Brevet FR2557293A1 — publié le 19850628

2557293- Capteur de pression optique à compensation de tempé- rature. La présente invention concerne, d'une manière générale, un système optique pour la mesure de la pression et, plus particulièrement, un transducteur de pression réalisé en verre et comportant un dia- phragme qui subit une biréfringence induite par des contraintes, ce qui a pour effet de provoquer un dé- calage dans les fréquences de résonance à l'intérieur d'une boucle de guide d'ondes. Les tranducteurs de pression sont des dispo- sitifs qui sont utilisés pour contrôler les change- ments de pression. Un transducteur de pression fait partie intégrante d'un système de mesure de pression et il est disposé à un endroit o il est utile. Le transducteur de pression est contrôlé, ou interrogé, à 1 'aide d'un signal électrique, pneumatique0 hydraulique ou op- tique qui communique les variations de pression sur- venant à l'emplacement du transducteur. En raison de l'augmentation considérable de l'utilisation de guides d'ondes optiques, on a proposé des capteurs optiques de tous types. Par exemple, un guide d'on- des en fibre optique à plusieurs conducteurs réagis- sant à la pression est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4.295.738 accordé le 20 octo- bre 1981 aux noms de G. Meltz et al. et ayant pour titre "Fiber Optic Strain Sensor". Les changements de contrainte agissant sur le guide d'ondes optique sont déterminés par la mesure de l'intensité relative de la lumière émanant des conducteurs. On trouvera un intérêt particulier dans la lecture d'un article de Clifford G. Walker intitulé "Photoelastic and Electro-Optic Sensors", publié dans le volume 412,"Fiber Optic and Laser Sensors, Proceedins of SPIE" (1983) et dans lequel on décrit un accéléromètre à laser passif. La figure 1 illustre un résonateur annulaire dans un accéléromètre à laser comprenant une source laser à largeur de ligne très étroite dont le faisceau de sortie est divisé en deux faisceaux séparés que l'on fait passer à travers des cellules de Bragg séparées. Un polariseur fait tour- ner un faisceau de 90 et les faisceaux sont alors di- rigés vers un résonateur annulaire. La contrainte agissant sur le résonateur annulaire peut être mesurée en recherchant la différence de fréquence. Toutefois, il est à noter que le capteur optique suggéré par l'article de C. Walker n'implique pas l'utilisation -de la source non cohérente d'énergie optique à large bande pour mesurer le changement survenant dans la biréfringence due à la contrainte et associée à la dé- formationsous pression,d'pn diaphragme constitué d'une matière optique de haute qualité. Un objet de la présente invention est de fournir un système de mesure de pression comportant un transducteur de pression fabriqué à partir de ma- tières optiques en vue d'assurer une mesure de pres- sion précise et reproductible dans un large inter- valle de températures et dans des milieux ambiants hostiles tels que des liquides et des gaz corrosifs. Une caractéristique particulière du capteur de pression optique suivant la présente invention ré- side dans le transducteur de pression qui comprend un diaphragme central maintenu rigidement à son périmètre par un rebord formé d'une seule pièce. Une déformation du diaphragme par la pression agissant sur une face provoque une biréfringence due à la contrainte dans une boucle de guide d'ondes et, partant, un change- ment correspondant dans les fréquences de résonance induites par l'énergie optique émanant d'une source lumineuse d'une largeur-de ligne relativement grande telle qu'une diode à très grand rayonnement. Un autre aspect du capteur de pression opti- que suivant la présente invention réside dans le fait qu'un transducteur de pression fabriqué à partir d'un verre robuste et durable à faibles pertes est utilisé pour mesurer des changements de pression. Une boucle de guide d'ondes prévue sur une face d'un diaphragme subit une biréfringence induite par des contraintes et qui provoque un déphasage relatif