Brevet FR2690737A1 — publié le 19931105

i La présente invention concerne un procédé et un appareil de mesure tridimensionnelle d'une surface. Lors de la construction d'un mur souterrain à membrane de béton ou d'un poteau de béton coulé sur place, il est très important de connaître les détails de l'état de la surface de la paroi, soumise à l'action d'un liquide de stabilisation, sous forme d'images visuelles permettant une bonne qualité de construction et une bonne gestion de la sécurité, et on a déjà décrit et réalisé des dispositifs de10 mesure à l'aide d'ondes ultrasonores, et mettant en oeuvre un procédé bien connu, comme décrit dans les brevets japonais no 1 059 047, 1 119 189 et dans la demande de brevet japonais no 55-7525. Ces dispositifs classiques de mesure mettant en oeuvre des ondes ultrasonores ne peuvent cependant réaliser que des mesures bidimensionnelles de "coupes verticales" d'une tranchée profonde ou d'un trou profond, en donnant une visualisation bidimensionnelle de la configuration, de l'inclinaison et de l'irrégularité de la surface, mais ils ne peuvent pas donner une information tridimensionnelle relative à la surface En outre, les appareils classiques de mesure ne peuvent pas donner d'informations relatives à la qualité de la surface qui réfléchit les ondes ultra- sonores (par exemple la nature de la couche qui constitue la surface de la paroi), et en conséquence on ne peut pas déterminer si l'irrégularité de la surface est provoquée par un gonflement d'argile sous l'action de l'eau ou par une déformation mécanique Ainsi, ces appareils sont très insuffisants comme appareils de mesure destinés à donner des informations permettant la prise de décisions néces- saires au maintien de la qualité de la construction et à la sécurité. Dans le procédé de mesure tridimensionnelle selon l'invention, un transducteur qui non seulement émet des ondes ultrasonores mais en outre a une fonction de récep- tion des ondes réfléchies, est tourné horizontalement afin qu'il balaye un angle prédéterminé et exécute un cycle d'émission d'ondes et de réception d'ondes réfléchies contre une paroi soumise à l'action d'un liquide, pour chaque élément d'image de la surface mesurée, et il est déplacé verticalement d'un pas après chaque balayage horizontal complet et réception des ondes par le transduc- teur, les signaux correspondant à l'angle de rotation horizontale et à la position horizontale et le signal correspondant à la position verticale sont traités et synthétisés par un ensemble de traitement qui crée une information de distance et de configuration, d'après la différence de temps de propagation des ondes ultrasonores et l'information qualitative relative à la surface des diagrammes des ondes reçues, et il enregistre alors sous forme de données visuelles et affiche la distance et la configuration de la surface de la paroi et la qualité de la couche le constituant. L'appareil de mesure tridimensionnelle selon l'in- vention met en oeuvre le procédé précité et comporte a) un transducteur qui possède à la fois des fonc- tions d'émission d'ondes ultrasonores et de réception d'ondes réfléchies, b) un oscillateur qui excite la vibration ultra- sonore de ce transducteur, c) un dispositif de support en rotation destiné à supporter le transducteur afin qu'il soit tourné vers la surface de la paroi soumise à l'action d'un liquide et à faire tourner horizontalement le transducteur afin qu'il balaye avec un pas angulaire prédéterminé, un dispositif de support vertical destiné à déplacer verticalement le transducteur d'un pas à chaque balayage horizontal complet, et un organe de commande de sens et de position destiné à entraîner et commander le dispositif de support en rotation et le dispositif de support vertical, et d) une unité de traitement qui reçoit et synthétise les signaux des ondes ultrasonores émises et reçues prove- nant du transducteur et les signaux de l'organe de commande de position et de sens, afin qu'elle règle le sens et la position du dispositif de support en rotation et du dispo- sitif de support vertical du transducteur et enregistre et affiche visuellement la position et la configuration de la surface de la paroi et la qualité de la couche. 