Brevet FR2852533A1 — publié le 20040924

- 1 DOMAINE D'APPLICATION DE L'INVENTION La présente invention a trait au domaine du contrôle afin de déceler la présence de trous dans des matériaux en feuilles et plus particulièrement pour vérifier les bobines d'acier défilant en bandes continues et à grandes 10 vitesses. DESCRIPTION DE L'ART ANTÉRIEUR D'une manière générale, la détection de trous dans des feuilles d'acier d'épaisseur d'environ 0,25 mm défilant en bandes continues à une vitesse de l'ordre de 15 10 m/s est une opération délicate car la détection doit être précise alors que les trous, fissures ou autres défauts de lumière présentent souvent des diamètres très petits (de l'ordre de quelques dizaines de microns) de sorte que leur discrimination n'est pas toujours évidente 20 à mettre en oeuvre techniquement. Il existe dans l'art antérieur quelques dispositifs de détection de trous dans les matériaux défilant en bandes continues, De tels dispositifs appelés généralement détecteurs de trous sont constitués classiquement d'un 25 bâti vertical interposé sur le trajet de la bande de matériau qui défile en continu et dans un plan horizontal en traversant ledit bâti via une fente horizontale ménagée dans celui-ci à une hauteur et selon une largeur suffisantes pour autoriser sans obstacle le libre passage 30 pour le défilement de ladite bande à l'intérieur du détecteur, passage transitaire au cours duquel s'opère l'inspection des défauts de la bande. Cette fente horizontale délimite deux châssis supérieur et inférieur ouverts chacun d'une fenêtre en regard l'une de l'autre de 35 part et d'autre de ladite fente. Le premier châssis définit une structure logique d'un premier sous-ensemble optique d'émission, via sa fenêtre ouverte sur la fente, générant une source de lumière en direction de ladite bande défilant au-dessous et le deuxième définit une structure logique d'un deuxième sous-ensemble optique de 5 réception, via sa fenêtre également ouverte sur la fente, pour capter ladite lumière en provenance du premier sousensemble optique et susceptible de filtrer à travers les trous de la bande de matériau défilant au-dessus. Ainsi, les dispositifs de détection sont interposés sur le trajet 10 de défilement de la bande de matériau avec les deux sousensembles optiques disposés de part et d'autre de ladite bande qu'ils emprisonnent à l'intérieur d'une chambre généralement obscure le temps de leur transit, afin d'assurer des lectures optiques continues le long d'une 15 ligne transversale au sens de déplacement de la bande sans pour autant en interrompre le défilement. La demanderesse a constaté que la détection de trous dans les matériaux en bandes défilant en continu telle que classiquement réalisée par les dispositifs antérieurs, 20 présentait certains inconvénients quant à leur mise en òuvre et à leur efficacité. Ainsi, au cours de son défilement à travers l'appareil de détection, la bande de métal peut également évoluer transversalement dans la fente tant par des 25 variations de largeur que par des oscillations auxquelles les sous-ensembles optiques de contrôle doivent impérativement s'adapter. Il est aussi très important d'isoler dans des chambres obscures, l'ensemble de détection optique des lumières parasites à savoir la 30 lumière ambiante et/ou la lumière réfléchie provenant de la source lumineuse du sous-ensemble optique émetteur. D'une manière généralement connue et très usitée dans le domaine de la métallurgie, le sous-ensemble optique d'émission de lumière met en oeuvre un éclairage en ultra35 violet diffusé à partir de lampes fluorescentes (par exemple des tubes néon) et le sous-ensemble optique de réception met en oeuvre des capteurs photoélectriques ultrasensibles appelés photomultiplicateurs. Le traitement de l'information en sortie du sousensemble optique de réception fournit alors un signal de sortie amplifié et 5 mis en forme pour être comparé à un seuil de tension de manière à délivrer une information en "tout ou rien" ce qui ne permet à une machine de déroulage de bande de matériau que de repérer la portion de bande de matériau percée de trous donc inutilisable. En outre, et grâce à 10 l'utilisation de filtres optiques adéquats, les capteurs photoélectriques ont une sensibilité centrée vers le bleu et l'ultra-violet permettant ainsi d'utiliser des lampes néon de faible puissance tout en évitant les perturbations liées à l'infrarouge dues aux bandes d'acier évoluant à 15 des températures entre 25 0c et 700c. Cependant, le choix d'une faible puissance au niveau de l'émission impose au niveau du sous-ensemble