Brevet FR2544868A1 — publié le 19841026

La présente invention concerne la télémétrie acous- tique, et elle porte en particulier sur des dispositifs per- fectionnés pour la télémétrie à très courte distance. La télémétrie acoustique permet la détermination de la distance d'un objet sans contact physique De tels systè- mes fonctionnent de façon caractéristique selon deux cycles ou modes successifs Dans le mode d'émission, on émet vers un objet situé à une distance inconnue une impulsion ultrasonore (une onde acoustique de fréquence supérieure à environ 20 k Hz) Dans le mode de réception, on détecte l'énergie sonore réfléchie, ou l'écho, provenant de l'objet La durée qui sépare la génération de l'impulsion d'émission et la réception de l'écho est proportionnelle à la distance de l'objet. Les appareils photographiques de la marque SX-70 fabriqués par Polaroid Corporation, Cambridge, Massachu- setts, constituent un exemple de produits commerciaux qui utilisent la télémétrie ultrasonore Le télémètre Polaroid comprend un transducteur capacitif qui fonctionne à la fois en émetteur et en récepteur Cette structure à deux fonc- tions offre les avantages de l'économie et d'un faible encombrement. Dans des systèmes de transducteurs à double fonc- tion de l'art antérieur, on ne peut mesurer avec précision que des distances supérieures à une distance minimale d'environ 30 cm Ceci est dû en grande partie au temps nécessaire pour que le transducteur et des circuits d'atta- que associés retournent à un état-de repos après le cycle d'émission Il y a cependant de nombreuses applications prometteuses pour la télémétrie ultrasonore dans lesquelles il est souhaitable de mesurer avec précision des distances beaucoup plus courtes Par exemple, dans le domaine de la robotique, des capteurs fonctionnant à courte distance pré- sentent un intérêt dans la réalisation d'asservissements. L'invention consiste en un système de télémétrie acoustique comprenant un circuit résonnant et un -transduc- teur qui fonctionnent dans des cycles d'émission et de réception du système Des moyens destinés a commander le circuit résonnant comprennent des moyens pour exciter le transducteur de façon qu'il produise des ondes acoustiques, et des moyens pour extraire de l'énergie de manière active, afin d'amortir le circuit et le transducteur pour les amener dans un état de repos. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'un exemple de circuit conforme à l'invention; La figure 2 est un ensemble de graphiques montrant des signaux qui interviennent dans le fonctionnement du cir- cuit de la figure 1 La figure 3 est un schéma d'un circuit constituant un autre exemple dé l'invention; La figure 4 est un schéma d'un circuit de source de courant commandée utile dans les modes de réalisation des figures 1 et 3; La figure 5 est un graphique montrant un signal représentatif du fonctionnement de systèmes de télémétrie ultrasonores antérieurs; La figure 6 est un schéma d'une autre configura- tion de transducteur utilisable dans le mode de réalisation de la figure 1; La figure 7 est un schéma d'une autre configura- tion de transducteur utilisable dans le mode de réalisation de la figure 3; La figure 8 est un schéma d'un circuit de protec- tion utilisable dans les modes de réalisation des figures 1 et 3; et La figure 9 est une vue de dessus d'une pince de robot équipée d'un transudcteur de télémétrie qui illustre une application de l'invention. Sur la figure 1, le cadre 100 contient un circuit oscillant ou résonnant LC qui comprend un condensateur C 2 connecté en série avec une inductance Li Le condensateur C 2 peut avoir une valeur d'environ 0,05 microfarads et l'induc- tance Ll peut avoir une valeur d'environ 10 millihenrys Un transducteur capacitif Cl, d'une valeur caractéristique d'environ 500 picofarads, est connecté en parallèle sur le condensateur C 2 et l'inductance Li Le transducteur Cl peut être, par exemple, l'élément de télémétrie ultrasonore de Polaroid La face métallisée-du transducteur Cl est connec- tée à la masse Cette mise à la masse est particulièrement avantageuse pour réaliser un blindage électromagnétique. L'autre face du transducteur Cl e-st connectée à une borne Tl par l'intermédiaire d'une résistance Ri Une tension de pola- risation VB, par exemple d'environ 200 V=, peut être appli- quée à la borne Tl par une source de tension V 51. On peut remplacer la configuration représentée dans le cadre 100 de la figure 1 par d'autres types de transduc- teurs bien connus, comme un électret Sur la