Brevet FR2410809A1 — publié le 19790629

La présente invention concerne un procédé et un dispositif opto-électronique pour la mesure de grandeurs physiques telles que les déplacements, les vitesses, les accélérations, les forces, les pressions, les couples ou meme les déformations principales et longitudinales. Elle a également pour objet l'application de ce procédé à la réalisation de différents types de capteurs pouvant travailler tant dans le domaine statique que dans le domaine dynamique, à savoirs notamment : - les capteurs de déplacement avec ou sans contact, - les extensomètre, - les capteurs de proximité, - les capteurs d'accélération ou accéléromètres mesurant directement l'accélération par intégration de la vitesse ou par double intégration du déplacement, - les capteurs de force, les dynamomètres de traction, de compression ou de traction compression à un, deux, trois axes de mesure de force, - les balances dynamométriques à six composantes, (6 degrés de liberté, 3 forces, 3 moments), - les capteurs de mesure de couple, ou couplemêtre, la mesure de ce couple pouvant être statique ou dynamique, (sur arbre fixe ou pièce tournante). - les capteurs de pression ou manomètres, la mesure des pressions pouvant autre absolue, relative ou différentielle. On rappelle qu'un capteur qui est, par définition, un appa.- reil destiné à transformer une grandeur physique en une autre grandeur (le plus souvent électrique), est généralement composé-: - d'un corps d'épreuve, et - d'un élément de détection Cet ensemble (corps d'épreuve et élément de détection) est soumis,lorsqu' on est en exploitation, aux conditions d'environnement, notamment aux grandeurs d'influence. En conséquenee, et c'est un inconvénient important de ces capteurs, l'élément de détection est perturbé par ces conditions d'environnement et la mesure se trouve entachée d'erreurs importantes. Pour supprimer cet inconvénient, l'invention propose donc de séparer l'élément actif de détection (généralement électrique) du capteur, de manière à le soustraire aux conditions d'environnement. Il est clair qu'une telle séparation implique un dispositif de transmission, entre le capteur et l'élément actif de détection, qui ne puisse pas être perturbé par les conditions d'environnement et les champs parasites. Pour parvenir à ce résultat l'invention propose d'effectuer, au lieu d'une simple détection, comme précédemment, deux détections successives, a savoir, une première détection mécano-optique, et une deuxième détection opto-électronique, ce qui permet d'utiliser un système de transmission purement optique non influen çable par des champs parasites. De façon plus précise, le procédé selon l'invention consiste à transmettre à distance, au moyen d'un premier transmetteur optique, un rayonnement lumineux sur un réflecteur associé au corps d'épreuve du capteur ou constitué par celui-ci, à recueillir au moins en partie le rayonnement réfléchi et à le transmettre à distance à un détecteur opto-électronique, sensible aux variations d'intensité lumineuse, également au moyen d'un second transmetteur optique, les distances respectives entre, d'une part, le réflecteur, et, d'autre part, l'extrémité émettrice du premier conducteur optique et l'extrémité réceptrice du second conducteur optique étant prédétermiLées. Ainsi, un dispositif pour la mesure de grandeurs physiques selon l'invention comprend essentiellement : - un capteur associé à un premier étage de détection comprenant un corps d'épreuve et un trajet optique se réfléchissant sur un réflecteur associé au corps d'épreuve ou constitué par celui-ci. - un premier transmetteur optique générant un rayonnement incident sur ledit réflecteur, à partir d'une source lumineuse. - un second transmetteur optique servant à recevoir au moins une partie du rayonnement réfléchi et à ie transmettre à un deuxième étage de détection opto-électronique, - le deuxieme étage de détection opto-électronique qui comprend un organe de détection sensible aux variations d'intensité lumineuse, - un organe d'amplification et de traitement de l'information détectée par le susdit organe de détection. Un tel dispositif constitue en fait une chaîne de mesure homogène qui rend solidaire le capteur du système électronique de façon indissociable. Selon une caractéristique de l'invention le capteur comprend un corps d'épreuve de conception classique, tel qu'une membrane, un barreau, ou toutes autres pièces à rappel élastique, et qui se déforme ou se déplace sous l'action dumesurande (grandeur physique a mesurer) ; à ce corps d'épreuve est aceouplé un réflecteur optique, soit directement, soit par l'intermédiaire d'un amplificateur mécanique. Le capteur comprend en outre l'extrémité des susdits transmetteurs optiques, placés an regard du réflecteur, dé manière à obtenir une première conversion déplacement mécanique du réflecteur/signal optique, et ce,en raison de la modification du trajet optique entre l'extrémité des transmetteurs optiques et du