CH644204A5

CH644204A5 - Dispositif de mesure de microdeplacement, du type sans contact.

Info

Publication number: CH644204A5
Application number: CH612881A
Authority: CH
Inventors: Hiroomi Ogasawara
Original assignee: Ogasawara Hiromi
Priority date: 1980-09-26
Filing date: 1981-09-23
Publication date: 1984-07-13
Also published as: JPS5759101A; GB2085594B; FR2491205B1; DE3138273A1; FR2491205A1; GB2085594A; US4451780A; JPH0128321B2

Description

L'invention concerne un dispositif de mesure de microdéplacement, du type sans contact.

On a recours à une mesure de microdéplacement à titre de moyen essentiel pour l'explication de divers phénomènes, pour l'utilisation industrielle de ces phénomènes et pour la commande automatique de différents dispositifs servant à une telle utilisation. Pour effectuer une mesure de microdéplacement, il est nécessaire de procéder sans contact, en vue d'éviter une déformation locale de l'objet soumis à la mesure, sous l'effet d'une pression engendrée lors de celle-ci, ou bien à cause du fait que cet objet est en rotation continue.

Il est bien connu d'utiliser, comme dispositif de mesure de microdéplacement du type sans contact, un dispositif utilisant les courants de Foucault, un dispositif de mesure optique ou un dispositif de mesure de déplacement à capacité électrostatique. Dans un dispositif de mesure connu de ce type, l'électrode est disposée en regard d'un objet soumis à la mesure, et un déplacement de très faible amplitude de cet objet est détecté en utilisant la variation de capacité électrostatique résultant de la variation de la surface de l'objet. Cette variation de capacité électrostatique est transformée en une variation de fréquence par un circuit oscillateur, puis en une variation de tension. Dans un autre exemple de dispositif de mesure connu, la capacité électrostatique est mesurée sous la forme d'une impédance au moyen d'un circuit comprenant un pont de mesure.

Dans les deux cas, la variation de tension est une fonction non linéaire du déplacement et il est par conséquent nécessaire d'utiliser un circuit de linéarisation.

Toutefois, le dispositif connu de mesure de déplacement du type à capacité électrostatique a une structure compliquée. Plus précisément, le bon fonctionnement d'un tel dispositif dépend dans une large mesure de la fonction de linéarisation du circuit linéariseur. En conséquence, ce circuit linéariseur doit être capable de performances très élevées. La présence d'un tel circuit linéariseur à hautes performances se traduit non seulement par une diminution de la stabilité du dispositif de mesure de déplacement, mais encore par une augmentation du coût de fabrication.

L'invention a donc pour but de fournir un dispositif de mesure de microdéplacement, du type sans contact, dans lequel les difficultés mentionnées ci-dessus, inhérentes au dispositif de mesure de déplacement connu, ont été éliminées.

A cet effet, le dispositif de mesure de microdéplacement selon l'invention présente les caractéristiques spécifiées dans la revendica-5 tion 1.

L'invention sera mieux comprise grâce à la description détaillée qui va suivre, en se référant au dessin annexé dans lequel:

la fig. 1 est un diagramme explicatif montrant l'agencement du dispositif de mesure de microdéplacement, conformément à une première forme d'exécution du dispositif selon l'invention;

les fig. 2a à 2d sont des schémas représentant diverses formes d'exécution des électrodes utilisées dans le dispositif selon l'invention;

les fig. 3a à 3c sont des vues latérales représentant divers exemples de la manière dont sont disposées les électrodes;

la fig. 4 est un schéma de circuit équivalent illustrant le raccordement d'un oscillateur à cristal avec les capacités électrostatiques formées par les électrodes du dispositif de mesure de la fig. 1 ; 20 les fig. 5a et 5b sont des représentations sous forme graphique des caractéristiques de fonctionnement du dispositif de mesure selon l'invention;

la fig. 6 est également une représentation graphique montrant la manière dont on peut faire varier les caractéristiques de fonctionne-25 ment;

les fig. 7 et 8 sont des représentations graphiques indiquant les résultats de mesure effective des caractéristiques d'un dispositif expérimental conforme à l'invention;

les fig. 9a et 9b sont des schémas illustrant l'agencement général 30 d'un dispositif de transmission du signal de sortie du dispositif de mesure selon l'invention, et les fig. 10a, 10b et 10c sont des schémas illustrant d'autres exemples du dispositif de mesure selon l'invention, employés pour la mesure du diamètre d'un trou et du diamètre extérieur d'un objet cylin-35 drique.

