Brevet FR2775778A1 — publié le 19990910

L'invention concerne la mesure de vibrations et plus particulièrement la mesure à distance des vibrations surfaciques de très faible amplitude d'une pièce rugueuse. Ce type de mesure est fréquemment réalisé pour contrôler la qualité des pièces (forme, homogénéité, collages, fissures, caractérisation de matériaux et produits...) de manière non destructive. En effet, il est apparu intéressant de contrôler la qualité des pièces, éventuellement en cours de production, en les soumettant à des ondes ultrasonores, par exemple générées à l'aide d'une impulsion laser, et en détectant la réponse vibratoire de la pièce ainsi excitée. Une application efficace d'un tel contrôle nécessite une bonne fiabilité de la mesure de la réponse vibratoire qui occupe le plus souvent un vaste domaine fréquentiel dépendant du matériau traversé. Ces mesures de vibrations sont généralement considérées comme difficiles à réaliser et il est possible de limiter cette analyse aux ondes ultrasonores contenues dans le domaine [50 kHz; , 20 MHz]. Différentes propositions ont déjà été faites pour réaliser ce type de mesure. J.P. Monchalin, par exemple dans le brevet US-4.659.224 a proposé d'analyser un faisceau lumineux réfléchi sur la cible par un interféromètre du type Fabry-Perot confocal. Cette solution se révèle être bien adaptée à la détection de fréquences ultrasonores supérieures au MHz, mais est peu précise à des fréquences inférieures et elle est d'autre part soumise à la stabilité en fréquence de 1n source lumineuse. Par ailleurs, il a été proposé par Scruby et Le Drain dans ( L = B0/4 modulo ho/2, et c = 3 x 108m/s permettent d'écrire que la recombinaison des ondes des deux bras de l'interféromètre donnera lieu au signal: S = So (1 +Csin[47rLu/(cko)]} Cette formulation générale du signal définit les paramètres principaux de la mesure. So est proportionnel au flux lumineux pénétrant dans l'interféromètre. C est une fonction numérique (O S0 et A0). Le but de la présente invention est de remédier à de telles instabilités. A cet effet, celles-ci ont été analysées et décomposées en des instabilités de la puissance d'émission d'une part, et des instabilités de la fréquence d'émission d'autre part, et des moyens ont été proposés afin de s'affranchir de telles instabilités. C'est également un but de l'invention de proposer un tel dispositif de mesure de la vibration simple à fabriquer et stable dans son utilisation. C'est encore un autre but de proposer un tel dispositif qui puisse être fabriqué dans les meilleures conditions économiques. L'invention concerne donc un dispositif de mesure de la vibration d'une pièce dans lequel un flux lumineux source dirigé sur la pièce produit un flux rétrodiffusé qui est analysé par un interféromètre de mesure. Selon l'invention, ce dispositif comporte des moyens de prélèvement d'une partie du flux lumineux source avant la pièce et le flux prélevé est lui-même analysé par un interféromètre de référence compensant les défauts du système de mesure. Il a été indiqué plus haut que dans un tel dispositif, l'interféromètre de mesure accède à la fréquence et à l'intensité du flux lumineux rétrodiffusé. L'interféromètre de référence mis en oeuvre selon l'invention permet la mesure de la fréquence et de la puissance du flux lumineux source, la comparaison de ces paramètres avec ceux mesurés par l'interféromètre de mesure permet donc la caractérisation directe de l'effet engendré par les vibrations de la pièce. Plus précisément, l'extraction de la vibration de la cible, à partir des quatre paramètres que nous venons de rappeler, est résumée ci-après. Une procédure d'étalonnage, développée par la suite, est utile pour préciser le facteur C de chaque interféromètre. La connaissance de la puissance lumineuse instantanée pénétrant dans chaque interféromètre (proportionnelle à So) permet de déterminer un signal normalisé de la forme [(S/So)-1]/C (d'après la formulation générale du signal S), qui représente l'information fréquentielle de chaque interféromètre. Il suffit alors de soustraire les signaux normalisés de ces deux interféromètres pour accéder aux vibrations de la cible. Selon différents modes de réalisation préférés, présentant chacun leurs avantages particuliers, le dispositif présente les caractéristiques additionnelles suivantes: - l'un ou l'autre au moins des interféromètres de mesure et de référence est un interféromètre à deux bras de longueurs différentes, muni d'un premier capteur photométrique