Brevet FR2477712A1 — publié le 19810911

La présente invention concerne un appareil de contrôle par application de lumière à commande par un niveau de tension continue absolue et à gain stabilisé et, plus particulière- ment, elle concerne un circuit comportant une boucle de réaction unique permettant de compenser les variations de la source lumi- neuse, par exemple, un laser, et du moyen récepteur de lumière, de telle façon que les signaux indiquant des défauts que produit l'appareil soient soumis à la seule influence du produit contrôlé et non pas à celle de l'appareil effectuant le contrôle. Dans les appareils de contrôle par application de lumière, un faisceau de rayonnement, par exemple un faisceau laser, balaye, successivement dans un sens et dans l'autre, la surface transversale d'un matériau à examiner, tandis que l'intensité du faisceau, après sa réflexion, sa transmission ou sa diffusion par le matériau, est mesurée par un récepteur comportant un tube photo- multiplicateur. Le signal produit par le tube photomultiplicateur est appelé le signal de base du produit, et celui-ci varie en fonc- tion des caractéristiques du matériau ainsi examiné, de sorte que cette procédure offre un moyen de déterminer, à partir des varia- tions du signal mesuré, s'il existe ou non des défauts dans le maté- riau. Le signal de base du produit comporte également un certain niveau continu qui relève de l'intensité du faisceau laser, de la sensibilité de l'appareil, etc., et est indépendant du type de maté- riau examiné aussi bien que de l'existence de défautsdans le matériau. Ce signal peut être considéré comme un signal de fond, ou un niveau continu, de l'appareil, puisqu'il ne dépend pas de modifications du produit, mais de variations de l'appareil de contrôle. Dans de nombreuses applications, il suffit d'obtenir une variation relative du niveau de signal pour déterminer la présence de défauts, alors que, pour certains types de produits en feuille continue, il faut, pour identifier des défauts, disposer de variations absolues. Dans ce dernier cas, il est nécessaire de stabiliser le niveau de signal de fond de l'appareil afin que les variations du niveau de base du produit ne réfléchissent que les variations des caractéristiques du matériau soumis au contrôle. 24 777 12 Ainsi, un objet de l'invention est de proposer un moyen de contrôle par laser à courant continu absolu stabilisé, simple à réaliser et permettant de mesurer des variations absolues des caractéristiques du produit. Un autre but de l'invention est de proposer un moyen de détection de défauts par balayage au moyen d'un faisceau laser, dans lequel le signal utilisé pour la stabilisation est indépendant des paramètres du milieu extérieur. Pour mettre en oeuvre l'invention sous une forme illustrant un mode de réalisation possible, on prévoit un appareil de contrôle par laser comportant un dispositif effectuant le balayage par un faisceau laser d'une cible à contrôler, laquelle est une feuille continue mobile de matériau. Un récepteur est destiné à recueillir le rayonnement du faisceau laser émanant de la feuille continue, et ce récepteur comporte un tube photomulti- plicateur qui détecte le rayonnement et produit des signaux en fonction de l'intensité du rayonnement qui lui est appliqué. Un échantillon du rayonnement produit par le faisceau laser est pré- levé par le dispositif de balayage et est appliqué directement au tube photomultiplicateur de façon à produire un signal de base de référence qui dépend de l'intensité du faisceau laser mais échappe à l'influence du matériau du produit. Ce signal de base de réfé- rence est comparé à un signal de référence, et il est ainsi pro- duit un signal de commande qui est appliqué à une boucle fermée contenant le dispositif d'alimentation électrique du tube photo- multiplicateur afin de réguler le gain de puissance du dispositif d'alimentation électrique sous haute tension et ainsi permettre d'obtenir un dispositif produisant un niveau de tension continue absolu stabilisé. Dans une première forme de réalisation, l'échantil- lon de rayonnement peut être appliqué au tube photomultiplicateur par une conduite de lumière, ou bien, selon une autre forme, par un capteur stabilisé qui est balayé par le faisceau laser et trans- forme le signal lumineux du faisceau laser en un signal électrique qui est amplifié et appliqué à une diode électroluminescente à stabilisation de température, laquelle est en communication avec le tube pho2omultiplicateur. 