Brevet FR2545621A1 — publié le 19841109

Procédé et appareillage de mesure des caractéristiques d'espacement d'un ensemble de franges planes contrastées. L'invention concerne un procédé de mesure des caractéristiques d'espacement choisies d'un ensemble de franges planes contrastées Ces caractéristiques peuvent être, selon l'utilisation qu'on veut en faire, l'espace- ment entre les franges bord à bord, l'espacement entre les milieux des franges, la largeur des franges, etc. L'invention a pour but de proposer un procédé permettant une automatisation et une grande rapidité de la mesure. Ce but est atteint par un procédé selon lequel on dirige un faisceau lumineux bien confiné sur un point dudit ensemble de manière qu'une partie de ce faisceau, modulée par ledit point, soit reçue sur une cellule de lecture; on effectue un déplacement relatif pas-à-pas dudit ensemble par rapport au faisceau lumineux de manié- re & balayer selon une direction de mesure une région dudit ensemble; on mesure à chaque pas la valeur de l'intensité lumineuse reçue par la cellule en relation avec les coordonnées du point mesuré, et on fait subir à ce couple de résultats un traitement numérique prédé- terminé pour obtenir en fin de mesure les caractéristiques d'espacement choisies. Ce traitement numérique dépend de la nature des caractéristiques qu'on veut calculer. Avantageusement, à chaque pas, on compare la valeur de l'intensité mesurée à une valeur de mesure pré- cédemment stockée dans une mémoire provisoire; si l'écart entre les deux valeurs est supérieur à un écart d-e consi- gne prédéterminé, on remplace dans la mémoire provisoire la valeur précédente par la nouvelle valeur mesurée Si l'écart entre les deux valeurs est inférieur à l'écart de consigne, on garde dans la mémoire provisoire la valeur précédemment stockée. Avantageusement, chaque fois qu'on change le contenu de la mémoire provisoire, on enregistre dans une mémoire définitive la nouvelle valeur mesurée ainsi que les coordonnées du point correspondant, les points enregistrés correspondant aux bords des franges. Les coordonnées des points de mesure compren- nent l'abscisse du point mesurée dans la direction de mesure, laquelle peut étre curviligne. Selon un premier type de traitement, on calcule les différences des abscisses de points enregistrés consé- cutivement sur la mémoire définitive, ce qui donne les écartements des franges bord-à-bord, et les largeurs de - franges, dans la direction de mesure Ce type de traite- ment est notamment adapté à l'étude des tamis. Selon un autre type de traitement, on calcule l'abscisse du milieu des couples consécutifs de points enregistrés consécutivement sur la mémoire définitive, et on calcule les différences des abscisses des milieux consécutifs, ce qui donne l'espacement des franges, mi- lieu à milieu, dans la direction de mesure. Ce type de traitement est notamment adapté à l'étude des photographies de moiré d'objets en relief, et particulièrement de granulats. Le traitement numérique comprend une possibili- té de classement des caractéristiques mesurées, et l'ob- tention d'histogrammes de répartitions. L'invention concerne également un appareilla- ge pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. L'appareillage comprend: des moyens comportant un émetteur pour diri- ger un faisceau lumineux bien confiné sur un point dudit ensemble, une table portant ledit ensemble mobile dans deux directions, grâce à des moyens moteurs, une cellule photo-sensible recevant une partie du faisceau modulée par ledit point, une unité de traitement gérant le déplacement de la table mobile et faisant subir aux valeurs de l'in- tensité lumineuse mesurées par la cellule-, en relation avec les coordonnées du point de mesure, un traitement numérique prédéterminé pour afficher en fin de mesure les caractéristiques d'espacement choisies, sur l'unité de visualisation. D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention apparaitront à la lecture de la description sui- vante, faite en référence aux dessins en annexe sur lesquels: la figure 1 représente un appareillage des- tiné à obtenir une photographie de moiré, la figure 2 représente les figures