Brevet FR3042594A1 — publié le 20170421

La présente invention concerne un système de contrôle non-destructif de pièces par génération d'ondes ultrasonores au moyen d'un laser d'excitation. Un tel système de contrôle non-destructif trouve par exemple application dans l'inspection de structures d'aéronef en matériau composite. En effet, ces matériaux composites peuvent être affectés de défauts pouvant apparaître durant la fabrication de ces structures ou être causés durant leur utilisation et pouvant affecter leur intégrité mécanique. Des systèmes de contrôle non-destructif par génération d'ondes ultrasonores par laser sont connus de l'état de la technique. Un tel système de contrôle non-destructif selon l'état de la technique est représenté à la Fig. 1. Il comprend une unité de mesure 10 et une tête de balayage 20. La tête de balayage 20 est prévue pour permettre à un rayon lumineux émanant du système de mesure 10 sur l'axe optique xx' de balayer la pièce à analyser 30 selon deux axes orthogonaux. Elle comporte pour ce faire un dispositif de balayage 21 (représenté symboliquement) comportant deux miroirs pivotants selon deux axes orthogonaux. De plus, la tête de balayage 20 peut pivoter selon l'axe optique xx' (flèches A). Quant à l'unité de mesure 10, elle comprend essentiellement un laser d'excitation 11 de forte puissance nécessaire pour pouvoir générer des ondes ultrasonores de fréquences supérieures à 20KHz dans la pièce à analyser 30. Par exemple, il s'agit d'un laser du type CO2, avantageusement du type CO2 atmosphérique excité transversalement ou TEA, rayonnant dans l'infrarouge de longueur d'onde de l'ordre de 101_1m. Par exemple encore, le laser d'excitation 11 est pulsé et produit une puissance de l'ordre de 300mJ à chaque impulsion. La lumière infrarouge émise par le laser d'excitation 11 traverse un miroir dichroïque 12, est réfléchie sur les miroirs du dispositif de balayage 21 de la tête de balayage 20 et excite la pièce à analyser 30 en un point 31 (appelé par la suite, point d'excitation) dépendant des positionnements de la tête 20 et des miroirs du dispositif 21. A ce point 31, sont alors générées des ondes ultrasonores à la surface de la pièce à analyser 30. L'unité de mesure 10 comprend également une unité de détection 13 elle-même constituée d'un laser de détection 131 émettant avantageusement dans l'infrarouge à une longueur d'onde inférieure à celle du laser d'excitation 11, par exemple du type Nd-YAG émettant principalement à une longueur d'onde de 1064 nm. Elle est également constituée d'un détecteur 132, par exemple un interféromètre du type Fabry-Perot confocal à double cavité. La lumière émise par le laser de détection 131 est réfléchie par le miroir 14, puis est réfléchie par le miroir dichroïque 12 et par les 3042594 2 miroirs du dispositif de balayage 21 de la tête de balayage 20 et impacte sur la pièce à analyser 30 en un point qui se superpose au point d'excitation 31. La lumière rétrodiffusée par la pièce 30 est réfléchie sur les miroirs du dispositif 21, le miroir dichroïque 12 puis le miroir dichroïque 14, pour être analysée par le détecteur 132. 5 Les signaux générés par le détecteur 132 sont traités par une unité de traitement 40 qui, en fonction de la localisation des points 31 qu'elle pilote par des signaux de commande fournis à la tête de balayage 20 (et donc aussi au dispositif de balayage 21), génère une cartographie incluant des éventuels défauts dans la pièce 30, par exemple affichée sur un écran 41. 10 Il peut être intéressant de combiner le contrôle non destructif décrit jusqu'ici à une mesure dimensionnelle de la forme de la surface de la pièce à analyser 30, ceci afin d'avoir une meilleure représentation des éventuels défauts dans l'espace des zones analysées de la pièce 30, leur géolocalisation ainsi que leur taille. Pour ce faire, selon un mode de réalisation d'un système de contrôle non 15 destructif de l'état de la technique représenté à la Fig. 1, l'unité de mesure 10 est équipée d'un télémètre 15 pourvu d'un laser de télémétrie 151, par exemple émettant à une longueur d'onde de 635nm (longueur d'onde inférieure à la longueur d'onde d'émission du laser de détection 131) et d'un capteur linéaire du type CCD 152 prévu pour capter la lumière qu'il reçoit via un dispositif de focalisation 153 décalé d'une 20 distance connue, par exemple 50 mm, par rapport à