Brevet FR2719661A1 — publié le 19951110

L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de distances sans contact appelé distancemètre comportant au moins une source laser. On trouve aujourd'hui essentiellement quatre types de capteurs (ou dispositif de mesure) à savoir - capteur à triangulation laser-photocellule dont la précision est de l'ordre du centième de millimètre et le temps de réponse de 1 à 5 millisecondes. L'inconvénient de ce type de capteur est la faible plage de mesure de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres, et l'influence de la couleur de la surface réfléchissante qui lorsqu'elle est mate ou brillante induit une erreur de mesure - capteur à temps de vol entre émission et réception d'une impulsion laser. Ces capteurs visent des applications pour des mesures de grandes distances mais dont la précision est de l'ordre de quelques millimètres et le temps de réponse de l'ordre de 100 millisecondes - capteur à corrélation optique basé sur un principe utilisant deux sources laser émettrices ; l'une de référence et l'autre de mesure, et permettant de mesurer des distances jusqu'à 2 m sans réflecteur, ou jusqu'à 300 m avec surface réfléchissante sur la cible. Les précisions obtenues sont de l'ordre du millimètre et le temps de réponse de l'ordre de cent millisecondes - capteur de mesure de fréquence provoqué par l'effet LARSEN. Sa précision est de l'ordre ou centième de millimètre mais le temps de réponse de l'ordre de la seconde. Aucun des dispositifs décrits ci-dessus ne permet d'atteindre une précision de mesure de l'ordre du centième de millimètre sur une distance de plusieurs mètres et ils ne peuvent être utilisés pour des opérations ou contrôle d'usinage à l'exception d'un appareil du type interféromètre qui comporte deux sources laser et dont le principe de mesure est basé sur le comptage des franges ou interférences formées par les rayons lumineux. Son principal inconvénient est de nécessiter un miroir réfléchissant lorsque la surface de l'objet n'est pas suffisamment plane. Les buts principaux de l'invention sont de pallier les inconvénients de l'art antérieur et d'atteindre une précision inférieure à plus ou moins 5 centièmes de millimètre avec un temps de réponse inférieur à 100 millisecondes pour permettre des applications industrielles de mesures de variations dimentionnelles sans contact. Un autre but de l'invention est de créer un appareil peu encombrant, léger, précis et rapide délivrant une information proportionnelle à une distance séparant un capteur et l'objet visé par ledit capteur. Un autre but de l'invention est d'obtenir la même précision de mesure quelle que soit la distance entre le capteur et l'objet visé (que l'objet soit proche ou distant), quelle que soit la température de l'ambiance et la température de l'objet visé (modulation du rayon laser à plusieurs Mega Hertz), quelle que soit la nature du matériau ou l'état de surface de l'objet (objet en métal, caoutchouc, etc, objet mat ou brillant). Ceci en asservissant la puissance d'émission de la diode laser au flux reçu par la photodiode de mesure, ledit flux devant rester à peu pres constant. Un autre but de l'invention est de concevoir un appareil fonctionnant sur un principe de corrélation, pour s'affranchir des inconvénients des appareils à interféromètrie optique. Tous ces buts sont atteints grâce à un procédé pour la mesure de distance au moyen d'une source laser, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes - une étape de modulation en émission de la source laser, - une étape de séparation du rayon lumineux émis par la source laser en un rayon de mesure et un rayon de référence, - une étape de transformation des rayons lumineux de référence et de mesure en signaux électriques analogiques de référence et de mesure, - une étape d'échantillonnage ou multiplexage des signaux analogiques, - une étape de conversion des signaux analogiques de référence et de mesure en signaux numériques, - une étape de traitement mathématique des signaux pour calculer l'intervalle de temps entre le signal de référence et le signal de mesure et déterminer ainsi la distance entre la source et l'objet visé par la source. Tous ces buts sont également atteints grâce à un distancemètre du type à source laser et à photodiodes