Brevet FR2783918A1 — publié le 20000331

Z Procédé et dispositif pour la mesure des contraintes de forme dans un vitrage recouvert sur l'une de ses faces d'une couche opaque. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne un procédé et un dispositif pour la mesure des contraintes de forme dans un vitrage recouvert sur l'une de ses faces d'une couche sensiblement opaque. Il est connu de revêtir certaines parties d'un vitrage d'une couche de matière opaque afin d'obtenir certains effets souhaités. Par exemple, les vitrages automobiles et plus particulièrement les pare-brise sont recouverts sur leur périphérie d'une couche d'émail de couleur très foncée, afin de protéger la colle qui est nécessaire à la pose du vitrage contre l'action des rayons ultra-violets et également afin de cacher les défauts de jointure. Il est connu également de créer dans la zone du bord périphérique du vitrage un certain état de précontrainte, afin de conférer une résistance accrue à cette zone qui est généralement fragile. Ceci a pour conséquence de générer des contraintes de compression dans la zone du bord et en contrepartie, des contraintes en extension sur une bande de quelques centimètres de largeur, intérieure par rapport à cette zone. Ce phénomène est illustré par la figure 1 ci- jointe qui représente la courbe de variation de la contrainte en fonction de la distance au bord. La zone en compression a une largeur 1 et la zone en extension a une largeur L. De tels vitrages présentent des faiblesses mécaniques liées à des répartitions mal maîtrisées des contraintes résiduelles sur le bord. On a ainsi constaté que lorsque les contraintes en compression dans le bord périphérique sont trop faibles, les risques de casse lors des manipulations sont plus fréquents et que la zone en extension est le siège d'une forte détérioration de la résistance au gravillonnage. Actuellement, les constructeurs d'automobiles s'intéressent de plus en plus à réduire le niveau des contraintes en extension près du bord des vitrages. ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE On connaît dans la technique un dispositif de mesure des contraintes dans un vitrage, comme sous le nom de Sharples. Ce dispositif comprend une source de lumière qui émet un faisceau de lumière, lequel traverse successivement un polariseur, le vitrage, une lame quart d'onde et un analyseur. On montre par la théorie de la photoélasticité que la contrainte o existant en un point du vitrage est donnée par la formule: k a2tCoE o X est la longueur d'onde de la lumière, E est l'épaisseur du vitrage, Co est la constante de photoélasticité du vitrage, et V est le déphasage introduit par la biréfringence du vitrage en raison de l'existence d'une contrainte. On mesure 4 en faisant tourner l'analyseur jusqu'à ce que l'intensité lumineuse observée à sa sortie soit nulle. A ce moment, on observe une bande noire à l'endroit du vitrage o l'on mesure le déphasage. Toutefois, l'appareil de Sharples est peu fiable car les mesures qu'il permet d'effectuer intègrent un facteur humain non négligeable et des procédures différentes selon l'utilisateur. La visualisation de la ligne noire dépend en effet de la vision de chacun. En outre, la valeur de la contrainte maximale en extension est difficile à mesurer car il faut au préalable retirer la couche d'émail opaque qui recouvre le bord du vitrage et se placer à l'endroit exact o la contrainte en extension est maximale. Avec l'appareil Sharples, il existe donc une forte dispersion des mesures, notamment pour l'extension, cette dispersion pouvant être de l'ordre de 2 MPa pour une valeur de contrainte de l'ordre de 5 MPa. Par la demande de brevet N 98 07836 au nom de la même Demanderesse, on connaît un procédé et un dispositif pour effectuer des mesures de contrainte en continu sur toute la largeur d'un vitrage. On se reportera à ce document pour une description détaillée de ce procédé et de ce dispositif. L'invention réside dans l'application de ce procédé et de ce dispositif à la mesure des contraintes dans un substrat transparent pourvu d'une couche opaque, notamment dans la zone périphérique d'un vitrage automobile émaillé sur le bord. RESUME DE L'INVENTION L'invention concerne donc un procédé de mesure des contraintes de forme dans une zone de vitrage transparent recouverte sur une de ses faces d'une couche de matière sensiblement opaque, ledit procédé étant du type consistant: à faire passer un faisceau lumineux monochromatique polarisé à travers un modulateur, notamment photoélastique, ayant deux fréquences de référence, de préférence fo et 2 fo, et étant caractérisé en ce qu'il consiste en outre: à balayer avec le faisceau lumineux qui émerge du modulateur, ladite zone à mesurer sur toute sa largeur, à recevoir au travers d'un polariseur analyseur le faisceau qui est diffusé par la couche sensiblement opaque afin de déterminer les modifications introduites par la biréfringence de ladite zone à