l'axe optique d'émission du laser de télémétrie 151. La lumière émise par le laser de télémétrie 151 est réfléchie sur le miroir dichroïque 16, est réfléchie sur le miroir dichroïque 12 pour atteindre les miroirs du dispositif de balayage 21 de la tête de balayage 20 et ainsi la pièce 30 en un point qui se superpose également au point d'excitation 31. La lumière rétrodiffusée est 25 réfléchie sur les miroirs du dispositif de balayage 21, le miroir dichroïque 12, et est réfléchie sur le miroir dichroïque 16 pour atteindre, via le dispositif de focalisation 153, le capteur 152. La position du point de focalisation de la lumière rétrodiffusée sur le capteur 152 permet, par triangulation, de déterminer la profondeur du point 31 d'excitation sur la pièce à analyser 30. 30 Le résultat de cette mesure télémétrique est fourni à l'unité de traitement 40 afin de pouvoir relier la cartographie obtenue par le système de contrôle non-destructif à la forme de la pièce 30. La mesure télémétrique ainsi effectuée permet d'avoir une meilleure connaissance de la pièce à analyser et de relier la forme de la surface de la pièce 30 et 3042594 3 la position et la taille des défauts détectés. De plus, elle présente l'avantage de pouvoir s'effectuer en même temps que le contrôle non-destructif et le balayage effectué par la tête de balayage 20. Néanmoins, dans la pratique, cette mesure télémétrique peut s'avérer insuffisante en termes de précision, notamment du fait de la relativement 5 faible distance entre l'axe optique du laser de télémétrie 151 et le dispositif de focalisation 153 et ainsi de la faible ouverture du télémètre 15. Le but de la présente invention est de munir un système de contrôle non- destructif de pièces par génération d'ondes ultrasonores au moyen d'un laser d'excitation de moyens de mesure dimensionnelle de la forme de la surface de la pièce 10 à analyser qui soient plus précis que le télémètre qui vient d'être décrit en relation avec la Fig. 1. Pour ce faire, un système de contrôle non-destructif de pièces par génération d'ondes ultrasonores au moyen d'un laser d'excitation selon la présente invention est du type comprenant 15 - une unité de mesure pourvue d'un laser d'excitation et d'une unité de détection, - une tête de balayage prévue pour balayer une pièce à analyser selon deux axes de manière qu'un rayon lumineux émanant du laser d'excitation de l'unité de mesure excite un point d'excitation de la pièce à analyser et qu'un rayon lumineux rétrodiffusé dudit point d'excitation puisse être détecté par ladite unité de détection, 20 - des moyens de mesure dimensionnelle de la forme de surface de la pièce à analyser, et - une unité de traitement pour commander le balayage de la tête de balayage, pour traiter les signaux délivrés par l'unité de détection ainsi que les signaux délivrés par les moyens de mesure dimensionnelle de la forme de la surface de la pièce à 25 analyser. Selon la présente invention, il est caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure dimensionnelle de la forme de la surface de la pièce à analyser comportent : un laser de visualisation prévu pour que le rayon qu'il émet suive une ligne de visée partant de ladite tête de balayage jusqu'audit point d'excitation et impacte la 30 pièce à analyser en un point qui se superpose audit point d'excitation, et un système d'imagerie comprenant au moins une caméra calibrée montée sur la tête de balayage de manière que son axe optique soit décalé par rapport à ladite ligne de visée, 3042594 4 ladite unité de traitement mettant en oeuvre une méthode de représentation de scènes 3D pour déterminer la forme de la pièce à analyser 30. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de 5 réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels : La Fig. 1 représente un système de contrôle non-destructif de pièces par génération d'ondes ultrasonores au moyen d'un laser d'excitation selon un état de la technique, 10 La Fig. 2 représente un système de contrôle non-destructif de pièces selon un premier mode de réalisation de la présente invention, et La Fig. 3 représente un système de contrôle non-destructif de pièces selon un second mode de réalisation de la présente invention. Les systèmes de contrôle non-destructif de pièces par génération d'ondes 15 ultrasonores au moyen d'un laser d'excitation selon la présente invention qui sont représentés