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REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de l'écart de position d'une petite portion de surface, caractérisé par la mesure de la variation d'intensité de la lumière réfléchie par cette surface, celle-ci étant éclairée sous la forme d'une ou de plusieurs petites taches focalisées de lumiére visible ou infrarouge modulées, la prise de mesure étant elle aussi focalisée et synchrone par rapport aux fréquences de modulation desdites taches.
2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par la présence d'au moins un émetteur lumineux focalisé (11, 12) émettant au moins un faisceau modulé et disposé de manière telle que l'optique forme sur la surface dont on veut mesurer le déplacement de petites taches lumineuses distinctes (35 et 36) et par la présence d'au moins un circuit détecteur focalisé (15, 16) observant lesdites taches lumineuses faisant angle avec le ou les faisceaux émis, muni d'un ou de plusieurs éléments photosensibles (17) dont les signaux sont adressés à un nombre au moins équivalent de circuits démodulateurs synchrones dont les signaux sont utilisés soit directement, soit sous la forme de leur ratio après amplification préalable.
3. Application du procédé selon la revendication 1 pour l'asservissement de position d'une surface, le signal de position mesuré ser-' vant de grandeur d'entrée au circuit d'asservissement.
4. Application du procédé selon la revendication 1 pour la mesure de la vitesse et/ou du sens de déplacement d'un objet mobile, caractérisé par la mesure et/ou la mémorisation de la chronologie d'apparition et/ou de disparition des signaux correspondant à au moins deux taches lumineuses, ces dernières étant issues de deux émetteurs distincts et/ou détectées par deux capteurs distincts.
De nombreuses méthodes sont proposées pour la détermination
à distance de la position d'une surface, chacune adaptée au but poursuivi. Citons les méthodes utilisant les ultrasons, le laser ou le radar.
L'objet de la présente invention est de déterminer avec des moyens simples la position d'une portion limitée de surface dans des conditions difficiles où cette surface est caractérisée par de petites dimensions et une réflectivité faible.
Le procédé selon l'invention est défini dans la revendication 1.
Dans une première forme de réalisation représentée à la fig. 1, un
émetteur de lumière quasi ponctuel 11 est focalisé par un objectif 12
sur une portion 13 de la surface à observer 14. Une deuxième opti
que 15 décalée angulairement par rapport à la précédente donne une
image 16 de la tache lumineuse 13 qui, pour une position prédéter
minée de la surface 14, coïncide avec un photodétecteur 17.
L'un et l'autre des dispositifs optiques peuvent être semblables à
celui décrit dans le brevet US No 4210192: l'élément sensible et le
diffuseur sont alors remplacés par une source lumineuse appropriée
pour l'un d'eux.
Il est évident qu'un déplacement du plan 14 en avant ou en ar
rière a comme conséquence un déplacement de la tache de lumière
13 et, par conséquent, de son image 16 par rapport à l'élément pho
tosensible 17. De plus, l'image étant progressivement défocalisée lors
de ce déplacement, la lumière reçue par l'élément photosensible dé
croît rapidement, la tache 13 et son image 16 devenant diffuses.
Un tel système étant destiné à fonctionner quel que soit l'éclaire
ment ambiant, la source de lumière sera choisie de manière à fournir
un flux lumineux pulsant. On se servira donc d'une source lumineuse
modulée, le détecteur étant alors utilisé de manière que seule la com
posante alternative du signal soit prise en considération.
Diverses sources lumineuses connues peuvent être utilisées: les
lampes à filament de tungstène fournissent une intensité lumineuse
visible élevée, mais ne permettent qu'une modulation de basse fréquence, vu l'inertie thermique du filament. On peut aussi utiliser une diode photoémissive en lumière visible ou en infrarouge ou encore un laser. Dans ce dernier cas, l'optique peut être simplifiée ou même supprimée.
Une autre forme de réalisation non représentée consiste à moduler mécaniquement le flux lumineux d'une lampe à filament par le jeu d'un obturateur tournant motorisé ou d'un miroir oscillant, tous dispositifs connus.
L'élément photosensible sera de préférence une photorésistance, une photodiode ou un phototransistor, ce dernier élément se prêtant particulièrement bien à la détection d'un faible signal modulé malgré la présence d'une composante continue élevée de lumière issue de l'ambiance.
