Brevet FR2520504A1 — publié le 19830729

L'invention concerne un capteur de température à fi- bre optique comportant une substance fluorescente dont le temps d'amortissement de la fluorescence dépend de la tempérautre. Dans beaucoup de domaines de la technique et de la médecine, il est important de mesurer des températures à un endroit et de transmettre les valeurs mesurées à un autre en- droit pour l'interprétation et/ou la commande On pose le plus souvent les conditions suivantes: temps de réponse court, petites dimensions, résistance chimique et insensibilité aux perturbations Pour des mesures de température, on connaît de- puis longtemps par exemple des thermocouples; ils ne remplis- sent pas dans tous les cas les conditions ci-dessus car ils fournissent seulement des signaux de mesure de l'ordre du mil- livolt et par suite, sont sensibles aux perturbations,en particulier dans le cas de lignes longues. Ce sont les fibres optiques de verre qui offrent la plus grande possibilité de transmission insensible aux perturbations; c'est pourquoi il existe déjà par exemple des propositions de capteurs de température basés sur des fibres optiques On connalt des capteurs à fibre optique qui tirent parti de l'in- fluence de la température sur le temps d'amortissement de la fluorescence. Dans le brevet US 4 223 226, on décrit une disposi- tion qui mesure directement le temps d'amortissement de la fluorescence Le rayonnement d'excitation est amené sous la forme d'impulsions lumineuses et on mesure la diminution du rayonnement de fluorescence en amplifiant jusqu'à une valeur prescrite le signal qui existe au bout d'un temps défini après la fin de chaque impulsion lumineuse du rayonnement d'ex- citation et ensuite en mesurant (à amplification constante) le temps écoulé avant l'abaissement à une autre valeur pres- crite. Dans le brevet GB-AS 2 064 107, on décrit une disposi- tion qui mesure indirectement le temps d'amortissement de la fluorescence en mesurant le déphasage entre une excitation périodique et le signal de fluorescence au moyen d'un ampli- ficateur à verrouillage. Les deux dispositions ont des inconvénients: La mesure directe du temps d'amortissement est fortement influ- encée, quant à sa précision, par le bruit de fond Une mesure de phase est difficile et coûteuse si l'on veut l'exécuter avec une grande précision. C'est pourquoi l'invention a pour but d'indiquer une disposition qui, dans un capteur de température à fibre opti- que, mesure le temps d'amortissement du rayonnement de fluo- rescence avec des moyens réduits et une grande précision. Selon l'invention, le problème posé est résolu par le fait que le rayonnement de fluorescence est couplé en réac- tion au rayonnement d'excitation dans un circuit oscillant, par l'intermédiaire d'un système temporisateur, et que des moyens sont prévus pour mesurer la fréquence du circuit oscil- lant. Un mode d'exécution avantageux de l'invention est caractérisé par le fait que dans le circuit oscillant sont prévus un ou plusieurs amplificateurs et une régulation d'am- plification automatique pour la limitation d'amplitude. Il est particulièrement avantageux d'utiliser une matière fluorescente telle que par exemple Nd:YAG ou K 5 Nd Lî 2 F 10 qui peuvent être excitées par une diode à émission de lumière ou un laser à semi-conducteur, parce que ces sources lumineu- ses sont petites, engendrent peu de chaleur perdue et ne néces- sitent que des moyens réduits pour leur alimentation électri- que Comme récepteurs, des diodes PIN ou d'autres récepteurs semiconducteurs sont avantageux Toutefois, on peut aussi utiliser toutes les autres sources lumineuses et tous les au- tres récepteurs connus en photométrie ou en fluorométrie. D'autres aménagements de l'invention sont indiqués ci-après. Les avantages de l'invention, outre les moyens réduits et la haute précision, résident aussi dans le fait que la transmission du signal électrique de mesure n'est pas compli- quée et est peu sujette aux perturbations,puisque l'informa- tion est contenue seulement dans la fréquence. On explique plus précisément l'invention ci-après