recevant des ondes lumineuses recombinées après avoir circulé chacune dans l'un des bras de l'interféromètre et subi une différence de phase, et d'un deuxième capteur fournissant un signal permettant de mesurer l'intensité du flux analysé; - un modulateur de phase est placé sur l'un des bras de chacun des interféromètres. Cela présente quatre intérêts classés par ordre de priorité décroissante Tout d'abord, il est utile d'asservir la valeur de L au voisinage de Xo/4 modulo h/2, pour que le dispositif de mesure soit fiable. L'excursion préalable des valeurs possibles de S (réalisée en appliquant une rampe au modulateur de phase) est une première méthode possible pour asservir ensuite L avec la consigne S - SMOY = (SMAX + + )/2, OÙ SMOY est la valeur moyenne de S, SMAX est la valeur maximum de S et SMS est la valeur minimum de S. Une deuxième méthode d'asservissement plus précise de L consiste à générer avec ce modulateur de phase, une oscillation sinusoïdale de L à une fréquence distincte des vibrations mécaniques ambiantes et du domaine vibratoire exploré. Dans ce cas, l'asservissement de L consiste à minimiser les harmoniques de cette fréquence de modulation dans le signal S recueilli. Cette consigne a l'avantage de s'adapter automatiquement aux dérives de 5MOU. La connaissance de l'amplitude de cette modulation de L permet même de déterminer en temps réel la valeur du paramètre C de chaque interféromètre, pour obtenir une mesure calibrée des mouvements de la cible. ll est cependant possible de réaliser un étalonnage sans moduler L, mais en deux étapes. La première étape consiste à mesurer les deux valeurs moyennes des fluctuations du signal S/SMOY des deux interféromètres avec une cible immobile (.on rappelle que ces fluctuations sont non nulles puisque les variations de k0 peuvent être interprétées formellement comme un mouvement apparent de vitesse uapparent récolté par les deux interféromètres). Le rapport entre ces deux mesures vaut alors A/B, où A = ckol (4nLC) pour l'interféromètre de mesure et où B = ckol / (47cLC) pour l'interféromètre de référence. La deuxième étape consiste à enregistrer à nouveau le signal 5/5MOU quand la cible décrit un mouvement connu, afin de déterminer A et d'en déduire B. Enfin, il peut être intéressant de faire aussi fonctionner le modulateur de phase à haute fréquence, pour moduler le signal utile, afin de décaler en fréquence ce signal, pour opérer ensuite un filtrage et une démodulation synchrone du résultat. - le deuxième capteur de chaque interféromètre reçoit une partie du flux transitant dans l'un des bras de l'interféromètre; -le deuxième capteur de chaque interféromètre reçoit des ondes lumineuses recombinées après avoir circulé dans chacun de l'un des bras de l'interféromètre, les flux reçus par ces deux capteurs ayant des composantes utiles en opposition de phase; - dans certains modes de réalisation, des moyens de traitement reçoivent les signaux provenant respectivement des deux capteurs de l'interféromètre de mesure (Si, S2) et des deux capteurs de l'interféromètre de référence (S3, S4), et fournissent une mesure de la vibration en combinant ces signaux selon la formule A (Sl - S2)/(Sl + S2) - B (S3 - S4)/(S3 + S4) où A et B sont des coefficients approximativement constants dans un domaine de fréquences donné; - A et B sont déterminés par étalonnage; - ledit étalonnage est réalisé en appliquant aux modulateurs de phase des signaux de même intensité produisant une différence de phase connue et en exploitant les signaux ainsi produits par les capteurs; - les interféromètres sont fibrés. C'est-à-dire que le déphasage optique entre les deux bras de chaque interféromètre est réalisé avec des fibres optiques et des coupleurs. Ce mode de réalisation est particulièrement simple et stable. De plus, La différence de marche optique entre les deux bras peut être notablement allongée (L 10 à 100 m) par rapport à celle des interféromètres non fibrés, augmentant ainsi la sensibilité du dispositif aux vibrations lentes; cet allongement de L étant uniquement limité par la longueur de cohérence du laser et l'absorption des fibres; - un même coupleur produit le flux lumineux prélevé à partir du flux lumineux source et assure le couplage du flux rétrodiffusé et de l'interféromètre de mesure; - deux fibres identiques sont dirigées vers la cible, pour augmenter la sensibilité du dispositif lors de l'observation de surfaces peu diffusantes; - les mêmes éléments matériels constituent les interféromètres de