réceptrices, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un bloc optique avec - la source laser modulée en émission, - un moyen apte à obtenir, à partir du rayon d'émission de la source, deux rayons indépendants à savoir un rayon de référence qui est une fraction du rayon d'émission, et un rayon de mesure, - deux photodiodes recevant respectivement les rayons de référence et de mesure, et d'autre part un bloc électronique avec - un circuit d'émission apte à moduler la source laser pendant un cycle périodique, - deux circuits de réception aptes à transformer les deux rayons lumineux de référence et de mesure en deux signaux électriques de référence et de mesure, - un circuit d'acquisition comportant au moins un moyen apte à réaliser un échantillonnage des signaux électriques de référence et de mesure, un moyen de conversion analogique-nuérique pour numériser lesdits signaux et un moyen de traitement mathématique des signaux numérisés apte à évaluer l'intervalle de temps qui sépare le signal de référence du signal de mesure et à calculer la distance séparant la source et l'objet visé. Un procédé ou un dîstancemètre selon l'invention peuvent être utilisés dans de nombreuses applications non limitativement pour la mesure d'usure de ronds, tubes ou analogue, la mesure de planéité de tales, la mesure de vibrations, la mesure de largeur de bande plane ou déformée. On comprendra mieux l'invention à l'aide de la description ci-après faite en référence aux figures annexées suivantes - figure 1 : schéma de principe de la partie optique d'un distancemètre selon l'invention, - figure 2 : schéma électronique des circuits d'émission et de réception laser du distancemètre, - figure 3 : schéma électronique d'un exemple de circuit d'acquisition, - figure 4 : schéma montrant une première application à la détection d'usure de câbles, de ronds, de tubes ou analogue, - figure 5 : schéma montrant une deuxième application à la mesure de planéité d'une tôle de laminoir, - figure 6 : schéma montrant une troisième application à la mesure de vibrations, - figure 7 : schéma montrant une quatrième application à la mesure de largeur de bande plane. - figure 8 : schema montrant une cinquième application à la mesure de largeur de bande déformée. - figures 9, 9 bis : schémas d'une variante du circuit d'acquisition. Un distancemètre ou capteur selon l'invention comporte (voir figure 1) un ensemble de composants optiques une diode laser émettrice (1), une photodiode de référence (2), une photodiode réceptrice (3), un miroir semi-transparent (4), positionnés mécaniquement dans un boîtier usiné, et réglés par des vis micrométriques. Le distancemètre comporte en outre (voir figures 2, 3) un circuit électronique d'émission laser (5), un circuit récepteur (6), un circuit électronique d'acquisition (7), un calculateur (22) (connu sous le nom de DSP) et un microprocesseur (23). Le bloc électronique comporte encore d'autres composants habituels tels que : affichage, liaison parallèle ou série, etc... gérés par le microprocesseur. Le principe de fonctionnement est décrit ci-après. On utilise une diode émettrice (1), par exemple de longueur d'onde 760 mm pour 5 à 10 mW de puissance, dont l'energie de rayonnement est modulée à plusieurs dizaines de Mega Hertz. Pendant un cycle périodique dont la durée est établie en fonction de l'étendue de mesure de l'appareil une impulsion est émise. Les cycles déterminés par un sequenceur (17) se répètent avec une periode de récurrence par exemple toutes les 1 ms. Si la fréquence de récurrence est de I KHz, chaque milliseconde un burst de modulation à une centaine de Mega Hertz, d'une durée de 30 nanosecondes par exemple, est transmis par un amplificateur de transimpêdence (8) attaqué en tension et délivrant un courant à la diode laser dont la puissance moyenne en mW P est P = Po 01 + a sin (275/ F x t Puissance diode Puissance constante Modulation Au cours d'un cycle de modulation, l'amplitude de l'énergie émise par la source laser est de préférence asservie par un systeme électronique pour s'affranchir des états de réflexivité de la cible. Le rayon laser (13) passe à travers une lame séparatrice ou miroir semi-transparent (4). Une fraction (14) du rayon (13) (environ 2 %), réfléchie à 90 est récupérée par une photodiode