réflecteur. Les transmetteurs optiques qui ont respectivement une fonction émettrice (introduction du rayonnement lumineux en tant que source d'activation extérieure) et une fonction réceptrice du rayonnement lumineux réfléchi, modulé par le déplacement ou la déformation du corps d'épreuve, peuvent etre constitues par - un seul canal constitué d'un seul conducteur optique - un faisceau unique de fibres optiques à foisonnement aléatoire ou ordonné - deux ou plusieurs canaux constitués chacun d'un seul conducteur optique. Le conducteur optique ou les fibres optiques peuvent etre constitués de n'importe quel corps transparent : verre, quartz, silice fondue, matières plastiques minérales ou organiques dont la courbe de réponse optique peut aller de l'infrarouge à l'ultraviolet, avoir une bande étroite par nature ou par adjonction de filtres. La sortie du conducteur de l'intérieur du capteur peut être réalisée par un câble continu, soit par un connecteur mobile. Le transmetteur, dont la longueur peut aller de quelques centimetres à plusieurs mètres, est raccordé à un module électronique par connecteur ou cabale continu; Ce module élestronique-remplit donc-plusieurs fonctions solidaires du capteur et comprend : - une source d'activation eonsistant- en une source lumineuse pouvant émettrede la lumière blanche, monochromatique, ou à bande étroite, continue, alternative,à fréquence fixe ou variable. Un filtre à bande large ou étroite peut lui être associé. - Un étage de conversion ou te détection active pouvant etre constitué par le transmetteur optique devant lequel sont placés un ou deux détecteurs opto-électroniques tels que : - des cellules photorésistives, - des cellules photoémettrices, - des phototransistors, - des tubes photomultiplicateurs. Bien entendu, le module comprend en outre des organes qui lui sont propres, tels que, par exemple - un organe d'amplification des signaux, - une chaîne de contre-réaction électrique et opto-électroni que, - une alimentation stabilisée de l'amplificateur, - une alimentation de la source d'activation, - un étage de sortie. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ciapres, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est un schéma théorique simplifié d'un dispositif de mesure opto-électronique selon l'invention, - La figure 2 est une représentation partielle schématique du capteur représenté figure 1. - La figure 3 est un diagramme de l'intensité lumineuse re çue par l'extrémité réceptrice du transmetteur optique après réflexion du rayonnement incident. - La figure 4 est un schéma-bloc théorique d'un mode de réalisation plus élaboré de l'invention. - La figure 5 est le schéma théorique d'un montage différentiel en demi-pont, - La figure 6 est un exemple de traitement des signaux détectés dans le montage représenté figure 5. - La figure 7 est un schéma théorique d'un dispositif de me sure opto-électronique comprenant une source d'activation alternative. Avec référence à la figure 1, le dispositif de mesure optoélectronique comprend tout d'abord un capteur (bloc 1) soumis à l'action du mesurande (flèche 2). Ce capteur comprend un corps d'épreuve et un premier étage de conversion susceptible de transformer un déplacement du corps d'épreuve en une variation d'intensité lumineuse. À cet effet, le corps d'épreuve comprend une plage réflectrice ou est associé à un réflecteur 3, figure 2, qui reçoit un rayonnement incident émis à une distance déterminée Crpar un transmetteur optique 4, et qui réfléchit ce rayonnement sur l'extrémité réceptrice d'un transmetteur optique 4' dont l'extrémité émettrice est couplée a un module électronique 5 de mesure d'intensité lumineuse. Comme représenté figure 2,le transmetteur optique 4 sert à la fois à l'émission et â la réception et est constitué par un faisceau de fibres optiques à foisonnement aléatoire; L'extrémité 6 de ce transmetteur optique 4 est espacée du réflecteur 3 associé au corps d'épreuve d'axe 7 et dont la direction de déplacement est représentée par la flèche 8, d'une distance 6 Il est à noter que,quel que soit le type de capteur (pression, force, déplacement, vitesse, débitmètre, couplemetre, accélération, extension, contrainte, etc...) le réflecteur -optique 3 doit rester à un écartement ô correspondant à la plage linéaire de fonctionnement, zone hachurée 9 du transmetteur optique (figure 3).Cette distance d-est fonction du diamètre 1 du faisceau dé fibres 4, de sa constitution, uni, bi, multifibres et, dans ce dernier cas; de la distribution- ordonnée ou aléatoire. Par tailleurs, il est possible de modifier l'écartement cr en jouant sur la face active du réflecteur 3 qui peut être plan, concave, convexe ou en cone escalier pour une éventuelle numérisation. Dans le cas où l'on utilise un transmetteur optique constitué par un faisceau de fibres optiques à foisonnement aléatoire, l'axe optique 10 du transmetteur 4 doit etre sensiblement normal au réflecteur optique 3 et colinéaire à son axe de translation 7. Dans ce