de moiré de différents reliefs de granulats, la figure 3 représente l'appareillage de mesure conforme a l'invention. On va maintenant décrire une utilisation de l'invention pour la détermination des;'reliefs On sait que le moiré est uri phé- nomène optique permettant de dessiner des courbes de niveau sur'des objets quelconques et de déterminer ainsi leur-hauteur Ces courbes de niveau sont obtenues dans certaines conditions grace à: une grille pla- ne régulière composée de bandes alternativement opaques et transparantes à la lumière disposée au dessus des objets étudiés, une ou deux sources lumineuses quelconques éclairant les- objets au travers de la grille ou réseau, les courbes - devant être-observées à l'aplomb de la grille. Les courbes ne sont régulièrement espacées que lorsque sources lumineuses et observateur sont placés dans un plan parallèle a la grille et sur un axe perpen- diculaire a la direction des lignes de la grille l'observateur est placé à l'aplomb du milieu de la grille à une hauteur h, les sources sont écartées d'une distance 2 d symétriquement de part et d'autre de l'observateur à la même hauteur h par rapport au réseau. Dans ces seules conditions, les courbes de ni- veau sont espacées d'une hauteur Az = p(h/D) avec: p = 1/Nb de couples de raies de la grille au mm h(nm)= hauteur de l'observateur par rapport à la grille d(nm)= distance de l'observateur aux sources lumineuses Afin de procéder de façon rapide à l'étude de l'état de surface de route, il est proposé selon l'inven- tion un appareillage de chantier, simple et robuste, per- mettant d'obtenir une photographie de moiré de la surface de la route. L'appareillage comprend une boite rigide 1 étan- che à la lumière sur la fig 1, les parois latérales et supérieures de la boite n'ont pas été représentées pour plus de clarté Elle est supportée par quatre pieds 2 réglables en hauteur Un joint souple 3 assure, dans les limites des réglages, l'étanchéité à la lumière au niveau du support étudié. Sur la face supérieure de la boîte 1 sont placés: l'appareil 4 de prise de vues réglable de l'extérieur de la boîte, deux projecteurs 5 alimentés par groupe électrogène ou par batteries (non représentées). La position des projecteurs 5 est réglable de part et d'autre de l'appareil de prise de vues 4 grace à leurs supports-6. Sur un plan parallèle à celui des projecteurs 5 et de l'appareil de prise de vues 4 est disposée la gril- le 7, le plus près possible des objets étudiés (surface de la route). La grille 7 est posée sur un cadre mobile en translation le long de glissières longitudinales 8 dans lesquelles elle est guidée par des galets La grille 7 est animée d'un mouvement régulier de va-et-vient assuré par un moteur 9 relié au cadre mobile par l'intermédiaire d'une came 10 entrainée par le moteur et suivie par un galet de friction Il solidaire de la grille 7 Des ressorts 12 fixés à la boite 1 rappellent la grille en direction de la came 10 Le déclenchement de l'appareil de prise de vues 4 est assuré par un dispositif commandé par un microcontact excité lors du passage du réseau en une po- sition définie lors de la fabrication de la boite. La grille 7 mesure dans un exemple typique d'ap- plication 300 x 400 mm Elle est fabriquée de deux manières différentes. Selon une technique photographique, une grille "négative" mère est projetée sur une plaque de verre pho- tosensible Le facteur d'agrandissement permet de définir la période p de la grille. Selon une technique mécanique, un fil denylon" calibré est tendu sous tension entre deux tiges filetées fixées sur un cadre très rigide Le pas des tiges filetées donne directement la période p de la grille. Les fils de nylon sont ensuite recouverts d'une couche de peinture noire mate Le diamètre des fils est choisi de telle façon que diamètre fil + peinture dis- tance interfils. Il est possible de modifier les conditions de prise de vue et les caractéristiques des réseaux pour obtenir des z petits ou grands On retiendra que Az mini = 5 microns, et que Az maxi = quelques centimè- tres. Dans une application particulière, la grille 7 comporte trois couples de raies par millimètre (p=( 1/3)). Pour réduire la perte