Brevet FR2688587A1 — publié le 19930917

La présente invention concerne un procédé de mesure longitudinale ou angulaire par des capteurs à pixels.(éléments sensibles à l'enregistrement des images). I1 existe différents systèmes de mesure pour déterminer la position d'un objet : dispositif mécanique (coulisse, comparateur), dispositif électrique (résolveurs), dispositif électronique (capteur numérique absolu) etc ... Le choix d'un dispositif dépend d'abord de l'objectif visé par l'utilisateur et des contraintes induites par le système à mesurer : en métrologie, sur les robots, sur un système d'asservissement en position etc ... Un capteur de mesure disponible sur le marché actuellement, qui ressemble le plus à notre dispositif est le capteur optique absolu. Ce type de capteur est constitué d'une série de divisions opaques et transparentes disposées selon un code Binaire ou code Gray (ou Gray excess) sur plusieurs bagues concentriques qui défilent devant des récepteurs opto-électriques et qui sont éclairées par un rayon type Ga-As émetteurs. La résolution du capteur optique absolu est déterminée par le nombre de bagues (Bits) utilisées sur le disque. Sur ce type de capteur pour améliorer la résolution il faut augmenter le nombre de bits et ainsi la fréquence de la division "opaque/transparente". Cette fréquence limite la performance de la mesure, car les récepteurs opto-électriques ont un temps de réponse limité. En conséquence un capteur opto-électrique est limité soit sur la résolution de mesure, soit sur la vitesse du mouvement admissible. De plus une augmentation de la plage de mesure d'un capteur opto-électrique multitour nécessite une réalisation mécanique considérable. Le meilleur capteur multitour existant dans le marché comporte une plage de mesure maximum de 4096 x 4096 points. La conception du capteur à pixels (simple tour) repose sur l'émission d'un signal lumineux indirect. Un réflecteur assurera l'envoi de ces rayons lumineux perpendiculairement sur un disque muni d'une ouverture optique (figure 1). Un des rayons lumineux traverse l'ouverture optique (5) et arrive sur un circuit intégré (6) équipé d'une bague à pixels. Le déplacement longitudinal (11) ou angulaire (12) provoqué en dehors du capteur déplace le disque (1) et donc le rayon lumineux sur la bague à pixels. En activant tous les pixels (type CCD) pendant 200 nano secondes on ne charge que le pixel éclairé. La carte électronique (7) saisie et enregistre l'adresse de ce pixel, qui est chargé au dessus d'un seuil. L'adresse enregistrée correspondant à une position déterminée s'inscrit sur l'afficheur de la carte imprimée. La valeur mesurée peut être envoyée sur une sortie série synchrone aux normes SSI ou une sortie parallèle Selon le diamètre des bagues et le nombre de pixels utilisés la précision sera plus au moins grande. En effet, sur une bague de diamètre 30 mm on ne peut placer actuellement que 8192 pixels de type CCD, alors que sur une bague de diamètre 60 mm on peut en placer 16384, soit le double. La vitesse du mouvement du disque est reliée directement au temps d'échantillonnage de l'état des pixels. On prend une photo (un échantillon) en activant tous les pixels pendant 200 nano secondes.Si le disque tourne avec une vitesse de 12000/tours/min (200/tours/s), -5 l'erreur de position sera de 4 x 10 de tour. Ainsi pour une bague de 16384 pixels cette erreur correspond à 16384 x 4.10 5 On constate qu'avec une vitesse de 200 tours/s le disque ne se déplace pas, même d'un pixel. En comparant notre système à pixels avec un comparateur conventionnel figure 1.), on constate que l'ouverture optique du passage de la lumière correspond à l'aiguille et les pixels aux graduations indiquées sur le cadran. Si le déplacement de 1 mm sur le cadran correspond à un micron, le version compteur à pixels nous offre une précision de 1/100 de micron et évite l'erreur de lecture. En ajoutant une deuxième bague à pixels sur le circuit intégré (6) on peut compter facilement le nombre de tours effectués par le disque (1) et élargir ainsi la plage de mesure. Le capteur rotatif multi-tours à pixels, qui est destiné à des mesures industrielles est solidaire en général à l'arbre du moteur et il est utilisable dans différents domaines mentionnés ci-dessous : En métrologie (appareils de mesure), sur les robots (système d'asservissement en position) sur les machines outils etc ... Ce capteur est constitué d'un circuit intégré équipé de plusieurs bagues à pixels. Il fonctionne comme une horloge (à pixels) à