WO1999011393A1 - Systeme acoustique pour mesure locale des parametres elastiques de solides ou liquides - Google Patents

Systeme acoustique pour mesure locale des parametres elastiques de solides ou liquides Download PDF

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WO1999011393A1
WO1999011393A1 PCT/FR1998/001851 FR9801851W WO9911393A1 WO 1999011393 A1 WO1999011393 A1 WO 1999011393A1 FR 9801851 W FR9801851 W FR 9801851W WO 9911393 A1 WO9911393 A1 WO 9911393A1
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medium
contact
section
piezoelectric element
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PCT/FR1998/001851
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Jacques Attal
Gilles Despaux
Bernard Cros
Gérard LEVEQUE
Christophe Prugne
Jeroen Van Est
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Centre National De La Recherche Scientifique (Cnrs)
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B3/00—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B3/02—Methods or apparatus specially adapted for transmitting mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency involving a change of amplitude
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0421—Longitudinal waves

Definitions

  • the present invention relates to the field of acoustic sensors.
  • the present invention relates to the field of systems suitable for the local measurement of elastic parameters (elasticity, viscosity, viscoelasticity, density, spinning, etc.) of solids and liquids.
  • Welber [1], then Welber and Quimbly [2] described a viscometer suitable for measuring the electrical characteristics of a hollow piezoelectric cylinder of quartz oscillating in torsion mode.
  • Krutin and Smirnitskii [3] described the theory of a vibrating rod, viscometer probe. They have shown that the conditions of forced vibration in longitudinal and torsional mode of a thin rod (probe) of uniform diameter in a liquid depend on the density and viscosity of the liquid, the density of the probe, the modulus d elasticity and internal loss coefficient of the probe material, the configuration of the probe section and the driving frequency. Precise viscosity measurements are obtained taking into account the influence of immersion on the vibrational characteristics of the probe.
  • This device does not confine the acoustic energy and therefore does not amplify the modifications of the resonance conditions.
  • Ultrasonics vol. 34, No. 7, Oct 1996 describe various ultrasound probes for medical applications, in particular for eye surgery, and recommend the use of a probe whose profile is chosen from the conical, exponential, hyperbolic, gaussian group.
  • elliptical or circular Other variants of probes with exponential or conical profile are described in documents US-A-3 843 897 and DA Hutchins et Al, "Thic conical piezoelectric transducers for NDE" IEEE 1987 Ultrasonics symposium vol.2, Oct. 14, 1987.
  • the present invention now aims to provide a new sensor confining the acoustic energy and suitable for measuring the elastic parameters of solids or liquids, which allows a simple measurement, which is simple and economical and which has a very low electrical power supply
  • a system comprising a sensor comprising a piezoelectric generator and a probe coupled to the piezoelectric generator to form a resonant assembly and adapted to be brought into contact with a medium to be tested and amplify the modifications of the resonance conditions induced by the medium in contact with the probe, and m treatment means sensitive to changes in resonance detected on the piezoelectric element, the probe having a variable section along its length, decreasing from the piezoelectric element, towards its end intended to come into contact with the medium to be analyzed, in the form of sections cylindrical juxtaposed along the length of the probe and having different sections from one section to another, but constant over the length of a section
  • the ratio between the section of the probe in contact with the piezoelectric element and the section of the probe intended to come into contact with the medium to be analyzed is greater than or equal to 5
  • FIG. 1 represents a general view of a measurement system in accordance with the present invention
  • FIG. 2 schematically represents a side view of an alternative embodiment of the probe in accordance with the present invention
  • - Figure 3 shows a similar view of a probe according to a particular embodiment of the invention
  • - Figure 4 shows the module of the electrical impedance of the piezoelectric element, as a function of frequency, for different media brought into contact with the probe, and
  • FIG. 5 illustrates a variant of probe according to the present invention provided with a sheathing.
  • a measurement system according to the present invention essentially comprising a sensor 100 associated with control means 200 and detection means 300, and a computer control unit 400.
  • the senor 100 comprises a piezoelectric generator 1 10 emitting ultrasound and a probe 120 coupled to the piezoelectric generator 1 10 to form a resonant assembly.
  • the probe 120 is further adapted to be brought into contact with the medium to be tested and to amplify the modifications of the resonance conditions induced by the medium in contact with the probe 120.
  • the probe 120 advantageously has a variable section along its length, decreasing from the piezoelectric element 110, towards its end 122 intended to be brought into contact with the medium to be tested.
  • the geometry of this probe 120 will be described in more detail below.
