Brevet FR2692989A1 — publié le 19931231

La présente invention concerne le secteur de l'instrumentation et des capteurs utilisés pour le contrôle des matériaux composites et plastiques. De façon plus générale, la présente invention se rapporte aux mesures et essais non destructifs de tous les matériaux naturels ou synthétiques diélectriques, ou très faiblement conducteurs ainsi qu'à la détection de corps étrangers dans des milieux diélectriques peu denses. A notre connaissance, il n'existe pas à l'heure actuelle d'émetteurs-récepteurs d'ondes mobiles de mesure et de contrôle spécialement adaptés pour l'utilisation des microondes en contrôle non destructif. Le dispositif suivant l'invention permet d'émettre des ondes électromagnétiques hyperfréquences, micro-ondes, en direction d'un matériau ou d'une pièce à tester puis de les recapter afin d'obtenir des informations sur son état interne de santé : présence ou non de défauts type fentes, fissures, inclusions, bulles, cavités, délaminages, inhomogénéités et variations dimensionnelles ou géométriques. Ceci sans contact matériel direct nécessaire entre le matériau testé et ce dispositif. Celui-ci est mobile par rapport à ce matériau et à l'appareillage de mesure servant à analyser les signaux provenant de cet émetteur d'onde. La mesure est basée sur la comparaison entre l'onde incidente émise par cet émetteur récepteur-d'onde et celle réfléchie revenant du matériau testé. Les grandeurs physiques pris en compte sont les champs électriques incident, réfléchie ou transmis. Le dispositif selon l'invention permettant de remplir cette fonction figure 1 est constitué d'un élément de connexion (1), fiche coaxial hyperfréquence en général dont le rôle est d'assurer la liaison à l'émission et à la réception, entre ce dispositif et un câble coaxial (2), lui-même relié à l'appareil de mesure (3) qui est à la fois générateur de l'onde électromagnétique et système de détection et d'analyse. La plage de fréquence possible est de quelques GigaHertz à quelques centaines de GigaHertz. La fiche coaxiale transmet l'onde dans une partie creuse (4), élément principal du dispositif, ceci par l'intermédiaire d'une antenne (5). Cette partie principale et cette antenne sont de nature métallique bonne conductrice de l'électricité et non magnétique. Cette antenne joue un rôle d'émission et de réception de l'onde. La partie principale creuse a pour rôle de-canaliser l'onde, avec une répartition appropriée du champ électrique de cette antenne jusqu'à une ouverture rayonnante (6) qui a pour fonction d'émettre l'onde en direction du matériau testé (7) puis d'en recapter la partie réfléchie. Une semelle (8) constituée d'un matériau isolant à faibles pertes diélectriques peut permettre une focalisation du faisceau d'ondes émises et reçues ainsi que le déplacement correct du dispositif en contact avec la surface du matériau ou de la pièce contrôlée. Dans ce cas, le matériau de la semelle doit avoir des propriétés antifriction. Cette semelle fixée mécaniquement, par emmanchement par exemple, à l'ouverture rayonnante peut obtruer entièrement celle-ci ou simplement ses bords. Cette semelle peut être, elle-même recouverte d'un capot (9) de protection, constituée d'un matériau conducteur non magnétique en contact électrique avec la partie principale du dispositif. Le rôle de ce capot étant d'assurer le blindage électromagnétique de la semelle et de l'ouverture rayonnante contre des perturbations extérieures. Celui-ci doit se situer légèrement en retrait de la semelle afin de permettre à celle-ci d'assurer seule le contact avec le matériau testé ; cet ensemble peut être démontable. La partie principale creuse de cet émetteur-récepteur d'onde est objet d'un phénomène d'onde stationnaire due aux ondes incidentes et réfléchies provenant de l'antenne et du matériau testé. C'est ce phénomène d'onde stationnaire modifié par l'état interne du matériau qui constitue le signal portant les informations représentatives des défauts situés dans ce matériau. Ces informations sont ensuite détectées et traitées dans l'appareil de mesure externe au dispositif, objet de l'invention. La mesure ainsi effectuée est de nature absolue. La partie principale de cet émetteur-récepteur d'onde doit avoir une géométrie et des dimensions permettant de propager en émission et en réception les ondes aux fréquences émises par l'appareil de mesure ; ceci avec un faisceau d'onde émis par l'ouverture rayonnante de forme adaptée au matériau contrôlé et aux types de défectuosités à détecter. A cet effet, la partie principale de cet émetteurrécepteur d'onde peut être constituée d'éléments de guides d'ondes standards normalisés de section rectangulaire, carrée, circulaire, ovale ou tout autre ; dont l'une des extrémités est fermée et l'autre ouverte afin de rayonner l'onde en direction du matériau testé. La polarisation de l'onde émise en