Brevet FR2359432A1 — publié le 19780217

La présente invention concerne un sismographe destiné à mesurer les dérives de la surface de l'écorce terrestre de même que les secousses sismiques qui l'ébranlent. On sait que la détection des tremblements de terre ainsi que les dérives continentales sont un problème important actuellement tant en ce qui concerne les études physiques et géophysiques qui s'y rattachent que pour la prédiction des tremblements de terre à plus ou moins long terme. Or les systèmes actuels ne répondent pas aux exigences de fiabilité et de court qui doivent être les caractéristiques des sismographes modernes utilisés en de nombreux points de l'écorce terrestre pour une surveillance constante des mouvements de la croûte terrestre ; de nombreuses précautions doivent être prises pour que le sismographe optique donne des mesures fidèles et reproductibles des ébranlements sismiques, ceci pour un appareil de mesure sismographique d'un court réduit. Plus précisément, la présente invention concerne un sismographe optique destiné à mesurer le mouvement relatif d'un faisceau d'ondes électromagnétiques par rapport aux extrémités d'une pluralité de pendules. Ces pendules oscillent sous l'effet des ébranlements sismiques. Le sismographe selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une source collimatée (laser lumineux ou guide-d'onde électromagnétique) délivrant un faisceau sensiblement parallèle d'ondes électromagnétiques et une pluralité de pendules oscillant selon trois plans perpendiculaires ; des moyens fixes par rapport au faisceau d'ondes électromagnétiques envoient le faisceau lumineux sur les extrémités pesantes des différents pendules des moyens photoélectriques mesurent les variations de position des extrémités des différents pendules par rapport au faisceau et permettent ainsi de mesurer les ébranlements ou dérive sismique selon trois directions ou composantes perpendiculaires. Les lasers utilisés peuvent & re continus ou pulsés. L'énergie des radiations émises doit être compatible avec 1' écart entre la bande de valence et la bande de conduction des éléments photorésistifs à semi-conducteurs dopés ou non qui sont préférentiellement utilisés. Les éléments photorésistifs peuvent être disposés sur les extrémités pesantes des pendules auquel cas ils doivent etre reliés å des moyens de mesure et d'alimentation, ou encore les mimes extrémités pesantes des pendules peuvent être munies de miroirs renvoyant la lumière sur différentes parties de l'élément photorésistif et en modifiant la résistance. Pour la mesure des mouvements verticaux de l'écorce terrestre, le pendule associé est un pendule oscillant selon une verticale et dans ce cas le faisceau laser arrive sur l'extrémité du pendule selon un angle d'incidence e non nul pour que des mouvements verticaux du pendule se traduisent par une variation de résistance de l'élément photorésistif déposé soit à l'extrémité du pendule, soit sur un support distinct dans ce cas l'extrémité du pendule étant munie d'un miroir. Avantageusement, les pendules utilisés sont des pendules de faible taille, par exemple des pendules inclinés par rapport à la verticale dont la période est comprise entre 1 et 10 secondes, c'est-a-dire approximativement résonnant avec la fréquence de la plupart des secousses sismiques. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront mieux au cours de la description qui suit d'exemples de réalisation donnés a titre explicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées sur lesquelles on a représenté : - sur la figure 1, une vue schématique du dispositif général d'observation des secousses sismiques selon l'invention, - sur la figure 2, une vue d'un pendule incliné utilisé dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention, - sur la figure 3, des moyens électromagnétiques d'amortissement de l'extrémité du pendule, - sur la figure 4, un mode de réalisation de l'élément photorésistif associé à un pendule muni d'un miroir et son branchement électrique, - sur la figure 5, un détail d'un mode de réalisation de l'élément photorésistif, - sur la figure 6, le fonctionnement du pendule associé à la mesure des mouvements verticaux de la croûte terrestre, - sur la figure 7, une variante du branchement électrique de l'élément photorésistif. Sur la figure 1, on a représenté une vue de dessus générale du sismographe selon l'invention. Une source 2, un laser par exemple, émet un faisceau d'ondes électromagnétiques 4. Un premier miroir (facultatif) partiellement réfléchissant 6 envoie une partie de la lumière sur un premier élément photorésistif 8 associé un organe 9 permettant de mesurer la résistance de l'élément 8.Cet ensemble sert à la calibration de l'intensité du faisceau laser en fonction du temps et permet de corriger les erreurs sys thématiques des mesures en fonction de ces variations d'inten sité. Le faisceau 4 ayant traversé le miroir 6 est partiellement réfléchi par un miroir 10, dont la normale est sensiblement orientée à 450 par rapport au