de luminosité du flux lumineux ob- servé, il a été choisi un rapport largeur de raie trans- parente / largeur de raie opaque de 2; ainsi 44 % du flux émis par les projecteurs revient à l'observateur (i e. l'appareil de prise de vues). Afin d'éliminer l'image des raies de la grille sur les pellicules impressionnées, ainsi que pour suppri- mer des phénomènes optiques susceptibles de masquer le moiré, il a été choisi un temps de pose de 1/4 de seconde et on a agité la grille pendant la prise de vues, par un mouvement de va-et-vient, d'amplitude Scm et de vitesse 16 cm/seconde. Les conditions opératoires choisies h observateur = 530 mm d-observateur projecteurs = 530 mm p période du réseau = 1/3 permettent de dessiner des courbes de niveau espacées de 1/3 de mm. Sur les photographies moiré, les objets exami- nés sont couverts d'une succession de bandes ou franges alternativement claires et sombres. Deux bandes claires ou sombres successives sont espacées d'une même hauteur âz p (h/d) définie plus avant Seule peut varier la distance x mesurée sur la projection à l'horizontale de l'objet zébré, c'est-à-dire la distance mesurée sur la photographie. Ainsi, des objets à fort relief vif seront re- couverts de courbes moirées extrêmement serrées et fines. Des objets à relief très peu accentué auront des courbes moirées très larges et écartées Il est donc possible de mesurer et caractériser différents types de reliefs ren- contrés en mesurant l'écartement des courbes moirées sur les photographies moirées. L'inclinaison Q des pentes des solides par rap- port au plan support se calcule au moyen de la formule tg Q = dz / x R o / z p (h/d) est fixé lors de la prise de vue - x = distance séparant deux franges successives de même type sur la photographie R = rapport de réduction de la photographie. A chaque x mesuré correspond donc un Q réel sur l'objet étudié Il est facile de définir ensuite des familles de largeur intercourbes caractérisant des pentes de solides dont on calcule les valeurs extrêmes. L'aspect des courbes obtenues pour différents types de relief est illustré sur la fig 2 qui représen- te une photographie moiré de douze granulats: pyramides régulières 13, pyramides déjetées 14, granulats plats , granulats ronds 16, ces granulats étant soit intacts (indice a), étêtés (indice b) ou usés (indice c). L'étude des photographies de moiré montre que la forme du moiré ne varie pas avec l'orientation des solides par rapport aux raies de la grille. que les franges sont d'autant plus fines et rapprochées que la pente du solide est forte. que les franges sont d'autant plus molles et arrondies que les solides sont émoussés. que lorsque la pente des solides dépasse une certaine valeur, il faut une loupe à très fort grossissement pour distinguer ou soupçonner la présence de raies sur les négatifs Si dans l'exemple d'application, la qualité de l'objectif de l'appareil 4 ne permet pas de séparer des détails espacés de moins de 10 microns sur la photo, soit 60 microns sur le granulat, les franges étant écar- tées en altitude de 0,330 microns, ceci correspond à un angle de tg O: 330/60 = 5,5, soit un angle de 790 au-dessus duquel on ne peut plus matérialiser le moiré sur les photographies. Les photographies moiré (ou tout autre ensemble de franges contrastées) sont étudiées à l'aide d'un ap- pareil analyseur de franges de moiré (fig 3) Cet ensem- ble mesure automatiquement les distances intercourbes sur les négatifs moiré Un émetteur laser 17 envoie un fais- ceau lumineux focalisé 18 qui après réflexion sur un mi- cron 19, et passage dans un collimateur 25, traverse perpendiculairement la photographie moiré transparente 20. Un dispositif optique 21 disposé dans l'axe du faisceau réfléchi 18 a grossit l'image avant de l'envoyer sur une micro-cellule photosensible 22. L'épreuve étudiée 20 est fixée sur une table mobile 23 entrainée suivant deux directions x et y per- pendiculaires Le double mouvement est assuré de façon conventionnelle par deux moteurs 27,28 pas à pas Le déplacement est géré par un ordinateur 26 et permet de dessiner une grecque 24 balayant tout ou partie de la photographie moiré Une étude statistique permet de dé- finir