  • the ratio between the section S1 of the probe 120 in contact with the piezoelectric element 110 and the section S2 of the end 122 of the probe 120 intended to come into contact with the medium to be analyzed is greater than or equal to 5.
  • a motorized assembly controlled by the unit 400 to ensure a controlled relative displacement along 3 axes x, y and z, between the probe 100 and a medium to be tested.
  • the functional connection between the unit 400 and the motorized assembly 500 is shown diagrammatically under the reference 502.
  • the modules 200 and 300 are controlled (commands and acquisitions) by the unit 400.
  • FIG. 300 are shown diagrammatically under the reference 202 and 302 respectively in FIG. 1.
  • the control module 200 is essentially formed by a synthesizer designed to drive and supply the piezoelectric element 110 so that the latter emits a vibratory signal sweeping through a determined frequency range around the resonant frequency of the sensor, with a resolution typically less than 1 Hz.
  • the detection module 300 is sensitive to the resonance conditions of the piezoelectric element 110 (resonance frequency and amplitude at the resonance frequency). Indeed these two parameters
  • frequency and amplitude are related to the properties (density, viscosity, elasticity, viscoelasticity, spinning) of the media.
  • the change in the resonance frequency is related to the density, while the amplitude at the resonance is related to the viscosity.
  • the modification of the resonance frequency is related to elasticity.
  • the presence of a material in contact with the tip 122 of the probe 120 causes the resonance frequency to slide and modifies the quality factor of the resonator as a function of the local mechanical properties (viscous and elastic) of this material.
  • the module 300 essentially consists of a synchronous phase-locked detector which detects variations in the electrical impedance module of the piezoelectric element 1 10
  • the element 1 10 thus also plays the role of receiver by measuring its electrical impedance by the module 300.
  • the measurement parameters accessible and measured by the module 300 are the resonance frequency of the charged piezoelectric element 110 and its quality factor or its impedance in the vicinity of the resonance More precisely still, the sensor 100 forms an acoustic near field sensor.
  • the geometry of the probe 120 forming a delay line and a solid resonant horn fixed to one of the faces of the piezoelectric element is adapted to maximize the sensitivity of the sensor 100 to changes in the resonance conditions. These modifications of the resonance conditions are consecutive to the partial or complete immersion of the terminal part 122 of the probe 120 in the medium whose characteristics are measured.
  • This medium can be formed for example of a gas, a liquid, a gelled medium or a polymer.
  • the probe 120 is formed of two sections juxtaposed along its length and having different sections.
  • the probe 120 advantageously has a symmetry of revolution about a longitudinal axis O-O.
  • the probe 120 is stepped and has two cylindrical sections 124, 126 juxtaposed axially. Each of the two sections 124, 126 has a constant circular section over its entire length.
  • the section 124 in contact by its surface S I with the piezoelectric element 1 10 has a section greater than that S2 of the second section 126 intended to come into contact with the medium to be analyzed.
  • the ratio between the section S1 of a first section of the probe 120 in contact with the piezoelectric element 110 and the section S2 of a second section 122 of the probe 120 intended to come in contact with the medium to be analyzed is greater than
  • the two aforementioned sections also have identical lengths. If necessary, each of the two aforementioned sections can itself be subdivided
  • FIG. 3 there is thus illustrated in FIG. 3 an alternative embodiment according to which the probe 120 is formed of two main sections 124, 126 each subdivided into two secondary sections juxtaposed axially.
  • the two main sections 124, 126 preferably have identical lengths. Furthermore, each of these main sections 124, 126 is itself divided into two equal secondary sections between them 1240 and 1242 on the one hand, 1260 and 1262 on the other hand Thus, these four secondary sections 1240, 1242, 1260 and 1262 are advantageously of identical length
  • the sensor 100 has a back 130 consisting of a counterweight, located on the second face of the piezoelectric element 1 10 opposite that of the bell 120 forming a probe
  • the sensitivity of the device is characterized by the amplification M.
  • Ll L2 and then becomes directly dependent on the ratio S 1 / S2
  • the device can be machined so that the change in section between the two cylinders 124 and 126 is not abrupt but gradual, for example in the form of slight rounding at the transition between the different juxtaposed sections
  • This sensitivity of the stage device is also defined by the impedance transformation between the Zen load impedance and the input impedance Z E
  • the probe 120 advantageously has a symmetry of revolution about a longitudinal axis O- O.
  • the tip 122 it is possible to envisage using probes 120 of polygonal section, for example square, the tip 122 then being pyramidal .
  • the probe 120 can be extended on its end 122 by a disc perpendicular to the axis of the probe or a sphere.
