Brevet FR2492097A1 — publié le 19820416

La présente invention concerne le domaine de la mesure des pressions au moyen d'un capteur non élec- trique dans lequel on utilise un système de transmission de la lumière par des fibres optiques. Les capteurs à fibres optiques dans les- quels les fibres sont utilisées soit comme dispositif de détection, soit comme milieu de transmission raccordé à un capteur optique, présentent un avantage du fait que l'élément de détection est électriquement passif, si bien que des dispositifs de ce type peuvent être utilisés dans des atmosphères explosives, des milieux ambiants électriquement bruyants ou dans d'autres situations dans lesquelles la chaleur et/ou les vibrations entravent le fonctionnement des éléments électriques. Dans les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 4.010.632 et 3.950.987 accordés aux noms de Slezinger et al, on décrit un capteur de pression photo-élastique comportant deux canaux optiques physiquement séparés munis d'une plaque biréfringente utilisée pour déphaser un faisceau linéairement polarisé d'une valeur égale dans des directions opposées (à titre d'illustration: 1r/2). La présente invention concerne-un système de mesure de pression comportant une tête de détection non électrique dans laquelle des éléments de polarisation d'un faisceau lumineux sont influencés de manière dif- férentielle par une pression appliquée à un milieu photo-élastique. Suivant une forme de réalisation particu- lière de l'invention, on prévoit une relation d'erreur quadratique vis-à-vis d'un défaut d'alignement optique. Dans les dessins annexés: la figure 1 iJisatre une forme de réalisa- tion simple de l'invention; la figure 2 illustre un détail de l'appli- cation d'une pression à un élément sensible; et la figure 3 illustre une forme de réalisa- tion plus complexe de l'invention permettant d'utiliser des connecteurs dans le câble optique. En figure 1, un système de mesure de pres- sion comprend une unité électrique 100 renfermant une source de lumière et des détecteurs, une tète de détec- tion optique 200 et un câble à fibres optiques 121 re- liant cette unité et cette tête. Lors du fonctionnement, la source lumineuse 101, par exemples une diode électro- luminescente, engendre une lumière qui est focalisée, par une lentille 102, dans une fibre 103 constituant un élément du cAble 121. Dans la tête de détection 200, la lumière émise par la fibre 103 est collimatée par la lentille 201 et elle est polarisée linéairement dans un polariseur 202. La lumière linéairement polarisée quittant le polariseur 202 est amenée à une polarisation circulaire dans une plaque en quart d'onde 203. Pour plus de commodité, les éléments 202 et 203 peuvent être liés ensemble en alignement correct (avec leurs axes à 450), après quoi l'orientation des deux éléments vis-à- vis des autres éléments constitutifs n'a plus dtimpor- tance. La lumière à polarisation circulaire pénètre dans un milieu photoélastique 204 qui peut être n'importe quelle matière ayant un coefficient optique de tension d'une valeur appropriée pour la gamme de pressions en cause. Cette constante a été mesurée pour de nombreuses matières; une source appropriée de va- leursmesuréesest donnée dans "Photoelastic Stress Analysisl par A. Kuske et G. Robertson, publié par "John Wiley and Sons", New Yorke 1974. Lorsqu'elles sont sous tension, les matières photo-élastiques ont des indices de réfraction différents le long d'axes parallèles et perpendiculaires au sens de la force ap- pliquée. Pour des forces appliquées à un milieu photo- élastique le long de deux axes, X et Y, orientés per- pendiculairement au sens de transmission de la lumières l'indice de réfraction sera différent le long des axes X et Y et la différence sera en relation avec la pres- sion appliquée conformément à l'équation: n - n = C (Px Y) x yy o nx et ny sont les indices de réfraction le long des deux axes, Px et Py sont les pressions appliquées, tandis que C est le coefficient optique de tension. Si une pression est la pression atmosphérique, la dif- férence des indices constituera une mesure de la pres- sion manométrique exercée sur l'autre axe. Si un vide est créé