Brevet FR2496872A1 — publié le 19820625

L'invention concerne la mesure des variations de la position angulaire d'un solide par rapport à un solide de référence. Pour mesurer les variations de la position angulaire d'une structure telle qu'une machine à mesurer, il est connu d'utiliser un dispositif comportant un faisceau laser divisé en deux faisceaux rigoureusement parai- lèles et d'envoyer ces deux faisceaux sur deux détecteurs photoélectriques placés sur la structure dont on veut mesurer la déformation. A titre d'axes ple, on pourra se reporter à la demande de brevet français nO 77-21099 au nom de la demanderesse, qui, à la figure 6, décrit un dispositif de mesure de la torsion d'une tour 71 au moyen de deux faisceaux laser parallèles xx' et aa' envoyés sur deux cellules 90 et 91.On constate cependant que cette méthode est d'autant plus precise que lsécart entre les deux cellules 90 et 91 dans l'exemple donné, est plus grand. Un tel dispositif est par conséquent encombrant et peut être difficile à mettre en oeuvre sur certaines structures : pour les structures ne permettant pas de placer des cel lules à une distance suffisamment grande l'une de l'autre, on obtiendra des résultats de mesure peu precis. L'invention tente de remédier à cet inconvenient. Elle permet la mesure des variations de la position angulaire d'une structure quelconque, même compacte, de façon simple et précise. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif de mesu re des variations de la position angulaire d'un solide S1 autour de trois axes orthogonaux Ox, Oy, Oz lies à un solide de référence Selon l'invention, ce dispositif comporte - solidaire du solide S1, une cible d'axe parallèle à Ox susceptible de par. tager tout faisceau incident en deux faisceaux réfléchis dont l'un est parallèle au faisceau incident et l'autre symétrique du premier par rapport à l'axe de la cible, - solidaires du solide SO, un emetteur de faisceau laser dont est issu au moins un faisceau L1 parallèle au plan xOy et tombant sur la cible, et des detecteurs de mesure des deviations à chaque instant des faisceaux réfléchis, d'une part dans une direction parallèle à l'axe Oz d'autre part dans une direction parallèle au plan xOy. Selon une caracteristique de l'invention, la cible est constituée d'un miroir plan et d'une lame semi-refléchissante perpendiculaire à ce miroir. Dans un mode préféré de réalisation de l'invention, les détecteurs sont constitues par des cellules photoélectriques asservies à rester centrées sur les faisceaux, les mesures étant effectuees d'une manière dif férentielle par rapport à un zéro arbitraire. L'invention concerne aussi un procédé de mesure des variations c Nous allons déterminer les relations permettant d'obtenir les valeurs C(, ss et r en nous reportant à un mode de réalisation préféré dans lequel deux faisceaux L1 et L2 sont issus de l'émetteur de faisceau laser et tombent symétriquement sur la cible, dans deux plans d'incidence parallèles entre eux. La figure 1 représente une vue de dessus de ce mode de réalisation. La figure 2 représente en perspective le mode de réalisation de la figure 1. Les figures i et 2 représentent un dispositif de mesure des variations de la position angulaire d'un solide Sd autour de trois axes orthogonaux Ox, Oy et Oz liés à un solide de référence S0. On a fixé au solide S1 une cible 1. Cette cible 1 est constituée, dans ce mode de réalisation, d'un miroir plan 2 sur lequel est fixée une lame semi-réfléchissante 3 perpendiculaire au miroir 2. Comme on peut le constater, la cible 