Brevet FR2081039A1 — publié le 19711126

L'invention concerne tm procédé pour l'ex* ploitation électronique d'un faisceau lumineux modulé avec une valeur de mesure, faisceau dont on dérive deux signaux électriques parallèles, déphasés entre eux, qui peuvent être décrits ^ par des fonctions sinus ou cosinus avec un argument proportionnel à la valeur de mesure, et qui sont combinés dans un élément additionneur pour engendrer un signal modulé en phase. De tels procédés d'exploitation sont connus, par exemple par le "brevet suisse 4-33 065. Dans le procédé con-10 nu, un faisceau lumineux est modulé en intensité à l'aide d'une méthode interférométrique, par le champ magnétique du courant alternatif d'une ligne à haute tension. A l'aide de photodiodes on dérive alors, du faisceau lumineux, deux signaux électriques déphasés entre eux de "1^/2, qui ont essentiellement la forme suivante : i^(t) « iQ (1 + cos 0 (t) (1) i(2)(t) » iQ (2). (1 + sin 0 (t)) (2), Où ±0(2) sont des constantes, tandis que 0 (t) est l'argument proportionnel à la grandeur mesurée, variable en fonction du temps, en général sinusoïdale» à savoir le courant de ligne. Outre la modulation d'intensité du faisceau lumineux à l'aide d'une méthode interférométrique, il est connu 20 aussi (IEEE J. Quant. El. QE-2 (1966) 255)> âe faire tourner le plan de polarisation d'un faisceau lumineux polarisé linéairement, à l'aide d'un Eotator de Faraday disposé dans le champ magnétique du courant de ligne, de scinder ensuite le faisceau lumineux selon deux plans de polarisation perpendiculaires entre 25 eux, dans un prisme de Glan-Thomson modifié, et de convertir les deux rayons partiels modulés en intensité, ainsi obtenus, à l'ai de de photodétecteurs, en signaux électriques. Les deux signaux électriques peuvent alors aussi être décrits par une fonction sinus ou une fonction cosinus avec un argument proportionnel à 30 la valeur mesurée, les deux signaux sont cependant déphasés dans ce cas de La variante de la dernière méthode citée, com portant un déphasage de HT/2i de sorte qu'il soit possible d'utiliser le système électronique d'exploitation du procédé connu 71 05910 2081039 par les premières publications citées, constitue l'objet d'une proposition qui n'a pas encore été publiée et qui conduit à une amélioration importante de la sensibilité et de la précision de 1'exploitation. 5 Dans le procédé proposé, il faut cependant que la fréquence porteuse soit engendrée par un oscillâteur local, et il faut prévoir des multiplicateurs pour le mélange de la fréquence porteuse avec les signaux électriques dérivés du faisceau lumineux. • Il faut en ou£re transmettre, à l'aide des 2.0 photodétecteurs, des signaux variant lentement ou même des signaux à courant continu ; ce qui, du fait du courant d'obscurité des détecteurs, variable avec la température et ceci plus particulièrement pour les diodes sensibles à l'infrarouge, peut fausser notablement les mesures. 15 L'objet de la présente invention est de pro poser un procédé, pour l'exploitation électronique des faisceaux lumineux modulés de la manière décrite ci-dessus, qui élimine l'influence nuisible d'une dérive des photodétecteurs, et qui réduit en mime temps l'importance des moyens techniques mis en 20 oeuvre. A cet effet le faisceau lumineux, indépendamment de la modulation par la grandeur mesurée, est interrompu ou affaibli périodiquement ; avant addition , les deux signaux électriques passent chacun par un filtre ayant une caractéristique 25 passante plate dans le domaine de la fréquence d'interruption ou d'affaiblissement plus ou moins la variation maximale dans le temps de l'argument proportionnel à la grandeur mesurée, et ayant une fréquence limite inférieure à deux fois la fréquence d'interruption ou d'affaiblissement ; et l'un des deux signaux électri-30 ques passe, avant l'addition, par un déphaseur de /2 La fréquence porteuse est de cette manière engendrée par