autour du milieu, on mesurera alors la pres- sion absolue. On peut constater que l'intensité de la lumière passant à travers le polariseur 202, le milieu 204 et le prisme 205 le long des axes X et Y est: I = I cos IY = Iy sin o o A = D#L (Px - PY) | indiquant la longueur du milieu le long du faisceau, tandis que A indique la longueur d'onde de la lumière. On décrira ci-après l'effet exercé par la plaque en quart d'onde 203. On peut mesurer l'intensité lumineuse des deux composantes en faisant passer la lumière quittant le milieu 204 à travers un prisme de ItGlanThompson" 205 qui dévie une composante dans une fibre 111 via une lentille 207 et qui permet, à l'autre composante, de passer dans la fibre 113 via la lentille 206. Ces deux composantes sont mesurées dans des détecteurs 112 et 114 dont les sorties sont traitées dans des circuits 115 qui peuvent être un micro-ordinateur ou un ensemble de circuits logiques. La figure 2 illustre plus en détail un mon- tage approprié pour le cas o l'on doit mesurer la pres- sion absolue d'un fluide. D'autres formes de réalisa- tion peuvent aisément être élaborées pour mesurer des pressions de gaz ou des pressions mécaniques. Une conduite 251 renferme un fluide 252 dont on doit mesurer la pression. Un soufflet 261 comportant un fond plat venant appuyer contre un bloc 204 permet, à ce dernier, de se contracter en réponse à la pression exercée. Une chambre de montage 262 soutient le bloc 204 à l'encontre de la pression, tandis qu'elle supporte également les autres éléments. La chambre de montage 262 est mise sous vide de telle sorte que la pression de référence s'exerçant perpendiculairement à la pression appliquée soit de zéro. Les fibres optiques pénètrent dans et sortent de la chambre 262 au moyen de dispositifs de translation (non représentés). La surface de la chambre de montage 262 sert de référence de mise en alignement. Afin de faciliter la mise en alignement, le soufflet 261 doit être réalisé de telle sorte que la pression du fluide soit dirigée le long d'un axe per- pendiculaire à la surface de la chambre de montage 262, définissant ainsi l'axe principal de tension du dispo- sitif. On monte ensuite le prisme 205 sur la même surface, l'axe de ce prisme étant à 450 par rapport à l'axe de tension. De la manière habituelle, l'axe de tension est perpendiculaire au sens dans-lequel voyage le faisceau lumineux, de sorte que lion peut adopter des coordonnées orthogonales. Etant donné que le bloc 204 réagit à la dif- férence entre les pressions appliquées aux deux axes, il est, bien entendu, approprié pour mesurer une pression différentielle. Dans ce cas, les détails illustrés en figure 2 doivent être modifiés de telle sorte que le bloc 204 soit entretoise dans deux directions et qu'une seconde pression appliquée à ce bloc 204 via un deuxième soufflet soit orientée perpendiculairement au soufflet 261. Dans ce cas, la chambre de montage ne doit pas être mise sous vide. Un système équivalent et mécanique- ment plus simple consisterait éventuellement à déplacer le prisme analyseur de polarisation 205 plus à l'écart du bloc 204, tout en introduisant un deuxième bloc 2048 entre ce bloc 204 et ce prisme 205. La lumière trans- mise dans ce système resterait inchangée vis-à-vis de la forme de réalisation précédente. L'orientation du deuxième axe de tension serait toujours perpendiculaire vis-à-vis de l'axe le long duquel le soufflet 261 ap- plique une force. Dans certaines applications, il peut être souhaitable de mesurer la somme de deux pressions, auquel cas la chambre de montage 262 devrait 4tre modi- fiée en pratiquant une ouverture de telle sorte que la force puisse être appliquée sur la face du bloc 204 qui est opposée à celle sur laquelle le soufflet 261 exerce une pression. Il sera démontré ci-après que la sortie du dispositif dépend d'une constante de calibrage K qui, à son tour, dépend de la longueur t du bloc 204 et de la constante C caractéristique à la matière, de sorte que la sensibilité du dispositif peut être modifiée par le choix de la longueur et des matières. La relation de l'équation 1 qui s'applique aux deux composantes de la lumière d'entrée polarisée linéairement, peut