EP3071992A1 - Procede de reconstruction d'une surface d'une piece - Google Patents

Procede de reconstruction d'une surface d'une piece

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Publication number
EP3071992A1
EP3071992A1 EP14802033.2A EP14802033A EP3071992A1 EP 3071992 A1 EP3071992 A1 EP 3071992A1 EP 14802033 A EP14802033 A EP 14802033A EP 3071992 A1 EP3071992 A1 EP 3071992A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
envelope
profile
family
wave
signals
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP14802033.2A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Ekaterina IAKOVLEVA
Sylvain Chatillon
Steve MAHAUT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Publication of EP3071992A1 publication Critical patent/EP3071992A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/88—Sonar systems specially adapted for specific applications
    • G01S15/89—Sonar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
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    • G01S15/8906—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques
    • G01S15/8909—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration
    • G01S15/8915—Short-range imaging systems; Acoustic microscope systems using pulse-echo techniques using a static transducer configuration using a transducer array

Definitions

  • the object of the invention relates to a method of reconstructing the profile of a part by means of a transducer or ultrasonic sensor multielements for example, positioned in a medium for the propagation of a wave.
  • the invention applies for example for electronic scans using a transmitter element different from a receiver element. It is also used in acquisitions using all the signals transmitted and transmitted element by element of the transducer, of the total capture type or FMC (Full Matrix Capture).
  • FMC Full Matrix Capture
  • the technique according to the invention is used in particular for two-dimensional or three-dimensional reconstructions of the profile of a part.
  • Phased array ultrasonic transducers are increasingly used for non-destructive testing of industrial components. This technology makes it possible to adapt and control an ultrasonic beam within a piece of known geometry by applying delays in transmission and reception to each of the elements of the transducer.
  • imaging methods that are based on the calculation of delay laws or flight time are used, it is necessary to have a perfect or complete knowledge of the geometry of the inspected part. If this knowledge is not available, the imaging methods become inoperative or unreliable, and their implementation requires the prior application of a surface reconstruction technique.
  • the part whose profile and sensor are to be reconstructed is immersed in a fluid, often in water which serves as coupling.
  • a first known technique of the prior art is based on a measurement of the flight times between the elements of the sensor and the surface of the room, and the application of a reconstruction algorithm.
  • the measurement of flight time is performed on the signals received during a simple electronic scan.
  • FIG. 1 represents this reconstruction technique for an acquisition in transmit / receive, element by element or simple electronic scanning.
  • the technique used in the reconstruction consists of sending and receiving with a single element Ej of center C ⁇ and then measuring, at the level of the same element, the flight time of the surface echo, / j.
  • the measured time which corresponds to the shortest round-trip time set by the ultrasound to return to the transducer: it therefore corresponds to a specular reflection at normal incidence on the surface of the piece.
  • the surface S of the part is locally tangent to this circle at the point P v
  • we gets a family of circles r c ⁇ CC 2 , ... ⁇ in the XZ plane.
  • the surface of the room is locally tangent to each circle of this family.
  • the desired surface is the envelope of the family of circles r c . It can be calculated analytically if we know the curve described by the points C v Indeed, in the case of a linear transducer, the equation of the circle of center C ⁇ c x ,) is given by:
  • R c ' is the derivative of R with respect to c x .
  • R corresponds to the discrete derivative of the rays R ⁇ . compared to the abscissa of the elements.
  • this reconstruction can also be performed using a mono-element sensor by performing a scan along the axis OX.
  • One of the drawbacks of this technique is that the mode of emission in electronic scanning, a single element of the transducer per shot, sometimes returns surface echoes of amplitudes too low to achieve a reliable measurement of flight times. This means that, locally, the angle formed by the tangent to the profile and the axis of the sensor is too large, and that the reflected wave does not necessarily reach a transducer receiver. The totality of flight times between the sensor and the surface is therefore not measured and the reconstructed geometry of the part may have significant deviations from the expected profile. Differences can also occur when the surfaces are too irregular and when they generate, for example, several intersecting echoes.
  • FTP for All-Points Focusing which mainly applies to signal acquisitions on all the elements forming the reception sensor, of total capture type or "Full Matrix Capture” supra.
  • FMC acquisition gives access to data that is often much richer and more complete than those provided by simple electronic scans, particularly in the case of surfaces that are too irregular.
  • the complete profile of the piece is then obtained in three stages:
  • the set of points obtained then forms the desired profile, and can then be smoothed.
  • the number of points forming the profile is not limited by the number of elements N of the sensor.
  • Patent FR 2 379 823 describes a method and a device for determining the geometrical configuration of the submerged portion of icebergs by using in particular a reflection point corresponding to a portion of the iceberg by defining the outline of the iceberg as an envelope ellipses.
  • offset is used to designate the distance separating a transmitter from a receiver of a transducer, considered in the reference of the transducer.
  • transducer refers to a device composed of several elements emitter / receivers of ultrasound or other waves.
  • the object of the invention relates to a method for reconstructing a profile of a room, by using a transmitter / receiver device comprising N elements, said device being adapted to emit a wave propagating in a medium, comprising at least the following steps:
  • a is the length of the semi-major axis
  • b the length of the semi-minor axis of the ellipse
  • t flight time of the surface echo
  • v speed of propagation of the wave in the medium
  • Cx + 1; Cx j -i are the coordinates of the midpoint C j + i or C j -i.
