FR2487507A1

FR2487507A1 - Appareil et procede de mesure par triangulation optique

Info

Publication number: FR2487507A1
Application number: FR8105586A
Authority: FR
Inventors: Douglas Scott Steele
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1980-07-23
Filing date: 1981-03-20
Publication date: 1982-01-29
Also published as: NL8101424A; US4349274A; FR2487507B1; IT1139324B; GB2081437B; JPS5733308A; GB2081437A; CA1159644A; IT8120585A0; IL62195A; DE3110644A1

Abstract

APPAREIL A CORRECTION DE LA DEVIATION DE L'AXE DE LA SOURCE LUMINEUSE. IL COMPORTE UNE SOURCE LUMINEUSE 14 QUI DIRIGE UN FAISCEAU DE MESURE 15 VERS UNE PIECE 12 ET UN PHOTODETECTEUR 18 PLACE POUR RECEVOIR LE FAISCEAU REFLECHI PAR LA PIECE, UN DIVISEUR 32 DE FAISCEAU PLACE ENTRE LA SOURCE LUMINEUSE ET LA PIECE QUI REFLECHIT UNE PARTIE DU FAISCEAU SUR UN PHOTODETECTEUR DE CONTROLE 34 DONT LE SIGNAL DE SORTIE 35 REPRESENTATIF DE L'ECART ENTRE L'AXE THEORIQUE ET L'AXE REEL DE LA SOURCE LUMINEUSE, EST UTILISE POUR CORRIGER LE SIGNAL DE MESURE PRODUIT PAR UNE INTELLIGENCE ARTIFICIELLE 20. APPLICATION A L'EXAMEN NON DESTRUCTIF DE PIECES CHAUDES DE MOTEUR D'AVION.

Description

La présente invention se rapporte à des appareils et à des procédés de

mesure par triangulation optique du type

qui utilise un faisceau de mesure et elle a trait plus par-

ticulièrement à un appareil et un procédé de ce type dans lesquels la position du faisceau de mesure influence la

précision de la mesure.

On utilise couramment des appareils de triangula-

tion optique pour des opérations de mesure et d'inspection. Par exem-

ple, on a représenté sur la figure lA des dessins annexés,

un appareil de triangulation optique de la technique anté-

rieure de ce type que l'on a désigné par la référence géné-

rale 10. Dans l'appareil 10, une pièce 12 est placée de façon à recevoir la lumière émise par une source lumineuse 14. On a représenté la source lumineuse 14 comme ayant un axe théorique suivant lequel le faisceau 15 de mesure de la source lumineuse est dirigé. Le faisceau de mesure théorique frappe la surface 12S de la pièce 12 au point A1 et il

est ensuite réfléchi en retour à travers une lentille con-

vergente 16 pour frapper au point A2, un photodétecteur 18.

On prévoit un plan de référence désigné REF. Le point B est défini par l'intersection du plan de référence et de l'axe théorique de la source lumineuse 14. Le faisceau réfléchi à partir du point B à travers la lentille convergente frappe un point B' du photodétecteur 18. Pour des raisons que l'on

comprendra mieux ultérieurement, on utilise le point d'inci-

dence B' comme point de référence ou point zéro du photo-

détecteur 18.

La réflexion du faisceau de mesure théorique 15 à partir de la surface 12S (à partir d'un point A1) au point Ai du photodétecteur 18 est une mesure de la distance entre

le plan de référence (REF) et la surface 12S. Plus particu-

lièrement la distance entre les points Ai et B' est liée par une relation de triangles semblables à la distance entre B et A1. La distance de Ai à B' (point zéro) est traitée d'une manière simple pour donner la distance d entre le plan de référence (REF) et la surface 12S. Le signal de sortie 19 du photodétecteur 18 est typiquement un signal électrique qui contient des informations représentatives de la distance

entre Ai et B' (point zéro). Ce signal de sortie est typique-

ment reçu par une intelligence artificielle de mesure 20 qui

interprète le signal électrique et produit un signal de sor-

tie de mesure 22 représentatif de la distance d. Bien que l'appareil 10 de la figure 1A fonctionne de manière satisfaisante pour de nombreuses applications, il se pose un problème avec un tel appareil du fait de la dérive de la source lumineuse 14. Plus particulièrement, les conditions thermiques et autres provoquent fréquemment une dérive de la source lumineuse de sorte que la source lumineuse 14 peut être placée avec un axe réel qui est écarté de l'axe théorique. Par exemple, sur la figure 1A, on a