mesurer, à transformer le faisceau lumineux reçu en un signal électrique correspondant, à détecter les composantes fréquentielles B (fo) et B (2 fo) du signal électrique qui correspondent auxdites fréquences de référence du modulateur, à calculer à partir desdites composantes fréquentielles, le déphasage > par la formule J2 (Ao) B(fo) A = Arctg. (1) J1 (Ao) B(2 fo) o J1 et J2 sont des fonctions de Bessel du ler ordre et du 2ème ordre, et Ao est l'amplitude de modulation du modulateur et à calculer la contrainte O par la formule = - (2) o X est la longueur d'onde de la lumière, E est l'épaisseur du vitrage, Co est la constante de photoélasticité du vitrage, L'analyse du faisceau peut être effectuée soit sur le faisceau obtenu par diffusiontransmission à travers la couche sensiblement opaque, soit sur le faisceau obtenu par diffusion-réflexion (rétrodiffusion) sur la couche sensiblement opaque. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé décrit ci-dessus, du type comprenant: - un dispositif d'émission de lumière qui comprend une source de lumière monochromatique, un polariseur fixe, un modulateur photoélastique qui fournit deux fréquences de référence, et caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des moyens de déplacement relatif du faisceau lumineux par rapport à la zone de mesure du vitrage, un dispositif de réception de la lumière diffusée par la couche opaque, comprenant un polariseur analyseur, une photodiode à avalanche, deux amplificateurs à détection synchrone ayant pour références les deux fréquences qui sont fournies par le modulateur, et un banc d'acquisition permettant de calculer le déphasage W puis la contrainte v. Le procédé et le dispositif selon l'invention permettent de tracer le profil des contraintes sur toute la largeur de la zone à mesurer. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés dans lesquels: la figure 1 montre la courbe théorique de variation de la contrainte dans la zone périphérique d'un vitrage recouverte d'une couche opaque en fonction de la distance au bord du vitrage; la figure 2 représente un premier mode de réalisation d'un dispositif de mesure des contraintes dans ladite zone, les mesures étant effectuées en transmission-diffusion; la figure 3 montre la courbe de variation du déphasage en fonction de la position sur la zone à mesurer du vitrage, obtenue avec le dispositif de la figure 2; la figure 4 représente la même courbe mais corrigée pour éliminer le saut de déphasage; la figure 5 représente le profil de contrainte déduit de la courbe de la figure 4; la figure 6 représente un second mode de réalisation d'un dispositif de mesure de contrainte dans lequel les mesures sont effectuées en réflexion-diffusion; les figures 7 et 8 sont des courbes de variation du déphasage analogues respectivement aux figures 3 et 4 et obtenues avec le dispositif de la figure 6; la figure 9 représente le profil de contrainte déduit de la courbe de la figure 8; la figure 10 montre les deux courbes des figures 5 et 9 superposées, et la figure 11 montre une variante de réalisation de vitrage auquel le procédé de l'invention peut être appliqué, le vitrage étant feuilleté et comprenant une couche opaque comprise entre deux de ses couches constitutives. DESCRIPTION DETAILLEE DE MODES DE REALISATION PREFERES La figure 1 ayant déjà été décrite, on passera directement à la description de la figure 2 qui représente un premier mode de réalisation d'un dispositif de mesure de la contrainte de forme selon l'invention. On a représenté sur la figure 2 un système de coordonnées Oxyz, dont les axes Ox, Oy et Oz sont respectivement parallèles aux directions longitudinale, transversale et normale au plan d'un échantillon de vitrage à analyser. Celui-ci est recouvert sur une face extérieure d'une couche sensiblement opaque 41, par exemple en émail de couleur foncée et possède une direction de contrainte parallèle à l'axe Ox ou Oy. Le dispositif de mesure de la figure 2 comprend un dispositif émetteur de lumière comprenant une source de lumière monochromatique 42, un polarisateur fixe 44 orienté à 45 de l'axe Oy et un modulateur 46, par exemple photoélastique, qui est orienté de façon que ses axes soient confondus avec les axes Ox et Oy et qui fournit deux fréquences de référence, de préférence égales à fo et 2fo. Le faisceau pénètre dans l'échantillon par la face opposée à la face revêtue de la couche opaque. Le faisceau 49 qui est diffusé par la couche opaque est intercepté par un dispositif récepteur situé du côté de ladite couche opaque. Le dispositif récepteur comprend un polariseur analyseur 48 qui est orienté à 45 par rapport à l'axe Oy, une lentille convergente 51 prévue pour faire converger le faisceau sortant du polariseur analyseur, une photodiode à avalanche 50 qui convertit la lumière reçue en un signal électrique, et un dispositif de détection synchrone 52 comprenant deux amplificateurs à détection synchrone 54, 56 dont les