24777 1 2 De façon avantageuse, le fait de placer la conduite de lumière ou le détecteur à proximité du dispositif de balayage per- met d'éviter tout dépassement excessif de balayage dans l'appareil tout en soustrayant l'extrémité réceptrice de la conduite de lumière ou le détecteur à l'influence du milieu externe. La description suivante, conçue à titre d'illustra- tion de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: - - la figure 1 est un schéma de principe de l'appa- reil de contrôle par laser à courant continu absolu stabilisé cons- tituant un mode de réalisation de l'invention; - la figure 2 représente des formes d'onde produites par l'appareil de la figure lqui servent à expliquer son fonctionne- ment; - la figure 3 est une représentation simplifiée d'un mode de réalisation de l'invention dans lequel deux tubes photomul- tiplicateurs sont utilisés dans le récepteur; - la figure 4 est une représentation simplifiée d'un mode de réalisation dans lequel il est utilisé une conduite de lumière pour obtenir un signal de base de référence; et - la figure 5 est une représentation simplifiée d'autres modes de réalisation de l'invention, dans lesquels la conduite lumineuse ou le photodétecteur sont placés au voisinage des bords antérieur et postérieur de la région balayée de la cible. On notera que, dans la description suivante, les éléments identiques sont désignés par les mêmes numéros de référence. D'autre part, à titre simplement illustratif, on a représenté un dispositif du type transmission, dans lequel les défauts sont détectés sur la base des propriétés de transmission du matériau examiné. Toutefois, il peut également être utilisé un dispositif du type réflexion dans lequel le signal de sortie du dispositif est proportionnel à la réflectivité du point du matériau sur lequel tombe le faisceau laser; dans ce dernier cas, il faut placer le récepteur au-dessus de la cible. L'utilisation d'un dispositif fonctionnant par transmission, par réflexion ou par diffusion 247771 2 dépend de l'application envisagée et du type de matériau examiné. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1, un dispo- sitif de balayage désigné dans son ensemble par le numéro de réfé- rence 10 comporte une source appropriée de rayonnement, par exemple un laser 12,produisant un faisceau lumineux 14 qui est appliqué, après réflexion sur des miroirs 16 et 18 convenablement disposés et passage dans un système optique 19 de formation de tache, à un balayeur rotatif 20. Le balayeur rotatif 20 est classiquement cons- titué d'un polygone à plusieurs facettes réfléchissantes qui est entraîné par un moteur (non représenté) dans le sens de la flèche indiquée sur la figure 1. On comprendra que le laser ainsi que les miroirs et le système optique de formation de tache peuvent être placés à l'extérieur du dispositif de balayage 10. On comprendra également que différents types de dispositifs balayeurs peuvent être utilisés, par exemple des miroirs oscillants, des prismes tournants, etc. Le balayeur rotatif 20 a pour fonction de faire successivement balayer par le faisceau 14 la dimension transversale d'une feuille de matériau 25 en déplacement continu, qui se déplace suivant une direction perpendiculaire au plan de la figure 1. Le - balayeur rotatif 20 fait balayer par le faisceau 14 la dimension transversale de la surface du matériau 25, et le balayage suivant la direction perpendiculaire, permettant d'obtenir une image complète, se réalise automatiquement du fait du déplacement de la feuille continue de matériau 25. La lumière transmise à travers le matériau 25 est appliquée à un récepteur 30 comportant un détec- teur approprié, par exemple un tube photomultiplicateur 32 qui détecte la lumière reçue. Alors que différents types de récepteurs peuvent être utilisés, le récepteur choisi est un tube 30 conduc- teur de la lumière qui possède une bande diffusante 31 à sa partie inférieure de manière que le rayonnement qui lui est appliqué par le dispositif de balayage 10 à travers la cible 25 soit diffusé et intérieurement réfléchi dans le tube 30 pour être appliqué à la face du tube photomultiplicateur 32. Un autre type de récepteur pouvant être utilisé est présenté et décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique n0 3 900 265. 