représenté un axe réel tracé en traits interrompus, paral-

lèle à l'axe théorique mais écarté de cet axe de sorte que le faisceau de mesure 15 frappe la surface 12S au point A2

et non au point A1. Il est important de noter qu'un tel dé-

placement de la source lumineuse 14 a pour effet que le faisceau de mesure réfléchi frappe le photodétecteur 18 à un point écarté de celui o il l'aurait frappé si la source

lumineuse avait été placée sur l'axe théorique. Plus parti-

culièrement, le faisceau de mesure 15 qui suit l'axe réel tracé en traits interrompus frappe le photodétecteur 18 au point Aa et non au point Ai. Ainsi, sous l'influence de ces conditions de dérive, le signal 19 du photodétecteur est incorrect du fait de l'erreur de mesure introduite par le

déplacement de la source lumineuse 14 par rapport à la posi-

tion de l'axe théorique.

On a représenté sur la figure 1B un autre appareil de mesure par triangulation couramment employé que l'on a désigné par la référence générale 25. L'appareil 25 est en grande partie semblable à l'appareil 10 de la figure lA de sorte qu'on a utilisé, chaque fois que cela a été possible,

les mêmes références pour désigner les éléments semblables.

L'appareil 25 est représentatif des appareils de mesure par triangulation optique dans lesquels un photodétecteur 18 est placé pour recevoir une partie du faisceau de mesure 15

qui est réfléchi par la surface 12S de la pièce 12. La par-

tie du faisceau de mesure réfléchi reçue par le photodétec-

teur 18 est caractérisée comme étant représentative du point d'incidence du faisceau de mesure sur la pièce 12. A cet égard, comme dans l'appareil de la figure lA, il est typi- quement prévu un point de référence ou point zéro sur le

photodétecteur 18. Pour plus de clarté, on n'a pas repré-

senté le plan de référence sur la figure 1B. Sur la figure 1B, on a montré une dérive de l'axe, l'axe réel de la source lumineuse 14 étant représenté déplacé,ce qui s'est traduit par un point d'incidence Ca sur la surface 12S mais, du fait que l'appareil a un axe théorique, le photodétecteur 18 interprète le point d'incidence sur la surface 12S comme étant le point théorique Ci ce qui entraîne une erreur de

mesure.

Conformément à la présente invention, on prévoit un appareil de mesure par triangulation optique du type qui comporte une source lumineuse placée de façon à produire un faisceau lumineux dirigé vers une pièce. La source lumineuse a un axe théorique et un axe réel, l'écart entre ces axes entraînant une erreur de mesure. Un photodétecteur est placé

de façon à recevoir une partie du faisceau de mesure réflé-.

chi par la pièce, une partie du faisceau de mesure réfléchi étant caractérisée par le fait qu'elle est représentative du point d'incidence du faisceau de mesure sur la pièce. Le

photodétecteur engendre un signal de sortie de photodétec-

teur représentatif du point d'incidence du faisceau de me-

sure sur la pièce. Des moyens d'intelligence artificielle

reçoivent le signal de sortie du photodétecteur et engen-

drent un signal de sortie de mesure représentatif du point d'incidence du faisceau de mesure sur la pièce. On prévoit des moyens pour contrôler la relation qui existe entre l'axe

théorique et l'axe réel et pour produire un signal de sor-

tie représentatif de l'écart entre ces deux axes.

La suite de la description se réfère aux figures

annexées qui représentent: figures lA et 1B, des vues schématiques d'appareils

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de triangulation optique de la technique antérieure; figure 2, une vue schématique montrant un mode de

réalisation d'un appareil de mesure par triangulation opti-

que de la présente invention; 5. figure 3, une représentation schématique et un schéma-bloc fonctionnel montrant d'autres détails d'une partie de l'appareil de la figure 2, suivant un mode de réalisation dans lequel on déplace la source lumineuse en translation pour réduire l'erreur de mesure; 10. figure 4, un schéma-bloc fonctionnel d'une partie de l'appareil de la figure 2, suivant un mode de réalisation

dans lequel on réduit l'erreur de mesure au moyen d'un trai-

tement de compensation; et figure 5, une vue très schématique d'une partie

de l'appareil de la figure 2, montrant une application tri-

dimensionnelle.