à propos des dessins sur lesquels: la figure 1 est un schéma par bloc de l'ensemble de la structure de l'appareil de mesure, la figure 2 montre un exemple d'exécution de la structure optique de l'appareil de mesure avec un diviseur de rayonsî la figure 3, un exemple d'exécution de la structure optique de l'appareil de mesure avec une fibre optique en Y, les figures 4 à 6, des schémas pour la réalisation des constantes de temps dans la partie électronique du circuit oscillant et les figures 7 à 10, des exemples d'exécution de la tête de mesure du capteur à fibre optique. Sur la figure 1, on a désigné par 1 la source du rayonnement d'excitation, par exemple un laser ou une diode à émission de lumière Ce rayonnement arrive -par des éléments optiques connus non représentés à la matière fluorescente 2. Le rayonnement de fluorescence engendré par celle-ci est con- duit par des éléments optiques connus et non représentés également - au récepteur 3, par exemple un récepteur à semi- conducteur Le signal électrique du récepteur est amplifié, un système temporisateur entrant en action de façon décrite plus loin, et il est à nouveau amené à la source de rayonnement 1. Par suite de ce couplage en réaction si certaines condi- tions sont remplies il se produit une oscillation auto- excitée dont la fréquence dépend du temps d'amortissement de la fluorescence de la matière fluorescente 2 Pour distinguer l'influence exercée sur l'amplitude et sur la phase par les parties électroniques du circuit oscillant, le système tempo- risateur et l'amplificateur sont indiqués par tes symboles séparés 4 et 5 Comme le montre la figure 1, dans un mode d'exécution avantageux, on compare l'amplitude instantanée à une amplitude de consigne 7 En cas d'écarts, une régulation d'amplification connue 6 augmente ou diminue le gain de l'am- plificateur 5 jusqu'à ce que l'écart disparaisse Par suite, l'amplitude de l'oscillation auto-excitée est maintenue à une valeur finie, de grandeur telle qu'il ne se produit pas de distorsionsnon linéaires notables dans l'amplificateur, dans la source de rayonnement et dans le détecteur On parlera plus précisément des moyens servant à influencer la phase par des systèmes temporisateurs en décrivant les figures 4 à 6. La mesure de fréquence, qui s'effectue de façon connue, et l'indication de température qui en est tirée sont indiquées sur la figure 1 par les blocs 8 et 9 réunies dans l'unité supérieure il. La figure 2 représente un exemple d'exécution de la structure optique On a désigné par la la source de rayonne- ment qui peut aussi être par exemple une lampe à décharge à gaz Le rayonnement qui en part est concentré par la lentille 21 en un faisceau approximativement parallèle qui traverse tout d'abord le filtre 22, qui laisse passerla gamme de longueur d'onde nécessaire à l'excitation de la fluorescence, mais est opaque au rayonnement de fluorescence,èIl peut en même temps inhiber le rayonnement calorique indésirable Le rayonnement d'excitation traverse alors le diviseur de rayons 23 et est couplé par la lentille 24 au début 25 a de la fibre optique 25. A la fin 25 b de la fibre optique 25 se trouve la substance fluorescente 2 dont le rayonnement de fluorescence est ramené par la fibre optique 25 et arrive, en passant par le diviseur de rayons 23, le filtre 26 et la lentille 27, sur le récepteur 3 Le filtre 26 ne laisse passer que le rayonnement de fluo- rescence Les dispositifs électroniques désignés par 10 et 11 sont identiques aux unités portant les mêmes références sur la figure 1 Il est avantageux de concevoir le diviseur de rayons 23 sous la forme d'un miroir dichrolque; ainsi, on tire un meilleur parti du rayonnement et l'effet des filtres 22 et 26 est renforcé de sorte que l'on peut même éventuelle- ment omettre l'un des filtres ou tous les deux. f La figure 3 montre un autre exemple de la structure optique On -utilise une fibre optique en Y, 31, qui permet une structure plus simple La source de rayonnement 1 peut être par exemple une diode a émission de lumière posée directement sur le début 31 a de la fibre optique 31 Quand la source de