Brevet FR2591739A1 — publié le 19870619

- 1 - TRANSDUCTEUR OPTIQUE Cette invention concerne un appareil transducteur optique, comportant une source de rayonnement optique, émettant un rayonnement situé dans une première bande de longueurs d'ondes, ainsi qu'un détecteur optique qui reçoit le rayonnement de cette source. Cette invention concerne plus particulièrement les transducteurs pour détecter des déplacements en utilisant des moyens optiques. Les transducteurs optiques sensibles aux déplacements sont bien connus, et emploient généralement une source lumineuse et un récepteur (tels que ceux fournis par les extrémités d'une fibre optique), ainsi que des moyens permettant de varier la quantité de lumière tombant sur le récepteur en fonction de ces déplacements. Les moyens permettant de faire varier le rayonnement peuvent comporter un masque mobile ayant une ouverture de dimensions variables ou un filtre de densité neutre ayant une densité qui varie le long de la direction du déplacement. Ces transducteurs peuvent fonctionner d'une manière satisfaisante, pour autant que l'intensité du rayonnement tombant sur le récepteur ne varie pas pour une autre raison. Ainsi, chaque variation du rayonnement émis par la source lumineuse, telle que par exemple, celle due à une modification de la puissance d'alimenta- tion de la source lumineuse, est à l'origine d'erreurs de lecture importantes. Le but de la présente invention est de fournir un transducteur optique permettant d'éliminer les défauts mentionnés ci-dessus. Selon la présente invention, l'appareil transducteur optique du type spécifié ci-dessus, est caractérisé en ce qu'il comporte un filtre ayant une caractéristique de transmission essentiellement constante sur toute sa surface et qui varie substantiellement à l'intérieur d'une première bande de longueurs d'ondes, en ce que le filtre est disposé de manière à pouvoir se déplacer relativement au trajet du rayonnement entre la source et le détecteur, de manière à ce que le rapport entre le rayonnement incident sur le détecteur via le filtre et celui directement incident sur le détecteur varie en fonction de la position du filtre, en ce que le détecteur fournit des signaux de sortie en fonction de la quantité de rayonnement pour deux - 2 - 2591739 longueurs d'ondes différentes dans ladite première bande de longueurs d'ondes, et en ce qu'un comparateur compare les signaux de sortie auxdites deux longueurs d'ondes différentes, afin de déterminer la position du filtre relativement au trajet du rayonnement. Selon un mode de réalisation préféré, les longueurs d'ondes au-delà desquelles les caractéristiques de transmission du filtre varient substantiel- lement, sont de préférence localisées approximativement au milieu de ladite première bande de longueurs d'ondes, les deux longueurs d'ondes différentes étant localisées aux extrémités opposées de cette première bande. Le filtre peut être constitué par une partie seulement de la surface d'un substrat transparent neutre, ce substrat étant monté de manière mobile de sorte que la limite entre la surface transparente neutre et la surface filtrante se déplace à l'intérieur ou à l'extérieur du trajet effectué par le rayonnement entre la source et le détecteur. Cette limite peut être une ligne droite. Le détecteur peut comporter deux détecteurs séparés respectivement sensibles au rayonnement desdites longueurs d'ondes différentes. L'appareil transducteur optique peut comporter une première fibre optique, qui transmet le rayonnement de la source au filtre, ainsi qu'une seconde fibre optique qui transmet le rayonnement du filtre au détecteur. La seconde fibre optique peut être séparée en deux parties à son extrémité proche du détecteur, et chaque partie peut être respectivement associée à un détecteur différent. Le transducteur optique peut comporter un dispositif d'affichage qui indique une panne de la source quand le signal de sortie du détecteur en rapport avec la longueur d'onde qui fournit normalement le signal de sortie le plus puissant, tombe en dessous d'une valeur prédéterminée. Selon un mode de réalisation préféré, la source de rayonnement optique se compose d'une source unique qui peut être une diode photo-émettrice, utilisée à puissance réduite. L'appareil transducteur optique à déplacement selon la présente invention, sera décrit par des exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - 3 -2591739 La fig. 1 représente une vue schématique de l'appareil selon l'invention, la fig. 2 illustre une représentation graphique de la caractéristique de sortie de la source lumineuse de l'appareil et de la caractéristique de transmission du filtre de l'appareil, la fig. 3 est une vue en coupe selon la ligne 111-III de la fig. 1, montrant le filtre dans une position, les fig. 3A et 3B montrent le filtre dans ses positions extrêmes, la fig. 4 illustre une représentation graphique de la variation des signaux de sortie des détecteurs en fonction du déplacement du filtre, et les fig. 5 et 6 représentent d'autres types de filtres. En référence à la fig. 1, l'appareil transducteur représenté comprend une source lumineuse I qui fournit un rayonnement optique (qui peut être visible, infrarouge ou ultraviolet) à l'une des extrémités d'une fibre optique 2. L'autre extrémité de cette fibre 2 est placée en face d'une lentille collimatrice 3 qui émet essentiellement un rayonnement en faisceau parallèle incident sur une lentille similaire 4, située en face de l'extrémité d'une seconde fibre optique 5. Un ensemble filtrant 20 est disposé dans le faisceau, entre les deux lentilles 3 et 4, et est mobile dans une direction transversale par rapport au faisceau. Le rayonnement émis par l'autre extrémité de la seconde fibre 3, est fourni à deux détecteurs distincts 7 et 8. Ceci peut être obtenu au moyen de la fibre dédoublée, ou par tout autre moyen optique conventionnel. Les détecteurs 7 et 8 sont respectivement sensibles aux longueurs d'ondes I7 et