Brevet FR2491212A1 — publié le 19820402

La présente invention concerne la mesure d'une pression au moyen d'une tête de capteur optique et élec- triquement passive raccordée à une unité électronique éloignée par un câble à fibres optiques. Dans une demande de brevet connexe de la Deman- deresse, on décrit l'utilisation de la subordination,à la pressionde l'effet photo-élastique dans un disposi- tif analogique qui mesure l'intensité de deux composan- tes à polarisation linéaire d'un faisceau optique afin de fournir une mesure de la différence d'indice de ré- fraction entre les deux composantes, cette valeur étant directement en relation avec la pression. Toutefois, ce dispositif donne lieu à une difficulté commune aux mesu- res analogiques, à savoir l'obligation de procéder à plusieurs reprises à des mesures analogiques de haute précision au cours d'un certain laps de temps. On con- nait, dans la technique de l'optique, des filtres de Lyot destinés à l'utilisation de plaques biréfringentes dans le but d'obtenir un filtre à bande étroite. L'invention concerne un dispositif pour la mesure d'une pression en utilisant une source lumineuse et un détecteur optiques, ce dispositif étant raccordé à une tête de capteur éloignée et électriquement passive à l'aide d'un câble à fibres optiques, la subordination,à la longueur d'ondede l'effet photo-élastique étant uti- lisé comme caractéristique de subordination à la pression afin de fournir une mesure qui ne dépend pas de mesures d'amplitudes précises et qui est compatible avec une sor- tie numérique. Dans les dessins annexés: la figure 1 est une illustration partiellement schématique d'une forme de réalisation de l'invention; la figure 2 illustre la composante de mesure de fréquence de la forme de réalisation de la figure 1; et la figure 3 illustre un procédé de montage de l'élément sensible à la pression suivant l'invention. Dans un dispositif dans lequel un faisceau de lumière à polarisation linéaire se déplace le long d'un premier axe appelé "axe Z", en passant par un groupe d'éléments optiques comprenant un bloc de matière sensi- ble à la pression et ayant un coefficient optique de tension photoélastique approprié, auquel une pression doit être appliquée le long d'un axe de pression prédé- terminé, délimité par deux éléments polarisants dont les axes sont orientés sous le même angle, par exemple, 450, par rapport à l'axe prédéterminé (tous les axes précités étant perpendiculaires à l'axe Z pour des raisons de com- modité), l'intensité de la composante de lumière transmi- se polarisée le long de l'axe de pression est définie par l'équation: I= I cos2 O, o (1) itc -s- (P x-PY), o n = indice de réfraction pour la lumière polari- x sée le long de l'axe de pression (axe X) n= indice de réfraction pour la lumière polari- Y sée le long de l'axe Y (perpendiculaire aux axes X et Z) I = longueur du parcours suivi par la lumière -transmise à travers le bloc capteur X= longueur d'onde de la lumière C = coefficient optique de tension photo- élastique de la matière Px= pression appliquée le long de l'axe X P = pression appliquée le long de l'axe Y (pou- Y vant être la pression atmosphérique). Dans la forme de réalisation de la figure 1, un élément supplémentaire est ajouté à la combinaison préci- tée, sous forme d'un élément normalement biréfringent (par exemple, une plaque en quart d'onde) intercalé en- tre le polariseur et l'élément sensible à la pression. La lumière transmise est alors définie par l'équation: Ix I cos2 (), o (2) X 0 0=+, w1 2C 0 = (Px-Py) et (3) (4) Irél * =-x- T (nx-ny), o (4) '- Xl1 = longueur du parcours de lumière à travers l'élément biréfringent, nx et ny étant les indices de réfraction dans l'élément biréfringent et é2 étant la longueur du parcours de lumière à tra- vers l'élément sensible à la pression. Ix sera O lors- que i = (2N-l)#/2. A une pression de zéro, k sera égal à 0 et variera d'une quantité Ad. Dans l'intervalle w/2 d'onde X0 pour laquelle e = #/2 et la valeur de X0 dé- pend de la différence de pression Px-Py (si Py est la pression atmosphérique, Px est alors la pression manométrique; si P est 0, Px est alors la pression absolue). On peut faire varier la longueur Il de l'élément biréfringent pour amener 4 dans un intervalle de pressions utile. La longueur e2 et la constan- te C de l'élément sensible à la pression peuvent égale- ment être sélectionnées pour influencer la sensibilité et l'intervalle. Dans la forme de réalisation de l'invention illustrée en figure 1, une tête de capteur de pression est raccordée à une unité génératrice d'électricité et d'analyse 100 au moyen d'un câble à fibres optiques 135. Dans cette unité 100, une source lumineuse à large bande 101 émet une lumière ayant des longueurs d'onde se situant dans la gamme utile, cette lumière ne devant- pas nécessairement être à fréquence continue pour cer- taines applications. La lumière est focalisée, par une lentille 102, dans une fibre optique 121 qui passe par un connecteur 131, le câble 135 et un connecteur 132, pour être ensuite collimatée par une lentille 201. Le faisceau collimaté est soumis à une polarisation linéai- re par un polariseur 