faisceau 4, pour entre envoyé selon le faisceau 12 sur un pendule non représenté et destiné à mesurer la composante verticale de la secousse sismique (composante sélon la verticale Oz).Une partie du faisceau 4 est ensuite défléchie par un élément partiellement réfléchis- samit 14 pour store envoyée selon le faisceau 16 sur le pendule 18 oscillant selon la flèche 20 ; ce pendule est sensible la composante de la secousse sismique selon la direction Ox. Le faisceau 4 ayant traversé l1élément 14 frappe le pendule 22 oscillant selon la flèche 24 et destiné mesurer la composante de la secousse sismique selon la direction Oy. Les éléments photorésistifs sont soit disposés sur l'extrémité pesante des pendules 18 et 22, soit comme représentés en 26 et 28 sur la figure 1 a une certaine distance et percés d'une ouverture pour laisser-passer le faisceau laser. Dans cette configuration où les éléments photorésistifs sont séparés des extrémités des pendules, ces mimes extrémités sont munies de miroirs renvoyant le faisceau laser incident sur différentes parties des éléments photorésistifs en fonction de leurs mouvements.Les organes 30 et 32 de conception classique (pont de Wheatstone ou autres) mesurent les variations des photorésistances 26 et 28 dues au mouvement des pendules, variations entraînées par l'impact des faisceaux de lumière laser en différents points des photorésistances. A l'équilibre, c'est- & dire lorsque les pendules sont en position de repos, les ponts électriques incluant les photos résistances sont équilibrés de sorte que le signal électrique associé soit compensé et corresponde a une tension de sortie de valeur nulle. I1 va de soi que lorsque les photorésistances sont sur les extrémités des pendules, les organes de mesure 30 et 32 sont reliés a oes photorésistances. Le sismographe représenté sur la figure 1 permet ainsi la mesure des déplacements sismiques selon trois axes de coordonnées Ox, Oy et OzO Sur la figure 2, on a représenté un pendule utilisé dans un mode de réalisation préférentiel de l'invention. Ce pendule désigné par la référence générale 40, comprend une masse 42 sur laquelle, sur une face telle que 44, un miroir ou un é1Qnent photorésistif.est fixé. La période du pendule est fixée par la longueur 1 du bras 46 qui fait un angle i avec le plan horizontal par exemple Ce bras s 'appuie sur le bati fixe 48 par l'intermédiaire d'une gorge usinée 50. Le pendule est maintenu en position par le fil 52 tendu entre la masse 42 et le bati 48. La longueur du fil 52 peut entre variée par la vis 54, ce qui modifie l'angle i. On a observé que les périodes d'oscillation d'un tremblement de terre étaient de l'ordre de quelques secondes. Or, pour observer les mouvements de la terre de façon sensible il est avantageux d'utiliser un pendule sensiblement résonnant, c'est-a-dire de période sensiblement égale Pour une fréquence propre de 10 sec 1 la longueur d'un pendule simple serait de 25 mètres, ce qui est évidemment rédhibitire. C'est pourquoi on a utilisé dans le sismographe selon l'invention un pendule incliné tel que représenté sur la figure 2.L'angle i étant tel que défini sur la figure 2, la période d'oscillation T d'un tel pendule est donnée par la formule ou g est l'accélération de la pesanteur Pour une valeur de 1 égale à 15 cm et un angle i égal à 2 , la période vaut 4,2 secondes En changeant la valeur de i, on modifie la période facilement Ce type de pendule représenté sur la figure 2 est adéquat pour mesurer des vibrations dans les plans horizontaux et verticaux Il est toutefois également possible de varier ou plus généralement d'influer sur la période et l'amortissement d'un pendule tel que celui représenté sur la figure 2 en mettant en oeuvre des phénomènes électromagnétiques.Si on place, comme représenté sur la figure 3, l'extrémité du pendule 60 entre les deux pièces d'un électro-aimant le pendule sera freiné par courant de Foucault s'il est en matériau métallique ou par interaction magnétique si c'est une ferrite I1 va de soi que pales nord et sud (N et S) peuvent être obtenus par un aimant permanent ou par des bobines parcourues par un courante mEme l'extrémité pesante du pendule peut être constituée par une bobine Sur la figure 4, on a représenté en vue de dessus un élément photorésistif utilisé dans le sismographe selon l'invention La plaquette 62 est munie d'un élément photorésistif 64 constitué, par exemple, de deux parties de résistances R1 et R20 La plaquette 62 est percée d'une ouverture 66 de diamètre égal à celui du faisceau laser Les résistances R1 et R2 sont deux éléments deun pont de Wheatstone comportant également les résistances R3 et R4 Un galvanomètre G mesure -tout déséquilibre du pont alimenté par la pile PO Lorsque le faisceau laser passe par l'ouverture 66,le pont est a l'équi- libre avec R1 R4 = R2 R3 Lorsque le faisceau laser frappe la photorésistance comme représenté en pointillé en 68 le pont est déséquilibré, la valeur de la résistance R2 diminuant notablement cause de l'irradiation par le faisceau laser