fréquences de référence f0 et 2fo sont fournies par le modulateur photoélastique 46. On récupère à la sortie des amplificateurs 54, 56 deux signaux analogiques correspondant aux composantes spectrales en f0 et 2fo du signal mesuré par la photodiode. Ces deux signaux analogiques sont convertis en signaux numériques B(fo) et B(2fo) par un banc d'acquisition 58 qui détermine la valeur du déphasage i et la contrainte a par les formules (1) et (2). En déplaçant d'un mouvement relatif le système optique et l'échantillon l'un par rapport à l'autre, on peut obtenir ainsi directement le tracé du profil de contrainte de l'échantillon de vitrage dans la zone de mesure. Dans un exemple de réalisation particulier o le modulateur travaille avec une amplitude d'oscillation égale o le vitrage est un pare-brise feuilleté avec une épaisseur de 4,8 mm et o on l'éclaire avec une lumière ayant une longueur d'onde de k = 675nm, on obtient le profil représenté sur la figure 3. Ce profil donne le déphasage i en fonction de la distance au bord du point o est effectuée la mesure, l'unité de distance étant arbitraire. 9 est calculé par la formule (1) donnée plus haut. On remarque déjà que ce profil a la même allure que le profil théorique représenté à la figure 1. Les sauts de phase observés au début du profil sont dus au fait que la fonction Arctangente a ses valeurs comprises entre -90 et +90 . Comme la valeur du déphasage est supérieure à 90 , le résultat présente un décalage d'une période de 180 dans l'Arctangente. Pour corriger ce défaut, on procède comme suit: - on découpe aux ciseaux les trois tronçons AB, BC et DE de la courbe, - on élimine le tronçon horizontal AB qui correspond à des mesures effectuées dans l'air, avant le bord de l'échantillon, et donc sans intérêt, - on fait subir au tronçon BC une translation verticale vers le bas d'amplitude 90 de manière à faire coïncider le point C avec le point D. On obtient ainsi le tronçon B'D, on fait subir à la courbe B'DE ainsi obtenue une translation horizontale vers la gauche de manière à amener le point B' sur l'axe des ordonnées. On obtient alors la courbe de la figure 4. On effectue ensuite la conversion du déphasage en valeurs de contrainte, ce qui donne la courbe de la figure 5. On relève sur les courbes 4 et 5 les valeurs maximales du déphasage et de la contrainte en extension. Elles sont respectivement de 34 et de 5,1 MPa. Les valeurs minimales du déphasage et de la contrainte en compression sont respectivement de -160 et - 24,0 MPa. On décrira à présent un second mode de réalisation du dispositif de mesure des contraintes en regard de la figure 6. Ce dispositif diffère de celui de la figure 2 par le fait que le dispositif émetteur (qui comprend la source de lumière 42, le polariseur 44 et le modulateur 46) et le dispositif récepteur (qui comprend le polariseur analyseur 48, la lentille 51 et le photodiode à avalanche 50) se trouvent tous deux du même côté de l'échantillon de vitrage, à savoir du côté opposé à la face qui est recouverte de la couche opaque. Ces deux dispositifs sont regroupés dans un même boîtier qui est monté en un point fixe et qui est animé d'un mouvement oscillant afin de balayer la zone à mesurer de l'échantillon. Le dispositif récepteur intercepte donc une partie du faisceau diffusé 62 qui a été réfléchi sur la couche opaque. Une autre différence par rapport au dispositif de la figure 2 réside dans le fait que la lumière traverse deux fois l'échantillon avant d'être détectée par la photodiode 50. Comme l'angle entre l'axe d'émission et l'axe de réception est faible, on mesure deux fois la contrainte, ce qui double la sensibilité de la mesure. Comme précédemment, on effectue les mesures du déphasage sur toute la largeur de l'échantillon en entraînant celui-ci par un moteur pas à pas. On obtient ainsi la courbe de la figure 7. Cette courbe présente des sauts de phase plus nombreux que dans le cas de la figure 3, parce que la sensibilité de la mesure est multipliée par deux dans ce mode de réalisation. Par le procédé de découpage expliqué précédemment, on construit la figure 8 et, à partir de celle-ci, on déduit le profil des contraintes représenté sur la figure 9. Sur la figure 8, on lit 70 pour le déphasage maximum en extension et -330 pour le déphasage minimum en compression. Ces valeurs correspondent respectivement à 5,2 MPa en extension et à -24,8 MPa en compression. On peut remarquer que les valeurs des contraintes trouvées dans le cas de la réflexion sont pratiquement égales à celles trouvées en transmission. On remarque également que ces valeurs concordent aussi avec celles trouvées avec l'appareil de Sharples. En effet, lors d'une expérimentation au cours de laquelle l'échantillon est éclairé par une longueur d'onde de 523 nm, on a trouvé 5,1 MPa pour l'extension et -23,3 MPa pour la compression. Pour mieux se rendre compte de la concordance entre les mesures effectuées par le procédé en transmission et le