5 L'oscillateur excite la vibration du transducteur dans une plage de fréquences comprise par exemple entre 200 et 500 k Hz L'oscillateur est connecté à une borne de déclenchement d'un synchroscope pour le contrôle des ondes créées par l'oscillateur. 10 Le dispositif de support en rotation tourne horizon- talement avec un pas angulaire qui est par exemple de 0,9 , correspondant à la largeur d'un élément d'image, sous la commande d'un moteur pas à pas qui est piloté et commandé par l'organe de commande de sens et de position Le trans- ducteur exécute, pour chaque pas de balayage, un cycle d'émission et de réception d'ondes ultrasonores A chacun des cycles, le signal de position horizontale de l'organe de commande de sens et de position, qui est compté sous forme de pas angulaires élémentaires, et les ondes émises et reçues du transducteur parviennent à un ordinateur personnel incorporé à l'unité de traitement. Le dispositif de support vertical déplace vertica- lement le transducteur d'un pas qui est par exemple de 7 mm pendant l'étape de retour du transducteur après la fin du balayage horizontal complet, vers sa position d'origine Le signal de position verticale transmis alors à l'organe de commande de sens et de position correspondant au nombre de pas parvient aussi à l'unité de traitement En résumé, les conditions de sens et de position utilisées pour l'entrai- nement et la commande du transducteur et, en conséquence, de détermination des coordonnées des points des surfaces tridimensionnelles, peuvent être établies à volonté à l'aide des valeurs transmises à l'organe de commande de sens et de position, par exemple à l'aide d'une disquette sur laquelle ces valeurs sont mémorisées. L'unité de traitement forme des matrices (coordon- nées des points de la surface tridimensionnelle) par composition des signaux, reçus comme indiqué précédemment, de sens horizontal, de position horizontale et de position verticale En outre, la superposition des signaux d'infor- mation des ondes émises et des ondes reçues permet la5 visualisation de la position et de la configuration de la surface et de l'information qualitative du matériau de la surface De manière plus concrète cela a les significations suivantes. ( 1) A partir de la différence de temps (t sur la figure 4 D) de propagation des ondes ultrasonores émises et reçues par le transducteur, des informations de distance de la surface et d'irrégularité de la surface sont obtenues. ( 2) Les ondes réfléchies reçues à chaque position (position sur les lignes de balayage du transducteur) sont sauvegardées pour chaque intervalle comme indiqué sur la figure 5 par les courbes de balayage I et II et, d'après la variation des diagrammes ondulatoires, des informations permettent l'identification du matériau réflecteur (maté- riau constituant la surface de la paroi: terreau, vase, argile, etc) Pour que ces caractéristiques puissent être obtenues, les diagrammes ondulatoires correspondant à des parois d'un matériau spécifique tel que la vase, le sable, l'argile, etc sont catalogués dans l'unité de traitement, et les ondes obtenues sont comparées à des diagrammes catalogués de similitude et les résultats sont visualisés et exprimés sous forme d'images en couleurs et ombrées permettant une identification visuelle. Dans le procédé et l'appareil de mesure tridimen- sionnelle selon l'invention, les informations relatives à la configuration et à la qualité d'une surface de paroi qui est invisible sous l'action d'un liquide de stabilisation peuvent être enregistrées et affichées sous forme d'images tridimensionnelles permettant une décision précise et suffisante relative aux matériau, afin que la qualité de construction et la sécurité puissent être assurées. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui suit d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est un schéma d'un appareil de mesure tridimensionnelle de surfaces selon l'invention; la figure 2 est une représentation illustrant la mise en oeuvre du procédé de mesure tridimensionnelle de surfaces; la figure 3 est une coupe schématique illustrant la mise en oeuvre du procédé de mesure tridimensionnelle de surfaces; les figures 4 (A) à 4 (D) sont des graphiques repré- sentant les exemples de relation entre les ondes émises et reçues; et la figure 5 forme un ensemble de diagrammes ondula- toires contrôlés sur les lignes de balayage I et II à des intervalles