Dans le dispositif représenté à la fig. 1, une électrode principale Em et une électrode auxiliaire Es sont disposées en regard de la surface d'un objet A dont on désire mesurer le déplacement. Le rapport de la superficie de l'électrode principale EM à celle de l'électrode 40 auxiliaire Es a la valeur N : 1. Plus précisément, la disposition des électrodes est telle que, lorsque l'objet A est au repos, les deux électrodes sont placées à une distance d de la surface de l'objet A soumis à la mesure.

Par conséquent, lorsque l'objet A est au repos, la capacité élec-45 trostatique CM entre l'objet A et l'électrode principale EM est égale à N fois la capacité électrostatique Cs entre l'objet A et l'électrode auxiliaire Es. Les capacités cm et Cs sont raccordées en série aux oscillateurs OSCj et OSC2 par l'intermédiaire des oscillateurs à cristal Xtalj et Xtal2, respectivement. Par conséquent, les oscillateurs 50 OSCj et OSC2 engendrent des signaux FM et Fs dont les fréquences sont respectivement définies par les oscillateurs à cristal Xtalj et Xtal2 et les capacités électrostatiques CM et Cs. Ces signaux FM et Fs sont appliqués à un mélangeur MIX, dans lequel ils sont mélangés, ce qui se traduit par le fait qu'un signal f, ayant une fréquence 55 intermédiaire entre celle des signaux Fs et FM, est fourni à une borne de sortie.

Diverses formes d'exécution de l'électrode principale et de l'électrode auxiliaire Es sont illustrées aux fig. 2a et 2d. Dans le cas de la forme d'exécution représentée à la fig. 2a, on utilise une élec-60 trode principale EM et une électrode auxiliaire Es qui ont toutes deux une forme rectangulaire. Dans le cas de la forme d'exécution représentée à la fig. 2b, on utilise une électrode principale annulaire et une électrode auxiliaire circulaire. Dans le cas de la forme d'exécution représentée à la fig. 2c, deux électrodes principales rectangu-65 laires et deux électrodes auxiliaires rectangulaires sont disposées de manière alternée. Dans le cas de la forme d'exécution représentée à la fig. 2d, deux électrodes principales rectangulaires et deux électrodes auxiliaires rectangulaires sont disposées en diagonale. Il est clair

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250 x 88,54 x 150/d J (5)

que les formes d'exécution des électrodes représentées aux fig. 2a à Si F = 20 MHz et si les superficies de l'électrode principale et de

2d ne constituent que des exemples non limitatifs. l'électrode auxiliaire sont respectivement 150 et 50 mm2, la fré-

D'autres exemples de disposition de l'électrode principale et de quence FM du signal de sortie de l'oscillateur, délivrée à travers l'électrode auxiliaire sont illustrés aux fig. 3a à 3c. Dans le cas de la l'électrode principale, et la fréquence Fs du signal de sortie de l'oscil-forme d'exécution représentée à la fig. 3a, l'électrode principale EM 5 lateur, délivrée à travers l'électrode auxiliaire, sont respectivement est séparée par un intervalle d de l'objet A, l'électrode auxiliaire Es de: , j

étant séparée de cet objet par une distance (d + y). Les électrodes = 20 x 106| 1 +-

sont placées parallèlement à la surface de l'objet soumis à la mesure.

Dans le cas de la forme d'exécution représentée à la fig. 3b, les deux p _ 20 x \06fl -| L

électrodes sont disposées de manière à former un angle a avec la sur- 10 s 1 250 x 88,54 x 50/d I (6)

face de l'objet. Dans ce cas, le fonctionnement du dispsoitif est le T „ , „

même que dans le cas de la forme d'exécution représentée à la ^ ^Ftf,,du slf de,sortie ',°S"1;eur' l"1 est obtenue fig. 3a. La fig. 3c illustre le cas dans lequel la surface de l'objet est dans le ca* °u 1 defro<îe aUX1,llalre eSt deCalee d Une dlStanCe y par cylindrique ou sphérique. Dans ce cas, une électrode principale EM ^électrode principale, comme represente a la fig. 3a, est et deux électrodes auxiliaires ESi et ES2 sont disposées dans un seul is onnee Par- ^

