Brevet FR2502341A1 — publié le 19820924

La présente invention Con:cerne un appareli utili.anrï des c tpteurs de vibrations pour mesurer les déplacements de point-3 de structures exci- tées avec des forces artificielles ou naturelles. Ces structures peuvent être par exemple des structures; civiles dE: qrandes dimensions, telles que des barrages, des structures industrielles telles que des cheminées d'u- sine, ou des structures habitées te]les qu'édifices ou autres. On connait différents appareils aptes à effectuer des analyses dy- namiques de structures excitées artificiellement à cet effet ou excitées naturellement par un phénomène micro-sismique na;urel. Ces appareils connus pré sentent toutefois certains inconvénients. En effet, les capteurs de vibrations auxquels ils font appel, géné- ralement de type piézoélectriques ou électromagnétiques, se révèlent non non seulement encombrants, mais également très difficiles a positionner et a tarer, de sorte que les mesures sont rendues très difficiles et par- fois même impossibles, ce qui est en particulier le cas lorsque l'on veut procéder à la mesure simultanéedes déplacements tangentiels et radiaux de certains points de la structure excitée. D'autre part, ces appareils altèrent souvent les caractéristiques mécaniques du système soumis à la mesure. Le but de la présente invention est par conséquent celui d'éliminer les inconvénients propres à la technique connue. Ce but est atteint, selon l'invention, par un appareil pour la me- sure des déplacements de certains pointsdes structures excitées, caracté- risé par le fait qu'il comprend en combinaison: - des moyens capteurs de vibration à lumière cohérente, constitués par au moins un groupe d'au moins deux interféromètres à rayon laser pointés sur un point-cible commun d'une structure; - des moyens capteurs angulaires rigidement assujettis aux interfé- romètres d'au moins un groupe; - des moyens de traitement des données interférometriques provenant desdits moyens capteurs de vibrations et des données angulaires prove- nant desdits moyens capteurs angulaires. Les caractéristiques et les avantages de la présente invention se- ront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre de deux formes de réalisation données ici à seul titre d'exemple nullement limi- tatif on regard des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma à blocs rept esentant un appareil salon l'invention pour la mesure des dép[.cmnt:e d certains points d'une structure excitée avec des forces artificielles; - la figure 2 est un schéma à blocs représentant un second appareil selon l'invention pour la mesure des déplacements de certains points d'une structure excitée par des forces naturelles. Les appareils selon l'invention renprsernt-s par les schémas à blocs des figures i e 2 présentent une configuration de hase répétitive consti- tuée par un interféromètre 10 à rayon laser apte à envoyer un faisceau de lumière cohérente sur un point-cible solidaire d'une structure et à le comparer au faisceau de retour correspondant pour émettre des signaux électriques appropriés destinés à être successivement traités. L'interféromètre à rayon laser est du type qui est décrit dans les brevets U.S.A. n 4.123.166, n' 4.123.167 ef n' 4.170.397. Le schéma à blocs de la figure 1 représente un appareil selon l'in- vention, apte à mesurer les déplacements radiaux et tangentiels de diffé- rents points d'une structure 30 excitée avec une forçante harmonique de fréquence et d'intensité opportunément préfixées. Sur ce schéma à blocs sont représentés: - un générateur 31 de signaux d'excitation apte à envoyer ces mêmes signaux à un excitateur 32 de la structure 30 avec une intensité et une fréquence variables; - deux interféromètres à rayon laser du type décrit précédermient, mobiles, aptes à envoyer chacun un faisceau de lumière cohérente sur un point- cible commun de la structure 30; - deux capteurs angul res 36, chacun desquels est solidaire de l'un des deux interféromètres 10 et relié en sortie à une unité de calcul 35; - deux analyseurs de spectre 34 à deux canaux, chacun desquels re- çoit en entrée le signal de sortie d'un des deux