Brevet FR2824913A1 — publié le 20021122

eractio-putttcatim - i La présente invention concerne un procédé et un dispositif de vélocimétrie. L' invention s'applique particulièrement à la mesure de vitesse de défilement d' un papier ou d'un tissu. On conna^t de l'état de la technique un grand nombre de dispositifs de mesure de vitesse. Une première famille de capteurs utilise l'effet Doppler pour mesurer la vitesse d'un objet en mouvement. Typiquement, un tel capteur transmet une onde électromagnétique ou ultrasonore à une certaine fréquence vers l'objet dont on cherche à mesurer la vitesse. L'onde réfléchie par l'objet en mouvement est analysée par un détecteur. La fréquence du signal reçu présente un décalage Doppler par rapport au signal émis, décalage qui est. comme on le sait, proportionnel à la composante de vitesse de l'objet dans la direction de l'onde émise. Une famille moins répandue de capteurs suppose que l'objet dont on cherche à déterminer la vitesse présente une distribution non uniforme de son coefficient de réflexion. Un tel capteur illumine l'objet en question par un motif périodique et analyse le signal reçu. Ce dernier est un signal périodique dont la fréquence est proportionnelle à la fréquence spatiale du motif et à la vitesse de l' objet. On trouvera par exemple une description du principe de la mesure dans l'article de S. W. Li et al. intitulé "Velocity sensing by illumination with a laser-beam pattern" publié le 1.5.1993 dans la revue Applied Optics, Vol. 32, N 13, pages 2320-2322. Nous désignerons par la suite ce type de mesure sous l'expression de " vélocimétrie par motif d'illumination ". Une première difficulté d'ordre pratique apparâît dans la réalisation du motif périodique. Les capteurs connus font usage d'un laser, d' un co llimateur et d'une grille de transmission qui est relativement complexe à réaliser. La grille devant étre placée perpendiculairement au faisceau collimaté sous peine d'obtenir une périodicité d'illumination erronée et donc une vitesse erronée, les différents éléments doivent étre maintenus dans une relation géométrique déterminée, ce qui est délicat à obtenir lorsque le capteur est soumis à des vibrations mécaniques. En outre, si le capteur opère dans un milieu poussiéreux ou pollué, les fentes de la grille ont tendance à se colmater ce qui réduit d'autant sa durce de vie. Avant d'être analysé, le signal reçu par le capteur do it généralement étre amplifié par un mo dule d ' amplification situé dans le capteur même ou à proximité irumédiate. Lorsque la capteur est amené à travailler dans un environnement corrosif ou chaud, l'électronique du module d'amplification peut être rapidement endommagée. i Une seconde difficulté d'ordre théorique est inhérente à la mesure de vitesse selon la méthode de vélocimétrie par motif d' illumination lorsque l'objet présente lui- même une distribution périodique de son coefficient de réflexion. On peut montrer que si la périodicité spatiale du coefficient de réflexion est différente de celle du motif, la réponse du capteur est inexploitable. Ce genre de problème se rencontre tout particulièrement dans la mesure de vitesse de défilement de tissus, leur tramage constituant une distribution périodique naturelle. Un premier objectif de la présente invention est de proposer un capteur de vélocimétrie par motif d'illumination qui soit simple, robuste, compact, facile d'utilisation et peu sensible aux atmosphères polluces, poussiéreuses ou corrosives. Un objectif subsidiaire est de proposer un capteur de vélocimétrie par motif d'illumination qui permette d'obtenir une mesure exacte de la vitesse lorsque l'objet dont on cherche à mesurer la vitesse présente une distribution périodique de son coefficient de réflexion. Le premier objectif est atteint par l'invention définie comme un dispositif de vélocimétrie optique comprenant des premiers moyens pour former un motif lumneux périodique sur un objet en mouvement, des seconds moyens pour recevoir le signal lumineux réfléchi par ledit objet et un module électronique adapté à analyser ledit signal, lesdits premiers moyens et lesdits seconds moyens étant intégrés dans une tête optique et que les premiers moyens comprennent une pluralité de fibres optiques. Selon un premier mode de réalisation, chacune des fibres optiques émet de la lumière par l'une