la forme de cette grecque pour obtenir une image du relief se rapprochant le plus possible de la réalité. Dans un exemple particulier de réalisation, on réalise une vingtaine de traversées parallèles à l'axe X pour une plage explorée d'environ 45 mm x 35 mm. A chaque pas (par exemple de cinq microns, la mesure complète durant environ une demi-heure), la valeur de l'intensité lumineuse reçue par la cellule 22 est me- surée et stockée dans une mémoire provisoire de l'ordina- teur 26, en même temps que les coordonnées du point mesu- ré Pour que deux valeurs différentes soient définitive- ment notées, il est nécessaire qu'elles différent d'un écart de consigne défini lors de la mise en route de l'appareil On voit qu'ainsi dans l'hypothèse o les fran- ges sont parfaitement contrastées, c'est-à-dire o l'on n'a que des franges transparentes et des franges opaques bien définies, on ne note dans une mémoire définitive de l'ordinateur 26 que les points correspondant aux bords des franges. En fait, pour tenir compte des plages de transi- tion entre les franges transparentes et opaques, il est intéressant de ne stocker en mémoire que les points d'in- tensité lumineuse absorbée minimum (franges transparentes) et maximum (franges opaques). Un ensemble informatique et un programme simple permettent de traiter les valeurs conservées en mémoire. Il suffit de définir les limites des classes de largeurs de courbes (donc des pentes) que l'on désire pour qu'ap- paraissent sur tout support visuel ou graphique 29, les histogrammes suivants: normal ou cumulé des d de raies entrant dans les classes normal ou cumulé des % de largeurs de raies entrant dans les classes normal ou cumulé des % de longueurs de chaussées (lon- gueur de coupe) occupées par les différentes classes dé- finies. Dans un exemple particulier d'application, il a été défini quatre classes de granulats caractérisés par les pentes de leurs faces. Classe I: granulats à relief fort et vif de pente su- périeure à 70 Classe II: granulats à relief fort mais arrondi,de pente comprise entre 70 et 450 Classe III: granulats à relief très arrondi, très usé, de pente comprise entre 45 et 10 Classe IV: granulats totalement usée ou arrachés, de pente inférieure à 100. Le suivi de l'évolution d'une chaussée est donc réalisé en étudiant les variations des pourcentages des quatre classes définies On dispose ainsi d'une méthode rapide et non destructive de suivi et de mesure de l'é- volution des granulats incorporés dans les couches super- ficielles de chaussées. Ce suivi est d'autant plus utile qu'on sait que l'augmentation des coûts des produits pétroliers a con- duit de nombreux maîtres d'oeuvres à réutiliser la techni- que des enduits superficiels pour remettre en état la surface de certaines chaussées. Dans certains cas, le trafic routier supporté par ces routes est tel que la région ne dispose d'aucun granulat répondant aux spécifications définies par l'Administration L'étude de l'évolution de granulats pos- sédant des caractéristiques différentes et supportant des trafics réels (planches de 50 à 100 m 2 disposées sur des axes à grande circulation) ou des trafics simulés (plan- ches de 2 à 50 m 2 disposées sur une piste du manège de fa- tigue) doit permettre de vérifier le bien-fondé des spé- cifications ou peut-être de les modifier afin d'éviter de longs et coûteux transports de "bons" granulats lors- qu'il est possible d'utiliser de "moins bons" éléments présents à proximité du chantier. Le mode opératoire est le suivant Après mise hors circulation de la chaussées, celle-ci est nettoyée Les mesures telles que hauteur de sable, stéréophotographies et empreintes sont exécutées si besoin est. Les zones étudiées par moiré photographie ( 50 x 50 cm environ) sont recouvertes de deux fines cou- ches de peinture blanche destinée à réfléchir la lumière envoyée par les projecteurs La peinture est composée d'un mélange à poids égaux d'oxyde de titane et d'alcool éthy- lique à 900 auxquels on ajoute 0,1 % de colorant valchrome noir. Cette peinture sèche instantanément et disparait après passage de quelques véhicules Deux photographies de chaque zone sont prises afin de pouvoir conserver