Vélocimètre laser à effet Doppler La présente demande de brevet concerne un vélocimètre laser à effet Doppler portable simple de mise en oeuvre, d'encombrement réduit et de faible coût de réalisation. Les vélocimètres laser à effet Doppler à ce jour sont essentiellement utilisés pour des applications de laboratoire et de recherche nécessitant d'excellentes performances en termes de résolution, dynamique de mesure, vitesse d'échan¬ tillonnage, mesures en 3 dimensions, possibilité de dimensionnement et quan¬ tification de particules. C'est principalement pour cette raison que le matériel disponible en vélodmétrie laser à effet Doppler ne comprend que des appa¬ reils coûteux, encombrants, fragiles et diffidles à mettre en oeuvre. Par ailleurs, les débitmètres actuels, quels que soient les prin pes de mesure - électromagnétisme, micromoulinet, ultra sons, à effet Vortex, à effet Coriolis, à déprimogènes - comportent tous des limitations, notamment dans le do- maine de la mesure des faibles vitesses (inférieures au décimètre par se¬ conde). Dans ce seul domaine, la vélodmétrie laser Doppler peut offrir une solution technique intéressante à un coût comparable ou inférieur aux moyens de mesure précédents.

L'objet de la présente demande concerne un vélodmètre laser à effet Doppler destiné entre autres à des applications industrielles ou pédagogiques et com¬ prenant d'importantes simplifications par rapport aux produits habituels en vélodmétrie laser à effet Doppler (VLD).

Nous rappellerons dans une première partie le prindpe de la vélodmétrie la¬ ser à effet Doppler afin de bien mettre en évidence les composants nécessaires à la mise en oeuvre du principe.

Nous décrirons ensuite une réalisation possible du vélodmètre réduisant et simplifiant les composants nécessaires.

La figure 1 permet la compréhension du prindpe mis en oeuvre sous le terme vélodmètre laser à effet Doppler. La figure 2 présente une simplification connue de mise en oeuvre de la véloci-

^FEU,LLE °E REMPLACEMENT {RÈGLE 26)

métrie laser.

La figure 3 illustre le prindpe.seion l'invention. Les figures 4 et 5 présentent d'autres mises en oeuvre de l'invention.

Les figures 6 , 7, 9, 10 et 11 présentent plusieurs possibilités ti'applica- tion du prindpe selon l'invention.

Les fig. _t 12, 13 et 14 présentent des simplifications intéressantes de la vélo¬ dmétrie laser pour la détection du sens de l'écoulement. Le prindpe de la vélodmétrie laser à effet Doppler, tel que présenté sur la fi¬ gure 1, est basé sur le décalage de la fréquence de la lumière diffusée par toute particule en mouvement lorsqu'elle traverse un faisceau de lumière mo¬ nochromatique et cohérente.

Le décalage de fréquence induit par l'effet Doppler est proportionnel à la vi¬ tesse de la particule et dépend de la direction de détection. Ce décalage étant très faible, il n'est pas mesurable directement. On utilise alors ia technique d'hétérodynage, ou battement de deux fréquences. Plusieurs configurations permettent la mise en oeuvre de ce phénomène.

La figure 1 représente la configuration utilisant le mode du faisceau de réfé¬ rence. On provoque le battement des deux fréquences sur la photodiode 5a utilisée pour capter le signal Doppler : la fréquence de ia source laser et celle contenant le décalage en fréαuence du à l'effet Doϋϋler.

Le faisceau 1 issu de la source laser le est séparé en deux faisceaux ia et lb, par la séparatrice 4a. Un miroir à réflexion totale 4b réoπente le faisceau la, dit de référence, parallèlement au faisceau lb dit de mesure. Les 2 faisceaux la et lb sont focalisés par la lentille 4c au point de mesure 15. Le faisceau lb, dans la zone de mesure au point de focalisation, lors du passage d'une micro- particule, va diffuser de ia lumière dont la fréαuence est décaiée par rapport à celle du faisceau d'ori-rine 1 par l'effet Doppler. La photodiode 5a, positionnée sur le faisceau de référence, capte les battements provoqués par les rreαuences des 2 faisceaux, celle de ia lumière diffusée par la particule et celle eu faisceau de référence, et délivre un signai éiectπαue 5b contenant les battements DOD-

pler.

