Brevet FR2529350A1 — publié le 19831230

L'invention concerne les bagues collectrices, et plus particulièrement des bagues collectrices optiques. Des bagues collectrices classiques permettent le transfert d'électricité ou d'un signal électrique entre un dispositif tournant tel qu'un câbLe enroulé sur un tambour utilisé dans la diagraphie de puits, et un dispositif fixe tel que le géophone d'extrémité au cours d'une opération de diagraphie de puits. Une autre utilisation consiste à transmettre de l'énergie dans un manège, de l'unité centrale comprenant le dispositif d'entraRne- ment à moteur vers le dispositif tournant portant les chevaux de bois. Dans des bagues collectrices classiques, un balai peut être utilisé pour le transfert de l'électricité ou d'un signal électronique d'une source fixe vers la source tournante. Avec le développement récent des transmissions optiques, il est souhaitable de disposer d'un appareil et d'un procédé de transfert du rayonnement électromagné- tique entre un dispositif fixe et un dispositif tournant. Des exemples convenables d'uti.lisations d'une bague collectrice optique comprennent les instruments de turbines à grande vitesse, les signaux de plate-formes de guidage à inertie, les interfaces de signaux coque-tourelle de véhicules, les instruments de banc d'essai de moteur de manège, les interfaces radar-socle, les systèmes de saisie de données sismiques, les essais non destructifs d'oléoducs, les systèmes sous-marins de transmission, les couplages de rotors d'hélicoptères, les diagraphies de puits, etc. A la différence des bagues collectrices classiques, le rayonnement électromagnétique doit pouvoir être maintenu dans une position fixe pour le récepteur si l'on suppose l'utilisation de multiples sources d'émission, par exemple des fibres optiques, ou bien de multiples sources de rayonnement électromagnétique, par exemple des lasers. Cette contrainte complique la fabrication d'une bague collectrice optique. I1 est donc très souhaitable de disposer d'un appareil permettant l'émission ou la réception d'un rayol-nement électromagnétique entre un dispositif tournant et un dispositif fixe tout en maintenant l'incidence du rayonnement électromagnétique vers un point fixe entre les dispositifs.Il est également souhaitable de disposer d'une bague collectrice optique capable d'émettre et/ou recevoir sur des canaux multiples, c'està-dire surplus d'une paire de moyens d'émission et de réception. L'invention concerne un procédé et un appareil d'émission d'un ou plusieurs signaux de rayonnement électromagnétique provenant d'une ou plusieurs sources, entre un dispositif fixe et un dispositif tournant. L'invention utilise des moyens réfléchissants disposés entre le dispositif fixe et le dispositif tournant et réfléchissant le signal de rayonnement électromagnétique un nombre impair de fois, les mevens réfléchissants tournant à une vitesse angulaire qui établit un rapport constant avec la vitesse angulaire entre lesdits dispositifs. L'invention sera décrite plus en détail en regard du-dessin annexé à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lequel la figure 1 est une élévation d'une forme de réalisation de l'invention dans laquelle la bague collectrice optique est couplée à un câble optique à fibres à brins multiples la figure 2 est une vue en perspective éclatée d'une forme de réalisation de la bague collectrice optique de la figure 1 ; et la figure 3 est une vue en perspective éclatée d'une variante de la bague collectrice optique de la figure 1. Une forme de réalisation de l'invention est illustrée plus clairement sur la figure 1. Cette dernière représente un appareil 10 destiné à être utilisé dans des opérations sismiques ou de diagraphie de puits de pétrole et autres, ou bien dans d'autres applications utilisant un touret tournant qui porte un câble à fibres optiques. Plus particulièrement, l'appareil 10 comporte des supports 12 qui portent des paliers 14 dans lesquels un axe 6 est monté. Une bobine 18 est montée sur l'axe 16. Elle constitue une source tournante destinée à débiter et recevoir un câble 20 à fibres optiques. Le câble 20 contient une ou plusieurs fibres optiques 22 qui peuvent être connectées à des géophones, des équipements de diagraphie pour puits de pétrole ou des appareils optiques normaux de transmission, etc. Le câble 20 à fibres optiques est fixé à un côté d'une bague collectrice 30. Un procédé préféré de fixation consiste à faire passer le câble dans l'axe 16 et à le faire pénétrer dans la bague collectrice 30. Cette dernière est montée sur un support fixe 40 qui est relié à la base 12 ou à tout autre moyen convenable afin que la bague collectrice 30 soit maintenue en position. Les fibres optiques fixes, ou non tournantes 42 (non représentées), sont-logées dans le câble 44 qui est relié