de ses extrémités et que lesdites extrémités sont alignces selon un arrangement périodique le long d'un méme axe. Selon un second mode de réalisation, lesdites fibres optiques sont arrangées dans un même plan sous forme de segments de fibres optiques parallèles les uns aux autre s et équidistant s entre eux. L es premiers moyens peuvent co mprendre une source lumineuse éclairant transversalement les segments de fibres optiques. Avantageusement, les seconds moyens comprennent une fibre optique amenant le signal lumineux au module électronique. Les premiers moyens comprennent des moyens de projection adaptés à faire varier la périodicité du motif périodique sur ledit objet. j Après conversion du signal lumineux en signal électrique, le module électronique effectue une analyse spectrale de ce dernier et en déduit la vitesse de l'objet. L'objectif subsidiaire est atteint en faisant tourner le motif périodique lumineux sur la surface dudit objet, le module électronique déterminant la vitesse dudit objet lorsque la puissance dudit signal électrique est maximale. Cet objectif subsidiaire est également atteint en faisant varier la périodicité du motif lumineux périodique, le module électronique déterminant la vitesse dudit objet lorsque la puissance dudit signal électrique est maximale. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: la Fig. 1 illustre schématiquement un dispositif de vélocimétrie selon un premier mode de réalisation de l'invention; la Fig. 2 illustre schématiquement un dispositif de vélocimétrie selon un seconde mode de réalisation de l'invention; la Fig. 3 illustre schématiquement une méthode d'utilisation d'un dispositif de vélocimétrie selon l' invention permettant la mesure de vitesse d'un obj et présentant une surface à structure périodique. Une première idée générale à la base de l' invention est de prévoir un construction modulaire du capteur de vélocimétrie. Ce dernier comprend en effet une tête optique et un module d'électronique, l'un ou l'autre pouvant être remplacé selon le type d'environnement de mesure et les caractéristiques de l' obj et dont on cherche à déterminer la vitesse. Le déport de l'électronique hors de l'environnement de mesure présente l'avantage de ne pas la soumettre aux mêmes conditions que la tête optique. Une seconde idée générale à la base de l' invention est l'utilisation de fibres optiques pour générer le motif périodique d' illumination. Une troisième idée générale à la base de l' invention est d'utiliser un objectif à grossissement variable de manière à pouvoir faire varier la périodicité du motif périodique d' illumination lorsque la distribution du coefficient de réflexion à la surface de l'objet est périodique; Enfin, une quatrième idée générale à la base de l' invention est de faire tourner le motif périodique d'illumination par rapport à la surface de l'objet lorsque la distribution du coefficient de réflexion à la surface de l'objet est périodique; La Fig. 1 illustre un dispositif de vélocimétrie selon un premier mode de réalisation de l' invention. Seule la partie d ' émission de la tête optique a été ici représentée. Le capteur comprend une pluralité de fibres optiques élémentaires d'émission 1100,..,110N dont les extrémités sont coplanaires et arrangées à intervalles réguliers le long d'un axe. Les fibres sont avantageusement amenées sous forrne de faisceau à la tête optique, le(s) laser(s) ou la (les) DEL (diode électroluminescente) fournissant l'énergie lumineuse étant alors déportées avec le module électronique hors de la tête optique. Alternativement, l'énergie lumineuse peut être amenée à la tête optique au moyen d'un guide lumineux unique 100, divergeant ensuite en une pluralité de fibres élémentaires. Dans ce cas, le c_ur de chaque fibre élémentaire est abouté avec le guide lumineux. La tête optique peut en outre comprendre un système de lentilles 120 permettant de former l'image du réseau de fibres optiques sur l'objet en mouvement 130. Le cas échéant, le système de lentilles peut permettre de faire varier le grossissement de manière à pouvoir ajuster la périodicité spatiale du motif lurnineux sur ledit objet. La tête optique comprend en outre une fibre optique de réception dont une extrémité est placée dans le plan conjugué de l'objet à travers une lentille. Le signal lumineux reçu est transporté