Brevet FR2612659A1 — publié le 19880923

PROCEDE DE TRAITEMENT DE SIGNAL ET CIRCUIT DE MISE EN OEUVRE. DESCRIPTION La présente invention a pour objet un procédé de traitement de signal et un circuit de mise en oeuvre. Elle trouve une application dans le contr8le non destructif par ultrasons. Dans une installation de controle non destructif utilisant les ultrasons, on trouve un palpeur constitué par un ou plusieurs transducteurs ultrasonores. Un transducteur est excité par des impulsions électriques et il émet des impulsions ultrasonores dirigées sur ou dans une pièce à controler. Les ondes ultrasonores renvoyées par la pièce sont reçues par un transducteur (le même qu'à L'émission, ou un autre), qui émet, en réponse, un signal électrique. L'analyse de ce signal permet de contrôler la qualité de la pièce. Un système de traitement de signal utilisable dans un appareil de contrôle non destructif par ultrasons est représenté sur la figure 1. Un transducteur ultrasonore 10 émet un signal électrique qui est dirigé vers un circuit de traitement 20. Celui-ci comprend un échantillonneur 22 et un circuit de traitement proprement dit 24. Le signal délivré par le transducteur 10 est un signal analogique S(t), qui présente généralement la forme d'une onde alternative amortie. L'échantillonneur 22 délivre une suite S(n) d'échantillons, où n désigne un rang. En général, mais non obligatoirement, les échantillons sont numérisés dans L'échantillonneur. Le circuit 24 travaille alors en numérique ("processeur" numérique, calculateur, microordinateur, etc.). Il délivre un signal Inf qui contient l'information recherchée (présence d'un défaut, position de ce défaut, épaisseur d'une pièce, diamètre, etc.). Dans L'art antérieur, L'opération d'échantillonnage consiste à prélever des échantillons du signal à des instants régulièrement espacés, comme illustré sur la figure 2 (partie a). On choisit pour cela une fréquence d'échantillonnage qui est supérieure à la plus grande frequence du signal à traiter. La suite des échantillons permet d'effectuer un traitement numérique complet. Cette technique est remarquable à certains égards, notamment pour ce qui est de la représentation du signal : on voit sur la partie b de la figure 2 l'allure du signal reconstitué à partir des échantillons. Cependant, cette technique d'échantillonnage ne permet pas un traitement en temps réel. Elle implique donc une analyse différée, ce qui suppose une capacité de mémoire de stockage très importante : le matériel correspondant est donc coûteux. Par ailleurs, la fréquence de recurrence des impulsions de contrôle se trouve limitée à de faibles valeurs, comme on peut le comprendre à L'aide de l'exemple suivant. On suppose que le signal analogicue à traiter presente une durée de 10, > s (ce qui représente Le temps mis par une onde ultrasonore longitudinale pour explorer 30 mm d'acier). Le palpeur ultrasonore travaillant à une fréquence de l'ordre de 10 MHz, on peut échantillonner le signal à une fréquence de 200 MHz. Pour un signal de durée 106,kas, on obtiendra alors un 6 nombre d'échantillons égal à (10.10 )(200.10 ) soit 2000. Le temps moyen de traitement de chacun des échantillons étant de l'ordre de 8ps (avec un microordinateur de référence HD 6303 travaillant à 8 MHz), l'analyse -de la totalité du signal demandera 8x2000=16000,zs. Ainsi, la fréquence de récurrence d'exploration ne pourra-t-elle dépasser 62,5 Hz, ce qui est faible. La présente invention a justement pour but de remédier à cet inconvénient. A cette fin, elle propose un procédé et un circuit de mise en oeuvre qui rompent avec les techniques antérieures en ce sens qu'ils font appel à un échantillonnage qui n'est plus périodique mais qui est lié à la forme du signal. De façon plus précise, la prise d'échantillons correspond aux instants où le signal à traiter passe par un extremum (maximum ou minimum). Il est manifeste que le nombre d'échantillons qui sera ainsi obtenu sera beaucoup moins grand que dans l'art antérieur, ce qui peut sembler aller à l'encontre des techniques d'échantillonnage. Cependant, les travaux de l'inventeur ont montré que l'on pouvait fort bien se contenter d'un tel échantillonage dans la plupart des cas que l'on rencontre dans le contrôle non destructif. En effet, dans le contexte d'une telle technique, il s'agit avant tout de