La méthode dite des franges d'interférence constitue une autre présentation du prindpe de la vélodmétrie laser à effet Doppler : les deux faisceaux la et 1 b créent, au point de focalisation, des franges d'interférence 2. Toute micro- particule 3 au passage des zones daires va diffuser de la lumière captée par la photodiode 5a.

L'interfrange x est liée à la longueur d'onde L de la source laser et à la géomét¬ rie des faisceaux définie par l'angle 2β, par la relation x = L/2sin β Une particule se déplaçant à une vitesse v perpendiculaire aux franges d'inter¬ férence va donc générer un signal de fréquence f telle que La vitesse des particules est ainsi liée à la fréquence Doppler par la relation : v = f * L / 2 sin_3 Le traitement, c'est à dire l'extraction de la fréquence de battement Doppler porteuse de l'information de vitesse, peut être réalisée à l'aide de différentes méthodes décrites ultérieurement.

De nombreux ouvrages ont été écrits (Durst / Melling / Whitelaw - 1987 - Théorie et pratique de la vélodmétrie laser à effet Doppler) qui ne concernent que le seul choix des particules et plus prédsément du diamètre de celles-d pour obtenir une bonne qualité de signal. Nous ne développerons pas cet as¬ pect de la technique; la présente innovation s'intéresse prindpalement à des applications ne nécessitant pas d'ensemencement mais pouvant fonctionner avec les seules particules présentes dans le fluide à instrumenter. Dans les prindpales applications visées, sur des fluides fréquemment rencon¬ trés (eau, vapeur, autres fluides transparents,) il existe statistiquement suffi¬ samment de particules permettant une mesure de vitesse dans de bonnes conditions, sans nécessiter de faire appel à l'ensemencement. Généralement, ces applications s'intéressent plus particulièrement à la mesure de débits ou de volumes circules au' à la mesure de vitesse instantanée.

Si l'on se réfère au schéma de la figure 1 d'explication du prindpe de mesure, les fonctionnalités essentielles pour la mise en oeuvre d'un capteur VLD sont les suivantes :

- source de lumière monochromatique et monomode, - séparation en 2 faisceaux, avec possibilité d'équilibrage de la séparation de ces faisceaux,

- focalisation de ces 2 faisceaux sur le point de mesure,

- réception du signal.

L'exemple représenté sur la figure 1 utilise une lame séparatrice 4a permet- tant d'obtenir deux faisceaux cohérents la et lb à partir de la même source la¬ ser le, un miroir 4b réorientant le faisceau la parallèlement au faisceau lb et une lentille 4c focalisant les deux faisceaux au point de mesure. La qualité du signai dépend notamment de la précision du cheminement opti¬ que des faisceaux, lui-même dépendant de la quantité des composants et de leur positionnement. Ainsi la figure 2 illustre une possibilité connue et inté¬ ressante de réalisation d'un capteur ne comportant qu'un nombre limité de composants : source laser ld, lame séparatrice 4d, dont une partie 4e a été traitée pour permettre la réflexion totale du faisceau le; les deux faisceaux le et lf en sortie de la lame séparatrice sont toujours, sans autre précaution, pa- rallèles.

De même, un signal Doppler de bonne qualité nécessite d'avoir des faisceaux cohérents, c'est-à-dire que la différence de chemin optique des faisceaux soit inférieure à la longueur de cohérence du laser. Toute différence de chemine¬ ment optique entraîne ainsi un risque de non cohérence des faisceaux particu- lièrement si la longueur de cohérence de la source laser utilisée est faible.

