Brevet FR2726089A1 — publié le 19960426

L'invention concerne un procédé et un dispositif de mesures 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 lordre 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 grandets 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 réflecteur placé sur la cible. Les précisions obtenues sont de l'ordre du millimètre et le temps de réponse de tordre de cent millisecondes: - capteur de mesure de fréquence provoqué par lteffet LARSEN dont la précision est de l'ordre du 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 rasons laser et dont le principe de mesure est basé sur le comptage des franges ou interférences formées par les rayons alumineux. 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 inconvenients 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 I millisecondes pour permettre des applications industrielles de mesures de variations dimensionnelles 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 et en fournissant le moyen de déporter l'optique de l'électronique par l'utilisation de fibres optiques guidant les rayonnements du laser vers la cible et de la cible vers le récepteur photosensible. Un autre but de l'invention est de créer un appareil peu encombrant. léger. précis et rapide délivrant une information proportionnelle à une épaisseur d'un objet lorsque ce dernier est placé entre deux têtes optiques déportées de l'électronique au moyen de fibres optiques Un autre but de l'invention est de créer un appareil peu encombrant. léger. précis et rapide délivrant une mesure de profil ou de diamètre d'un objet lorsque à l'intérieur de ce dernier sont placées trois têtes optiques. déportées de l'électronique au moyen de fibres optiques et visant à 120 l'intérieur dudit objet (cet objet pouvant être un moule, un tube. un alésage 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 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 centaines de Oméga 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 recu par la photodiode de mesure. ledit flux devant rester à peu près constant. Un autre but de l'invention est de concevoir un appareil fonctionnant sur un principe de modulation, pour s'affranchir des inconvénients des appareils à interférométrie optique. Tous ces buts sont atteints grâce à un procédé pour la mesure de distances 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 guidage du ravonnement émis par la source laser vers une tête optique via une fibre optique, - une étape de focalisation, vers une cible. du rayon lumineux transmis par une fibre optique. - une étape de réception du rayonnement. renvoyé par la cible. consistant en collection par des lentilles optiques, selection de la longueur d'onde par filtrage interférentiel et transmission par fibre optique de la puissance optique modulée vers un détecteur photosensible, - une étape de transformation du ravonnement de mesure collecté en signal électrique analogique de mesure. - une étape de détection de phase entre le signal électrique de modulation et de mesure, - une étape de mesure de l'amplitude du signal électrique de mesure. - une étape d'asservissement de l'amplitude du signal électrique de modulation de la source laser à l'amplitude du signal de réception. - une étape d'échantillonnage ou multiplexage des signaux analogiques en sortie du détecteur de phase, - une étape de conversion des signaux analogiques de mesure en signaux numériques, - une étape de traitement mathématique des signaux. délivrés par le détecteur de phase, pour calculer le déphasage entre le signal de référence et le signal de mesure et déterminer ainsi la distance entre la source et objet visé par la tête optique. Tous ces buts sont également atteints grâce à un distancemètre du tspe à source laser et à photodiodes réceptrices, caractérisé en ce qu'il comporte d'une part: - un dispositif à séparation du rayon émis par la source laser modulée en émission au moyen de fibres optiques - un moyen apte à obtenir, à partir du flux d'émission de la source. deux rayons indépendants et cohérents au niveau de la phase, - deux photodiodes recevant respectivement les rayonnements 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 alumineux de mesure en deux signaux électriques de référence et de mesure. deux moyens de détection de phases entre les signaux électriques de référence et de mesures, - 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-numérique pour numériser lesdits signaux et un moyen de traitement mathématique des signaux numérisés apte à évaluer les déphasages qui sépare le signal de référence des signaux de mesure et à calculer la distance séparant la source et objet visé. En supposant que l'objet visé soit placé entre les deux dispositifs de focalisation - collection optiques, les mesures permettent de calculer l'épaisseur dudit objet, ou en supposant que les dits dispositifs optiques soient placés à l'intérieur à obtenir le profil de l'objet ou son diamètre. Un procédé ou un distancemètre selon l'lnvention peut être utilisé dans de nombreuses applications non limitativement pour la mesure de diamètres de ronds, tubes ou analogues, la mesure de planéité de tôles. la mesure de vibrations. la mesure de largeur de bande plane ou déformée. la mesure d'épaisseur de produits plats ou de produits ronds (tubes tuyaux ou analogues) lorsque le diamètre extérieur ou intérieur est connu. 