Brevet FR2522408A1 — publié le 19830902

La présente invention concerne un dispositif, optoélectronique de haute précision de mesure dimensionnelle ou de repérage de position d'une pièzes sans contact matériel et perpendiculairement une face réfléchissante en un point donné. On connait déjà des dispositifs optoélectroniques dits détecteurs de proximité ou détecteurs de présence2 qui comprend nent notamment un émetteur de lumière et un photorécepteur opérant par réflexion sur la pièce à détecter. Ces dispositifs ont une te te "émetteur+récepteur" associée à un ensemble électronique qui ne permet que d'avoir un signal de présence quand, par réflexion, un seuil d'éclairement du photorécepteur est atteint. On connait aussi des dispositifs optoélectroniques qui comprennent au moins un émetteur de lumière et un photorécep tur opérant en vis à vis l'un de l'autre, c'est a dire par transmission. Dans ce cas, la présence de la pièce est déduite d'un niveau prédéterminé de l'affaiblissement de ltéclaire- ment du photorécepteur, dont le signal peut être caractéristique de l'une de ses dimensions. Dans le premier cas, il est impossible d'effectuer une mesure précise de variation de position ou de déformation d'une pièce au 1/1000 de millimètre par exemple avec une bonne linéa- rité dans un domaine de l'ordre du millimètre ; l'électronique et la tête de détection n'étant pas adaptées à un tel usage. Dans le second cas, on ne peut obtenir des valeurs dimensionnelles précises qu a la condition de s' assurer une bonne répétabilité du positionnement des pièces à contrôler. Les dispositifs correspondants ne permettant pas non plus, d'effectuer par exemple un contrôle de position d'une face de la pièce à contrôler perpendiculairement à elle-meme. On connait également un dispositif optoélectronîque à fibres optiques selon de brevet français n" 2.340.574 au nom de la Société MICROLEC, utilisant un premier ensemble de fibres optiques qui éclaire la surface de la pièce à contrôler et un deuxième ensemble de fibres qui conduit la lumière réflèchie par la pièce vers un photorécepteur distant. La section du faisceau de fibres réceptrices étant constituée d'un ensemble de cercles séparés les uns des autres par des zones de non transmission, les écarts de linéarité de la réponse du dispositif récepteur snt relativement importants. La présente invention a pour but de s'affranchir des diverses difficultés ainsi présentées par les dispositifs connus pour un contrôle dimensionnel de haute précision perpendiculairement à une face de la pièce à contrôler. Un tel contrôle sans contact est notamment nécessaire an mesure de dilatations, de déformations de surface, d'amplitude de mouvements vibratoires ou de repérage précis d'une position prédéterminée. A cette fin, un dispositif du type défini initialement utilise le principe déjà mis en oeuvre dans les brevets fran çais nO 2.300.367, 2.340.574 et 2.439.381 au nom de la Société MICROLEC et se caractérise notamment en ce que la mesure d'un déplacement d'une surface de pièce à contrôler selon la normale à ladite surface est déduite de la variation amplifiée de tension délivrée par un photorécepteur éclairé par l'image réfléchie d'un diffuseur de lumière à partir duquel le rayonnement présente une variation spatiale donnée de l'intensité lumineuse pour que l'éclairement du photorécepteur varie linéairement selon la distance optique "diffuseur-photorécepteur". L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de formes de réalisation d'un tel dispositif et à l'examen des dessins annexés correspondants dans lesquels Les figures 1, 2 et 3 sont des montages représentatifs de l'art antérieur selon les brevets susmentionnés. La figure 4 correspond à un autre montage de l'art antérieur. Les figures 5 et 6 correspondent à un dispositif selon l'invention. Le figure 7 représente un montage qui permet des contrôles d'épaisseur ou de diamètre de pièces en association avec un circuit tel que celui de la figure 8 d'alimentation électrique offrant la possibilité d'obtenir la