Brevet FR2767923A1 — publié le 19990305

La présente invention concerne le domaine des capteurs acoustiques. Plus précisément la présente invention concerne le domaine des systèmes adaptés pour la mesure locale des paramètres élastiques (élasticité, viscosité, viscoélasticité, densité, filage ...) de solides et de liquides. De nombreux dispositifs acoustiques de test ou mesure ont déjà été proposés. On peut citer par exemple les dispositifs connus suivants. Welber [I], puis Welber et Quimbly [2] ont décrit un viscosimètre adapté pour la mesure des caractéristiques électriques d'un cylindre pièzoélectrique creux de quartz oscillant en mode torsion. Krutin et Smirnitskii [3] ont décrit la théorie d'une tige vibrante, sonde de viscosimètre. Ils ont montré que les conditions de vibration forcée en mode longitudinale et en torsion d'un tige mince (sonde) de diamètre uniforme dans un liquide dépendent de la densité et de la viscosité du liquide, de la densité de la sonde, du module d'élasticité et du coefficient de perte interne du matériau de la sonde, de la configuration de la section de la sonde et la fréquence de pilotage. Des mesures précises de viscosité sont obtenues en tenant compte de l'influence de l'immersion sur les caractéristiques vibrationnelles de la sonde. Ce dispositif ne confine pas l'énergie acoustique et n'amplifie donc pas les modifications des conditions de résonance. On peut encore citer un viscosimètre commercialisé par Haake Buchler Inc. [4] utilisant des cylindres concentriques. Les mesures correspondantes sont décrites dans le document [5]. La présente invention a maintenant pour but de proposer un nouveau capteur confinant l'énergie acoustique et adapté à la mesure des paramètres élastiques de solides ou de liquides, qui permette une mesure simple, qui soit de constitution simple et économique et qui présente une trés faible puissance électrique d'alimentation. Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention, grâce à un système comprenant un capteur comportant un générateur piézoélectrique et une sonde couplée au générateur piézoélectrique pour former un ensemble résonant et adaptée pour tre portée au contact d'un milieu à tester et amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde, et des moyens de traitement sensibles aux modifications de résonance détectées sur l'élément piézoélectrique. Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, la sonde présente une section variable sur sa longueur, décroissante de l'élément piézoélectrique, vers le milieu. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention le rapport entre la section de la sonde en contact avec l'élément piézoélectrique et la section de la sonde destinée à venir en contact avec le milieu à analyser est supérieur ou égal à 5. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les mouvements de la sonde sont de très faible amplitude, de l'ordre de 10 à 100nm. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaitront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure 1 représente une vue générale d'un système de mesure conforme à la présente invention, - les figures 2, 3 et 4 représentent schématiquement des vues latérales de trois variantes de réalisation de sondes conformes à la présente invention, - la figure 5 représente une vue similaire d'une sonde conforme à un mode de réalisation particulier de l'invention, - la figure 6 représente le module de l'impédance électrique de l'élément piézoélectrique, en fonction de la fréquence, pour différents milieux portés au contact de la sonde, et - la figure 7 illustre une variante de sonde conforme à la présente invention munie d'un gainage. On a représenté sur la figure 1 annexée un système de mesure conforme à la présente invention comprenant essentiellement un capteur 100 associé à des moyens de commande 200 et à des moyens de détection 300, et une unité informatique de pilotage 400. Comme indiqué précédemment, dans le cadre de la présente invention, le capteur 100 comprend un générateur piézoélectrique 110 émetteur d'ultrasons et une sonde 120 couplée au générateur piézoélectrique 110 pour former un ensemble résonant. La sonde 120 est en outre adaptée pour tre portée au contact du milieu à tester et pour amplifier les modifications des conditions de résonance induite par le milieu en contact avec la sonde 120. Pour celà dans le cadre de la présente invention, la sonde 120 présente avantageusement une section variable sur sa longueur, décroissante de l'élément piézoélectrique 110, vers son extrémité 122 destinée à tre portée en contact avec le milieu à tester. Plus précisément encore, de préférence, le rapport entre la section S1 de la sonde 120 en contact avec l'élément piézoélectrique 110 et la section S2 de l'extrémité 122 de la sonde 120 destinée à venir en contact avec le milieu à analyser, est supérieur ou égal à 5. On a schématisé en outre sur la figure 1, sous