Développement d’algorithme temps réel pour capteur optique de vélocimétrie. Application à la mesure de vitesse de micro-canaux fluidiques - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2014

Algorithm development for real-time optical sensor velocimetry . Application to the measurement of speed of micro- fluidic channels

Développement d’algorithme temps réel pour capteur optique de vélocimétrie. Application à la mesure de vitesse de micro-canaux fluidiques

Résumé

Velocity measurements contactless mobile targets such as mechanical structures are often used in various industrial applications for non-destructive testing and quality control. In addition, the process of measuring speed can be critical if it is one of the parameters that govern the safety and performance of a system as in transportation. Accurate measurement and non-contact speed fluid flowing in microchannels is a major challenge for the chemical industry producing pharmaceuticals. In medicine, the knowledge of the velocity of blood flow in the vessels can help to anticipate cardiovascular disease.Such non-contact measurement can be performed by ultrasonic or microwave but these methods have a relatively low spatial resolution. On the other hand , the conventional optical sensors are often costly. For example , the conventional laser Doppler velocimetry ( LDV or for Laser Doppler Velocimetry) is a technique for high-precision measurements of the speed , but the use of a large number of optical components involves a high price. The rétroinjection optical interferometry is an attractive solution that allows us to design low-cost laser with high precision sensors . With optical non-contact sensors using just a diode laser subject to optical rétroinjection come to measure speeds , the objective of this thesis is to develop devices suitable for this type of measurement and operating in real time. In optical interferometry rétroinjection ( OFI or Interferometry for Optical Feedback ) , commonly called self -mixing , interference occurs in the active laser cavity between the existing field in the cavity and the one backscattered by a target located outside in front of the diode laser inducing changes in optical power output due mainly to the Doppler effect.By measuring the Doppler frequency of the optical power , the speed of the target can be determined. In this thesis , we study the main technical signal processing to provide real-time measurements of Doppler frequency of acceptable accuracy. The first technique is based on a conventional spectral analysis and requires the calculation of a fast Fourier transform (FFT ) . This technique is robust but requires a complex and expensive resource for signal processing in real time electronics. The second is based on a 2 -order autoregressive ( AR2) of the self -mixing signal by a linear prediction filter . The Doppler frequency corresponding to the resonance frequency of this filter.This technique is more accurate , faster and less resource intensive than the FFT . By cons , it presents a risk of divergence and requires calibration at startup. The third is an original technique for processing real - time signal has improved sensor performance in terms of range of measurable velocities. This technique is not as resource-intensive FFT and does not require calibration as AR2 . This technique has been implemented and validated experimentally in real configurations. It has provided good accuracy of measurements , similar to that of the FFT . We then apply the methods of signal processing on signals from the self -mixing passage of particles carried by a fluid in the beam of the laser diode used . In fact, in this case, the self -mixing signal no longer exhibits a Doppler peak but a distribution of Doppler frequencies for the particles passing through the beam are of different speeds from zero canal jusqu'une maximum value at the center . Another phenomenon that can contribute to the spectral broadening is multicast particles . The AR2 and technology have developed to obtain reliable measurements of the fluid flow rate in a channel on a microscopic scale .On the other hand , we study the optical configurations of the measuring device . We show that the device using a single laser diode is sensitive to changes in angle of incidence with the target. This angle must be known to calculate the speed . We then propose a system using two laser diodes and show its robustness to variations of angles of incidence and its ability to calculate the speed of the target without knowing the angles of incidence. We analyze this system to determine the optimum configuration to ensure the best performance. Simulations and experimental results validate the performance of this device in terms of accuracy and robustness. Finally, we apply the laser device and the double-headed processing technique developed in this thesis for measuring the flow rate of a gas injected into a macroscopic channel by a peristaltic pump in non -flow liquid . This thesis has helped develop a robust low cost to measure the speed in real - time using optical rétroinjection optical sensor.