aux Figs. 2 et 3 comportent des éléments qui sont également présents à la Fig. 1. Ils portent la même référence et concernent donc des éléments identiques qui ne sont pas de nouveau décrits. A titre d'exemple, on reconnaîtra le laser d'excitation 11, l'unité de détection 13 avec son laser de détection 131 et son détecteur 132 ainsi 20 que la tête de balayage 20 avec son dispositif de balayage 21. Les systèmes de contrôle non-destructif représentés aux Figs. 2 et 3 comportent un laser de visualisation 17, par exemple du type diode laser CW (continuous wave : onde continue) émettant à 630nm (longueur d'onde inférieure à celle du laser de détection 131) qui est prévu pour que le rayon qu'il émet impacte la pièce à analyser 25 30 en un point qui se superpose au point d'excitation 31 du rayon issu du laser d'excitation 11 et, ce quelle que soit la position de ce point d'incidence 31 déterminée par les positionnements de la tête de balayage 20 et de son dispositif de balayage 21 eux-mêmes commandés par l'unité de traitement 40. Pour ce faire, dans les exemples de réalisation représentés, il est logé à l'intérieur de l'unité de mesure 10 et se trouve 30 donc en amont de la tête de balayage 20. La lumière qu'il émet est alors réfléchie sur un miroir 18, traverse le miroir dichroïque 14, est réfléchie sur le miroir dichroïque 12 et les miroirs du dispositif de balayage 21 si bien qu'elle impacte la pièce 30 au point d'incidence 31 du rayon issu du laser d'excitation 11. De cette manière également, le rayon émis par le laser de visualisation 17 suit une ligne de visée V partant de la tête 3042594 5 de balayage 20 jusqu'au point d'excitation 31 et impacte la pièce à analyser 30 en un point qui se superpose audit point d'excitation 31. On notera que la ligne de visée V est la ligne suivie par les faisceaux des lasers d'excitation 11, de détection 13 et de visualisation 17 partant du dispositif de balayage 21 au point d'excitation 31 sur la 5 pièce 30. Le système de contrôle non-destructif représenté à la Fig. 2 comporte encore un système d'imagerie qui, dans le mode de réalisation de cette Fig. 2, est constitué d'une unique caméra 50 montée sur la tête de balayage 20, de manière que son axe optique yy' soit décalé selon l'axe xx" de la ligne de visée V d'une distance D, par exemple de 10 l'ordre de 200mm. L'unité de traitement 40 commande le balayage effectué par la tête de balayage 20 et son miroir de balayage 21 de manière que le point d'excitation 31 (en fait, les points d'impact sur la pièce 30 du faisceau du laser d'excitation 11, du faisceau du laser de détection 131 et du faisceau du laser de visualisation 17 qui sont tous 15 superposés au point d'excitation 31) décrirait sur une pièce un motif géométrique prédéterminé, par exemple constitué de lignes ou de courbes, si cette pièce était plane. Sur une pièce 30 qui n'est pas plane, du fait du décalage de l'axe yy' par rapport à la ligne de visée V, le motif en question apparaît déformé sur les images prises par la caméra 50, la déformée de ce motif dépendant de la forme de la surface de la pièce 30. 20 Ainsi, si la surface de la pièce 30 est plane, les lignes du motif projeté apparaissent droites dans les images prises par la caméra 50 (le motif n'est pas déformé). Par contre, si la pièce 30 présente en une zone de sa surface une déformation, les lignes des motifs projetées dans cette zone apparaissent déformées dans les images prises par la caméra 50. 25 On comprendra qu'il y a une relation précise entre la déformation de la forme de la surface de la pièce 30 et la déformation des motifs apparaissant dans les images prises par la caméra 50. Cette relation dépend de paramètres intrinsèques de la caméra 50, tels que sa distance focale, son grossissement, etc. et de paramètres extrinsèques liés à la position géométrique de la caméra 50, telle que le décalage D, l'inclinaison de 30 l'axe yy', etc. La détermination ou la connaissance de ces paramètres intrinsèques et extrinsèques est ce qui est appelée la calibration de la caméra 50. Ainsi, une caméra dont on a cette connaissance est dite calibrée. Les données d'images délivrées par la caméra 50 sont fournies à l'unité de traitement 40 pour traitement en relation avec les données fournies par le détecteur 3042594 6 132. Il est ainsi possible de relier la forme de la surface de la pièce 30 et la position et la taille des