Brevet FR2495315A1 — publié le 19820604

La présente invention concerne un dispositif de mesure à fibres optiques destiné à la mesure de grandeurs physiques, consistant en un transducteur (G) et en une unité électronique d'évaluation (U), qui sont interconnectés par une seule fibre de conduction de la lumière, ce dispositif comprenant des moyens destinés à introduire dans la fibre la lumière provenant d'une ou de plusieurs sources lumineu- ses, et à diriger vers un ou plusieurs photodétecteurs la lumière qui sort de la fibre. De tels dispositifs comportent le risque d'appari- tion de réflexions aux jonctions et aux embranchements dans les fibres optiques, et la courbe d'étalonnage de l'appareil de mesure peut être affectée d'une manière désavantageuse. Le dispositif de mesure conforme à l'invention vise à résoudre ces problèmes ainsi que d'autres problèmes qui leur sont associés, et il est caractérisé en ce qu'il com- prend des moyens destinés à polariser la lumière provenant de la source lumineuse (ou de plusieurs sources lumineuses) et à polariser la lumière qui est dirigée vers le photodétecteur (ou les photodétecteurs), et la différence de direction de polarisation entre les deux éléments polarisants est choisie de façon que les réflexions à partir du système optique dans l'unité électronique d'évaluation (U) et aux emplacements adjacents à cette dernière soient plus ou moins bloquées par l'élément polarisant qui se trouve devant le photodétecteur. Ceci conduit à un dispositif de mesure optique comportant une seule fibre entre le transducteur et l'unité électroni- que d'évaluation, dans lequel les réflexions à partir de jonctions et d'embranchements sont atténuées par les polari- seurs, placés d'une manière appropriée. La source lumineuse est équipée d'un polariseur et, du fait que la direction de polarisation est également conservée sur un à quelques décimètres dans la fibre multimo- de, les réflexions dans les jonctions et les embranchements à proximité du polariseur consisteront en lumière polarisée et elles pourront donc être éliminées par un autre polariseur placé devant le détecteur. La lumière qui provient du capteur a été dépolarisée et elle est donc partiellement admise dans le détecteur. Cette structure du système optique permet d'utiliser des embranchements de mauvaise qualité et des jonctions dans des systèmes de mesure à fibres optiques pour des mesures d'absorption. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre de modes de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: La figure la montre un exemple de couplage confor- me à l'invention La figure lb montre l'utilisation d'un polariseur pour réduire les réflexions au niveau des joints de fibre; Les figures 2a-2d montrent différents spectres qui apparaissent dans le dispositif considéré; et La figure 3 montre un autre couplage conforme à l'invention. Un problème considérable dans l'utilisation de systèmes optiques à fibres pour la mesure de grandeurs ana- logiques consiste dans les réflexions qu'on ne peut pas maîtriser, au niveau des jonctions et des embranchements. La figure la montre un exemple d'un dispositif dans lequel ces problèmes sont résolus. La lumière provenant d'une diode électroluminescente 9, qui est attaquée par un amplificateur , est dirigée vers le transducteur (G) 1 par l'intermé- diaire du conducteur de lumière 5, de l'embranchement 4, de la jonction 3 et du conducteur de lumière 2. Le long de ce chemin, la lumière est réfléchie vers la fibre 6 au niveau de l'embranchement 4 et de la jonction 3, ce qui fait qu'un signal lumineux parasite apparaît dans les photodétecteurs 14 et 15 (dans les dispositifs de. l'art antérieur). La lumière qui atteint le capteur 1, dont le spectre de trans- mission est influencé par la grandeur qui est mesurée, est soumise à une atténuation fonction de la longueur d'onde sur son chemin dans la matière du capteur. Après réflexion contre une surface réfléchissante du côté arrière du capteur 1, la lumière est renvoyée dans le conducteur de lumière 2 et elle atteint les détecteurs 14 et 15 en passant par le contact 3, le conducteur de lumière 6 et les conducteurs de lumière 11 et 12. Le détecteur 15 détecte une partie du spectre lumi- neux à travers le filtre 13b tandis que le détecteur 14, qui est équipé du filtre 13a, détecte une autre partie du spectre lumineux. Après amplification des signaux des détecteurs, en 16 et 17, le quotient est formé en 18 et le signal de sortie obtenu constitue un signal de mesure insensible à une varia- tion de l'atténuation de la fibre 2, qui est appliqué au dispositif de présentation 19. Les figures 2a-2d montrent un exemple de la fonc- tion spectrale du système. La figure 2a montre le spectre d'émission de la source lumineuse 9, qui peut se présenter sous la forme d'une diode électroluminescente. Le capteur 1 a un spectre de transmission conforme à la figure 2b, sur laquelle la courbe en trait continu avec la longueur d'onde limite de