Brevet FR2718521A1 — publié le 19951013

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE DE L'ETAT DE SURFACE ET DE DETECTION DE VARIATIONS DE DIMENSIONS TRANSVERSALES D'UN ELEMENT CYLINDRIQUE. La présente invention concerne un procédé de contrôle de l'état de surface et/ou de détection de variations de dimensions transversales d'un élément cylindrique de section quelconque, au moins partiellement réfléchissant, notamment d'une fibre optique, dans lequel on met ledit élément cylindrique en mouvement dans une direction parallèle à son axe longitudinal. Elle concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé. Lors de la fabrication d'éléments cylindriques tels que par exemple des tubes extrudés, des fils tréfilés, des conducteurs métalliques pour des câbles ou des fibres optiques, il peut être important de contrôler leurs dimensions transversales et/ou leur état de surface. Lorsque l'état de surface, la quantité de défauts ou le diamètre ne correspondent plus à des tolérances admissibles, il est important d'arrêter la production ou de modifier certains paramètres du dispositif de fabrication le plus rapidement possible afin d'éviter une perte de production. Dans ce but, il est indispensable de pouvoir effectuer des contrôles et d'obtenir les résultats de ces contrôles le plus rapidement possible. Il est également important d'être en mesure de détecter des défauts aussi ponctuels que possible, ce que ne permettent pas les moyens de contrôle traditionnels qui ne fournissent que des valeurs moyennes. Les procédés existant actuellement pour contrôler en détail la qualité d'un produit du type défini ci-dessus consiste à prélever un échantillon de l'élément cylindrique et à observer son état de surface par des moyens traditionnels en laboratoire. Ces procédés induisent un retard considérable et aboutissent obligatoirement à un déchet de production difficile à maîtriser. Ces procédés présentent trois inconvénients majeurs. Le premier est dû au fait qu'il est impossible de réaliser la mesure en continu sur une ligne de production. Le deuxième inconvénient vient du fait que l'échantillonnage ne permet pas d'obtenir une image complète des valeurs mesurées pour l'ensemble du produit fabriqué. L'échantillon est supposé être représentatif du produit ce qui peut engendrer des erreurs graves. Le troisième inconvénient vient du fait que la mesure des caractéristiques de l'échantillon selon des procédés classiques est relativement longue. Il en résulte donc un délai important entre le moment où l'échantillon est prélevé et celui où les résultats des mesures sont disponibles. Pendant ce délai, la fabrication du produit se poursuit et la production effectuée entre le moment où l'on prélève l'échantillon et celui où l'on constate que cet échantillon ne répond pas aux critères de qualité imposés est inutilisable. Le procédé idéal pour la détection de variations de dimensions transversales et/ou le controle de l'état de surface d'un élément cylindrique devrait fonctionner en ligne et en continu, directement pendant la fabrication et fournir des résultats en temps réel correspondant à une résolution spatiale aussi élevée que possible. Ce but est atteint par un procédé tel que défini en préambule et caractérisé en ce que l'on envoie un faisceau lumineux incident sur ledit élément cylindrique, on capte le faisceau' réfléchi par cet élément cylindrique sur des moyens de détection agencés pour générer un signal dépendant de la position angulaire dudit faisceau réfléchi et on analyse ledit signal pour en déduire des informations représentatives des modifications de forme et/ou de dimensions dudit élément cylindrique par rapport à ses dimensions initiales, le changement de position angulaire étant directement lié à une desdites modification de forme et/ou de dimensions. Selon un mode de réalisation préféré, on focalise ledit faisceau lumineux incident sur une ligne focale étendue, sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'élément cylindrique. Selon une forme de réalisation préférée, on envoie le faisceau lumineux incident sur l'élément cylindrique selon un angle d'incidence O formé entre ledit faisceau lumineux incident et une normale à l'axe longitudinal de l'élément cylindrique, cette normale étant contenue dans le plan formé par