dans les compo- santes de l'énergie lumineuse se propageant dans la boucle fermée. Un signal de sortie proportionnel à ce déphasage est engendré en couplant une petite par- tie de l'énergie optique de résonance à un guide d'ondes de sortie et à un détecteur optique qui analy- se la capacité spectrale de l'énergie optique. Les objets, caractéristiques et avantages précités de la présente invention, ainsi que d'autres apparaîtront plus clairement à la lecture de la des- cription ci-après de formes de réalisation préférées, donnée en se référant aux dessins annexés dans les- quels: la figure 1 est une vue agrandie en pers- pective illustrant les composants de base d'un sys- tème optique de mesure de pression suivant la pré- sente invention, cette vue montrant le transducteur de pression dont un segment est enlevé et qui comporte une boucle de guide d'ondes, ainsi que des guides d'ondes d'entrée et de sortie sur une face en bout; la figure 2 est une vue en coupe transversa- le uniquement du transducteur de pression illustré en figure 1, cette vue montrant le diaphragme incurvé sous la pression de manière quelque peu exagérée; la figure 3 est un graphique illustrant le décalage de fréquence différentiel de l'énergie opti- que résonnant dans la boucle de guide d'ondes située sur la face en bout du transducteur de pression; et la figure 4 est un graphique illustrant les différences entre les décalages de fréquence de réso- nance normalisés vis-à-vis du rayon de la boucle sur le diaphragme du transducteur de pression. On se référera tout d'abord à la figure 1 qui est une illustration simplifiée des composants principaux du capteur de pression optique suivant la présente invention. Un transducteur de pression 10 est localisé à l'endroit o les changements surve- nant dans la pression d'un fluide doivent être mesu- rés. A la partie centrale du transducteur 10, est prévu un diaphragme 12 comportant un rebord 14 formé d'une seule pièce et qui s'étend circonférentielle- ment autour du périmètre du transducteur de pression 10. Une face en bout 16 (la face supérieure comme illustré en figure 1) comprend une boucle de guide d'ondes 18 formée sur une surface en bout du diaphrag- me 12. Un guide d'ondes d'entrée 20 est également formé sur la surface en bout 16 du transducteur de pression 10 et, dans la forme de réalisation préférée, ce guide d'ondes s'étend depuis un point 22 situé sur le périmètre du rebord 14 en suivant la direction d'une corde jusqu'à un point 25 situé sur le côté opposé du transducteur,en passant par un point de transfert d'énergie 24 situé tangentiellement par rapport à la boucle de guide d'ondes 18. Sur la surface en bout 16, est également localisé un guide d'ondes de sortie 26 qui s'étend depuis un point 27 en suivant la direction d'une corde jusqu'à un point 30 situé au périmètre du rebord 14, en passant par un point de transfert d'énergie 28 qui est situé tangentiellement par rapport à la boucle de guide d'ondes 18. Le capteur de pression optique de la pré- sente invention comprend également une source opti- que 32 telle qu'une diode à très grand rayonnement ou une autre source optique à brillance spectrale et à demi-largeur de bande qui est localisée pour coupler l'énergie optique à travers l'extrémité 22 du guide d'onde d'entrée 20. On prévoit également un détecteur de fréquence 34 qui est localisé pour contrôler l'énergie lumineuse émanant de la face en bout 30. Ainsi qu'on l'expliquera ci-après plus en détail, le détecteur de fréquence 34 est un disposi- tif qui analyse la capacité spectrale de l'énergie lumineuse résonnant dans la boucle de guide d'ondes 18. La source optique 32 et le détecteur de fré- quence 34 peuvent éventuellement être disposés à un endroit éloigné, tandis que l'énergie optique peut être conduite vers et à partir du transducteur de pression 10 par des guides d'ondes optiques (non re- présentés). Un tel système est particulièrement souhaitable si les changements de pression doivent être mesurés dans un milieu ambiant hostile, par