direction du produit à contrôler sera alors fonction de la fréquence et de la section de l'élément standard jouant le rôle de la partie principale de cet émetteur-récepteur. n est possible d'obtenir une partie principale ou la propagation soit identique à celle existant dans un câble coaxial figure 2 en prolongeant l'antenne jusqu'à l'ouverture rayonnante. Quelque soit la géométrie interne de la partie principale de ltémetteur-récepteur, il peut être nécessaire pour améliorer les propriétés de transmission et de réception d'y adjoindre un dispositif d'adaptation sous la forme d'une ou plusieurs vis (10) qui pénètrent plus ou moins profondément dans celle-ci. n est possible de limiter l'importance du faisceau d'onde transmis par l'ouverture rayonnante en disposant entre celle-ci et l'antenne un élément diélectrique absorbant (11) fixé, emmanchement. Par emmanchement, percé d'un trou (12) de faible diamètre, inférieur aux dimensions de l'ouverture rayonnante, comme représenté figure 3. Cet élément sera de préférence biseauté à son extrémité interne afin de limiter les réflexions parasites dans la partie principale. Ainsi l'onde émise par l'antenne et celle réfléchie par le matériau testé ne pourront se propager de manière significative qu'au niveau du trou; la propagation dans l'absorbant étant fortement atténuée. Le faisceau d'onde utilisé pour contrôler le matériau sera donc un fin "pinceau d'onde". Une première variante de ce dispositif objet de l'invention, figure 4, consiste à l'utiliser dans un rôle d'émetteur (13), la réception de l'onde après avoir traversé le matériau testé, est effectué par un dispositif de même type (14). Ce dernier est alors placé en regard du premier de l'autre côté de la pièce ou du matériau contrôlé. Un système particulier constitué d'un isolateur (15) et d'un circulateur (16) micro-ondes est nécessaire entre cet émetteur-récepteur d'onde et l'appareil de mesure ; ceci pour éviter un mélange des différentes ondes réfléchies et transmises rendant difficiles l'interprétation des mesures. Ces différents composants sont liés par câbles coaxiaux (17). Une deuxième variante, figure 5, consiste à accoler deux dispositifs, objet de l'invention, du même type que ceux de la figure 4, en assurant un lien mécanique entre les deux ; l'un fonctionnant en émetteur, l'autre en récepteur. De même que précédemment, l'adjonction d'un isolateur et d'un circulateur micro-ondes est nécessaire au bon fonctionnement de ce dispositif. Ces deux éléments peuvent former un angle: directions de propagation non parallèles des faisceaux d'ondes afin de favoriser leurs directivités en émission et en réception. L'information obtenue lors du passage de cet émetteur-récepteur en regard d'un défaut est de type absolu. Une troisième variante, figure 6, consiste à réaliser une séparation (18) partageant la partie principale creuse du dispositif, objet de l'invention, de manière à ce que l'onde incidente émise provenant de l'antenne se partage en deux parties égales dans chacune des branches ainsi créées. Les dimensions et la géométrie de chacune de ces branches doivent permettre la propagation des ondes provenant de l'appareil extérieur au dispositif. L'adjonction d'une semelle de focalisation et de contact est toujours possible. L'une des branches comporte un élément diélectrique, biseauté (19) afin de limiter les réflexions parasites, fixé mécaniquement, dont le rôle est d'imposer un déphasage de 1800 entre l'onde incidente et l'onde réfléchie du matériau testé dans cette branche. Le rôle de l'élément diélectrique déphaseur est d'obtenir une onde stationnaire nulle au niveau de l'antenne lorsque les deux ouvertures rayonnantes sont en face de deux zones du matériau testé, de nature diélectrique et de géométrie identique : l'onde réfléchie d'une branche étant alors annulée par I'onde réfléchie dans l'autre branche. L'onde stationnaire ne sera plus nulle si les deux ouvertures rayonnantes sont en face de deux zones de nature diélectrique ou de géométrie différente. C'est cette modification relative du phénomène d'onde stationnaire : passage d'une onde progressive au niveau de l'antenne à l'apparition d'une stationnarité qui constitue le signal porteur de l'information différentielle sur la présence de défauts. Ce type d'émetteur-récepteur est particulièrement adapté, lors de son déplacement sur la surface du matériau à contrôler, à la détection de singularités de type défauts localisés en s'affranchissant des légères variations progressives, telle que des modifications de structures propres à certains matériaux diélectriques, composites ou plastiques. Le dispositif objet de l'invention et ses diverses variantes décrites précédemment peuvent être utilisés particulièrement lorsqu'il s'agit de contrôler la qualité ou l'état de santé interne de matériaux, pièces, produits de type plastique, composite ou diélectrique en général