1 présente la caractéristique de partager tout faisceau incident en deux faisceaux réfléchis dont l'un est parallèle au faisceau incident et l'autre symétrique du premier par rapport à l'axe de la cible 1. En particulier, l'émetteur de faisceau laser 4 solidaire du solide SO envoie deux faisceaux L1 et L2 décalés en s au moyen de séparations 5 et 6. Ces faisceaux L1 et L2 tombent symétriquement sur la cible l mais dans deux plans d'incidence parallèles entre eux. Le faisceau L1 se divise en deux faisceaux que l'on appellera L1 C1 et L1 C'20 Le faisceau L1 C1 est obtenu par une première réflexion sur la lame semi-réfléchissante 3 suivie dtune deuxième réflexion sur le miroir 2. Le faisceau L1 C'2 est obtenu par une seule réflexion sur le miroir 2 après que le faisceau L1 ait traversé la lame semi-réfléchissante 3.Le faisceau L1 C1 est parallèle au faisceau L1 et le faisceau L1 C' est symétrique du faisceau L1 C1 par rapport à 2 l'axe de la cible 1. De la même façon, le faisceau L2 est partage en deux faisceaux réfléchis, un faisceau L2 C2 obtenu par une première reflexion sur la lai semi-reflechissante 3 suivie d'une deuxième réflexion sur le miroir 2 et un faisceau L2 C'1 obtenu par une seule réflexion sur le miroir 2 après traversée de la lame semi-réfléchissante 3. Le faisceau L2 C2 est paral -lèle au faisceau L2 alors que le faisceau/L2 C2 par rapport à l'axe de li L2 C'1 est symetrique du faisceau cible. Comme les faisceaux L1 et L2 sont envoyés symétriquement sur 1 cible, on obtient en fait deux groupes de faisceaux parallèles entre eux les faisceaux L1, L1 C1 et L2 C'1 dtune part et les faisceaux L2, L2C2 et L1C'2 d'autre part, les deux groupes delaisceaux étant symétriques par ra port au plan de symétrie de la cible. Quand le solide S1, donc la cible 1, subit des variations dans sa position angulaire, les quatre faisceaux réfléchis subissent, eux auss des variations que l'on peut exprimer facilement en fonction des variatio subies par Afin de mesurer les variations subies par les faisceaux réf léch on a fixé sur le solide Sg quatre détecteurs C1, C'1, C2 et C'2. Les déte teurs C1 et C'2 sont destinés à recevoir les faisceaux réfléchis L1 C1 et L1 Ct2 issus du faisceau incident L1. Ces deux détecteurs sont placés sym triquement par rapport au plan de symétrie de la cible et dans le plan d' cidence du faisceau L1. Dans un plan décalé en e, on a placé les détecteurs C2 et C'1 d réception des faisceaux réfléchis L2 C2 et L2 C'1 issus du faisceau incid L2. les Les quatre détecteurs mesurent/déviations à chaque instant des quatre faisceaux réfléchis, d'une part dans une direction parallèle à lta) Oz et d'autre part dans une direction parallèle au plan x0y. Ces détecteurs peuvent par exemple etre constitués par des cellules photoélectrîques à quatre quadrants asservies à rester centrées sur les faisceaux, les mesures étant effectuées dune manière différentielle par rapport à un zéro arbitraire. Nous allons maintenant étudier les effets dûs aux mouvements de la cible. Sur les détecteurs, les translations dans le plan xoy seront comptes positives vers le demi-espace B et négatives vers le demi-espace A, si on partage ltespace des deux figures en deux demi espaces A et B délimités par le plan de symétrie de la cible 1. Les mouvements du solide S1 peuvent être tout d'abord des mouve ment s de rotation autour des axes OxS Oy et 02 : nous allons examiner les effets dus à ces rotations, d étant la distance séparant la cible 1 des détecteurs : - Effets d'une faible rotation de S1 autour de l'axe Ox Elle