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 1' invention. - figure 2: schéma de fonctionnement du distancemètre. - figure 3: schéma montrant une première application à la mesure de diamètres d'alésages, de ronds, de tubes ou analogue. - figure 4: schéma montrant une deuxième application à la mesure de planéité d'une tôle de laminoir. - figure 5: schéma montrant une troisième application à la mesure de vibrations, - figure 6: schéma montrant une quatrième application à la mesure d'épaisseur de produits plats. Un distancemètre ou capteur selon l'invention comporte (voir figure 1) un ensemble de composants optiques: une diode laser émettrice (1). une photodiode réceptrice (8), deux fibres optiques (5,5'). une tête optique (4). Le distancemètre comporte en outre (voir figures 2) un circuit électronique d'émission laser (9), un circuit récepteur (1 3). un circuit de mesure de l'amplitude du signal (14) délivré par le récepteur. un circuit électronique de mesure de phase (10), deux circuits électroniques d'acquisition (11.11'). un calculateur (12). Le bloc électronique comporte encore d'autres composants habituels tels que: afficheur, touches, liaison parallèle ou série. etc. gérés par le microprocesseur (appelé aussi calculateur). Le principe de fonctionnement est décrit ci-après. On utilise une diode émettrice (1), par exemple de longueur d'onde 830 mm pour 5 mVs' à 700 mAt de puissance et de I GHz de bande passante. dont l'énergie de rayonnement est modulée à une centaine de Méga Hertz avec une puissance optique contrôlée. Au cours d'un cycle de modulation, la puissance optique émise par la source laser est de préférence asservie par un système électronique pour s'affranchir des états de réflexivité de la cible. Le ravon laser (2) est guidé par une fibre optique (5). Le signal de modulation dont la fréquence est stabilisée et connue avec précision, après avoir été conditionné et filtré. constitue le signal de référence (2 ). La cible (6) éclairée par le rayon laser (3) renvoie le rayonnement 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 la puissance optique réfléchie (7), collectée par le dispositif optique (4). sélectée selon sa longueur d'onde après passage au travers d'un filtre interférentiel (15). est transmise par fibre optique (5') vers une photodiode réceptrice (8) dite de mesure qui convertit la puissance optique reçue en un courant électrique proportionnel. Le signal délivré par cette photodiode est alors amplifié par un amplificateur à transimpédance (13) dont la bande passante est supérieure à 1 GHz, puis filtré. pour supprimer les signaux parasites et la composante continue. afin de délivrer un signal de mesure (16). L'amplitude du signal de mesure (16) dépend de la distance et de la réflexivité de surface de la cible (6). la distance étant sensiblement la distance entre l'optique déportée par des fibres optiques (4) et l'objet visé. Afin que ce signal soit constant en amplitude quel que soit létat de réflexivité de la cible, on asservit de préférence la puissance d'émission. de la diode laser à la puissance reçue. Les signaux (2.16 ) ont ainsi la même amplitude indépendamment de la distance et de l'état de réflexivité de la cible dans une grande dynamique. Ensuite, le signal de mesure conditionné (16) et le signal de référence (2) sont tous deux multipliés (10) afin de récupérer après filtrate deux tensions représentative du sinus et du cosinus des déphasages entre ces deux signaux qui sont simultanément échantillonnés et codés par deux convertisseurs Analogique Numérique de précision (11, Il ) à une fréquence de plusieurs dizaines de kilohertz. L'échantillonnage est permanent. Ces signaux numérisés sont entrés dans une mémoire statique. Les signaux numérisés sont ensuite traités par un processeur mathématique (12), qui évalue l'angle de déphasage proportionnel à l'intervalle de temps qui sépare le signal de référence du signal de mesure. Un système détecteur RMS (14), adapté à la fréquence de modulation du laser, mesure l'amplitude du signal de réception. La tension proportionnelle à cette amplitude est convertie en numérique par un convertisseur N/N (18) toutes les