mesure d'une part et de référence d'autre part, les ondes transitant du laser vers la cible constituant les interférences de référence; et celles transitant dans l'autre sens constituant les interférences de mesure. L'invention sera décrite ci-après en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la Figure 1 est une représentation schématique du dispositif de l'invention; - la Figure 2 est une représentation schématique de l'un des interféromètres mis en jeu dans l'invention, dans un premier mode de réalisation - la Figure 3 est la représentation d'un interféromètre mis en oeuvre dans l'invention, dans un deuxième mode de réalisation; - la Figure 4 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention réalisé sous forme fibrée, dans un premier mode de réalisation; - la Figure 5 est une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention réalisé sous forme fibrée, dans un deuxième mode de réalisation - la Figure 6 une représentation schématique d'un dispositif selon l'invention réalisé sous forme fibrée, dans un troisième mode de réalisation simplifié. La Figure 1 est une représentation simplifiée du dispositif selon l'invention. Un laser 1 émet un flux lumineux source 2 de longueur d'onde . Ce flux lumineux est divisé par un élément optique 3, par exemple constitué par une lame semi-transparente en un flux de mesure 4 et un flux de référence 5. Le flux de mesure 4 est diffusé par la pièce 6 et adressé par le dispositif optique 7 sur l'interféromètre de mesure à deux bras 8. Le flux de référence 5 est adressé par le système optique 9 sur l'interféromètre de référence 10. Les deux couples de capteurs présents dans les interféromètres 8 et 10 ' génèrent quatre signaux (Si, S2, S3 et S4), qui transitent respectivement par les fils 11, 12, 13 et 14 jusqu'à l'unité de traitement 15, où ces signaux sont combinés afin de fournir le paramètre de vibration P de la pièce 6 (P est par exemple sa position ou sa vitesse instantanée). La Figure 2 est un mode de réalisation particulièrement avantageux, sous forme fibrée, de l'interféromètre de référence 10 et de l'interféromètre de mesure 8 qui a la même structure. Le flux entrant par la fibre d'entrée 20 est divisé par le coupleur 21 en deux flux d'intensité approximativement égale couplés respectivement aux fibres 22 et 23. Un coupleur 24 assure la recombinaison et donc l'interférence des ondes circulant dans les fibres 22 et 23, et produit deux flux sortants dans les fibres 25 et 26, qui sont mesurés par deux capteurs photométriques 27 et 28. Ici, les signaux de ces deux capteurs sont en opposition de phase en ce qui concerne la mesure du signal utile. Ceci signifie que l'on récoltera par l'interféromètre de mesure, deux signaux S1 et S2 (de coefficients C1 = C2 par principe) tels que: S1 = S01 {1 + C1 sin [4 # L (u+uapparent) / (c #0)]} S2 = S02 (1 - C1 sin [4 it L (u+uapparent) / (c k0)] } De même, l'interféromètre de référence donnera lieu aux signaux: S3 = S03 {1 + C3 sin [4 # L uapparent / (c #0)]} S4 = S04 {1 - C3 sin [4 # L uapparent / (c #0)]} Dans ce cas particulier, si les vitesses mesurées sont faibles par rapport au mètre par seconde et si l'on ajuste les gains des voies de mesure de telle sorte que " S02 et S03 = S04 (ceci est réalisé facilement pour chaque interféromètre en égalant les amplitudes des oscillations générées par leur modulateur de phase respectif), on obtient alors: u = A (Sl - (S1 + S2)'B (S3 S4)/ (S3 + S4) La mesure de la vibration est ainsi obtenue par une combinaison des signaux S1 à S4 particulièrement simple, qui compense totalement les fluctuations de la source laser. Cette mesure vibratoire reste valide en cas de dérive des paramètres A, B, L, Sol, S02, S03 et S04 qui sont mesurables (pour A et B) ou même ajustables en temps réel, à l'aide des modulateurs de phase des interféromètres. La Figure 3 représente un autre mode de réalisation des interféromètres 8 et 10 sous forme fibrée pour lesquels les éléments identiques à ceux de la réalisation précédente ont été affectés des mêmes références numériques. Après division par le coupleur 21, les ondes circulant dans les fibres 22 et 23 sont réunies par le coupleur 30 et leur état d'interférence est mesuré par le capteur 27. Le signal fourni par ce capteur 27 est donc analogue à celui fourni par le capteur portant la même référence dans la réalisation précédente de la Figure 2. Un coupleur asymétrique 31 prélève une petite partie du flux lumineux circulant dans la fibre 23 et l'adresse sur un photorécepteur 