la référence 500, un ensemble motorisé, piloté par l'unité 400 pour assurer un déplacement relatif contrôlé selon 3 axes x, y et z, entre la sonde 100 et un milieu à tester. Pour celà on peut prévoir soit que le milieu est fixe et la sonde 100 est déplacée par l'ensemble motorisé 500, soit inversement que la sonde 100 est fixe et le milieu à analyser est déplacé par l'ensemble motorisé 500. La liaison fonctionnelle entre l'unité 400 et l'ensemble motorisé 500 est schématisée sous la référence 502. Les modules 200 et 300 sont pilotés (commandes et acquisitions) par l'unité 400. Les liaisons fonctionnelles entre l'unité 400 et les modules 200 et 300 sont schématisées sous la référence 202 et 302 respectivement sur la figure 1. Le module de commande 200 est formé essentiellement d'un synthétiseur conçu pour piloter et alimenter l'élément piézoélectrique 110 de sorte que celui-ci émette un signal vibratoire balayant une plage de fréquences déterminée autour de la fréquence de résonance du capteur, avec une résolution typiquement inférieure à 1 Hz. Le module de détection 300 est sensible aux conditions de résonance de l'élément piézoélectrique 110 (fréquence de résonance et amplitude à la fréquence de résonance). En effet ces deux paramètres (fréquence et amplitude) sont reliés aux propriétés (densité, viscosité, élasticité, viscoélasticité, filage) des milieux. Ainsi dans les liquides, la modification de la fréquence de résonance est reliée à la densité, tandis que l'amplitude à la résonance est reliée à la viscosité. Par ailleurs pour les solides de faible constante élastique (gels, polymères), la modification de la fréquence de résonance est reliée à l'élasticité. La présence d'un matériau au contact de la pointe 122 de la sonde 120 fait glisser la fréquence de résonance et modifie le facteur de qualité du résonateur en fonction des propriétés mécaniques locales (visqueuses et élastiques) de ce matériau. Pour celà le module 300 est constitué essentiellement d'un détecteur synchrone à verrouillage de phase qui détecte les variations en module d'impédance électrique de l'élément piézoélectrique 110. L'élément 110 joue ainsi également le rôle de récepteur par la mesure de son impédance électrique par le module 300. Les paramètres de mesure accessibles et mesurés par le module 300 sont la fréquence de résonance de l'élément piézoélectrique chargé 110 et son facteur de qualité ou son impédance au voisinage de la résonance. Plus précisément encore le capteur 100 forme un capteur acoustique de champ proche. La géométrie de la sonde 120 formant ligne à retard et pavillon résonant solide fixé sur l'une des faces de l'élément piézoélectrique, est adaptée pour maximiser la sensibilité du capteur 100 à des modifications des conditions de résonance. Ces modifications des conditions de résonance sont consécutives à l'immersion partielle ou complète de la partie terminale 122 de la sonde 120 dans le milieu dont les caractéristiques sont mesurées. Ce milieu peut tre formé par exemple d'un gaz, d'un liquide, d'un milieu gélifié ou d'un polymère. Ces modifications des conditions de résonance peuvent résulter également du contact entre l'extrémité 122 de la sonde 120 avec un solide. Dans sa définition la plus générale, la sonde 120 est formée de deux tronçons juxtaposés selon sa longueur et présentant des sections différentes. Comme indiqué précédemment dans le cadre de la présente invention, de préférence le rapport entre la section S1 d'un premier tronçon de la sonde 120 en contact avec l'élément piézoélectrique 110 et la section S2 d'un second tronçonl22 de la sonde 120 destiné à venir en contact avec le milieu à analyser, est supérieur à 10. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les deux tronçons précités ont par ailleurs des longueurs identiques. Le cas échéant chacun des deux tronçons précités peut lui mme tre subdivisé. On a ainsi illustré sur la figure 5 une variante de réalisation selon laquelle la sonde 120 est formée de deux tronçons principaux 124, 126 subdivisés chacun en deux tronçons secondaires juxtaposés axialement 1240 et 1242 pour le tronçon 124, 1260 et 1262 pour le tronçon 126. Comme indiqué précédemment, les deux tronçons principaux 124, 126 ont de préférence des longueurs identiques. Par ailleurs, chacun de ces tronçons principaux 124, 126 est lui-mme divisé en deux tronçons secondaires égaux entre eux 1240 et 1242 d'une part, 1260 et 1262 d'autre part. Ainsi, ces quatre tronçons secondaires 1240, 1242, 1260 et 1262 sont avantageusement de longueur identique. On notera que comme on l'a illustré sur la figure 5, le capteur 100 comporte un dos 130 constitué d'une contremasse, situé sur la seconde face de l'élément piézoélectrique 110 opposée à celle du pavillon 120 formant sonde. On a illustré schématiquement sur les figure 2 à 4 annexées, trois variantes de réalisation de sonde 120 conformes à la présente invention. Dans