cas, le capteur 1 délivre, au niveau des extrémités réceptrices du faisceau de fibres optiques,un rayonnement réfléchi d'intensité variable en fonction du déplacement du réflecteur 3. Dans le cas où l'on se trouve dans la zone linéaire de la courbe I = f () (figure~3), les variations d'intensité lumineuse sont proportionnelles aux variations fl dC du réflecteur 3, et ce, dans une large plage. On notera à ce sujet qu'une des particularités remarquables cie l'invention est d'utiliser plus particulièrement la zone linéaire de la courbe I = f (Ur) pour la conversion déplacement/ intensité lumineuse. À titre d'exemple une telle utilisation permet d'obtenir une plage linéaire de 1 000? et une définition de 0,1 %L Avec référence à le figure 4, le module opto-électronique 5 comprend une source d'activation lumineuse 13 raccordée à une alimentation 14 et qui transmet sur les extrémités réceptrices 15 du faisceau de fibres optiques (sensiblement la moitié des fibres optiques du faisceau, réparties aléatoirement) un rayonnement lumineux. Le module opto-électronique comprend également un organe de détection opto-dlectronique 16 qui reçoit le rayonnement réfléchi par les extrémités émettrices 17 du faisceau de fibres optiques 4. Cet organe de détection 16 est raccordé à un organe d'amplification 18 qui est alimenté par une source de courant électrique 19, et est raccordé en sortie à un organe de traitement des informations détectées 20 en vue de leur utilisation. Ce système peut être compiété par un circuit de contre rdaction 21 qui penmet d'obtenir un signal de correction-lfé à la dérive transitoire ou permanente de ce signal incident émis. Dans exemple précédemment décrit le corps d'épreuve 22 ne comprend qu'un réflecteur 3, qu'un double transmetteur optique 4 et qu'un détecteur opto-électronique 13. Afin d'augmenter la sensibilité du dispositif, d'annuler les effets mécaniques parasites et de s'affranchir des grandeurs d'influences parasites, on peut utiliser, comme représenté figures 5 et zone montage différentiel en demi-pont ou en pont complet. Dans cet exemple, le corps d'épreuve 23 consiste en une bascule élastique pivotant autour de l'axe 24 sous l'effet d'un effort appliqué par l'intermédiaire d'une bielle 25 solidaire d'une membrane 26 actionnée par une pression. Le corps d'épreuve 23 comprend deux miroirs 2r/, 2d disposés de part et d'autre de l'axe 24,oesmiroirs étant associés à deux transmetteurs optiques respectifs 29, 30 du genre de ceux précédemment décrits. À chacun de ces transmetteurs optiques 29, 30 correspond une source d'activation lumineuse eommune unique 31, 32 et un organe de détection 33, 34 de l'intensité lumineuse. il est clair que, sous l'effet d'une force exercée par la membrane 2t > ,le corps d'épreuve 23 bascule et les distances i et g2 relatives aux deux réflecteurs 27, 28 vont être modifiées par des écarts A G et 4 4 de valeurs inversées. Ces variations de distance ##1 et ##2 creent une variation d'in- tensité lumineuse dans les deux conducteurs optiques 29, 30 qui, après conversion par les étages apto-électroniques 33 et 34 génèrent respectivement deux tensions électriques de signe opposé reprises par un amplificateur différentiel 35 (figure 6). Ce montage permet d'obtenir la somme de deux signaux propor-. tionnels à (-t et et ss 4 ) tout en s'affranchissant de l'influence des autres grandeurs d'influences qui s'annulent puisqu'étant égales et de même signe. On notera en outre qu:'il est possible, dans les exemples précédemment décrits,de s'affranchir de 1 t émission infrarouge due à la température du corps d'épreuve et du réflecteur, en plaçant devant celui-ci un écran catathermique afin de ne pas saturer l'étage d'entrée. Il importe de noter que la ou les sources d'activation lumi- neuses peuvent émettre de façon continue ou alternative et entre alimentées en courant continu ou alternatif. Dans le cas d'une alimentation alternative, on peut prévoir un montage du type de celui représenté figure 7, qui présente l'avantage de diminuer les bruites de fond et donc d'augmenter ladéfinition. Dans un tel montage la source d'activation 36 est alimentée en courant alternatif à partir d'un générateur 37. Lt organe de détection opto-électronique 38 reçoit donc un signal optique alternatif modulé en amplitude en-fonotion de l'écart 4J ae signal optique transformé en un signal électrique correspondant par le convertisseur 40 est amplifié au moyen dtun amplificateur 41 puis est démodulé au moyen d'un démodulateur en anneau 42 connecté au générateur 32. Ala sortie 43 du démodulateur 42, le signal représentatif de l'écart ## peut être filtré avant d'être utilisé. Il est clair qu'un système dérivé de celui-ci pourrait utiliser la modulation de fréquence en vue d'une numérisation fréquence-métrique ou une conversion analogique par discriminateur. REVENDICATIONS 1.