exemple, un milieu o règne une température élevée ou des fluides corrosifs. Ainsi qu'on l'appréciera, un aspect parti- culièrement important du capteur de pression optique suivant la présente invention concerne la façon dont le transducteur de pression 10 réagit à des change- ments de pression, de telle sorte que ces changements puissent être contrôlés avec précision par le détec- teur de fréquence 34. On se référera en outre à la figure 2 dans laquelle le transducteur de pression 10 est représenté en coupe transversale, le fléchisse- ment du diaphragme 12 étant exagéré pour des raisons de clarté. De préférence, le transducteur de pres- sion 10 est constitué d'une matière optiquement trans- parente appropriée pour la formation de guides d'ondes optiques à faibles pertes. Dans une forme de réali- sation préférée, le rebord 14 a une épaisseur nette- ment supérieure à celle du diaphragme 12, si bien que le périmètre de ce dernier est ancré rigidement autour de sa circonférence. Bien que le rebord 14 et le diaphragme 12 puissent être constitués d'élé- ments séparés, le procédé de fabrication pour une structure intégrée pourrait être moins coûteux et comprendre un plus petit nombre d'étapes. L'homme de métier comprendra qu'un aspect important de la présente invention réside dans la boucle de guide d'ondes 18 qui agit à la manière d'un résonateur optique, ainsi que dans le fait que les fréquences de résonance engendrées dans ce réso- nateur optique varient en fonction de la pression agissant sur le transducteur de pression 10. A ce stade de la présente spécification, il peut être uti- le de décrire la théorie et le fonctionnement d'un capteur de pression optique suivant la présente in- vention. Toujours en se référant aux figures 1 et 2, ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, la boucle de guide d'ondes est réalisée, par exemple, à la manière d'un guide d'ondes rectangulaire à un seul mode et à faibles pertes, en adoptant un des procédés bien connus de la technique antérieure, par exemple, par implantation ionique. Chaque fréquence de résonance entretenue dans la boucle de guide d'ondes 18 sera divisée en deux fréquences étroitement espacées cor- respondant aux modes de guide d'ondes de l'ordre le plus faible qui sont polarisés perpendiculairement et parallèlement à la largeur du guide. La séparation entre ces fréquences variera avec la pression, en raison de la biréfringence due aux contraintes. L'homme de métier comprendra que la boucle de réso- nance agit d'une manière semblable à celle d'un filtre optique en peigne avec une séquence de bandes passantes centrées sur les fréquences de résonance, conformément à l'équation suivante: fa,b = N c/nabL) N = 1, 2,. (1) o na et nb sont les indices de réfraction de phase..DTD: des modes perpendiculaire et parallèle respective- ment, L est la circonférence de l'anneau et N est l'ordre de résonance. Une charge symétrique et répar- tie uniformément appliquée sur le diaphragme aura pour effet de soumettre la boucle à une contrainte et de provoquer ainsi un décalage des bandes passantes. Le changement survenant dans les fréquences de réso- nance âfa et 6fb sera déterminé à la fois par la con- trainte radiale r et par la contrainte tangentielle Ce0. Il existe deux facteurs contribuant à provoquer le changement dans la longueur du parcours optique, l'un étant dû au changement survenant dans le périmè- tre de l'anneau et l'autre, à la biréfringence induite par les contraintes: fa/f = -(E0+6na/n) (2) 6fb/f = -(C0+6nb/n) (3) o f fa=fb ab n = na=nb Le changement survenant dans l'indice de réfraction est en relation avec les constantes photo-élastiques perpendiculaire p a et parallèle Pb de la boucle de guide d'ondes conformément aux équations:- 6na/n = (-n /2)Pa(Er+Ce) (4) 6nb/n = (-n 2/2)(Pbr+PaS (5) La théorie simple des plateaux montre que les contraintes superficielles engendrées dans le diaphragme 12 sont déterminées conformément aux équa- tions suivantes: 2 2 ú0 = 3P [l-(r/a)2 (6) Pa2t1)21 (7) Sr = 32D l-3(r/a Eo 3 D = Et 2 = rigidité à la flexion 12(1-v) t = épaisseur du diaphragme E = module de Young v= rapport de Poisson. Les constantes photo-élastiques pour la silice fondue dans la boucle de guide d'ondes 18 sont les suivantes: Pb = 0,126 Pa = 0,27 En utilisant ces valeurs et en substituant les équa- tions (6) et (7) aux contraintes dans les équations (2) et (3), on peut obtenir une estimation du décala- ge de fréquence de chaque mode, ainsi que de leur fré- quence différentielle résultante A: 6fa/f = -C.