le faisceau lumineux incident et l'axe longitudinal, et l'angle O étant compris entre O et 45". On envoie avantageusement le faisceau lumineux incident sur l'élément cylindrique selon un angle d'incidence O compris entre 0" et 10 . Ce but est également atteint par un dispositif tel que défini en préambule et caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse directive agencée pour envoyer un faisceau lumineux incident sur l'élément cylindrique et des moyens de détection de la position angulaire du faisceau réfléchi par l'élément cylindrique, ces moyens de détection étant agencés pour générer un signal dépendant de la position angulaire dudit faisceau réfléchi et pour déduire dudit signal, des informations représentatives des modifications de forme et/ou de dimensions dudit élément cylindrique par rapport à ses dimensions initiales, le changement de position angulaire étant directement lié à une desdites modification de forme et/ou de dimensions. Les moyens de détection comportant de préférence au moins deux photodétecteurs disposés symétriquement autour d'un axe central formant un angle O avec une normale à l'axe longitudinal de l'élément cylindrique et un angle 20 avec le faisceau lumineux incident et appartiennent au plan P contenant ledit faisceau lumineux et ladite normale. Selon un mode de réalisation préféré, ces moyens de détection comportent un amplificateur à gain fixe prédéfini connecté à chaque photodétecteur et un amplificateur différentiel auquel sont connectées les sorties de tous les amplificateurs à gain fixe prédéfini. Les gains de tous les amplificateurs connectés à des photodétecteurs disposés d'un même côté de l'axe central sont avantageusement différents et de préférence proportionnels à l'éloignement par rapport à cet axe central. Selon une forme de réalisation préférée, le dispositif comporte une lentille cylindrique convergente ou divergente dont l'axe de cylindricité est contenu dans le plan P et est perpendiculaire au faisceau lumineux incident, la valeur absolue de la distance focale de cette lentille étant sensiblement égale à la distance entre ladite lentille et ledit axe longitudinal. Le faisceau lumineux incident forme un angle d'incidence O avec la normale, cet angle O étant avantageusement compris entre 0" et 45" et de préférence compris entre 0û et 10 . Selon une forme de réalisation préférée, le dispositif est placé en ligne avec un dispositif de production de l'élément cylindrique. La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure I est une vue en perspective du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue en perspective d'une variante de réalisation du dispositif selon la présente invention, - la figure 3 illustre deux types de défauts qui peuvent apparaitre sur un élément cylindrique, - la figure 4 représente le décalage angulaire du faisceau réfléchi par l'élément cylindrique de la figure 3, en fonction de la position longitudinale dudit élément cylindrique, - les figures 5a et 5b représentent deux variantes de réalisation des moyens de détection utilisés dans le dispositif selon la présente invention, et - les figures 6a et 6b sont des vue en coupe illustrant la réflexion d'un faisceau lumineux respectivement sur un élément cylindrique opaque et sur un élément cylindrique transparent. En référence aux figures et notamment à la figure 1, le dispositif 10 de contrôle et de détection comporte une source lumineuse directive 11 qui est avantageusement mais non obligatoirement constituée par une source laser, et des moyens de détection 12 photosensibles qui seront décrits ci-dessous. La source lumineuse 1 1 génère un faisceau lumineux incident 13 qui est focalisé par une lentille convergente 14. Ce faisceau 13 traverse ensuite une lentille cylindrique 15 préservant sa focalisation dans la direction de l'axe longitudinal 18 de l'élément cylindrique 17 à controler tout en le défocalisant dans la direction perpendiculaire, créant ainsi une tache lumineuse allongée selon une ligne appelée ligne focale 16, perpendiculaire à l'axe longitudinal 18. Le faisceau lumineux 13 et l'axe longitudinal 18 définissent un plan P. Considérons une droite contenue dans ce plan P, perpendiculaire à l'axe longitudinal 18 de l'élément cylindrique 17 et passant par un point de la ligne focale 