On se référera tout d'abord à la figure 2 sur la-

quelle on a représenté un mode de réalisation de l'appareil de triangulation optique de la présente invention que l'on a désigné par la référence générale 30. L'appareil 30 de

triangulation optique est en grande partie semblable à l'ap-

pareil 10de triangulation de la figure 1A de sorte qu'on a

utilisé, chaque fois qu'il a été possible, les mêmes réfé-

rences pour désigner les éléments semblables.

L'appareil 30 de triangulation optique comporte, en outre, des moyens pour contrôler la relation qui existe entre l'axe théorique et l'axe réel et pour produire un signal de sortie du dispositif de contrôle, représentatif de l'écart

entre eux. Plus particulièrement, dans un mode de réalisa-

tion, un diviseur 32 de faisceau est disposé entre la source lumineuse 14 et la pièce 12. Le diviseur 32 de faisceau est

un dispositif classique que l'on choisit d'une manière ap-

propriée en tenant compte de la longueur d'onde du faisceau de mesure, Le diviseur 32 de faisceau est placé de façon à intercepter le faisceau de mesure en permettant à la plus grande partie de l'énergie lumineuse de le traverser sans modification tout en réfléchissant une plus petite quantité d'énergie lumineuse de ce faisceau. Ainsi, le faisceau de mesure 15 traverse le diviseur 32 de faisceau et franchit

les points B et A, comme dans l'appareil de la figure 1A.

Le faisceau de mesure réfléchi 15' par le diviseur 32 de

faisceau est dirigé vers un photodétecteur de contrôle 34.

Le photodétecteur de contrôle 34 est un dispositif classi-

que, tel qu'une photodiode au silicium bifurquée. On utilise la photodiode 34 pour contrôler la position du faisceau de mesure 15 au moyen de la position du faisceau de mesure réfléchi 15'. Par exemple, comme représenté sur la figure 2, le photodétecteur 34 peut être simplement constitué par un photodétecteur négatif/positif dans lequel une position

centrale ou position de référence est la position zéro.

Plus particulièrement, l'incidence du faisceau de mesure ' à la position zéro peut avoir pour effet la production

d'un signal de sortie 35 du dispositif de contrôle repré-

sentatif d'une polarité zéro tandis que l'incidence du fais-

ceau de mesure 15' entre le point zéro et un point négatif se traduira par des valeurs de polarité négative de plus en plus grandes. De même, l'incidence du faisceau de mesure ' entre un point zéro et une polarité positive se traduira par un signal de sortie 35 du dispositif de contrôle de plus

en plus positif. Le diviseur 32 de faisceau et le photodé-

tecteur de contrôle 34 sont placés de façon à être exempts

de dérive spatiale.

Ainsi, le diviseur 32 de faisceau et le photodétec-

teur de contrôle 34 contrôlent indépendamment la position réelle de la source lumineuse 14. Plus particulièrement, considérant la situation dans laquelle la source lumineuse 14 dérive jusqu'à la position d'axe réel représentée sur la figure 2. Cette dérive de la source lumineuse est détectée

par le photodétecteur 34 qui produit alors un signal de sor-

tie 35 du dispositif de contrôle représentatif de cette dé-

rive. Aux fins de l'illustration, cette dérive a été repré-

sentée comme produisant un signal de sortie de polarité po-

sitive. e On peut utiliser de diverses manières le signal de

sortie 35 du dispositif de contrôle du photodétecteur 34.

Par exemple, on peut simplement utiliser le signal de sor-

tie 35 du dispositif de contrôle en tant qu'indication du fait que la position réelle de l'axe de la source lumineuse

est écartée de la position théorique. Dans de telles appli-

cations, le signal de sortie du dispositif de contrôle peut

servir pour actionner un dispositif d'affichage et/ou d'a-

larme. Pour certaines applications, il peut être avantageux d'utiliser le signal de sortie 35 du dispositif de contrôle

pour fournir, par exemple pour afficher et/ou mettre en mé-

moire, une représentation de l'écart entre l'axe réel et

l'axe théorique.