La fig. 2 montre comment un phototransistor 21 est polarisé par un diviseur résistif 22, 23. Le courant d'émetteur est défini par la résistance 24 découplée par un condensateur 25. Le signal modulé est prélevé à la résistance de collecteur 26 par un condensateur de liaison 27. Ce montage connu n'est que peu influencé par le niveau moyen d'éclairement, ne réagissant qu'au flux lumineux modulé.
Le circuit non représenté suivant le photoélément sera un amplificateur-redresseur, par exemple du type synchrone connu: seule la composante alternative correspondant à la fréquence de synchronisation sera alors prise en considération, celle-ci étant naturellement la même que celle de modulation du flux lumineux.
Cette explication fournie, la fig. 3 montre une autre forme plus élaborée de réalisation.
Deux sources lumineuses focalisées 31 et 32 sont associées à deux systèmes détecteurs focalisés 33 et 34. Pour une position médiane du plan objet 39, le système récepteur 33 détecte la tache lumineuse 35 issue de l'émetteur 31. L'autre système, soit 34, détecte la tache 36 issue de l'émetteur 32.
Par un déplacement du plan 39 en avant ou en arrière, le détecteur 33 détectera la tache 38, le détecteur 34 ne voyant plus rien: rapprochement. Inversement le détecteur 33 ne voyant plus rien, le détecteur 34 recevra la tache 37: éloignement.
Il suffit alors de moduler les sources 31 et 32 à des fréquences différentes et d'adresser les signaux issus des détecteurs 33 et 34 à chacun des deux amplificateurs-démodulateurs synchrones pour différencier les trois cas de position.
Le dispositif ayant également pour but de fournir une indication analogique de la distance, les dimensions relatives du déplacement à mesurer et des taches lumineuses seront choisies de manière que les signaux modulés issus des capteurs ne disparaissent que progressivement. Il suffira alors d'en déterminer le ratio au moyen d'un circuit quotientmètre connu, éventuellement après amplification variable automatique préalable s'il s'agit de compenser de grandes différences dans le pouvoir réfléchissant de la surface observée: le ratio des signaux modulés ne dépend que de la distance, non du pouvoir réfléchissant.
Pour les mêmes raisons, à savoir l'utilisation d'un faisceau lumineux focalisé et modulé associé à une détection focalisée et démodulée de manière synchrone, le dispositif pourra être utilisé indifféremment sur des surfaces à très faible restitution de lumière, sur la surface libre de métal en fusion, sur celle d'un liquide ou encore d'un
objet se déplaçant. Dans ce dernier cas, il est évident que la fré
quence de modulation doit être choisie à une valeur suffisamment
élevée, fonction de la vitesse de déplacement de la surface.
Dans le but de simplifier la construction, la paire de faisceaux lumineux 31 et 32 peut être issue d'un tube unique ne comprenant
qu'une seule optique, les deux sources lumineuses étant deux diodes
photoémettrices juxtaposées.
Pour les mêmes raisons, la paire de détecteurs 33 et 34 sera réali
sée par la juxtaposition de deux phototransistors derrière une opti
que commune.
Par extension, on comprendra que la source de lumière peut
n'être qu'unique, le détecteur étant, lui, constitué de plusieurs élé
ments discrets et juxtaposés. Les circuits qui leur sont associés fonc
tionneront alors en ratiomètres, toujours dans le but de s'affranchir
du coefficient de réflexion de la surface observée.
Inversement, plusieurs sources lumineuses modulées à des fré
quences différentes formeront plusieurs taches distinctes. Une cellule de détection unique observera l'une ou l'autre de ces taches ou la partie commune de deux d'entre elles juxtaposées: la position de la surface observée sera alors définie par la fréquence du signal correspondant à l'une ou à l'autre tache, soit à l'une ou à l'autre source,
I'information analogique pouvant être obtenue à partir du quotient des amplitudes de deux signaux de fréquences différentes.
Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le ou les photoéléments de détection sont remplacés par le tube image d'une caméra de télévision. Le positionnement est alors aisément déterminé par l'analyse des signaux de chacune des lignes de l'image si l'on convient de disposer le tube de manière que l'image ou les images des différents émetteurs se déplacent perpendiculairement aux lignes de balayage.
La difficulté d'un asservissement étant souvent liée à la mesure de la variable à régler, il est à comprendre que la présente invention peut également être mise à profit comme moyen de mesure dans un système automatique à asservissement lorsque cet asservissement se réfère à la position d'une surface ou d'une portion de surface dont l'accès mécanique est impossible.
