a d'ailleurs nécessité de vaincre un préjugé résultant des observations suivantes. En principe, si le récepteur 2 se trouve à un noeud de vibration , l'auto-oscillation devrait cesser ou s'atténuer fortement. De préférence, le réglage initial est effectué de manière que la distance d entre l'émetteur 1 et le récepteur 2 est telle que ce récepteur se trouve à un ventre de vibration. Toutefois, l'air, notamment en milieu atmosphérique, a des caractéristiques fluctuantes. La pression et la température dans la zone R peuvent varier dans des proportions telles que la vitesse des ultra-sons, et donc leur longueur d'onde, se trouve modifiée dans une proportion telle que le récepteur 2, initialement placé au niveau d'un ventre de vibration, va se trouver, pour certaines circonstances, au niveau d'un noeud de vibration. Dans ces conditions, l'autooscillation devrait s'éteindre. La fiabilité du système serait insuffisante puisqu'une extinction pourrait se produire alors qu'aucun objet ne se trouve dans la zone R, cette extinction étant simplement due, par exemple, à des variations de température. Or, l'expérience a montré, d'une manière surprenante, qu'il n'y avait pas extinction même si le récepteur 2 se trouve vers un noeud de vibration. Des expériences effectuées en milieu calme, avec déplacement de l'émetteur 2 de manière à la faire passer alternativement par des ventres et des noeuds de vibration ont permis de montrer qu'il y avait une baisse de l'intensité des signaux vers les noeuds,mais que l'intensité qui subsistait était suffisante. On voit ainsi que, dans des conditions d'atmosphère à faible perturbation, on obtient un dispositif qui permet de localiser les noeuds et les ventres de vibration, la précision obtenue étant une fraction de la longueur d'onde. Pour le mode pratique de fonctionnement envisagé ici, la précision de mesure serait de l'ordre du mm. En associant des fonctions de seuil et de comptage, dont la réalisation électronique est simple, on obtient un dispositif de mesure des distances. En milieu atmosphérique normal, où il existe une agitation permanente de l'air, l'atténuation de l'intensité des signaux, lorsque le récepteur 2 se trouve à un noeud, est moins sencible. On peut penserque ce résultat surprenant, suivant lequel le système en auto-oscillation continue à fonctionner, même lorsque l'on fait varier la distance du récepteur 2 par rapport à l'émetteur 1, tient au fait que la surface d'onde ultrasonore est déformée en raison des conditions fluctuantes du milieu, à savoir l'air, qui transmet cette onde. Le récepteur 2 a une surface suffisante pour recevoir, en permanence, au moins localement, un signal suffisant pour entretenir l'autooscillation à un niveau acceptable. On pourrait, le cas échéant, donner à la surface du récepteur 2 une position inclinée par rapport à la direction G, de telle sorte que ladite surface du récepteur 2 ne soit pas orthogonale à cette-direction d. Sur la figure 2, on a tracé trois courbes a, b, c, représentant les variations de l'amplitude du signal à ultra-sons, pour des températures différentes. Ces courbes ont été obtenues expérimentalement en plaçant le le couple émetteur-récepteur dans un caisson porté å une température déterminée. La courbe a correspond à la température ambiante 200C. La courbe b correspond à une température de - 250C, tandis que la courbe c correspond à une température de + 500C. Le niveau de référence de l'amplitude (0 décibel) correspond à l'amplitude du signal pour la température ambiante sur la fréquence f0 de résonance. Dans l'exemple de réalisation, la fréquence f0 était de l'ordre de 30,6 KHz. L'axe des abscisses est gradué en fréquence kilo-hertz) tandis que l'axe des ordonnées est gradué en gain ou en atténuation (décibels) par rapport au niveau 0 décibel. On voit que pour la température de -250C, la fréquence de résonance s'est déplacée de Afl vers les fréquences plus élevées , l'amplitude du signal a augmenté. Dans l'exemple de réalisation sf1 est de l'ordre de 0,4 KHz et le gain de l'amplitude du signal est de l'ordre de 3 décibels. Pour la température de + 500C, la fréquence de résonance s'est déplacée vers les fréquences plus faibles d'une valeur af2, environ 