  • the very localized nature of the measurements can result from a cladding 140 of the probe 120 outside of its end 122, or from a partial coating consisting of a non-wetting deposit, for example a fluorinated deposit.
  • the cladding 140 is preferably secured to the back 130 as indicated in FIG. 5.
  • the cladding material is chosen only for its mechanical strength and can be metallic or polymer. The effect sought by the cladding 140 can be improved by the presence of a liquid between the sheath and the probe.
  • the volume between the probe 120 and the cladding 140 can be filled with a chosen material, optionally the medium to be tested to avoid hardening of the latter in contact with air.
  • FIG. 4 illustrates the curves illustrating the module of the electrical impedance of the piezoelectric element 110, measured by the means 300, as a function of a frequency sweep imposed by the synthesizer means 200, for four media in contact with the probe 120. These curves show that the resonance frequency and amplitude at this frequency make it possible to characterize the medium well.
  • the density and viscosity of the medium can be measured separately after calibration, by measuring the slip of the resonant frequency for the density and by measuring the variation of the modulus of the impedance at the frequency of resonance for viscosity.
  • the elastic constant can be measured, after calibration, by measuring the slip of the resonant frequency.
  • the present invention can find application in a large number of fields covering fluids or mixtures of fluids, including mixtures having gradients, and solids and semi-solids (gels, polymers in solution).
  • Mention may be made, for example, of the monitoring of gelling by measuring the viscosity and the monitoring of the evolution of the elastic properties after gelling in dairy products (control of gelling, spinning or hardening) or sol-gel materials.
  • the device according to the present invention is also well suited for monitoring the evolution of viscosity and elasticity during the use of polymers, varnishes, glues, paints, mastics, creams, bitumens, plasters, terracotta and their derivatives, asphalts and cements.
  • the device according to the present invention can also find application in the following nonlimiting fields:
  • the device according to the present invention can also be used in imaging, by scanning a surface.
  • it can find, for example and without limitation, application in the control of roughness, in the control of the homogeneity in density of solid surfaces, in the control of elasticity and viscoelasticity in subsurface.
  • the device according to the present invention is characterized in particular by the following points: - use and application of a device with amplifying tip by acoustic concentration for localized measurements of the elastic parameters on the surface and inside of elastic media or viscoelastic,
  • the invention differs from the prior art among other things by the fact that according to the invention the vibration mode is directed parallel to the axis of the probe and the system is adapted to generate and detect a signal which provides two uncorrelated information such as viscosity and density.
  • the material constituting the probe 120 is chosen to have a high Young's modulus (for example based on steel, invar, silica, glass, vitro-ceramic, etc.).
  • the resonance frequency in the air of the piezoelectric element is very high (typically greater than 15,000 Herz).
  • the probe according to the present invention is not intended to propagate an acoustic wave in a medium, but on the contrary to cause the probe to interact, at resonance, with a very small thickness a few tens to a few hundred nanometers thick depending on the viscosity of the medium) of the immersion material to obtain very localized investigations These interactions are all the more localized the higher the frequency
  • the present invention is not limited to the particular embodiments which have just been described, but extends to all variants in accordance with its spirit

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Abstract

La présente invention concerne un système acoustique pour mesure locale des paramamètres élastiques de solides ou liquides, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur (100) comportant un générateur piézoélectrique (110) et une sonde (120) couplée au générateur piézoélectrique (110) pour former un ensemble résonant et adaptée pour être portée au contact d'un milieu à tester et amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde (120), et des moyens de traitement (300) sensibles aux modifications de résonance détectées sur l'élément piézoélectrique (120), la sonde (120) présentant une section variable sur sa longueur, décroissante de l'élément piézoélectrique (110), vers son extrémité (122) destinée à venir en contact avec le milieu à analyser, sous forme de tronçons cylindriques juxtaposés selon la longueur de la sonde et présentant des sections différentes d'un tronçon à l'autre, mais constante sur la longueur d'un tronçon.

Description

SYSTEME ACOUSTIQUE POUR MESURE LOCALE DES PARAMETRES ELASTIQUES DE SOLIDES OU LIQUIDES
La présente invention concerne le domaine des capteurs acoustiques.
Plus précisément la présente invention concerne le domaine des systèmes adaptés pour la mesure locale des paramètres élastiques (élasticité, viscosité, viscoélasticité, densité, filage ...) de solides et de liquides.
De nombreux dispositifs acoustiques de test ou mesure ont déjà été proposés.