somme ou la différence des signaux amplifiés délivrés par les photorécepteurs. La figure 1 est un montage de mesure de déplacement sans contact d'un élément opaque 3 a solidaire d'un support mobile 3. La hauteur de cet élément 3 a correspond à l'entr'axe fxe des photorécepteurs 21 22 placés d'un même côté en vis à vis de la source 1. Le contrôle dimensionnel ou de position d'une pièce avec ce type de montage n'est donc possible qu'en reliant par contact et effet de pression le support mobile 3 et la pièce à contrôler. Dans ce cas, la mesure s'effectuant alors par contact, il peut y avoir erreur si la pièce est réalisée à par tir d'un matériau relativemnt mou, ou détérioration par rayure si la pièce se déplace pendant l'opération de contrôle. La figure 2 représente un capteur connu de mesure dimensionnelle mettant en oeuvre le principe de la figure 1. La figure 3 représente un dispositif de mesure dimensionnelle sans contact avec la pièce à contrôler, avec l'emploi de fibres optiques. Ce dispositif permet de mesurer la dis- tance "d" et d'effectuer un "tri" visuel par voyantes, ou automatique par relais,de lignes de dépassements de tolérances prédéterminées. L'inconvénient de ce dispositif "sans contact" est un manque de précision, notamment de linéarité dû au fait que la lumière dirigée surl;apièce par des fibres éclairantes est reçue par un ensemble d'extrémités circulaires de fibres éclairées reliées aux photorécepteurs, séparées les unes des autres par des zones de non transmission. La figure 4 représente un autre dispositif connu de mesure dimensionnelle sans contact avec la pièce' à contrôler, qui utilise deux faisceaux indépendants l'un de l'autre de lumière parrallèle, chacun étant partiellement masqué par ladite pièce Avec ce dispositif, l'écartement des deux faisceaux est préréglé avec une pièce de référence ; une variation de la somme des masquages transformée en variation de tension électrique délivrée par des photorécepteurs correspond à une différence de la cote AB de la pièce à contrôler par rapport à celle correspondante de la pièce de référence. Ce dispositif présente notamment les inconvénients suivants - l'emploi d'optiques à ouverture relativement grande conduit à une trop grande sensibilité à la lumière parasite, d'où un manque de précision dans les mesures effectuées ; - le contrôle d'une déformation de surface plane, ou celui du parallélisme d'une pièce ne sont pas possibles Représenté par la figure 5, un dispositif selon l'invention comprend - une source de lumière ll qui peut être une diode électroluminescente, - un dioptre 13 associé à la source de lumière pour focaliser celle-ci vers la surface à contrôler avec un angle i; dtindicence. - un diffuseur de lumière 15, - un photorécepteur 21 qui peut être une photodiode ou un phototransistor, - un dioptre 23 associé au photorécepteur qui est situé dans le plan image conjugué de la surface à contrôler, et symétrique de la source par rapport à la normale à ladite surface. - une lame amovible transparente 41 servant à l'opération d'étalonnage. A cet ensemble, se trouve associé un circuit électronique d'alimentation électrique et d'amplification d'une variation de tension délivrée par le photorécepteur, représentative d'une variation d'écart par rapport à la pièce à contrôler. La source de lumière Il fournit un rayonnement d'intensité spatiale très variable selon l'angle, qui est transformé en faisceau convergent par le dioptre 13. La présence du diffuseur de lumière 15 situé à proximité du dioptre 13,qui pourrait servir lui-même de diffuseur en étant dépoli, permet d'atténuer fortement la variation spatiale de l'intensité lumineuse en direction de la surface à contrôler et du photorécepteur 21, sans pour autant l'annuler, et l'aberration sphérique introduite par le dioptre n'a plu qu'un effet négligeable. Selon l'invention, l'éclairement du photorécepteur 21 peut ainsi être rendu inversement proportionnel à la distance optique d = AI + IA' dans un domaine de mesure de l'ordre du millimètre, au lieu d'être inversement