24777 1 2 Co.uan dlas les appareils classiques de contrôle par faisceau lumineux, à tout instant du balayage, la détecteur 32 pro- duit un signal de sortie qui est proportionnel au facteur de trans- mission du point du matériau 25 sur lequel tombe le faisceau laser 14. L'apparition de défautsdans le matériau 25 soumis à l'examen entraîne des variations du signal de sortie du détecteur 32 sur la base des modifications des propriétés de transmission ou de difEu- sion du matériau examiné, de sorte qu'il est ainsi possible d'obtenir un moyen indiquant l'existence de défautsdans le matériau. Comme cela a été indiqué ci-dessus, dans un appareil fonctionnant par réflexion, le récepteur 30 peut être placé au-dessus du matériau 25 afin de pouvoir recevoir en réflexion le rayonnement diffusé ou spéculaire- ment réfléchi par la surface de la feuille mobile 25. Lorsque le faisceau de balayage 14 parcourt trans- ve-rsalement le produit 25, l'énergie lumineuse recueillie par le récepteur 30 passe de zéro (lorsque le faisceau ne tombe par sur le produit 25) à une quantité finie (lorsqu'il tombe sur le produit) résultant de la diffusion ou de la transmission par la feuille continue, puis de nouveau à zéro (lorsque le faisceau ne frappe pas le produit, cette fois au niveau du bord postérieur de la bande), le signal électrique de base correspondant à l'énergie lumineuse ainsi recueillie étant représenté sur la partie a de la figure 2. Le signal électrique produit par le détecteur 32 est, comme il est classique, une fonction rectangulaire, désignée couramment par l'expression "signal de base du produit". Au:ssi lontemps que la puissance du faisceau, la densité optique équivalente du produit et la sensibilité du récepteur restent fixes, la hauteur du signal de base du produit reste également fixe. Toutefois, si la puissance du faisceau ou la sensibilité dlx récepteur varient, la hauteur du signal de base varie également, et il est globalement impossible de déter- miner si la cause de la variation relève du produit ou d'une modifica- tion de la puissance ou du gain de l'appareil. Pour assurer qu'une variation du niveau de signal du détecteur résulte uniquement du produit, et obtenir ainsi un dispositif à courant continu absolu, on stabilise le gain de puis- sa;tie de l'appareil au moyen d'une boucle de commande incluant la 24777 1 2 sourse lumineuse aussi bien que le moyen recevant la lumière. Puisque les deux paramètres qui sont le plus souvent affectés par une dérive en fonction du temps, de la température et d'autres pro- priétés du milieu extérieur, sont la puissance du faisceau laser et le gain du tube photomultiplicateur, un moyen permettant de juguler les conséquences de ces variations consiste à appliquer une partie de l'énergie du faisceau, prélevée à l'intérieur du dispositif de balayage, directement à la face du tube photomulnti- plicateur. La figure 1 illustre une manière de mettre en oeuvre ce moyenqui utilise un capteur stabilisé 34, par exemple une cellule solaire ou un détecteur au silicium à compensation de température, placé à l'intérieur du dispositif de balayage 20 ou fixé au balayeur 10 de manière à transformer le signal lumineux qui est fonction de l'intensité du faisceau laser 14 en un signal électrique. Le signal de sortie du capteur 34 est appliqué à un amplificateur 36, dont l'amplitude peut être réglée par un poten- tiomètre 38, et le signal de sortie amplifié est appliqué à une diode électroluminescente 40 qui est placée à l'intérieur du récep- teur 30 au voisinage de la face du tube photomaltiplicateur 32. Alors qu'il est préférable de placer la diode électroluminescente 40 contre la face du tube photomaltiplicateur, la figure 1 illustre différentes manières de positionner la diode électroluminescente suivant la longueur du récepteur 30, pour le cas o cela se révé- lerait nécessaire. Le réglage du potentiomètre 38 correspond à la fixation de différents niveaux de référence, et correspond donc à une commande de la sensibilité de l'appareil en fonction des carac- téristiques de différents types de produits à examiner. Pour que le capteur stabilisé 34 exerce la fonction attendue, il est nécessaire d'échantillonner électroniquement le signal produit par le détecteur, de manière que son niveau paisse être comparé avec une tension de référence ajustable. Le signal de différence ainsi obtenu est amplifié et appliqué à un élément approprié du circuit de manière que l'on obtienne un gain de puissance constant. A