16. On appellera cette droite, la normale 19. Le faisceau lumineux 13 forme un angle O d'environ 7,5 avec cette normale 19. Les moyens de détection 12 ont pour fonction de déterminer la position du faisceau réfléchi par la surface de l'élément cylindrique 17 et d'en déduire des informations sous la forme d'une variation d'un signal, représentative de modifications de forme et/ou de dimensions dudit l'élément cylindrique par rapport à sa forme et/ou ses dimensions initiales. Ces moyens se composent de quatre photodétecteurs 20, quatre amplificateurs à gain fixe pré défini 21 et un amplificateur differentiel 22. Les quatre photodétecteurs 20 sont disposés dans le plan P, de façon symétrique par rapport à un axe central 23 contenu dans ce même plan P, cet axe 23 étant lui-meme symétrique au faisceau incident 13 par rapport à la normale 19. Chaque détecteur 20 est connecté à un amplificateur à gain fixe prédéfini 21, les gains des amplificateurs 21 connectés à des photodétecteurs 20 disposés d'un même côté de l'axe central 23 étant différents et sensiblement proportionnels à l'éloignement desdits détecteurs 20 de l'axe central 23. Les sorties des amplificateurs 21 connectés aux photodétecteurs 20 disposés d'un meme coté de l'axe central 23 sont reliées à une même entrée de l'amplificateur différentiel 22. Les sorties des amplificateurs 21 connectés aux photodétecteurs 20 disposés de l'autre côté de l'axe central 23 sont reliées à l'autre entrée de l'amplificateur différentiel 22. Celui-ci délivre comme signal de sortie, un signal correspondant à la différence entre les signaux des deux entrées. Le signal de sortie de cet amplificateur 22 fournit donc un signal codé en fonction des gains des amplificateurs à gain fixe prédéfini 21, et représentatif de la position du faisceau 24 réfléchi par l'élément cylindrique 17. Or cette fonction est elle-même dépendante de l'état de la surface de cet élément cylindrique, de sorte que le déplacement angulaire ss du faisceau réfléchi 24 par rapport à l'axe 23 qui correspond en fait au faisceau réfléchi 24 lorsque l'élément cylindrique 17 ne présente aucun défaut, et par suite les variations du signal de sortie de l'amplificateur différentiel permettent de repérer et d'identifier une discontinuité dans cet état de surface. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 2, les éléments constituant le dispositif de l'invention sont les memes que dans le mode de réalisation décrit en référence à la figure 1. Leur disposition est toutefois légèrement différente. Les détecteurs 20 ne se trouvent pas dans le plan P défini par le faisceau lumineux incident 13 et l'axe longitudinal 18, mais dans un plan P1 coupant le plan P selon l'axe longitudinal 18 de l'élément cylindrique 17. Les deux plans P et P1 forment un angle 20. et la normale 19 est située dans un plan perpendiculaire à l'axe 18 contenant le faisceau lumineux incident 13 et passant au milieu de l'ensemble formé par les quatre détecteurs 20. De cette manière, les moyens de détection et le faisceau lumineux ne sont pas confondus, et le faisceau lumineux incident et la projection du faisceau réfléchi sur le plan perpendiculaire à l'axe de l'élément cylindrique forment un angle sensiblement constant. Ce dispositif fonctionne toutefois selon le meme principe que celui illustré par la figue 1. En effet, dans les deux cas, on mesure la déviation B du faisceau réfléchi 24 dans le plan P1 contenant les photodétecteurs 20. La figure 3 est une vue en coupe d'un élément cylindrique 17 comportant cinq zones respectivement (a), (b), (c), (d) et (e). Dans la première zone (a) l'élément à contrôler présente un diamètre et un état de surface conformes à la norme. Dans la deuxième zone (b) cet élément présente un défaut de surface qui se traduit par une protubérance. Dans la troisième zone (c) l'élément est à nouveau conforme à la norme. Dans la quatrième zone (d) I'élément présente un défaut dû à une augmentation de diamètre et dans la cinquième zone (e) I'élément a un diamètre constant plus grand que le diamètre normal. Pour ne pas surcharger la figure, I'élément cylindrique 17 est supposé opaque et réfléchissant, mais il pourrait également être transparent. Dans ce cas, la réflexion détectée aurait son origine principalement sur la face arrière de