figure 6, une borne d'un électret El est connectée à un côté de l'induc- tance Ll et à une borne T 2 L'autre borne de l'électret est connectée à l'autre côté de l'inductance et à la masse. Sur la figure 1, le point de connexion du condensa- teur C 2 et de l'inductance L 1 est connecté à un circuit dont la conductance est fonction du temps, au niveau de la borne T 2 Le circuit à conductance variable est formé par des amplificateurs OT Al et OTA 2 Les amplificateurs OT Al et OTA 2 peuvent être des circuits amplificateurs opérationnels à transconductance du type CA 3080 A, fabriqués par Radio Corpo- ration of America, Incorporated Les amplificateurs sont connectés à des alimentations (non représentées), comme il est bien connu dans la technique Des courants de polarisa- tion I 1 et I 2 sont appliqués à des instants prédéterminés aux bornes de commande respectives des amplificateurs OTA 1 et OTA 2. Les courants I et I peuvent être fournis par une i 2 configuration de source de courant commandée, comme il est représenté sur la figure 4 Une tension constante VM est appliquée à un ceté de résistances R 3 et R 4 La tension VM peut être, par exemple, d'environ + 8 volts Les résistances R 3 et R 4 peuvent être, par exemple, d'environ 20 kiloohms. L'autre côté de la résistance R 3 est connecté à l'anode de la diode D 7 et l'émetteur du transistor T Rl L'autre côté de la résistance R 4 est connecté à l'anode de la diode D 8 et à l'émetteur du transistor TR 2 Les cathodes des diodes D 7 et D 8 sont respectivement connectées aux bornes T 5 et T 6 Les bases des transistors T Ri et TR 2 sont connectées à une sour- ce de tension positive, par exemple d'environ 1 volt. Un signal de type TTL, bien connu dans la techni- que, peut être appliqué alternativement aux bornes T 5 et T 6 Le transistor TRI fournit sur son collecteur un courant de sortie I (égal à environ 0,33 m A), lorsqu'un signal TTL au niveau " 1 " est appliqué sur la borne T 5 Un signval au niveau " 1 " peut avoir une valeur d'environ + 4 volts Le transistor TR 2 fournit un courant de sortie I 2 sur son collecteur lorsqu'un signal au niveau " 1 " est appliqué à la borne T 6 Lorsque des signaux de niveau " O " (environ O volt) sont appliqués aux bornes T 5 et T 6, les courants I et I 2 sont égaux à zéro Il faut noter qu'on peut remplacer la configuration ci-dessus par d'autres configurations de source de courant commandée, comme il est bien connu dans la technique. Comme le montre la figure 1, la borne d'entrée positive de l'amplificateur OTAI peut être connectée direc- tement à la borne T 2 pour donner un fonctionnement avec réaction positive De façon similaire, la borne d'entrée négative de l'amplificateur OTA 2 peut être connectée directe- ment à la borne T 2 pour donner un fonctionnement avec réac- tion négative Il est cependant préférable d'incorporer un circuit de protection dans les boucles de réaction, pour limiter les tensions appliquées aux entrées des amplifica- teurs Le circuit de protection peut remplacer la connexion directe qui est représentée entre les bornes T 2 et T 3 sur la figure 1. Le circuit de protection peut comprendre, par exemple, une combinaison de diodes, comme le montre la figu- re 8 Sur la figure 8, les anodes de diodes Dl et D 2 sont connectées à une source de courant positive C 51 La source de courant C 51 peut comprendre, par exemple, un transistor connecté en une configuration à base commune, comme il est bien connu dans la technique La source de courant C 51 fournit un courant constant I O qui est par exemple égal à environ 0,1 m A La cathode de la diode Dl et l'anode de la diode D 3 sont connectées à la borne T 2 Les cathodes des diodes D 2 et D 6, et les anodes des diodes D 4 et D 5 sont res- pectivement connectées à la borne T 3 et aux bornes d'entrée positive et négative des amplificateurs OTAI et OTA 2 Les cathodes des diodes D 3 et D 4 sont connectées à une source de courant négative C 52, qui fournit un courant constant -IO' La cathode de la diode D 5 et l'anode de la diode D 6 sont connectées à la masse Cette combinaison de diodes limite la tension appliquée aux amplificateurs à une plage de sécurité d'environ 0,7 volt Le potentiel d'attaque du transducteur Cl (c'est-à-dire la tension sur la borne T 2) peut avantageu- sement être compris dans une plage d'environ 10 volts La puissance de sortie du transducteur est ainsi augmentée Il faut noter qu'on peut utiliser d'autres circuits de protec- tion, sans sortir du cadre de l'invention. Les graphiques de la figure 2 illustrent