32. Le flux ainsi mesuré est proportionnel au flux entrant dans l'interféromètre par la fibre 20 et fournit donc un signal S2, S4 apte à remplacer les signaux combinés Si + S2, S3 + S4 de la réalisation précédente décrite par référence à la Figure 2. La Figure 4 illustre un premier mode de réalisation du dispositif de mesure de l'invention entièrement fibré depuis la sortie du laser 1 jusqu'aux interféromètres 8 et 10. Un coupleur 40 reçoit le flux lumineux source par une fibre 41 reliée au laser 1 par l'intermédiaire d'un isolateur 42 évitant tout effet perturbant d'un flux lumineux susceptible d'être émis en retour par la fibre 41 et réinjecté dans le laser 1. Ce coupleur 40 divise le flux source en deux parties égales, dans les fibres 43 et 44. La fibre 43 conduit la lumière vers la pièce 6, par l'intermédiaire du dispositif optique 7. La fibre 44 dirige la lumière vers l'interféromètre de référence 10. La lumière diffusée par la pièce 6 est ensuite réinjectée dans la fibre 43 par l'intermédiaire du même dispositif optique 7. Puis, elle retourne au coupleur 40, qui en dirige la moitié dans la fibre 45, vers l'interféromètre de mesure 8 qui peut ainsi opérer. La figure 5 est une réalisation permettant l'observation de surfaces peu diffusantes, puisque les pertes de lumière entre le laser et l'interféromètre de mesure 8 sont notablement réduites par l'emploi de deux fibres identiques dirigées vers la cible. En effet, presque toute la lumière du laser 1 est envoyée sur la cible par les fibres 43 et 44 (au lieu de la moitié). Un modulateur de phase 50 est éventuellement inséré dans l'un des deux bras 43 ou 44, afin d'égaliser le mieux possible les longueurs de ces deux bras, pour que les ondes récoltées en retour dans le coupleur 40 se recombinent le mieux possible dans la fibre 45. il est alors nécessaire d'ajouter un coupleur 51 sur le trajet de la fibre 41, pour diriger une faible portion de la lumière du laser, par la fibre 52, vers l'interféromètre de référence 10. La quatrième voie de ce coupleur 51 peut aussi être dirigée, par la fibre 53, vers un capteur photométrique 54, vérifiant l'égalité de longueur des deux bras 43 et 44 (puisque ce capteur recevra alors le minimum de lumière). La Figure 6 représente un mode de réalisation particulièrement simple de l'invention dans lequel les mêmes éléments matériels sont utilisés pour réaliser à la fois l'interféromètre de référence 10 et l'interféromètre de mesure 8. Partant du laser 1, ce dispositif assure le couplage du flux lumineux source dans la fibre 41 qui est isolé du laser par un isolateur 42. Le coupleur 60 assure la division du faisceau source, couplant chacun des flux résultant, l'un à la fibre 61, L'autre à la fibre 62, ces deux fibres 61, 62 étant reliées au coupleur 63 qui produit l'interférence des deux ondes et assure par le capteur photométrique 64, la mesure de l'état d'interférence de référence (avant tout effet produit par la pièce 6). Tel que décrit précédemment par référence à la Figure 3, le coupleur 31 prélevant une partie du flux de référence sur l'un des bras de l'interféromètre, la mesure du capteur photométrique 65 fournit l'intensité du flux de référence. Une deuxième sortie du coupleur 63, constituée par la fibre 43, interagit avec la cible comme dans les autres modes de réalisation. La lumière revenant de la cible par cette fibre 43 est séparée en deux ondes, respectivement couplées aux fibres 61 et 62. Ces deux ondes sont recombinées par le coupleur 60 qui les adresse, après interférence, sur le récepteur 66. Le récepteur 66 fournit donc une information représentative de l'état d'interférence des ondes rétrodiffusées. Le coupleur 31 prélève une partie du flux lumineux transitant par la fibre 62, et l'adresse au capteur photométrique 67 qui fournit ainsi un signal électrique fonction de l'intensité de ce flux rétrodiffusé. Les signaux Si, S2, S3, S4, respectivement fournis par les capteurs photométriques 66, 67, 64, 65, sont adressés à l'unité de traitement 15 qui fournit le paramètre P représentatif des vibrations de la pièce 6. Cette disposition, représentée par la Figure 6, permet donc la réalisation du dispositif de mesure de vibrations de l'invention avec un minimum de composants, tout en permettant de s'affranchir des instabilités du laser. On obtient donc ainsi une mesure de haute précision avec un dispositif stable et relativement peu coûteux. Le laser l mis en oeuvre dans les différents modes de réalisation décrits plus haut est par exemple un