- Procédé pour la mesure opto-électronique de grandeurs physiques caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer au niveau du capteur,une première détection susceptible de transformer un déplacement en une variation d'intensité lumineuse d'un rayonnement lu mineur, à transmettre à distance ledit rayonnement affecté de ladite variation et à effectuer, à distance du capteur, une deuxie- me détection susceptible de transformer ladite variation d'intensité lumineuse en un signal électrique correspondant. 2.- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste à transmettre à distancie, au moyen d'au moins un premier transmetteur optique,un rayonnement lumineux incident sur au moins un réflecteur associé au corps d'épreuve du capteur ou constitué par celui-ci, à recueillir au moins en partie le rayonnement réfléchi et à le transmettre à distance à au moins un détecteur opto-électronique, sensible aux variations d'intensité lumineuse, également au moyen d'au moins un second transmetteur optique, les distances respectives entre, d'une part, le réflecteur, et, d'autre part, l'extrémité émettrice du premier conducteur optique et l'extrémité réceptrice du second conducteur optique étant prédéterminées. 3.- Procédé selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le rayonnement incident est continu ou alternatif. 4.- Procédé selon l'une des revendications précédentes, ca ractérisé en ce que le transmetteur optique servant à l'émission et à la réception du rayonnement lumineux est constitué par un faisceau de fibresoptiques à foisonnement aléatoire ou ordonné dont une extrémité est disposée à une distance df du corps d'épreuve, et dont l'autre extrémité est raccordée d'une part à une source de rayonnement lumineux et d'autre part à un détecteur opto-électronique. 5.- Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que la distance 6 est prévue de maniere à utiliser la zone linéaire de la courbe Intensité/distance 6.- Dispositif pour la mesure de grandeurs physiques appliquant le procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu1il comprend au moins - Un capteur associé à un premier étage de détection comprenant un corps d'épreuve et un trajet optique se réfléchissant sur un réflecteur associé au corps d'épreuve ou constitué par celui-ci. - Un premier transmetteur optique générant un rayonnement incident sur ledit réflecteur, à partir d'une source lumineuse. -Un second transmetteur optique servant à recevoir au moins une partie du rayonnement réfléchi et a le transmettre à un deu xième étage de détection opto-électronique, - Le deuxième étage de détection opto-électronique qui comprend un organe de détection sensible aux variations a'intensité lumineuse. - Un organe d'amplification et de traitement de l'information détectée par le susdit organe de détection. 7.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le capteur comprend un corps d'épreuve de conception classique tel qu'une membrane, un barreau, ou toutes autres pièces à rappel élastique, et qui se déforme ou se déplace sous l'action du mesurande (grandeur physique à mesurer), en ce que à ce corps d'épreuve est accouplé un réflecteur optique, soit airectement, soit par l'intermédiaire d'un amplificateur mécanique,et en ce que l'extrémité des susdits transmetteurs optiques est placée en-regard du réflecteur, de manière à obtenir une première conversion déplacement mécanique du réflecteur/signal optique, et ce,en raison de la modification du trajet optique entre l'extrémité des transmetteurs optiques et du réflecteur. 8.- Dispositif selon l'une des revendications 6 et 7 caractérisé en ce que les transmetteurs optiques qui ont respectivement une fonction émettrice (introduction du rayonnement lumineux en tant que source dlaetivation extérieure) et une fonction réceptrice du rayonnement lumineux réfléchi, modulé par le déplacement ou la déformation du corps d'épreuve, sont constitués par - un seul canal constitué d'un seul conducteur opsique,.-u par - un faisceau unique de fibres optiques à foisonnement aléatoise ou ordonné ou par - deux ou plusieurs canaux constitués chacun d'un seul conducteur optique. 9.- Dispositif selon la revendication 6 caractérisé en ce que le corps d'épreuve comprend deux ensembles réflecteur, transmetteur optique, source d'activation et organe de détection de l'intensité lumineuse, le corps d'épreuve étant tel que sous l'effet du mesurande il provoque sur chacun des couples réflecteur/transmetteur optique une variation d'écart 0 t et a Jr2 de sens opposé, qui aprés conversion par lesdits organes de détection, génèrent respectivement deux tensions électriques de signe opposé, reprises par un amplificateur différentiel. 10.- Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source lumineuse est alimentée en courant alternatif à partir d'un générateur et en ce que le susdit organe de détection qui reçoit un signal lumineux alternatif modulé en amplitude en fonction de l'écart est relié à un amplificateur puis à un démodu- lateur en anneau connecté audit générateur, le signal fourni par le démodulatellr pouvant être filtré avant son utilisation.