défauts détectés par le détecteur 132 et, ce, avec une meilleure précision que celle du système de contrôle de l'état de la technique représenté à la Fig. 1. La précision de la mesure est fonction du décalage D de l'axe optique yy' de la 5 caméra 50 par rapport à la ligne de visée V et elle est d'autant plus grande que ce décalage est élevé. Elle peut donc être substantiellement accrue par rapport à celle obtenue par le système de contrôle de la Fig. 1. On notera qu'il est nécessaire d'ajuster le temps d'exposition de la caméra 50 afin qu'elle puisse intégrer le signal lumineux sous forme de trace de sorte que des motifs 10 apparaissent sur les images prises par elle. Néanmoins, cette intégration peut aussi être réalisée par traitement des données par l'unité de traitement 40 à partir de plusieurs images prises par la caméra 50 à des temps de pose différents plus courts. Le système de contrôle non-destructif représenté à la Fig. 3 comporte, en tant que système d'imagerie, une paire de caméras 51 et 52 calibrées distantes entre elles 15 d'une distance E et montées sur la tête de balayage 20. Le principe de fonctionnement de ce mode de réalisation est sensiblement le même que celui qui a été décrit en relation avec la Fig. 2 avec une seule caméra 50, la précision de mesure étant encore supérieure. Pour déterminer la forme de la pièce 30, sur la base des données d'image 20 fournies par la caméra 50 ainsi calibrée ou sur la base des données d'image fournies par les caméras 51 et 52 calibrées, des méthodes de représentation de scènes 3D connues en soi sont mises en oeuvre, notamment par l'unité de traitement 40. Il est par exemple possible de consulter le livre intitulé "Three-Dimensional Computer Vision A Geometric Viewpoint" d'Olivier Faugeras publié au éditions The MIT Press et 25 également le livre intitulé "Multiple View Geometry in computer vision" de R. Hartley and A. Zisserman publié aux éditions Cambridge pour connaître de telles méthodes. REVENDICATIONS1) Système de contrôle non-destructif de pièces par génération d'ondes ultrasonores au moyen d'un laser d'excitation, ledit système comprenant : - une unité de mesure pourvue d'un laser d'excitation (11) et d'une unité de détection (13), - une tête de balayage (20) prévue pour balayer une pièce à analyser (30) selon deux axes de manière qu'un rayon lumineux émanant du laser d'excitation (11) de l'unité de mesure (10) excite un point d'excitation (31) de la pièce à analyser (30) et qu'un rayon lumineux rétrodiffusé dudit point d'excitation (31) puisse être détecté par ladite unité de détection (13), - des moyens (15) de mesure dimensionnelle de la forme de surface de la pièce à analyser (30), et - une unité de traitement (40) pour commander le balayage de la tête de balayage (20), pour traiter les signaux délivrés par l'unité de détection (13) ainsi que les signaux délivrés par les moyens (15) de mesure dimensionnelle de la forme de la surface de la pièce à analyser (30), caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure dimensionnelle (15) de la forme de la surface de la pièce à analyser (30) comportent: un laser de visualisation (17) prévu pour que le rayon qu'il émet suive une ligne de visée (V) partant de ladite tête de balayage (20) jusqu'audit point d'excitation (31) et impacte la pièce à analyser (30) en un point qui se superpose audit point d'excitation (31), et un système d'imagerie comprenant au moins une caméra (50, 51, 52) calibrée montée sur la tête de balayage (20) de manière que son axe optique yy' soit décalé par rapport à ladite ligne de visée (V), ladite unité de traitement (40) mettant en oeuvre une méthode de représentation de scènes 3D pour déterminer la forme de la pièce à analyser (30). 2) Système de contrôle non-destructif selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système d'imagerie comprend une paire de caméras (51, 52) calibrées distantes entre elles. 3042594 8 3) Système de contrôle non-destructif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite unité de traitement (40) commande ladite tête de balayage (20) de manière que le point d'excitation (31) décrirait sur une pièce un motif géométrique prédéterminé si cette pièce était plane. 4) Système de contrôle non-destructif selon une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit laser de visualisation (17) est logé dans ladite unité de mesure (10).