proportionnel au carré de cette distance si l'éclairement et l'émission du diffuseur associé au dioptre 13 étaient uniformes. Un déplacement a h de a surface à contrôler engendre une variation "Act" du trajet optique, dont la valeur est donnée par l'expression Ad = 2th cosi- En utilisant par exemple une diode électroluminescente TIL 32 avec dioptre associé et un photo-transistor TIL 78 également avec diaptre associé de TEXAS INSTRUMENT, une très nette amélioration de la répartition spatiale de l'intensité lumineuse pour l'effet recherché, est obtenue avec un diffuseur réalisé à partir d'une plaquette de matière transparente rodée à l'émeri 303. L'erreur de linéarité peut être ainsi inférieure ou égale à 1 % d'un domaine de mesure de l'ordre de + 0,5 millimètre. L'interposition en 41' de la lame transparente 41 d'épaisseur e et d'indice de réfraction n à faces parallèles (figure 6) introduit un déplacement fictif connu du diffuseur 15 par rapport au photorécepteur. Ce dispositif selon l'invention fonctionne avec un ensemble électronique du type représenté par la figure 7 qui comprend le circuit émetteur 101 et le circuit récepteur 201. Le circuit émetteur fonctionne avec une alimentation sous basse tension régulée extérieure non représentée et comprend un élément permettant d'obtenir une correction de courant selon la température ; ledit élément peut être par exemple une thermistance ou résistance à coefficient de température négatif en parallèle avec une résistance de charge associée à la source de lumière. Le circuit récepteur est alimenté par la même alimentation basse tension régulée extérieure et comprend entre deux lignes d'alimentation électrique 1 et 2 les principaux éléments suivants - le photorécepteur 21, - un ensemble constitué de deux résistances fixes 73, 74 et d'un potentiomètre 75 qui permet d'obtenir une tension de référence de valeur convenable. Le gain de l'amplificateur 76 est réglé à l'aide du potentiomètre 77 monté entre l'entrée négative et la sortie de signal S dont la valeur représentative de la position de la surface à contrôler est donnée par l'indicateur électrique 500. Un second exemple d'utilisation d'un dispositif selon l'invention est donné par la figure 8 pour effectuer des contrôles d'épaisseur ou de diamètre de pièce. Dans ce cas, le montage est associé à l'ensemble électronique représenté par la figure 9 qui comprend: - deux circuits émetteurs 101, 102, - deux circuits récepteurs 201, 202, - un circuit 303 permettant d'effectuer la somme algébrique des signaux issus des circuits 201, 202 pour des contrôles d'épaisseur ou de diamètre, - un circuit 304 permettant d'effectuer la différence algébrique desdits signaux pour des contrôles de dénivellation. Les circuits émetteurs 101, 102 et récepteurs 201, 202 sont identiques à ceux de la figure 7. La sortie de chaque circuit récepteur est reliée au circuit d'addition et au circuit de différence des signaux. Le choix d'une fonction SIS S2, SI - S2, SI + S2 est effectué à l'aide d'un commutateur multi-touches 400 et la lecture est obtenue avec l'indicateur électrique 500. Le réglage et l'étalonnage du dispositif peuvent s'effectuer selon le procédé suivant caractéristique de la présente invention a) - l'ensemble de détection "source de lumière + photorécepteur" selon la figure 5 est positionné par rapport à la surface à contrôler selon la normale IN par éloignement progressif jusqu'S l'obtention d'une valeur maximum VO du signal S de sortie, alors que la valeur du gain de l'amplificateur 76 est minimum. Pour cette position, la valeur du gain est alors réglée de manière à obtenir une tension Vî?' VO prédéterminée correspondant à la limite supérieure du domaine de mesure linéaire b) - la lame amovible transparente 41 est ensuite interposée entre ledit ensemble de détection et la surface 31. La présence de cette lame permet d'obtenir un déplacement fictif du diffuseur 15 par rapport au photorécepteur, dont la valeur connueest donnée par l'expression: dd = - 2e (I-I/n) cos i Cette valeur de A d est