à partir des faces extérieures de cette pièce. L'aire de la surface où l'onde est émise devant être supérieure, de préférence, à celle de l'ouverture rayonnante effective de l'émetteur-récepteur d'onde utilisé. La distance de ces émetteurs-récepteurs d'onde peut être nulle : contrôle au contact ou d'une valeur pouvant aller jusqu'à quelques longueurs d'onde émise. D'une manière générale, la direction de propagation de l'onde émise sera perpendiculaire à la surface d'entrée du matériau testé, donc aussi perpendiculaire au plan formé par les bords de l'ouverture rayonnante. Le dispositif objet de l'invention et ses diverses variantes s'appliquent essentiellement à la détection de défectuosités à l'intérieur de matériaux solides diélectriques mais peut aussi s'appliquer à la détection de défauts débouchants à la surface de pièces métalliques ainsi qu'à la détection de la présence de corps solides diélectriques ou conducteurs au sein de milieux de très faibles densités, voir de liquides ou de gaz. REVENDICA TIONS 1. Dispositif émetteur-récepteur d'onde pour le contrôle et les mesures non destructifs des matériaux et pièces diélectriques, plastiques, composites et la détection de pré sence d'objets en milieux peu denses: - caractérisé par le fait qu'il est constitué d'une partie principale métallique non magnétique creuse, propageant l'onde d'un dispositif de connexion par l'intermédiaire d'une antenne à une ouverture rayonnant l'onde vers le matériau à tester et la réceptionnant en retour. 2. Dispositif selon la revendication 1: - caractérisé par le fait que cet émetteur-récepteur est excité par une onde électromagnétique hyperfréquence provenant d'un appareil extérieur, par l'intermédiaire d'un câble coaxial rigide souple ou semi-souple ; cet appareil jouant aussi le rôle de système de détection et d'analyse. 3. Dispositif selon la revendication 1: - caractérisé par le fait que la partie principale, fermée à son extrémité opposée à l'ouverture rayonnante, peut être d'une section de forme carrée, rectangulaire, circulaire, elliptique ou la combinaison de plusieurs de ces formes et doit avoir des dimensions pennettant la propagation à la fréquence utilisée. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3: - caractérisé par le fait que l'extrémité non fermée constituant l'ouverture rayonnante peut comporter un élément plastique fixé mécaniquement à faibles pertes diélectriques, de nature anti-friction dont le rôle est d'assurer une focalisation de l'onde et un bon contact avec la surface du matériau testé. 5. Dispositif selon les revendications 1 et 4: - caractérisé par le fait que la semelle anti-friction peut être entourée d'un capot métallique non magnétique, en contact électrique avec la partie principale métallique assurant ainsi un rôle de blindage électromagnétique. 6. Dispositif selon les revendications 1 à 3: - caractérisé par le fait qu'un ou plusieurs éléments type vis sont placés dans la partie principale avec une profondeur de pénétration réglable pour réaliser l'adaptation de cet émetteur-récepteur d'onde avec son alimentation extérieur et le matériau testé. 7. Dispositif selon les revendications I à 3: - caractérisé par le fait que la partie principale peut être chargée par un diélectrique à fortes pertes: absorbant biseauté à son extrémité interne, percé d'un trou de faible diamètre, situé entre l'antenne et l'ouverture rayonnante et dont le rôle est d'obtenir un fin pinceau d'onde émis en direction du matériau contrôlé. 8. Dispositif selon les revendications 1 à 3: - caractérisé par le fait que l'antenne reliée à la partie centrale du connecteur coaxial peut être prolongée jusqu'à l'ouverture rayonnante afin d'assurer l'émission et la réception de l'onde en direction du matériau testé avec un faisceau polarisé radialement. 9. Dispositif selon les revendications 1 à 3: - caractérisé par le fait que le dispositif objet de l'invention peut être réalisé en deux exemplaires identiques l'un fonctionnant en émetteur et l'autre en récepteur, chacun étant situé en regard, de part et d'autre du matériau contrôlé. 10. Dispositif selon les revendications 1 à 3: - caractérisé par le fait que le dispositif objet de l'invention peut être fixé mécaniquement à un dispositif identique de manière parallèle ou avec un léger décalage an gulaire, l'un jouant le rôle d'émetteur, l'autre le rôle de récepteur de l'onde réfléchie par le matériau testé. 11. Dispositif selon les revendications 1 à 3: - caractérisé par le fait que la partie principale creuse peut être séparée en deux de manière symétrique par une cloison métallique conductrice, après l'antenne et jusqu'à l'ouverture, formant ainsi deux ouvertures rayonnantes ; l'une de ces parties comportant un matériau diélectrique sans pertes introduisant un déphasage aller retour de l'onde de 1800 afin de permettre une mesure différentielle de l'état du maté- riau.