se traduit par - une déviation &alpha;#d du faisceau L1 C1 suivant l'axe Oz - une déviation -&alpha;#d du faisceau L2 C2 suivant l'axe Oz - les faisceaux L1 C'2 et L2 C'1 restent fixes. -Effets d'une faible rotation ss de S2 autour de l'axe Oy Elle se traduit par - une déviation 2ss#d sur les quatre trajets suivant l'axe Oz. - Effets d'une faible rotation &gamma; de S1 autour de l'axe Oz. Elle se traduit par : - une déviation de 2 &gamma;.d sur les faisceaux L1 C'2 et L2 C'1 dans le plan xoy (les deux déviations dans le même sens). - une translation T sur les faisceaux L1 C1 et L C suivant l'axe des y (les deux translations sont dans le même sens). Les mouvements du solide S1 peuvent aussi etre des translations suivant les axes Ox, Oy et Oz. Nous allons étudier ci-dessous les effets dûs à ces mouvements - Effets d'une faible translation de S1 suivant x Elle se traduit par - une translation T1 de L1 C1, dans le plan xOy - une translation -T1 de L2 C2, dans le plan xOy - une translation -T2 de L1 C'2 dans le plan xOy - une translation T2 de L2 C'1 dans le plan xOy. - Effets d'une faible translation de S1 suivant y Elle se traduit par - une translation T3 de L1 C suivant y - une translation T3 de L2 C2 suivant y - aucun mouvement sur L1 C'2 et L2 C'1 - Effets d'une faible translation de S1 suivant z Elle se traduit par - aucun mouvement sur L1 C1, L1 C'2, L2 C2, L2 C'1. Les déviations des faisceaux réfléchis peuvent être dues aussi à des fluctuations des faisceaux L1 et L2 provenant de fluctuations de llémet- teur de faisceau laser lui-meme ou aux mouvements des faisceaux L1 et L2. Nous étudions ci-dessous les effets de ces fluctuations, qui peu vent etre angulaires ou transversales. - Effets de fluctuations angulaires des faisceaux dans le plan xoy Une fluctuation du faisceau L1 se traduit par : - une fluctuation bd sur L1 C'2 dans le plan xoy - une fluctuation - # d sur L1 C1 dans le plan xoy Une fluctuation du faisceau L2 se traduit par - une fluctuation .d sur L2 C'1 dans le plan xoy - une fluctuation -6.d sur L2 C2 dans le plan xoy. - Effets de fluctuations angulaires des faisceaux suivant z Elles se traduisent par : - une fluctuation dld sur L1 C1 et L1 C'2 suivant z - une fluctuation #'d sur L2 C2 et L2 C'1 suivant z - Effets de fluctuations transversales des faisceaux dans le plan xoy Elles se traduisent par - un déplacement w sur L1 C1 dans le plan xOy - un déplacement -w sur L1 C'2 dans le plan xOy - un déplacement z sur L2 C2 dans le plan xOy - un déplacement -z sur L2 C'1 dans le plan x0y. - Effets des fluctuations transversales des faisceaux suivant z Elles se traduisent par - un déplacement u sur L1 C1 et L1 C'2 - un déplacement v sur L2 G2 et L2 C'1. On appellera a et b les mouvements très faibles en translation de la partie du marbre Sg portant les détecteurs C1 et C'1 par rapport à la partie portant les détecteurs C2 et C'2, a étant le mouvement suivant z et b le mouvement dans le plan x0y. On peut en déduire d'une part les effets suivant l'axe des z et d'autre part les effets dans le plan xOy des divers mouvements de la cible et des faisceaux ou des déformations du marbre, sur les faisceaux réfléchis. Le tableau suivant montre les effets suivant l'axe oz : chaque ligne correspond à ltun des faisceaux, chaque colonne correspond à une cause de déviation des faisceaux réfléchis. La déviation qui est lue sur l'un des détecteurs, par exemple C1, c'est-à-dire la déviation du faisceau L1 C1 est égale à la somme des valeurs indiquées sur la ligne L1 C1, ctest-à-dire rot T T faisceaux