Les brevets FR 2654215, enregistré sous le N° 90 13540 et publié le 10/05/91, et FR 2637085, enregistré sous le N° 89 08632 et publié le 30/03/90, portent notamment sur des diviseurs de faisceau permettant la réalisation d'anémo¬ mètres laser Doppler compacts. En dépit d'avantages indéniables en compaci- té, les moyens permettant la séparation du faisceau laser en deux faisceaux

comportent cependant dans l'un et l'autre brevet plusieurs éléments optiques nécessitant un positionnement et des réglages minutieux. Le brevet 89 08632 par exemple, nécessite un cube diviseur ou un diviseur symétrique pour la division du faisceau laser et des miroirs à réflexion totale, un par faisceau partiel, pour dévier les faisceaux et réaliser leur croisement dans le volume de mesure.

Le brevet 90 13540 utilise aussi deux miroirs à réflexion totale, la séparation étant réalisée par un miroir semi transparent. Dans l'un et l'autre brevet, au minimum trois composants sont nécessaires à la division des faisceaux, ce qui implique, en dehors de tout élément de prix, des précautions particulières quant au positionnement de chacun d'eux et, par voie de conséquence, des possibilités de déréglage. Pour éviter de mettre en oeuvre des moyens optiques coûteux permettant de pallier ce genre de problème, la présente invention propose une méthode de séparation simple à mettre en oeuvre, fiable et permettant l'obtention d'un ordre d'interférence très bas, la différence de chemin optique au niveau de la frange centrale étant nulle.

La figure 3 schématise une possibilité de réaliser cette séparation. La présente invention réalise la séparation en interposant, comme représenté sur cette figure 3, simplement sur le faisceau lh en sortie de la source laser lg, un corps ou un objet opaque 6, dont l'épaisseur constante dans sa partie utile et s'opposant au passage du faisceau lh, est inférieure à la largeur de celui-ci initial, issu de la diode ou source laser lg, de forme allongée, au moins dans la direction perpendiculaire au plan constitué par la direction de la vitesse à mesurer et celle du faisceau lh de la source laser, de longueur dans cette direction supérieure à la largeur du faisceau lh. Cet objet opaque 6 sépare le faisceau initial lh en deux sous-faisceaux li et lj qui sont ensuite focalisés par la lentille 4f sur le point de mesure 15a, créant en ce point des franges d'interférence. Les signaux résultant du passage d'une particule dans ces franges d'interférences sont détectés par les moyens de détection 5c. Dans une mise en oeuvre intéressante de l'invention, l'objet opaque 6 constituant la séparatrice est un cylindre de diamètre inférieur à la largeur du faisceau lh, comme représenté sur la figure 3.

Les avantages d'une telle mise en oeuvre sont nombreux, les principaux étant les suivants : extrême simplicité de mise en oeuvre - coût négligeable des composants nécessaires à cette séparation - mise au point simplifiée. Les inconvénients (gaspillage d'énergie, géométrie figée de la séparation des faisceaux) peuvent certes en limiter les applications, particulièrement dans le domaine de la mesure en laboratoire. Sa simplicité, par contre, ouvre la voie à de nombreuses applications dans le domaine industriel, difficilement envisageables avec les produits classiques en vélocimétrie laser à effet Doppler. Cette séparation peut être réalisée à l'aide de moyens très divers, la liste de ceux décrits ci-après n'étant nullement limitative. Une manière simple de réaliser cette séparation, comme schématisé sur la figure 4, consiste à coller simplement une bande de ruban adhésif 7, en sortie de la source laser. Une autre manière offrant un peu plus de possibilités de réglage est schématisée sur la figure 5. Elle met en oeuvre un cylindre 8 qui sépare en deux le faisceau initial. Ce cylindre, dans une réalisation intéressante de l'invention, est monté excentré sur un support 9 tournant autour d'un axe et situé hors du champ du faisceau et perpendiculaire au plan passant par la direction du faisceau et celle de la vitesse à mesurer. La rotation de ce support 9 permet de déplacer le cylindre 8 d'un bord vers l'autre de la largeur du faisceau, pour positionner la bande de séparation à volonté sur cette largeur, et de régler l'équilibrage en intensité et géométrie de chaque faisceau. Les figures 6-vue de dessus et 7-vue latérale représentent une application mettant en jeu l'invention et illustrant bien sa simplicité de mise en oeuvre. Dans cette application, l'invention est utilisée comme banc pédagogique d'initiation à la vélocimétrie laser à effet Doppler. Le capteur 10 selon l'invention comprend la source laser 11, la séparatrice 13 et la lentille de focalisation 26 et est associé à un tube en verre 18 dans lequel circule de l'eau. La source laser 11 après positionnement du faisceau dans la direction de mesure est bloquée par la vis 12.