On peut citer par exemple les dispositifs connus suivants. Welber [1], puis Welber et Quimbly [2] ont décrit un viscosimètre adapté pour la mesure des caractéristiques électriques d'un cylindre piézoélectrique creux de quartz oscillant en mode torsion. Krutin et Smirnitskii [3] ont décrit la théorie d'une tige vibrante, sonde de viscosimètre. Ils ont montré que les conditions de vibration forcée en mode longitudinale et en torsion d'un tige mince (sonde) de diamètre uniforme dans un liquide dépendent de la densité et de la viscosité du liquide, de la densité de la sonde, du module d'élasticité et du coefficient de perte interne du matériau de la sonde, de la configuration de la section de la sonde et la fréquence de pilotage. Des mesures précises de viscosité sont obtenues en tenant compte de l'influence de l'immersion sur les caractéristiques vibrationnelles de la sonde.
Ce dispositif ne confine pas l'énergie acoustique et n'amplifie donc pas les modifications des conditions de résonance.
On peut encore citer un viscosimètre commercialisé par Haa e Buchler Inc. [4] utilisant des cylindres concentriques. Les mesures correspondantes sont décrites dans le document [5].
Les documents EP-A-0 269 870 et Nicholson et Al, « A comparison of coupling horns for waveguides used in médical ultrasonics »,
Ultrasonics, vol. 34, N°7, oct 1996 décrivent différentes sondes à ultrasons pour applications médicales, notamment pour la chirurgie occulaire, et préconisent l'utilisation d'une sonde dont le profil est choisi dans le groupe conique, exponentiel, hyperbolique, gaussien. elliptique ou circulaire D'autres variantes de sondes à profil exponentiel ou conique sont décrites dans les documents US-A-3 843 897 et D.A. Hutchins et Al, « Thic conical piezoelectric transducers for NDE » IEEE 1987 Ultrasonics symposium vol.2, 14 oct. 1987. La présente invention a maintenant pour but de proposer un nouveau capteur confinant l'énergie acoustique et adapté à la mesure des paramètres élastiques de solides ou de liquides, qui permette une mesure simple, qui soit de constitution simple et économique et qui présente une très faible puissance électrique d'alimentation Ces buts sont atteints dans le cadre de la présente invention, grâce à un système comprenant un capteur comportant un générateur piézoélectrique et une sonde couplée au générateur piézoélectrique pour former un ensemble résonant et adaptée pour être portée au contact d'un milieu à tester et amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde, et des moyens de traitement sensibles aux modifications de résonance détectées sur l'élément piézoélectrique, la sonde présentant une section variable sur sa longueur, décroissante de l'élément piézoélectrique, vers son extrémité destinée à venir en contact avec le milieu à analyser, sous forme de tronçons cylindriques juxtaposés selon la longueur de la sonde et présentant des sections différentes d'un tronçon à l'autre, mais constante sur la longueur d'un tronçon
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention le rapport entre la section de la sonde en contact avec l'élément piézoélectrique et la section de la sonde destinée à venir en contact avec le milieu à analyser est supérieur ou égal à 5
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les mouvements de la sonde sont de très faible amplitude, de l'ordre de 10 à l OOnm D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - la figure 1 représente une vue générale d'un système de mesure conforme à la présente invention - la figure 2 représente schématiquement une vue latérale d'une variante de réalisation de sonde conforme à la présente invention,
- la figure 3 représente une vue similaire d'une sonde conforme à un mode de réalisation particulier de l'invention, - la figure 4 représente le module de l'impédance électrique de l'élément piézoélectrique, en fonction de la fréquence, pour différents milieux portés au contact de la sonde, et
- la figure 5 illustre une variante de sonde conforme à la présente invention munie d'un gainage. On a représenté sur la figure 1 annexée un système de mesure conforme à la présente invention comprenant essentiellement un capteur 100 associé à des moyens de commande 200 et à des moyens de détection 300, et une unité informatique de pilotage 400.
Comme indiqué précédemment, dans le cadre de la présente invention, le capteur 100 comprend un générateur piézoélectrique 1 10 émetteur d'ultrasons et une sonde 120 couplée au générateur piézoélectrique 1 10 pour former un ensemble résonant. La sonde 120 est en outre adaptée pour être portée au contact du milieu à tester et pour amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde 120.
Pour cela dans le cadre de la présente invention, la sonde 120 présente avantageusement une section variable sur sa longueur, décroissante de l'élément piézoélectrique 1 10, vers son extrémité 122 destinée à être portée en contact avec le milieu à tester. La géométrie de cette sonde 120 sera décrite plus en détail par la suite.