réceptrice (2) qui convertit l'energie reçue en un courant électrique qui, après avoir été conditionne et filtré, constitue le signal de référence (11) dont la tension U proportionnelle à la puissance est U G,f (PO Lî + a sin (2 mr / F x t) ) avec G,eS gain en V/mW Le rayon laser (15) émis vers une cible (9) est renvoyé dans toutes les directions selon une loi de réflexion spéculaire qui dépend en grande partie de l'état de surface et de l'angle d'incidence. Une fraction de l'énergie réfléchie (16) retourne vers le distancemètre, atteint la lame séparatrice (4) qui la dévie vers une seconde photodiode réceptrice (3) dite de mesure après passage au travers d'un filtre interférentiel (60). Selon les applications, il peut être nécessaire d'ajouter une lentille convergente (24). Le signal délivré par cette photodiode (3) est alors amplifié par un amplificateur (12) puis filtré afin de supprimer les signaux parasites et la composante continue afin de délivrer un signal de mesure (10). L'amplitude du signal de mesure (10) dépend de la distance D et de la réfléxivité de surface de la cible, la distance D étant sensiblement la distance entre la lame séparatrice (4) et l'objet visé. Afin que ce signal soit constant en amplitude quelque soit l'état de réflexivité de la cible, on asservit de préférence la puissance d'émission de la diode laser à la puissance reçue. Les signaux (10, 11) ont ainsi la même amplitude indépendamment de la distance D et de l'état de réflexivité de la cible dans une dynamique supérieure à 60 dB. Ensuite le signal de mesure conditionné (10) et le signal de référence (11) sont tous deux simultanément échantillonnés par un analyseur (25, 25') de transitoire à une fréquence de plusieurs Giga Hertz afin d'obtenir une trace numérique sur une durée de quelques dizaines de nanosecondes. L'échantillonneur (25) du signal de mesure est prévu pour échantillonner sur une durée double de celle de I'échantillonneur (25') du signal de référence. L'ordre d'échantillonnage parvient à un convertisseur analogique-numérique (26, 26') toutes les millisecondes des l'émission du burst. Le convertisseur (26) vient lire toutes les données contenues dans l'analyseur (25) à la fréquence de 100 MHz. Ces signaux numérisés sont entrés dans une mémoire statique (type RAM) (27, 27'). Les signaux numérisés sont ensuite traités par un processeur mathématique (22) appelé DSP, qui évalue l'intervalle de temps qui sépare le signal de référence du signal de mesure. Plus précisément, en se rapportant à la figure 2, les signaux (10, 11) des deux photodiodes laser (2, 3) sont amplifiés par un amplificateur de mesure (12) dont la bande passante est de 1,5 à 2,0 GHz (voire plus). Le signal de mesure est filtré par un système detecteur de crête Passe-Bas (21) de O à 50 MHz afin de mesurer l'amplitude de l'énergie du signal. La tension proportionnelle à cette énergie est convertie en numérique dans un convertisseur (18') toutes les millisecondes. Cette valeur numérique est stockée en mémoire et le microprocesseur (23) calcule la valeur de référence PO nécessaire pour obtenir un bon signal de mesure (rapport signal sur bruit). La valeur calculée est ensuite convertie en analogique par un convertisseur (18) afin d'asservir la diode laser émettrice dont la puissance constante varie en fonction des conditions de mesures. Le signal de mesure restitué après filtrage Passe-Haut (19) permet de s'affranchir des réflexions parasites. Le signal de référence est filtré lui aussi par filtre passe-Haut (20). Selon l'application il est possible d'additionner ou de convoluer le signal de référence et le signal de mesure afin de constituer un signal unique. Le circuit comporte encore un intégrateur (61) pour maintenir la tension de commande de la source (1), un conditionneur (63) additionnant le signal de commande U de la source, le signal de modulation et le burst, et une commande d'atténuateur (61) par deux bornes (64, 65). Le déclenchement d'un burst provoque simultanément l'acquisition des signaux (10, 11) sur les bornes (28, 29) (ou selon l'application d'un signal unique formé du mélange des deux signaux (10 et 11), par les matrices à transfert de charge du type CCD formant échantillonneur (25, 25'). Ces matrices à 500 éléments indépendants échantillonnent et bloquent