la modulation d'intensité du faisceau lumineux produite p§r l'interruption ou l'affaiblissement périodique ; l'oscillateur local et les multiplicateurs ne sont alors plus néces-35 saires. La modulation périodique de l'intensité peut être obtenue à l'aide d'un hacheur électromécanique, ou aussi à l'aide de modulateurs optiques (cellules de Fockel, cellule de Kerr, modulateur de Faraday)« COPY 71 05910 2081039 On évite, en outre,l'influence nocive des courants parasites d'obscurité et de la dérive des photodiodes, qui servent à la conversion de la lumière en signaux électriques, .avec la n.oàulaticn d'intensité périodi0ue, 1s grandeur ce :::esure c'est plus fournie par des valeurs de ecurant continu, mais par des amplitudes du si0ncl à courcnt .tJ.-cernatif. HathsmfctiqueEieEL,, l'invention peut être expliquée co;^iiie suit : Les deux signaux électriques représentés par les deux équations (1), (2) ci-desaus, peuvent être décrits d'une manière générale, pour une interruption périodique non sinusoïdale du faisceau lumineux, par les équations co i>j(t) » C"1 + cos 0 (t)) 21 q^o s in (n. vjO t + tT^) (5) n = 1 i2(t) » O + sin 0 ("t)) n = 1 Dans les relations ci-dessus, la somme correspond à la forme générale de la décomposition en série de Courrier d'une fonction interrompue de période T « 2 TT /uù » avec qn désignant les amplitudes des différentes oscillations composantes, et cTn les constantes de phase de ces oscillations0 Les filtres qui doivent être insérés, selon l'invention, assurent le blocage de tous les harmoniques, c'est-à-dire de toutes les oscillations ayant une fréquence égale ou supérieure à 2 à) o Ainsi, et avec le déphasage de l'un des signaux électriques d'un angle -y'/2, après l'addition des deux signaux, on obtient un signal avec une fréquence porteuse uD , et un angle de phase 0 (t) proportionnel à la grandeur mesurée, qu'il est possible de démoduler avec des dispositifs classiques, en particulier avec un discriminateur de phase, de sorte qu'il est possible de représenter 0 (t) et par conséquent la grandeur mesurêe0 Pour l'élimination du "1" de la première parenthèse des équations (3), (4), selon une version intéressante de bad original 71 05910 2081039 l'invention, on applique chacun des deux signaux i^(t), i^(t), sur l'entrée homologue de deux amplificateurs, par exemple de deux amplificateurs opérationnels, dont l'autre entrée reçoit un troisième signal électrique dérivé du rayon lumineux après le 5 dispositif d'interruption ou d'affaiblissement (périodique), mais avant le dispositif potu? la conversion de la modulation engendrée par la grandeur mesurée en fluctuations d'intensité. Ce troisième signal électrique est de la forme : 10 ijCt) = n -1 Aux sorties des amplificateurs on obtient alors des signaux de la forme : 15 - i^ = iQ cos 0 (t) q^ sin (n. b + (f^) (6) n â-5 ■ i2 "" i5 " ^ sin ^ ^ qn sin +c^n^ ^' n *1 20 si, en ajustant les amplifications, on peut équilibrer le système de manière que ioC> . i C2> . i C3) , - O o O 0 Après passage par les filtres, il reste des signaux de la forme : i6 " io cos ^ t + cTj) (8) ±rp - iQ sin 0 (t)o çuj.sin («^ t + cC,) (9) 30 „ Ou j i6 - —-£ sin (£>t + cf^ + 0 (t)) + sin ( t + - 0 (t))^ j (10) iy » —-£ Q.OB (u)t + - 0 (t)) + COS (u3 t + cCi + 0 (t))J7 55 2 (11) où l'on a posé = JQ ° 71 05910 2081039 Le déphaseur de /2, dans le canal du signal iy par exemple, nous donne un signal de la forme : ig ■ — ^"-sin (>-^1; + cf^ - 0 (t) ) + sin (ù)t + cf^ + 0 (t)£7 5 2 (12) Si l'on additionne maintenant les signaux ig et ig, on obtient un signal de la forme : 10 *9 " *6 + *"8 " Jo sin C t + oÇ + 0 (t)) (13) En choisissant convenablement l'échelle des temps, on peut rendre cf^ égal à zéro, et l'on dispose alors d'un signal de la forme 15 i1Q - JQ sin (où t + 0 (t)) (14), à partir duquel, par démodulation de phase selon les procédés classiques, on peut obtenir la grandeur 0 (t) proportionnelle à la grandeur mesurée® 