Brevet FR2708102A1 — publié le 19950127

1i 2708102 Appareil de contrôle de serrage de pièce par ultrasons et échantillonnage de signaux L'invention concerne le contrôle du serrage de pièce par ultrasons. Le document FR-A-2 655 144 du CETIM fait connaître un appareil de contrôle de serrage d'une pièce par ultrasons, comportant: un émetteur de signaux ultrasonores commandé par un ensemble d'émission, un récepteur de signaux ultrasonores envoyant les signaux dans un ensemble de réception comportant un échantillonneur, - et des moyens d'analyse des signaux échantil- lonnés pour servir de base au calcul de la valeur de ser- rage de la pièce par repérage d'un premier écho et d'un second écho en retour et intercorrélation entre ces deux échos. De plus, des moyens introduisent un décalage dans le temps à chaque répétition de l'échantillonnage, ces moyens consistant en une ligne à retard programmable com- mandant l'échantillonneur. La reconstitution d'un signal rapide qui se ré- pète à une certaine cadence dans le temps est ainsi réalisée par un échantillonnage effectué avec un décalage dans le temps à chaque répétition, jusqu'au moment o ce signal est complètement décrit. Le décalage progressif à chaque répétition est obtenue en appliquant un retard de plus en plus grand sur l'échantillonnage à la réception du signal. Cette méthode permet de compenser les perfor- mances limitées d'un étage électronique d'échantillonnage pour saisir un signal de fréquence relativement élevé 2 2708102 lorsqu'il est possible de répéter celui-ci à l'identique à une cadence convenablement choisie. Cependant, elle présente l'inconvénient de néces- siter un temps assez long pour réaliser l'acquisition complète du signal considéré. En vue d'accélérer sa rapidité, on peut bien en- tendu faire appel aux échantillonneurs les plus rapides disponibles, par exemple aux échantillonneurs "flash" (numériseurs parallèles). De la sorte, il est possible éventuellement de saisir non plus un seul point sur le signal à chaque répétition, mais plusieurs points. Par décalages succes- sifs du déclenchement de la commande de l'échantillonneur flash, le signal peut être décrit plus rapidement. Malheureusement, plus le signal de commande de l'échantillonnage est élevé en fréquence et plus il est difficile de le décaler dans le temps avec précision. En effet, les retards sont obtenus au moyen de composants qui mettent en jeu des phénomènes de charge et de décharge de condensateurs. Aux fréquences élevées, ces phénomènes sont difficiles à gérer avec précision (courants intenses, tensions élevées). Le décalage d'une commande à l'autre ne peut plus être assuré aussi régulier que voulu et il apparaît des variations incontrôlées qui se traduisent sous la forme d'un "bruit de phase". On constate alors qu'il n'est plus possible d'utiliser la méthode en augmentant la cadence d'échan- tillonnage sans porter atteinte à sa performance en précision. Le but de l'invention est de pallier ces diffi- cultés en proposant un appareil de contrôle du type pré- cité en tête de ce mémoire permettant une vitesse de mesure plus élevée. 3 2708102 L'invention atteint son but en prévoyant que les moyens de décalage ne sont plus placés sur l'échantillon- neur mais consistent en un générateur de retard disposé dans l'ensemble d'émission commandant l'émetteur du5 capteur. Ainsi, la solution conforme à l'invention con- siste à maintenir fixe dans les temps le signal de com- mande haute fréquence d'échantillonnage et à décaler dans le temps 'le signal émis à chaque répétition d'un retard donné régulier. Le signal est totalement décrit lorsqu'il subit un décalage total au moins égal à la période du signal de commande haute fréquence d'échantillonnage. La fréquence de répétition du signal étant plus faible que la fréquence de commande d'échantillonnage, le décalage du signal dans le temps obtenu par retards suc- cessifs peut être réalisé avec une beaucoup plus grande précision. D'autres avantages et caractéristiques de l'in- vention apparaîtront à la lecture de la description sui- vante. On se réfère au dessin unique annexé représentant sous forme de schéma un dispositif conforme à l'invention. On a représenté sur la figure 1 le capteur 1 composé d'un émetteur 2 et d'un récepteur 3, dissociés (comme représenté) ou ne formant qu'une unité. L'émission du signal ultrasonore est assurée par un ensemble 4 composé d'un diviseur 5, d'un générateur de signaux récurrents 6, d'un générateur de retard program-30 mable 7, et d'un émetteur de puissance 8. La réception du signal ultrasonore est assurée par un ensemble 9 composé d'un écrêteur 10, d'un amplifi- cateur programmable 11, d'un échantillonneur rapide flash 12 et d'une mémoire tampon 13. 