millisecondes. Cette valeur numérique est stockée en mémoire et le microprocesseur (12) calcule la valeur de consigne de la puissance optique nécessaire pour obtenir un bon signal de mesure (rapport signal sur bruit). La valeur calculée est ensuite convertie en analogique par un convertisseur (18') puis envoyée à un comparateur (19) et un intégrateur (20) qui délivre un signal de commande proportionnel à un signal d'erreur entre la mesure de l'amplitude et la consigne élaborée par le calculateur, afin d'asservir. selon le principe connu de la régulation P I proportionnelle intégrale, la puissance de la diode laser émettrice Le circuit d'asservissement comporte outre le comparateur (19) et l'intégrateur (20), un driver (9) qui à partir du signal de signal de commande conditionne le signal de modulation de la source Laser( 1) Le calculateur est dimensionné pour pouvoir effectuer en une milliseconde un algorithme de calcul qui consiste à estimer l'intervalle de temps moyen entre les deux signaux de référence et de mesure en tenant compte des déphasages liés à l'électronique.Pour une précision plus grande des mesures il pourra effectuer un calcul sur un plus grand nombre d'acquisitions. Dans tous les cas, il est nécessaire de procéder à une phase détalonnage qui se traduit par une visée à la distance maximale définie par l'optique choisie, puis une visée à la distance minimale de façon a définir un gain et un zéro. puis le résultat du calcul est traduit en distances réelles ou relatives. Dans tous les cas, la mesure de déphasage est calculé avec une précision permettant d'évaluer la variation de distance de la cible avec une précision de quelques centièmes de mm. Selon une première application représentée en figure 3 un distancemètre conforme à l'invention est utilisé pour mesurer des diamètres d'alésages. de ronds de tubes et analogues. En positionnant trois dispositifs de focalisation collection optiques (appelée aussi têtes optiques) à 120 à l'intérieur d'alésages. de tubes ou analogues susceptibles de tourner à grande vitesse: ou si ces derniers sont immobiles, après avoir fait tourner les trois têtes autour d'un même axe: il est non seulement possible de mesurer les diamètres mais également les épaisseurs si les formes extérieures sont parfaitement circulaires et de diamètres connus. Selon cette application l'axe de rotation du produit et l'axe des optiques n'ont nullement besoin d'hêtre confondus pour obtenir de bonnes mesures. La figure 3 montre trois capteurs ou distancemètres selon l'invention (21.21'. 21" et un alésage (23) supposé rond.Le contrôle de tolérance est calculé en mesurant les variations de distances (22,22',22'-) Selon une deuxième application représentée en figure 4 un distancemètre selon l'invention est utilisé pour la mesure de planéité de tôles de laminoirs. Dans l'art antérieur, la planéité des tôles (26) à chaud est mesurée à l'aide de 3 à 5 capteurs à triangulation laser-caméra dont deux sont représentés laser (24,24') et caméras (25,25'). 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 (26) bouge en hauteur, il arrive que les impacts lasers soient décalés sur la tôle. Les caméras (25,25') observant deux spots dans leur champ de visée peuvent interpréter de façon erronée les informations à traiter. La tôle (26) en se déplaçant en hauteur. du fait de la disposition géométrique des lasers (24,24'), 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 comger. Pour éviter ces problèmes, on dispose, perpendiculairement au plan de la tôle, les distancemètres (27,27') 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'allongements 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 5 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 contact à partir de mesures de distances. En disposant deux capteurs (28,28') côte à côte. fixés sur le même support (29) et subissant donc les mêmes vibrations (du sol ou du bâti). I'un visant le produit (30) L'autre visant dans la même direction ou la direction opposée. une cible (31) réputée fixe, il est possible, après avoir extrait 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 6. en plaçant deux dispositifs de focalisation - collection optiques (32.32)(appelée aussi têtes optiques) de part et d'autre d'un produit plat (33) susceptible de défiler à grande vitesse, il est non seulement possible de mesurer son épaisseur nuais également sa position exacte entre les deux têtes optiques qui emettenl deux rayonnements Issus de la même source laser, et donc constamment en phases. Par extension il est possible d'imaginer plusieurs têtes d'émissions émettant des rayonnements en phases.L'invention est éoalement utilisée selon une dérivée de cette cinquième application qui consiste a disposer deux têtes optiques visant à 180 ,, de façon a relever un profil à l'intérieur d'un moule ou d'un produit creux. Selon une autre application non représentée on peut réaliser des capteurs intelligents découlant du concept entièrement numenque. II 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 ia technoloole utilisée. 