Sur la figure 3 à laquelle on se référera maintenant,

on a représenté le signal de sortie 35 du dispositif de con-

trôle comme étant utilisé dans un dispositif 40 pour régler la position de la source lumineuse 14. Plus particulièrement,

le signal de sortie 35 du dispositif de contrôle est appli-

qué à des moyens 42 de traitement de signal de compensation

qui engendrent un signal de sortie 43 pour actionner un mo-

teur 44 de positionnement de la source lumineuse. Les moyens 42 de traitement de signal peuvent comporter des moyens classiques tels qu'une commande analogique à réaction à moteur synchrone et des circuits d'excitation. Le moteur 44 peut être un dispositif classique tel qu'un servomoteur synchrone à aimant permanent. Le moteur 44 de positionnement de la source lumineuse peut être utilisé pour déplacer la

source lumineuse 14 dans un unique plan et/ou dans trois di-

mensions. Dans une application de ce type, le signal de sor-

tie 43 des moyens 42 de traitement de signal de compensation est appliqué au moteur 44 de positionnement de la source lumineuse qui déplace alors la source 14 en translation pour

réduire l'écart entre l'axe théorique et l'axe réel. De pré-

férence, on prévoit une boucle de réaction 45 entre les moyens de positionnement 44 et les moyens 42 de traitement de signal de compensation. Cette boucle de réaction 45 assure que la correction de la position de la source lumineuse est

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achevée. On a représenté en traits interrompus entre les moyens 42 de traitement de signal de compensation et les moyens de positionnement 44, un second couplage 43' qui

peut être utilisé dans les applications utilisant un posi-

tionnement dans trois dimensions. On examinera maintenant l'appareil 50 représenté

sur la figure 4, dans lequel le signal de sortie 35 du dis-

positif de contrôle est utilisé pour engendrer un signal de sortie de mesure compensé 22'. Plus particulièrement, le signal de sortie 35 du dispositif de contrôle est appliqué à des moyens 52 de traitement de signal de compensation qui engendrent un signal de compensation 53 pour compenser

l'erreur de mesure introduite par la dérive ou déviation.

Le signal de sortie 53 des moyens 52 de traitement de signal est appliqué à une intelligence artificielle de mesure 20 ainsi que le signal de sortie 19 du photodétecteur 18. Dans l'appareil 50, l'information provenant du photodétecteur 18 comprend une erreur de mesure due à la dérive de la source lumineuse. Cependant, le signal de sortie 53 des moyens 52 de traitement de signal est introduit dans l'intelligence artificielle de mesure 20 de façon à compenser l'erreur de

mesure qui aurait été, sinon, introduite par le photodétec-

teur 18. Par conséquent, l'intelligence artificielle de mesure 20 engendre un signal de sortie de mesure compensé 22' représentant le signal de sortie 22 de la figure lA

compensé de façon à réduire l'erreur de mesure. Plus parti-

culièrement, l'intelligence artificielle de mesure 20 peut être munie d'une unité arithmétique et logique de façon à traiter mathématiquement les signaux d'entrée 53 et 19 pour

produire le signal de mesure compensé 22'.

On se référera maintenant à la figure 5 sur laquelle

on a représenté une application tridimensionnelle d'une par-

tie d'un mode de réalisation de l'appareil de la présente

invention que l'on a désigné par la référence générale 60.

L'appareil 60 est semblable à l'appareil 30 de la figure 2, de sorte que, chaque fois que cela a été possible, on a utilisé les mêmes références pour désigner les éléments

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semblables. L'appareil à trois dimensions 60 comporte un

diviseur de faisceau supplémentaire 32' et un photodétec-

teur de contrôle supplémentaire 34' pour contrôler la posi-

tion de l'axe dans deux plans qui sont, de préférence, or-

thogonaux. Bien qu'on ait décrit la présente invention en se

référant à une application à des pièces et à leurs déplace-

ments, on comprendra que le procédé et l'appareil de la pré-

sente invention sont applicables, dans l'ensemble, aux ap-

plications de la triangulation optique. En effet, le fais-

ceau de mesure réfléchi contient des informations utiles en ce qui concerne diverses caractéristiques utiles du point d'incidence du faisceau de mesure sur la pièce. A cet égard,

le procédé et l'appareil de la présente invention sont par-

ticulièrement bien appropriés pour des applications dans

lesquelles les informations du point d'incidence caractéri-

sées par le faisceau de mesure réfléchi sont utilisées pour déterminer les caractéristiques de la matière, du profil de

surface, du revêtement et/ou les caractéristiques structu-

rales d'une pièce. Par exemple, le procédé et l'appareil de la présente invention sont particulièrement bien appropriés pour les applications à l'essai non destructif de moteurs d'avion, telles que celles au cours desquelles on examinera

les aubes et autres structures chaudes du moteur.

En outre, bien que l'on ait décrit la présente in-

vention comme utilisant un certain nombre de signaux de sor-

tie constitués par des signaux électriques, on comprendra que de tels signaux de sortie peuvent avoir une autre forme et être, par exemple, des signaux optiques. De même, on

doit bien comprendre que l'axe théorique n'est qu'une réfé-

rence arbitraire à partir de laquelle on effectue les mesu-

res géométriques appropriées. Ainsi, l'axe géométrique est une simple référence que l'on a choisie par commodité et

que l'on peut modifier si cela paraît utile.