4 2708102 Des bus relient les ensembles 4 et 9 à un en- semble 14 de gestion à microprocesseur, comprenant un microprocesseur 15, une unité 16 de traitement de signal numérique (DSP), et des mémoires vives 17, 18. Enfin, une horloge de synchronisation 19 et un ensemble de gestion du temps 20 permettent de fournir les références de temps aux ensembles précédents. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. L'horloge 19, réglée sur 40 MHz émet un signal toutes les 25 ns. La fréquence est ramenée par le divi- seur 5 à 10 MHz, et le générateur de signaux récurrents 6 (modulosynchronisateur) permet de produire un signal de commande à une fréquence donnée (par exemple comprise entre 10 Hz et 100 kHz). Le générateur de retard 7 permet par une commande digitale sur 8 bits (256 niveaux) de décaler le signal de commande d'un temps donné. Ce retard est construit à partir d'une rampe linéaire de durée allant de 2, 5 ns à 104 ns, ce qui correspond à des retards compris entre 2,5/256 soit environ 10-2 ns à 104/256 soit environ 40 ns. En choisissant par exemple une durée de 25,6 ns, les retards pourront être définis à 0,1 ns. Le signal délivré par le générateur 7 est trans- mis à l'émetteur de puissance 8 qui commande l'émetteur 2 du capteur. Le signal ultrasonore en retour est recueilli par le récepteur 3, écrêté puis amplifié dans les unités 10, 11 avant que le convertisseur analogique digital flash 12 (numériseur parallèle) n'échantillonne le signal sur 8 bits (256 niveaux); il saisit simultanément un ensemble d'échantillons à un intervalle de temps donné, par exemple 25 ns (fréquence d'échantillonnage de 50 MHz). Ces échantillons sont transmis à la mémoire tam- pon 13 de type SYNC FIFO (premier entré premier sorti) qui peut mémoriser 2048 mesures. Cette mémoire 13 permet 2708102 au convertisseur 12 d'aller chercher une nouvelle série de mesures tandis que l'unité 16 de traitement de signal va recueillir ces données à une cadence qui lui convient, cadence qui correspond à un intervalle de temps supérieur à celui séparant les prises d'échantillon, par exemple entre 60 et 80 ns. Pour récupérer les 2048 échantillons, il faut donc entre 122,88 gs et 163 is, c'est-à-dire de l'ordre de 200 As ce qui correspond à une fréquence de kHz. - Passé ce temps de saisie des 2048 échantillons, il est possible de recommencer l'opération. Celle-ci est reprise mais cette fois après un léger décalage dans le temps de l'émission, introduit par le générateur de retard 7 par exemple 1 ns. Une nouvelle série d'échantil- lons est alors récupérée, avec 2048 nouveaux points du signal décalés de 1 ns par rapport à la série précédente. On reprend ainsi l'opération successivement pour balayer par incréments de 1 ns tout l'intervalle de temps séparant dans échantillons (période du signal de commande de l'échantillonnage). Dans l'exemple donné o cet inter- valle est de 25 ns, il faudra donc répéter 25 fois l'opération pour échantillonner tout le signal. Le temps nécessaire pour réaliser ces 25 opéra- tions dépendra bien entendu de la fréquence de répétition du signal. Pour les opérations de contrôle des matériaux par ultrasons, cette fréquence est choisie en fonction de la vitesse des ondes ultrasonores dans le milieu et de l'épaisseur du matériau à parcourir. Cette fréquence de répétition est généralement assez faible; elle est comprise par exemple entre 300 Hz et 10 kHz. La période de répétition est donc comprise entre 3 ms et 0,1 ms, ce qui veut dire que le signal peut être échantillonné dans les limites de temps suivantes: 2,5 ms et 75 ms. 6 2708102 Ceci permet de réaliser l'enregistrement complet du signal et les mesures de temps associées sur ce signal environ 10 à 400 fois par secondes. La longueur d'analyse du signal dépend bien entendu du nombre de points enregistrés et de la valeur de l'incrément de retard appliqué sur le signal. Pour l'exemple retenu de 2048 points enregistrés et un incrément de retard de 1 ns, on obtient 2048 ns. A-titre indicatif, une oscillation d'un signal de 5 MHz correspond à 0, 2 gs, ce qui signifie que la longueur d'analyse permettra d'enregistrer environ une dizaine d'oscillations d'un tel signal. 7 2708102 REVENDICATIONS 1. Appareil de contrôle de serrage d'une pièce par ultrasons, comportant: - un émetteur (2) de signaux ultrasonores com- mandé par un ensemble (4) d'émission, --un récepteur (3) de signaux ultrasonores en- voyant les signaux dans un ensemble (9) de réception comportant un échantillonneur (12) - des moyens (14) d'analyse des signaux échantil- lonnés pour servir de base au calcul de la valeur de serrage de la pièce, - des moyens pour introduire un décalage dans le temps à chaque répétition de l'échantillonnage, caractérisé en ce que lesdits moyens de décalage consis- tent en un générateur de retard (7) disposé dans l'ensemble d'émission (4). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échantillonneur (12) est un numériseur parallèle.