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 continue à ultra haute fréquence, - un moyen apte à obtenir, à partir du rayon d'émission (3) de la source, un ou plusieurs rayons d'excitations indépendants (14) et un ou plusieurs rayons de mesures (7), - une ou plusieurs photodiodes (8) recevant les rayons de mesure. et d'autre part un bloc électronique avec: - un circuit d'émission (9) apte à moduler la source laser selon un cvcle périodique continu à ultra haute fréquence, - un ou plusieurs circuits de réception (13) aptes à transformer plusieurs rayonnement lumineux de mesure en plusieurs signaux électriques de mesure (16), - un circuit de détection de phase comportant au moins deux modulateurs en anneaux(10) apte à délivrer deux signaux proportionnels au SNUS et au COSINUS du déphasage entre un signal de mesure et un signal sinusoïdale de référence ou du déphasage entre deux signaux de mesure possédant une fréquence égale à celle du signal de référence. - un circuit d'acquisition comportant au moins un moyen (11,11') apte à réaliser un échantillonnage et une conversion analogique-numérique pour numériser les signaux électriques de référence (2) et de mesure ( 16), et un moyen de traitement mathématique (12) 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) Distancemètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moven pour obtenir deux signaux indépendants à partir d'un oscillateur d'une diode laser modulée à la fréquence de l'oscillateur et un dispositif optique (4). 3) Distancemètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif optique comporte en outre plusieurs fibres optiques (5,5') et lentilles (4) permettant de guider les trajets des rayons laser d'excitations (3) et de reception(7). 4) Distancemètre selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la source laser (1) est une diode modulée en émission jusque une fréquence de plusieurs centaines de méga-hertz et en ce que les photodiodes (8) et récepteurs associées (13) possèdent des bandes passantes supérieures à un giga hertz. 5) Distancemètre selon l'une quelconque des revendications précédentes. caractérisé en ce que le signal de mesure de phases issus du détecteur (10) sont tous deux simultanément échantillonnés et convertis par un Convertisseur Analogique Numerique (11,11') à une fréquence proche d'une centaine de kilohertz et en ce que les signaux numérisés sont traités par un calculateur (12). 6) Distancemètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit d'asservissement de la puissance émise par la source laser (i) à la puissance reçue. 7) 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 (3) émis par la source laser en un ou plusieurs rayons de mesure (16) - une étape de transformation des rayons lumineux de mesure en signal électrique analogiques de mesure (16), - une étape de multiplication des deux signaux entre eux de manière à obtenir deux signaux analogiques représentant le sinus et le cosinus de I ' antle déphasage, - une étape de conversion des signaux analogiques de déphasage en signaux numériques, - une étape de traitement mathématique des signaux pour calculer le dephasage 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. 8) 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. 9) Dispositif de mesure pour la mise en oeuvre du procedé selon les revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comporte des optiques, déportées par des fibres optiques, émettant deux rayons émis par la même source laser (32, 32') perpendiculairement au plan de référence (33) dans lequel est placé l'objet dont on veut obtenir l'épaisseur. 10) Dispositif de mesure de diamètres dalésages, tubes ou analogues (23) pour la mise en oeuvre du procédé selon les revendications 7 et 8. caractérisé en ce qu'il comporte trois optiques (21,21 ,2 I ') déportées par des fibres optiques émettant des rayons indépendants(22,22,22' ), en rotation à l'intérieur de l'objet (23) si celui ci est fixe ou inversement. 11) Dispositif de mesure de planéité de tôles de laminoirs, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs distancemètres (24, 24') selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 visant la tôle perpendiculairement au plan de ladite tôle (26). 12) Dispositif de mesures de vibrations, caractérisé en ce qu'il comporte deux distancemètres, selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. fixés sur le même support subissant les vibrations, I'un visant le produit. Autre visant une cible fixe.