de temps consécutifs. La figure 1 représente, sous forme schématique, la structure d'un appareil de mesure tridimensionnelle de surfaces Dans l'appareil de mesure tridimensionnelles de la figure 1, un oscillateur 2 qui excite des ondes ultra- sonores entre 200 et 500 k Hz dans un transducteur 1 est connecté au transducteur 1 par un câble 21 et à des bornes de déclenchement d'un synchroscope 4 destiné à contrôler les ondes émises et reçues Les bornes de déclenchement sont aussi connectées à un ordinateur personnel 6 d'une unité de traitement 20 Le transducteur 1 est supporté par un long arbre vertical 8 destiné à se déplacer lors d'un balayage horizontal et il est connecté à un arbre d'un moteur pas à pas 5 d'un dispositif 6 de support en rotation destiné à tourner horizontalement Le moteur pas à pas 5 est connecté par un circuit d'interface à un organe 18 de commande de sens-position et à une unité de commande 11 (ordinateur personnel) Grâce à l'organe 18 de commande de sens et de position, le transducteur 1 est tourné horizon- talement avec un pas qui est par exemple de 0,90 Dans l'organe 18 de commande de sens et de position, un ensemble de signaux de sens et de position est établi pour que le transducteur 1 tourne horizontalement de cinquante six pas de chaque côté d'un axe de référence 15 (ou axe central, voir figure 2) de balayage, lorsque par exemple la plage de balayage du transducteur 1 est égale à 100,80 Le moteur pas à pas 5 est supporté verticalement par une crémaillère 13 qui appartient à un dispositif 12 de support vertical. Ce dispositif 12 est disposé afin qu'il puisse être déplacé verticalement avec un pas prédéterminé par un mécanisme à pignon et crémaillère dans lequel un pignon est en prise avec la crémaillère 13 et est entraîné en rotation par le moteur pas à pas 7 Ce moteur 7 est aussi raccordé à l'unité 11 de commande de l'organe 18 de commande de sens et de position par le circuit d'interface 10 Le moteur pas à pas 7 est piloté et commandé par l'organe 18 de commande afin qu'il élève ou abaisse verticalement le transducteur 1 d'un pas, par exemple de 7 mm, après chaque rotation horizontale complète dans la plage prescrite de balayage (une rotation de 100,80 dans le mode de réalisation consi- déré) du transducteur 1 commandé par le dispositif 9 de support en rotation La plage de profondeur utile en pratique pour le dispositif 12 de support vertical, consti- tué d'un mécanisme à pignon et crémaillère, est de quelques mètres seulement et il est courant, pour une plus grande profondeur, de suspendre le transducteur 1 à un treuil et de régler sa position verticale par raccordement du treuil à un récepteur à auto- synchronisation, alors que l'origine (axe de référence) de la rotation horizontale est fixée par un dispositif gyroscopique automatique Dans tous les cas, le transducteur 1 est piloté et commandé en sens et en position (position sur les lignes de balayage) par rapport à un système de coordonnées établi sur la surface 3 de la paroi à mesurer à l'aide des données transmises à l'organe 8 de commande à partir d'une disquette Lorsque la surface à mesurer est un trou destiné à un poteau, il est utile de régler l'angle de balayage horizontal à 3600; lorsque la surface est plane, par exemple la face d'une tranchée, des informations relatives à toute la surface peuvent être obtenues par répétition de la mesure le long de la surface avec une plage de balayage horizontal limitée à 100 environ. Le transducteur 1 répète le fonctionnement cyclique comprenant l'émission d'ondes ultrasonores et la réception des ondes réfléchies (figure 4 (B)) par la surface 3 de la paroi pour chaque pas de rotation horizontale (figure 4 (A)) Ainsi, dans l'exemple précité, le transducteur 1 répète l'émission et la réception d'ondes ultrasonores dans la plage d'angles de balayage de 100,80 cinquante six fois pour les côtés négatif et positif et cent douze fois au total Ces ondes émises 23 et les ondes reçues 24 (figure 4 (D)) sont transmises à un ordinateur personnel 6 d'une unité de traitement 20 La transmission des signaux d'in- formation à l'ordinateur personnel 6 peut être réalisée soit à chaque pas, soit pour une course comprenant toutes les données mémorisées correspondant aux cent douze pas d'un balayage horizontal complet pendant le retour du