rayonnement n'émet pas de rayonnement ayant les longueurs d' onde du rayonnement de fluorescence, on peut se passer d'un filtre en cet endroit Le rayonnement d'excitation qui part de la source de rayonnement 1 arrive alors, par la ramifica- tion 31 d et l'extrémité 31 b de la fibre optique, à la matière fluorescente 2 Le rayonnement de fluorescence engendré en cet endroit est ramené par la fibre optique 31 Une partie du rayonnement de fluorescence retourne à la source de rayons par la ramification 31 d, et est ainsi perdue pour la mesure. L'autre partie du rayonnement de fluorescence ramené arrive au récepteur 3, par exemple à une diode PIN Par le filtre 26, il ne peut arriver sur le récepteur que du rayonnement de fluo- rescence. Dans les deux exemples d'exécution,on peut utiliser pour les fibres optiques aussi bien des faisceaux de fibres que des fibres individuelles Bien entendu, il est possible aussi de prendre des fibres optiques séparées pour les rayonnements d'excitation et de fluorescence Sur la figure 3, la ramification 31 d peut aussi se trouver tout près de la substance fluorescente 2. Selon un autre développement de l'invention, dans les deux exemples d'exécution, le filtre 26, qui est seulement transparent au rayonnement de fluorescence, peut être rempla- cé par un filtre seulement transparent au rayonnement d'excita- tion Cela est avantageux dans le cas o la fibre optique 25, 31 est si longue que, par suite du temps de propagation de la lumière, il s'y produise déjà un retard notable au point de vue de la précision de mesure Par une mesure avec le rayonne- ment d'excitation réfléchi sur la matière fluorescente 2, on peut, en partant de la fréquence ainsi déterminée, déterminer la longueur exacte de la fibre optique ou une grandeur de correction pour les mesures au moyen du rayonnement de fluo- rescence. Une possibilité de réalisation particulièrement simple du système temporisateur est représentée par la figure 4 Le système C-R a pour constante de temps C = RC ( 1) Pour l'ensemble du circuit oscillant, on obtient ainsi une fréquence (de circuit): ( 2) 0 X 11 dans laquelle est le temps d'amortissement de la fluorescence. Pour la sensibilité, c'est-à-dire pour la variation relative de la fréquence rapportée à la variation relative du temps d'amortissement de la fluorescence, on a 2 ( 3) c'est-à-dire que la sensibilité est indépendante de la fréquence ou indépendante du dimensionnement du système temporisateur. L'amplification nécessaire a un minimum o la fonction dite d'amplitude a un maximum, c'est-à-dire là o le rapport signal- bruit est le plus favorable Pour la fonction d'amplitude y, on a y -2 ( 4) c'est-à-dire que le maximum de la fonction d'amplitude se situe à r 1/o =cz et qu'elle a alors la valeur 1 Ce cas n'est naturellement pas réalisable ni intéressant pour la pratique. Pour Z 1/ r O = 1, on-a y= 0,5 Une augmentation de r 1/ r au delà de la valeur 2 ne procure plus guère d'avantage de sorte que pour le dimensionnement, les valeurs avantageuses de'ri se situent au voisinage de t et au dessus. La figure 5 montre une autre possibilité de réali- sation du système temporisateur sous la forme d'un pont à ro- tation de phase dont l'avantage, dans l'exécution symétrique ici représentée, est qu'il donne une tension de sortie double et qu'il est donc plus avantageux pour le rapport signal-bruit. Conformément à ce qui a été dit à propos de la figure 4, on a: 1 = R'C' ( 5) ú O 1 + 2 1 ( 6) Zo du X/ç = 1 1 d 00 2 d ( 7) d O/ "O 2 1 2 1 1 + O 1 Q Y ( 8) -1 Ainsi, dans ce cas, la sensibilité dépend aussi du dimension- nement du système temporisateur Pourtl/t O =o O, la fonction d'amplitude donne à nouveau la valeur maximale y = 1; pour cette valeur, la sensibilité atteint aussi la valeur maximale de -1/2 Ce cas, à nouveau, n'est pas réalisable, ni intéres- sant pour la pratique Pour 1/ = 0,5, on a y = 1/3 et la sensibilité = -0, 25 Pour /Do = 1; on a y = 0,5 et la sensibilité = -1/3 Une augmentation de r 1/ O au delà de la valeur 4 ne procure plus guère d'avantage de sorte que la gamme la plus avantageuse pour le dimensionnement, en pareil