indépendante du pouvoir de réflexion ou de diffusion de la surface à contrôler et. correspond à une variation dV = V2 - V1 du signal S de sortie, d'où une pente tV/h avec dh= dd/2 cosi de la partie linéaire de réponse du dispositif pour une surface donnée. Dans une autre forme de réalisation, un dispositif selon l'invention comprend: - un ensemble de détection "source de lumière + photorécepteur" avec dioptres associés, diffuseur de lumière et lame transparente amovible correspondant au montage de la figure 5 - un ensemble électronique selon la figure 9 ne comprenant qu'un seul sous-ensemble 101, 201 fournissant par exemple un signal SI, le signal S2 étant une tension de référence réglable à 1' aide d'un potentiomètre non représenté monté en série entre deux résistances fixes et entre les lignes d'alimentation électrique 1, 2. Ce montage offre l'avantage de pouvoir comparer la valeur du signal SI par rapport à celle de S2 avec la fonction S, + S2 ; on obtient ainsi des valeurs positives ou négatives de variations de l'écart "dh" par rapport à un zéro prédéterminé. Avec un tel montage en utilisant les photodiodes et phototransistors précités on obtient par exemple en sortiede l'élément sommateur 303 une tension de + 5 volts pour un déplacement h = + 0,5 mm. Bien entendu, l'invention ne se limite pas aux exemples décrits et représentés de formes de réalisation elle est susceptible de nombreuses variantes réalisables par l'homme de l'art sans qu'on s'écarte pour celg de son domaine. REVENDICATIONS I - Dispositif optoélectronique sans contact de métrologie dimensionnelle de haute précision, à tète de détection comprenant une source de lumière II et un photorécepteur 21, caractérisé en ce que la mesure d'une distance par rapport à une surface de pièce à controsler,selon la normale à ladite surface en un point donné, est déduite de la variation amplifiée de tension délivrée par le photorécepteur éclairé par l'image réfléchie d'un diffuseur de lumière 15 à partir duquel le rayonnement présente une variation spatiale donnée de l'intensité alumineuse, ledit diffuseur étant associé à un dioptre convergent I3 lui-même associé à la source de lumière et un dioptre convergent 23 étant associé au photorécepteur. 2 - Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce qu'gme lame de matière transparente 41 amovible est utilisée pour l'opération d'étalonnage. 3 - Dispositif selon la revendication I, caractérisé en ce que le photorécepteur 21 est situé au voisinage du plan conjugué de la source de lumière II par rapport aux dioptres I3 et 23 et par rapport à la surface 3I de la pièce à contrôler. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce qu'il est associé à un ensemble électronique comprenant: - un sous-ensemble émetteur IOI, dont le circuit d'alimentation de la source de lumière II comprend un moyen de correction de l'intensité de courant selon les variations de la température d'utilisation; - un sous-ensemble 20I, dont le signal de sortie S mesuré à l'aide d'un indicateur électrique 500 est celui donné par un amplificateur 76 dont les deux entrées reçoivent respectivement la tension délivrée par le photorécepteur 2I et une tension réglable de référence. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que la tension de sortie du sous-ensemble récepteur 20I est comparée à une tension réglable de référence pour obtenir des valeurs positives ou négatives d'une variation de l'écart Ah à mesurer par rapport à un zéro prédéterminé correspondant à Vo. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 5, caractérisé en ce qu'il est associé, avec un second dispositif du mëme type, à un ensemble électronique permettant d'obtenir les valeurs simples des deux signaux de sortie SI, S2 > la valeur de leur somme avec l'addi tionneur 303 et la valeur de leur différence avec le soustracteur 304. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce que le moyen de correction de l'intensité de courant de la source de lumière Il est une thermistance en parallèle avec une résistance de charge.