transducteur 1 Les signaux de commande de sens et de position (coordonnées d'une surface tridimensionnelle) du transducteur 1, transmis par l'organe 11 de commande de sens et de position et reçus par l'organe 16 de balayage, les ondes 23 émises par le transducteur 1 et les ondes reçues 24 qui contiennent des informations relatives à la configuration (comprenant la rugosité et l'inclinaison) du matériau de la surface 3, sont traités et synthétisés dans l'ordinateur personnel 8 et enregistrés sur une disquette sous forme de données visuelles En conséquence, lorsque la disquette 25 retirée de l'ordinateur personnel 6 est placée dans un ordinateur 27 assurant le traitement de visualisation, des informations de position, de configura- tion et de qualité de la surface de la paroi sont affichées sur un organe de contrôle des images tridimensionnelles permettant la vérification visuelle. Les opérations mises en oeuvre dans l'appareil précité de mesure tridimensionnelle peuvent être résumées, d'après les figures 2 et 3 sous la forme suivante: ( 1) la profondeur Z du transducteur 1 est réglée à la position de mesure par commande manuelle du dispositif 12 de support vertical, et la valeur de la position est remise à zéro à l'origine, ( 2) un axe vertical central 15 de la surface de la paroi d'une tranchée profonde ou d'un trou profond est pris comme origine, et la plage d'angles de rotation horizontale du transducteur 1 dans le plan X- Y est déterminée avec l'organe Il de commande de sens et de position et, en outre, la valeur du pas et le nombre de pas de balayage horizontal sont établis, et la valeur du pas vertical est déterminée, et ( 3) après les opérations précédentes, l'ensemble de l'installation est mis en fonctionnement et la mesure tridimensionnelle de la surface de la paroi 3 commence. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux procédés et appareils qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Procédé de mesure tridimensionnelle d'une surface, caractérisé en ce qu'il comprend: la rotation d'un transducteur ( 1) qui émet des ondes ultrasonores vers une surface de paroi soumise à un liquide, le transducteur étant destiné à recevoir des ondes réfléchies, la rotation assurant le balayage d'une plage angulaire prédéterminée avec répétition d'un cycle d'émis- sion et de réception d'ondes à chaque pas, le déplacement vertical du transducteur d'un pas à chaque balayage horizontal complet, et le traitement et la synthèse des ondes émises et reçues par le transducteur ( 1) et des signaux désignant le sens horizontal et la position horizontale et la position verticale du transducteur, afin que des données d'informa- tions, relatives à la distance et à la configuration de la surface ainsi qu'à la qualité du matériau du sol qui réfléchit les ondes, soient obtenues à partir de la diffé- rence de temps de propagation des ondes et des diagrammes des ondes réfléchies, et soient enregistrées pour être visualisées et affichées. 2 Appareil de mesure tridimensionnelle d'une surface, caractérisé en ce qu'il comprend (a) un transducteur ( 1) qui émet des ondes ultra- sonores et qui a une fonction de réception d'ondes réfléchies, (b) un oscillateur ( 2) qui excite des ondes ultra- sonores dans le transducteur, (c) un dispositif ( 9) de support en rotation qui supporte le transducteur qui est tourné vers la surface d'une paroi soumise à l'action d'un liquide et qui fait tourner le transducteur horizontalement pour le balayage d'une plage angulaire prédéterminée avec un pas prédéter- miné, un dispositif ( 12) de support vertical qui déplace verticalement le transducteur d'un pas pour chaque balayage horizontal complet du transducteur, et un organe ( 18) de commande de sens et de position qui pilote et commande le dispositif de support en rotation et le dispositif de support vertical, et (d) une unité de traitement ( 20) qui reçoit les signaux des ondes émises et réfléchies par le transducteur ( 1), les signaux provenant de l'organe ( 18) de commande de sens et de position qui commande le dispositif de support en rotation et le dispositif de support vertical, qui traite et synthétise ces signaux reçus et qui enregistre et affiche, sous forme de données d'images visuelles, des informations de position, de configuration et de qualité de la surface de la paroi.