haute résolution (figure É.) Il communique la position d'un mobile à une "sortie série" aux normes SSI. Il est constitué d'une partie immobile avec plusieurs bagues à pixels. Ces bagues concentriques placées sur un circuit intégré (6) permettent le captage du faisceau lumineux. Le circuit intégré est soudé sur un circuit imprimé (7) fixé dans le capteur de mesure. Au regard de ce circuit intégré (6) sont montés sur l'axe mobile trois disques d'un masquage différent (fig.3). Les figures 2 et 3 représentent l'ordre de montage des disques (1), (2) et (3). Le premier disque est directement solidaire à l'arbre du moteur (partie mobile) et aura le même rapport de rotation. Le rapport de vitesse entre les disques est réalisé gracie au dispositif mécanique (5) fig.2 (rapport de 1/512 entre les disques). Les orifices au centre du circuit intégré et des disques sont prévus pour le passage du dispositif mécanique (fig.N"3). Le système de masquage (fig.3) permet au circuit intégré de détecter un seul faisceau lumineux par bague. Chaque faisceau lumineux éclaire un pixel unique suivant la position angulaire. La sensibilité des pixels se règle par un potentiomètre connecté au circuit intégré. Le seuil est déterminé par le facteur (temps d'activation des pixels x intensité lumineuse de la source).Ce réglage permet de mettre en évidence le pixel le plus éclairé par le faisceau et ceci dans une période de temps de l'ordre de la centaine de nano secondes. Le nombre de pixels sur chaque bague et les rapports entre les disques peuvent être déterminés selon la résolution et l'application envisagée. Dans notre cas, la première bague (figure 3) comporte 16384 les suivantes 512 pixels. Les adresses des pixels sont accessibles sur un registre de 32 Bits appelé "Registre pixels éclairés". Les 14 premiers bits de poids faibles indiquent l'adresse du pixel éclairé sur la 1ère bague et les 18 bits suivants, l'adresse des pixels éclairés sur les deux autres bagues. Le 'Registre pixels éclairés, 32 bits" de sortie du circuit intégré contient les adresses des pixels éclairés correspondants à la position mesurée". Une calculatrice programmable sur la carte imprimée compare la nouvelle valeur mesurée avec la valeur précédente de la position. Si la différence est plus petite qu'une demi tour (ici 8192 point) la mesure est correcte, car le mobile possède une vitesse de 200 tours/s maximum. La différence entre deux mesures ne peut être que de 0.2 tour en 1 ms (fréquence de l'échantillonnage). De plus, ce test nous permet de déterminer le sens et la vitesse de mouvement en fonction des points. Pour rendre plus facile le dispositif de mesure au niveau de la réalisation optique, il est possible d'éclairer un ensemble de 11 ou 101 pixels sur la première bague à pixels.Dans ce cas, la calculatrice sur le circuit imprimé se programme différemment, on choisit comme référence un pixel placé au milieu des pixels éclairés. La version dont l'information sort par un signal vidéo consiste à atteindre les pixels de chaque bague en trois parties égales : éclairée (blanc), moins éclairée (gris) et non éclairée (noir). Autrement dit, l'ouverture optique de chaque disque (fig.3) sera remplacée par un anneau divisé en trois parties (dont 1/3 transparente, 1/3 mate, 1/3 non transparente) et opposé à une bague à pixels. La position angulaire de chaque disque sort par un signal vidéo (15) (fig.4). L'information de chaque bague à pixels commence par une impulsion négative. On choisit comme point de référence sur le disque la limite entre le niveau (non transparent) noir et le niveau (transparent) blanc.La position du disque peut être saisie rapidement par l'adresse du premier pixel éclairé ou par le comptage d'une horloge (17) à partir de l'impulsion négative (front montant) jusqu'au niveau blanc (16) (fig.4). Le signal vidéo résultant du disque solidaire à l'arbre d'un moteur triphasé peut être exploité par le circuit de commande de l'étage de sortie d'un variateur triphasé et ce signal remplace ainsi la fonction d'un résolveur. Enfin, une modification de la forme du signal vidéo peut être réalisée par différentes intensités de lumière sur les pixels. Une autre version est constituée d'un circuit intégré équipé d'un rangement de pixels en colonne et trois disques comportant une série de bagues concentriques divisées en noir et blanc selon le code choisi (Gray, Binaire ...). Une source de lumière (4) éclaire une partie des disques apposés au circuit intégré (6) (f ig.5). Entre le circuit intégré et les