et même plan. Comme dans le cas des formes d'exécution représen- ^s' = 20 x 100/ 1 +250 xgg 54x50/(d+y) F (7)

tées aux fig. 3a et 3b, les électrodes auxiliaires sont placées à une V ' '

plus grande distance de la surface de l'objet que l'électrode princi- Les caractéristiques de fonctionnement du dispositif sont illustrées à pale. Il va de soi que, dans le cas où la surface de l'objet soumise à la la fig. 5. Dans ce cas, l'électrode principale EM et la première élec-mesure n'est pas plane, l'électrode auxiliaire peut être décalée par 20 trode auxiliaire Es sont disposées dans un seule et même plan et la rapport à l'électrode principale de manière similaire au cas de la seconde électrode auxiliaire Es' est placée en retrait avec un inter-

forme d'exécution représentée à la fig. 3a. valle y par rapport à la première électrode auxiliaire Es. Les trois

Le circuit équivalent représenté à la fig. 4 comprend un oscilla- électrodes EM, Es et Es' sont disposées en parallèle avec la surface teur à cristal qui est un élément déterminant la fréquence du disposi- de mesure d'un objet A soumis à la mesure. Le rapport des superfi-tif de mesure de microdéplacement qui fournit un signal modulé en 25 cies de chacune des électrodes auxiliaires Es et Es' à la superficie de fréquence, ainsi que la capacité électrostatique entre l'électrode prin- l'électrode principale EM est de 1/3. Lorsque l'on mesure le déplace-cipale ou l'électrode auxiliaire et l'objet soumis à la mesure. La ca- ment de l'objet A au moyen des électrodes EM, Es et Es', raccordées pacité électrostatique Cd, entre l'électrode et l'objet, et la capacité à un seul et même oscillateur, les fréquences FM, Fs et Fs' des électrostatique Cc, qui est une constante du circuit de l'oscillateur, signaux de sortie fournis par l'oscillateur ont des courbes caractéris-sont connectées à l'oscillateur à cristal Xtal représenté à l'intérieur 30 tiques de variation différentes, comme représenté à la fig. 5a. En d'un cadre en trait discontinu à la fig. 4. En général, un oscillateur à d'autres termes, la relation entre les fréquences du signal correspon-cristal Xtal est représenté par un circuit obtenu en raccordant la ca- dant à l'électrode principale EM et du signal correspondant à la pre-pacité électrostatique CQ en parallèle avec un circuit en série com- mière électrode auxiliaire Es est donnée par la différence entre les posé de la résistance R,, la capacité électrostatique Ct et l'indue- équations (5) et (6) indiquées plus haut. D'autre part, en ce qui con-tance L!. La capacité Cc raccordée à l'oscillateur à cristal Xtal est 35 cerne la seconde électrode auxiliaire Es', la courbe caractéristique de beaucoup plus grande que la capacité Cd(Cc » Cd) et on peut consi- variation de la fréquence est décalée de y le long de l'axe horizontal dérer que la capacité équivalente CL des capacités Cc et Cd est prati- à cause du fait que la seconde électrode auxiliaire est placée en quement égale à la capacité Cd. arrière par rapport à la première électrode auxiliaire Es. Ainsi, la

La fréquence du circuit représenté à la fig. 4 est déterminée par fréquence Fs' du signal de sortie correspondant est donnée par l'équation suivante: 40 l'équation (7).

p. _ P / Cj Vl Lorsque l'on mélange, d'une part, les signaux de fréquence FM et

° 1 +C +C / n\ et' d'autre Part> 'es signaux de fréquence FM et Fs', on obtient

' des fréquences de battement f, comme illustré à la fig. 5b. Les fré-Toutefois, du fait que CL = Cd, l'équation (1) peut être écrite de la quences de battement correspondent à la différence de fréquences manière suivante: 45 (Fs — FM) entre le signal de fréquence Fs correspondant à la pre-

/ Cj y. / j y mière électrode auxiliaire et le signal de fréquence FM correspondant

2 à l'électrode principale et à la différence de fréquence (Fs' — FM)

0 ^ 0/ 1+/ (2) entre le signal de fréquence Fs' correspondant à la seconde électrode

Si Cb/C, = 250 et C0 = 2,5 (pF), qui sont généralement utilisées auxiliaire et le signal de fréquence FM correspondant à l'électrode comme constantes de l'oscillateur à cristal, sont introduites dans 50 PrlnclPale- Lorsque l'amplitude de déplacement augmente à partir l'équation (2), on a Ct =0 01 (pF) et de la valeur nulle, chacune des fréquences de battement augmente jusqu'à une valeur maximale, puis diminue progressivement.