au côté fixe de la bague collectrice optique 30. La bague optique 30 est représentée plus clairement sur la figure 2. Elle comprend une source 32 de rayonnement électromagnétique. Dans cette forme de réalisation, la source 32 est constituée par l'extrémité d'une fibre optique 22 à l'extrémité opposée de laquelle se trouve une source de lumière. Des sources de lumière convenables comprennent des diodes électroluminescentes, ou des lasers à semi-conducteurs tels que des lasers à arséniure de gallium et autres. Des diodes électroluminescentes et des lasers convenables peuvent être acquis auprès de la firme Plessey Electronics, Grande-Bretagne, et de la firme Laser Diode Laboratories, New Jersey, respectivement. L'extrémité de la fibre optique constitue une source convenable lorsque l'application peut tolérer une perte importante d'énergie, de l'ordre d'environ 10 dB.Pour minimiser les pertes, une fibre optique ayant un diamètre d'environ 200 micromètres ou plus est préférée. La source 32 tourne avec la bobine 18. La vitesse de rotation, en tr/min, est désignée "w". Le rayonnement électromagnétique émis par la source 32 est focalisé en passant à travers une lentille 34a qui est conçue pour assumer la fonction d'une lentille de collimation focalisant une source en rayons parallèles. Des lentilles convenables sont des lentilles de collimation plan-convexes et biconvexes. Ces lentilles sont également appelées lentille plan-convexe hyperbolique et lentille bihyperbolique, respectivement. Une autre lentille qui convient est une lentille sphéro-elliptique. Une lentille de collimation biconvexe est illustrée sur la figure 2, en 34a. En variante, chaque source 32 peut comporter une lentille distincte 34a destinée à collimater le rayonne- ment électromagnétique qu'elle émet. Le rayonnement focalisé par la lentille 34a-est transmis à travers un réflecteur 36 tel qu'un prisme basculant ou prisme de Dove. Le rayonnement électromagnétique entrant par la face 36a est réfléchi sur la face 36b et sort par la face 36c. Le réflecteur doit réfléchir la lumière un nombre impair de fois et tourner à une vitesse établissant un rapport constant avec la vitesse angulaire de l'émetteur tournant 32. Le réflecteur est conçu de façon que sa dimension soit suffisante pour qu'il reçoive la totalité des signaux de rayonnement lectrosagnétique focalisés par le lentille et provenant de la source. D'autres exemples convenables de réflecteur comprennent un prisme K, un prisme de Pechan ou un prisme de Schmidt, etc. Le prisme K et le prisme de Schmidt produisent, respectivement, trois réflexions et cinq réflexions. En variante, les moyens de réflexion peuvent avoir la configuration des prismes 1, 3, 5, 7 et 9, illustrés dans "Applied Optics and Optical Engineering, volume III, intitulé "Optical Components", Chapitre 7, "Mirror and Prism Systems", section VI, Classification of Prisms , pages 302-303, Academic Press, New York, 1965, R. Kingslake, éditeur. Les moyens de réflexion peuvent également comprendre des miroirs incurvés, une combinaison de prismes et de miroirs toroïdaux, etc. Un prisme de Dove est préféré. Des prismes de Dove convenables peuvent être acquis auprès de la firme Melles Griot Company. Pour maintenir le signal électromagnétique en position fixe par rapport au récepteur 42, les moyens de réflexion tels que le prisme de Dove doivent tourner à une vitesse égale à w/2 par rapport à la vitesse de rotation de la source 32. La rotation peut être produite par un dispositif 38 à moteur et engrenage, ou bien tout engrenage réducteur classique (non représenté) qui coma mande la rotation du prisme à partir de la bobine tournante 18 et qui la réduit afin que le prisme 36 de Dove tourne à une vitesse égale à w/2. Le signal de rayonnement électromagnétique, qui sort de la face 36c du prisme 36, est focalisé vers l'ex trématé du récepteur 42 par une lentille 34b. Cette der nière est conçue pour focaliser des rayons parallèles vers un foyer situé sur le récepteur 420 Des lentilles convenables comprennent des lentilles convergentes plan convexes,bicorvexesr etc. Le récepteur 42 peut,en variante et de préférence, être constitué de photodiodes telles que des diodes P-I-N, des phototransistors, des tubes photomultiplicateurs, etc. Ces récepteurs nécessitent que le signal électrique gu'ils produisent soit de nouveau converti en un signal de rayonnement électromagnétique pour etre transmis à un câble 44 de fibres optiques.Une conversion convenable est décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amerique NO 174 974, déposée le 4 Aout 1980, et publiée comme demande de brevet européen NO 0 045 585. En variante, le signal électrique peut etre transmis au moyen d'un conducteur à un centre de traitement. Les moyens d7 émission et de réception sont de pré férence de même