  • transceiver pairs ⁇ E ,, R j ⁇ are used such that the distance k is identical for all the transmitting couples. receivers ⁇ ,, R j ⁇ and the above steps are performed to obtain the profile of the part.
  • a two-dimensional transceiver device can be used, and the envelope of a two-parameter ellipsoid family can be determined.
  • the set of signals associated with the same emitter E is grouped together, and the signals for the (N-1) receivers R j are acquired with i different from j.
  • a two-dimensional transceiver device can be used, and the envelope of a two-parameter ellipsoid family can be determined.
  • the wave used for the implementation of the method is an ultrasonic wave.
  • a threshold value S is used, the envelope of the received signal is compared and if the value of the envelope is lower than the threshold value, an interpolation method is used from the two nearest values to find the missing value.
  • FIG. 1 a diagram for a first technique according to the prior art
  • FIG. 2 a device configuration for reconstructing a profile of a part
  • FIG. 3 an example of reconstruction of a surface according to a first variant embodiment
  • FIG. 4 an example of a sequence of the steps of the method of FIG.
  • FIG. 5 an example of reconstruction of a surface of a part according to a second variant embodiment
  • FIG. 6 an example of a sequence of steps for implementing the method of FIG. 5.
  • FIG. 2 represents a part 10 with a sinusoidal profile, immersed in a liquid 11, a multi-element sensor 12 which is connected to a signal processing device 13, in particular adapted to perform the measurement of the flight time and to execute the steps for determining the profile.
  • An element 12i comprises for example a transmitter Ei and a receiver Ri.
  • the method according to the invention is a technique for determining the profile of a workpiece using an immersion transducer based on a measurement of the flight times between the elements of the sensor and the workpiece, for example its surface.
  • the measurement of the flight times is performed on the signals received during a FMC acquisition or an electronic scan by considering an element of the transmitting transducer and a receiving transducer element of different rank.
  • FIG. 3 schematizes the reconstruction of a profile of a part according to a first mode of implementation of the method according to the invention, called offset reconstruction.
  • the reconstruction by common offset is applied to the data received on a sensor by grouping the signals S, j having the same offset k, that is to say the same distance between a transmitter E, and a receiver R j .
  • the data is represented in the offset coordinates h and midpoint Q defined by:
  • the process will perform ⁇ / -1 independent reconstructions.
  • the method allowing the offset reconstruction having the same value for all the transmitter / receiver pairs comprises, for example, the following steps, FIG. 5:
  • equation A By solving the system of equations known to those skilled in the art for the calculation of an envelope of a family of surfaces, equation A.2, the coordinates of the different points P defining the surface of the part in the reference frame are obtained. of the sensor.
  • FIG. 4 schematizes the reconstruction of the profile of a surface according to a second variant embodiment.
  • the reconstruction of the part profile is applied to the data ordered by firing point, that is to say to the data grouping the set of signals ⁇ S ⁇ S ⁇ , ... ⁇ ⁇ associated with the same emitter E / ' .
  • N For a FMC acquisition, we will perform N independent reconstructions.
  • b is for example obtained by the formulas (2.5) or (2.5 ') or by
  • the method according to this second embodiment executes, for example, the following steps, FIG.
  • the method for reconstructing the profile of a part according to the invention performs at least the following steps:
  • Step 2 According to the first variant for each offset (or parameter k) or the second variant, for each transmitter / ' , the flight time of the surface echo is measured for each transceiver pair.
  • This flight time can be obtained by extracting the time of the maximum of the envelope of the received signal, for example.
  • an amplitude threshold S is applied to the envelope of the signal and the flight time corresponding to the surface echo is measured if the maximum of the envelope of the signal is greater than S.
  • T (C) corresponding to the flight time of the surface echo as a function of the midpoint C given by (2.3). If the amplitude of the signal received by the surface is less than S, then information on the surface is not available.
  • This missing flight time can be determined, for example, by interpolation from the two nearest non-zero T (C) values, to provide a regularly sampled T signal. Note that interpolation of flight times is not a necessary step.
  • Step 3 the points Pj of the desired profile are calculated.
  • the middle points C ⁇ , length of the half major axis a ⁇ and the half minor axis kj are calculated by (2.3).
  • the envelope of the family of ellipses is calculated using formulas (2.4).
  • the application of the procedure described above makes it possible to locally reconstruct the points of the profile of the part.
  • the desired profile can be obtained, for example, by a polynomial regression on the points reconstructed P
  • the profile is described by a polynomial of degree n.
  • the reconstructed profile is presented, for example, in a CAD file format.
  • the profile is described by segments connecting the set of reconstructed points P v.
  • the number of reconstructed points can be reduced by means of facet reduction methods such as, for example, the radius of curvature method or linearization linear regression method. It is also possible to use other known methods for smoothing the points obtained and present the profile in a more easily exploitable format or according to the processing implemented.
  • FIG. 5 represents an exemplary implementation of the first variant of the method.
  • the FMC acquisition was performed in immersion, on a piece with a sinusoidal profile, as shown in Figure 2.