procédé en réflexion, on superpose les courbes des figures 5 et 9 comme cela est montré à la figure 10. Toutefois, malgré la coïncidence des résultats, on donne la préférence au montage en transmission car sa sensibilité est largement suffisante. La sensibilité double du montage en réflexion est plutôt un inconvénient car les sauts de phase que l'on rencontre au début du profil sont gênants et inutiles et il faut les éliminer par un traitement numérique. De plus, on constate que le profil en transmission est plus lisse que celui en réflexion. Enfin, l'interprétation des résultats en réflexion est délicate car la face avant de l'échantillon, qui est claire et souvent sale, produit beaucoup de lumière diffusée, qui est de la lumière parasite par rapport à la lumière diffusée par la couche opaque, seule utile pour la mesure. On a supposé dans ce qui précède que la couche opaque recouvre une face extérieure du vitrage, mais l'invention s'applique également au vitrage de la figure 11 dans lequel la couche opaque 41 est comprise entre deux couches voisines du vitrage, par exemple entre une feuille de verre 43 et une couche intercalaire adhésive en matière plastique 45. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mesure des contraintes de forme dans une zone de vitrage transparent (40) recouverte sur une de ses faces d'une couche de matière sensiblement opaque (41), ledit procédé étant du type consistant: à faire passer un faisceau lumineux monochromatique polarisé à travers un modulateur, notamment photoélastique (46), ayant deux fréquences de référence, de préférence fo et 2fo, et étant caractérisé en ce qu'il consiste en outre: à balayer au moyen du faisceau lumineux qui émerge du modulateur ladite zone de mesure sur toute sa largeur, à recevoir à travers un polariseur analyseur le faisceau qui est diffusé par la couche opaque afin de déterminer les modifications introduites par la biréfringence de ladite zone, à transformer le faisceau lumineux reçu en signal électrique correspondant, à détecter les composantes fréquentielles B (fo) et B (2fo) du signal électrique qui correspondent auxdites fréquences de référence du modulateur, à calculer à partir desdites composantes fréquentielles, le déphasage i par la formule J2 (Ao) B(fo) = Arctg. (1) J1 (Ao) B(2fo) o J1 et J2 sont des fonctions de Bessel du ler ordre et du 2ème ordre, et Ao est l'amplitude de modulation de déphasage du modulateur et à calculer la contrainte ci par la formule o= -- (2) 24 oCoE ( o ? est la longueur d'onde de la lumière, E est l'épaisseur du vitrage, CO est la constante de photoélasticité du vitrage, 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur analyseur reçoit le faisceau qui est transmis et diffusé à travers la couche opaque. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le polariseur analyseur reçoit le faisceau qui est rétrodiffusé par la couche opaque. 4. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 3, du type comprenant: - un dispositif d'émission de lumière monté du côté de la face du vitrage opposée à celle qui est recouverte de la couche opaque, ledit dispositif d'émission comprenant une source de lumière émettant un faisceau lumineux monochromatique (42), un polariseur fixe (44), un modulateur photoélastique (46) qui fournit deux fréquences de référence, et caractérisé en ce qu'il comprend en outre: des moyens de déplacement relatif du faisceau lumineux par rapport à la zone de mesure du vitrage, un dispositif de réception de la lumière diffusée par la couche opaque (41) comprenant un polariseur analyseur (48), une photodiode à avalanche (50), deux amplificateurs à détection synchrone (54,56) ayant pour références les deux fréquences qui sont fournies par le modulateur, et un banc d'acquisition (58) permettant de calculer le déphasage V puis la contrainte a. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de réception de la lumière (48,50) se trouve du côté de la face du vitrage qui est recouverte par la couche opaque (41). 6. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif émetteur et le dispositif récepteur sont animés d'un mouvement oscillant synchrone, et l'échantillon est lui-même animé d'un mouvement relatif dans une direction sensiblement perpendiculaire audit mouvement oscillant. 7. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le dispositif de réception de la lumière (48, 50) est monté du même côté du vitrage que le dispositif de réception, à savoir du côté de la face opposée à celle qui est recouverte par la couche opaque. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les dispositifs d'émission et de réception sont regroupés dans un même boîtier qui est monté en un point fixe et qui est animé d'un mouvement oscillant. 9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce qu'une lentille optique convergente (51) est prévue pour faire converger le faisceau issu du polariseur analyseur (48) sur la photodiode à avalanche (50).