Par exemple, la position de la surface libre de métal en fusion peut être appréciée par ce procédé: I'émissivité intense du métal ne gêne pas, puisque la lumière utilisée (visible ou non) est modulée. De même, la présence de scories ou d'une pellicule d'oxyde ne peut avoir d'influence, l'utilisation de deux faisceaux modulés à des fréquences différentes permettant d'extraire le ratio de deux signaux pour lesquels l'atténuation est identique.
Dans le cas d'un objet mobile, se déplaçant d'arrière en avant par rapport à la fig. 3, les taches détectées apparaissent dans l'ordre successif 37, puis 35 et 36, enfin 38. Une mémorisation de cet ordre d'apparition permettra de connaître le sens du déplacement, l'ordre inverse correspondant évidemment à un mouvement d'avant en arrière. La vitesse de cette succession, mesurée numériquement dans le cas d'une détection par tout ou rien ou analogiquement, dans le cas d'une mesure proportionnelle des ratios des intensités des signaux de fréquences différentes, donnera une image de la vitesse du déplacement.
Enfin, dans le cas d'un déplacement latéral, de gauche à droite ou inversement, le mobile peut être muni d'un petit élément situé dans le plan 39 qui donnera successivement lieu aux taches 35 puis 36 ou inversement. Là encore, on peut, de manière analogue à celle énoncée plus haut, connaître le sens et la vitesse du déplacement sous réserve d'en connaître la direction.
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CLAIMS
1. A method for measuring the position deviation of a small portion of the surface, characterized by measuring the variation in intensity of the light reflected by this surface, the latter being illuminated in the form of one or more several small focused spots of visible or infrared light modulated, the measurement being also focused and synchronous with respect to the modulation frequencies of said spots.
2. Device for implementing the method according to claim 1, characterized by the presence of at least one focused light emitter (11, 12) emitting at least one modulated beam and arranged in such a way that the optics form on the surface whose displacement of small distinct light spots (35 and 36) is to be measured and by the presence of at least one focused detector circuit (15, 16) observing said light spots making an angle with the emitted beam or beams, provided with one or more photosensitive elements (17) whose signals are addressed to an at least equivalent number of synchronous demodulator circuits whose signals are used either directly or in the form of their ratio after prior amplification.
3. Application of the method according to claim 1 for the position control of a surface, the measured position signal serving as input variable to the control circuit.
4. Application of the method according to claim 1 for measuring the speed and / or the direction of movement of a mobile object, characterized by measuring and / or memorizing the chronology of appearance and / or disappearance of the signals corresponding to at least two light spots, the latter coming from two separate emitters and / or detected by two separate sensors.
Many methods are proposed for determining
away from the position of a surface, each adapted to the aim pursued. These include methods using ultrasound, laser or radar.
The object of the present invention is to determine with simple means the position of a limited portion of surface under difficult conditions where this surface is characterized by small dimensions and a low reflectivity.
The method according to the invention is defined in claim 1.
In a first embodiment shown in FIG. 1, a
quasi-point light emitter 11 is focused by a lens 12
on a portion 13 of the surface to be observed 14. A second opti
that 15 angularly offset from the previous one gives a
image 16 of the light spot 13 which, for a predetermined position
mined from the surface 14, coincides with a photodetector 17.
Either optical device may be similar to
that described in US Patent No. 4,210,192: the sensitive element and the
diffuser are then replaced by an appropriate light source
for one of them.
It is obvious that a displacement of the plane 14 forward or backward
laughing results in a displacement of the spot of light
13 and therefore its image 16 with respect to the pho element
tosensible 17. In addition, the image being progressively defocused during
from this displacement, the light received by the photosensitive element de
grows rapidly, the spot 13 and its image 16 becoming diffuse.
Such a system being intended to operate whatever the light
ambient light source will be chosen to provide
a pulsating light flux. We will therefore use a light source
modulated, the detector then being used so that only the com
alternative signal posing is taken into consideration.
Various known light sources can be used:
tungsten filament lamps provide light intensity
visible high, but only allow a low frequency modulation, given the thermal inertia of the filament. One can also use a photoemissive diode in visible light or infrared or a laser. In the latter case, the optics can be simplified or even eliminated.
Another embodiment not shown consists in mechanically modulating the luminous flux of a filament lamp by the play of a motorized rotary shutter or an oscillating mirror, all known devices.
The photosensitive element will preferably be a photoresistor, a photodiode or a phototransistor, this latter element being particularly suitable for the detection of a weak modulated signal despite the presence of a high continuous component of light coming from the environment.