le ou les signaux. Chaque élément de matrice ayant un retard par rapport au précédent de 200 picosecondes, la fréquence d'échantillonnage est de 5 Giga hertz. Le signal stocké dans la matrice de transfert de l'échantillonneur est ensuite dépile puis converti en numérique à une fréquence de 100 Mhz par un convertisseur (26) à 8 bits. Les informations sont stockées dans une mémoire (27) RAM statique de 5 à 7 nanosecondes d'accès. Le calculateur (22) vient lire les valeurs stockees en mémoire (27). Le calculateur dispose d'une milliseconde pour effectuer un algorithme de calcul qui consiste à estimer l'intervalle de temps entre les deux signaux en tenant compte des déphasages liés à l'électronique. Dans le cas où les deux signaux sont mélanges, il est nécessaire de procéder à une phase d'étalonnage qui se traduit par une visée à l'infini 5 m ou absence de signal de mesure), puis le signal de référence est substitué au signal de mesure. Dans tous les cas, par corrélation, la mesure de l'intervalle de temps est calculé avec une précision inférieure à la picoseconde permettant ainsi d'évaluer la variation de distance de la cible avec une précision de quelques centièmes de mm. Selon une première application représentée en figure 4 un distancemetre conforme à l'invention est utilisé pour mesurer l'usure de câbles, de ronds de tubes et analogue. La figure 4 montre deux capteurs ou distancemètres selon l'invention (30, 31), un plan de référence (34) et un câble (33) supposé rond à l'état neuf. La cote d'usure de ce câble est calculée en mesurant les variations de rayon R du câble pour une usure donnée. Nous posons L : distance qui sépare les deux capteurs (30, 31) : : distance capteur gauche (30) câble (33), Da : distance capteur droit (31) câble (33), R : Rayon du câble (33), h : position des capteurs (30, 31) par rapport au plan de contact (32) support optique-câble, u : cote d'usure à trouver soit x la section du câble vue par les capteurs ; x = L - (Dg + R étant donné par le constructeur, on trouve en fonction de h, R et x ci-dessus, la valeur de la cote d'usure u cherchée à l'aide de la relation Un exemple de calcul d'erreur montre que pour R=12 mm, h=4 mm jusqu'à 6 mm, la précision sur u est de 1/10 de mm si x est donné à +/-0,05 mm. Selon une deuxième application représentée en figure 5 un distancemétre selon l'invention est utilisé pour la mesure de planéité de tôles de laminoirs. Dans l'art antérieur, la planéité des tôles (35) à chaud est mesurée à l'aide de plusieurs capteurs (3 à 5) à triangulation laser-caméra dont deux sont représentés : laser (36, 37) et caméras (38, 39). Ces capteurs sont placés à 3,900 m de la tôle et l'angle de visée est de 60 avec l'axe vertical. Lorsque la tôle (35) bouge en hauteur il arrive que les impacts lasers soient décalés sur la tôle. Les caméras (38, 39) observant deux spots dans leur champ de visée peuvent interpréter de façon erronnée les informations à traiter. La tôle (35) en se déplaçant en hauteur, du fait de la disposition géométrique des lasers (36, 37), le lieu des points d'impacts des spots sur celle-ci ne décrit pas une droite parallèle au bord de la bande mais des courbes sinueuses pouvant parfois même sortir du produit à mesurer, d'où des biais de mesures impossibles à corriger. Pour éviter ces problèmes, on dispose, perpendiculairement au plan de la tôle, les distanceniètres (32) selon l'invention au dessus de la tôle froide ou rouge en visant le produit. Ainsi on élimine les principales causes d'erreurs de l'art antérieur, les mesures d'allongement de tôles seront plus exactes et le laminoir étant réglé plus précisément, la qualité des tôles sera améliorée. Selon une troisième application représentée en figure 6 un distancemètre conforme à l'invention est utilisé pour la mesure de vibrations. Dans certains procédés de fabrication, lorsqu'il est nécessaire de faire vibrer les produits, il est impossible de placer des capteurs d'accélération et on utilise des mesures sans contacts à partir de mesures de distances. En disposant deux capteurs (40, 41) côte à côte, fixés sur le même support (42) et subissant donc les mêmes vibrations (du sol ou du bâti), l'un visant le produit (43) l'autre visant dans la même direction ou la direction opposée, une cible (44) réputée fixe, il