interféromètres 10 et le signal de sortie du du générateur 31 et envoie le signal traite à l'unité de calcul. Pour procéder aux mesures des déplacements radiaux et tangentzels point 33, on détermine dans une première etape les positions topographi- ques de chaque interféromètre I0 par rapport à un système de référence en faisant appel aux techniques de triangulation habituelles. Dans une secondc étape, on détermine les ':oordonnées du point-cible 33 par rapport au système de réference en utilisant comme lignes de poin- tage les faisceaux laser 20 des deux interfèromèties 10 et en traitant lesdites positions topographiques des interféromètres 10 avec les données angulaires fournies par les deux captcurs, au moyen de- l'unité 35 dle calcul. Dans une étape successive, on actionne le générateur 31 qui à son tour commande l'excitateur 32 à faire vibrer la structure 30 avec une force d'une intensité et d'une fréquence souhaitées par l'opérateur. Chaque interféromètre 10 transmet à l'unité de calcul 35, à travers l'analyseur de spectre 34 correspondant, un signal doté d'une tension proportionnelle à la projection du déplacement du point 33 sur la direc- tion de propagation du rayon de l'interféromètre. Les données qui parviennent à l'unité de calcul 35 permettent d'ob- tenir les informations sur les déplacements radiaux et tangentiels du point-cible 33, ainsi que la phase relative de ce dernier par rapport au signal d'excitation. En effet, l'envoi du signal d'excitation en sor- tie du générateur 31 aux analyseurs de spectre 34 permet à l'unité de calcul de fournir cette donnée de phase, ainsi que d'améliorer le rapport signal-bruit. Les informations obtenues par l'unité de calcul 35 peuvent ensuite être traitées, par exemple par voie graphique, pour pieux visualiser les déplacement du point-cible 33. En renouvelant cette lecture des vibrations sur plusieurs autres points convenablement choisis de la structure 30 il est ainsi possible de connaître le comportement global de cette même structure lorsqu'elle est sous contrainte. Pour pouvoir choisir les fréquences modales d'excitation de la struc- ture 30, immédiatement après la phase de mise au point topographique on sollicite la structure avec une force de fréquence lentement variable. Les fréquences correspondant aux crêtes du spectre d'ampleur ainsi obtenu correspondent aux fréquences de résonnance des modes symétriques et anti- symétriques. Afin de ne pas négliger d'éventuelles fréquences de résonnan- ce, il est souhaitable de répéter cette mesure sur plusieurs points-cible de la structure, si possible éloignés des points nodaux. Si en plus des déplacements radiaux et tangentiels on désire égale- ment connaître les déplacements verticaux du point-cible, il suffit d'a- jouter un troisième interféromètre 10 à lumière cohérente avec un capteur angulaire 36 et un analyseur de spectre 34 correspondants. Le fonctionne- ment sera tout à fait indentique à ce qui a été décrit plus haut. Le schéma à blocs de la figure 2 représente un second dispositif se- lon l'invention, apte à mesurer les déplacement radiaux et tangentiels d'une structure 40 sollicitée par une force casuelle 41, comme par exemple du vent. -4 - Dans ce schéma à blocs sont représentés - quatre interféromètres 10 à rayon laser du type décrit précédem- ment, dont deux, indiqués avec 10.1 et extérieurs sur la figure 2, en- voyent des faisceaux correspondants 20.1 de lumière cohérente sur un point-cible commun 42 de la structure 40 et sont mobiles de manière à pouvoir atteindre d'autres points de la strucdure 40, tandis que les deux autres interféromètres, indiqués avec 10.2 et intérieurs sur la figure 2, sont fixes et envoient deux faisceaux correspondants 20.2 de lumière co- hérents surun second point-cible commun 43 de la structure 40; - deux capteurs angulaires 46, chacun desquels est solidaire de l'un des deux interféromètres 10.1 et relié en sortie à une unité de calcul 45 - deux analyseurs de spectre 44 à deux canaux, chacun desquels re- çoit en entrée le signaux de sortie de l'un des deux interféromètres 10.1 et de l'interféromètre contigu 10.2 et envoie le signal élaboré vers une