dimension. Cependant, ces dimensions sont limitées par l'angle de réception des moyens de réflexion. La figure 3 représente une variante de l'invention convenan-t aux applications dans lesquelles on ne peut tolérer d'importantes pertes dans une bague collectrice optique réalisant une transmission entre fibres. Cette forme de réalisation est préférée pour la plupart des applications. La source 52 est une diode électroluminescente ou un laser à semi-conducteur.la lumière provenant des fibres 22 arrive sur une photodiode et elle est convertie en un signal électrique qui est transmis à un amplificateur commandant la source 52 à diode électroluminescente ou laser. En variante, le signal peut être un signal électrique qui est converti en un signal de rayonnement électromagnétique par modulation de la source 52 afin d'être transmis par les moyens de réflexion. Le signal de rayonnement électromagnétique provenant de la source 52 est focalisé en rayons parallèles par une lentille 54a qui est représentée sous la forme d'une lentille de collimation plan-convexe. Ensuite, le signal de rayonnement électromagnétique entre dans les moyens de réflexion 56 par la face 56a, est réfléchi sur la face 56b et sort par la face 56c. Le prisme de Dove est mis en rotation à une vitesse de w/2, c'est-à-dire la moitié de la vitesse de la rotation de la bobine 18. Les moyens tournants 58 sont identiques aux moyens tournants 38 de la figure 1. Le signal de rayonnement électromagnétique sortant de la face 56c est focalisé sur le récepteur 62 par une lentille 54b qui est représentée sous la forme d'une lentille plan-convexe. Cependant, tout moyen de focalisa tion capable de focaliser des rayons parallèles sur le récepteur 62 convient. Pour élever au maximum la pureté du signal transmis, les lentilles sont de préférence conçues pour minimiser les diaphonies entre sources multiples. Dans cette forme de réalisation, le récepteur 62 est une photodiode, une photodiode à avalanche, une diode P-I-N, et autre. La photodiode convertit le signal électromagnétique en un signal électrique qui est amplifié par un amplificateur 66 connecté par un conducteur 68 à une diode électroluminescente ou un laser 70 qu'il commande. La lumière provenant de la diode électroluminescente ou du laser est renvoyée dans une fibre optique 74 pour être transmise. En variante, le signal électrique provenant de la photodiode 62 ou de l'amplificateur 66 peut être transmis au moyen d'un câble électrique normal. Un ensemble convenable à photodiode et diode électroluminescente est décrit dans la demande de brevet européen NO 0 045 585 précitée. Plus particulièrement, des circuits d'émetteur et de récepteur à fibres optiques, de types "SPX 4140" et "SPX 3620", respectivement, produits par la firme Spectronics Division of Honeywell, peuvent être utilisés. En variante, étant donné que la lumière est réfléchie un nombre impair de fois, c'est-à-dire 1, 3 ou 5 fois ou autres, l'image n'est retournée que dans un plan et, par conséquent, une optique supplémentaire normale (non représentée) peut être montée sur le côté du récepteur 62 afin d'inverser la rotation dans le plan de retournement. Une autre option consiste à inverser la source et le récepteur, c'est-à-dire que le récepteur tourne et la source est fixe. Dans une autre variante, les signaux électriques sont convertis en signaux de rayonnement électromagnétique afin d'être transmis à travers les moyens de réflexion.La bague collectrice optique peut être utilisée pour toute conversion d'un signal électrique en un signal électrique, d'un signal de rayonnement électromagnétique en un signal électrique, d'un signal de rayonnement électromagnétique en un signal de rayonnement électromagnétique, ou d'un signal électrique en un signal de rayonnement électromagnétique, à transmettre entre une source tournante et une source fixe. L'appareil selon l'invention, qui est peu volumineux et qui utilise des semi-conducteurs, permet de transmettre soit un signal électrique, soit un signal de rayonnement dlectromagnétique: d'une source tournante à une source fixe. La bague collectrice optique s'applique à tout domaine dans lequel un signal doit être transmis d'une source fixe à une source tournante. Elle permet le transfert de signaux multiples d'une source tournante vers une source fixe. A la différence d'une bague collectrice classique ayant une limite définie de fréquence de 30-40 mégabits ou 80 mégahertz, l'appareil selon l'invention n'est soumis à aucune limite supérieure de fréquence autre que celles des émetteurs, des récepteurs et des fibres optiques entrant dans la fabrication de la bague collectrice optique. REVEND ICAT IONS 1. Appareil de transmission d'un signal de rayonnement électromagnétique entre un dispositif tournant et un dispositif