Vélocimètre laser de surface

Un vélocimètre laser de surface est un capteur de mesure de vitesse de défilement sans contact. Il est constitué d'une source de lumière monochromatique...



Catégories :

Capteur - Composant électronique - Laser - Physique - Mécanique ondulatoire - Optique ondulatoire

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Un vélocimètre laser de surface est un capteur de mesure de vitesse de défilement sans contact. Il est constitué d'une source de lumière monochromatique (laser ou diode laser) et d'un interféromètre optique, servant à mesurer l'effet Doppler dû au déplacement de la surface dans la zone de mesure. Au contraire de la vélocimétrie laser "classique", cette méthode sert à mesurer des vitesse de déplacement de surfaces solides et non pas de vitesses d'écoulements de fluides. La majorité des vélocimètres de surface permettent actuellement de mesurer aussi la longueur défilée par intégration dans le temps de la vitesse mesurée.

Le vélocimètre laser de surface (ou LSV : Laser Surface Velocimeter) utilise le principe de l'effet Doppler et fonctionne sans contact. Il est par conséquent spécifiquement adapté pour mesurer des vitesse de déplacement, là ou des méthodes alternatives (Roue codeuse) atteignent leurs limites ou ne peuvent tout simplement pas être utilisées : corps chauds ou sensibles au contact par exemple.

Cette méthode de contrôle non destructif (CND) est de plus en plus utilisée dans l'industrie à la place des technologies citées ci-dessus.

Principe

La mesure

L'effet Doppler est un phénomène bien connu de tous. Il se cache derrière le bruit de la sirène du camion de pompier qui nous parait différent au fur et à mesure qu'il s'approche de nous puis s'éloigne. La fréquence perçue change alors et on a cette impression de glissement d'un son aigu à un son plus grave.

A l'intérieur de la tête de mesure du vélocimètre, le laser, de fréquence optique f est divisé en deux faisceaux de même energie grâce à une cellule de Bragg (modulateur acousto-optique). En même temps un des deux faisceaux est décalé en fréquence Fb = 40 MHz. Les deux faisceaux laser se croisent à la distance de travail spécifiée sous un angle α comparé à l'axe optique. La lumière rétro-diffusée par l'objet est collectée par l'optique et focalisée sur le photodétecteur. Le signal de ce détecteur est ensuite analysé de manière électronique.


Les vélocimètre laser de surface fonctionnent selon le principe de différences Doppler. Ici deux faisceaux laser sont juxtaposés et génèrent un motif de franges d'interférence sur la surface de l'objet à mesurer.


A l'intersection des deux faisceaux laser, les interférences produisent des franges brillantes et sombres sur la surface de l'objet avec un intervalle entre les franges nommé δS qui peut être déterminé à partir de l'angle α et de la longueur d'onde du laser λ :

 \delta S = \frac {\lambda}{2sin \alpha}

Quand une particule sur la surface de l'objet traverse la zone d'interférences, elle réfléchit la lumière en passant à travers les franges claires. Le détecteur reçoit alors une modulation d'intensité lumineuse composée d'une fréquence Doppler Fd qui multipliée par l'interfrange δS donne la vitesse de la surface Vp.


Vp = δS. Fd

L'interfrange, reste constant même quand la distance de travail fluctue (à l'intérieur du volume de mesure). La longueur est calculée par une intégration ultra précise en temps réel de la vitesse instantanée.

Le procédé hétérodyne

Le signal résultant de la mesure est un signal de fréquence instantanée Fm qui se compose de la fréquence de la cellule de Bragg Fb = 40 MHz et de la fréquence Doppler Fd (détection hétérodyne).

Fm = 40 (MHz) + / − Fd

Le procédé hétérodyne permet ainsi au vélocimètre laser de surface de mesurer le signe de la vitesse et de réaliser des mesures à particulièrement basse vitesse jusqu'à une vitesse nulle. Une autre caractéristique du procédé est la très haute précision des mesures qui ne sont absolument pas dépendantes des conditions de mesures (ambiance, température, couleur du produit, ... ) car l'interfrange δS ne dépend que de l'angle α et de la longueur d'onde du laser λ.

Ainsi : A zero, le pic de fréquence se situe à 40 MHz. C'est ce qui explique qu'il est envisageable de mesurer à particulièrement basse vitesse jusqu'à une vitesse nulle. Les fréquences < 40 MHz = vitesse nulle Les fréquences > à 40 MHz = vitesse positive Le maximum mesurable avec la technique du Doppler = ±4.8 MHz.

Exemples d'application

Les vélocimètres laser de surface [LSV] sont utilisés pour de nombreuses applications de mesure de longueur et de vitesse dans différents domaines industriels. Quelques exemples sont indiqués ci-dessous :

En savoir plus

Références

  1. http ://www. polytec. com/fr/_files/LM_AN_INFO_0206_E_LSV_Car_Speed. pdf
  2. http ://www. polytec. com/fr/_files/LM_AN_LSV-03_2006_04_US. pdf

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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