La valeur de la variation de R2 est obtenue par le courant dans le galvanomètre Go On peut également au lieu du branchement en pont de Wheatstone très sensible représenté sur la figure 4 utiliser, comme représenté sur la figure 7, un branchement où les-résistances R1 et R2 de la figure 4 ne constituent plus qu'une seule résistance R1, dont les variations sont mesurées par un voltmètre V à ses extrémités Cette résistance R est branchée en série avec une résistance R2 le tout étant alimenté par une pile P. Le système représenté sur la figure 4 fonctionne bien pour de petites oscillations du pendule, c'est-à-dire des oscillations d'amplitude inférieure au diamètre du faisceau laser Toutefois pour des oscillations d'amplitude supérieure la tache laser est toute entière sur une photorésistance 92 par exemple et la résistance de celle-ci ne varierait plus. On utilise un système tel que représenté sur la figure 5 où la résistance R1 est constituée par un élément photorésistif sous la forme de film ou de bande 70 d'écartement variable ; ceci fait que lorsque le faisceau laser se déplace de 72 à 74 la surface résistive interceptée par le faisceau laser varie. Dans tous ces systèmes, on peut utiliser un dispositif électronique analogique ou numérique pour corriger les non linéarités entraînées par les variations de surface irradiées par le faisceau laser non proportionnelles à son déplacement linéaire, la répartition en intensité radiale du faisceau laser etc Sur la figure 6, on a représenté un dispositif utilisé pour enregistrer les mouvements verticaux d'un pendule c'est-à-dire selon l'axe Oz. L'extrémité pesante 80 du pendule se déplace selon la flèche 82. Le miroir 85 renvoie le faisceau 84 selon le faisceau 86 sur le miroir 88 incliné d'un angle e non nul par rapport au faisceau 86. On voit que lorsque le miroir se déplace de la position 88 à la position 90, la partie interceptée de la photorésistance 92 se déplace de A à A', ce qui permet l'utilisation des dispositifs précédents faisant correspondre à un déplacement d'un spot une variation de résistance REVENDICATIONS 1. Sismographe optique destiné à mesurer le mouvement relatif d'un faisceau d'ondes électromagnétiques rapport aux extrémités d'une pluralité de pendules carac térisé en ce qu'il comprend : une source collimatée délivrant un faisceau parallèle d'ondes électromagnétiques et une pluralité de pendules dont les plans d'oscillation sont perpendiculaires entre eux1 des moyens fixes par rapport au faisceau d'ondes électromagnétiques pour envoyer le faisceau lumineux sur les extrémités pesantes des différents pendules et des moyens photo-electriques pour mesurer les variations de position d'extrémité des pendules par rapport au faisceau d'ondes électromagnétiques. 2. Sismographe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'ondes électromagnétiques est un laser émettant un faisceau parallèle et en ce que les moyens pour envoyer le faisceau lumineux sur les extrémités des différents pendules consistent en des miroirs perpendiculaires entre eux et orientés a 45 par rapport au faisceau laser, lesdits miroirs envoyant ledit faisceau sur les ex trémités pesantes des différents pendules. 3. Sismographe selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les extrémités de chaque pendule comportent-des moyens photorésistifs délivrant un signal électrique en fonction des variations de la position du faisceau laser par rapport auxdites extrémités. 4. Sismographe selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que des miroirs sont disposés a l'extrémité de chaque pendule et en ce qu'a chacun de ces miroirs est associé élément photorésistif dont la résistance varie en fonction du déplacement du faisceau laser renvoyé par chacun desdits miroirs. 5. Sismographe selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits éléments photqrésistifs sont percés d'une ouverture centrale où passe le faisceau laser renvoyé par un miroir a 450 par rapport au faisceau laser. 6 Sismographe selon la revendication 4, caractérisé en ce que, en position d'équilibre un miroir a l'extrémité d1un pendule est incliné d'un angle e par rapport au faisceau laser. 7. Sismographe selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'il comprend de plus une photorésistance de calibrage disposée sur le trajet aller du faisceau laser et absorbant une partie dudit faisceau. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 a 7, caractérisé en ce que les pendules sont utilisés en une période comprise entre i et 10 secondes. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que deux des pendules utilisés sont des pendules inclinés par rapport au plan horizontal 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le pendule vertical utilisé reçoit le faisceau selon une direction faisant un angle avec la verticale du lieu. 11. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'extrémité pesante des pendules est munie de moyens électromagnétiques pour faire varier sur commande l'amortisse- ment desdits pendules.