202 orienté à 450 par rapport à l'axe le long duquel une force doit être appliquée à l'élément sensible à la pression, il est modifié dans une plaque biréfringente 203 située en aval du polari- seur 202, il passe à travers un élément sensible à la pression 204 situé en aval de la plaque 203, puis il est soumis à une analyse de polarisation dans un pola- riseur 205 situé en aval de l'élément 204 et à partir duquel il est ensuite focalisé dans une fibre 111 par une lentille 206, pour revenir finalement à une unité de dispersion de longueurs d'onde 112 de laquelle des signaux électriques représentant l'intensité de la lu- mière en fonction de la longueur d'onde du faisceau mo- difié sont dirigés vers des circuits électriques 119, par exemple, un micro-ordinateur. A mesure que la lumière passe à travers l'élé- ment 204, l'intensité transmise le long de l'axe de tension varie conformément à l'équation (2) en fonc- tion de la longueur d'onde, avec un minimum ou un creux à une certaine longueur d'onde X = 'À (Px) suivant la pression appliquée le long de cet axe. Une ca- ractéristique avantageuse de l'invention réside dans le fait que la forme du spectre d'entrée et la dispersion de fré- quence des éléments optiques sont sans importance, puisqu'aussi bien l'on recherche l'emplacement d'un mi- nimum ou d'un creux et non pas la valeur absolue de l'in- tensité. Une autre caractéristique avantageuse réside dans le fait que les changements d'intensité dus à un désaccouplement et à un réaccouplement des connecteurs 249121; s optiques 131 et 132 n'altèrent aucunement le rendement. Dans une forme de réalisation donnée à titre d'exemple, l'élément 204 est constitué de lucite et il a un coefficient optique de tension photoélastique C de 3xlO-81/0,07 kg/cm2,ainsi qu'une longueur de 5 cm, tan- dis que l'élément biréfringent est une glaque en demi-onde (déphasage de r12 dans) à X = 4.000 A, d'o e = x/2 pour À = 3xlO 7 (P -P) + 4xlO5 cm et, si P est la o y y pression atmosphérique, \X dépend de manière linéaire de la pression manométrique P X. Le tableau ci-après donne certaines valeurs de l'intensité minimum ou du creux de longueur d'onde. TABLEAU P (manométrique) X0 on 0 4.000 A o 4.300 A o 7.000 A on 200 10.000 A La figure 2 illustre une version simple d'une unité de mesure 112 dépendant de la longueur d'onde, unité dans laquelle la lumière émergeant d'une fibre 111 est colli- matée par une lentille 113 et dispersée par un réticule 114 (on pourrait également utiliser un prisme) dans un groupe de détec- teurs 115 dont les sorties sont analysées dans des cir- cuits 119 afin de déterminer le zéro. Les circuits 119 peuvent simplement comparer les sorties des détecteurs et mémoriser l'emplacement ayant la valeur minimale, ou ils peuvent tracer une courbe régulière passant par l'en- semble des valeurs de sortie des détecteurs et calculer ensuite le minimum. De nombreux autres dispositifs de mesure dépendant de la longueur d'onde sont bien connus 3S dans la technique et peuvent être substitués à cette for- me de réalisation. La forme de réalisation de la figure 2 présente une caractéristique avantageuse du fait que la sortie est, par inhérence, numérique, c'est-à-dire qu'elle est un nombre discret associé à une bande de longueurs d'onde particulière. Cette sortie est parfai- tement adaptée à une utilisation avec des systèmes de contrôle et des calculateurs numériques, tandis qu'elle évite les problèmes de calibrage et de déviation qui sont inhérents aux systèmes analogiques. Outre la mesure d'une pression, l'invention se prête parfaitement à une utilisation dans un système de contrôle à réaction. Par exemple, les circuits 119 pourraient calculer la différence existant entre les dé- tecteurs et qui est la plus proche de la position du mi- nimum ou du creux, puis utiliser le signal différentiel en vue de régler la pression à contrôler. L'homme de métier comprendra que la source lumi- neuse à large bande 101 peut être remplacée par une sour- ce accordable à bande étroite, ou par un groupe de sour- ces lumineuses ayant des longueurs d'onde différentes, tandis que ces dispositifs de mesure dépendant de la lon- gueur d'onde peuvent alors être remplacés par un simple détecteur, de telle sorte que le-creux soit localisé à mesure de la variation de la fréquence de la source lu- mineuse. La figure-3 illustre de manière plus détaillée un système de montage approprié lorsqu'il s'agit de mesu- rer une pression absolue. Dans une canalisation 251, est contenu un fluide 252 qui peut être un liquide ou un gaz et dont on doit mesurer la pression. Un soufflet 261 ayant un fond plat vient appuyer contre un bloc 204, permettant ainsi la contraction de ce dernier en répon- se à la pression. Une chambre de montage 262 qui suppor- te le bloc 204 vis-à-vis de la pression et sur laquelle prennent également appui les autres éléments, est mise sous vide de telle sorte que la pression Py soit zéro. Les fibres d'entrée et de sortie passent à travers des 249 12 1; connecteurs optiques de traversée (non représentés). La surface de la chambre de montage 262 sert de référence d'alignement. Pour la commodité de l'alignement, le soufflet 