le fonc- tionnement du circuit de la figure 1 Les graphiques 202 et 203 de la figure 2 montrent les formes des courants de pola- risation Il et I 2 qui sont respectivement appliqués aux amplificateurs OTAI et OTA 2 Le graphique 201 montre la réponse en tension résultante VT du circuit résonnant, en fonction du temps La réponse en tension V, peut être obte- nue sur la borne T 2. Pour exciter le transducteur acoustique CI, on commute le courant Il à un instant t o Du fait que l'amplifi- cateur OT Al est connecté pour fonctionner avec une réaction positive, l'amplitude de la réponse en tension VT du circuit résonnant s'élève rapidement a la fréquence de résonance. L'amplitude de l'onde de pression acoustique produite par le transducteur capacitif Cl s'élève de façon correspondanteo O 10 Le courant Il demeure présent pendant une durée prédétermi- née, par exemple 30 Ips, au bout de laquelle la tension VT atteint un maximum d'environ 20 volts crête à crêteo Pour amortir le transducteur ultrasonore Ci, on interrompt le courant I 1 et on établit le courant I 2 à l'instant t L'amplificateur OT Al retourne donc dans un état à haute impédance et l'amplificateur OTA 2 est mis en fonction Du fait que l'amplificateur OTA 2 est connecté de façon à fonctionner en réaction négatives de l'énergie est extraite du circuit résonnant Les oscillations du transduc- teur Cl sont ainsi arrêtées et l'amplitude de la tension VT du circuit résonnant diminue rapidement jusqu'à zéro. A l'instant t 3 sur la figure 2, les courants I 1 et I 2 sont tous deux égaux à zéro et le transducteur C 1 est retourné à un état de repos On peut donc utiliser le trans- ducteur Cl immédiatement après l'instant t 3 pour recevoir un écho de retour quelconque venant de l'objet Comme il est bien cornnu dans la technique, un écho de retour induit des oscillations dans le transducteur Clo Le signal de sortie correspondant V peut avantageusement être obtenu sur la borne T 3. On va maintenant considérer la figure 5 qui montre un graphique d'un signal représentatif du fonctionnement du transducteur dans des systèmes de télémétrie ultrasonores de l'art antérieur Lorsque l'énergie d'excitation est interrompue à l'instant t 2, le transducteur continue à osciller de façon irrégulière, ou à "résonner" L'oscillation est due essentiellement à l'inertie mécanique du transduc- teur Du fait que le cycle de réception ne peut pas commencer avant l'arr Ut de l'oscillation, à l'instant t 3, les systèmes de télémétrie ultrasonores antérieurs ne peuvent effectuer des mesures que jusqu'à une distance minimale d'environ cm. Au contraire, l'invention comporte un dispositif d'amortissement actif On entend par "amortissement actif" le fait que l'énergie provenant des éléments transducteur et oscillateur est extraite ou dissipée par un circuit, tel que le circuit de réaction à amplificateur décrit ci-dessus, qui est lui-même une source d'énergie électrique Dans les systèmes antérieurs, l'amortissement est passif, c'est-à- dire que l'énergie du transducteur est dissipée seulement par résistance mécanique et électrique L'amortissement actif ramène avantageusement les éléments transducteur et oscillateur à une condition de repos beaucoup plus rapide- ment, ce qui permet d'atteindre une distance de télémétrie minimale de moins de 2,5 cm De plus, l'amortissement actif permet d'incorporer le transducteur dans le circuit réson- nant qu'on utilise pour exciter le transducteur, comme le montre la figure 1 On obtient ainsi un rapport signal à bruit supérieur à celui de dispositifs de l'art antérieur, dans lesquels le transducteur lui-même ne fait paspartie d'un circuit résonnant Un rapport signal à bruit élevé augmente la sensibilité en ce qui concerne la détection de petits objets La configuration d'excitation de transducteur de l'invention a également un meilleur rendement; des systèmes de télémétrie antérieurs peuvent consommer de l'ordre de cent fois plus de puissance. On va maintenant considérer la figure 3 qui repré- sente un autre circuit résonnant connecté à un circuit dont la conductance est fonction du temps, similaire à celui décrit en détail ci-dessus Le circuit à conductance varia- ble est le même que celui décrit précédemment, à l'exception du fait que l'amplificateur d'excitation OT Al est connecté de façon à fonctionner avec une réaction négative (au lieu d'une réaction positive), tandis que l'amplificateur d'amor- tissement OTA 2 est connecté de façon à fonctionner avec une réaction positive (au lieu d'une réaction négative) Ce