  • the control is performed using a linear sensor 2MHz opening 89.4 mm and composed of 64 elements of width 1 .2 mm.
  • the material constituting the piece is homogeneous and made of stainless steel.
  • the examples given in relation to FIGS. 2 to 6 may be used with waves other than ultrasonic waves and a propagation medium different from water.
  • waves other than ultrasonic waves and a propagation medium different from water.
  • the propagation medium may be a fluid, a gas or a solid medium having good propagation properties.
  • the method according to the invention has notably the following advantages: a faster determination of the profile and simplicity of implementation while considering a number of processed data larger than the number used in the electronic scanning technique according to the prior art.

Abstract

Procédé de reconstruction d'un profil d'une pièce (10), en utilisant un dispositif émetteur/récepteur (12) comprenant N éléments, ledit dispositif étant adapté à émettre une onde se propageant dans un milieu, comportant au moins les étapes suivantes: A) recueillir les signaux Si,j réfléchis par la pièce soumise à l'onde, B) mesurer le temps de vol de l'écho de surface tj pour plusieurs couples émetteur-récepteur {EI,Rj}, C) construire la famille des ellipses Γc associées à ces couples émetteurs {EI,Rj}, D) calculer l'enveloppe de la famille des ellipses Γc, E) à partir de cette enveloppe déterminer les points Pi constituant le profil de la pièce.

Description

PROCEDE DE RECONSTRUCTION D'UNE SURFACE D'UNE PIECE
L'objet de l'invention concerne un procédé de reconstruction du profil d'une pièce au moyen d'un transducteur ou capteur ultrasonore multiéléments par exemple, positionné dans un milieu permettant la propagation d'une onde.
L'invention s'applique par exemple pour des balayages électroniques utilisant un élément émetteur différent d'un élément récepteur. Elle est aussi utilisée dans des acquisitions utilisant tous les signaux émis et transmis élément par élément du transducteur, de type capture total ou FMC (Full Matrix Capture). La technique selon l'invention est notamment utilisée pour des reconstructions bidimensionnelles ou tridimensionnelles du profil d'une pièce. Les transducteurs ultrasonores multiéléments sont de plus en plus employés pour le contrôle non destructif de composants industriels. Cette technologie permet d'adapter et maîtriser un faisceau ultrasonore au sein d'une pièce de géométrie connue en appliquant des retards à l'émission et à la réception à chacun des éléments du transducteur. Lorsque des méthodes d'imagerie qui sont basées sur le calcul de lois de retards ou de temps de vol sont utilisées, il est nécessaire d'avoir une connaissance parfaite ou la plus complète possible de la géométrie de la pièce inspectée. Si l'on ne dispose pas de cette connaissance, les méthodes d'imagerie deviennent inopérantes ou peu fiables, et leur mise en œuvre requiert l'application préalable d'une technique de reconstruction de surface.
Dans le cas des contrôles en immersion, la pièce dont on souhaite reconstruire le profil et le capteur sont plongés dans un fluide, souvent dans de l'eau qui sert de couplant.
Une première technique connue de l'art antérieur se base sur une mesure des temps de vol entre les éléments du capteur et la surface de la pièce, et l'application d'un algorithme de reconstruction. La mesure des temps de vol est réalisée sur les signaux reçus au cours d'un balayage électronique simple. La figure 1 représente cette technique de reconstruction pour une acquisition en émission/réception confondue, élément par élément ou balayage électronique simple. On considère le cas d'une reconstruction en deux dimensions. Pour un transducteur linéaire, on fait l'hypothèse que la taille d'un élément du transducteur est petite devant la hauteur de couplant et devant l'évolution du profil de la pièce inspectée. A partir de cette hypothèse, il est possible de limiter la description de chaque élément du transducteur par son centre géométrique. La technique employée dans la reconstruction consiste à émettre et à recevoir avec un seul élément Ej de centre C\, puis à mesurer, au niveau du même élément, le temps de vol de l'écho de surface, /j. Le temps mesuré qui correspond au temps aller-retour le plus court mis par les ultrasons pour revenir sur le transducteur: il correspond donc à une réflexion spéculaire sous incidence normale à la surface de la pièce. Le point Pj de la surface, intercepté par ce rayon, appartient à un cercle, situé dans un plan XZ, de centre C¾ et de rayon f¾ = ty v/2, où v est la vitesse de propagation dans le couplant. De plus, la surface S de la pièce est localement tangente à ce cercle au point Pv A ce stade, on ne connaît pas la position exacte du point Pj sur le cercle Cv En réalisant cette opération sur chaque élément du traducteur, on obtient une famille de cercles rc = {C C2,...} dans le plan XZ. Par construction, la surface de la pièce est localement tangente à chacun des cercles de cette famille. La surface recherchée est l'enveloppe de la famille de cercles rc . On peut la calculer analytiquement si on connaît la courbe décrite par les points Cv En effet, dans le cas d'un transducteur linéaire, l'équation du cercle de centre C{cx, ) est donnée par :
F( x, z, cx ) = {x - cx ) + z2 - R2{cx ) = 0 ^ χ et z étant !es coorc|on nées du point P. En supposant que la famille rc dépende du paramètre cx de façon différentiable, à partir du système d'équations de calcul d'une famille de courbes :
on obtient les coordonnées et zdu point P du profil sous la forme suivante :
- R R^
où Rc' est la dérivée de R par rapport à cx .