est possible en retirant du signal de mesure le signal parasite lié au socle, de calculer de façon idéale les vibrations du produit, dans la bande de fréquence 0-500 Hertz par exemple (si les mesures se font chaque milliseconde) à partir des mesures de déplacements. Selon une quatrième application représentée en figure 7, un distancemètre conforme à l'invention est utilisé pour la mesure de largeur d'une bande plane en combinant un capteur (45) selon l'invention, un miroir tournant (47) et un codeur (46) absolu de la rotation du miroir (47) et en balayant la bande sur toute sa largeur. Selon une cinquième application représentée en figure 8, lorsque la limite de précision n'est plus donnée par l'appareil lui-même mais par la déformation de la bande (50) (modes de vibration ou de déformation se traduisant par des ondulations transversales) on associe plusieurs capteurs de type classique (48, 49) et une combinaison capteur (45), miroir tournant (47), et codeur (46) (voir application précédente) pour balayer et mesurer le profil transversal d'une tôle (50), et corriger la mesure de largeur donnée par les capteurs (48, 49). Selon une autre application non représentée on peut réaliser des capteurs intelligents découlant du concept entièrement numérique. I1 est facile de faire s'échanger les informations entre deux capteurs (voire plus). Pour chaque application en modifiant le programme implanté dans une mémoire de type ROM, les capteurs pourront délivrer une information élaborée permettant l'interface directe avec un automate programmable par exemple, ou un ordinateur. Bien entendu, les valeurs numériques citées non limitativement ne dépendent que de la puissance des calculateurs, et de la technologie utilisée. Par ailleurs, le système d'acquisition peut être réalisé différemment en particulier lorsqu'il convient de mesurer des distances plus importantes : on peut utiliser un multiplexage au niveau de l'acquisition selon le principe suivant: Sur les figures 9 et 9bis, on part d'une horloge (51) à 500 Mhz, et on utilise une porte (52) et deux portes (53) commandées par le séquenceur (17). Les portes (53) sont également commandées par un compteur (54) et un compteur (55) à nombre de comptage différent et dépendant de la distance de mesure souhaitée, celle-ci entraînant un retard entre les signaux de mesure et de référence. Par exemple si le compteur (55) compte trente impulsions et le compteur (54) en compte soixante, la distance de mesure sera de 4,50 m au maximum. Pendant que les portes (53) sont ouvertes on réalise par des lignes à retard des blocs (56), dix signaux d'horloge décalés de 200 p.s. Chaque signal d'horloge (a, b, c...) commande la conversion analogiquenumérique des deux signaux de mesure et de référence selon un multiplexage de dix convertisseurs (57). Chaque mot converti de 8 bits est stocké dans un registre (58) à décalage (ou mémoire RAM) puis, quand la conversion est terminée, le calculateur (22) vient lire séquentiellement le contenu des registres (58) (ou mémoires). Par ailleurs on pourrait également utiliser une variante du dispositif optique. Par exemple on peut utiliser un capteur du commerce contenant déjà dans le même boîtier la diode émettrice et une photodiode d'asservissement, on peut alors utiliser cette photodiode d'asservissement comme récepteur du signal de référence, et on ajoute une photodiode de mesure à côté de la diode laser. Dans ce cas, le miroir semi-transparent est supprimé mais on peut conserver une lentille devant la photodiode réceptrice du signal de mesure. REVENDICATIONS 1. Distancemètre du type à source laser et à photodiodes réceptrices, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part un bloc optique avec - la source laser (1) modulée en émission, - un moyen apte à obtenir, à partir du rayon d'émission (15) de la source, deux rayons indépendants à savoir un rayon de référence (14) qui est une fraction du rayon d'émission, et un rayon de mesure (16), - deux photodiodes (2, 3) recevant respectivement les rayons de référence (14) et de mesure (16), et d'autre part un bloc électronique avec - un circuit d'émission (5) apte à moduler la source laser pendant un cycle périodique, - deux circuits de réception (6) aptes à transformer les deux rayons lumineux de référence et de