toutes ces variantes, la sonde 120 présente avantageusement une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal O O. Selon la figure 2, la sonde 120 est étagée et comporte deux tronçons cylindriques 124, 126 juxtaposés axialement. Chacun des deux tronçons 124, 126 présente une section circulaire constante sur toute sa longueur. Cependant le tronçon 124 en contact par sa surface S1 avec l'élément piézoélectrique 110 possède une section supérieure à celle S2 du second tronçon 126 destiné à venir au contact du milieu à analyser. Selon la figure 3, la sonde 120 est définie par une génératrice incurvée, concave vers l'extérieur, très préférentiellement de type exponentielle. Selon la figure 4, la sonde 20 est définie par une génératrice rectiligne et se présente ainsi sous la forme d'un tronc de cone. La sensibilité du dispositif est caractérisée par l'amplification M. Dans le cas d'une géométrie étagée considérée comme préférentielle dans le cadre de la présente invention, c'est à dire constituée d'au moins deux cylindres coaxiaux comme illustré sur la figure 2, I'amplification est définie par la relation Métagé = (S1/S2) (coskLl/coskL2) dans laquelle L1 et L2 représentent les longueurs des deux cylindres 124 et 126 et S1 et S2 sont les aires des sections de ces deux cylindres. L'amplification est maximum lorsque L1 = L2 et devient alors directement fonction du rapport S1/S2. Pour des raisons de tenue mécanique, le dispositif peut tre usiné de façon que le changement de section entre les deux cylindres 124 et 126 ne soit pas abrupt mais progressif, par exemple sous forme de légers arrondis au niveau de la transition entre les différents tronçons juxtaposés. Cette sensibilité du dispositif étagé est également définie par la transformation d'impédance entre l'impédance de charge ZCH et l'impédance d'entrée Z. En impédance mécanique : ZE = (Sî/82)2.ZcH. La géométrie conique a une meilleure tenue mécanique mais une amplification plus faible. Dans le cas d'une géométrie conique, comme illustré sur la figure 4, I'amplification est définie par la relation Me6n= a[coskl + (1 + a)/akL) sinkL] avec a = R1/R2 relation dans laquelle R1 et R2 sont les rayons des sections extrmes du cône et L est la longueur du cône. En théorie l'amplification est maximum lorsque R1/R2 est infini, c'est à dire lorsque le cône devient une pointe. Mcanctend alors vers une valeur limite égale à 4,5 La géométrie exponentielle, comme illustré sur la figure 5, avec ZE = (Sî/82).ZcH présente des caractéristiques intermédiaires (tenue mécanique et amplification) et représente un compromis entre les géométries étagée de la figure 2 et conique de la figure 4. On a indiqué précédemment que la sonde 120 présente avantageusement une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal O O. Cependant en variante on peut envisager d'utiliser des sondes 120 de section polygonale, par exemple carrée, la pointe 122 étant alors pyramidale. En outre la sonde 120 peut tre prolongée sur son extrémité 122 par un disque perpendiculaire à l'axe de la sonde ou une sphère. Le caractére très localisé des mesures peut résulter d'un gainage 140 de la sonde 120 en dehors de son extrémité 122, ou d'un revtement partiel constitué d'un dépôt non-mouillant, par exemple un dépôt fluoré. Le gainage 140 est solidarisé préférentiellement au dos 130 comme indiqué sur la figure 7. Le matériau de gainage n'est choisi que pour sa tenue mécanique et peut tre métallique ou polymère. L'effet recherché par le gainage 140 peut tre amélioré par la présence d'un liquide entre la gaine et la sonde. Comme on le voit sur la figure 7, de préférence, il n'existe pas de contact physique entre le gainage 140 et la sonde 120. Néanmoins, le gainage 140 est placé à proximité immédiate de la sonde 120 pour interdire une circulation du milieu à tester entre la sonde 120 et le gainage 140. Le cas échéant, le volume entre la sonde 120 et le gainage 140 peut tre rempli d'un matériau choisi, éventuellement le milieu à tester pour éviter un durcissement de celui-ci au contact de l'air. On a illustré sur la figure 6 les courbes illustrant le module de l'impédance électrique de l'élément piézoélectrique 110, mesurée par les moyens 300, en fonction d'un balayage en fréquence imposé par les moyens synthétiseurs 200, pour quatre milieux en contact avec la sonde 120. Ces courbes montrent que fréquence de résonance et amplitude à cette fréquence permettent de bien caractériser le milieu. L'homme de l'art compendra qu'il suffit de comparer la réponse obtenue avec une réponse étalon pour déterminer les caractéristiques du milieu étudié. Dans le cas d'un milieu liquide, la densité et la viscosité du milieu peuvent tre mesurées séparément après étalonnage, par mesure du glissement de la fréquence de résonance pour la densité et par mesure de la variation du module de l'impédance à la fréquence de résonance pour la viscosité. Dans le