cas compte tenu en outre des raisons indiquées ci-après - se situe à des valeurs 1/ t O supérieuresà 0,5. La figure 6 représente, comme dernier exemple d'exécution de la réalisation du système temporisateur, un double système RC qui est découplé par un amplificateur inverseur On a: t 1 = R 1 C 1 ( 9) t 2 = R 2 C 2 ( 10) = O O + 1 l + ' 2 ( 11) V 2 d X 4 Cc 1 0 I = _ _ ( 12) LI + '-2 Une analyse montre que, si t est donné, le plus avantageux est de choisir ' V 2 On a ainsi y 1 102 ( ( t O ( 13) +> (i ++ _) O Dans cet exemple, il existe pour là fonction d'ampli- tude y une valeur maximale, pour 'Cl = 2 t 2 = ?:,O pour laquelle y = 178 et Ca = %Fi/ i La sensibilité possède à nouveau pour = = C> sa valeur maximale (pour laquelle y = 1), de sorte 1 2 que la gamme de dimensionnement la plus avantageuse se situe à des valeurs de -C/ Co supérieures à 0,5. Pour tous les systèmes temporisateurs cités, la valeur de la constante de temps dépend critiquement des composants. Par suite, il est nécessaire d'utiliser des composants parti- culièrement stables qui aient, soit seuls soit en combinaison, un coefficient de température suffisamment petit Il est pos- sible aussi d'utiliser des circuits de compensation appropriés, ou d'introduire les composants dans un petit thermostat, ainsi qu'il est connu dans la technique des semiconducteurs. Pour limiter l'influence de variations des propriétés du système temporisateur sur la fréquence de l'oscillation, il est avantageux de ne pas choisir la constante de temps V 1 notablement plus grande que le temps d'amortissement r O de la fluorescence A côté de la sensibilité et de la fonction d'am- plitude, c'est là un autre critère dont il a été tenu compte dans les gammes de dimensionnement indiquées ci-dessus Bien entendu, au lieu d'un système temporisateur, on pourrait aussi utiliser plusieurs systèmes temporisateurs, ce qui peut être avantageux pour l'exécution technique. Sur les figures 7 à 10, on a représenté quelques exem- ples d'exécution de la tête de mesure du capteur à fibre optique Sur les quatre figures, l'extrémité de la fibre optique est désignée par 71, le coeur de la fibre optique par 72, la gaine de la fibre optique par 73 Sur les figures 7 à 9, la matière fluorescente est désignée par 2 comme sur les figures 1 à 3 Il est avantageux d'appliquer un miroir 74 sur l'ex- trémité libre de 2 Celui-ci réfléchit aussi bien le rayonne- ment d'excitation que le rayonnement de fluorescence Par sui- te, on peut diviser à peu près par deux la longueur de la ma- tière fluorescente Sur les figures 7 à 9, la substance fluo- rescente 2 est reliée à l'extrémité 71 de la fibre optique par une couche de ciment 75 qui n'a pas besoin d'être aussi épaisse qu'on l'a représentée, pour plus de clarté Sur la figure 8, on utilise un tronçon de fibre optique 81 muni d'un coeur fluorescent Sur la figure 9, la substance fluorescente est gainée d'une matière à moindre indice de réfraction de sorte qu'à la transition, il se produit une réflexion totale. Dans tous les cas, le diamètre de la matière fluorescente est avantageusement égal au diamètre du coeur de la fibre, de sorte qu'elle joue le rôle de guide d'ondes La matière fluorescente peut aussi avoir la forme représentée par la figure 10, qui est celle d'une perle 95 revêtue d'une matière réfléchissante 96 Cela est particulièrement avantageux lors- que, dans la fabrication, on part d'une matière liquide La matière liquide peut être, soit une matière fluorescente fon- due, soit une suspension de particules fluorescentes dans un milieu inerte Dans tous les cas, le capteur peut être revêtu d'une enveloppe appropriée, pour la protection mécanique. Comme substances de la tête de mesure, on peut envisa- ger, en premier lieu, les matières fluorescentes suivantes: des cristaux ou des verres, contenant un ou plusieurs éléments du groupe des terres rares, à l'état incorporé stoechiométri- quement ou sous forme de dopant, en particulier tous les borates, tétraphosphates et pentaphosphates de terres rares En outre, on peut envisager des cristaux ou des verres contenant un ou plusieurs éléments