Fig. 2 shows how a phototransistor 21 is polarized by a resistive divider 22, 23. The emitter current is defined by the resistor 24 decoupled by a capacitor 25. The modulated signal is taken from the collector resistor 26 by a connecting capacitor 27 This known arrangement is only slightly influenced by the average level of illumination, reacting only to the modulated light flux.
The circuit not shown according to the photoelement will be an amplifier-rectifier, for example of the known synchronous type: only the alternative component corresponding to the synchronization frequency will then be taken into account, this being naturally the same as that of modulation of the light flux .
This explanation provided, fig. 3 shows another more elaborate embodiment.
Two focused light sources 31 and 32 are associated with two focused detector systems 33 and 34. For a median position of the object plane 39, the receiver system 33 detects the light spot 35 coming from the transmitter 31. The other system, namely 34 , detects the spot 36 from the transmitter 32.
By moving the plane 39 forwards or backwards, the detector 33 will detect the spot 38, the detector 34 no longer seeing anything: approximation. Conversely, the detector 33 no longer seeing anything, the detector 34 will receive the task 37: distance.
It then suffices to modulate the sources 31 and 32 at different frequencies and to send the signals from the detectors 33 and 34 to each of the two synchronous amplifier-demodulators to differentiate the three position cases.
The device also having the aim of providing an analog indication of the distance, the relative dimensions of the displacement to be measured and of the light spots will be chosen so that the modulated signals coming from the sensors only disappear progressively. It will then suffice to determine the ratio by means of a known quotientmeter circuit, possibly after prior automatic variable amplification if it is a question of compensating for large differences in the reflecting power of the surface observed: the ratio of the modulated signals does not depends only on the distance, not on the reflecting power.
For the same reasons, namely the use of a focused and modulated light beam associated with a focused and demodulated detection synchronously, the device can be used equally on surfaces with very low light reproduction, on the free surface of molten metal, on that of a liquid or of a
moving object. In the latter case, it is evident that the fré
modulation frequency must be chosen at a sufficiently high value
high, depending on the speed of movement of the surface.
In order to simplify the construction, the pair of light beams 31 and 32 can come from a single tube not comprising
only one optic, the two light sources being two diodes
juxtaposed photoemitters.
For the same reasons, the pair of detectors 33 and 34 will be realized
created by the juxtaposition of two phototransistors behind an opti
than common.
By extension, it will be understood that the light source can
be unique, the detector being made up of several elements
discrete and juxtaposed elements. The circuits associated with them
will then use ratiometers, always with the aim of freeing themselves
the reflection coefficient of the observed surface.
Conversely, several light sources modulated at fre
different quences will form several distinct spots. A single detection cell will observe one or other of these spots or the common part of two of them juxtaposed: the position of the surface observed will then be defined by the frequency of the signal corresponding to one or more other task, either from one or the other source,
Analog information being obtainable from the quotient of the amplitudes of two signals of different frequencies.
In another embodiment of the invention, the detection photoelement (s) are replaced by the image tube of a television camera. The positioning is then easily determined by the analysis of the signals of each of the lines of the image if it is agreed to arrange the tube so that the image or the images of the different transmitters move perpendicular to the scanning lines.
As the difficulty of a servo is often linked to the measurement of the variable to be adjusted, it is to be understood that the present invention can also be used as a measurement means in an automatic servo system when this servo refers to the position a surface or a portion of a surface to which mechanical access is impossible.
For example, the position of the free surface of molten metal can be appreciated by this method: the intense emissivity of the metal does not interfere, since the light used (visible or not) is modulated. Similarly, the presence of slag or an oxide film cannot have any influence, the use of two beams modulated at different frequencies making it possible to extract the ratio of two signals for which the attenuation is identical.
In the case of a mobile object, moving from back to front relative to FIG. 3, the spots detected appear in successive order 37, then 35 and 36, finally 38. A memorization of this order of appearance will make it possible to know the direction of movement, the reverse order obviously corresponding to a movement from before back. The speed of this succession, measured numerically in the case of an all-or-nothing detection or analogically, in the case of a proportional measurement of the ratios of the intensities of the signals of different frequencies, will give an image of the speed of the displacement.
Finally, in the case of a lateral movement, from left to right or vice versa, the mobile can be provided with a small element located in the plane 39 which will successively give rise to spots 35 then 36 or vice versa. Here again, it is possible, in a manner analogous to that stated above, to know the direction and the speed of the movement provided that the direction is known.