cas d'un milieu semi-solide tel qu'un gel, la constante élastique peut tre mesurée, après étalonnage, par mesure du glissement de la fréquence de résonance. La présente invention peut trouver application dans un grand nombre de domaines couvrant les fluides ou des mélanges de fluides, y compris des mélanges présentant des gradients, et des solides et semi-solides (gels, polymères en solution). On peut citer par exemple le suivi de la gélification par mesure de la viscosité et le suivi de l'évolution des propriétés élastiques après gélification dans les laitages (contrôle de la gélification, du filage ou du durcissement) ou les matériaux sol-gel. Le dispositif conforme à la présente invention est également bien adapté pour suivre l'évolution de la viscosité et de l'élasticité au cours de la mise en oeuvre des polymères, des vernis, des colles, des peintures, des mastics, des crèmes, des bitumes, des platres, terres cuites et leurs dérivés, des asphaltes et des ciments. Ainsi le dispositif conforme à la présente invention peut également trouver application dans les domaines non limitatifs suivants - contrôle du filage d'un précurseur de fibre céramique, - mise en évidence d'une démixtion dans un fluide (ou de l'apparition d'une phase huileuse à la surface d'une phase aqueuse), - contrôle d'un niveau de liquide, - contrôle de la pollution de eaux par des sels solubles (nitrates ...), - contrôle de la maturité et de la maturation des fruits, - contrôle de la densité et de la viscosité d'une solution aqueuse, - suivi de la variation de viscosité en fonction de la température d'un liquide très visqueux, - caractérisation de liquides non-miscibles, - suivi de la décantation d'une émulsion, - polymérisation d'un mastic de silicone, - durcissement d'un vernis, - contrôle du vieillissement des huiles et des graisses, en fonction de la température ou de la durée d'utilisation, - contrôle de l'environnement (détection d'un brouillard, d'une fumée...) ou d'un aérosol, - prise d'un ciment ou d'une colle, - contrôle de la fluidité du sang in situ. Le dispositif conforme à la présente invention peut également tre utilisé en imagerie, par balayage d'une surface. Dans ce contexte il peut trouver, par exemple et non limitativement, application dans le contrôle de rugosité, dans le contrôle de l'homogénéité en densité de surfaces solides, dans le contrôle d'élasticité et de viscoélasticité en sous-surface. En conclusion le dispositif conforme à la présente invention se caractérise en particulier par les points suivants - utilisation et application d'un dispositif à pointe amplifiante par concentration acoustique pour des mesures localisées des paramètres élastiques à la surface et à l'intérieur de milieux élastiques ou viscoélastiques, - facilité d'immersion, y compris dans les milieux semi-solides tels que les gels et les polymères au cours de leur mise en oeuvre, - détection d'un signal qui permet de recueillir deux types d'informations indépendantes : le glissement de la fréquence de résonance et le module de l'impédance à la résonance ou son facteur de qualité, - très faible amplitude de déplacement en bout de pointe évitant une perturbation du milieu analysé, - mode de vibration longitudinal de direction parallèle à l'axe de la sonde 120. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'tre décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. [1] B. Welber, "Damping of a tortionally oscillating cylinder in lîquid helium at various temperatures and densities", Phys. Rev. 119 (1960) 1816-22. [2] B. Welber et S. L. Quimby, "Measurements ouf tue product of viscosity and density of liquîd helium with a torsional crystal", Phys. Rev. 107 (1957) 645-6. [3] A. A. H. Padua, J.M.N.A. Farcleira, J.C.G. Colado et W.A. Wakeham, Int J. Thermophys. 15 (1994) 229. [4] Modèle RV100/CV100, Haaake Buchler Inc., Saddle Brook, [5] M.D. Sacks et R.S. Sheu, J. Non-cryst. Solids 92 (1987) REVENDICATIONS 1. Système acoustique pour mesure locale des paramètres élastiques de solides ou liquides, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur (100) comportant un générateur piézoélectrique (110) et une sonde (120) couplée au générateur piézoélectrique (110) pour former un ensemble résonant et adaptée pour tre portée au contact d'un milieu à tester et amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde (120), et des moyens de traitement (300) sensibles aux modifications de résonance détectées sur l'élément piézoélectrique (120). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la sonde (120) présente une section variable sur sa longueur, décroissante de l'élément piézoélectrique (110), vers son extrémité (122) destinée à venir en contact avec le milieu à analyser. 3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que le rapport entre la section S1 de la sonde (120) en contact avec l'élément piézoélectrique (110) et la section S2 de la sonde (120) destinée à venir en contact avec le milieu à analyser est supérieur ou égal à 5. 