2o Ainsi qu'il a été dit plus haut, les filtres doivent être construits de manière à avoir une caractéristique de transmission très plate, en amplitude et en phase, dans le domaine d 0 i ( ) (15) 25 30 d t max c'est-à-dire que, dans le domaine de fréquence indiqué , ils ne doivent introduire de distorsion ni dé phase ni d'amplitude. , à 0 v ( — ) , la variation maximale d t max en fonction du temps de l'argument 0 dans les fonctions en sinus et en cosinus qui représentent les signaux électriques d'entrée, est proportionnelle à la fréquence maximale susceptible d'apparaître dans la grandeur mesurée. De même, le dé-55 phaseur de T'/2^ disposé dans le deuxième canal, doit-il introduire Tin déphasage de 2 exactement pour toutes les fréquences définies par la relation (15), faute de quoi les signaux obtenus ne correspondraient plus aux équations définies ci-dessuso 71 05910 2081039 Il oonvient en outre, pour une transmission aussi fidèle que possible des signaux, que la fréquence d'interruption ou d'affaiblissement soit plus grande que le double de la valeur de la variation maximale en fonction du temps de la grandeur 0 , proportionnelle à la grandeur mesurée. Les filtres peuvent être réalisés judicieusement sous la forme de filtres de bande- Le filtre de l'un des canaux peut être combiné avec le déphaseur qui y est nécessaire. L'invention sera ci-dessous décrite plus en détail, à l'aide des exemples de réalisation représentés sur les dessins, qui montrent respectivement : Fig. 1, le cheminement du faisceau lumineux jusqu'aux photodétecteurs ; Fig. 2, le dispositif électronique pour l'exploitation des signaux électriques engendrés dans les photodétecteurs ; Fig. 3, un filtre passe bande ; Fig. 4, un filtre passe bande avec un déphaseur de -lf/2. Sur la figure 1, on a représenté un laser 4, dont le rayon passe par un dispositif hacheur mécanique 5j constitué par un disque à secteurs tournant . Après passage à travers le disque tournant 5 le rayon lumineux parvient à tin diviseur 6, constitué par exemple par une lame semi réfléchissante. Ainsi, un premier rayon partiel va à un photodétecteur 3, une diode au germanium par exemple, et un deuxième rayon partiel au capteur 7- Ce capteur 7 sert à moduler le rayon lumineux avec la grandeur mesurée, par exemple le champ magnéti^ que d'un courant de ligne. Il se compose par exemple d'un bloc de flint-glass ou d'un cristal YIG, disposé dans le champ magnétique du courant de ligne, et qui, en raison de l'effet Faraday, fait tourner le plan de polarisation de la lumière polarisée linéairement, émise par le laser, d'un angle 0/2 proportionnel à la valeur instantanée de la grandeur mesurée<> A la sortie du capteur 7» le rayon lumineux est encore scindé dans ion diviseur 8. Les deux rayons partiels vont chacun dans un polarisateur, respectivement 9 et 10, dont les plans d'oscillation sont décalés entre eux en principe 10 15 71 05910 7 2081039 de y/4. On obtient ainsi, après le polarisateur 9» iin rayon lumineux modulé en intensité, avec une intensité 51 ■ SQ^ (1 + cos 0 (t)) (16) et, après le polarisateur 10, un rayon lumineux modulé en intensité, avec une intensité 52 " So(2) O + sin 0 (t)) , (17), si l'on n'interrompt pas le rayon lumineux avec le disque tournant 5- Les deux rayons lumineux engendrent des courants proportionnels, dans les deux photodétecteurs 1, 2<> Si l'on faij» tourner le disque à secteurs 5s avec les photodétecteurs 1, 2, 5 on obtient les courants , ig, ij, selon les équations (3), (4), (5). Comme on peut le voir sur la figure 2, les signaux fournis par les photodiodes 1, 2, 3 sont raccordés de la manière indiquée aux amplificateurs opérationnels 11, 12« Sur les sorties des amplificateurs, on obtient alors les signaux i^, i^ selon les équations (6), (7)° Dans les deux canaux, sont disposés les filtres passe bande 13, 14, à la sortie desquels on obtient les signaux i^, ir, selon les équations (8), (9). Le