fixe, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un élément émetteur (32 ou 52) destiné à émettre des signaux de rayonnement électromagnétique, un premier élément (34a ou 54a) de focalisation destiné à focaliser les signaux de rayonnement électromagnétique provenant de l'élément émetteur pour produire des signaux à rayons parallèles, un second élément (34b ou 54b) de focalisation destiné à focaliser sur un foyer les signaux à rayons parallèles, un élément récepteur (42 ou 62) accouplé à chaque élément émetteur afin de recevoir le signal de rayonnement électromagnétique, cet élément récepteur étant placé au foyer du second élément de focalisation, et un élément (36 ou 56) de réflexion disposé entre le premier élément de focalisation et le second élément de focalisation et établissant un nombre impair de réflexions sur le trajet de transmission des signaux de l'élément émetteur vers l'élément récepteur, ledit élément de réflexion tournant à une vitesse angulaire qui établit un rapport constant avec- la vitesse angulaire (w) du dispositif tournant. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de réflexion est choisi dans le groupe comprenant un prisme de Dove, un prisme K, un prisme de Schmidt ou un prisme qui produit un nombre impair de réflexions internes en transmettant le signal de rayonnement électromagnétique. 3. Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier élément de focalisation est une lentille de collimation et le second élément de focalisation est une lentille convergente. 4. Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément émetteur est une diode électroluminescente, un laser à semi-conducteurs , une fibre optique ou des assemblages de ces éléments. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'élément récepteur est une diode P-I-N, un phototransistor, une photodiode à avalanche, une fibre optique ou des assemblages de ces éléments. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'élément de réflexion est un prisme de Dove. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que le prisme de Dove tourne à une vitesse w/2. 8. Appareil selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que liélément émetteur est monté sur l'extrémité de l'appareil associée au dispositif tournant et en ce que l'élément récepteur est monté sur l'extrémité de l'appareil associée au dispositif fixe 9. Appareil selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que l'élément récepteur est monté sur l'extrémité de l'appareil associée au dispositif tournant et en ce que l'élément émetteur est monté sur l'extrémité de l'appareil associée au dispositif fixe. 10. Appareil selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que les extrémités de l'appareil associées, respectivement, au dispositif fixe et au dispositif tournant comportent toutes deux un élément émetteur et un dément récepteur. 11. Appareil selon l'une des revendications 1 et 7, caractérisé en ce que les extrémités de l'appareil assocides sçectîvet au dispositif tournant et au dispositif fixe comprennent des =ai de câbles (20, 44) choisies panai des fibres optiques, es câbles électriques ou des assemblages de ces éléments. 12. Procédé de transmission d'un signal de rayonnement électromagnétique d'une source tournante à une source fixe, caractérisé en ce qu'il consiste à produire un signal de rayonnement électromagnétique, à focaliser ce signal en signaux à rayons parallèles, à faire passer le signal focalisé à travers un élément de réflexion (36 ou 56) qui produit un nombre impair de réflexions, à focaliser le signal de rayonnement électromagnétique sur un récepteur (-42 ou 62), et à faire tourner l'élément de réflexion à une vitesse angulaire qui établit un rapport constant avec la vitesse angulaire (w) de la source tournante. 13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'élément de réflexion est un prisme de Dove. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le prisme de Dove tourne à une vitesse égale à w/2. 15. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que le signal est d'abord focalisé au moyen d'une lentille de collimation !34a ou 54a), puis focalisé sur le récepteur au moyen d'une lentille convergente (34b ou 54b). 16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le signal de rayonnement électromagnétique est produit à la source tournante. 17. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le signal de rayonnement électromagnétique est produit à la source fixe. 18. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que le signal de rayonnement électromagnétique est produit aux deux sources et ces dernières reçoivent chacune un signal produit à la source opposée. 19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 16, 17 et 18, caractérisé en ce que plusieurs signaux de rayonnement électromagnétique sont produits.