mesure en deux signaux électriques de référence (11) et de mesure (10), - un circuit d'acquisition comportant au moins un moyen (25, 25', 56) apte à réaliser un échantillonnage des signaux électriques de référence (11) et de mesure (10), un moyen de conversion (26, 26', 57) analogique-numérique pour numériser lesdits signaux et un moyen de traitement mathématique des signaux numérisés apte à évaluer l'intervalle de temps qui sépare le signal de référence du signal de mesure et à calculer la distance séparant la source et l'objet visé. 2. Distancemétre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen pour obtenir deux signaux indépendants est un miroir semi-transparent ou lame séparatrice (4). 3. Distancemétre selon 1 'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc optique comporte en outre une lentille (24) sur le trajet du rayon de mesure (16). 4. Distancemétre selon 1 'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source laser (1) est une diode modulée en émission à une fréquence de plusieurs dizaines de mega-hertz et en ce que les signaux des photodiodes (2,3) sont amplifiés par un amplificateur de mesure (12) de bande passante de 1,5 à 2,0 GHz au moins. s. Distancemètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de mesure conditionné (10) et le signal de référence (11) sont tous deux simultanément échantillonnés par un analyseur (25,25') de transitoire à une fréquence de plusieurs gigahertz afin d'obtenir une trace numérique sur une durée de quelques dizaines de nanosecondes et en ce que l'ordre d'échantillonnage parvient à un convertisseur analogique-numérique (26) puis en ce que les signaux numérisés sont traités par un calculateur (22). 6. Distancemètre selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le circuit d'acquisition comporte deux systèmes multiplexeurs avec des signaux d'horloge (a, b...n) commandant des convertisseurs analogiques-numériques des signaux de mesure et de référence, chaque mot étant stocké dans un registre (58) que le calculateur (22) vient lire séquentiellement. 7. Distancemètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'asservissement de la puissance émise par la source laser (1) à la puissance reçue. 8. Procédé pour la mesure de distance au moyen d'une source laser, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes: - une étape de modulation en émission de la source laser, - une étape d'asservissement de la diode laser, - une étape de séparation du rayon lumineux (13) émis par la source laser en un rayon de mesure (16) et un rayon de référence (14), - une étape de transformation des rayons lumineux de référence et de mesure en signaux électriques analogiques de référence (11) et de mesure (10), - une étape d'échantillonnage ou multiplexage des signaux analogiques, - une étape de conversion des signaux analogiques de référence et de mesure en signaux numériques, - une étape de traitement mathématique des signaux pour calculer l'intervalle de temps entre le signal de référence et le signal de mesure et déterminer ainsi la distance entre la source et l'objet visé par la source. 9. Procédé selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte en outre un asservissement de la puissance d'émission de la diode laser à la puissance reçue. 10. Dispositif de mesure d'usure de câbles, tubes ou analogues, caractérisé en ce qu'il comporte deux distancemètres (30,31) selon l'une des revendications 1 à 7 placés sur un plan de référence (34) supportant également le câble à tester, L'usure u du câble étant obtenue par la formule: 11. Dispositif de mesure de planéité de tôles de laminoirs, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs distancemètres (32,33) selon l'une des revendications 1 à7 visant la tôle perpendiculairement au plan de ladite tôle (35). 12. Dispositif de mesure de vibration, caractérisé en ce qu'il comporte deux distancemètre selon l'une des revendications 1 à 7 fixés sur le même support subissant les vibrations, l'un visant le produit, l'autre visant une cible fixe. 13. Dispositif pour la mesure de largeur d'une bande, caractérisé en ce qu'il comporte un distancemètre (45) selon l'une des revendications 1 à 7, combiné à un miroir toumant (47) et un codeur (46) de la rotation du miroir (47) balayant la bande sur toute sa largeur.