être utilisée pour pratiquer des mesures; toutefois, cette relation n'est pas commode. On obtient une amélioration considérable en installant la plaque en quart d'onde 203 qui a pour effet de pola- riser la valeur Q de Wr/4, modifiant ainsi la relation de l'intensité lumineuse comme suit: S1 = Ix a = 1o (1 sin 20) 2 (2) o S2 = Iy' = (1 -sin 20) o S et S2 sont les nouvelles valeurs pour les inten- sités lumineuses sur les axes X et Y. Les valeurs S. et S? peuvent être davantage combinées dans les cir- cuits 115 pour former la quantité suivante: S2-S S S 5+S2 _ sin 2 0 sin (K P) (3) o P représente la différence de pression le long des deux axes, tandis que K représente effectivement une constante de calibrage. La valeur S sera périodique dans 0 et elle aura un intervalle non ambigu pour ir1/4 bénéfique du fait que la mise en alignement du polari- seur 202 vis-à-vis du milieu 204 est peu importante ainsi qu'on l'a mentionné ci-dessus, mais la combinaison S est également indépendante de l'intensité d'entrée et elle n'a qu'une dépendance quadratique vis-à-vis du défaut d'alignement optique des éléments, ce qui cons- titue un facteur considérable permettant de réduire le coût d'un dispositif, puisqutaussi bien les frais sup- plémentaires consentis pour la mise en alignement ont un impact direct sur les co ts de fabrication. Dans la forme de réalisation ci-dessus, la plaque en quart d'onde a été utilisée pour décaler les deux fonctions de réponse de telle sorte que l'inter- valle soit égal pour les pressions positives ou les pressions négatives. Si Iton ne doit mesurer que des pressions positives (ou négatives), on peut, par exemple, utiliser un élément biréfringent d'une épaisseur diffé- rente pour introduire un déphasage approprié entre deux composantes de polarisation. La référence angulaire de base pour le sys- tème est la direction le long de laquelle la force est appliquée au bloc photo-élastique 204. Le prisme 205 doit être orienté à 450 vis-à-vis de cette direction et les erreurs survenant dans cet alignement apparAû- tront sous forme d'erreurs dans les deux composantes d'intensité Les erreurs survenant dans l'alignement du polariseur 202 vis-à-vis de la plaque en quart d'onde 203 auront un effet semblable. Les erreurs survenant dans-les dimensions du bloc 204 ou dans son orientation auront pour effet de modifier la longueur i de ce bloc 204 et de modifier la constante de calibra- ge K, cependant que ces erreurs influenceront les deux intensités de manière égale et pourront être corrigées par calibrage. La forme de réalisation illustrée en figure 1 présente une limitation du fait que le câble à fibres optiques doit être continu car, si l'on emploie des connecteurs, la transmission de la lumière le long des fibres 111 et 113 changera chaque fois que la con- nexion sera rompue et rétablie. Cette restriction cons- titue un inconvénient sérieux dans bon nombre d'applica- tions et l'on peut y remédier de diverses manières. Une méthode consisterait à inclure un calibrage en ajoutant, aux circuits 115, l'option de mesurer les deux intensités à la pression zéro, pour corriger ensuite les lectures mesurées d'une valeur appropriée. Une méthode plus commode est illustrée en figure 3 dans laquelle deux diodes électroluminescentes 301 et 302 produisent de la lumière à des longueurs d'onde 31 et A 2 respectivement. Cette lumière est focalisée, par des lentilles 303 et 304, dans de courtes fibres qui transmettent la lumière à un coupleur optique 305 disponible dans le commerce et ayant deux sorties. Une de ces sorties va à un détecteur 306 à des fins de contrôle, étant donné que l'intensité d'entrée ne sera pas alors commune aux deux composantes de polarisation. L'autre sortie véhiculant la lumière incidente des deux fréquences passe à travers le connecteur 312, puis se dirige le long du câble 300 jusqu'à la lentille 201 via le connecteur 313. Les éléments optiques 201 à 205 de la tête de détection fonctionnent de la même manière que dans la forme de réalisation illustrée en figure 1. Toute- fois, à la sortie du prisme 205, des filtres 216 et 217 ne permettent le passage que de la lumière des longueurs 2492097- d'onde X1 