optique de réception, des très grands rapports d'amplification dans les photomultiplicateurs avec des gains très importants (qui 20 peuvent atteindre le million) ce qui nécessite de polariser les bornes de ces photomultiplicateurs, avec des tensions élevées de plusieurs centaines à plusieurs milliers de volts. Il en résulte inévitablement des coûts d'entretien et de remplacement assez onéreux (les lampes 25 néon sont très coûteuses) qui font que ces dispositifs de détection fonctionnant en outre en "tout ou rien" ne sont plus adaptés aux besoins exigeants des industriels qui demandent de plus en plus une production de matériaux en bandes avec une discrimination plus contraignante 30 (dimensions de plus en plus petites) et plus paramétrable (formes et quantités) des trous détectés. DESCRIPTION DE L'INVENTION Partant de cet état de fait et d'un cahier des charges préétabli, la demanderesse a donc mené des 35 recherches sur un nouveau concept de détection de trous dans des feuilles de matériau défilant en continu sous forme de bandes et permettant de pallier les inconvénients de l'art antérieur tout en répondant aux besoins des industriels. Ces recherches ont abouti à la conception originale 5 d'un dispositif de détection particulièrement simple et avantageux offrant une polarisation moins importante du sous-ensemble optique de détection, des faibles coûts d'entretien et de remplacement des composants, des possibilités accrues d'inspection des bandes contrôlées, 10 etc... Selon l'invention, le dispositif de détection de trous dans des matériaux défilant en bandes continues est du type de celui constitué d'un bâti vertical qui, interposé sur le trajet de la bande de matériau via une 15 fente horizontale délimitant ledit bâti en deux châssis supérieur et inférieur, le châssis supérieur étant destiné à supporter un premier sousensemble optique d'émission d'une source de lumière en direction de ladite bande défilant au-dessous via une fenêtre débouchant sur ladite 20 fente et le châssis inférieur étant destiné à supporter un deuxième sousensemble optique de réception de ladite lumière en provenance du premier sous-ensemble optique et susceptible de filtrer à travers les trous de la bande de matériau défilant au-dessus, via une deuxième fenêtre 25 ménagée dans le châssis inférieur en regard de la première fenêtre ouverte dans châssis supérieur. Selon le concept original mis en òuvre dans la présente invention, le susdit sous-ensemble optique d'émission est constitué par une émission stimulée de 30 rayonnement dite rayonnement laser et le susdit sousensemble optique de réception est constitué par des photodiodes sensibles aux faibles flux lumineux émis par le rayonnement laser. L'avantage d'une réception sous forme de diodes à 35 semi-conducteur qui, de préférence, seront des photodiodes dite à avalanche, est d'avoir une sensibilité aux faibles - 5 flux lumineux et une grande durée de vie. En effet, les photodiodes à avalanche qui ont un gain de 100 ou 200, permettent d'avoir des sensibilités qui permettent de générer un courant de 44 mA pour un flux lumineux reçu 5 de 1 mW. La bande passante de ces composants est ainsi compatible avec l'impulsion lumineuse inférieure à 1 gs qui doit être en général celle détectée par de tels dispositifs de détection. C'est pour répondre aux faibles gains des photodiodes de l'ensemble optique de réception 10 que le sous-ensemble optique d'émission est, selon l'invention, constitué par une émission stimulée de rayonnement dite rayonnement laser qui a pour caractéristique première d'augmenter l'efficacité lumineuse de la source d'émission offrant ainsi, associé 15 aux photodiodes du sous ensemble optique de réception, des résultats très satisfaisants de détection. En effet, il est important de rappeler que quelques milliwatts de rayonnement produit par une diode laser fournit en sortie une source de plusieurs milliers de watts apparents car 20 le faisceau est collimaté en sortie pour ne produire qu'une tâche lumineuse de faible diamètre. Selon une caractéristique préférentielle de réalisation de l'invention, le sous-ensemble optique d'émission comprend une rampe de plusieurs diodes laser 25 disposées parallèlement et au-dessus de la susdite fente de passage de la bande de matériau à inspecter de manière à ce que la source lumineuse ainsi formée par cette rampe puisse se répandre sur toute la largeur de la bande de matériau. Cette rampe lumineuse comportera de préférence 30 deux rangées parallèles de diodes disposées régulièrement décalées les unes par rapport aux autres de manière à ce que les faisceaux