Dans le cas discret, pour un transducteur linéaire de N éléments, les coordonnées du point Pj dans le repère du capteur sont données par :
avec j = 1 ,2.... on obtient Λ/-1 point de la surface. R correspond à la dérivée discrète des rayons R^. par rapport aux abscisses des éléments.
Sous les mêmes hypothèses que précédemment, cette reconstruction peut également être réalisée à l'aide d'un capteur monoélément en réalisant un balayage suivant l'axe OX.
En résumé, l'algorithme de reconstruction de la surface de la pièce est le suivant :
1 . mesurer le temps de vol de l'écho de surface, ¾, pour chaque couple émetteur-récepteur Ei, Ri; ce temps de vol peut être obtenu par extraction du temps du maximum de l'enveloppe du signal reçu, par exemple,
2. construire la famille des cercles pour l'ensemble des couples émetteur-récepteur Ei, Ri, en calculant des centres de cercle C¾ et rayons f¾ = t v/2,
3. calculer l'enveloppe de la famille des cercles en calculant les points Pj en utilisant la formule (1 .1 ). La même approche peut être appliquée pour reconstruire une surface d'entrée en trois dimensions 3D à l'aide d'un capteur deux dimensions, 2D ou par déplacement selon un axe X-Y d'un capteur monoélément. Dans ce cas, pour chaque centre géométrique c(cx,cy,o), on cherche à calculer l'enveloppe d'une famille de sphères ∑ à deux paramètres cx et cy , d'équation
F(x, y,z,cx,cy) = {x-cxf +(y-cyf + z2 -R2(cx,cy)=0
Dans le cas continu, à partir du système d'équations propre à l'enveloppe d'une famille de surfaces à deux paramètres ∑x d'équation
F x,y,z,Â,M) =
on obtient les coordonnées x, y, z du point Pde la surface de la pièce dans le repère du capteur sous la forme suivante:
dR
R■ (cx,cy R■ (cx,cy
Un des inconvénients de cette technique est que le mode d'émission en balayage électronique, un seul élément du transducteur par tir, renvoie parfois des échos de surface d'amplitudes trop faibles pour réaliser une mesure fiable des temps de vol. Cela signifie que, localement, l'angle formé par la tangente au profil et l'axe du capteur est trop important, et que l'onde réfléchie n'atteint pas nécessairement un récepteur du transducteur. La totalité des temps de vol entre le capteur et la surface n'est donc pas mesurée et la géométrie reconstruite de la pièce peut présenter des écarts significatifs par rapport au profil attendu. Des différences peuvent aussi apparaître lorsque les surfaces sont trop irrégulières et lorsqu'elles génèrent, par exemple, plusieurs échos entrecroisés.
Une deuxième technique connue de l'art antérieur est basée sur le traitement de l'imagerie connue sous l'abréviation FTP pour Focalisation en Tous Points qui s'applique principalement à des acquisitions de signaux sur tous les éléments formant le capteur de réception, de type capture total ou « Full Matrix Capture » précité. L'un des avantages de l'acquisition FMC est qu'elle donne accès à des données souvent beaucoup plus riches et complètes que celles fournies par les balayages électroniques simples, notamment dans le cas de surfaces trop irrégulières. Rappelons que pour un multiélément de N éléments, l'acquisition FMC consiste à enregistrer un ensemble de NxN signaux élémentaires, S (f), avec i, j = \,...,N , où l'indice /' dénote le numéro de l'élément émetteur d'une onde et l'indice j celui de l'élément récepteur des signaux émis après réflexion de l'onde sur la pièce. Le profil complet de la pièce est alors obtenu en trois étapes :
1 ) acquisition FMC avec une fenêtre d'acquisition suffisamment longue pour contenir les échos de la surface,
2) construction d'une image FTP de la surface, en supposant par exemple que le milieu propageant l'onde est de l'eau, et
3) extraction du profil par détection de formes sur l'image FTP obtenue.
L'ensemble des points obtenus forme alors le profil recherché, et peut ensuite être lissé. Le nombre de points formant le profil n'est pas limité par le nombre d'éléments N du capteur. Une fois la surface reconstruite, cette dernière est utilisée pour visualiser d'éventuels défauts, soit avec la même acquisition FMC, soit en utilisant la pièce obtenue par la technique de conception assistée par ordinateur CAO. Des méthodes d'imagerie standard peuvent aussi être mises en oeuvre.
Un des inconvénients de cette technique est que la production d'une image FTP reste malgré tout gourmande en temps de calcul. Pour Λ/χ/V signaux acquis et pour une zone de reconstruction possédant M points de calcul, la complexité du calcul sera donc en Ο(Μ.ΛΡ). Ainsi, pour les images haute résolution le temps de calcul devient très important. De plus, l'extraction du profil nécessite d'avoir à disposition les outils de traitement d'images comme, par exemple, les outils pour la reconnaissance de formes qui sont généralement paramétriques et donc, la qualité du profil reconstruit dépend directement des paramètres choisis.