Plus précisément encore, de préférence, le rapport entre la section SI de la sonde 120 en contact avec l'élément piézoélectrique 1 10 et la section S2 de l'extrémité 122 de la sonde 120 destinée à venir en contact avec le milieu à analyser, est supérieur ou égal à 5. On a schématisé en outre sur la figure 1 , sous la référence 500, un ensemble motorisé, piloté par l'unité 400 pour assurer un déplacement relatif contrôlé selon 3 axes x, y et z, entre la sonde 100 et un milieu à tester.
Pour cela on peut prévoir soit que le milieu est fixe et la sonde
100 est déplacée par l'ensemble motorisé 500, soit inversement que la sonde 100 est fixe et le milieu à analyser est déplacé par l'ensemble motorisé 500. La liaison fonctionnelle entre l'unité 400 et l'ensemble motorisé 500 est schématisée sous la référence 502.
Les modules 200 et 300 sont pilotés (commandes et acquisitions) par l'unité 400. Les liaisons fonctionnelles entre l'unité 400 et les modules 200 et
300 sont schématisées sous la référence 202 et 302 respectivement sur la figure 1.
Le module de commande 200 est formé essentiellement d'un synthétiseur conçu pour piloter et alimenter l'élément piézoélectrique 1 10 de sorte que celui-ci émette un signal vibratoire balayant une plage de fréquences déterminée autour de la fréquence de résonance du capteur, avec une résolution typiquement inférieure à 1 Hz.
Le module de détection 300 est sensible aux conditions de résonance de l'élément piézoélectrique 1 10 (fréquence de résonance et amplitude à la fréquence de résonance). En effet ces deux paramètres
(fréquence et amplitude) sont reliés aux propriétés (densité, viscosité, élasticité, viscoélasticité, filage) des milieux.
Ainsi dans les liquides, la modification de la fréquence de résonance est reliée à la densité, tandis que l'amplitude à la résonance est reliée à la viscosité.
Par ailleurs pour les solides de faible constante élastique (gels, polymères), la modification de la fréquence de résonance est reliée à l'élasticité.
La présence d'un matériau au contact de la pointe 122 de la sonde 120 fait glisser la fréquence de résonance et modifie le facteur de qualité du résonateur en fonction des propriétés mécaniques locales (visqueuses et élastiques) de ce matériau.
Pour cela le module 300 est constitué essentiellement d'un détecteur synchrone à verrouillage de phase qui détecte les variations en module d'impédance électrique de l'élément piézoélectrique 1 10
L'élément 1 10 joue ainsi également le rôle de récepteur par la mesure de son impédance électrique par le module 300.
Les paramètres de mesure accessibles et mesurés par le module 300 sont la fréquence de résonance de l'élément piézoélectrique chargé 1 10 et son facteur de qualité ou son impédance au voisinage de la résonance Plus précisément encore le capteur 100 forme un capteur acoustique de champ proche.
La géométrie de la sonde 120 formant ligne à retard et pavillon résonant solide fixée sur l'une des faces de l'élément piézoélectrique, est adaptée pour maximiser la sensibilité du capteur 100 à des modifications des conditions de résonance. Ces modifications des conditions de résonance sont consécutives à l'immersion partielle ou complète de la partie terminale 122 de la sonde 120 dans le milieu dont les caractéristiques sont mesurées.
Ce milieu peut être formé par exemple d'un gaz, d'un liquide, d'un milieu gélifié ou d'un polymère.
Ces modifications des conditions de résonance peuvent résulter également du contact entre l'extrémité 122 de la sonde 120 avec un solide.
Dans sa définition la plus générale, la sonde 120 est formée de deux tronçons juxtaposés selon sa longueur et présentant des sections différentes.
On a illustré schématiquement sur la figure 2 annexée, une variante de réalisation de sonde 120 conforme à la présente invention.
La sonde 120 présente avantageusement une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal O-O. Selon la figure 2, la sonde 120 est étagée et comporte deux tronçons cylindriques 124, 126 juxtaposés axialement. Chacun des deux tronçons 124, 126 présente une section circulaire constante sur toute sa longueur.
Cependant le tronçon 124 en contact par sa surface S I avec l'élément piézoélectrique 1 10 possède une section supérieure à celle S2 du second tronçon 126 destiné à venir au contact du milieu à analyser.
Dans le cadre de la présente invention, de préférence le rapport entre la section SI d'un premier tronçon de la sonde 120 en contact avec l'élément piézoélectrique 1 10 et la section S2 d'un second tronçonl22 de la sonde 120 destiné à venir en contact avec le milieu à analyser, est supérieur à
10.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, les deux tronçons précités ont par ailleurs des longueurs identiques. Le cas échéant chacun des deux tronçons précités peut lui même être subdivisé
On a ainsi illustré sur la figure 3 une variante de réalisation selon laquelle la sonde 120 est formée de deux tronçons principaux 124, 126 subdivisés chacun en deux tronçons secondaires juxtaposés axialement .