lumineux des diodes d'une rangée se chevauchent avec ceux de l'autre rangée et évitent la présence d'un éventuel "trou noir". De plus, considérant que le faisceau lumineux collimaté du rayonnement laser ne produit qu'une tâche lumineuse de faible diamètre, il a été imaginé par la demanderesse d'équiper chacune desdites diodes laser d'une lentille génératrice de ligne qui puisse diverger le faisceau laser et balayer ainsi une plus grande zone utile 5 de détection. Cette lentille génératrice de ligne sera du type de celle offrant une intensité relative constante sur la ligne c'est à dire tant au centre qu'aux extrémités de la ligne. D'autres avantages et d'autres caractéristiques 10 apparaîtront plus clairement à la lecture de la description ci-dessous qui donne à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins annexés, un mode de réalisation d'un dispositif de détection de trous dans des bandes de matériau défilant en continu. 15 BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure 1 est une vue en perspective d'un dispositif conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en perspective partiellement dépouillée du dispositif de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus schématique en coupe horizontale de ce dispositif. La figure 4 est une vue schématique en coupe verticale illustrant le phénomène optique opéré dans ce dispositif. DESCRIPTION APPUYÉE SUR LES DESSINS Comme illustrées sur les dessins des figures 1 et 2, le dispositif de détection de trous, référencé D dans son ensemble, est constitué d'un bâti vertical 100 destiné à être interposé sur le trajet d'une bande de matériau 30 défilant en continu (symbolisée par la flèche double B) via une fente horizontale 110 ménagée sensiblement à mihauteur du bâti 100. Ce dernier est réalisé à partir de poteaux, longerons et traverses techniquement arrangés entre eux, pour délimiter de part et d'autre de la susdite 35 fente 110, un châssis supérieur 100a et un châssis inférieur 100b habillés tous deux d'éléments de carrosserie amovibles mais débouchant chacun sur la fente 110 via une une fenêtre ouvertes en regard l'une de l'autre. Comme on peut le voir sur le dessin de la figure 2 5 représentant le bâti 100 dépouillé d'un côté de ses éléments de carrosserie, le châssis supérieur lOOa définit une structure logique d'un premier sous-ensemble optique 200 qui émet une source de lumière à travers la fente 110 et en direction de la bande défilant au-dessous 10 (flèche B) et le châssis inférieur 100b définit une structure logique d'un deuxième sous-ensemble optique 300 dit de réception. Ce deuxième sous-ensemble 300 a pour objet de capter la lumière en provenance du premier sousensemble optique 200 et susceptible de filtrer à travers 15 les éventuels trous de la bande de matériau défilant audessus et dans la fente 110, afin de fournir en sortie un signal correspondant informant la machine équipée dudit dispositif de détection, de la présence de trous sur telle portion de bande venant d'être inspectée. Un des objets principaux de l'invention repose sur la mise en oeuvre originale des deux sous-ensembles optiques 200 et 300. Ainsi, le sousensemble optique d'émission 200, illustré plus en détails sur le dessin de la figure 3, est constitué par une émission stimulée de 25 rayonnement dite rayonnement laser obtenue par une rampe de deux rangées de diodes laser 210a et 210b disposées parallèlement et au-dessus de la susdite fente 110 audessus de la bande de matériau à inspecter. Une disposition inverse peut bien évidemment être également 30 imaginée de la même manière. Les diodes laser de chaque rangée 210a et 210b de la rampe lumineuse du sousensemble optique d'émission 200 sont équipées chacune d'une lentille génératrice de ligne pour faire diverger le faisceau laser à des fins de balayage d'une plus grande zone utile de détection que la tâche lumineuse que l'on trouve en général en sortie de ces diodes. Elles sont de plus disposées régulièrement décalées les unes par rapport aux autres dans le sens de de la fente 110 de manière à ce que les faisceaux lumineux des diodes d'une rangée 210a chevauchent ceux de la rangée de diodes 210b 5 et vice-versa, couvrant ainsi l'entière longueur de la fente et évitant tout risque de "trou noir". Selon une disposition identique, le deuxième sousensemble optique de réception 300 est constitué par une rampe de photodiodes sensibles aux faibles flux lumineux 10 émis par le rayonnement des diodes laser et arrangées également selon deux rangées de photodiodes 310a et 310b disposées parallèlement au-dessous de la susdite