Brevet FR2697397A1 — publié le 19940429

"DISPOSITIF D'ADAPTATION ACTIVE D'IMPEDANCE ENTRE UN TRANSDUCTEUR ULTRASONORE ET LE GENERATEUR DE SIGNAUX IMPULSIONNELS DESTINES A CE TRANSDUCTEUR" Description: La présente invention concerne un dispositif d'adaptation active d'impédance prévu pour l'insertion entre un transducteur ultrasonore et un générateur d'impulsions destinées à ce transducteur Cette invention est utilisable notamment dans le domaine du contrôle non destructif par ultrasons. Une tendance actuelle, observable tout particulièrement dans ce domaine technique cité, est l'utilisation de transducteurs ultrasonores à très large bande et à durée d'impulsion courte, qui apportent une excellente résolution spatiale Une limitation à cette utilisation provient cependant de la difficulté d'adapter leur impédance électrique à celle du câble de raccordement, généralement un câble coaxial d'impédance 50 ohms, sur toute leur bande passante (cette limitation est particulièrement gênante dans le contrôle des pièces de grandes dimensions, pour lequel de grandes longueurs de câble sont nécessaires) En effet, à l'extrémité de son câble de raccordement au générateur des signaux impulsionnels d'excitation, le transducteur qui reçoit les signaux électriques émis par ledit générateur et correspondant aux signaux ultrasonores à émettre dans le milieu de propagation des ultrasons est très rarement adapté, car l'impédance d'un transducteur est une grandeur complexe, difficile à définir, et surtout dont l'adaptation 50 ohms est, de fait, limitée à une seule fréquence, la fréquence centrale pour laquelle le transducteur a été fabriqué En outre, l'adaptation, même à peu près réalisée, est accompagnée d'un effet inductif gênant, par apparition d'une force contre- électromotrice Enfin, même en réception, le générateur des signaux impulsionnels d'excitation ne voit pas une impédance de ohms, sauf là encore à une seule fréquence. La demande de brevet français publiée sous le n O 2501447 décrit un ensemble d'excitation de transducteur électroacoustique par générateur électronique, dans lequel il est prévu, pour maintenir un transfert d'énergie maximal entre ledit générateur et le transducteur, de mettre en place des moyens d'asservissement mesurant le déphasage entre l'intensité du courant et la tension délivrés par le générateur et corrigeant la composante réactive de l'impédance du transducteur dans un sens propre à annuler ledit déphasage. Cette adaptation d'impédance permet d'élargir dans une certaine mesure la bande de fréquences de fonctionnement du tansducteur, mais reste cependant relativement peu précise dans la mesure o les moyens utilisés sont à base d'éléments inductifs et donc sensibles aux conditions expérimentales et notamment à la longueur des câbles de liaison entre générateur et transducteur. Le but de l'invention est de proposer un dispositif d'adaptation active d'impédance qui, placé entre un tel générateur du commerce et un transducteur ultrasonore, remédie aux inconvénients cités en permettant une adaptation 50 ohms dans toutes les situations, sans faire appel aux solutions classiques à base d'inductance réglable qui s'avèrent relativement approximatives. L'invention concerne à cet effet un dispositif tel que défini dans le préambule de la description et qui, en outre, est caractérisé (A) en ce qu'il comprend d'une part un étage d'interface et d'autre part un étage d'adaptation, reliés par un câble coaxial d'impédance 50 ohms; (B) en ce que ledit étage d'interface comprend lui-même (a) un sous-ensemble de génération d'un signal continu d'amplitude proportionnelle à la valeur de crête desdites impulsions mais inférieure à celle-ci; (b) un sous-ensemble de génération, à partir de ce signal continu et de l'impulsion de sortie dudit générateur, d'une impulsion électrique basse tension adaptée à l'impédance dudit câble coaxial de raccordement du transducteur au générateur; (c) une alimentation programmable, pour la génération, à partir dudit signal continu, d'une tension continue envoyée vers le transducteur par ledit câble; (C) en ce que ledit étage d'adaptation comprend lui-même (d) un sous-ensemble émetteur qui reçoit, par l'intermédiaire dudit câble, les sorties de l'alimentation programmable et du sous-ensemble de génération d'impulsion basse tension et dont la sortie constitue l'impulsion