unité de calcul 45. Chaque paire de faisceaux 20.2 s'étend sur le même plan horizontal, tandis que chaque paire de faisceaux 20.1 - 20.2 s'étend sur le même plan vertical. D'une manière analogue à ce que l'on a vu précédemment, chaque inter- féromètre transmet à l'unité 45 de calcul, à travers l'analyseur de spec- tre 44 correspondant, un signal de tension proportionnel à la projection du déplacement du point-cible 42 par rapport à un système de référence. A la différence de ce qui se produit dans le dispositif de la figure 1, le signal en sortie de chaque interféromètre 10.1 est mis en rapport dans l'analyseur de spectre 44, avec le signal de sortie de l'interféro- mètre contigu 10.2 dont le faisceau est fixe sur le point 43, afin d'ob- tenir la fonction de transfert entre le point 42 et le point 43. L'ampleur des crêtes de la fonction de transfert relatives aux fré- quences de résonnance et leur phase correspondante fournissent un vecteur proportionnel au mouvement du point 42 normalisé au point 43. Les données qui parviennent à l'unité de calcul 45 permettent d'obte- nir les informations sur les déplacements radiaux et tangentiels et la phase correspondante du point 42 normalisés au point 43. Toujours d'une manière analogue à ce que l'on a vu dans l'appareil de la figure 1, les informations obtenues par l'unité de calcul 45 peuvent être traitées par voie graphique pour une meilleure visualisation des dé- placements du point-cible 42. D'autre part, si en plus des déplacements radiaux et tangentiels, on veut connaître également les déplacements ver- - 5 - ticaux du point-cible, il suffira pour ce faire d'ajouter une autre pai- re d'interféromètres 10.1 - 10.2, avec un capteur angulaire 46 correspon- dant, solidaire de l'interféromètre 10.1 et un analyseur de spectre 44 correspondant relié en entrée avec la sortie des deux interféromètres. REVENDICATIONS 1.- Appareil pour la mesure des déplacements de points de structures excitées, caractérisé en ce qu'il comprend en combinaison: - des moyens capteurs à lumière cohérente (36) cons- titués par au moins un groupe d'au moins deux interféromètres (10) à rayon laser pointés sur un point-cible commun d'une structure (30, 40), - des moyens capteurs angulaires (36, 46) rigidement assujettis aux interféromètres (10) d'au moins un groupe - des moyens de traitement (35, 45) des données inter- férométriques provenant desdits moyens capteurs de vibrations et des données angulaires provenant desdits moyens capteurs angulaires (36, 46). - 2.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens capteurs (36) de vibrations à lumière cohérente sont constitués par deux interféromètres mobiles ladite structure (30, 40). 3.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'à chaque interféromètre (10.1) est rigidement assu- jetti un capteur angulaire (46). 4.- Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque interféromètre est relié en sortie, à travers un analyseur de spectre (34, 44) à une unité de calcul (35, 45), le capteur angulaire (46) étant également relié en sortie avec ladite unité de calcul. 5.- Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens capteurs de vibrations à lumière cohérente sont constitués par quatre interféromètres (10) à rayon laser, deux desdits interféromètres (10.2) étant fixes et pointés sur un point-cible commni commun (42) et sont mobiles. 6.- Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens capteurs à lumière cohérente (36) sont constitués de quatre interféromètres à rayon laser, deux d'entre eux, pointés sur un pointcible commun, étant fixes les deux autres, pointés sur un autre pointcible commun étant mobiles. 7.- Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'à chaque interféromètre (10) mobile est rigidement assujetti un capteur angulaire (36). 8.- Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque paire d'interféromètres constituée par un interféromètre mobile (10.1) et un interféromètre fixe (10.2) est reliée en sortie avec une unité de calcul (45), à travers un analyseur de spectre (34), à ladite unité de calcul étant également relié en sortie le capteur angulaire respectif (46).