par la fibre optique de réception jusqu'au module électronique ou celui-ci est transformé en signal électrique par exemple au moyen d'une photodiode. On voit ainsi que ce mode de réalisation permet de disposer d'une tête optique extrêmement robuste, dépourvue de tout composant électronique. Qui plus est. il est possible de prévoir des têtes optiques interchangeables, notamment des têtes optiques avec des motifs de géométries et de périodicités spatiales différentes, adaptées à des mesures de vitesse de différents types d'objets comme nous le verrons par la suite. La Fig. 2 illustre un dispositif de vélocimétrie selon un second mode de réalisation de l' invention. Là aussi, seule la partie d'émission de la tête optique a été représentée. Elle comporte une source lumineuse, cohérente ou incohérente, illuminant une série de fibres optiques collées ou fixées parallèlement les unes aux autres sur une lame transparente. La source lumineuse peut être constituce peut être constituée par une extrémité d'un guide lumineux, l'autre extrémité La source lumineuse peut être également La lumière émise par la source est réfractée par le réseau de fibres pour générer un motif lumineux périodique sur la surface de l'objet en mouvement. La tête optique comprend avantageusement un système de lentilles permettant de projeter l'image du réseau de fibres sur la surface de l'objet. Le cas échéant, le système de lentilles peut permettre de faire varier le grossissement de manière à pouvoir ajuster la périodicité spatiale du motif lumineux sur ledit objet. La tête optique comprend en outre une fibre optique de réception dont une extrémité est placce dans le plan conjugué de l'objet à travers une lentille (non représentée). Le signal lumineux reçu est transporté par la fibre optique de réception jusqu'au module électronique. Ce dernier peut donc être placé en dehors de l'environnement de mesure, ce qui lui permet d'être protégé des sources de chaleur ou de pollution qui pourraient s'y trouver. La partie électronique convertit du signal lumineux en signal électrique, par exemple au moyen d ' une photo dio de puis analyse spectrale du signal obtenu. Afin d'illustrer le problème de la détermination de vitesse lorsque la distribution du coeffficient de réflexion est périodique, considérons un objet en mouvement que nous supposerons, pour simplifier, unidirectionneL le cas bidirectionnel pouvant étre facilement extrapolé. Soit f(x) la distribution du coefficient de réflexion le long de l' axe de l'objet et soit m (x) la fonction décrivant l' intensité du motif lumineux périodique formé sur l'objet. Si v est la vitesse de l'objet, le signal reçu par le photodétecteur peut s'écrire: S(t)=Jm(x)f(x-vt)dx (1) o la sommation est effectuée sur la largeur L du motif. Le signal s n'est autre que la convolution de la fonction décrivant le motif et de la distribution du coefficient de réflexion: s(t)=(mé3 f Xvt) (2) o le syrnbole (3 exprime le produit de convolution spatiale. Supposons pour simplifier que la fonction f soit constituée d'une fonction g répliquée avec la périodicité a: fx)=g(x))(x-na) (3) n o est le symbole de Kronecker et que le motif m comprenne une composante sinusoidale, c'est à dire puisse s'exprimer sous la forme: s m(x)=aO+al. exp(i27ux) (4) o 1/u est la période du motif. Le signal s(t) n'est autre que: s(t)=aOF(O)+a.F(u)exp(i2;zuvt) (6) o F est la transformée de Fourier spatiale de f. La vitesse v est déterrninée par analyse spectrale du signal s(t). Dans le cas général, lorsque la distribution f est quelconque, la valeur spectrale F(u) est non nulle. Dans le cas o la surface de l' objet présente une structure périodique on a d'après (3): F(u)=G(u).