déphaseur 15, dans le deuxième canal, fournit alors un signal ig selon l'équation (12). Par combinaison dans 1'additionneur 16, on obtient un courant i-^ selon l'équation (14), si l'on rend la constante de phase cT^ de l'onde fondamentale de la fonction de l'interrupteur égale à zéro. Ceci est obtenu avec un ajustage convenable de la phase du signal de référence du dis-30 criminateur de phase qui reçoit le signal i^Q , et qui n'a pas été représenté puisqu'il s'agit d'un appareil connu. Sur la figure 3» on a représenté un filtre passe bande, tel qu'il peut être utilisé par exemple en 13, sur la figure 2. La disposition des différents éléments 55 est connue, par exemple par le Radio Engineers Handbook de F.E. Termann, McGraw Hill 1943, PP= 154 à 172. Le filtre passe bande comprend le circuit résonnant primaire 21, 23, et la résistance d'amortissement 20, ainsi que le circuit résonnant secondaire 17» 18, et la résistance d'amortissement 19» 20 25 71 05910 2081039 Le couplage est réalisé par la capacité 22. Grâce à une simple variante du schéma selon la figure 3, réalisée en alimentant le circuit résonnant primaire en parallèle, à travers la résistance d'amortissement 20 et par une prise de la bobine 21, çn peut grouper avantageusement le filtre passe bande 14 et le déphaseur 15 selon la figure 2 en un seul circuit0 71 05910 2081039 REVENDICATIONS lo Procédé pour l'exploitation électronique d'un faisceau lumineux modulé avec une grandeur mesurée, à partir duquel on élabore deux signaux électriques parallèles, 5 déphasés entre eux, qui peuvent être décrits respectivement par fonction en sinus ou en cosinus, avec un argument proportionnel à la grandeur mesurée, et qui sont combinés alors dcns un élément additionneur pour engendrer tin signal modulé en phase, caractérisé en ce que le faisceau lumineux, indépendamment de la 10 modulation par la grandeur mesurée, est interrompu ou affaibli périodiquement (5)» qu'avant l'addition (16) les deux signaux électriques passent chacun par un filtre (13, 14-) ayant une caractéristique de transmission plate dans le domaine de la fréquence d'interruption ou d'affaiblissement (IÛ) plus ou moins te la variation maximale en fonction du temps ( ( ) , de ^ dt 3.'argument proportionnel à la grandeur mesurée, et ayant une fréquence limite inférieure au double de la fréquence ( uD ) de l'interruption ou de l'affaiblissement, et qu'avant l'addition, 2q l'un des deux signaux électriques passe encore par un déphaseur de ^/2 (15). 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les deux signaux électriques sont appliqués respectivement aux entrées homologues, cle deux amplificateurs 25 (11» 12), dont l'autre entrée reçoit ion troisième signal électrique, dérivé du faisceau lumineux après le dispositif d'interruption (5), mais avant le dispositif (9, 10), pour la conversion de la modulation engendrée par la grandeur de mesure en fluctuations d'intensitéo 30 3» Procédé selon la revendication 1 carac térisé en ce que les filtres (13, 14) sont réalisés sous la forme de filtres passe bande» 4. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que les amplitudes des deux signaux électriques 55 sont réglées à la même valeur (1Q)« 5. Procédé selon les revendications 2 et 4 caractérisé en ce que l'amplitude du troisième signal électrique est rendue égale à la valeur des amplitudes des deux premiers signaux électriques.. 71 05910 2081039 6. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que la constante de phase ( 7«r Procédé selon la revendication 1 et la revendication 3 caractérisé en ce que la fréquence d'interruption ou d'affaiblissement (u)) est plus grande que deux fois la valeur de la variation maximale en fonction du temps, ( ( _JLJL y _QV) s de l'argument proportionnel à la gran» d.» iiicLX- deur mesuree» 8o Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que le filtre (14) et le déphaseur (15) sont groupés en un seul circuit,.