WO1998023972A1 - Metre a utilisation d'une diode laser pour mesures de precision - Google Patents

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Abstract

Dispositif de mesure de distance avec une précision millimétrique utilisant une diode laser, une optique d'émission/réception à lentille et prisme, un photodétecteur et une chaîne d'amplification dont la sortie est rebouclée sur la diode laser. Un atténuateur optique commandable électriquement assure un signal constant en sortie du détecteur, indépendant de la distance. Des fibres optiques commutées assurent une recalibration permanente de la distance, et des transducteurs de température répartis dans l'appareil délivrent un signal traité par un microcontrôleur pour s'affranchir des dérivées thermiques.

Description

METRE A UTILISATION D'UNE DIODE LASER POUR MESURES DE PRECISION
La présente invention concerne un mètre à utilisation d'une diode laser pour mesures de précision
La présente invention concerne un dispositif portatif à diode laser permettant de mesurer avec une précision de 1 ' ordre du millimètre toute longueur comprise entre 0 et 20m en droite ligne.
Les appareils commercialisés actuellement se sont développés autour de technologies faisant appel à la diffusion d'ondes acoustiques ou radioélectriques .
Etablissant des mesures différentes suivant 1 ' atmosphère de travail: degré d'hydrométrie de l'air, ou existence de parasites ; ces deux technologies ne garantissent pas une précision de mesure constante.
Le dispositif selon l'invention augmente considérablement la qualité des mesures rectilignes en introduisant la technologie du laser par diffusion d'ondes optiques.
Le principe consiste à créer un oscillateur sur la fréquence fondamentale de la ligne de retard constituée d'un émetteur optique, de l'écran ou du mur, et d'un photodétecteur. La figure FIG 1 représente en traits fins (1) la sinusoïde correspondant à la fréquence fondamentale de la cavité constituée par les deux murs (3) , et en traits épais (2) l'harmonique supérieure.
Il y a évidement toutes les harmoniques supérieures qui peuvent être présentes, limitées seulement en nombre par la bande passante de la circuiterie associée. Dans la pratique, cette oscillation commence grâce au bruit de cette circuiterie, et le phénomène de stabilisation autour de la fréquence de base se construit par élimination des composantes de bruit ne répondant pas à la condition de phase de la FIG 1. L'obtention d'oscillations repose sur deux conditions: une condition de phase et une condition de gain permettant de reboucler la chaîne d' ampli ication sur 1 ' émetteur optique.
La fréquence f obtenue en fonction de la distance L est donnée par la formule: f = c / 2 xL Fonctionnant en circuit fermé, ce dispositif doit comporter comme illustre le dessin FIG 4 :
- une alimentation électrique (9) qui assure un bon fonctionnement de 1 ' ppareil - un générateur d'impulsions calibrés (8) qui envoie un courant à 1 ' émetteur optique après ordre de 1 ' opérateur
- un émetteur optique laser (4) qui émet un signal en direction de 1 ' extrémité à mesurer
- un système de réception du signal émis (5) associé à un préamplificateur (5b)
- un système d'amplification du signal composé d'un Contrôle Automatique de Gain (10) et d'un amplificateur (11)
- un système de mesure de fréquence qui récolte pendant la durée de 1 ' impulsion c librée les périodes du signal fondamental oscillant dans le système
- un système de comptage (7) qui enregistre les impulsions reçues
- un afficheur (6) qui décode les informations du système de comptage pour les retransmettre à 1 'utilisateur
Selon des modes particuliers de réalisation: il est envisageable de réunir tous ces éléments dans un même boîtier FIG 2 ou de dissocier l'émetteur optique (4) du boîtier de contrôle en les reliant par un câble optique (12) FIG 3
A titre d'exemple, le boîtier aura des dimensions de l'ordre
10 cm pour la largeur , 18 cm pour la longueur et 2 cm pour l'épaisseur. Le boîtier pourra posséder 3 boutons de commande. Le premier (1) peut mettre sous tension le mètre Le deuxième (2) peut, une fois actionné, permettre de pointer la cible grâce à la vision d'une tâche lumineuse sur la surface de 1 ' extrémité à mesurer. Le troisième (3) peut permettre d' initialiser le processus de mesure qui se conclura par la lecture de la distance sur 1 ' afficheur.
11 est envisageable de regrouper les fonctions des boutons (2) et (3) en un seul bouton assurant les même fonctions. Concernant les technologies à adopter, il est envisageable d'utiliser pour:
- le système de réception dus signal émis: un photodéteσteur en silicium
- le choix de 1 ' émetteur à diode laser pourra évoluer dans le temps en fonction du coût de ces composants. Le mètre selon l'invention est particulièrement destiné à des mesures dans le bâtiment, les travaux publics et l'industrei en général
Pour améliorer de manière fondamentale la précision de mesure de l'appareil jusqu'au millimètre, trois solutions techniques supplémentaires de coût très réduit sont incorporées dans 1' appareil :
- Plusieurs capteurs de température sont répartis en divers points de l'ensemble :
- près du laser,
- sous chaque amplificateur,
- près de la photodiode.
Cette mesure de température permet à un processeur de type microcontrôleur de prendre en compte les variations de la fréquence de coupure fc± de chaque composant intervenant dans la boucle d'oscillation avec la température. En effet, les équations complètes qui décrivent la valeur de la fréquence d'oscillation affichée incluent ces fréquences de coupure.
- un Contrôle Automatique de Gain Optique (CAGO) :
Il consiste en un élément à cristal liquide tel qu'un afficheur classique en visualisation, inséré soit à la sortie du laser, avant l'optique de collimation, soit entre l'optique de réception et le photodétecteur, et le plus proche possible de photodétecteur (voir Fig 5) . On détecte en fin de chaîne d'amplification l'amplitude du signal électrique de l'oscillation, et ce signal amplifié sert à commander la transparence de l'élément LCD. De la sorte, il permet d'avoir le même niveau en tout point de la chaîne analogique, quelle que soit la distance.
Ce système très particulier est fondamental car il permet d'éviter de faire intervenir un CAG électrique au niveau d'un amplificateur, ce qui est toujours source de variation des fréquences de coupure avec le gain, et donc de la fréquence affichée comme exposé dans le § précédent, et de plus ce qui induit des non linéarités qui faussent la fréquence d'oscillation, donc la distance affichée. Un schéma de réalisation est donné en Fig 6. - un système automatique de calibration, qui s'ajoute aux deux améliorations précédentes, permettant de tenir compte régulièrement de la dérive des caractéristiques des composants, due au vieillissement de ces derniers, et sans que l'utilisateur ait à intervenir.
Ce système consiste en un montage, décrit en Fig 7, à fibres optiques commutées, inséré soit en série avec le laser, soit en série avec le photodétecteur. La commutation d'une longueur supplémentaire de fibre permet de simuler des distances mesurées (en nombre discret) comprises entre quelques dizaines de cm et la distance maximale (par exemple 20 m) . A chaque position de commutation est donc associée une longueur connue, et une fréquence mesurée. Le processeur associé à l'appareil va donc réajuster les longueurs mesurées effectivement (lors d'opérations ultérieures) en fonction des résultats de cette calibration.