[0,426+0,148(r/a)2] (8) a âfb/f = -C.[0,579-0,311(r/a)2] (9) A/f = C.[0,153-0,459(r/a)2] (10) o C = (1/E) (3/8) (1-v2) P (a/t)2 = Pa2t(11) 32D (11) Le décalage de fréquence normalisé A/(fC) est repré- senté par une courbe en fonction de (r/a) dans le graphique de la figure 4. L'emplacement de la boucle de guide d'ondes 18 et le rapport d'épaisseur (r/a) doivent être choisis de telle sorte que le décalage de fréquence différentiel A n'excède pas la moitié de la région spectrale libre Afr entre les ordres de mode du filtre en peigne, tout en restant cependant suffisamment grand pour assurer un rapport signal/ bruit adéquat. Par exemple, si E = 10,4x106 psi, v = 0,17, a/t = 4 on a alors C = 5,6xlO- 7 P et Afr = cn2wr) = 3,3xlO9(r/1 cm) 1 Hz (12) f cA = 3xlO14 Hz (13) d'o A/Afr = 7,8xlO-3(a/1 cm) (r/a) (P/1 psi)[l-3(r/a)2] (14) (1 psi = 0,07 kg/cm) Si a = 0,5 cm et P = 100 psi, la condition re- quise IAI sant la boucle de guide d'ondes 18 à r/a est de 8,19 GHz et le décalage de fréquence différen- tiel maximum pour une pression de 100 psi (7 kg/cm2) est de--3,0 GHz. La largeur d'une seule ligne Sf' est déter- minée par la "finesse" du résonateur, laquelle est définie par l'équation: F = Afr/ f' (15) Si K est l'efficacité de couplage de puissance des coupleurs d'entrée et de sortie, j, la perte de cou- plage et y, l'atténuation du guide d'ondes (en déci- bels par unité de longueur), on a alors i F = 7w(1-K-I)2 exp (-nry/8,68) l1-(l-K-yZ) exp (-2wry/8,68) 16) et la transmission de crête au centre d'une bande passante est 2 T = _ K exp (-2nry/8,68) (17) [l-(l-K-t) exp (2ry/8,68)]2 Si l'atténuation engendrée dans le résona- teur annulaire 18 est de 0,01 dB/cm et que l'effica- cité de couplage de puissance, ainsi que les pertes de couplage d'entrée/sortie atteignent 1%, tandis que r=0,4 cm, K=1%, =1%, on a alors F=136 et T=0,19. La largeur de chaque bande passante pour ces paramè- tres est d'environ 60 MHz. La séparation à la pres- sion zéro entre les lignes est fonction des dimen- sions et de l'ouverture numérique du guide d'ondes encastré. Il peut être établi au moins un ordre de grandeur supérieur à la largeur de ligne. Par exem- ple, si l'ouverture numérique est de 0,1 et que le guide d'ondes a un rapport largeur/hauteur de 2:1, on a alors fa-fb = 500 MHz. La source optique 32 et le détecteur de fréquence 34 doivent avoir une lar- geur de bande suffisante pour englober au moins la séparation totale anticipée maximum entre les bandes, c'est-à-dire la séparation à la pression zéro plus la composante A dépendant de la pression. La boucle de guide d'ondes 18 sélectionne la largeur de bande d'entrée et présente, au détecteur 34, les lignes de résonance décrites ci-dessus. De nom- breuses paires de ces lignes peuvent résulter d'une source à bande très large, chaque paire présentant pratiquement la séparation de fréquences indiquée ci-dessus. Le détecteur 34 peut être une photodiode qui assure un mélange des lignes optiques incidentes pour fournir un signal électrique de sortie conte- nant cette fréquence de séparation. Un analyseur élec- tronique de spectre ou un fréquencemètre 35 judicieuse- ment filtré pour éliminer les composantes de fréquence se situant en dehors de la gamme intéressante, peut éventuellement mesurer ensuite directement la fré- quence de séparation qui est proportionnelle à la pression ainsi qu'on l'a décrit ci-dessus. Un aspect particulièrement important de la présente invention réside dans le fait que les mesu- res de pression effectuées par le transducteur de