fente 110 et de la bande de matériau à inspecter et en face des diodes laser des rangées 210a et 210b, afin de capter les 15 rayonnements laser filtrant à travers les trous de la bande défilant en continu dans le dispositif de détection de l'invention, via la fente 110. La présence d'une série de diodes sous forme de rampes de deux rangées tant au niveau du sous-ensemble 20 d'émission 200 (rangées 210a et 210b) qu'au niveau du sous-ensemble de réception 300 (rangées 310a et 310b), a pour grand avantage, en dehors de celui des capacités optiques énoncées au début du présent mémoire, de pouvoir adapter facilement les rampes lumineuses des sous25 ensembles optiques 200 et 300 à la largeur de la bande qui sera généralement inspectée dans le dispositif de détection de l'invention. Ainsi, par exemple, si la largeur de bande à inspectée recherchée dans le dispositif de détection de l'invention est de l'ordre de 1300 mm et 30 que le champ du faisceau du rayonnement laser de chaque diode du sous-ensemble optique 200 est de 200 mm, les rampes de chaque sous-ensemble optique 200 et 300 pourront être équipées respectivement de sept diodes laser et de sept photodiodes avec un chevauchement de l'ordre de 1 à 35 10 mm entre les faisceaux lumineux des diodes laser. Chacune des diodes laser des rangées 210a ou 210b équipée d'une lentille génératrice de ligne génère donc en sortie, une ligne laser avec un faisceau divergent Fd qui, selon un mode de mise en oeuvre préférentielle de l'invention illustré sur le dessin de la figure 4, sera 5 collimaté en intercalant entre chacune desdites diodes laser 210a ou 210b et la fente 110, au-dessus de la bande de matériau à inspecter, une lentille cylindrique à plan convexe 400 dite divergente intercalée sur ledit faisceau divergent incident Fd pour le faire dévier et le 10 transformer en un faisceau parallèle Fp transversal à la bande à inspecter et perpendiculaire au plan de cette dernière définissant ainsi une zone utile de détection Zu sur une portion de largeur de bande inspectée. Le nombre de diodes 210a et 210b sera donc bien ainsi défini par le 15 rapport des dimensions de la largeur de bande à inspecter sur les dimensions de la zone utile de détection Zu du faisceau parallèle Fp émergeant des lentilles cylindriques à plan convexe 400. D'une manière identique mais agencée au-dessous de la 20 fente 110 entre la bande à inspecter et les photodiodes 310a et 310b du sous ensemble optique de réception 300, une autre lentille cylindrique à plan convexe 500 dite convergente sera judicieusement intercalée sur ledit faisceau parallèle Fp pour le faire dévier et le 25 transformer en un faisceau convergent Fp vers l'une des photodiodes 310a ou 310b du sous ensemble optique de réception 300, via éventuellement des filtres interférentiels 600 judicieusement aménagés par l'homme de métier. On comprend que le dispositif de détection qui vient d'être ci-dessus décrit et représenté, l'a été en vue d'une divulgation plutôt que d'une limitation. Bien entendu, divers aménagements, modifications et améliorations pourront être apportés à l'exemple ci35 dessus, sans pour autant sortir du cadre de l'invention telle que revendiquée. - Ainsi, par exemple, la demanderesse a imaginé d'installer les diodes laser 210a, 210b, les lentilles à plan convexe 400, 500 et les photodiodes 310a, 310b dans des colliers ou autres dispositifs de bridage démontables pour rendre plus aisées leurs opérations de pose, de dépose et de calage à des fins de remplacement. De même, il sera possible d'envisager de remplacer chacune des lentilles optiques 400 et 500 par une série de lentilles organisées avec les mêmes objectifs que ceux des lentilles 10 400 et 500 à savoir de transformer le faisceau divergent Fd en un faisceau parallèle Fp pour la première série de lentilles et de faire dévier ledit faisceau parallèle Fp pour le transformer en un faisceau convergent Fp vers les photodiodes 310a ou 310b pour la deuxième série de 15 lentilles. - il REVENDICATIONS 1. Dispositif de détection de trous dans des bandes de matériau défilant en continu (flèche B), du type de celui constitué d'un bâti vertical (100) qui, interposé 5 sur le trajet de la bande de matériau via une fente horizontale (110) délimitant ledit bâti (100) en deux châssis supérieur (llOa) et inférieur (llOb) qui débouchent chacun sur la susdite fente (100) via une fenêtre ouverte en regard l'une de l'autre, le châssis 10 supérieur (110a) étant destiné à supporter un premier sous-ensemble optique d'émission (200) d'une source de lumière en direction de ladite bande défilant au-dessous et le châssis inférieur (llOb) étant destiné à supporter un deuxième sous-ensemble optique (300) de réception de 15 ladite lumière en provenance du premier sous-ensemble optique (200) et susceptible de filtrer à travers les trous de la bande de matériau défilant au-dessus, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le susdit sous-ensemble optique d'émission (200) est constitué par une émission 20 stimulée de rayonnement dite rayonnement laser et le susdit sous-ensemble optique de réception (300) par des photodiodes (310a et 310b) sensibles aux faibles flux lumineux émis par le rayonnement laser. 