déterminer certains paramètres du signal, comme son enveloppe, son amplitude maximum, sa position temporelle, sa phase, etc. Ces déterminations peuvent parfaitement être accomplies à partir d'un signal échantillonné comme préconisé par L'invention. Elles ne nécessitent pas la connaissance précise des variations du signal entre deux extremums. L'abaissement du nombre d'échantillons à traiter évite bien les inconvénients de l'art antérieur mentionnés plus haut il réduit la capacité de la mémoire de stockage, abaisse le temps de traitement et permet d'accroitre la cadence'des tests. De façon précise, L'invention a donc pour objet un procédé de traitement des signaux délivrés par un transducteur ultrasonore utilisé dans un système de contrôle non destructif, ce procédé consistant à échantillonner le signal délivré par le transducteur, puis à effectuer un traitement sur le signal échantillonné, ce procédé étant caractérisé par le fait qu'il consiste à échantillonner le signal à des instants où il passe par un extremum. La présente invention a également pour objet un circuit de traitement de signal destiné au traitement des signaux issus d'un transducteur ultrasonore disposé dans un système de contrôle non destructif. Ce circuit met en oeuvre le procédé qui vient d'être défini. A cette fin, il comprend un échantillonneur relié au transducteur ultrasonore et un ensemble de traitement de signal échantillonné ; ce circuit est caractérisé par le fait que L'échantillonneur comprend un moyen pour déterminer les instants où le signal passe par un extremum et un moyen pour échantillonner le signal à ces instants. De toute façon, les caractéristiques de l'invention apparaStront mieux après la description qui suit, d'exemples de réalisation donnés à titre explicatif et nullement limitatif. Cette description se réfère à des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1, déjà décrite, montre la structure génerale d'un circuit de traitement de signal, - la figure 2, déjà decrite, illustre le principe de l'échantillonnage d'un signal analogique selon l'art antérieur, - la figure 3 illustre le procédé d'échantillonnage de l'invention, - la figure 4 montre comment restituer l'enveloppe du signal et déterminer son amplitude maximum, pour un signal échantillonné selon l'invention, - la figure 5 montre comment déterminer l'instant d'apparition d'un signal, - la figure 6 montre comment détecter la phase d'un signal, - la figure 7 illustre un circuit d'échantillonnage selon l'invention. Le signal S(t) représenté sur la figure 3, partie a, est typique des signaux que l'on rencontre en contrôle non destructif par ultrasons. Il correspond à un cas ou l'amortissement est faible on ne note pas moins de cinq alternances. Dans la pratique, on peut trouver des signaux qui sont davantage amortis et qui présentent seulement deux alternances. L'efficacité du procédé de l'invention n'en est que renforcee comme on le comprendra mieux par la suite. Le signal S(t) présente cinq extremums El, E2,... E5 qui interviennent aux instants tl, t2,... t5 marqués sur la ligne (b). Les échantillons S(1), S(2),... S(5) pris à ces instants sont représentés sur la partie (c) de la figure 3. C'est ce signal échantillonné qui sera traité. On observera deux propriétés de l'échantillonnage de l'invention - la prise d'échantillons aux extremums entraîne que la fréquence d'échantillonnage est égale au double de la fréquence du signal, ce qui est conforme à la condition d'échantillonnage dite de Shannon, - si la fréquence varie, soit d'un signal à l'autre, soit au sein du même signal, cette condition reste satisfaite car les instants d'échantillonnage. ne sont pas imposés par une horloge extérieure mais par le rythme même du signal. Les figures 4 à 6 illustrent, à titre non exhaustif, quelques exemples de traitement de signal pouvant être effectués sur le signal échantillonné selon l'invention. Sur la figure 4, on a symbolisé l'opération qui consiste à déterminer l'enveloppe 26 du signal (technique dénommée généralement "A-scan"). Les échantillons sont redressés pour avoir tous la même polarité. L'enveloppe est obtenue par une technique classique d'interpolation. La figure 4 illustre également la détermination de L'amplitude crête du signal. Cette détermination est immédiate puisqu'il suffit de comparer les échantillons et de