1240 et 1242 pour le tronçon 124, 1260 et 1262 pour le tronçon 126.
Comme indiqué précédemment, les deux tronçons principaux 124, 126 ont de préférence des longueurs identiques Par ailleurs,chacun de ces tronçons principaux 124, 126 est lui-même divisé en deux tronçons secondaires égaux entre eux 1240 et 1242 d'une part, 1260 et 1262 d'autre part Ainsi, ces quatre tronçons secondaires 1240, 1242, 1260 et 1262 sont avantageusement de longueur identique
On notera que comme on l'a illustré sur la figure 3, le capteur 100 comporte un dos 130 constitué d'une contremasse, situé sur la seconde face de l'élément piézoélectrique 1 10 opposée à celle du pavillon 120 formant sonde
La sensibilité du dispositif est caractérisée par l'amplification M.
Dans le cas d'une géométrie étagée considérée comme préférentielle dans le cadre de la présente invention, c'est à dire constituée d'au moins deux cylindres coaxiaux comme illustré sur la figure 2, l'amplification est définie par la relation -ug. = (Sl/S2)(coskLl/coskL2) dans laquelle Ll et L2 représentent les longueurs des deux cylindres 124 et 126 et SI et S2 sont les aires des sections de ces deux cylindres L'amplification est maximum lorsque Ll = L2 et devient alors directement fonction du rapport S 1/S2
Pour des raisons de tenue mécanique, le dispositif peut être usiné de façon que le changement de section entre les deux cylindres 124 et 126 ne soit pas abrupt mais progressif, par exemple sous forme de légers arrondis au niveau de la transition entre les différents tronçons juxtaposés
Cette sensibilité du dispositif étage est également définie par la transformation d'impédance entre l'impédance de charge Zen et l'impédance d'entrée ZE
En impédance mécanique ZE = (S 1/S2)2 ZCH On a indiqué précédemment que la sonde 120 présente avantageusement une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal O- O. Cependant en variante on peut envisager d'utiliser des sondes 120 de section polygonale, par exemple carrée, la pointe 122 étant alors pyramidale. En outre la sonde 120 peut être prolongée sur son extrémité 122 par un disque perpendiculaire à l'axe de la sonde ou une sphère.
Le caractère très localisé des mesures peut résulter d'un gainage 140 de la sonde 120 en dehors de son extrémité 122, ou d'un revêtement partiel constitué d'un dépôt non-mouillant, par exemple un dépôt fluoré. Le gainage 140 est solidarisé préférentiellement au dos 130 comme indiqué sur la figure 5. Le matériau de gainage n'est choisi que pour sa tenue mécanique et peut être métallique ou polymère. L'effet recherché par le gainage 140 peut être amélioré par la présence d'un liquide entre la gaine et la sonde.
Comme on le voit sur la figure 5, de préférence, il n'existe pas de contact physique entre le gainage 140 et la sonde 120. Néanmoins, le gainage
140 est placé à proximité immédiate de la sonde 120 pour interdire une circulation du milieu à tester entre la sonde 120 et le gainage 140. Le cas échéant, le volume entre la sonde 120 et le gainage 140 peut être rempli d'un matériau choisi, éventuellement le milieu à tester pour éviter un durcissement de celui-ci au contact de l'air.
On a illustré sur la figure 4 les courbes illustrant le module de l'impédance électrique de l'élément piézoélectrique 1 10, mesurée par les moyens 300, en fonction d'un balayage en fréquence imposé par les moyens synthétiseurs 200, pour quatre milieux en contact avec la sonde 120. Ces courbes montrent que fréquence de résonance et amplitude à cette fréquence permettent de bien caractériser le milieu.
L'homme de l'art compendra qu'il suffit de comparer la réponse obtenue avec une réponse étalon pour déterminer les caractéristiques du milieu étudié. Dans le cas d'un milieu liquide, la densité et la viscosité du milieu peuvent être mesurées séparément après étalonnage, par mesure du glissement de la fréquence de résonance pour la densité et par mesure de la variation du module de l'impédance à la fréquence de résonance pour la viscosité. Dans le cas d'un milieu semi-solide tel qu'un gel, la constante élastique peut être mesurée, après étalonnage, par mesure du glissement de la fréquence de résonance.
La présente invention peut trouver application dans un grand nombre de domaines couvrant les fluides ou des mélanges de fluides, y compris des mélanges présentant des gradients, et des solides et semi-solides (gels, polymères en solution).