Le brevet FR 2 379 823 décrit une méthode et un dispositif permettant de déterminer la configuration géométrique de la partie immergée des icebergs en utilisant notamment un point de réflexion correspondant à une partie de l'iceberg en définissant le contour de l'iceberg comme une enveloppe d'ellipses.
Il existe donc actuellement un besoin de disposer d'une technique simple et rapide de reconstruction du profil d'une pièce à l'aide d'un capteur en immersion.
Dans la suite de la description, le mot « déport » est utilisé pour désigner la distance séparant un émetteur d'un récepteur d'un transducteur, considérée dans le repère du transducteur.
Le mot « transducteur » désigne un dispositif composé de plusieurs éléments émetteurs/récepteurs d'ultrasons ou d'autres ondes.
L'objet de l'invention concerne un procédé de reconstruction d'un profil d'une pièce, en utilisant un dispositif émetteur/récepteur comprenant N éléments, ledit dispositif étant adapté à émettre une onde se propageant dans un milieu, comportant au moins les étapes suivantes:
A) recueillir les signaux S,j réfléchis par la pièce soumise à l'onde,
B) mesurer le temps de vol de l'écho de surface tj pour plusieurs couples émetteur-récepteur {E,, Rj},
C) construire la famille des ellipses l~ c associées à ces couples émetteurs {E,, Rj}, en calculant des points milieux Cj, avec : a = t■ v 12
où a est la longueur du demi grand axe, b la longueur du demi petit axe de l'ellipse, h = h 12 est la distance du centre au foyer d'ellipse, t le temps de vol de l'écho de surface, v la vitesse de propagation de l'onde dans le milieu,
D) calculer l'enveloppe de la famille des ellipses i~c,
E) à partir de cette enveloppe déterminer les coordonnées (Xj, Zj) des points Pi constituant le profil de la pièce,
dans le repère du dispositif émetteur-récepteur de la manière suivante :
xi = < , + (< r A i = ~ bj + bj 2 - ajb) {ajbj - a fi) ) avec a) et b) sont respectivement les dérivées discrets de a et b au point milieu C\,
Les valeurs de a'j et/ou de b'j étant obtenues, par exemple, à partir des formules : aj =
Cx,j+Ï Cx,j
OU
/ a j+i ~ aj-i
aJ =
Cx,j+Ï Cx,j-1
Cx +1 ; Cxj-i sont les coordonnées du point milieu Cj+i ou Cj-i.
Selon une variante, on utilise des couples émetteurs-récepteurs {E,, Rj} tels que la distance k est identique pour tous les couples émetteurs- récepteurs {Ε,, Rj} et l'on exécute les étapes précédentes pour obtenir le profil de la pièce.
On peut utiliser un dispositif émetteur-récepteur deux dimensions, et déterminer l'enveloppe d'une famille d'ellipsoïde à deux paramètres.
Selon une variante, on regroupe l'ensemble des signaux associés à un même émetteur E, et on acquiert les signaux pour les (N-1 ) récepteurs Rj avec i différent de j.
On peut utiliser un dispositif émetteur-récepteur deux dimensions, et déterminer l'enveloppe d'une famille d'ellipsoïde à deux paramètres.
L'onde utilisée pour la mise en œuvre du procédé est une onde ultrasonore.
Selon une variante de réalisation, pour déterminer le temps de vol correspondant à l'écho de surface, on utilise une valeur seuil S, on compare l'enveloppe du signal reçu et si la valeur de l'enveloppe est inférieure à la valeur seuil, on utilise une méthode d'interpolation à partir des deux valeurs plus proches pour trouver la valeur manquante.
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif annexé des figures qui représentent :
• La figure 1 , un schéma pour une première technique selon l'art antérieur,
• La figure 2, une configuration de dispositif pour la reconstruction d'un profil d'une pièce,
• La figure 3, un exemple de reconstruction d'une surface selon une première variante de réalisation,
• La figure 4, un exemple d'enchaînement des étapes du procédé de la figure 3,
• La figure 5, un exemple de reconstruction d'une surface d'une pièce selon une deuxième variante de réalisation, • La figure 6, un exemple d'enchaînement des étapes pour la mise en œuvre du procédé de la figure 5.
Afin de mieux faire comprendre l'objet de l'invention, les exemples qui suivent sont donnés pour la reconstruction du profil d'une pièce en immersion et d'un capteur multiéléments travaillant avec des ondes ultrasons, l'ensemble étant en immersion dans de l'eau utilisé comme milieu couplant.
La figure 2 représente une pièce 10 avec un profil sinusoïdal, en immersion dans un liquide 1 1 , un capteur multiéléments 12 qui est relié à un dispositif de traitement des signaux 13, notamment adapté à effectuer la mesure du temps de vol et à exécuter les étapes pour la détermination du profil. Un élément 12i comprend par exemple un émetteur Ei et un récepteur Ri.
Le procédé selon l'invention est une technique de détermination du profil d'une pièce à l'aide d'un transducteur en immersion basée sur une mesure des temps de vol entre les éléments du capteur et la pièce, par exemple sa surface. La mesure des temps de vol est réalisée sur les signaux reçus au cours d'une acquisition FMC ou d'un balayage électronique en considérant un élément du transducteur en émission et un élément du transducteur en réception de rang différent. On se réfère à un plan cartésien pris dans le repère du transducteur.