cet effet, un élément approprié est constitué par le dispositif d'ali- mentation électrique sous haute tension qui est associé au tube photomul- 24 7 7 712 tiplicateur 32. Le gain du tube photomultiplicateur 32 est directe- ment lié à la haute tension appliquée au tube. Par conséquent, les variations de la puissance du faisceau laser, de la sensibilité du tube photomultiplicateur, ou de tout autre élément constitutif da la boucle sont donc corrigées dans le mode de réalisation illus- tré sur la figure 1 par un circuit de réaction imposant une sensibi- lité fixe à l'appareil, ce qui permet la mesure de variations abso- lues des caractéristiques du produit. Le signal de sortie du capteur 34 est appliqué, via le tube photomultiplicateur 32, à un circuit 42 d'échantillonnage et de maintien. A raison d'une fois par facette du balayeur 20, des impulsions de synchronisation 44 (1/f) sont appliquées par le balayeur rotatif 20 à un multivibrateur monostable ajustable 46 qui échantillonne le signal de sortie du capteur 34 à partir du signal de sortie composite du tube photomultiplicateur. Le niveau de base d'échantillon de référence 48, qui est illustré sur la partie b de la figure 2, est appliqué par le circuit d'échantillonnage et de maintien 42 à un amplificateur différentiel 50 recevant, par son autre entrée, un potentiel de référence fixé par un potentiomètre 52 réglable entre une tension V+ et le potentiel de la terre. Le signal de sortie de différence représentant les variations du niveau du signal de base de référence 48 est appliqué au dispositif 54 d'alimentation électrique sous haute tension, dont la sortie est connectée au tube photomultiplicateur 32. Par conséquent, les varia- tions de la puissance du faisceau laser, de la sensibilité du tube photomultiplicateur, et d'autres éléments de la boucle comprenant le dispositif 54 d'alimentation sous haute tension du tube photo- multiplicateur sont donc compensées par l'intermédiaire du circuit de réaction, ce qui a pour effet de stabiliser le gain de l'appareil. Le fait de placer le capteur 34 à l'intérieur du dispositif de balayage 10 et de relier sa sortie directement à la face du tube photomultiplicateur 32 élimine la nécessité de faire appel à des amplitudes de balayage excessives tout en soustrayant le détecteur 34 et le signal de sortie qui lui est associé aux influences du milieu extérieur. La figure 3 illustre un récepteur 30 qui utilise deux tubes photomultiplicateurs, à savoir, en plus du tube photo- multiplicateur 32, un tube photomultiplicateur 66. Dans un tel cas, il est souhaitable, bien que ceci ne soit pas absolument nécessaire, d'employer un deuxième capteur stabilisé, désigné par la référence 60, de façon qu'un capteur soit placé de chaque côté du produit, c'est-à- dire sur le bord intérieur et sur le bord postérieur de la feuille mobile 25. Comme cela est illustré sur la figure 3, le signal de sortie du capteur 60 est appliqué à un amplificateur 62, puis à une diode électroluminescente 64 disposée au voisinage de la face du tube photomultiplicateur 66. Avec ce mode de réalisation, il faut employer deux circuits de commande du type de celui illustré sur la figure 1, à savoir deux boucles fermées, à raison d'une par tube photomultiplicateur. Un autre mode de réalisation de l'invention est illustré sur la figure 4, et il constitue, de fait, la mise en oeuvre la plus simple qu'il est possible d'imaginer pour coupler une source lumineuse de référence, directement du faisceau laser au tube photo- multiplicateur, en utilisant une fibre optique, ou conduite lumineuse, partant des limites marginales de l'intervalle de balayage, ainsi que cela est illustré par la conduite lumineuse 70 sur la figure 4. Une conduite lumineuse est donc couplée au tube photomultiplicateur pendant un dépassement de balayage, et le signal de base 48 résul- tant, tel qu'il est représenté sur la partie b de la figure 2, est traité de la même manière que cela est illustré en relation avec la figure 1 par le circuit de commande. Il est possible de limiter la quantité de lumière passant dans la conduite lumineuse 70 au moyen d'un obturateur de champ qui constitue un moyen de réglage approprié à son utilisation avec différents types de produit et différentes configurations de récepteur. Il est naturellement évi- dent que l'on peut utiliser une conduite de lumière supplémentaire de l'autre côté du dispositif de balayage