On peut citer par exemple le suivi de la gélification par mesure de la viscosité et le suivi de l'évolution des propriétés élastiques après gélification dans les laitages (contrôle de la gélification, du filage ou du durcissement) ou les matériaux sol-gel.
Le dispositif conforme à la présente invention est également bien adapté pour suivre l'évolution de la viscosité et de l'élasticité au cours de la mise en oeuvre des polymères, des vernis, des colles, des peintures, des mastics, des crèmes, des bitumes, des plâtres, terres cuites et leurs dérivés, des asphaltes et des ciments.
Ainsi le dispositif conforme à la présente invention peut également trouver application dans les domaines non limitatifs suivants :
- contrôle du filage d'un précurseur de fibre céramique, - mise en évidence d'une démixtion dans un fluide (ou de l'apparition d'une phase huileuse à la surface d'une phase aqueuse),
- contrôle d'un niveau de liquide,
- contrôle de la pollution de eaux par des sels solubles (nitrates ...),
- contrôle de la maturité et de la maturation des fruits, - contrôle de la densité et de la viscosité d'une solution aqueuse,
- suivi de la variation de viscosité en fonction de la température d'un liquide très visqueux,
- caractérisation de liquides non-miscibles,
- suivi de la décantation d'une émulsion, - polymérisation d'un mastic de silicone,
- durcissement d'un vernis,
- contrôle du vieillissement des huiles et des graisses, en fonction de la température ou de la durée d'utilisation,
- contrôle de l'environnement (détection d'un brouillard, d'une fumée...) ou d'un aérosol, - prise d'un ciment ou d'une colle,
- contrôle de la fluidité du sang in situ.
Le dispositif conforme à la présente invention peut également être utilisé en imagerie, par balayage d'une surface. Dans ce contexte il peut trouver, par exemple et non limitativement, application dans le contrôle de rugosité, dans le contrôle de l'homogénéité en densité de surfaces solides, dans le contrôle d'élasticité et de viscoélasticité en sous-surface.
En conclusion le dispositif conforme à la présente invention se caractérise en particulier par les points suivants : - utilisation et application d'un dispositif à pointe amplifiante par concentration acoustique pour des mesures localisées des paramètres élastiques à la surface et à l'intérieur de milieux élastiques ou viscoélastiques,
- facilité d'immersion, y compris dans les milieux semi-solides tels que les gels et les polymères au cours de leur mise en oeuvre, - détection d'un signal qui permet de recueillir deux types d'informations indépendantes : le glissement de la fréquence de résonance et le module de l'impédance à la résonance ou son facteur de qualité,
- très faible amplitude de déplacement en bout de pointe évitant une perturbation du milieu analysé, - mode de vibration longitudinal de direction parallèle à l'axe de la sonde
120.
L'invention se distingue entre autre de l'état de la technique par le fait que selon l'invention le mode de vibration est dirigé parallèlement à l'axe de la sonde et le système est adapté pour générer et détecter un signal qui fournit deux informations décorrelées que sont la viscosité et la densité.
Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le matériau constitutif de la sonde 120 est choisi pour posséder un module d'Young élevé (par exemple à base d'acier, invar, silice, verre, vitro- céramique, etc .). Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, la fréquence de résonance dans l'air de l'élément piézo-électrique est très élevée (typiquement supérieure à 15 000 Herz). Ainsi contrairement à la plupart des dispositifs à ultrasons connus, la sonde conforme à la présente invention n'est pas destinée à faire propager une onde acoustique dans un milieu, mais au contraire à faire interagir la sonde, à la résonance, avec une épaisseur très faible quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres d'épaisseur selon la viscosité du milieu) du matériau d'immersion pour obtenir des investigations très localisées Ces interactions sont d'autant plus localisées que la fréquence est plus élevée Bien entendu la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation particuliers qui viennent d'être décrits, mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit
[1] B Welber, "Damping of a tortionally oscillating cylinder in liquid hélium at various températures and densities", Phys Rev 119 (1960) 1816-22
[2] B Welber et S L Quimby, "Measurements of the product of viscosity and density of liquid hélium with a torsional crystal", Phys Rev 107 (1957) 645-6
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Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1. Système acoustique pour mesure locale des paramètres élastiques de solides ou liquides, caractérisé par le fait qu'il comprend un capteur (100) comportant un générateur piézoélectrique (1 10) et une sonde (120) couplée au générateur piézoélectrique (1 10) pour former un ensemble résonant et adaptée pour être portée au contact d'un milieu à tester et amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde (120), et des moyens de traitement (300) sensibles aux modifications de résonance détectées sur l'élément piézoélectrique (120), la sonde (120) présentant une section variable sur sa longueur, décroissante de l'élément piézoélectrique (1 10), vers son extrémité (122) destinée à venir en contact avec le milieu à analyser, sous forme de tronçons cylindriques juxtaposés selon la longueur de la sonde et présentant des sections différentes d'un tronçon à l'autre, mais constante sur la longueur d'un tronçon.