2. Dispositif de détection selon la revendication 1, 25 CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le rayonnement laser du susdit sous-ensemble optique d'émission (200) est constitué par une rampe de plusieurs diodes laser (210a et 210b) susceptibles de couvrir la plus grande largeur de bande de matériau défilant à travers le dispositif. 3. Dispositif de détection selon la revendication 1, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le deuxième sous-ensemble optique de réception (300) est constitué par une rampe de de plusieurs photodiodes (310a et 310b) sensibles aux faibles flux lumineux émis par le rayonnement des diodes 35 laser. 4. Dispositif de détection selon les revendications 1 - 12 et 2, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le sous-ensemble optique d'émission (200) comprend une rampe de deux rangées de diodes laser (210a et 210b) disposées parallèlement et audessus de la susdite fente (110) et de la bande de 5 matériau à inspecter, de manière régulièrement décalées les unes par rapport aux autres le long de la susdite fente (110), pour que les faisceaux lumineux des diodes d'une rangée (210a ou 210b) se chevauchent avec ceux de l'autre rangée (210b ou 210a)et vice-versa. 5. Dispositif de détection selon les revendications 1 et 2, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE chacune desdites diodes laser (210a et 210b) est équipée d'une lentille génératrice de ligne faisant diverger le faisceau laser à des fins de balayage d'une plus grande zone utile de détection (Zu) que la tâche lumineuse en sortie desdites diodes. 6. Dispositif de détection selon les revendications 1 et 3, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le sous-ensemble optique de réception (300) comprend une rampe de deux rangées de 20 photodiodes (310a et 310b) disposées parallèlement audessous de la susdite fente (110) et de la bande de matériau à inspecter et en face des diodes laser (210a et 210b), afin de capter les rayonnements laser filtrant à travers les trous de la bande défilant en continu via la 25 susdite fente (110). 7. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'une lentille cylindrique à plan convexe (400) dite divergente est intercalée sur le faisceau divergent (Fd) en sortie de 30 chacune des diodes laser (210a ou 210b) pour faire dévier ledit faisceau (Fd) et le transformer en un faisceau parallèle (Fp) transversal à la bande à inspecter et perpendiculaire au plan de cette dernière afin de définir une zone utile de détection (Zu) sur une portion de 35 largeur de bande. 8. Dispositif de détection selon l'une quelconque des - 13 revendications 1 à 7, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'une lentille cylindrique à plan convexe (500) dite convergente est intercalée sur le faisceau parallèle (Fp) audessous de la fente (110) entre la bande à inspecter et les 5 photodiodes (310a et 310b) du sous ensemble optique de réception (300), pour faire dévier ledit faisceau parallèle (Fp) et le transformer en un faisceau convergent (Fp) vers les photodiodes (310a ou 310b) du sous ensemble optique de réception (300). 9. Dispositif de détection selon l'ensemble des revendications 1 à 8, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE le nombre de diodes laser (210a et 210b) du sous-ensemble optique d'émission (200) est le même que le nombre de photodiodes (310a et 310b) du sous-ensemble optique de 15 réception (300). 10. Dispositif de détection selon l'ensemble des revendications 1 à 9, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QU'il comporte des filtres interférentiels (600) aménagés devant les photodiodes (310a et 310b) du sous-ensemble 20 optique de réception (300). 11. Dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, CARACTÉRISÉ PAR LE FAIT QUE les susdites diodes laser (210a, 210b) et/ou les susdites lentilles à plan convexe (400, 500) et/ou les susdites 25 photodiodes (310a, 310b) sont montées et calées dans des dispositifs de bridage démontables.