pression 10 sont essentiellement indépendantes des va- riations de température. Bien que la dilatation ther- mique puisse modifier sensiblement le périmètre de la boucle de guide d'ondes 18, il est entendu que ce changement agit de manière égale sur les deux polari- sations, si bien que les deux fréquences de résonance entretenues dans la boucle de guide d'ondes 18 sont décalées essentiellement de la même grandeur. Cela signifie que tout décalage de fréquence différentiel est sans rapport avec le changement survenant dans la température et qu'il est toujours principalement pro- portionnel au changement survenant dans la pression appliquée. Il est reconnu que le module de Young pour la matière dont est constitué le transducteur de pression 10 n'est que faiblement fonction de la tempé- rature; toutefois, aussi longtemps que l'intervalle de températures opératoires pour le transducteur de pression 10 n'est pas excessivement large, une préci- sion acceptable peut toujours être maintenue. On connaît différents procédés pour la fabri- cation du diaphragme 12 suivant la présente invention. Ainsi qu'on l'a mentionné précédemment, le substrat peut être formé à partir d'un verre de silicate alca- lin à faibles pertes tel que le silicate de sodium. Le résonateur annulaire 18, ainsi que le-guide d'ondes d'entrée 20 et le guide d'ondes de sortie 26 peuvent être formés par des techniques d'échange d'ions, en utilisant un masque de réserve de morsure sur la face d'échange du diaphragme 12, à l'exception de la fenê- tre d'échange. La matière du masque doit être imper- méable au cation d'échange et supporter la température d'échange; comme matières spécifiques pour ce masque, on mentionnera l'aluminium et le nickel. Le diaphrag- me masqué 12 est plongé dans un électrolyte fondu contenant le cation désiré. L'échange d'ions est effectué en appliquant un potentiel approprié en tra- vers de deux électrodes immergées dans l'électrolyte fondu dans lequel se trouve le diaphragme. Après l'échange, le masque peut être dissous dans un acide. Bien que le capteur de pression optique de la présente invention ait été illustré et décrit en se référant à une forme de réalisation préférée, l'homme de métier comprendra que diverses modifica- tions peuvent être envisagées tant dans la forme que dans les détails de l'invention, sans se départir de l'esprit et du cadre de cette dernière tels qu'ils sont définis dans les revendications ci-après. Par exemple, telle qu'elle est généralement illustrée, la boucle de guide d'ondes 18 prévue sur la face en bout du transducteur de pression 10 est située coaxia- lement sur le diaphragme 12. En fait, la boucle de guide d'ondes 18 pourrait être localisée en n'importe quel point de la face en bout du transducteur de pres- sion, pour autant qu'une biréfringence suffisante in- duite par les contraintes soit engendrée dans la bou- cle de guide d'ondes 18 en vue d'obtenir un décalage mesurable dans les fréquences de résonance. La sec- tion transversale de la boucle de guide d'ondes 18 ne doit pas nécessairement être généralement rectangu- laire comme illustré en figure 2, mais elle pourrait avoir une section transversale de n'importe quelle configuration, pour autant qu'une fréquence de réso- nance différente soit engendrée pour chaque polari- sation indépendante de l'énergie optique dans le guide d'ondes. En fait, la boucle pourrait être formée à partir d'une fibre optique à pression de polarisation, laquelle pourrait être liée à la surface du diaphragme. De plus, l'énergie optique d'entrée et de sortie ne doit pas nécessairement passer à travers des guides d'ondes d'entrée et de sortie 20 et 26 s'étendant dans le sens de la corde sur la face en bout 16 du trans- 1ucteur de pression 10, étant donné que l'énergie optique pourrait être acheminée à la boucle de guide d'ondes 18 et quitter celle-ci via d'autres moyens tels que des prismes étroitement espacés à proximité du sommet du guide d'ondes. REVENDICATIONS 1. Contrôleur de pression comprenant: un moyen réagissant à