Brevet FR2704060A1 — publié le 19941021

La présente invention concerne le secteur de l'instrumentation et des appareillages utilisés pour le contrôle des matériaux plastiques et composites synthétiques ou naturels. De façon plus générale, la présente invention se rapporte aux mesures et essais non destructifs concernant des matériaux de nature diélectrique ou la détection de corps étrangers dans des milieux diélectriques peu denses. A notre connaissance, il n'existe pas d'appareils de mesure portables ou mobiles se présentant sous la forme d'un boitier-chassis intégrant les composants, les réglages et les connexions, permettant d'émettre des ondes électromagnétiques et de les réceptionner à des fins d'effectuer spécifiquement des essais non destructifs sur des matériaux de nature diélectrique essentiellement. Ce type d'appareil comprenant aussi éventuellement le système de représentation permettant d'interpréter les résultats des contrôles. Le dispositif suivant l'invention est constitué de telle manière qu'il puisse émettre une onde électromagnétique hyperfréquence, de fréquence pouvant être comprise du Gigahertz à quelques centaines de Gigahertz au travers d'un connecteur et de la réceptionner par le même système, après son passage au travers du matériau à tester. La mesure est basée sur la comparaison entre l'onde émise et celle réfléchie après avoir traversée le matériau. L'onde utilisée et celle reçue se propagent à l'extérieur de l'appareil, objet de l'invention, par un câble coaxial au bout duquel se trouve un émetteur-récepteur d'onde adapté, situé face au matériau à contrôler. Le rapport entre ces deux ondes représenté par un coefficient de réflexion ou de transmission est directement lié à l'état de santé interne du matériau : présence ou non de discontinuités. Les grandeurs physiques prises en compte dans cet appareil sont les champs électriques incidents (émis), réfléchis, voir transmis, qui sont les composantes principales de l'onde électromagnétiques utilisée. Cet appareil par l'intermédiaire des réglages agissant sur les composants le constituant peut permettre d'effectuer les modifications des paramètres favorisant la réalisation des contrôles et leur interprétation. Le dispositif, objet de l'invention, dont la représenation schématique symbolique est celle de la figure 1, comporte une source d'onde électromagnétique hyperfréquence (1), générateur d'onde, pouvant émettre une fréquence ou plusieurs fréquences harmoniques multiples du fondamental au travers d'un dispositif réflectomètre (2), associé à un groupe de détecteurs hyperfréquences (3). Un dispositif isolateur (4) est placé entre ce générateur et ce réflectomètre de mesure afin d'éviter le retour des ondes au générateur. La propagation entre ces différents composants et dans eux-mêmes est effectuée dans des guides d'ondes rectangulaires (5) standards selon le mode fondamental de propagation TEO1 (ou les modes harmoniques proches).Après le réflectomètre, se trouve une jonction guide-coaxial (6) permettant d'amener l'ondesau connecteur co axial (7) situé sur l'une des faces extérieures du boîtier-chassis (8) de l'appareil, la face avant de préférence (9). Peuvent être incorporés dans ce dispositif, deux éléments de réglage permettant d'ajuster son fonctionnement: un atténuateur micro-onde (10) situé entre l'isolateur et le réflectomètre ainsi qu'un déphaseur (11) placé entre le réflectromètre et la jonction guide coaxial.Le réflectomètre fournit des tensions électriques, par l'intermédiaire des détecteurs, qui mélangées sont rendues compatibles et forment deux signaux interprétables par le dispositif de visualisation (12) après leur passage dans un système électronique (13) comprenant un dispositif d'adaptation et de conditionnement (14), ensuite se trouve un dispositif d'équilibrage (15) dont le rôle est d'annuler artificiellement ces tensions lorsque le dispositif est étalonné (émetteurrécepteur d'onde en face d'un matériau sain de référence). Après cet équilibrage, un dispositif d'amplification et d'atténuation calibré (16) permet de régler l'amplitude des signaux constitués par les tensions électriques.Un système déphaseur (17) permet de décaler temporairement ces signaux afin d'obtenir un déphasage correct, mesurable par rapport à une référence, du vecteur représenté par la combinaison de