Claims

REVENDICATIONS
1) Mètre a utilisation d'une diode laser pour mesures de précision caractérisé en ce qu'il se compose:
- d'une alimentation électrique (9)
- d'un générateur d'impulsions calibrés (8) qui envoie un courant à l'émetteur optique (4) après ordre de l'opérateur
- d'un émetteur optique laser (4) qui émet un signal en direction de 1 ' extrémité à mesurer
- d'un système de réception du signal émis (5) associé à un préamplificateur (5b) - d'un système d'amplification du signal émis composé d'un
Contrôle Automatique de Gain (10) et d'un amplificateur (11)
- d'un système de mesure de fréquence qu récolte pendant la durée de 1 ' impulsion calibrée les périodes du signal fondamental oscillant dans le système - d'un système de comptage (7) qu enregistre les impulsions reçues
- d'un afficheur (6) qu décode les informations du système de comptage pour les retransmettre à 1 ' tilisateur
2) Mètre a utilisation d'une diode laser pour mesures de précision, selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système d'amplif cation comprend une ligne de retard ayant la forme d'un câble coaxial insère entre la sortie de l'ampli cateur (11) et le laser
3) ètre a utilisation d'une diode laser pour mesures de précision , selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le ΞVΞterne d'amplification comprend une ligne à retard ayant la forme d'une fibre optique (12) insérée avant le laser (4) 4)Mètre optique à utilisation d'une diode laser pour mesures de précision, selon la revendication 1, caractérisé en ce que la température est enregistrée en différents points de l'appareil, pour permettre de corriger les dérives thermiques de la chaîne analogique, et améliorer la précision de mesure
5) Mètre optique à utilisation d'une diode laser pour mesures de précision, selon la revendication 1, caractérisé en ce que, entre l'optique de réception et le photodétecteur est interposé un élément à cristal liquide, du type afficheur LCD, jouant le rôle d'atténuateur optique, permettant d'obtenir, quelle que soit la distance mesurée, un niveau constant à chaque endroit de la chaîne analogique, pour éviter les dérives de la bande passante et donc améliorer la précision de mesure
6) Mètre optique à utilisation d'une diode laser pour mesures de précision, selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un système de commutation à fibres optiques permet de simuler des distances mesurées, et d'évaluer ainsi les dérives des composants dues directement au vieillissement de ceux-ci
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