F-Fn(,+_L_\* Les courbes caractéristiques indiquant les variations des fréquen-

°\ 250+100 C / ces de battement présentent des parties K et K'que l'on peut consi-

d 55 dérer comme pratiquement linéaires, comme représenté à la fig. 5b.

, A (mm2) s La présence de ces parties linéaires K et K' rend inutile la présence ou d ~~—d (mm)—x10-3(pF) d'un circuit de linéarisation.

Dans le cas de la courbe caractéristique (Fs — FM), la fréquence avec = 8,854 (3) de battement f varie modérément avec le déplacement d. En consé-

o

60 quence, cette courbe caractéristique convient pour une large gamme

En conséquence, on peut écrire l'équation (3) sous la forme de l'ex- de mesures de déplacement. D'autre part, dans le cas de la courbe pression suivante (4)' caractéristique (Fs' — FM), la fréquence de battement f change de manière relativement importante avec le déplacement d. En consé-

F0 / j _j ! Aï quence, cette courbe caractéristique correspond à une résolution ex-

250 +100 x Ae0 x ss/d x 103y 65 celiente.

. . La courbe caractéristique prend une forme de plus en plus escar-

F0 f 1+22Ö—88 54 A/dP P®e l°rsclue 'a valeur du décalage de l'électrode auxiliaire par rap-J (4) port à l'électrode principale augmente. En conséquence, en choisis-

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sant de manière appropriée la valeur du décalage y, on peut obtenir la valeur désirée de la résolution de la courbe caractéristique de la variation de la fréquence en fonction du déplacement. Si l'on place l'électrode auxiliaire plus près de l'objet que l'électrode principale, on peut obtenir une courbe caractéristique ayant une forme peu escarpée. On peut modifier la forme de la courbe caractéristique en faisant varier le rapport N de la superficie de l'électrode principale à celle de l'électrode auxiliaire.

La fig. 6 représente la courbe caractéristique de variation de la fréquence de battement f lorsque l'on modifie le décallage de l'électrode auxiliaire. Dans le cas de la courbe caractéristique comprenant une partie K!, la résolution est quelque peu insuffisante, mais le domaine de mesure est le plus étendu. Dans le cas des courbes caractéristiques comprenant les parties K2 et K3, la résolution est améliorée, mais l'étendue du domaine de mesure diminue. Dans le cas de la courbe caractéristique comprenant la partie K4, l'étendue du domaine de mesure est la plus petite, mais la résolution est la plus élevée. On peut transformer le signal de fréquence de battement en un signal numérique ou bien l'utiliser après conversion en un signal analogique.

Les courbes caractéristiques représentées aux fig. 7 et 8 correspondent à des mesures effectuées au moyen d'un dispositif de mesure expérimental conforme à l'invention. Plus précisément, on a indiqué à la fig. 7 la courbe caractéristique variation de fréquence (kHz) — déplacement (um) alors que la fig. 8 donne la caractéristique déplacement (|im) — erreur (%) et la caractéristique fréquence (Hz) — erreur (%). Dans le dispositif expérimental utilisé, les superficies de l'électrode principale EM et de l'électrode auxiliaire Es étaient respectivement de 9,8 x 21 mm et de 9,8 x 6 mm, ces électrodes étant disposées dans le même plan (y = 0). Les deux circuits oscillateurs étaient agencés de manière que, lorsque les électrodes principale et auxiliaire étaient placées en position de référence, on obtenait une fréquence de battement de l'ordre de 20 kHz.

Conformément au résultat de mesure, pour un déplacement de l'ordre de 300 um, la variation de fréquence était d'environ 1,1 kHz avec une précision d'environ 2%. Avec une marge d'erreur de 3%, la variation de fréquence était de 1319 Hz pour un déplacement de 347 um. En diminuant la marge d'erreur, l'amplitude de déplacement et la variation de fréquence diminuent. Pour une précision de 0,2%, la variation de fréquence était de 665 Hz pour un déplacement de 175 |im. Ces résultats sont indiqués à la fig. 7, dans laquelle les amplitudes de déplacement sont portées sur l'axe horizontal,

ainsi qu'à la fig. 8, dans laquelle les marges d'erreur sont portées sur l'axe horizontal.