Rappelons que pour un multiélément de N éléments, l'acquisition FMC consiste à enregistrer un ensemble de NxN signaux élémentaires, S ( , avec i, j = \,...,N , où l'indice /' dénote le numéro de l'élément émetteur et l'indice y celui de l'élément récepteur. Pour ce type d'acquisition, l'algorithme de reconstruction peut être appliqué à différents jeux de données. En effet, les signaux élémentaires Sy(f), i, j = \,...,N , reçus sur les éléments capteurs peuvent être réarrangés dans le domaine de reconstruction choisi, deux exemples allant être explicités à titre illustratif et nullement limitatif. La figure 3 schématise la reconstruction d'un profil d'une pièce selon un premier mode de mise en œuvre du procédé selon l'invention, appelé reconstruction par déport.
La reconstruction par déport commun est appliquée aux données reçues sur un capteur en groupant les signaux S,j ayant le même déport k, c'est-à-dire la même distance entre un émetteur E, et un récepteur Rj. Les données sont représentées dans les coordonnées déport h et point milieu Q définis par :
h = Ëfi et Ci = (Ei + Rj )/2 (2.1 ) Sous l'hypothèse d'éléments de petite dimension devant la hauteur de couplant (distance entre le capteur et la surface d'entrée de l'onde) et devant révolution du profil de la pièce inspectée, le temps de vol total entre l'émetteur E, le point P de la surface et le récepteur R, définit une ellipse de foyers E (émetteur) et R (récepteur) d'équation :
EP + PR t -v (2.2) où est la vitesse de propagation dans le couplant. Les longueurs du demi grand axe a et du demi petit axe b de l'ellipse sont données par :
a = t■ v 12
r~„ r (2-3)
OÙ h = 12 est la distance du centre au foyer d'ellipse. Dans le cas d'une reconstruction 2D, le profil recherché est l'enveloppe de la famille d'ellipses rc associées à chaque couple émetteur- récepteur {(E., R }, Ï, 7 = 1,2,... , ayant le même déport h , comme l'illustre la figure 3.
Pour un transducteur linéaire, l'équation d'une ellipse de centre C(cx,0) est donnée par : Dans le cas continu, en supposant que la famille rc dépend du paramètre cx de façon différentiable et avec un déport h≠0, à partir du système d'équations (A.1), on obtient les coordonnées et z du point Pdu profil de la pièce sous la forme :
,
_ - b + yb 2 - 4ab'(a'b - ab')
2(ab - ab')
où a' et b' sont respectivement les dérivées de a et de b par rapport à cx et b' est donnée par :
Dans le cas discret, pour une acquisition FMC, l'algorithme de reconstruction décrit ci-dessus est appliqué à l'ensemble des signaux élémentaires {s1..,/, 7 =1,..., N\j-i = k], avec 0≤k≤N-l. Le procédé va effectuer Λ/-1 reconstructions indépendantes.
Pour la reconstruction où la valeur du déport est positive, k>0, les coordonnées d'un point Pj, j= 1 ,2..., dans le repère du capteur sont données par :
avec a et b sont respectivement les dérivées discrets de a et b au point milieu Cv La valeur de a) est obtenue, par exemple, en utilisant la formule suivante :
a,.,— a,
a) =^1 — (2-5)
Cx,j+l ~ Cx,j
ou par la formule de dérivation discrète centrée : La valeur de b peut être obtenue par les formules (2.5) ou (2.5') ou par (2.3').
En résumé, le procédé permettant la reconstruction par déport ayant une même valeur pour tous les couples émetteur/récepteur comporte par exemple les étapes suivantes, figure 5:
a) ranger les données reçues en groupant les signaux Sy {Sy\j -i = k] reçus sur le transducteur pour les couples émetteur/récepteur ayant le même déport :
b) pour chaque paramètre ou déport k , 0 < k≤ N - 1 :
b1 ) mesurer le temps de vol de l'écho de surface, ¾, pour chaque couple émetteur-récepteur {E,, Rj},
b2) construire la famille des ellipses rc associées à ces couples émetteur-récepteur {E,, Rj} en calculant des points milieu C\, la longueur du demi grand axe 3j et la longueur du demi petit axe données par l'équation (2.3),
b3) calculer l'enveloppe de la famille des ellipses en calculant les points Pj en utilisant la formule (2.4),
c) déterminer le profil de la pièce.
Sans sortir du cadre de l'invention, la même approche peut être appliquée pour reconstruire une surface d'entrée en trois dimensions 3D à l'aide d'un capteur 2D ou par déplacement dans l'axe X-Y d'un transducteur mono-élément. Dans ce cas, pour chaque point milieu c(cx, cy ,o) et un déport fixe h(hx,hy ,0)≠0 , on va calculer l'enveloppe de la famille d'ellipsoïdes∑ à deux paramètres cx et cy , d'équation F(x, y, -1 = 0 (2.6)
Y = M- K (x - cx )+ hx(y - cy ))
h avec hx, coordonnées du déport dans l'axe x repère du transducteur, hy, coordonnées du déport dans l'axe y du transducteur.