transmission >1 correspond à une valeur xi de la grandeur qui est mesurée, et la courbe en pointillés avec la longueur d'onde limite ^2 correspond à la valeur x2. Pour la valeur xi, le spectre de la lumière issue du capteur 1 pré- sente une distribution conforme à la courbe en trait continu sur la figure 2c, et pour la valeur x2, la distribution correspond à la courbe en pointillés sur cette m9me figure. Le détecteur 14 détecte la partie gauche du spectre repré- senté sur la figure 2c et il est plus fortement influencé par le signal de mesure que le détecteur 15 qui détecte la partie droite du spectre. Pour réaliser cette division du spectre, le filtre optique n3a a la courbe de transmission T1 et le filtre 13b a la courbe de transmission T2, confor- mément à la figure 2c. Un problème qui se pose lorsqu'on mesure la dis- tribution spectrale de la lumière provenant du capteur 1 consiste en ce que les réflexions au niveau de l'embranche- ment 4 et de la jonction 3 ajoutent au spectre conforme à la figure 2c quelques pour cent de la lumière présente dans la fibre 5, ayant le spectre conforme à la figure 2a, ce qui a une influence sur la courbe d'étalonnage du dispositif de mesure. Pour éviter ceci, on monte un polariseur 7 (voir la figure la) entre la diode électroluminescente 9 et l'embran- chement 4, et on monte un autre polariseur 8 (voir la figure la) entre l'embranchement 4 et les détecteurs 14 et 15. En faisant tourner mutuellement les polariseurs 7 et 8, on peut plus ou moins neutraliser les réflexions provenant de l'em- branchement 4 et de la jonction 3. Du fait de la dépolarisa- tion qui se produit dans la fibre 2 et/ou le capteur 1, la lumière qui provient du capteur 1 est dépolarisée lorsqu'elle atteint le polariseur 8, ce qui fait qu'une par- tie de cette lumière peut traverser le polariseur 8. Si la direction de polarisation est conservée dans la fibre 2, le capteur 1 peut contenir une lame quart d'onde, un cristal biréfringent, ou toute autre configuration optique qui fait tourner la direction de polarisation, ou produit de la lumière en polarisation circulaire ou elliptique ou de la lumière non polarisée, grâce à quoi la lumière provenant du capteur 1 peut traverser partiellement le polariseur 8. Dans un tel cas, lorsqu'on utilise par exemple des fibres monomo- des, il peut y avoir des jonctions à n'importe quel endroit sur la fibre 2, et non seulement le plus près possible de l'embranchement 4. Pour réduire les réflexions provenant d'une jonc- tion sur la fibre qui se trouve à une distance du polariseur 7 suffisamment grande pour que la lumière soit dépolarisée (lorsqu'on utilise une fibre 2 dans laquelle la direction de polarisation n'est pas conservée sur de grandes distances), on peut utiliser une jonction spéciale 20 conforme à la figure lb. La lumière présente dans la fibre 2 traverse le polariseur 21 et L'élément 22 qui règle la direction de polarisation, avant d'atteindre l'espace d'air 23 dans le contact. L'élément 22 qui règle la direction de polarisa- tion soumet à une rotation totale d'environ 900 la lumière qui a traversé cet élément, qui a été réfléchie dans l'espace d'air 23 et qui a traversé à nouveau l'élément 22, ce qui neutralise les réflexions sur la jonction. Du fait que la lumière est dépolarisée sur son chemin allant du contact 20 vers le capteur 1 et retournant vers le contact 1, ou du fait que le capteur 1 contient un composant optique qui ren- voie à partir de ce capteur de la lumière polarisée de façon circulaire ou elliptique, la lumière provenant du capteur pourra toujours traverser dans une certaine mesure le polari- 24953 15 seur 21. Pour maintenir à un niveau faible et constant les réflexions aux transitions entre la fibre 2 et le polariseur 21 et entre le polariseur 21 et l'élément optique 22, on introduit un milieu d'adaptation d'indice 24. La figure 3 montre un dispositif de mesure un peu différent qui comporte des polariseurs pour éviter les réflexions dans le système optique. La diode électrolumines- cente 9, qui est attaquée par l'amplificateur 10, émet de la lumière d'intensité constante qui traverse le polariseur 7, le diviseur de faisceau 27, le contact 3 et la fibre 2, pour être dirigée vers le capteur qui consiste en un corps vibrant 25 qui est accouplé mécaniquement à un miroir 26. Une partie de la lumière est réfléchie par le miroir 26, elle est acheminée dans la fibre 2 vers le diviseur de faisceau 27 en passant par le contact 3 et elle est réfléchie par le diviseur de faisceau vers le polariseur 8 qu'elle traverse pour atteindre finalement le photodétecteur 14. Le diviseur de faisceau 27 peut également être construit de façon à avoir des propriétés polarisantes, auquel cas on peut suppri- mer les polariseurs 7 et 8. Le signal du détecteur contient une composante continue qui est une mesure de la position moyenne du miroir 26, et une composante alternative qui constitue le signal de vibration. La composante alternative est isolée par le filtre