261 doit être conçu de telle sorte que la pres- s sion du fluide soit dirigée le long d'un axe perpendi- culaire à la surface de la chambre de montage 262, dé- finissant ainsi l'axe de tension principal du dis- positif. Un prisme 205 est ensuite monté sur la même surface en orientant son axe à 450 par rapport à l'axe de tension. L'axe de tension est avantageusement perpendiculaire au sens de déplacement du faisceau lumi- neux, de telle sorte que l'on puisse utiliser des coor- données orthogonales. Etant donné que le bloc 204 réagit à la diffé- rence existant entre les pressions appliquées aux deux axes, il convient évidemment pour mesurer une pression différentielle. Dans ce cas, des modifications de détail devraient être apportées à la figure 3; en l'occurrence, le bloc 204 devrait être entretoise dans deux directions, le vide devrait être supprimé dans la chambre de montage 262 et une canalisation contenant le second fluide devrait sup- porter un second soufflet orienté à angle droit par rap- port au soufflet 261. Si on le désire, on pourrait envi- sager un système équivalent, mais plus simple du point de vue mécanique consistant à éloigner davantage le prisme d'analyse de polarisation 205 du bloc 204 et à intercaler un second bloc 204' entre celui-ci et le prisme 205. Dans ce système, la lumière transmise pourrait être inchangée comparativement à la forme de réalisation précédente. Le second axe de tension pourrait toujours être orienté à angle droit par rapport à l'axe le long duquel le souf- flet 261 applique une force. Dans certaines applications, il peut être souhaitable de mesurer la somme de deux pressions, auquel cas le support 262 devrait être modifié en ménageant une ouverture, de telle sorte qu'une force puisse être appliquée à la face du bloc 204 qui est oppo- sée à celle sur laquelle vient appuyer le soufflet 261. D'autres formes de réalisation conçues pour mesurer une pression mécanique seront évidentes pour l'homme de mé- tier. Bien que l'invention ait été illustrée et décri- te en se référant à certaines de ses formes de réalisa- tion données à titre d'exemple, l'homme de métier com- prendra que les modifications, omissions et additions précitées, ainsi que d'autres peuvent être envisagées sans se départir de l'esprit et du cadre de l'inven- tion. -9- REVENDICATIONS 1. Appareil en vue de mesurer la pression exercée le long d'un axe de tension prédéterminé, caractérisé en ce qu'il comprend: a) des éléments (101, 102, 121, 201) destinés à diriger, le long d'un axe optique, un faisceau de lumière ayant au moinsune longueur d'onde prédéterminée se situant dans une gamme prédéterminée; b) plusieurs éléments optiques intersectant ce faisceau et diposés le long de cet axe optique, ces éléments comprenant: (i) un premier élément polarisant (202) ayant un premier axe de polarisation orienté sous un angle pré- déterminé par rapport à l'axe de tension, (ii) un second élément polarisant (205) orienté parallèlement au premier, (iii) un élément (204) de détection de pression en une matière photo-élastique, réagissant à la pression appliquée le long de l'axe de tension, cet élément étant monté entre les premier et second éléments polarisants (202, 205) afin de modifier le faisceau de lumière en réponse à la pression appliquée, (iv) une plaque biréfringente (203) disposée entre le premier élément polarisant (203) et l'élément de détec- tion de pression (204); c) des éléments (112) réagissant à l'intensité de la lumière pour analyser la lumière émergeant du second élément polarisant (205) et identifier un creux de lon- gueur d'onde se situant dans la gamme de longueurs d'one précitée et pour lequel cette lumière a une intensité minimum, cette longueur d'one fournissant une mesure de la pression appliqueé. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les élément (101, 102, 121, 201) destinés à diriger un faisceau de lumière comprennent une source lumineuse (101) engendrant un spectre de sortie ayant plusieurs longueurs d'onde se situant dans la gamme pré- citée, tandis que les éléments (112) réagissant à l'intensité de la lumière comprennent des éléments dépen- - 10 - dant de la longueur d'onde afin d'identifier le creux de longueur d'onde précité. 3. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments(101, 102, 121, 201)destinés à diriger un faisceau de lumière comprennent également un élément (101) destiné à engendrer plusieurs longueurs d'onde se situant dans la gamme précitée, tandis que les éléments (112) réagissant à l'intensité de la lumière sont pratiquement indépendants de la longueur d'onde. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendica- tions 2 et 3, caractérisé en ce que la plaque biréfringen- te (203) est une plaque en demi-onde. r. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les éléments (112) dépendant de la longueur d'onde comprennent un élément de dispersion (114) de longueurs d'onde destiné à diriger différentes longueurs d'onde de la lumière émise sur plusieurs détecteurs (115) optiques, ainsi qu'un élément (119) destiné à identifier lequel des détecteurs reçoit la lumière présentant le creux de longueur d'onde précité.