En outre, également, par l'expression source lumi-

neuse, on entend une source de rayonnement électromagnéti-

que qui peut, par exemple, produire un rayonnement dans l'intervalle allant de l'infrarouge lointain à l'ultraviolet lointain. A cet égard, on notera que l'on peut utiliser des sources lumineuses à faisceau parallèle telles que des lasers classiques.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S

1. Appareil de mesure par triangulation optique du type comportant une source lumineuse (1) placée de façon à produire un faisceau de mesure (15) dirigé vers une pièce (12), la source lumineuse ayant un axe théorique et un axe réel, l'écart entre ces deux axes introduisant une erreur de mesure, un photodétecteur (18) formé pour recevoir une partie du faisceau de mesure réfléchi par la pièce, une partie du faisceau de mesure réfléchi étant caractérisée par le fait qu'elle est représentative du point d'incidence

du faisceau de mesure sur la pièce, le photodétecteur pro-

duisant un signal de sortie (19) de photodétecteur représen-

tatif du point d'incidence du faisceau de mesure sur le pho-

todétecteur, et une intelligence artificielle de mesure (20)

pour recevoir le signal de sortie du photodétecteur et pro-

duire un signal de sortie (21) représentatif du point d'in-

cidence du faisceau de mesure sur la pièce, appareil carac-

térisé en ce qu'il comporte:

un dispositif de contrôle (32,34,32',34') pour con-

trôler la relation entre l'axe théorique et l'axe réel et pour engendrer un signal de sortie (35) représentatif de

l'écart entre les axes.

2. Appareil de mesure par triangulation optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (42,44) fonctionnant en réponse au signal de sortie (35) du dispositif de contrôle pour déplacer la source lumineuse (14) en translation afin de réduire l'écart

précité et l'erreur de mesure.

3. Appareil de mesure par triangulation optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (52) de traitement de signal de compensation

fonctionnant en réponse au signal de sortie (35) du dispo-

sitif de contrôle pour engendrer un signal de compensation (53) afin de compenser l'erreur de mesure introduite par

l'écart précité.

4. Appareil de mesure par triangulation optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'intelligence

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artificielle de mesure (20) comporte des moyens de traite-

ment de signal pour recevoir le signal de compensation (53) et engendrer un signal de sortie de mesure compensé (22') qui présente une erreur de mesure réduite par rapport au signal de mesure de sortie (22).

5. Appareil de mesure par triangulation optique

selon la revendication 1, caractérisé en ce que le disposi-

tif de contrôle comprend: des moyens (32,32') diviseurs de faisceau placés de façon à recevoir le faisceau de mesure (15) émis par la source lumineuse (14), la plus grande partie du faisceau

de mesure traversant ces moyens diviseurs qui en réfléchis-

sent une petite partie (15'); des photodétecteurs de contrôle (34,34') placés de façon à recevoir une partie du faisceau de mesure réfléchi par les moyens diviseurs de faisceau, cette partie qui frappe les photodétecteurs de contrôle représentant l'axe réel de la source lumineuse; et

des moyens de traitement des signaux des photodétec-

teurs pour comparer le point d'incidence du faisceau de mesure réfléchi sur les photodétecteurs de contrôle à un point d'incidence associé à l'axe théorique de la source

lumineuse et pour engendrer le signal de sortie (35) du dis-

positif de contrôle.

6. Procédé de mesure partriangulation optique du type suivant lequel une source lumineuse (14) est placée de façon à produire un faisceau de mesure (15) dirigé vers une pièce (12), la source lumineuse ayant un axe théorique et un axe réel, l'écart entre ces deux axes introduisant une erreur de mesure et suivant lequel un photodétecteur (18) est placé pour recevoir une partie du faisceau de mesure qui est réfléchi par la pièce, procédé caractérisé en ce qu'il consiste:

à contrôler la relation qui existe entre l'axe théo-

rique et l'axe réel et à engendrer un signal de sortie (35) du dispositif de contrôle représentatif de l'écart entre

ces axes.

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il

7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape qui consiste à réduire l'erreur de mesure en déplaçant en translation la source lumineuse

(14) pour réduire l'écart.

8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape qui consiste à réduire l'erreur

de mesure en compensant l'écart.