l'élément sans que le principe du procédé décrit ne soit modifié. Comme précédemment définis, O est l'angle entre le faisceau incident 13 et la normale 19 et ss représente la différence entre l'angle de réflexion O pour un élément cylindrique conforme à la norme et l'angle de réflexion mesuré, 0+ss étant par conséquent l'angle entre cette normale 19 et le faisceau 24 réfléchi par I'élément cylindrique 17. Selon la loi de la réflexion, dans la première zone (a) dans laquelle la surface de réflexion est parallèle à l'axe longitudinal 0+ss est égal à 0, ss est donc nul. Dans la deuxième zone (b), la tangente à la surface de l'élément cylindrique 17 a tout d'abord une pente positive dans la première partie de la protubérance, nulle au sommet, puis négative dans la deuxième partie. L'angle ss est donc tout d'abord négatif, nul au sommet, puis positif. La troisième zone (c) étant identique à la première, l'angle ss est également nul. La quatrième zone (d) présente une pente semblable à celle de la première moitié de la protubérance, l'angle ss est donc négatif dans cette zone. Finalement, la cinquième zone (e) présente une surface parallèle à l'axe longitudinal 18 de l'élément cylindrique, l'angle ss est donc nul. Les valeurs de cet angle ss en fonction de la zone controlée le long de l'élément cylindrique 17 sont reportées sur la courbe représentée à la figure 4. Etant donné que le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 22 correspond à une valeur qui identifie la différence de l'intensité lumineuse reçue de chaque côté de l'axe central 23, on peut relier ce signal de sortie à l'angle ss en connaissant les gains des amplificateurs à gain fixe prédéfini 21. La mesure du signal de sortie de l'amplificateur différentiel 22 permet ainsi de connaitre les variations de forme de l'élément cylindrique 17 et de fixer une limite à ces variations de forme en fixant une limite à l'intensité dudit signal de sortie. Si l'élément cylindrique 17 comporte un creux ou une diminution de diamètre, la courbe illustrant l'intensité ou l'angle ss en fonction de la position sera symétrique par rapport à l'axe horizontal. Les moyens de détection 12 peuvent comporter deux ou quatre photodétecteurs 20. Lorsqu'ils comportent quatre photodétecteurs (voir figure 5a), les deux photodétecteurs 20 disposés du même côté de l'axe central 23 doivent être connectés à des amplificateurs 21 ayant des gains différents de préférence proportionnels à l'éloignement des centres desdits détecteurs par rapport à cet axe central. En partant de l'amplificateur 21 relié au photodétecteur 20 le plus éloigné de l'axe central 23, les gains peuvent par exemple avoir des valeurs 3, 1, 1, 3. Cette caractéristique permet d'obtenir à la sortie de l'amplificateur, un signal représentatif de la position du faisceau réfléchi par l'élément cylindrique. Lorsque les moyens 12 ne comportent que deux photodétecteurs 20 (voir figure 5b) disposés de part et d'autre de l'axe central 23, chaque photodétecteur 20 est connecté à un amplificateur 21 dont le gain est identique. La sortie de l'un de ces amplificateurs 21 est connectée à l'entrée positive de l'amplificateur différentiel 22 et la sortie de l'autre amplificateur 21 est connectée à l'entrée négative de l'amplificateur différentiel 22. Le signal de sortie de cet amplificateur différentiel 22 représente la différence d'intensité reçue par chacun des photodétecteurs 20. La réflexion de la lumière incidente sur l'élément cylindrique à contrôler ne se fait pas de façon identique lorsque cet élément est opaque ou transparent. Dans le cas où l'élément cylindrique 17 est opaque (figure 6a), une partie de la lumière réfléchie est partiellement dispersée sous la forme de rayons 24. Dans ce cas, il peut etre avantageux d'utiliser des photodétecteurs 20 ayant une extension spatiale relativement importante autour du plan P et qui permettent de récupérer une bonne partie de ces rayons 24. Dans le cas où l'élément cylindrique 17 est transparent (figure 6b), une faible quantité de lumière est réfléchie et dispersée à la première interface entre l'air et l'élément cylindrique. La lumière qui pénètre dans cet élément cylindrique est focalisée car la matière transparente de l'élément cylindrique joue le role d'une lentille convergente. Une partie de la