0,2 KHz dans 1 'exemple réalisé. L'amplitude du signal a diminué (atténuation de 3 décibels dans l'exemple envisagé). Sur la figure 3, on a représenté la courbe e de réponse du filtre F. En ordonnées on a porté le coefficient de transmission T du filtre (rapport des amplitudes entre le signal de sortie et le signal d'entrée), tandis qu'en abscisses on a porté la fréquence du signal d'entrée. Le filtre F est agencé de manière à avoir le coefficient de transmission maximum pour la fréquence de résonance f0 des transducteurs à la température ambiante. La bande passante du filtre, pour une atténuation au plus égale à 3 décibels est égale à + Af de part et d'autre de la fréquence f0. Si les conditions extrêmes de fonctionnement pour la température sont de + 500C et -250C, Af est choisie supérieure ou égale à la plus grande des deux valeurs Afî, Af2 évoquées avec référence à la figure 2. Dans l'exemple de réalisation envisagé Af est de l'ordre de 0,6 KHz. Une atténuation de 3 décibels correspond à un coefficient de transmission TO , TO étant le coefficient maximal pour fO. Il convient de noter, en outre, que le système de l'invention continue à fonctionner correctement même si l'émetteur 1 et le récepteur 2 ne sont pas soumis aux mêmes conditions, notamment de température. Les essais effectués avec un dispositif conforme à l'invention ont permis de montrer qu'avec un amplificateur 3 dont la puissance est réduite, de l'ordre de quelques watts, il est possible d'atteindre une distance d de plusieurs mètres entre l'émetteur et le récepteur tout en conservant un fonctionnement correct. REVENDICATIONS 1. Dispositif à ultra-sons comprenant un émetteur propre à envoyer un faisceau d'ultra-sons vers un récepteur et des moyens pour répondre aux signaux fournis par le récepteur, caractérisé par le fait que le récepteur (2) est relié à l'entrée de l'émetteur (1) par l'intermédiaire de moyens de liaison (L) et de moyens d'amplification (A) dont les paramètres sont choisis de manière à permettre le fonctionnement en auto-oscillation du dispositif à ultra-sons, ce fonctionnement ayant lieu sur une des fréquences propres (f0) d'oscillation de l'émetteur et du récepteur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les moyens de liaison (L) comprennent des moyens de filtrage (F) agencés pour ne permettre l'auto-oscillation du dispositif à ultra-sons que sur l'une des fréquences propres d'oscillation (f0) de l'émetteur et du récepteur. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les moyens de filtrage (F) sont agencés pour ne permettre l'auto-oscillation que sur la fréquence propre principale (f0). 4. Dispositif selon la revendication 2 ou 3, caractérisé par le fait que la bande passante du filtre (F) est choisie de manière à ne pas introduire une atténuation trop forte des signaux pour les valeurs limites de la fréquece propre correspondant aux conditions extrêmes (admissibles) de fonctionnement, notamment de température. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la bande passante du filtre (F) est de l'ordre de 0,6 KHz de part et d'autre de la fréquence propre pour une atténuation de l'ordre de 3 décibels, la fréquence propre étant de l'ordre de 30 KHz. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les paramètres des moyens d'amplification (A) sont choisis de manière telle que le gain du système bouclé reste supérieur ou au moins égal à 1 dans les circonstances de fonctionnement les plus défavorables. 7. Dispositif à ultra-sons, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est utilisé pour détecter la présence d'objets, et que les moyens (M) pour répondre aux signaux fournis par le récepteur sont propres à établir un signal lorsqu'un objet de volume suffisant passe entre l'émetteur et le récepteur de manière à couper le faisceau d'ultra-sons. 8. Dispositif à ultra-sons, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il est utilisé pour la mesure de distances par déplacement relatif du récepteur et de l'émetteur, le milieu de propagation des ultra-sons entre l'émetteur et récepteur étant à faible perturbation, et que les moyens pour répondre aux signaux fournis par le récepteur ont des fonctions de seuil et de comptage.