En résolvant le système d'équations connu de l'homme du métier pour le calcul d'une enveloppe d'une famille de surfaces, équation A.2, on obtient les coordonnées des différents point P définissant la surface de la pièce dans le repère du capteur.
La figure 4 schématise la reconstruction du profil d'une surface selon une deuxième variante de réalisation. La reconstruction du profil de pièce est appliquée aux donnés rangées par point de tir, c'est-à-dire aux données regroupant l'ensemble des signaux {S^S^,...^{associées à un même émetteur E/'. Pour une acquisition FMC, on va effectuer N reconstructions indépendantes.
Dans le cas d'une reconstruction 2D, on construit une famille d'ellipses rc
i = l,2, ... , avec le même émetteur E,, comme illustré à la figure 5.
Pour un transducteur linéaire, en supposant que la famille rc dépend du paramètre cx (coordonnée x du point milieu C) de façon différentiable, à partir du système d'équations (1 ), on obtient les coordonnées du point P du profil sous la forme suivante :
- b + b2 - Aab'ia'b - ab')
A = -
2(a'b - ab') où a et b sont données par (2.3), h = h 12 est la distance du centre au foyer d'ellipse et la dérivée de b au point milieu Cj, b' , est donné par : , , αα'— hti αα'— hti
Dans le cas discret, pour l'ensemble des N signaux élémentaires {sn, Si2, . .., SiN } associés au même émetteur /', les coordonnées du point Pj , j
= 1 ,2,...,Λ/-1 , dans le repère du capteur sont données par la formule (2.4) aveca^ , la dérivée discrète de a au point milieu Cj, donnée par la formule
(2.5) ou (2.5').
La valeur de b est par exemple obtenue par les formules (2.5) ou (2.5') ou par
b, = j j - hj
1 ~
Le procédé selon cette deuxième variante de réalisation exécute, par exemple, les étapes suivantes, figure 6:
a) ranger les données regroupant l'ensemble des signaux {s^} associés au même émetteur /',
b) pour chaque émetteur /' :
b1 ) mesurer le temps de vol de l'écho de surface, ¾, pour chaque couple émetteur-récepteur {E,, Rj},
b2) construire la famille des ellipses rc associées à ces couples émetteur-récepteur {E,, Rj} en calculant des points milieu C\, longueur du demi grand axe a et du demi petit axe données par (2.3),
b3) calculer l'enveloppe de la famille des ellipses, calcul des points Pj en utilisant la formule (2.4),
c) déterminer le profil de la pièce.
De façon analogue, la reconstruction 3D par point de tir se ramène au calcul de l'enveloppe de la famille d'ellipsoïdes∑ à deux paramètres cx et cy , d'équation (2.6). De manière générale, le procédé de reconstruction de profil d'une pièce selon l'invention exécute au moins les étapes suivantes :
Etape 1 : on range des données correspondant aux signaux reçus sur les capteurs, en groupant les signaux {s^ } ayant le même déport : {Sij\j -i = k} (pour la première variante reconstruction par déport commun) ou les signaux associés au même émetteur /' (pour la deuxième variante reconstruction par point de tir),
Etape 2 : selon la première variante pour chaque déport (ou paramètre k) ou la deuxième variante, pour chaque émetteur /', on mesure le temps de vol de l'écho de surface pour chaque couple émetteur-récepteur. Ce temps de vol peut être obtenu par extraction du temps du maximum de l'enveloppe du signal reçu, par exemple. Dans ce cas, pour s'affranchir du bruit, on applique, par exemple, un seuil d'amplitude S à l'enveloppe du signal et on dit que le temps de vol correspondant à l'écho de surface est mesuré si le maximum de l'enveloppe du signal est supérieur à S. On obtient donc une fonction T(C) correspondant au temps de vol de l'écho de surface en fonction du point milieu C donné par (2.3). Si l'amplitude du signal reçu par la surface est inférieure à S, on ne dispose donc pas d'information sur la surface. Ce temps de vol manquant peut être déterminé, par exemple, par une interpolation à partir des deux plus proches valeurs T(C) non nulles, pour avoir à disposition un signal T régulièrement échantillonné. Notons ici que l'interpolation des temps de vol n'est pas une étape nécessaire.
Etape 3 : on cacule les points Pj du profil recherché. Pour cela, on construit d'abord une famille des ellipses associées à des couples émetteur-récepteur {Ei, Rj}. Les points milieu C\, longueur du demi grand axe a\ et du demi petit axe kj sont calculées par (2.3). Le calcul de l'enveloppe de la famille des ellipses s'effectue en utilisant les formules (2.4).
L'application de la procédure décrite ci-dessus permet de reconstruire localement les points du profil de la pièce. Le profil recherché peut être obtenu, par exemple, par une régression polynomiale sur les points reconstruits P Dans ce cas, pour chaque abscisse j de Pj, le profil est décrit par un polynôme de degré n.