une -20 épreuve en photothèque Le numérotage des épreuves est assuré par des lettres placées dans un coin du champ pho- tographié et au-dessus de la grille. Le principe développé peut s'appliquer à l'étu- de de tout autre relief horizontal ou non. L'appareil de prise de vue est dans les applica- tions précitées un appareil photographique et les mesures sont effectuées sur les épreuves transparentes négatives. Il est possible de remplacer l'appareil photographique par une caméra type télévision comportant au niveau du foyer image de l'objectif une multitude de cellules pho- tosensibles disposées régulièrement L'image "électroni- que" obtenue peut être étudiée en temps réel en adaptant simplement le système informatique de traitement. La méthode peut aussi être appliquée pour clas- ser ou reconnaitre des objets sortant d'une chaine de fabrication. La simple comparaison automatique ou non des clichés moirê obtenus dans des conditions identiques sur un objet témoin et sur un objet analysé permet de déterminer à coup sr si la fabrication est ou non confor- me. C'est ainsi que la chaine de lecture destinée à la mesure des espaces interfranges de moiré peut être utilisée pour le contrôle des tamis servant aux analyses granulométriques. Les fonds de tamis sont constitués d'un mailla- ge régulier fabriqué à partir du tissage de -fils métalli- ques Au cours de l'usure des tamis, les fils se détendent et les dimensionsdes mailles varient Les variations ne doivent pas dépasser un certain pourcentage et,régulière- ment, il faut contrôler les tamis afin de-vérifier s'ils répondent encore aux normes exigées Le contrôle est effec- tué en mesurant les distances qui séparent les fils métal- liques à l'aide d'un agrandisseur optiques disposé à l'a- plomb d'une table x y supportant le tamis étudié. Le contrôle d'un nombre très réduit de mailles ( 30 par tamis) demande un temps extrêmement long puisque deux opérateurs ne peuvent contrôler au maximum que 4 tamis par jour. Selon l'inventions l'examen direct des tamis est remplacé par l'étude de leur photographie - Les tamis contrôlés sont photographies avec un appareil fournissant des épreuves négatives d'envi- ron 4 x 5 cm La photographie est prise à une trentaine de centimètres du tamis plaqué sur une vitre transparente d'obtenir une image extrêmement contrastée sur une pelli- * cule a haute résolution dont le grain permet de discerner sur l'émulsion des détails éloignés de 1,5 microns Les prises de vue sont effectuées avec une ouverture mini- mum du diaphragme afin d'éliminer tous les phénomènes de vignettage. Lors de la prise de vue, un double décimètre est plaqué horizontalement sur le fond du tamis et face à l'appareil Le réglet est placé parallèlement à un fil du tamis L'appareil de prise de vue est orien- té pour que le bord de la photo soit rigoureusement paral- lèle a la tranche du réglet portant les graduations milli- métriques. Les conditions de prise de vue permettent d'ob- tenir une image particulièrement nette et contrastée de le grille constituant le fond du tamis Les fils apparais- sent en clair alors que les vides qu'ils limitent sont noirs. Chaque photographie portant l'image d'une règle graduée, il est facile de déterminer le coefficient de réduction photographique à partir duquel on calcule les distances réelles observées sur la grille. La photographie est fixée sur la table x y mo- bile en prenant soin de faire co Incider l'axe horizontal de l'écran de visualisation avec l'image blanche d'un fil photographié. Il suffit ensuite de programmer le déplacement de-la table et de mettre en marche la chaine. Le programme informatique de traitement permet de retenir les abscisses de tous les bords des lignes blanches (bords des fils dans le cas d'un tamis) et donc d'obtenir ensuite les dimensions suivantes diamètre des fils largeur des mailles Les histogrammes des répartitions des mesures effectuées sont ensuite calculés. Cette technique permet de tester en quinze minu- tes environ une surface de tamis d'environ 205 x 154 mm ce qui correspond dans certains cas a plusieurs milliers de mailles Ces dimensions pouvant varier dans un sens ou dans l'autre suivant l'objectif