de la série des métaux de transition (comme Cr, Fe, Co, Ni), à l'état incorporé stoechiométriquement ou sous forme de dopant Les substances suivantes sont particu- lièrement avantageuses: Nd:YAG (grenat yttrium-aluminium dopé de néodyme), K 5 Nd Li 2 F 10 (fluorure de néodyme, potassium et lithium), Nd A 13 (BO 3)4 (borate de néodyme et d'aluminium), Nd P 5014 (pentaphosphate de néodyme), Li Nd P 4012 (tétraphosphate de néodyme et de lithium), Be A 1204:Cr 3 + (alexandrite) ou Lu(Allx Crx)3 (BO 3)4 (chromoborate de lutétium). Lorsqu'on utilise le miroir 74 décrit plus haut à l'extrémité de la matière fluorescente, on donne avantageu- sement à celle-ci ne longueur telle que quelques % du rayon- nement d'excitation retournent à la fibre après deux passages. Par suite, on obtient un optimum entre des dimensions aussi petites que possible et une grande sensibilité Avec les subs- tances indiquées ci-dessus, on obtient ainsi des longueurs deO 3 à quelques mm et des volumes de l'ordre de 1 m 3. de 100 jam à quelques mm et des volumes de'l'ordre de 1 mm. REVENDICATIONS 1 Capteur de température à fibre optique compor- tant une substance fluorescente dont le temps d'amortissement de la fluorescence dépend de la température, caractérisé en ce que le rayonnement de fluorescence est couplé en réaction au rayonnement d'excitation dans un circuit oscillant, par l'intermédiaire d'un système temporisateur ( 4) et que des moyens ( 8) sont prévus pour mesurer la fréquence du circuit oscillant. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que dans le circuit oscillant sont prévus un ou plusieurs amplificateurs ( 5) et une régulation automatique d'amplifica- tion ( 6) pour maintenir l'amplitude constante. 3 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour le système temporisateur ( 4) est prévu un sys- tème C-R (figure 4) dont la constante de temps se situe au voisinage du temps d'amortissement de la fluorescence ou au dessus. 4 Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour le système temporisateur ( 4) est-prévu un pont à rotation de phase (figure 5) dont la constante de temps est supérieure à 0,5 fois le temps d'amortissement de la fluo- rescence. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que pour le système temporisateur ( 4) est prévu un dou- ble système R-C (figure 6) qui est découplé par un amplificateur inverseur (OP), dont la constante de temps est supérieure à 0,5 fois le temps d'amortissement de la fluorescence. 6 Capteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que la substance fluorescente ( 2) est un cristal ou un verre contenant un ou plusieurs éléments du groupe des terres rares ou un ou plusieurs éléments de la série des métaux de transition, à l'état incorporé stoechiométri- quement ou sous forme de dopant. 7 Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que la substance fluorescente ( 2) est Nd:YAG (grenat yttrium-aluminium dopé de néodyme), K 5 Nd Li 2 F 10 (fluorure de néodyme, potassium et lithium), Nd A 13 (BO 3)4 (borate de néodyme et d'aluminium), Nd P 5014 3 3 4 5 14 (pentaphosphate de néodyme), Li Nd P 4012 (tétraphosphate de néodyme et de lithium), 3 + Be A 1204:Cr (alexandrite) ou Lu(All x Crx) 3 (BO 3)4 (chromo- borate de lutétium). 8 Capteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour l'amenée du rayonnement d'excita- tion à la substance fluorescente ( 2) et pour le retour du rayonnement fluorescent sont prévus une fibre individuelle commune ou un faisceau de fibres commun ( 25) et un diviseur de rayons ( 23), 9 Capteur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que pour l'amenée du rayonnement d'excita- tion à la substance fluorescente ( 2) et pour le retour du rayonnement fluorescent sont prévus une fibre individuelle commune à ramification en Y, ou un faisceau commun de fibres ( 31) à ramification en Y ( 31 d). Capteur selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le filtre ( 26) disposé devant le récep- teur ( 3) et transparent seulement au rayonnement de fluo- rescence peut être remplacé par un filtre transparent seule- ment au rayonnement d'excitation.