Le capteur 10 et le récepteur 14 sont fixés sur une platine 15 mobile par rapport au banc 16. Le point de mesure 17 peut ainsi être déplacé en tout point du diamètre intérieur du tube 18 dans lequel on fait circuler de l'eau. L'ensemble permet de réaliser le profil des vitesses d'écoulement à l'inté¬ rieur du tube.

Dans une réalisation intéressante de l'invention telle que représentée sur les figures 6 , vue de dessous, et 7 ₁ vue latérale, le récepteur est consti¬ tué simplement d'un support monté sur la platine 15 et supportant une fibre optique 19 recevant le signal Doppler. Cette fibre optique 19 trans¬ porte le signal jusqu'à une photodiode 20 qui convertit le signal optique en courant électrique; ce courant est transformé en tension et amplifié par la carte électronique 21. Ce signal peut ensuite être directement vi¬ sualisé sur un oscilloscope 22. Un osdlloscope à mémoire permet de sé- lectionner les mesures intéressantes et de calculer la fréquence du signal Doppler ainsi visualisé. La connaissance du coeffident de ia sonde, te¬ nant compte de la longueur d'onde L de la source laser et de la géométrie des faisceaux permet de calculer la vitesse d'écoulement au point de me¬ sure seion la relation mentionnée précédemment : v = f * L / 2 sin β

Un tel système est parfaitement adapté à des applications pédagogiques, en présentant de manière simple les différentes configurations possibles pour mettre en oeuvre un capteur à base de vélodmétrie laser à effet

Doppler; il permet aussi des applications intéressantes dans le domaine industriel.

Dans une autre réalisation intéressante de l'invention, le capteur inclut un traitement du signal 41 permettant en sortie du convertisseur cou¬ rant-tension de numériser ie signai et de le traiter pour en extraire ia fré¬ quence Doppier. Les méthodes d'extraction de ia fréαuence Doppler les plus frëαuemment

rencontrées sont les suivantes :

. comptage : on compte le temps correspondant à "n" passages par zéro du signal périodique contenant la fréquence Doppler; c'est une technique simple à mettre en oeuvre et donnant de bons résultats quelle que soit l'appli- cation ; les contraintes de validation permettant de s'assurer de la réalité du si¬ gnal entraînent cependant l'élimination de données intéressantes; en effet, pour valider la fréquence calculée, on peut par exemple comparer le temps correspondant à "n" passages par zéro, au double du temps pour "n/2" pas¬ sages par zéro; les valeurs situées en dehors de seuils de tolérance fixés préa- lablement sont éliminées; ced conduit à rejeter des valeurs intéressantes no¬ tamment dans le cas d'écoulements turbulents; le temps de mesure peut deve¬ nir anormalement long;

. système de boude à verrouillage de phase : on compare la fréquence du signal Doppler à celle d'un oscillateur asservi en tension; cette méthode n'est utilisable que dans le cas où le signal est permanent et de fréquence ne variant que faiblement;

^' . transformées de FOURLER rapides ; sans entrer dans les limitations liées au prindpe de calcul bien connues des spédalistes, en présence de signaux non permanents, la fenêtre, correspondant au signal obtenu lors du passage d'une particule dans le volume de mesure, est trop étroite pour permettre un traitement satisfaisant par transformées de FOURLER. Le traitement du signal par paramétrage mathématique constitue une autre possibilité intéressante.