d'excitation fournie au transducteur; (e) un sous- ensemble de réception qui reçoit le signal de réponse du transducteur à l'impulsion d'excitation et renvoie ce signal échographique vers ledit générateur, par l'intermédiaire dudit câble. La structure ainsi proposée s'affranchit des limitations constatées ci-dessus en mettant en place un dispositif d'adaptation active d'impédance qui peut être intégré dans un boîtier déporté de faibles dimensions, comportant un émetteur et un récepteur écrêteur L'interface entre ce boîtier, fixé directement sur le transducteur ultrasonore, et le générateur est assurée par un système électronique compact Le dispositif ainsi constitué permet de profiter des performances des transducteurs à large bande dans toute installation de contrôle non destructif par ultrasons. Les particularités et avantages de l'invention apparaîtront maintenant de façon plus détaillée dans la description qui suit et dans les dessins annexés, donnés à titre d'exemples de réalisation non limitatifs et dans lesquels les figures 1 et 2 montrent deux modes de réalisation distincts de ladite invention. Dans le premier mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 1, le dispositif d'adaptation active d'impédance comprend, entre un générateur de signaux 1 et un transducteur ultrasonore 2, d'une part un étage d'interface 100 et d'autre part un étage d'adaptation 200. L'étage d'interface 100 comprend lui-même les éléments suivants Un atténuateur 10 reçoit l'impulsion électrique émise par la borne d'émission E du générateur 1, d'amplitude V, et délivre une impulsion similaire mais d'amplitude réduite a V, le coefficient a étant inférieur à 1. Un détecteur 11 détecte alors la valeur de crête de cette impulsion atténuée et la stocke sous forme numérique dans une mémoire 12, la commande de stockage étant fournie à la mémoire par un détecteur d'impulsion 13 Ce détecteur d'impulsion reçoit également ladite impulsion atténuée pour commander, à l'aide d'un circuit à retard 14, la remise à zéro du détecteur de crête 11 dès que la valeur de crête détectée a été effectivement mémorisée Cette valeur mémorisée est envoyée d'une part vers un convertisseur numérique-analogique 15, suivi d'un diviseur 16 par deux, puis d'un comparateur 17, et d'autre part vers une alimentation programmable 18 destinée à fournir, à partir de la valeur de crête a V, une tension continue d'amplitude V Le convertisseur numérique-analogique 15 délivre une tension continue a V, divisée par deux par le diviseur 16, et le comparateur 17, qui reçoit d'une part cette tension continue a V/2 et d'autre part l'impulsion d'amplitude a V de sortie de l'atténuateur 10, délivre une impulsion rectangulaire basse tension (par exemple 5 volts), de même largeur que l'impulsion émise initialement par le générateur 1 (en effet, le signal de sortie du comparateur est nul dès que la sortie de l'atténuateur 10 retombe à zéro) Un circuit 50 d'adaptation 50 ohms est prévu en sortie du comparateur 17. L'objectif de l'étage d'interface 100 est donc le suivant Il s'agit de détecter la durée et l'amplitude de l'impulsion d'émission, puis, à partir de celle-ci, de construire une impulsion de même durée mais à basse tension et, après l'avoir adaptée à 50 ohms, de l'envoyer (connexion (b)), ainsi que la haute tension délivrée par l'alimentation programmable (connexion (a)), vers le transducteur, par l'intermédiaire d'un câble coaxial 150 (d'impédance 50 ohms), puis de l'étage d'adaptation 200 raccordé à l'extrémité de ce câble. L'étage d'adaptation 200, prévu à l'extrémité du câble 150, comprend, lui, tout d'abord un sous-ensemble émetteur, comprenant lui- même un amplificateur 19 d'impédance d'entrée adaptée à 50 ohms Cet amplificateur reçoit d'une part, par l'intermédiaire du circuit 50 d'adaptation 50 ohms, l'impulsion basse tension (ici de 5 volts) présente en sortie du comparateur 17, et d'autre part la tension continue V de sortie de l'alimentation programmable 18, et délivre une impulsion de sortie d'amplitude V qui est le signal d'excitation fourni au transducteur 2 L'étage d'adaptation 200 comprend également un sous-ensemble récepteur, comprenant lui- même en série un limiteur 20 de protection contre l'impulsion d'excitation de tension élevée, puis un amplificateur 21 et, à nouveau, un circuit 50 d'adaptation 50 ohms Le câble coaxial assure alors (connexion (c)) le retour du signal de sortie de ce circuit d'adaptation 50 ohms vers la borne de réception R du générateur 1. Un deuxième mode de réalisation de l'invention correspond au cas o le générateur utilisé ne comporte qu'une unique borne d'entrée/sortie E/R pour l'émission et la réception Dans ce cas, illustré sur la figure 2 o tous les autres éléments portent les mêmes références numériques que sur la figure 1, un circuit d'aiguillage 22 a été inséré d'une part entre cette borne unique et le limiteur 10, pour l'envoi sur celui- ci de l'impulsion électrique émise par le générateur 1, et d'autre part entre cette borne et la sortie du câble coaxial en provenance du sous- ensemble récepteur (connexion (c)), pour la réception du signal échographique en provenance du transducteur 2. Enfin, il est possible d'incorporer tous les éléments de l'étage d'interface 100 au générateur 1 Dans ce cas, il est avantageux que l'étage d'adaptation 200 soit réalisé sous la forme d'un module autonome, pouvant être utilisé indépendamment Cela équivaut à ce que le générateur 1 dispose des connexions (a), (b), (c), permettant le branchement de cet étage d'adaptation 200 modulaire. REVENDICATIONS 1 Dispositif d'adaptation active d'impédance prévu pour l'insertion entre un transducteur ultrasonore et un générateur d'impulsions destinées à ce transducteur, caractérisé: (A) en ce qu'il comprend d'une part un étage d'interface et d'autre part un étage d'adaptation, reliés par un câble coaxial d'impédance 50 ohms; (B) en ce que ledit étage d'interface comprend lui-même (a) un sous-ensemble de génération d'un signal continu d'amplitude proportionnelle à la valeur de crête desdites impulsions mais inférieure à celle-ci; (b) un sous-ensemble de génération, à partir de ce signal continu et de l'impulsion de sortie dudit générateur, d'une impulsion électrique basse tension adaptée à l'impédance dudit câble coaxial de raccordement du transducteur au générateur; (c) une alimentation programmable, pour la génération, à partir dudit signal continu, d'une tension continue envoyée vers le transducteur par ledit câble; (C) en ce que ledit étage d'adaptation comprend lui-même (d) un sous-ensemble émetteur qui reçoit, par l'intermédiaire dudit câble, les sorties de l'alimentation programmable et du sous-ensemble de génération d'impulsion basse tension et dont la sortie constitue l'impulsion d'excitation fournie au transducteur; (e) un sous-ensemble de réception qui reçoit le signal de réponse du transducteur à l'impulsion d'excitation et renvoie ce signal échographique vers ledit générateur, par l'intermédiaire dudit câble. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit sous-ensemble de génération d'un signal d'amplitude proportionnelle comprend un atténuateur, qui reçoit l'impulsion émise par le générateur, un détecteur de la valeur de crête de cette impulsion atténuée, une mémoire de stockage de ladite valeur de crête, et un détecteur d'impulsion pour la remise à zéro, par l'intermédiaire d'un circuit à retard, dudit détecteur de crête, en ce que le sous- ensemble de génération d'impulsion basse tension compend un convertisseur de la valeur de crête mémorisée en tension continue, un diviseur par deux de cette tension continue, et un comparateur de la sortie dudit atténuateur et de cette tension divisée, suivi d'un circuit d'adaptation 50 ohms, en ce que ledit sous-ensemble émetteur est un amplificateur, et en ce que ledit sous-ensemble récepteur comprend en série un limiteur de protection contre l'impulsion d'excitation émise par l'amplificateur vers le transducteur, un amplificateur du signal de sortie de ce limiteur et un circuit d'adaptation 50 ohms. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que, le générateur ne comprenant qu'une unique borne d'entrée/sortie pour l'émission et la réception, il comprend un circuit d'aiguillage inséré à la fois entre cette borne et l'atténuateur, pour l'envoi sur celui-ci de l'impulsion électrique émise, et entre cette borne et la sortie du câble coaxial en provenance du sous-ensemble récepteur, pour la réception du signal échographique. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étage d'adaptation est réalisé sous la forme d'un module autonome pour pouvoir être utilisé indépendamment lorsque les éléments de l'étage d'interface sont incorporés au générateur.