lumière est réfléchie sur l'interface arrière entre l'élément cylindrique et l'air, puis est captée par les photodétecteurs 20. Ce phénomène de focalisation, qui diminue la quantité de lumière dispersée sous la forme des rayons 24, compense partiellement le faible coefficient de réflexion d'un élément transparent. Le dispositif 10 de contrôle et de détection peut etre placé sur une ligne de production de l'élément cylindrique 17. Cet élément cylindrique se déplace selon son axe longitudinal 18 et passe ainsi entièrement devant ledit dispositif de contrôle. L'état de surface et les variations de diamètre sont de ce fait analysés en permanence ce qui permet d'intervenir très rapidement lorsque l'élément 17 n'est plus conforme aux exigences du constructeur. Le faisceau 13 émis par la source lumineuse 11 frappe l'élément cylindrique 17 selon un angle O qui peut être compris entre 0 et 45" environ. Dans le mode de réalisation illustré par la figure 1, il est environ égal à 7,5 c Le fait d'avoir un angle O relativement faible présente un avantage important. A la sortie de la chaine de production, l'élément cylindrique 17 peut vibrer transversalement. Si l'angle O est trop grand, cette vibration transversale peut etre interprétée comme étant due à un défaut de l'état de surface. Ce risque est de plus en plus faible lorsque O diminue. Pour faciliter la construction, un angle O d'environ 7,5 est préféré afin que la source lumineuse 11 et les photodétecteurs 20 soient localisés en des endroits différents. I1 est également possible de minimiser l'influence des vibrations transversales grâce au dispositif illustré par la figure 2. En effet, l'angle entre le faisceau incident et la projection sur le plan P de l'axe central 23 étant nul, les vibrations transversales ne jouent pas de rôle dans la mesure de l'angle ss. Selon une réalisation concrète, le dispositif objet de l'invention a été utilisé pour contrôler l'état de surface et détecter les variations de diamètre du revêtement acrylique transparent d'une fibre optique. Ce controle est particulièrement important car il a été constaté qu'un mauvais état de surface de ce revetement conduit à une augmentation de l'atténuation des fibres. Ce dispositif permet donc de repérer facilement les segments de fibres de mauvaise qualité. La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits, mais s'étend à toute modification évidente pour l'homme de l'art. Le type, le nombre et la disposition des photodétecteurs peuvent par exemple être modifiés en fonction des besoins spécifiques liés au type d'élément cylindrique à analyser. I1 est par exemple possible de remplacer les photodétecteurs discrets par un détecteur continu générant un signal de sortie dont l'intensité dépend de la position du faisceau qu'il capte. Le signal sortant de l'amplificateur différentiel 22 peut etre enregistré ou tracé, ou être utilisé pour générer un signal d'alarme ou d'arret de la ligne de production de l'élément cylindrique lorsqu'il dépasse une valeur limite. Ce signal pourrait aussi être intégré pour en déduire la dérive de diamètre accumulée à partir du lancement d'une production ou à partir d'une référence obtenue périodiquement par une autre méthode de mesure. Ce signal sortant de l'amplificateur 22 peut en outre etre normalisé. Ceci est réalisé en divisant son intensité par l'intensité lumineuse totale reçue par les photodétecteurs. Cette intensité totale est mesurée en connectant tous les photodétecteurs à des amplificateurs ayant un meme gain fixe prédéfmi, puis en connectant la sortie de ces amplificateurs à l'entrée positive de l'amplificateur différentiel 22. Le signal de sortie de cet amplificateur donne alors l'intensité lumineuse totale. De cette manière, on obtient une valeur normalisée indépendante de la puissance de la source lumineuse et du coefficient de réflexion de l'élément cylindrique. REVENDICATIONS 1. Procédé de controle de l'état de surface et/ou de détection de variations de dimensions transversales d'un élément cylindrique de section quelconque au moins partiellement réfléchissant. notamment d'une fibre optique, dans lequel on met ledit élément cylindrique en mouvement dans une direction parallèle à son axe longitudinal, caractérisé en ce que l'on envoie un faisceau lumineux incident (13) sur ledit élément cylindrique (17), en ce que l'on capte le faisceau (24) réfléchi par .cet élément cylindrique sur des moyens de détection (12) agencés pour générer un signal dépendant de la position angulaire dudit faisceau réfléchi (24) et en ce que l'on analyse ledit signal pour en déduire des informations représentatives des modifications de forme et/ou de dimensions dudit élément cylindrique (17) par rapport à ses dimensions initiales, le changement de position angulaire étant directement lié à une desdites modification de forme et/ou de dimensions. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on focalise ledit faisceau lumineux incident (13) sur une ligne focale (16) étendue, sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal (18) de l'élément cylindrique (17). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on envoie le faisceau lumineux incident (13) sur l'élément cylindrique (17) selon un angle d'incidence (0) formé entre ledit faisceau lumineux incident (13) et une normale (19) à l'axe longitudinal (18) de l'élément cylindrique (17), cette normale étant contenue dans le plan formé par le faisceau lumineux incident et l'axe longitudinal, et l'angle (0) étant compris entre 0û et 45 . 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on envoie le faisceau lumineux incident (13) sur l'élément cylindrique (17) selon un angle d'incidence (0) compris entre 0" et 10 . 5. Dispositif de controle de l'état de surface et/ou de détection de variations de dimensions transversales d'un élément cylindrique de section quelconque au moins partiellement réfléchissant, notamment d'une fibre optique, cet élément étant en mouvement dans une direction parallèle à son axe longitudinal, caractérisé en ce qu'il comporte une source lumineuse directive (11) agencée pour envoyer un faisceau lumineux incident sur l'élément cylindrique j17). des moyens de détection de la position angulaire du faisceau réfléchi par l'élément cylindrique, ces moyens de détection (12) étant agencés pour générer un signal dépendant de la position angulaire dudit faisceau réfléchi (24) et pour déduire dudit signal des informations représentatives des modifications de forme et/ou de dimensions dudit élément cylindrique (17) par rapport à ses dimensions initiales, le changement de position angulaire étant directement lié à une desdites modification de forme et/ou de dimensions. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de détection (12) comportent au moins deux photodétecteurs (20) disposés symétriquement autour d'un axe central (23) formant un angle (0) avec une normale (19) à l'axe longitudinal (18) de l'élément cylindrique (17) et un angle (20) avec le faisceau lumineux incident (13) et appartiennent au plan P contenant ledit faisceau lumineux et ladite normale. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de détection (12) comportent un amplificateur à gain fixe prédéfini (21) connecté à chaque photodétecteur (20) et un amplificateur différentiel (22) auquel sont connectées les sorties de tous les amplificateurs à gain fixe prédéfini (21). 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les gains de tous les amplificateurs (21) connectés à des photodétecteurs (20) disposés d'un même côté de l'axe central (23) sont différents. 9. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les gains des amplificateurs (21) connectés à des photodétecteurs (20) disposés d'un même côté de l'axe central (23) sont proportionnels à leur éloignement par rapport à cet axe central (23). 10. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille cylindrique (15) dont l'axe de cylindricité est contenu dans le plan P et est perpendiculaire au faisceau lumineux incident (13), la valeur absolue de la distance focale de cette lentille étant sensiblement égale à la distance entre ladite lentille et ledit axe longitudinal (18). Il. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le faisceau lumineux incident (13) forme un angle d'incidence (0) avec la normale (19), cet angle (#) étant compris entre 0 et 45 . 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'angle d'incidence (0) est compris entre oc et loc. 13. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est placé en ligne avec un dispositif de production de l'élément cylindrique (17).