déterminer quel est le plus grand. La figure 5 illustre la détermination de l'instant T d'apparition du premier échantillon. Cet échantillon correspond à la première alternance du signal. Les autres échantillons ne sont pas pris en compte. La figure0 6 montre comment on détermine la phase du signal. Sur la partie (a), le signal a une phase positive car le premier échantillon est positif. Le même signal à phase négative est illustré sur la partie (b) avec un premier échantillon négatif. Tous ces exemples montrent que le traitement de signal peut s'effectuer dans des conditions très simples avec rapidité et efficacité et ceci en dépit (ou à cause de) la réduction considérable du nombre d'échanti-llons prélevés. Enfin, la figure 7 montre un mode de realisation d'un circuit d'échantillonnage mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Le circuit représenté comprend un comparateur 30, une ligne à retard 36, un circuit de prise d'échantillons 38 et un convertisseur analogique-numérique 40. Le circuit 30 comprend une ligne à retard 32 et un comparateur 34 à deux entrées reliées l'une à l'entrée générale Ea et l'autre à la ligne à retard. Le fonctionnement de ce circuit est le suivant. Le signal analogique appliqué à l'entrée Ea est retardé dans la ligne 32. Le comparateur 34 reçoit le signal Sncident et le signal retardé et délivre un signal logique indiquant, à chaque instant, si le signal incident est plus grand ou plus petit que le signal retardé, c'est-à-dire finalement si le signal est croissant ou décroissant. Les fronts de montée et de descente du signal logique emis par le comparateur marquent ainsi les passages du signal par un minimum ou par un maximum. Ces instants sont pris comme instants d'échantillonnage. Comme leur détermination a introduit un retard, la ligne 36 est utilisée pour compenser ce retard. Elle permet d'appliquer au circuit 38 un signal dont les extremums sont bien situés aux instants des fronts de montée et de descente définis par le comparateur 30. Le circuit 38 prélève ainsi la valeur de l'extremum du signal. Il faut observer, à cet égard, que ce circuit peut être d'une qualité moyenne en ce sens que des fluctuations ("jitter" en anglais) peuvent l'affecter. En effet, comme on prélève une amplitude au moment où le signal passe par un extremum, une fluctuation de tst sur l'instant d'échantillonnage n'entraînera pratiquement pas d'erreur sur l'amplitude de L'échantillon (cf. schéma en bas du circuit 38). Avec les procédés de l'art antérieur, L'échantillonnage s'effectue souvent le long d'une rampe, ce qui occasionne des erreurs, sauf à recourir à des echantillonneurs de très grande qualité, mais qui sont alors très coûteux. Enfin, l'échantillon est numérisé par Le convertisseur 40. Des mots, par exemple de 8 bits (octets), forment les échantillons Sn adressés ensuite vers les moyens de traitement numérique. Dans la pratique, les deux circuits 38-40 sont généralement rassemblés en un seul. REVENDICATIONS 1. Procédé de traitement de signal pour le traitement des signaux (S(t)) délivrés par un transducteur ultrasonore (1C) utilisé dans un systeme de contrôle non destructif, ce procédé consistant à échantillonner (22) le signal (S(t)) délivré par le transducteur (10) puis à effectuer un traitement sur le signal échantillonné (S(n)), ce procédé etant caractérisé par le fait qu'il consiste à échantillonner le signal à des instants (t1, t2,...) où il passe par un extremum (El, E2,... En). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le traitement effectué sur le signal échantillonné consiste soit à mesurer les variations d'amplitude du signal, soit à mesurer son amplitude maximum, soit à déterminer la phase du signal, soit en une combinaison de ces traitements. 3. Circuit de traitement de signal destiné au traitement des signaux issus d'un transducteur ultrasonore (10) disposé dans un système de contrôle non destructif, ce circuit mettant en oeuvre le procédé de La revendication 1 et comprenant un échantillonneur (22) relié au transducteur ultrasonore (10) et un ensemble (24) de traitement de signal échantillonné, ce circuit etant caractérisé par Le fait que l'échantillonneur (22) comprend un moyen (30) pour déterminer les instants où le signal (S(t)) passe par un extremum et un moyen (38-40) pour échantillonner le signal à ces instants.