pour appliquer des impul- sions lumineuses à la fois au bord antérieur et au bord postérieur de la cible 25,-auquel cas on emploiera deux détecteurs et deux tubes photomultiplicateurscomme dans le mode de réalisation de la figure 3, sachant qu il est également possible de n'utiliser qu'un 24777 12 seul détecteur et un seul tube photomultiplicateur si cela est sou- haitable. La figure 5 montre comment le capteur 60 ou la conduite de lumière 70 peuvent être disposés suivant le bord anté- rieur et le bord postérieur de la cible 25 pour être frappés par le faisceau de balayage aux extrémités de dépassement dé sa trajec- toire. De la même façon, la sensibilité du circuit est commandée par la boucle fermée présentée sur la figure 1. Le but de cette représentationvgraphique est simplement de montrer qu'il est pos- sible de placer les capteurs ou les conduites de lumière éventuel- lement utilisés au voisinage de la cible, au lieu de les placer dans le dispositif de balayage de la façon illustrée dans les modes de réalisation précédents. Naturellement, avec ce mode de réalisa- tion, on perd une partie de l'avantage qu'il y a à soustraire le signal de base de référence produit à l'influence du milieu exté- rieur. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'ima- giner, à partir des dispositifs dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses autres variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. 24777 1 2 REVENDICATIONS 1 - Dispositif produisant un niveau de tension con- tinue absolu avec gain stabilisé pour commander la sensibilité d'un appareil de contrôle par application de lumière comprenant un laser (12) produisant un faisceau laser et un dispositif balayeur (10) qui fait balayer par le faisceau laser la surface d'un matériau mobile (25) à contrôler dans le but de détecter des défauts dans ce maté- riau, ainsi qu'un récepteur (30) destiné à recueillir le rayonnement du faisceau laser émanant du matériau, le récepteur comportant un tube photomultiplicateur (32; 66) qui détecte le rayonnement reçu et produit des signaux en fonction de l'intensité de la lumière qui lui est appliquée; le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un moyen (34, 36, 38, 40, 42, 46; 60, 62, 64; 70) permettant d'appliquer un échantillon de rayonnement du faisceau laser au tube photomultiplicateur afin de produire un signal de base de référence qui dépend de l'intensité du faisceau laser et qui n'est pas soumis à l'influence des caractéristiques du matériau; un moyen comparateur (50) qui reçoit un potentiel de référence et ledit signal de base de référence et qui produit un signal de commande; un moyen d'ali- mentation électrique (54) du tube photomultiplicateur; et un circuit de réaction qui applique ledit signal de commande au moyen d'alimen- tation électrique afin de réguler automatiquement le gain de puis- sance du tube photomultiplicateur sur une valeur constante et ainsi produire un dispositif à courant continu stabilisé. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que le moyen qui applique un échantillon de rayonnement au tube photomultiplicateur comprend une conduite de lumière (70). 3 - Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'une extrémité de ladite conduite de lumière est placée dans le dispositif de balayage et son autre extrémité dans le récep- teur afin d'appliquer directement au récepteur le rayonnement lors du dépassement de balayage du dispositif de balayage. 4 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une extrémité de ladite conduite de lumière est placée au voisinage d'un bord de la feuille continue mobile et son autre 24777 1 2 extrémité dans le récepteur afin d'appliquer directement au récep- - teur le rayonnement lors du dépassement de balayage du dispositif de balayage. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen qui applique un échantillon de rayonnement du faisceau laser au tube photomultiplicateur comprend un capteur (34) qui détecte la lumière dudit faisceau laser, un amplificateur (36, 38) connecté au capteur afin d'amplifier le signal produit par le capteur, et une diode électroluminescente (40) disposée dans le récepteur et connectée à la sortie de l'amplificateur. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur est disposé dans le dispositif de balayage. 7 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capteur est placé au voisinage d'un bord du matériau mobile.