Soit un signal sinusoïdal de fréquence f échantillonné à une période T. Si nous notons S (n) =(cos Ω * nT) la valeur du signal échantillonné à la n ^{e e} période d'échantillonnage, nous pouvons écrire pour le (n+l)ième échantillon :

S (n+1) = 2cos Ω T S(n) - S (n-1) fonction récursive du second ordre. Notre problème est de déterminer la va¬ leur de cos ΩT et donc la valeur de la fréquence f = Ω/2π qui vérifie la rela- tion:

S(n+1) + S(n-l) = a^n) où a _! = 2 cos Ω T D'une manière générale ce type de traitement comprend :

- la numérisation du signal, après conversion courant/tension et amplification du signal,

- un traitement linéaire récursif dans lequel un algorithme calcule la pulsation Ω de façon à minimiser l'écart entre l'estimation et la valeur réelle du signal.

Divers problèmes peuvent limiter ce type de traitement. On est capable de fournir une estimation de al même si le signal n'est pas sinusoïdal. L'algorithme utilisé dans la présente invention comprend une première phase dans laquelle on s'assure de la nature du signal. Pour cela, on calcule les coefficients de la relation de récurence : S(n+1) = a S(n) + a ₂ S(n-l) Pour un signal 100 % sinusoïdal, on doit avoir a ₂ = -1. Le signal étant modulé de manière aléatoire en amplitude, une marge (environ 1 % à 2 %) est tolérée autour de -1 ; si a ₂ n'est pas situé dans l'intervalle correspondant, on procède au même calcul sur l'échantillon suivant.De nombreuses applications industrielles du capteur vélocimètre laser à effet Doppler selon la présente invention sont envisageables ; les exemples qui suivent sont présentés à titre de simple illustration et ne sont nullement limitatifs. La figure 9 présente une possibilité de mise en oeuvre du capteur selon l'invention pour la mesure de vitesse de circulation d'eau ou de débit de fluide circulant dans une canalisation. Comme dans les exemples des figures 6 et 7, ce sont les microparticules présentes dans le fluide qui sont à l'origine des signaux Doppler détectés par le récepteur 14. Des hublots 31 et 32 disposés suivant l'axe du faisceau laser dans la paroi de la canalisation, permettent un accès optique au fluide en écoulement. Le capteur 10 incluant la source laser, sa séparatrice et sa lentille de focalisation, et le récepteur 14 sont positionnés de part et d'autre de la canalisation comme dans l'exemple des figures 6 et 7 du banc pédagogique. Le traitement du signal est alors réalisé dans un boîtier électronique 33 et délivre un signal électrique proportionnel au paramètre à mesurer : vitesse ponctuelle, vitesse moyenne, débit en tenant compte du diamètre de la canalisation ou quantité de fluide débité après intégration des débits dans le temps. Le capteur de la figure 9