Le profil reconstruit est présenté, par exemple, dans un format de fichier CAO. Dans ce cas, le profil est décrit par des segments reliant l'ensemble des points reconstruits Pv Selon une variante de réalisation, le nombre de points reconstruits peut être réduit à l'aide des méthodes de réduction du nombre de facettes comme par exemple la méthode des rayons de courbures ou la méthode de linéarisation par régression linéaire. Il est aussi possible d'utiliser d'autres méthodes connues permettant de lisser les points obtenus et de présenter le profil sous un format plus facilement exploitable ou selon les traitements mis en œuvre.
La figure 5 représente un exemple de mise en œuvre de la première variante du procédé.
L'acquisition FMC a été réalisée en immersion, sur une pièce avec un profil sinusoïdal, comme il est représenté à la figure 2. Le contrôle est effectué à l'aide d'un capteur linéaire de 2MHz d'ouverture 89.4 mm et composé de 64 éléments de largeur 1 .2 mm. Le matériau constituant la pièce est homogène et en acier inoxydable.
Dans le cas d'une reconstruction présentée sur la Figure 5, les points du profil sont reconstruits à partir de 64 signaux avec un seuil d'amplitude S = -12dB.
La reconstruction par déport commun (Figure 5) est effectuée pour 10 déports différents {k = 0,1 , ...9) avec S = -12dB.
La reconstruction par point de tir (Figure 6) est effectuée en exploitant tous les signaux (64 tirs) avec S = -6dB
Sans sortir du cadre de l'invention, les exemples donnés en relation avec les figures 2 à 6, peuvent être utilisés avec des ondes autres que des ondes ultrasons et un milieu de propagation différent de l'eau. Par exemple il est possible d'utiliser toute onde ou perturbation qui va être adaptée à la mesure du temps de vol ou d'un autre paramètre, suite à la réflexion de cette onde sur la pièce, caractérisant le profil de la pièce. Le milieu de propagation peut être un fluide, un gaz ou un milieu solide présentant de bonnes propriétés de propagation.
Ces exemples peuvent aussi s'appliquer lorsque l'on cherche à caractériser le profil du « fond » d'une pièce au lieu de sa surface.
Les exemples donnés précédemment concernent le contrôle non destructif par ultrasons. Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres domaines techniques utilisant la même physique des ondes pourraient être envisagés, par exemple l'imagerie sismique, basée sur les ondes élastiques
Le procédé selon l'invention présente notamment les avantages suivants : une détermination plus rapide du profil et une simplicité d'implémentation tout en considérant un nombre de données traitées plus important que le nombre utilisé dans la technique de balayage électronique selon l'art antérieur.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Procédé de reconstruction d'un profil d'une pièce (10), en utilisant un dispositif émetteur/récepteur (12) comprenant N éléments, ledit dispositif étant adapté à émettre une onde se propageant dans un milieu, comportant au moins les étapes suivantes:
A) recueillir les signaux Si J réfléchis par la pièce soumise à l'onde,
B) mesurer le temps de vol de l'écho de surface tj pour plusieurs couples émetteur-récepteur {E,, Rj},
C) construire la famille des ellipses l~ c associées à ces couples émetteurs {E,, Rj}, en calculant des points milieux Cj, avec :
a = t - v 12
où a la longueur du demi grand axe, b la longueur du demi petit axe de l'ellipse h = h 12 est la distance du centre au foyer d'ellipse, t le temps de vol de l'écho de surface, v la vitesse de propagation de l'onde dans le milieu,
D) calculer l'enveloppe de la famille des ellipses i~c,
E) à partir de cette enveloppe déterminer les coordonnées des points Pi constituant le profil de la pièce, les coordonnées (Xj, ¾) des points Pj dans le repère du dispositif émetteur-récepteur étant définis de la manière suivante :
Xj = cXJ + aj - Aj
où a et bj' sont respectivement les dérivées discrets de a et b au point milieu Cj, et
les valeurs de a'j et/ou de b'j sont obtenues à partir des formules : OU
^x +l ^x -l et/ou
h. = aia'j - hi
1 ~
Cx +i ; Cxj-i sont les coordonnées du point milieu Cj+i ou Cj-i .
2 - Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on utilise des couples émetteurs-récepteurs {E,, Rj} tels que la distance k est identique pour tous les couples émetteurs-récepteurs {E,, Rj} et l'on exécute les étapes de la revendication 1 pour obtenir le profil de la pièce.
3 - Procédé de reconstruction selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'on utilise un dispositif émetteur-récepteur (12) deux dimensions et on détermine l'enveloppe d'une famille d'ellipsoïde à deux paramètres.
4 - Procédé de reconstruction selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on regroupe l'ensemble des signaux associés à un même émetteur E, et on acquiert les signaux pour les (N-1 ) récepteurs Rj avec i différent de j. 5 - Procédé de reconstruction selon la revendication 4 caractérisé en ce qu'on utilise un dispositif émetteur-récepteur deux dimensions, et on détermine l'enveloppe d'une famille d'ellipsoïde à deux paramètres.
6 - Procédé de reconstruction selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que l'onde est une onde ultrasonore.
7 - Procédé de reconstruction selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce pour déterminer le temps de vol correspondant à l'écho de surface, on utilise une valeur seuil S, on compare l'enveloppe du signal reçu et si la valeur de l'enveloppe est inférieure à la valeur seuil, on utilise une méthode d'interpolation à partir des deux valeurs plus proches pour trouver la valeur manquante.
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