passe-haut 28 et la composante con- tinue est isolée par le filtre passe-bas 29. En formant en 18 le quotient entre les composantes alternative et continue, on obtient un signal alternatif qui est compensé vis-à-vis des variations de l'amortissement de la fibre optique et de l'émission de la source lumineuse. La figure 3 montre l'uti- lisation d'un diviseur de faisceau, à la place d'un embran- chement de fibres optiques. Les réflexions lumineuses au niveau du diviseur de faisceau lui-même, des surfaces d'extrémité de la partie de fibre 2a et de la surface d'extrémité de la fibre 2 dans le contact 3 sont éliminées par le polariseur 8, qui est réglé de façon à faire plus ou moins disparaître la lumière polarisée par le polariseur 7. La lumière qui résulte des réflexions dans le miroir 26 est dépolarisée dans la fibre 2 et elle n'est donc pas complète- ment bloquée par le polariseur 8. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure à fibres optiques, destiné à mesurer des grandeurs physiques, consistant en un transduc- teur (G) et en une unité électronique d'évaluation (U) inter- connectés par au moins une fibre de conduction de lumière (2), et comprenant des moyens (4, 5, 27) destinés à introdui- re dans cette fibre la lumière qui provient d'une ou de plu- sieurs sources lumineuses (9), et des moyens (6, 11, 12, 27) destinés à diriger vers un ou plusieurs photodétecteurs (14, 15) la lumière qui sort de la fibre, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (7, 8) destinés à polariser la lumière provenant de la source ou des sources lumineuses et à pola- riser la lumière dirigée vers le photodétecteur ou les pho- todétecteurs, la différence de direction de polarisation entre les deux éléments polarisants (7, 8) étant choisie de façon que les réflexions de lumière dans le système optique, essentiellement dans l'unité électronique d'évaluation (U) et à des emplacements adjacents à cette dernière, soient plus ou moins bloquées par l'élément polarisant (8) qui se trouve devant le ou les photodétecteurs. 2. Dispositif de mesure à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que des polariseurs supplémentaires (21) sont montés aux jonctions de la fibre de conduction de lumière (2), en compagnie d'éléments (22) destinés à régler la polarisation de telle manière que la lumière issue de l'unité électronique d'évaluation (U) et arrivant aux jonctions traverse tout d'abord le polariseur (21) et ensuite l'élément destiné à régler la direction de polarisation, cet élément faisant tourner la direction de polarisation d'environ 450, si bien que la lumière réfléchie au niveau des joints de la fibre est soumise à une rotation totale d'environ 900 et elle est ainsi meutralisée dans une certaine mesure par le polariseur (21). 3. Dispositif de mesure à fibres optiques selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un milieu d'adaptation d'indice (24) est introduit entre la fibre de conduction de lumière (2) et le polariseur (21) et entre l'élément (22) et le polariseur et/ou la fibre de conduction de lumière. 4. Dispositif de mesure à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à introduire de la lumière dans la fibre unique (2) et à extrai- re la lumière de cette fibre consistent en un embranchement de fibres optiques en Y (4, 5 et 6). 5. Dispositif de mesure à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens destinés à introduire de la lumière dans la fibre unique (2) et à extrai- re la lumière de cette fibre consistent en un diviseur de rayonnement (27). 6. Dispositif de mesure à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur mesurée influe sur le spectre d'absorption, le spectre de réflexion, le spectre de transmission et/ou le spectre de luminescence du transducteur (G), en ce que la source lumineuse (9) émet de la lumière dans une gamme de longueurs d'onde dans laquelle ces spectres d'absorption, de réflexion, de trans- mission et/ou de luminescence ont une limite, et en ce que la lumière qui retourne vers l'unité électronique d'évalua- tion (U) à partir de la matière du capteur est détectée par les photodétecteurs (14, 15) dans deux intervalles de lon- gueurs d'onde différents. 7. Dispositif de mesure à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que la grandeur qui est mesurée influe sur-le pouvoir de réflexion du transducteur (G), en ce que la valeur moyenne du pouvoir de réflexion constitue un signal de référence tandis que les variations du pouvoir de réflexion constituent un signal de mesure, et en ce que le signal qui provient du photodétecteur (14) est appliqué à des filtres électroniques (28, 29) pour extraire les signaux de référence et de mesure. 8. Dispositif de mesure à fibres optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transducteur com- prend des filtres optiques destinés à générer un signal de référence dans un intervalle de longueurs-d'onde et un signal de mesure dans un autre intervalle de longueurs d'onde, différent du premier.