cir- cuit résonnant comprend un amplificateur opérationnel Q Ai ayant une borne d'entrée positive connectée à la masse et une borne d'entrée négative connectée aux sorties des ampli- ficateurs OT Al et OTA 2 Du fait que les bornes de sortie des amplificateurs OT Ai et OTA 2 sont connectées à la borne néga- tive ou inverseuse de l'amplificateur OA 1, le fonctionnement du circuit sous l'effet des courants I et I 2 est le même que celui décrit ci-dessus en relation avec la figure 1 La borne d'entrée négative de l'amplificateur O Al est également connectée à un côté du transducteur Cl et de l'inductance Li L'autre côté du transducteur Cl est connecté au condensa- teur C 2 et à la borne Tl par l'intermédiaire de la résistance RI L'autre côté de l'inductance Ll est connecté à l'autre côté du condensateur C 2, à la borne de sortie de l'amplifica- teur O Al et à la borne T 2 De plus, le circuit de protection de la figure 8, décrit ci-dessus, peut être incorporé entre les bornes T 2 et T 3 de ce circuit résonnant Ce circuit résonnant procure avantageusement une grande excursion de tension aux bornes du transducteur, pour produire de façon correspondante une onde acoustique de grande amplitude. On peut remplacer par un électret la configuration de transducteur qui est représentée dans le cadre 300 de la figure 3 Sur la figure 7, une borne d'un électret El est connectée à un côté de l'inductance Ll et à la borne T 2. L'autre borne de l'électret est connectée à l'autre côté de l'inductance et à la borne T 4. La figure 9 montre qu'un transducteur de télémé- trie acoustique 903 conforme à l'invention peut être monté dans une main ou une pince de robot 900 Les circuits d'oscillateur et de commande (non représentés) peuvent être placés à distance La pince comprend des griffes 901 et 902. Le transducteur de télémétrie 903 donne donc la possibilité de diriger la pince vers un objet On peut utiliser l'infor- mation de distance provenant du système de télémétrie pour réaliser un asservissement de position de la pince, grâce à quoi on peut commander les griffes 901 et 902 de façon qu'elles saisissent avec précision un objet désiré. On vient de décrire et de représenter l'invention en considérant un mode de réalisation préféré, mais de nom- breuses modifications peuvent être faites par l'homme de l'art, sans sortir du cadre de l'invention A titre d'exem- ple, sur la figure 4, on peut brancher au collecteur de T 2 une résistance série et un condensateur connecté à la masse, grâce à quoi le courant I 2 diminuera plus lentement à l'instant t Sur la figure 1, on peut appliquer une petite 3 ' tension de décalage à la borne d'entrée positive de l'ampli- ficateur OTA 2 Ces modifications améliorent encore la vites- se avec laquelle le système retourne à un état de repos après l'impulsion d'émission On peut en outre modifier diverses valeurs de composants pour changer les caractéristi- ques de fonctionnement. Il va de soi que de nombreuses autres modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. 25448 e 8 REVENDICATIONS 1 Système de télémétrie acoustique comportant des cycles d'émission et de réception, comprenant: un circuit résonnant; et un transducteur connecté à ce circuit résor- nant, ce transducteur fonctionnant en alternance dans les cycles d'émission et de réception du système de télémétrie caractérisé en ce qu'il comporte des moyens destinés à appliquer rapidement de l'énergie d'excitation au circuit résonnant pendant le cycle d'émission pour produire des ondes acoustiques de télémétrie; et des moyens destinés à amortir rapidement l'énergie dans le circuit résonnant, pendant le cycle de réception, pour permettre la réception d'échos de retour de télémétrie, provenant de plus courtes distances. 2 Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à appliquer l'énergie d'excita- tion au circuit résonnant et les moyens destinés à appliquer l'énergie d'amortissement au circuit résonnant sont consti- tués par un circuit à conductance variable qui fonctionne alternativement selon des modes de réaction positive et de réaction négative. 3 Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit à conductance variable comprend un pre- mier amplificateur opérationnel à transconductance ayant une borne d'entrée positive et une borne de sortie connectées à des extrémités respectives du circuit résonnant, et un second amplificateur opérationnel à transconductance ayant une borne d'entrée négative et une borne de sortie connectées à des extrémités respectives du circuit résonnant.