Les mesures de vitesse sans contact des cibles mobiles comme les structures mécaniques sont souvent utilisés dans diverses applications industrielles pour le contrôle non destructif et le contrôle qualité. En outre, les processus de mesure de vitesse peuvent devenir cruciaux si elle est l'un des paramètres qui régissent la sécurité et la performance d'un système comme dans le transport. La mesure précise et sans contact de vitesse de fluide circulant dans des micro-canaux est un enjeu majeur pour l’industrie chimique fabriquant des produits pharmaceutiques. En médecine, la connaissance de la vitesse du flux sanguin dans les vaisseaux peut permettre d’anticiper sur des maladies cardiovasculaires. De telles mesures sans contact peuvent être réalisées par ultrasons ou par micro-ondes mais ces deux méthodes ont une résolution spatiale relativement faible. D’autre part, les capteurs optiques usuels sont souvent de coût élevé. Par exemple, la vélocimétrie laser Doppler conventionnelle (ou LDV pour Laser Doppler Velocimetry) est une technique de haute précision pour des mesures de vitesse, mais l'utilisation d'un grand nombre de composants optiques implique un prix élevé. L’interférométrie à rétroinjection optique est une solution attrayante qui nous permet de concevoir des capteurs laser à faible coût présentant une bonne précision. Disposant de capteurs optiques sans contact utilisant juste une diode Laser soumise à la rétroinjection optique pour venir mesurer des vitesses, l’objectif de cette thèse est de développer des dispositifs adaptés à ce type de mesure et opérant en temps réel. En interférométrie à rétroinjection optique (ou OFI pour Optical Feedback Interferometry), couramment appelée self-mixing, une interférence se produit dans la cavité active du laser entre le champ existant dans la cavité et celui rétrodiffusé par une cible extérieure située en face de la diode laser induisant des variations de la puissance optique de sortie dues notamment à l'effet Doppler. Par mesure de la fréquence Doppler de la puissance optique, la vitesse de la cible peut être déterminée. Dans cette thèse, nous étudions les principales techniques de traitement du signal permettant d’offrir en temps réel des mesures de fréquence Doppler de précision acceptable. La première technique est basée sur une analyse spectrale classique et requiert le calcul d’une transformée de Fourier rapide (FFT). Cette technique est robuste mais nécessite un matériel électronique complexe et coûteux en ressources pour le traitement du signal en temps réel. La seconde est basée sur une modélisation autorégressive d’ordre 2 (AR2) du signal de self-mixing par un filtre de prédiction linéaire. La fréquence Doppler correspond à la fréquence de résonnance de ce filtre. Cette technique est plus précise, plus rapide et moins gourmande en ressources que la FFT. Par contre, elle présente un risque de divergence et nécessite un calibrage au démarrage. La troisième est une technique originale de traitement du signal temps-réel qui a permis d’améliorer les performances du capteur en termes de gamme de vitesses mesurables. Cette technique n’est pas gourmande en ressources comme la FFT et ne nécessite pas de calibrage comme l’AR2. Cette technique a été implémentée et validée expérimentalement en configurations réelles. Elle a permis de fournir des mesures de bonne précision, comparable à celle de la FFT. Nous appliquons ensuite ces méthodes de traitement du signal sur des signaux de self-mixing issus du passage de particules portées par un liquide dans le faisceau de la diode laser utilisée. En fait, dans ce cas, le signal de self-mixing ne présente plus un pic Doppler mais une distribution de fréquences Doppler car les particules traversant le faisceau sont de vitesses différentes allant de zéro au bord du canal jusqu’une valeur maximale au centre. Un autre phénomène qui peut contribuer à l’élargissement spectral est la diffusion multiple des particules. L’AR2 et la technique développée ont permis d’obtenir des mesures fiables de la vitesse d’écoulement fluidique dans un canal à l’échelle microscopique. D’autre part, nous étudions les configurations optiques du dispositif de mesure. Nous montrons que le dispositif employant une seule diode laser est sensible aux variations d’angle d’incidence avec la cible. Cet angle doit être connu pour calculer la vitesse. Nous proposons ensuite un dispositif employant deux diodes laser et nous montrons sa robustesse face aux variations d’angles d’incidence et sa capacité de calculer la vitesse de la cible sans connaitre les angles d’incidence. Nous analysons ce dispositif afin de déterminer la configuration optimale permettant de garantir les meilleures performances. Des simulations et des résultats expérimentaux permettent de valider les performances de ce dispositif en termes de précision et de robustesse. Enfin, nous appliquons ce dispositif à double-tête laser et la technique de traitement développée dans cette thèse pour mesurer la vitesse d’écoulement d’un liquide injecté dans un canal macroscopique par une pompe péristaltique à débit non continu. Cette thèse a donc permis de développer un capteur optique robuste à faible coût permettant de mesurer la vitesse en temps-réel en utilisant la rétroinjection optique.
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Dates et versions

tel-01080083 , version 1 (04-11-2014)

Identifiants

  • HAL Id : tel-01080083 , version 1

Citer

Bendy Tanios. Développement d’algorithme temps réel pour capteur optique de vélocimétrie. Application à la mesure de vitesse de micro-canaux fluidiques. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Toulouse 3 Paul Sabatier, 2014. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01080083⟩
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