laser à gaz, un laser à solide ,une diode laser (telle que celle connue sous la référence SDL-5722-H1 réalisée selon la technologie Distributed Bragg. Reflector et fabriquée par la Société SDL) ou encore un microlaser continu tel que celui développé par la Société SFIM ODS. L'isolateur 42 avantageusement disposé à la sortie du laser 1 est avantageusement un isolateur de Faraday tel que celui connu sous la référence I-80-T5 de la Société ISOWAVE. Les fibres optiques mises en oeuvre sont avantageusement des fibres monomodes à maintien de polarisation telles que celles produites sous la dénomination FIBERCORE HB800G Les coupleurs sont avantageusement ceux connus sous le nom IOM Modul de la Société allemande SFIM GmbH. il faut noter que dans son utilisation au contrôle de pièces soumises à des ondes ultrasonores excitées par laser, il est préférable que la longueur d'onde du laser d'excitation soit sensiblement différente de celle du laser de mesure. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce (6), dans lequel un flux (2) lumineux source dirigé sur la pièce (6) produit un flux rétrodiffusé qui est analysé par un interféromètre de mesure (8), caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de prélèvement (3) d'une partie du flux lumineux source avant la pièce (6) et que le flux prélevé est lui-même analysé par un interféromètre de référence (10) compensant les défauts du système de mesure. 2. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'un ou l'autre au moins des interféromètres de mesure et de référence est un interféromètre à deux bras de longueurs différentes, muni d'un premier capteur (27) photométrique recevant des ondes lumineuses recombinées après avoir circulé chacune dans l'un des bras de l'interféromètre et subi une différence de phase, et d'un deuxième capteur (28) fournissant un signal permettant de mesurer l'intensité du flux analysé. 3. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un modulateur de phase (29) est placé sur l'un des bras de chacun des interféromètres (8, 10). 4. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le deuxième capteur (32) de chaque interféromètre (8, 10) reçoit une partie du flux transitant dans l'un des bras de l'interféromètre. 5. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le deuxième capteur (28) de chaque interféromètre (8, 10) reçoit des ondes lumineuses recombinées après avoir circulé chacune dans l'un des bras de l'interféromètre, les flux reçus par lesdits capteurs ayant des composantes utiles en opposition de phase. 6. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 5, caractérisé en ce que des moyens de traitement (15) reçoivent les signaux provenant respectivement des deux capteurs de l'interféromètre (8) de mesure (Sî, S2) et des deux capteurs de l'interféromètre (10) de référence (S3, S4), et fournissent une mesure de la vibration en combinant ces signaux selon la formule A (Sl - S2)/(Sl + S2) - B (53 - S4)/(S3 + S4) où A et B sont des coefficients approximativement constants dans un domaine de fréquences donné. 7. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 6, caractérisé en ce que A et B sont déterminés par étalonnage 8. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit étalonnage est réalisé en appliquant aux modulateurs (29) de phase des signaux de même intensité produisant une différence de phase connue et en exploitant les signaux ainsi produits par les capteurs. 9. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les interféromètres (8, 10) sont fibrés. 10. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un même coupleur (40) produit le flux lumineux prélevé à partir du flux lumineux source puis assure le couplage entre le flux diffusé par la cible (6) et l'interféromètre de mesure (8). 11. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'une faible portion de la lumière du laser (1) est dirigée vers l'interféromètre de référence (10), et que deux fibres (43, 44) d'extrémités proches dirigent la majorité de la lumière du laser sur la cible, puis renvoient la lumière diffisée vers l'interféromètre de mesure (8). 12. Dispositif de mesure de la vibration d'une pièce selon la revendication 9, caractérisé en ce que les mêmes éléments matériels (60, 61, 62, 63) constituent les interféromètres de mesure (8) d'une part et de référence (10) d'autre part, les ondes transitant du laser vers la cible constituant les interférences de référence; et celles transitant dans l'autre sens constituant les interférences de mesure.