Les fig. 9a et 9b illustrent des exemples de transmission du signal de sortie du dispositif selon l'invention. Cette transmission radio-

électrique permet d'effectuer une mesure à distance. La transmission radioélectrique peut être effectuée en utilisant les signaux de sortie des oscillateurs OSCj et OSC2, comme représenté à la fig. 9a, ou en utilisant le signal de sortie du mélangeur MIX, comme représenté à la fig. 9b.

Les fig. 10a, 10b et 10c illustrent des formes d'exécution du dispositif selon l'invention, employées pour mesurer le diamètre d'un trou et le diamètre extérieur d'un objet cylindrique. Plus particulièrement, la forme d'exécution représentée à la fig. 10a permet de mesurer le diamètre d'un trou à section droite, alors que la forme d'exécution représentée à la fig. 10b est destinée à la mesure des dimensions d'un trou conique. La forme d'exécution représentée à la fig. 10c permet de mesurer le diamètre extérieur d'un objet cylindrique.

Le principe de la forme d'exécution représentée à la fig. 10a est similaire à celle de la forme d'exécution, précédemment décrite, dans laquelle on mesure la distance entre un objet A et les électrodes. On se bornera donc à décrire la forme d'exécution représentée à la fig. 10b. Dans ce cas, du fait que la position de mesure est modifiée suivant l'enfoncement dans le trou, le diamètre mesuré change également. La position de mesure se trouve au centre, par rapport à la direction verticale, au niveau de l'électrode principale. Cela s'applique également au cas de la forme d'exécution représentée à la fig. 10a. Deux électrodes auxiliaires ESI et ES2 sont disposées symétriquement par rapport à l'électrode principale EM et ont un agencement identique. Ainsi, les électrodes auxiliaires fonctionnent de manière complémentaire, ce qui permet la mesure du diamètre du trou au niveau du centre de l'électrode principale.

On introduit les électrodes EM, ES1 et ES2 à l'intérieur du trou. Du fait que la mesure indique la distance moyenne entre l'objet et l'électrode, il n'est pas toujours nécessaire de placer les électrodes au centre du trou. C'est le cas, par exemple, dans la forme d'exécution représentée à la fig. 10c, qui permet de mesurer le diamètre extérieur d'un objet cylindrique.

D'après la description qui précède, on comprendra aisément que deux électrodes ou deux groupes d'électrodes ayant des superficies différentes sont placées en regard d'un objet soumis à la mesure, de sorte que deux capacités électrostatiques sont formées entre l'objet et les électrodes, et l'on combine ces capacités avec les circuits oscillateurs de manière à fournir un signal de déplacement correspondant à la différence des fréquences des signaux fournis par ces circuits. On obtient ainsi un signal dont la fréquence varie linéairement en fonction du déplacement de l'objet. Le dispositif de mesure selon l'invention permet, par conséquent, contrairement au dispositif connu, d'effectuer une mesure de microdéplacement, sans contact, sans utiliser un circuit linéariseur.

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1. Dispositif de mesure de microdéplacement d'un objet, du type sans contact, caractérisé par le fait qu'il comprend: une électrode principale (EM) et une électrode auxiliaire (Es) ayant des superficies différentes et disposées en regard de l'objet (A) soumis à la mesure, de manière à former deux capacités électrostatiques (CM, Cg) entre cet objet et, respectivement, cette électrode principale et cette électrode auxiliaire; deux circuits oscillateurs (OSQ, OSC2) couplés avec ces deux capacités électrostatiques de façon à fournir des signaux dont les fréquences varient en fonction de ces capacités respectives; un mélangeur (MIX) recevant les signaux de sortie de ces circuits oscillateurs, de manière à fournir un signal (f) ayant une fréquence donnée par la différence entre les fréquences de ces signaux de sortie des circuits oscillateurs, et un circuit de conversion du signal de sortie de ce mélangeur en un signal de type désiré.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'électrode auxiliaire est décalée, d'une distance prédéterminée, par rapport à l'électrode principale.

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REVENDICATIONS

3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les signaux de sortie des circuits oscillateurs, ou le signal de sortie du mélangeur, sont transmis par voie radioélectrique à un circuit récepteur.

4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que chacun des circuits oscillateurs comprend un circuit oscillateur à cristal.