la pression, comprenant un diaphragme sur une surface duquel est disposée une boucle de guide d'ondes, ce diaphragme fléchissant sous la pression afin de provoquer une biréfringence induite par les contraintes dans la boucle de guide d'ondes; un moyen optique d'entrée disposé à proximité de la boucle de guide d'tondes en vue d'acheminer une énergie lumineuse dans cette dernière; et un moyen de sortie également disposé à proximité de la boucle de guide d'ondes en vue de conduire une partie de l'énergie lumineuse hors de cette dernière; de telle sorte qu'un décalage de fréquence diffé- rentiel ait lieu dans la réponse spectrale de l'éner- gie lumineuse résonnant dans la boucle de guide d'on- des à la suite de cette biréfringence induite par les contraintes, ce décalage étant proportionnel à la pression agissant sur le diaphragme. 2. Contrôleur de pression suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que le moyen d'entrée comprend un guide d'ondes d'entrée formé le long de la surface précitée du moyen réagissant à la pression, ce guide d'ondes d'entrée comportant un point qui est situé tangentiellement par rapport à la boucle de guide d'ondes et à travers lequell'énergie optique est acheminée dans cette dernière. 3. Contrôleur de pression suivant la reven- dication 1, c o m p r e n a n t é g a 1 e - ment une diode à très grand rayonnement destinée à engendrer une source d'énergie optique non cohérente à large bande qui coopère avec le moyen d'entrée. 4. Contrôleur de pression suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que le moyen de sortie comprend en outre un guide d'ondes de sortie formé le long de la surface précitée du moyen réagissant à la pression, ce guide d'ondes de sortie comportant un point situé tangentiellement par rapport à la boucle de guide d'ondes et à travers lequel une partie de l'énergie optique est conduite vers l'extérieur de cette boucle. 5. Contrôleur de pression suivant la reven- dication 4, comprenant également un détecteur de fré- quence disposé pour recevoir l'énergie lumineuse con- duite hors de la boucle de guide d'ondes via le guide d'ondes de sortie, caractérisé en ce que ce détecteur de fréquence analyse la répartition spectrale de l'énergie optique reçue afin d'identifier une fré- quence différentielle associée au décalage de fré- quence différentiel. 6. Contrôleur de pression suivant la reven- dication 1, caractérisé en ce que le moyen réagissant à la pression comprend un rebord rigide qui maintient rigidement la circonférence du dia- phragme. 7. Contrôleur de pression suivant la reven- dication 6, caractérisé en ce que le rebord p r é c i t é et le diaphragme sont formés d'une seule pièce à partir d'un verre à faibles pertes. 8. Contrôleur de pression suivant la reven- dication 7, caractérisé en ce que la boucle de guide d'ondes formée sur la surface en bout du moyen réa- gissant à la pression est réalisée par échange d'ions ou implantation ionique. 9. Système de mesure de pression à compensa- tion de température, comprenant: un moyen réagissant à la pression, comprenant un diaphragme sur une surface duquel est disposée une boucle de guide d'ondes, ce diaphragme provoquant une biréfringence induite par contrainte dans cette boucle de guide d'ondes en réponse à la pression agissant sur une de ses surfaces; une source disposée de façon à acheminer une énergie optique dans la boucle de guide d'ondes; et un détecteur de fréquence disposé pour recevoir l'énergie lumineuse conduite hors de la boucle de guide d'ondes; de telle sorte qu'un décalage de fréquence diffé- rentiel ait lieu dans la réponse spectrale de l'éner- gie lumineuse résonnant dans la boucle de guide d'on- des à la suite de cette biréfringence induite par les contraintes, ce décalage étant proportionnel à la pression agissant sur le diaphragme. 10. Système de contrôle de pression suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le moyen réagissant à la pression comprend un rebord qui est formé d'une seule pièce avec le périmètre du dia- phragme.