disques est prévu un diaphragme (9) qui limite le champs de réflexion des disques. Chaque disque porte un ensemble de bagues indiquant sa position angulaire. Ces bagues sont limitées par des bagues de couleur grise sur la figure 5 coupe a a', qui serviront de séparateur. L'information de la position enregistrée par les pixels sort sur un signal vidéo (21) sur trois niveaux (noir, blanc et gris) (fig.6). Un comparateur réglé sur le "niveau gris" détermine le niveau noir ou blanc de chaque bague à l'aide d'une horloge (24) liée à la largeur constante des bagues (quelque dizaines de pixels par bague). Une autre version de capteur à pixels peut être constituée d'un circuit intégré équipé de bagues à pixels codées en Gray Excess (ou en Binaire). Dans ce cas, chaque bague dispose de deux sortes de pixels C.C.D. que l'effet de lumière charge en deux valeurs de tension différentes opposées (-1 volt pour le niveau logique zéro et 1 V pour le niveau logique UN). Le positionnement angulaire d'une source de lumière sur ces bagues codées à pixels, en fonction d'un déplacement, indique la valeur (le code) de la position à mesurer. Cette source étant constituée d'un disque noir muni d'un trait fin blanc, ou un rayon laser d'alignement qui tourne en fonction du déplacement. REVENDICATIONS 10/ Dispositif optique de mesure longitudinale ou angulaire caractérisé en ce qu'il comporte un capteur à pixels sous la forme d'un circuit intégré (6) équipé d'au moins une bague à pixels, au moins un disque (1) muni d'une ouverture optique (5) qui reçoit des rayons lumineux provenant d'une source (4), d'un moyen pour déplacer le disque selon un mouvement longitudinal ou angulaire par rapport au capteur de pixels, d'une carte imprimée (7) qui enregistre l'étant des pixels et détermine la position du disque. 2"/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le circuit intégré comporte plusieurs bagues à pixels et autant de disques (1, 2 et 3.) avec des orifices concentriques pour le passage du système mécanique. 30/ Dispositif selon les revendications 1 & 2 caractérisé en ce que les disques (1. 2. et 3) sont superposés (reliés seulement par le système mécanique). 40/ Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le masquage de chaque disque est réalisé de telle façon que chaque disque réagisse sur une bague et n'éclaire qu'un pixel ou un groupe de pixels à la fois. 5"/ Dispositif caractérisé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 en ce que la carte calculatrice (7) est programmée de manière à activer les pixels un certain laps de temps, enregistrer l'adresse d'un pixel de référence parmis tous les pixels éclairés , comparer cette adresse avec la précédente et calculer la position angulaire du ou des disques. 60/ Dispositif caractérisé selon la revendication 1 en ce que l'ouverture optique (5) est constituée par un anneau formé par trois parties égales (transparente, mate et non transparente) qui est opposé à une bague à pixels, la limite entre le niveau non transparent et le niveau transparent sur le dit anneau permettant de saisir rapidement la position du disque par la détermination de l'adresse du premier pixel éclairé ou par le comptage du temps écoulé au moyen d'une horloge (17) à partir de l'impulsion négative jusqu'au changement de niveau noirblanc (premier pixel éclairé). 7 / Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que le circuit intégré (6) est équipé d'un rangement de pixels en colonne et en ce qu'il comporte trois disques ayant une série de bagues concentriques divisées en noir et blanc selon un code choisi (Gray ou Binaire ...), une source de lumière (4) pour l'éclairage des disques et un diaphragme (9) disposé entre le dit circuit intégré et les disques. 80/ Dispositif caractérisé selon la revendication 7 en ce qu'il comporte un comparateur réglé sur le niveau gris destiné à déterminer le niveau noir ou blanc de chaque bague, et associé à une horloge (24) liée à la largeur constante des bagues. 90/ Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en qu'il comporte un circuit intégré équipé de bagues concentriques à pixels codées (par exemple Gray ou Binaire), chaque bague disposant de deux sortes de pixels que l'effet lumière charge en deux tensions différentes opposées, la source étant constituée d'un disque noir muni d'un trait fin blanc ou d'un rayon laser d'alignement qui tourne en fonction du déplacement. 100/ Dispositif selon les revendications 5 ou 6 caractérisé en ce qu'il est appliqué à la commande d'un moteur triphasé.