2. Système selon la revendication 1 , caractérisé par le fait que le rapport entre la section S I de la sonde (120) en contact avec l'élément piézoélectrique (1 10) et la section S2 de la sonde (120) destinée à venir en contact avec le milieu à analyser est supérieur ou égal à 5.
3. Système selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre un module de commande (200) comprenant un synthétiseur conçu pour piloter et alimenter l'élément piézoélectrique ( 1 10) de sorte que celui-ci émette un signal vibratoire balayant une plage de fréquences déterminée autour de la fréquence de résonance du capteur (100).
4. Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que les moyens de traitement (300) sont sensibles à la fréquence de résonance de l'élément piézoélectrique ( 1 10) et à l'amplitude à la fréquence de résonance de cet élément.
5. Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les moyens de traitement (300) comprennent un détecteur synchrone à verrouillage de phase qui détecte les variations en module d'impédance électrique de l'élément piézoélectrique (1 10).
6. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le rapport entre la section S I d'un premier tronçon de la sonde (120) en contact avec l'élément piézoélectrique (1 10) et la section S2 d'un second tronçon (122) de la sonde (120) destiné à venir en contact avec le milieu à analyser, est supérieur ou égal à 5.
7. Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que la sonde (120) comprend deux tronçons et les deux tronçons ont des longueurs identiques.
8. Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l'un au moins des deux tronçons est subdivisé.
9. Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait que le capteur (100) comporte un dos (130) constitué d'une contremasse, situé sur la seconde face de l'élément piézoélectrique (1 10) opposée à celle du pavillon (120) formant sonde.
10. Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la sonde (120) comporte deux tronçons cylindriques (124, 126) juxtaposés axialement.
11. Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que la sonde (120) comprend quatre tronçons cylindriques coaxiaux (1240, 1242, 1260, 1262).
12. Système selon l'une des revendications 1 à 1 1 caractérisé par le fait que la sonde (120) présente une symétrie de révolution autour d'un axe longitudinal O-O.
13. Système selon l'une des revendications 1 à 1 1, caractérisé par le fait que la sonde (120) présente une section polygonale, par exemple carrée.
14. Système selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé par le fait que la sonde (120) est prolongée sur son extrémité (122) adjacente au milieu à analyser par un disque perpendiculaire à l'axe de sonde ou une sphère.
15. Système selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé par le fait que la sonde (120) comprend un gainage qui la recouvre en dehors de son extrémité (122) destinée à venir en contact avec le milieu à analyser.
16. Système selon la revendication 15, caractérisé par le fait que le gainage est formé d'un revêtement partiel constitué d'un dépôt non- mouillant.
17. Système selon l'une des revendications 15 à 16, caractérisé par le fait que le gainage (140) est situé à distance de la sonde (120) pour éviter un contact physique avec celle-ci.
18. Système selon l'une des revendications 15 à 17 prise en combinaison avec la revendication 9, caractérisé par le fait que le gainage
(140) est relié au dos.
19. Système selon l'unedes revendications 15 à 18, caractérisé par le fait que le gainage (140) est rempli d'un milieu choisi, par exemple le milieu à tester.
20. Système selon l'une des revendications 1 à 19, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un ensemble motorisé, piloté pour assurer un déplacement relatif contrôlé selon 3 axes x, y et z, entre la sonde (100) et le milieu à tester.
21. Système selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisé par le fait que l'amplitude des mouvements de la sonde (120) est de l'ordre de 10 à lOOnm.
22. Système selon l'une des revendications 1 à 21, caractérisé par le fait que le générateur piézo-électrique (1 10) possède une fréquence très élevée, typiquement supérieure à 15 000 Herz, de sorte que la sonde (120) interagisse, à la résonance, avec une épaisseur très faible de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres d'épaisseur, selon la viscosité du milieu, du matériau d'immersion pour obtenir des investigations très localisées.
23. Capteur comportant un générateur piézoélectrique (1 10) et une sonde (120) couplée au générateur piézoélectrique (110) pour former un ensemble résonant et adaptée pour être portée au contact d'un milieu à tester et amplifier les modifications des conditions de résonance induites par le milieu en contact avec la sonde (120) conforme à l'une des revendications 1 à 22.
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