ses deux tensions (signaux). Le générateur d'onde et le dispositif électronique constitués des éléments décrits précédemment sont alimentés par des batteries (18) ou par une alimentation stabilisée et régulée (19) connectable au secteur par l'intermédiaire d'une fiche (20) située sur l'une des faces extérieures du boîtier chassis. Une variante de ce dispositif, figure 2, objet de l'invention, est d'utiliser un générateur dont la fréquence des micro-ondes émises est variable de manière continue ou discontinue sur une plage pouvant aller du Gigahertz à la centaine de Gigahertz. La propagation dans les composants micro-ondes utilisés et dans les éléments de liaison situés entre eux est de type de celle existant dans les câbles coaxiaux. Dans ce cas, la jonction guide coaxial n'est pas nécessaire pour amener les ondes jusqu'au connecteur coaxial situé en face avant du boitier-chassis de l'appareil. Le système électronique décrit dans la version de base du dispositif, objet de l'invention, reste le même.Dans ce cas, le réflectomètre devra être constitué de manière à fournir par l'intermédiaire des détecteurs micro-ondes des tensions électriques constituant les signaux de mesure, quelque soit la fréquence des ondes émises, du Gigahertz à quelques centaines de Gigahertz, par le générateur micro-ondes. Une deuxième variante est constituée par l'utilisation d'un générateur d'onde (21) pouvant émettre simultanément ou alternativement deux fréquences, une fondamentale et son harmonique afin d'analyser le matériau à contrôler au moyen de deux fréquences pour supprimer des signaux parasites inhérents à celui-ci, par combinaison et traitement. Dans ce cas, deux versions possibles de réalisation de l'appareil sont envisageables. Dans la version représentée figure 3, le réflectomètre (2) est associé à un deuxième groupe de détecteurs (22) afin de prendre en compte à la fois les phénomènes de réflexion de l'onde à la fréquence fondamentale mais aussi de son harmonique.Il y a donc deux dispositifs électroniques de traitement, (13) et (35), fonctionnant en parallèle associés à un dispositif mélangeur (23) permettant la visualisation des signaux formés alors de quatre tensions électriques : deux pour la fréquence fondamentale, deux pour son harmonique. Ce mélangeur permettant de visualiser alternativement chacun des groupes de signaux a aussi pour rôle de combiner ces signaux afin par exemple d'annuler une information parasite pour extraire d'un bruit de fond des signaux représentant réellement l'état du matériau testé. Dans la version représentée fIgure 4, l'onde à la fréquence fondamentale et son harmonique sont émises au travers de deux réflectomètre indépendants.Le réflectomètre (24) utilisé et adapté pour l'harmonique, est du même type que le dispositif destiné à l'onde à fréquence fondamentale, associé à un isolateur (25), à un atténuateur (26), à un déphaseur (27), à des éléments de liaison et de propagation (28) et à une jonction guide coaxial (29). La géométrie de ce réflectomètre et de ces composants est du type rectangulaire adapté pour propager la fréquence de l'harmonique. Un mélangeur micro-onde (30) et des filtres (31) et (32) pour chaque voie ainsi réalisée sont nécessaires après les réflectomètres pour amener les ondes aux connecteurs situés en face avant de l'appareil. Les filtres pour chacune des voies sont situés entre les réflectomètres et le mélangeur.Ces éléments peuvent être situés à l'extérieur et indépendamment du dispositif, objet de l'invention, dans ce cas deux connecteurs (33) et (34), un pour chaque fréquence, fondamentale et harmonique, figure 5, sont nécessaires. Il peut être aussi envisageable d'utiliser un ou plusieurs générateurs d'ondes pouvant émettre plus de deux fréquences, c'est-à-dire une fondamentale et plusieurs de ses harmoniques en associant plusieurs dispositifs comparables à ceux décrits précédemment afin d'effectuer des combinaisons des signaux deux fréquences par deux fréquences. Ceci afin d'éliminer plus d'un signal parasite. Un tel dispositif ne serait alors qu'un dérivé de ceux déjà cités. De même, le dispositif obtenu par le remplacement des composants et des éléments de liaison de type guide rectangulaire ou coaxial par des lignes à micro-bandes ou à rubans associés à des composants "montés" en surface, ne constitue qu'un dérivé de