4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un module de commande (200) comprenant un synthétiseur conçu pour piloter et alimenter l'élément piézoélectrique (110) de sorte que celui-ci émette un signal vibratoire balayant une plage de fréquences déterminée autour de la fréquence de résonance du capteur (100). 5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens de traitement (300) sont sensibles à la fréquence de résonance de l'élément piézoélectrique (110) et à l'amplitude à la fréquence de résonance de cet élément. 6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les moyens de traitement (300) comprennent un détecteur synchrone à verrouillage de phase qui détecte les variations en module d'impédance électrique de l'élément piézoélectrique (110). 7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la sonde (120) est formée de deux tronçons juxtaposés selon sa longueur et présentant des sections différentes. 8. Système selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le rapport entre la section S1 d'un premier tronçon de la sonde (120) en contact avec l'élément piézoélectrique (110) et la section S2 d'un second tronçon (122) de la sonde (120) destiné à venir en contact avec le milieu à analyser, est supérieur ou égal à 5. 9. Système selon l'une des revendications 7 ou 8, caractérisé par le fait que les deux tronçons ont des longueurs identiques. 10. Système selon l'une des revendications7 à 9, caractérisé par le fait que l'un au moins des deux tronçons est subdivisé. 11. Système selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé par le fait que le capteur (100) comporte un dos (130) constitué d'une contremasse, situé sur la seconde face de l'élément piézoélectrique (110) opposée à celle du pavillon (120) formant sonde. 12. Système selon l'une des revendications I à 11, caractérisé par le fait que la sonde (120) est étagée. 13. Système selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que la sonde (120) comporte deux tronçons cylindriques (124, 126) juxtaposés axialement. 14. Système selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que chacun des deux tronçons (124, 126) présente une section circulaire constante sur toute sa longueur. 15. Système selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé par le fait que la sonde (120) comprend quatre tronçons cylindriques coaxiaux (1240, 1242, 1260, 1262). 16. Système selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que la sonde (120) est définie par une génératrice incurvée, concave vers l'extérieur, préférentiellement de type exponentielle. 17. Système selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait que la sonde (120) est en forme de tronc de cone. 18. Système selon l'une des revendications 1 à 17 caractérisé par le fait que la sonde (120) présente une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal O-O. 19. Système selon l'une des revendications I à 17, caractérisé par le fait que la sonde (120) présente une section polygonale, par exemple carrée. 20. Système selon l'une des revendications I à 19, caractérisé par le fait que la sonde (120) est prolongée sur son extrémité (122) adjacente au milieu à analyser par un disque perpendiculaire à l'axe de sonde ou une sphère. 21. Système selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par le fait que la sonde (120) comprend un gainage qui la recouvre en dehors de son extrémité (122) destinée à venir en contact avec le milieu à analyser. 22. Système selon la revendication 21, caractérisé par le fait que le gainage est formé d'un revtement partiel constitué d'un dépôt nonmouillant. 23. Système selon l'une des revendications 21 à 22, caractérisé par le fait que le gainage (140) est situé à distance de la sonde (120) pour éviter un contact physique avec celle-ci. 24. Système selon l'une des revendications 21 à 23 prise en combinaison avec la revendication 11, caractérisé par le fait que le gainage (140) est relié au dos. 25. Système selon l'unedes revendications 21 à 24, caractérisé par le fait que le gainage (140) est rempli d'un milieu choisi, par exemple le milieu à tester. 26. Système selon l'une des revendications I à 25, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un ensemble motorisé, piloté pour assurer un déplacement relatif contrôlé selon 3 axes x, y et z, entre la sonde (100) et le milieu à tester. 27. Système selon l'une des revendications I à 26, caractérisé par le fait que l'amplitude des mouvements de la sonde (120) est de l'ordre de 10 à 100nm. 28. Capteur comportant un générateur piézoélectrique (110) et une sonde (120) couplée au générateur piézoélectrique (110) pour former un ensemble résonant et adaptée pour tre portée au contact d'un milieu à tester et amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde (120) conforme à l'une des revendications 1 à27.