Brevet FR2373798A1 — publié le 19780707

La présente invention a pour objet un accéléromètre optique linéaire et plus particulièrement un accéléromètre pour la mesure des accéléra- tions d'un engin ou d'un aéronef. Le problème posé est celui de la mesure de l'accélération suivant l'axe du mobile. Sont connus des accéléromètres linéaires mécaniques, pendulaires par suspension à lames, dont un des inconvénients est une fragilité aux chocs et aux fortes accélérations ;.sont également connus des gyroscopes balourdés sensibles, mais lourds et ehcombrants et limités aux mesures d'accélérations ne dépassant pas quelques dizaines de g. La présente invention a pour but de supprimer ces inconvénients Un objet de la présente invention est de décrire un accéléromètre à large domaine d'action capable de mesurer des -accélérations allant de Q à 2000g. Un autre but de la présente invention est d'apporter égale- ment une solution aux accéléromètres de très grande sensibilité capable de déceler une fraction de g. Principe physique de relativité utilise dans la présente invention. Dans un champ d'accélération, la lumière traversant un milieu d'in dice n subit un changement de fréquence différent de celui subi dans l'air ; changement qui dépend de la longueur du chemin parcouru et de l'indice n du milieu considéré. DloRi l'idée suivante d'un accéléromètre optique linéaire : comprenant une source monochromatique, qui envoie des rayons à travers un milieu solide, liquide ou gazeux, continu de longueur L et diindice n, par exemple à travers un batonnet en verre ou autre milieu d'indice n/défini ; ladite lumière monochromatique se propage le long de la droite matérialisée par l'axe dudit batonnet qui porte le vecteur accélération confondu sur cette meme droite.A la sortie du milieu d'indice n, supérieure à 1, la lumière a une fréquence f2 différente de a fréquence initiale fl.: on fait alors interférer le faisceau primaire avec- le faisceau secondaire, après un parcours retour du faisceau secon daire par effet de miroirs ; ce parcours- en sens inverse se faisant dans un espace d'indice 1. Ces deux faisceaux de lumière de fréquences respectives flet f2 créent un battement # f - f1-f2 que l'on mesure par un capteur, consti tué par exemple par une paire de cellules photo-électriques, décalées d'une demi-frange. En présence d'une accélération, se produit par l'effet Doppler pré- cité une variation de la fréquence de la lumière traversant le dispositif, engendrant un déplacement des franges d'interférence. Le battement détecté par le capteur précité va engendrer des impulsions électriques dont la fréquence permet de mesurer l'accélération et son signe ; le signe étant défini par le sens de défilement desdites franges dlinterfér.ence. Nous allons maintenant illustrer l'invention par un schéma de principe et quelques- modes de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs, dont la description fera apparaître d'autres caractéristiques et avantages. FIG 1 est un schéma montrant le principe d'une cellule unitaire d'un accéléromètre selon l'invention tel qu'il vient autre décrit. FIG. 2 est un mode de rdalisation d'un acceléromètre compact selon l'invention avec un bâtonnet de longueur L matérialisant le milieu d'indice - n. FIG. 3 est une variante de réalisation de l'accéléromètre de la Figure 2 dans laquelle le bâtonnet de longueur L est remplacé par une bobine de fibre optique de longueur (2N + I) L FIG. 4 est un montage ttte-beche de deux cellules unitaires de la Figure 1 permettant de supprimer pratiquement l'existence de franges en position de repos, pour ne les faire apparaitre qu'à partir du moment où il y a une variation de la vitesse, autrement dit une accélération quelconque, positive ou négative On peut voir sur la cellule unitaire de ia Figure 1 une source rno- nochromatique 1, en alignement avec un miroir 3 à réflexion totale disposé sensiblement à angle droit avec le miroir 3 recevant la lumière "aller" sortant du bâtonnet et la renvoyant en sens inverse sur un miroir semi-réfléchissant 5 ;; ce parcours retour s'effectue dans un milieu ambiant d'indice 1 ; le miroir 5 précité est place en alignement centré à la fois par rapport à la source h..de fréquence f1 et par rapport au rayon secondaire de retour de fréquence f2 ; ces deux faisceaux, l'un traversant le miroir, l'autre réfléchi par celui-ci sont dirigés simultanémant sur un capteur. 6; Le principe de fonctionnement de l'appareil est simple. Ces deux fréquences de lumière fl et f2 créent un battement f = fl - f dont les caractéristiques sont décelées. par le capteur 6, et traduites par celui-ci en impulsions. Au repos, on voit apparaitre les franges d'interférence. En présence d'une accélération se produit pa - l'effet Doppler précité, une variation de la fréquence de la lumiere traversant le dispositif entrainant un défilement desdites franges. Le sens de défilement de ces franges indiquant s'il s'agit d'une accélération - ou d'une décélération. La Figure 2 illustre un mode de réalisation d'un accéléromètre selon 'invention concrétisant le schéma de principe de la Figure 1. A la sortie du capteur 16, les impulsions sont recueillies par un compteur-décompteur totalisant le nombre de franges. qui défilent. La Figure 3 schématise une variante de réalisation d'un accéléro- mètre suivant la Figure 2 dans lequel le bâtonnet de longueur L est remplacé par une fibre optique de - longueur (2N + 1) L constitué par une bobine continue ; sur cette Figure 3, on a voulu montrer