É,(u-nla) (7) D'après (6), si l'on fait abstraction de la composante DC, le signal s(t) est nul sanf pour u=n/a. Ce résultat s'explique aisément en remarquant que le dispositif de vélocimétrie est un filtre spatial à la fréquence u. La réponse du fltre est nulle sauf dans le cas o la valeur spectrale de f est non nulle à la Déquence u. De manière générale, le motif m et la distributionf étant périodiques, leurs spectres sont discrets et la réponse du vélocimètre est nulle sauf dans le cas o une des fréquences spatiales du motif correspond à l'une des fréquences spatiales de En pratique, bien entendu, la réponse n'est pas nulle mais présente un faible rapport signal à bruit ce qui conduit à des valeurs de vitesse erronées. Pour remédier à cette difficulté, il est proposé selon une première variante de faire varier la périodicité u du motif lurnineux projeté sur l' objet en modifiant le grossissement du système optique de projection. Une seconde variante illustrée en Fig. 3 ne fait pas appel à un système optique à grossissement variable. Elle consiste à faire tourner le motif lumineux par rapport à la distribution périodique de l'objet. En effet, si l'on suppose que le motif lumineux généré est orthogonal à la vitesse de l'objet et a une périodicité 1/u, après rotation d'un angle O. il présentera une périodicité 1/ucosé dans la direction de déplacement de l'objet. En faisant tourner le motif, on effectue une analyse spectrale spatiale de la distribution du coefficient de réflexion dans cette direction. Pour un angle am tel que 1/ucosm=a, la réponse du capteur est maximale et la vitesse de l'objet est donnée par: v=a'/ucosOm (8) o a' est la fréquence du signal sft) en sortie du capteur. Cette méthode suppose cependant que l'on connaisse la direction de déplacement de l'objet. Il est possible de s'affranchir de cette condition si l'on peut faire varier la périodicité du motif, par exemple en modifiant le grossissement du système de projection. On procède alors de la manière suivante: Pour une première périodicité de motif 1/u, on fait tourner le motif lumineux tel que la réponse du capteur soit maximale. On tourne le capteur d'un angle x/2 et l'on recherche, en faisant varier le grossissement, la nouvelle périodicité 1/u2 de motif qui donne la réponse maximale. On en déduit alors: jucosO,n=-tu2sinm d'o tgm--u/u2 () La direction de déplacement est donnée en faisant subir une rotation de 0m à la normale au motif lorsque le premier maximum est obtenu. Bien entendu, les résultats obtenus ci-dessus sont extrapolables au cas o l'objet présente une distribution périodique bi-directionnelle du coefficient de réflexion. REVENDICATIONS 1) Dispositif de vélocimétrie optique comprenant des premiers moyens pour former un motif lumineux périodique sur un objet en mouvement, des seconds moyens pour recevoir le signal lumineux réfléchi par ledit objet et un module électronique adapté à analyser ledit signal, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens et lesdits seconds moyens sont intégrés dans une tête optique et que les premiers moyens comprennent une pluralité de fibres optiques. 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que chacune des fibres optiques émet de la lumière par l'une de ses extrémités et que lesdites extrémités sont alignées selon un arrangement périodique le long d'un même axe. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdites fibres optiques sont arrangées dans un même plan sous forme de segments de fibres optiques parallèles les uns aux autres et équidistants entre eux. 4) Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les premiers moyens comprennent une source lumineuse éclairant transversalement les segments de fibres optiques. ) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les seconds moyens comprennent une fibre optique amenant le signal lumineux au module électronique. 6) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les premiers moyens comprennent des moyens de projection adaptés à faire varier la périodicité du motif périodique sur ledit objet. 7) Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'après conversion du signal lumineux en signal électrique, le module électronique effectue une analyse spectrale de ce dernier et en déduit la vitesse de l'objet. 8) Méthode de mesure de la vitesse d'un objet en mouvement au moyen d'un dispositif de vélocimétrie optique selon la revendication 7, caractérisée en ce que l' on fait tourner le motif périodique lumineux sur la surface dudit objet et que le module électronique détermine la vitesse dudit objet lorsque la puissance dudit signal électrique est maximale. 9) Méthode de mesure de la vitesse d'un objet en mouvement au moyen d'un dispositif de vélocimétrie optique selon les revendications 6 et 7, caractérisé en ce que l'on fait varier la périodicité du motif lumineux périodique et que le module électronique dét ermine la vit es se dudit obj et lorsque la puis sance dudit signal électrique est maximale.