rot x rot y rot z Tx Ty Tz émetteur émetteur S0 4 4 L1 C1 + &alpha; d 2 ssd 0 0 0 0 #'d u a L1 C'2 0 2 ssd 0 0 0 0 #'d u 0 L2 C'1 0 2 ssd 0 0 0 0 #'d v a L2 C2 - &alpha; d 2 ssd 0 0 0 0 #,d v 0 Le tableau ci-dessous est analogue au premier tableau mais il indique les effets dans le plan xoy. rot T T faisceaux rot x rot y rot z Tx Ty Tz émetteur émetteur marbre 4 4 So L1 C1 0 0 T T1 T3 0 # d w b L1 C'2 0 0 2&gamma;d -T2 0 0 -#d -w 0 L2 C'1 0 0 2&gamma; ;d T2 0 0 # d z b L2 C2 0 0 T -T1 T3 0 -#d -z 0 Pour mesurer la rotation autour de l'axe des x, il suffit de constater que la différence entre la somme des déviations mesurées sur le. détecteurs C1 et C'1 et la somme des déviations mesurées sur les cellules C2 et C'2, dans le premier tableau, est égale à 2 ce d + 2a. Si l'on suppose que le marbre So est indéformable suivant z, on obtient la rotation d autour de l'axe Ox en divisant par 2d la différenc@ entre la somme des informations sur les détecteurs C1 et C'1 et la somme des informations sur les détecteurs C2 et C'2. Le procédé de mesure de la rotation &alpha; du solide S1 autour de l'axe Ox consiste donc à mesurer, dans un dispositif selon l'invention, les déviations suivant Oz sur tous les détecteurs C1, C'1, C2 et 5'2 et à déduire &alpha; de la différence entre la somme des déviations mesurées sur les détecteurs C1 et C'1 placés dans un même demi-espace A par rapport à la cible 1 et la somme des déviations mesurées sur les détecteurs C2 et C'2 placés dans l'autre demi-espace B, cette différence étant divisée par le double de la distance d séparant la cible 1 des détecteurs. Si l'on effectue maintenant, en se reportant toujours au premier tableau, la somme des informations lues sur les cellules C1 et C2, on constate que cette somme est égale à : d (4 ss + ' + # #') + ( u + v + a). Si l'on considère que les diverses fluctuations dues à l'émetteur de faisceau laser 4 ou aux mouvements des faisceaux L1 et L2 ainsi que la déformation a du marbre So suivant z sont négligeables, on en déduit que 4dss est égal à la somme des informations lues sur C1 et sur C2. Le procédé de mesure de la rotation ss du solide S1 autour de l'axe Oy consiste donc à mesurer, dans un dispositif selon l'invention, les déviations suivant Oz sur les deux détecteurs C1 et C2 associés chacun à un faisceau L1 C1 ou L2C2 qui est réfléchi parallèlement au rayon incident L1 ou L2 dont il est issu, et à déduire l'angle ss de la somme des déviations mesurées sur ces deux détecteurs C1 et C2 divisée par le quadruple de la distance d séparant la cible 1 des détecteurs. Pour mesurer P , on peut aussi effectuer la somme des informations lues sur les cellules C'1 et C'2. Cette somme est égale à d (4ss +#' +') + (u + v + a). En supposant, comme précédemment, que les valeurs #', ft, u, v et a sont négligeables, on en déduit que 4 d est égal à la somme des informations lues sur C'1 et C'2. Le procédé de mesure de la rotation ss du solide S1 autour de l'axe Oy peut donc aussi consister à mesurer les déviations suivant Oz sur les détecteurs C'1 et C'2 associés chacun à un faisceau L C' ou L C' ré 21 12 fléchi dans une direction symétrique de celle du faisceau incident L ou L dont il est issu, p@r rapport à la cible 1, et à déduire l'angle ss de la somme des déviations mesurées sur ces deux détecteurs C'1 et C'2 divisée par le quadruple de la distance d séparant la cible des cellules. Si l'on se reporte maintenant au deuxième tableau, on constate que la somme des informations lues sur les quatre cellules- est égale à 4 d z &gamma;+ 2T + 2T3 + 