que le capteur 26, équivalent du capteur 16 de la Figure 2, est disposé dans le prolongement de l'axe optique de l'appareil ce qui peut être dans certains cas un avantage. La Figure 4 illustrant un montage tête-bêche de deux cellules unitaires, conforme à la Figure I, met bien en évidence l'équivalence des chemins parcourus par le faisceau primaire de fréquence f1 dans un sens 31, 33, 34, 35, 39 puis dans l'autre sens 31, 36, 37, 38, 39 pour interforer ensemble sur le capteur 41. Ce montage est particulièrement intéressant du fart, que l'appareil étant au repos, aucune frange n'existe les franges d'interférence ne vont apparaitre que sous l'effet de l'accélé- ration, le sens de leur défilement indiquant directement s'il s'agit d'une accélération ou d'une décélération comme défini précédemment. Domaines d'applications très étendus : Aviation Civile et Militaire pour toute accélération linéaire, exemple : accélération d'un projectile, d'un Missile ou d'un engin tactique. Parmi les avantages du système, -il faut noter l'absence de parties mobiles, c'est-à-dire: - aucun organe mobile, - aucune suspension mobile. Tous les éléments sont statique s. Bien entendu, il est possible de substituer à la solution de la Figure 3, comportant une fibre optique continue de grande longueur, un montage par répétition de la cellule élémentaire de la Figure 1 autant de fois que nécessaire. I1 est évident également que les cellules photo-électriques 16 et 26, Figures 2 et 3, peuvent être situées à l'intérieur de l'appareil. R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Accéléromètre optique linéaire comprenant : une source de lumière monochromatique placée dans une enceinte ou milieu d'indice et une sous-enceinte constituee par un milieu transparent d'indice n, avec n > 1, caractérisé en ce que ladite sous-enceinte de forme rectiligne et de longueur L qui est disposée au niveau de la source dans le sens de l'axe principal de l'appareil reçoit à son entrée le faisceau primaire de lumière monochromatique de fréquence f1 (à l'entrée) et émet à la sortie un faisceau secondaire de fréquence f2 ; un moyen de guidage dudit faisceau suivant un parcours dit de retour à travers le milieu indice 1, suivi d'un interféromètre placé sur le parcours des faisceaux primaire et secondaire qui engendre un battement B f = fl-f2, l'ensemble formant un équipage sensible audit battement dont la lecture par un capteur permet la mesure de l'accélération exprimée par des variations de tensions. 2 ) Accéléromètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen de guidage du faisceau secondaire suivant un parcours dit de retour est constitué par deux miroirs 3 et 4 à réflexion totale disposés de façon à former entre eux un angle droit, chacun d' eux étant incliné sensiblement de 45 par rapport au faisceau de lumière "aller". 3 ) Accéléromètre selon la revendication 2 caractérisé en ce que l'interféromètre précité est un miroir 5, semi-réfléchissant recevant d'une part, le faisceau primaire de fréquence f1 et le faisceau secondaire de fréquence f2 sont inclinés de façon que la lumière de fréquence f1 ayant traversé le miroir et la lumière de fréquence f réfléchie par le miroir se trouvent inclinées et orientées dans la mode direction et reçues par un capteur 4 ) Accéléromètre selon la revendication 3 caractérisé en ce que le capteur précité est une paire de cellules photo-électriques décalées d'une distance égale à la demi-distance entre deux franges 5 ) Accéléromètre selon la. revendication 4 caractérisé en ce que la source de lumière monochromatique est une diode photo-émissive ; 6) Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1 å 5 caractérisé en ce que le contour de l'enceinte d'indice 1 précité est un tube en forme de cartouche creuse dans laquelle se trouvent disposes: à une extrêmité, une source 11 de lumière monochromatique de préfé rence à diode laser, à l'autre extrémité, un jeu de miroirs 13- et 14 à réflexion totale, avec, en alignement entre la source de lumière mono chromatique et le miroir 3, un batonnet rectiligne de longueur L constituant un milieu transparent d'indice: n ; un miroir 15, semi-réfléchis- sant placé sur le parcours de la lumière primaire et sur le chemin de retour de la lumière secondaire, pratiquement à leur point de croise -ment, un capteur constitué par une paire de cellules phot-électriques recevant l'ensemble des lumières primaire et secondaire, les impulsions électriques omises par ledit capteur étant acheminées d'une façon connue en soi vers un compteur-décompteur 7 ) Accéléromètre selon la revendication 6 dans lequel le bâton- net rectiligne précité est remplacé par une bobine allongee de fibre opti que de longueur (2N + I) L, dont la sortie est obligatoirement dispose du côté opposé à l'entrée, c'est-à-dire orientée dans le sens de l'accélération. 8 ) Montage d'un accéléromètre de haute sensibilité résultant dlune -sombinaison en série de N cellules unitaires, telle que schématisée -sur - l'une quelconque des figures 1 ou 2 respectivement décrites dans les revendications 5, 6 et / ou 7. 9 ) Montage tête-bêche de deux cellules unitaires, tel que repré- senti sur la Figure 4 ayant pour effet de supprimer au repos l'existence de toutes franges d'interférence celles-ci n'apparaissant que sous I1 effet de l'accélération et dans le meme sens que celui de l'accélération du fait que le faisceau primaire de fréquence fl parcourt deux chemins équivalents en longueur et en nature, suivant deux sens opposes.