utilisé et le facteur d'agrandissement choisi. REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure de caractéristiques d'espa- cement choisies d'un ensemble de franges planes contras- tées ( 24), caractérisé en ce que: on dirige un faisceau lumineux bien confiné ( 18 a) sur un point dudit ensemble de manière qu'une partie de ce faisceau modulée par ledit point soit reçue sur une cellule de lecture ( 22); on effectue un déplacement relatif pas-A-pas dudit ensemble ( 20) par rapport au faisceau lumineux ( 18 a) de manière a balayer selon une direction de mesure une région dudit ensemble ( 20); on mesure à chaque pas la valeur de l'in- tensité lumineuse reçue par la cellule ( 22) en relation avec les coordonnées du point mesuré, et on fait subir A ce couple de résultats un traitement numérique prédétermi- né pour obtenir en fin de mesure les caractéristiques d'espacement choisies. 2 Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'a chaque pas, on compare la valeur de l'intensi- té mesurée à une valeur de mesure précédemment stockée dans une mémoire provisoire; si l'écart entre les deux valeurs est supérieur à un écart de consigne prédétermi- né, on remplace dans la mémoire provisoire la valeur précédente par la nouvelle valeur mesurée; si l'écart entre les deux valeurs est inférieur à l'écart de consi- gne, on garde dans la mémoire provisoire la valeur précé- demmen stockée. 3 Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque fois qu'on change le contenu de la mémoi- re provisoire, on enregistre dans une mémoire définitive la nouvelle valeur mesurée ainsi que les coordonnées du point correspondant. 4 Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que les coordonnées des points de mesure compren- nent l'abscisse du point mesurée dans la direction de mesure, et en ce qu'on calcule les différences des abscis- ses des points enregistrés consécutivement sur la mémoire définitive. Procédé selon la reyendîcation 3# caractérisé en ce que les coordonnées des points de mesure compren- nent l'abscisse du point mesurée dans la direction de mesure, en ce qu'on calcule l'abscisse du milieu de couples consécutifs de points enregistrés consécutive- ment sur la mémoire définitive, et en ce qu'on calcule les différences des abscisses des milieux consécutifs. 6 Procédé selon l'une quelconque des revendica- tions 4 ou 5, caractérisé en ce qu'on détermine ensuite des histogrammes de répartitions des derniers résultats calculés. 7 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de lignes planes contrastées est une photographie d'un objet à ré- seau, tel qu'un tamis. 8 Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'ensemble de lignes planes contrastées est une photographie de figures de moiré d'objets dont on veut mesurer les caractéristiques de relief, tels que des granulats. 9 Appareillage de mesure de caractéristiques d'espacement choisies d'un ensemble de franges planes contrastées pour mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 & 8, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens ( 17,19,25) comportant un émetteur ( 17) pour diriger un faisceau lumineux bien confiné( 18 a) sur un point dudit ensemble ( 20) une table ( 23) portant ledit ensemble ( 20) mobile dans deux directions (X,Y), grâce à des moyens moteurs ( 27,28) une cellule photosensible ( 22) recevant une partie du faisceau ( 18 a) modulée par ledit point, une unité de traitement ( 26) gérant le déplacement de la table mobile ( 23) et faisant subir aux Valeurs de l'in- tensitd lumineuse mesurées par la cellule 22, en relation avec les coordonnées du point de mesure, un traitement numérique prédéterminé pour afficher en fin de mesure les caractéristiques d'espacement choisies sur l'unité de visualisation ( 29), Io Appareillage pour la photographie de moiré d'une surface, destiné à la mise en oeuvre du procédé de la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend -dans une botte ( 1) étanche à la lumiére et disposée sur ladite surface, une grille ( 7) animée d'un mouvement latéral de va-et-vient à faible distance de la surface, un appareil de prise de vues ( 4) et deux projecteurs ( 5) disposés latéralement.