2b. Si T, T3 et b sont faibles, on peut en déduire g, ctest-à-dire l'angle de rotation du solide S1 autour de l'axe Oz. Le procédé de mesure de la rotation &gamma; du solide S1 autour de l'axe Oz consiste donc à utiliser un dispositif selon l'invention et à mesurer les déviations dans le plan xOy sur tous les détecteurs et à déduire l'angle &gamma; de la somme de ces déviations divisée par le quadruple de la distance d séparant la cible des détecteurs. Le calcul des angles 9 , (3 et g peut être fait soit manuellement soit par un calculateur placé à la sortie des quatre cellules. L'invention qui vient d'être décrite permet donc de mesurer avec précision l'évolution d'un solide SX au cours du temps. Elle présente le gros avantage suivant : la partie du dispositif qui doit être placée sur le solide S1, c'est-à-dire par exemple sur le radar ou sur le bras d'une machine à mesurer dont on voudra étudier les déformations au cours du temps, est très compacte, la partie principale du dispositif, c'est-adire ltémetteur laser et les détecteurs étant située sur le marbre fixe So. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit uniquement à titre d'exemple, mais elle couvre également les modes de réalisation qui n'en diffèreraient que par des détails, des variantes d'exécution ou l'utilisation de moyens équivalents. En particulier, on pourrait simplifier le dispositif décrit en n'utilisant qu'un faisceau incident, L1 par exemple, et en limitant donc le nombre des détecteurs à deux, C1 et C12. Un tel dispositif présenterait l'avantage d'être plus simple et plus compact mais sa précision serait divisée par 2. En se reportant aux mêmes tableaux que précédemment, on voit que l'on obtient, par un raisonnement identique 1) ol d + a = informations lues sur C1 - informations lues sur C'2. En négligeant toujours a, on voit que l'on obtient &alpha; par le même procédé que précédemment mais en divisant par un facteur d et non plus par un facteur 2d. Pour généraliser, on pourra dire que l'on divise par un facteur nd, n étant le nombre de faisceaux tombant sur la cible. 2) 2 ss dd + u = informations lues sur C'2. En négligeant toujours g et u, on voit que l'on obtientss par un procédé identique à l'un de ceux qui sont décrits dans le mode de réalisation préféré mais en divisant par un facteur 2d et non plus 4d. Pour généraliser, on dira que l'on divise par un facteur nd. On remarque que le premier procédé décrit dans le mode de réalisation préféré pour mesurer ss ne convient pas dans le cas où l'on n'utilise qu'un faisceau incident. 3) 2&gamma;d + (T + R1 - T2 + T3 + b) = informations lues sur C1 + informations lues sur C'2. En négligeant les mêmes termes que précédemment, on voit que l'on obtient X par le meme procédé que précédemment mais en divisant par un facteur 2d et non plus 4d. Pour généraliser, on dira que l'on divise par nd. REVEND ICAT IONS 1.- Dispositif de mesure des variations de la position angulai re d'un solide S1 autour de trois axes orthogonaux Ox, Oy, Oz liés à un solide de référence SO, caractérisé par le fait qu'il comporte - solidaire du solide S1, une cible 1 d'axe Ox susceptible de partager tout faisceau incident(L1 ou L en deux faisceaux réfléchis(L1 C1, L1 C'2 ou L2 C2, L2 C'1)dont l'un(L1 C1 ou L2 C2)/est parallèle au faisceau incide@ (L1 ou L2)et l'autre,(L1 C'2 ou L2 C'),symétrique du premier, (L1 C1 ou L2 par rapport à l'axe de la cible 1, - solidaire du solide SO, un émetteur 4 de faisceau laser dont est issu a@ moins un faisceau L1 ou L2 parallèle au plan xOy et tombant sur la cible j et des détecteurs de mesure(ç1, C'2 ou C2, C'1)des déviations à chaque inc tant des faisceaux réfléchis(L1 C1, L1 C'2 ou L2 C2, L2 C';, d'une part dans une direction parallèle à l'axe Oz, d'autre part dans une direction parallèle au plan xOy. 2.- Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la cible 1 est constituée d'un miroir plan 2 et d'une lame semi-réfléchissante 3 perpendiculaire à ce miroir 2. 3.- Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractéri sé par le fait que les détecteurs(C1, C'2, C2, C11)sont constitués par des cellules photoélectriques, asservies à rester centrées sur les faisceaux (L1 C1, L1 C'2, L2 C2, L2 C'1),les mesures étant effectuées d'une manière différentielle par rapport à un zéro arbitraire. 4.- Dispositif de mesure, selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que de l'émetteur 4 de faisceau laser sont issus deux faisceaux L1 et L2 tombant symétriquement sur la cible 1 mais dans deux plans d'incidence parallèles entre eux. 5.- Procédé de mesure de la rotation&alpha;d'un solide S1 autour de l'axe Ox d'un repère Oxyz lié à un solide de référence SO, caractérisé par le fait que l'on utilise un dispositif selon l'une des revendications précédentes, que l'on mesure les déviations suivant Oz sur tous les détecteur (1 C'1 et/ou C2, C'1) et que l'on déduit l'angles &alpha; de la différence entre la somme des déviations mesurées sur les détecteurs(C1 et/ou C'1)placés dans un même demi-espace A par rapport à la cible 1 et la somme des déviations mesurées sur les détecteurs (C2 et/ou C'2)placés dans l'autre demiespace B, cette différence étant divisée par un facteur n d, où n est le nombre de faisceaux tombant sur la cible 1 et d la distance séparant la ci ble 1 des détecteurs. 6.- Procédé de mesure de la rotation 2 d'un solide S1 autour de l'axe Oy d'un repère Oxyz lié à un solide fé@érence Sg, caractérisé par le fait que l'on utilise un dispositif selon l'une des revendications précédentes, que l'on mesure les déviations suivant Oz sur les détecteurs (C'1 et/ou C'2) associés chacun à un faisceau réfléchi(L2 C'1 et/ou L1 C'2) dans une direction symétrique de celle du faisceau incident(L2, L1) dont il est issu, par rapport à la cible 1, et que l'on déduit l'anglessde la somme des déviations mesurées sur ces deux détecteurs (c'1, C'2),cette somme étant divisée par un facteur 2 n. d , où n est le nombre de faisceaux tombant sur la cible 1 et d la distance séparant la cible des détecteurs. 7.- Procédé de mesure de la rotation ss d'un solide S1 autour de l'axe Oy d'un repère Oxyz lié à un solide de référence SO, caractéri sé par le fait que l'on utilise un dispositif selon la revendication 4, que l'on mesure les déviations suivant Oz sur les deux détecteurs(C1, C2) associés chacun à un faisceau(L1 C1, L2 C2)réfléchi parallèlement au rayon incident (L1, L2)dont il est issu et que l'on déduit 11 angle (3 de la somme des déviations mesurées sur ces deux détecteurs(C1, C2)divisée par le quadruple de la distance d séparant la cible 1 des détecteurs. 8.- Procédé de mesure de la rotation &gamma; d'un solide S1 autour de l'axe Oz d'un repère Oxyz lié à un solide de référence S0, caractérisé par le fait que l'on utilise un dispositif selon l'une des revendications précédentes, que l'on mesure les déviations dans le plan xOy sur tous les détecteurs(C1 > C'2 et/ou C2, C'1)et que l'on déduit l'angle T de la somme de ces déviations divisée par un facteur 2 n.d, où n est le nombre de faisceaux tombant sur la cible 1 et d la distance séparant la cible des détecteurs.