peut aussi être utilisé pour tout fluide présentant des qualités de transparence suffisantes, des adaptations ponctuelles, quant à la nature des composants, des hublots notamment, pouvant être nécessaires en fonction du fluide transporté : agressivité chimique ou température dans le cas de transport de vapeur par exemple- Un autre exemple de réalisation est présenté à la figure 11 où l'émetteur 35 et le récepteur 36 sont montés sur le même support mécanique 37. Un seul piquage 40 dans la canalisation 43 est nécessaire pour mettre en oeuvre le capteur suivant l'invention. Une ouverture 39, dans le corps du support mécanique 37 du capteur permet le passage du fluide sans perturbation de l'écoulement dans la zone de mesure entre l'émetteur et le récepteur. De même, le vélocimètre laser à effet Doppler suivant l'invention peut être utilisé pour des problèmes de mesure de défilement sans contact tels que production de pâte à papier, production de laminés ou mesure de vitesse d'un mobile, en utilisant, non pas des détecteurs situés dans l'axe des faisceaux, ce qui est possible avec un milieu transparent, mais disposés du même côté que les sources laser, en utilisant la réflexion de la surface du mobile. Ce dernier exemple, non limitatif des possibilités d'application, est illustré sur la figure 10 où un mobile 41 équipé d'un capteur 42 et circulant sur des rails 34, mesure la vitesse de défilement du rail 34. Cette application est extrapolable à tout mobile se déplaçant sur une surface suffisamment plane. La simplicité et la compacité d'un tel capteur selon l'invention ouvrent la voie à de nombreuses applications et notamment la possibilité de réaliser un capteur donnant le sens de l'écoulement sans nécessiter d'avoir recours par exemple à une cellule de Braggs, permettant le décalage en fréquence de l'un des deux faisceaux, encombrante et coûteuse.

La figure 12 représente un vélocimètre à deux sources laser 44 et 45, dont l'une 44 peut, être celle lg représentée figure 3, et la deuxième 45, avec sa séparatrice 57 positionnée parallèlement à la première séparée de celle-ci d'une distance d. Leur lentille de focalisation 46 est commune aux deux capteurs et constituée d'une lentille de Billet, telle que les zones de mesure 50 et 51 des moyens de détection, sont séparées d'une distance définie par construction et dépendant de l'épaisseur de la tranche 48 enlevée à ladite lentille de Billet 46. En effet, les lentilles de Billet sont des lentilles ayant été modifiées conformément à la figure 13. Sur la lentille 47, on a enlevé par

usinage la tranche 48 ; les deux éléments restants sont ensuite accolés formant l'ensemble 49. Avec une telle lentille de focalisation, sur l'ensemble selon la figure 12, le capteur 44 a son point de focalisation en 50, le capteur 45 son point de focalisation en 51. Une microparticule se déplaçant perpendiculairement aux axes de mesure et passant par les volumes de mesure contenant les franges d'interférence, traversera tout d'abord celui du capteur 45 puis celui du capteur 44, si le sens d'écoulement est celui de la flèche 52. La comparaison des moments d'apparition de détection du signal de chaque capteur donne le sens de l'écoulement : - sens de la flèche 52 dans le cas d'une détection sur 45 puis 44, comme schématisé sur la figure 8,

- sens contraire à celui de la flèche 52 dans le cas d'une détection sur 44 puis 45. Le même résultat peut être obtenu en utilisant une lentille ordinaire 55 convergente traditionnelle et en inclinant le faisceau issu de l'un des deux capteurs constitués des sources laser 53 et 54 et des séparatrices 59 et 60, par rapport à l'axe de la lentille 55, dans le plan formé par l'axe de la lentille et les faisceaux des capteurs, de façon à décaler le volume de mesure correspondant dans ledit plan et créer deux zones de mesure légèrement décalées suivant un plan incliné 58, conformément à la figure 14.

Un tel capteur peut devenir, sous certaines conditions, un capteur vectoriel. En effet, nous disposons alors de deux composantes de la vitesse dans ce plan 58, selon les perpendiculaires aux interfranges de chaque capteur dont les orientations sont connues par construction, permettant de déterminer la direction de la vitesse ; la comparaison des moments de détection du signal sur l'un et l'autre des capteurs 53 ou 54, permet de définir le sens de la vitesse. Ceci suppose que la même particule traverse les zones de mesure correspondant à chaque capteur 53 et 54. Un palliatif simple à cette situation, rendue possible par l'utilisation de capteurs bon marché selon l'invention, consiste alors à associer d'autres capteurs selon une géométrie permettant la détection des microparticules par au moins deux capteurs, quelle que soit la direction de la vitesse.