et À 2 respectivement, cette lumière étant focalisée dans des fibres par des lentilles 206 et 207 comme décrit précédemment. Les deux faisceaux ayant des longueurs d'onde différentes sont combinés dans un coupleur 218 et ils sont renvoyés au détecteur 311 et aux circuits de traitement 315. Les circuits 315 se différencient des circuits 115 de la forme de réalisa- tion précédente du fait qu'ils règlent également le minutage des sources 301 et 302, ainsi que des détec- teurs 306 et 311, de telle sorte que la lumière des deux longueurs d'onde soit transmise en alternance à travers le système et que les mesures relevées aux détecteurs à la première fréquence soient mémorisées, puis combinées avec les mesures correspondantes à la deuxième fréquence pour obtenir le résultat. Bien que l'invention ait été décrite et illustrée en se référant à des formes de réalisation données à titre d'exemple, l'homme de métier comprendra que l'on peut y apporter les modifications, omissions et additions ci-dessus, ainsi que différentes autres sans pour autant se départir de l'esprit et du cadre de linvention. - 9 - REVENDICATIONS 1. Appareil pour le mesure des pressions, caractérisé en ce qu'il comprend: un milieu photo-eleastique (204) réagissant à une pression externe, un élément (121) dirigeant un faisceau de lumière le long d'un axe optique à travers ce milieu photo-élastique, un premier élément de polarisation (202) monté le long de cet axe optique en amont de ce milieu photo-élas- tique et orienté le long d'un axe de polarisation prédéter- miné, une plaque biréfringente (203) montée le long de cet axe optique entre ce milieu photo-élastique (204) et ce premier élément de polarisation (202), cette plaque ayant un axe orienté à 45 par rapport à cet axe de polarisation, un analyseur de polarisation (205) monté-le long de cet axe du faisceau en aval du milieu photo-élastique afin de résoudre la première et la seconde composante de po- larisation de la lumière émise par le milieu photo-élastique; un élément(111,113) en vue de transporter ces deux composantes de polarisation de la lumière vers un élément é- loigné de mesure, un élément (112,114) en vue de mesurer les intensi- tes de ces deux composantes de polarisation, et un élément (115) en vue de combiner ces deux inten- sités mesurées d'une manière prédéterminée afin de former une mesure de la pression extérieure appliquée au milieu photo-ëlastique. 2. Appareii suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément (12) destiné à diriger un faisceau de lu- mière et l'élément (111,113) destiné à transporter les compo- santes de polarisation sont constitués de fibres optiques. 3. Appareil suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la plaque biréfringente (203) est une plaque en quart d'onde. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'élément (121) destiné à diri- ger un faisceau de lumière est constitué d'un élément émettant un faisceau de lumière ayant une première et une deuxième - 10- longueur d'onde, tandis que l'élément (111,113) destiné à transporter les composantes de polarisation est constitué d'un élément (217,216) destiné à séparer la première co-inosante de polarisation à la première longueur d'onde, à séparer cette deuxième composante à cette deuxième longueur d'onde, ainsi qu'un élément (218) destiné à combiner, dans une seule fibre optique, la première et la deuxième composante de polarisation séparées. 5. Appareil en vue d'effectuer des mesures de pres- sion, caractérisé en ce qu'il comprend: un milieu photo-élastique (204) réagissant à une pression extérieure, un élément (201) destiné à diriger un faisceau de lumière à polarisation circulaire le long d'un axe opti- que à travers ce milieu photo-élastique, un analyseur de polarisation (205) monté le long de cet axe optique afin de séparer deux composantes linéaire- ment polarisées (composantes de polarisation) de la lumière émise par le milieu photo-élastique, un élément (311) en vue de mesurer les intensités de ces deux composatnes de polarisation, et un élément (315) en vue de combiner les deux intensités mesurées d'une manière prédéterminée pour former une mesure de la pression extérieure.