ceux déjà décrits. D'une manière générale, le dispositif objet de l'invention est un appareil de mesure mobile ou portable destiné à émettre et réceptionner des ondes électromagnétiques, dans la partie du spectre relatif aux hyperfréquences à des Dans de contrôle de matériaux ou de détection d'objets dans des milieux diélectriques peu denses et d'assurer une représentation des résultats obtenus par un système de visualisation intégré à ce dispositif. REVENDICA TIONS 1. Dispositif appareil de contrôle et d'essais des matériaux plastiques ou composites diélectriques et de détection d'objets dans des milieux diélectriques peu denses: - caractérisé par le fait qu'il est constitué, à l'intérieur d'un boîtier-chassis d'au moins un générateur d'onde, d'au moins un isolateur, d'au moins un atténuateur, d'au moins un réflectomètre, d'au moins un déphaseur, d'au moins une jonction guide coaxial, d'au moins une fiche coaxiale : composants micro-ondes connectés les uns aux autres dans l'ordre énuméré. 2. Dispositif selon la revendication 1: - caractérisé par le fait que les composants micro-ondes constituant le dispositif objet de l'invention fonctionnent selon le mode de propagation guidée rectangulaire fon damental TEol et que les éléments de liaison de ces composants sont constitués de por tions de guide rectangulaire fonctionnant dans ce mode. 3. Dispositif selon la revendication 1: - caractérisé par le fait que le réflectomètre est associé à des détecteurs hyperfré quences fournissant des signaux électriques, fonctions des phénomènes d'ondes sta tionnaires dans ce réflectromètre, à un dispositif de traitement électronique contenu aussi dans le boîtier-chassis.. 4. Dispositif selon les revendications 1 à 3: - caractérisé par le fait que le dispositif de traitement électronique est constitué d'un circuit d'adaptation et de conditionnement, d'un dispositif d'équilibrage, d'un dispositif d'atténuation et d'amplification calibrée, d'un dispositif de déphasage et d'un dispositif de visualisation bi-voies de type oscilloscope : composants connectés dans l'ordre énuméré. 5. Dispositif selon la revendication 1: - caractérisé par le fait que la fiche coaxiale est fixée sur une des faces extérieures du boîtier afin de pouvoir être connectée à un câble coaxial et ainsi transmettre et recevoir les ondes utilisées pour alimenter un émetteur-récepteur d'onde. 6. Dispositif selon les revendications 1 à 4: - caractérisé par le fait que les composants micro-ondes actifs et les dispositifs électroniques sont alimentés électriquement par batterie ou par le secteur au travers d'une fiche de connexion située sur une des faces du boîtier-chassis et d'une alimentation continue stabilisée et régulée. 7. Dispositif selon la revendication I: - caractérisé par le fait que le générateur peut être remplacé par un générateur à fréquence variable, émettant des ondes dans une plage de fréquences de un GigaHertz à quelques centaines de GigaHertz, associé à des composants micro-ondes coaxiaux fonctionnant selon les modes de propagation des câbles coaxiaux. 8. Dispositif selon la revendication 1: - caractérisé par le fait que le générateur peut être remplacé par un générateur à fréquence variable, émettant des ondes de manière continue ou discontinue de un GigaHertz à quelques centaines de GigaHertz, associé à des composants micro-ondes pour lignes microbandes ou à rubans. 9. Dispositif selon les revendications 1 et 2: - caractérisé par le fait que le générateur d'onde peut émettre simultanément ou alternativement des ondes à deux fréquences harmoniques imposant la connexion du réflectomètre à un deuxième groupe de détecteurs hyperfréquences. 10. Dispositif selon les revendications I et 2: - caractérisé par le fait que le générateur d'onde peut émettre simultanément ou alternativement des ondes à deux fréquences harmoniques imposant la constitution de deux lignes de mesure séparées, comportant chacune : un réflectomètre, son groupe de détecteurs hyper-fréquences et les composants micro-ondes associés augmentés de filtres. 11. Dispositif selon les revendications 9 et 10: - caractérisé par le fait que le dispositif de traitement électronique est dédoublé et comporte en sus un dispositif de mélange et de traitement permettant de traiter les si gnaux correspondant à chaque fréquence indépendamment ou simultanément.