t\8; leurs signaux de sortie sont traités comme des signaux électriques et envoyés à une unité de comparaison 9 qui fournit un signal de sortie à un dispositif d'affichage ou à tout autre moyen d'utilisation 10. En référence aux fig. 2 et 3, le signal de sortie de la source lumineuse 1 est représenté sur la fig. 2 par une ligne continue, sous la forme d'une bande à émission caractéristique relativement large. La caractéristique de transmis- sion de la partie filtrante de l'ensemble 20, étant représentée par une ligne discontinue, on remarque que la caractéristique de transmission change -4 - rapidement dans la région du pic d'émission de la source lumineuse 1. Les pics représentant la réponse des deux détecteurs 7 et 8 sont représentés par les deux flèches en abscisse. Celles-ci sont espacées l'une de l'autre sur les côtés opposés du pic d'émission de la source lumineuse 1, et par rapport aux pentes de la caractéristique de transmission du filtre 20. L'ensemble filtrant 20 a une forme circulaire, comnme le montre la fig. 3/ bien qu'il puisse être de n'importe quelle forme, et il est composé d'une plaque 21 en verre ou en n'importe quel substrat transparent ayant un revêtement filtrant 23 sur l'une de ses moitiés. L'autre moitié de la plaque 21 est de préférence transparente et neutre. la zone revêtue 23 ayant seule une caractéristique de transmission comme le montre la fig. 2. La limite 24 entre la zone filtrante et la zone neutre est une ligne droite. L'ensemble filtrant 20 est mobile tranversalement par rapport au faisceau lumineux et à la limite 24, entre les positions représentées par les fig. 3A et 3B, incluant celle représentée par la fig. 3. Sur les fig 3, 3A et 3B, la section du faisceau lumineux est représentée par un cercle 30 en traits interrom- pus. Dans la position extrême du déplacement représentée par la fig. 3A, le faisceau lumineux passe entièrement à travers la zone transparente de l'ensemble filtrant 20, alors que dans l'autre position extrême du déplace- ment, représentée par la fig. 3B, le faisceau lumineux passe entièrement à travers la zone 23 revêtue de matériel filtrant. Lors du déplacement entre ces deux positions extrêmes, la portion du faisceau filtré et non filtré varie. En référence aux courbes représentées par la fig. 2 ainsi qu'aux graphiques de la fig. 4, il est clair qu'il y aura très peu de changement de l'atténuation de l'intensité du rayonnement atteignant le détecteur 7, suite aux déplacements de l'ensemble filtrant 20, parce que le pic de réponse du détecteur 7 est placé dans une région à haute transmission du filtre. Cependant, étant donné que le pic de réponse de l'autre détecteur 8 est placé dans une région à faible transmission du filtre, l'intensité du rayonnement atteignant celui-ci variera beaucoup selon la portion du faisceau lumineux passant à travers cette zone filtrante 23 de l'ensemble - 20. La fig. 4 représente la différence entre l'intensité du rayonnement reçu pour deux longueurs d'ondes différentes À 7 et AS, pour différentes positions de l'ensemble filtrant. Les signaux de sortie des deux détecteurs 7 et 8 seront de ce fait identiques dans le cas de la position représentée par la fig. 3A, mais seront différents dans le cas de la position représentée par la fig. 3B. _5 _2591739 L'unité de comparaison 9 est sensible aux rapports des signaux de sortie des deux détecteurs 7 et 8 et, après un étalonnage approprié, ou une modélisation, produira au dispositif d'affichage 10 un signal de sortie, représentatif de la position de l'ensemble filtrant 20. La source lumineuse 1, peut être une diode photo-émettrice et, est de préférence alimentée à courant réduit, de sorte que les fluctuations marginales du courant, ne modifient pas sensiblement la longueur d'onde caractéristique de son signal de sortie. Une seule source de lumière est nécessaire, par opposition à certains systèmes antérieurs o des erreurs étaient possibles, en raison des variations différentielles des signaux de sortie des deux sources. Etant donné que le présent appareil dépend, pour la mesure des déplacements, des intensités relatives du rayonnement pour différentes longueurs d'ondes, les variations d'alimentation en courant, le fonctionnement de la source lumineuse, ou la transmission des fibres optiques, pourront affecter les intensités des deux longueurs d'ondes d'une manière pratiquement égale, ce qui aura peu d'effet sur le rapport des deux intensités. Ceci contraste avec les appareils existants, par exemple les appareils utilisant un filtre à densité neutre, ces appareils étant sensibles aux variations d'amplitude résultant de n'importe quelle autre cause. Dans les appareils existants, dans lesquels des déplacements extrêmes aboutissent à un signal de sortie ayant une intensité nulle ou quasiment nulle, il n'était pas possible de distinguer entre une mesure et une erreur de la source de lumière. Dans le présent appareil, du fait que l'intensité du rayonnement reçu par le détecteur 7 ne varie pas sensiblement avec le déplacement, le signal de sortie de ce détecteur est normalement le plus élevé. De ce fait, on peut contrôler une panne de la source en contrôlant le signal de sortie de ce détecteur, et on peut signaler la panne par le dispositif d'affichage 10 au moment ou le signal de sortie tombe en dessous d'une valeur prédéterminée. Cet appareil permet de mesurer le déplacement ou la position d'un objet d'une manière directe, en couplant l'ensemble filtrant à l'objet, ce qui peut être fait au moyen d'un engrenage ou d'une liaison mécanique quelconque. Cet appareil peut aussi être utilisé pour mesurer d'autres variables. Par exemple, la pression peut être mesurée en couplant l'ensemble filtrant à un manomètre ou à un diaphragme. La température peut être mesurée en couplant l'ensemble filtrant à un organe extensible, tel qu'une lame bimétallique. -6 - 2591739 L'ensemble filtrant 20 peut prendre d'autres formes que celles illustrées par les fig. 5 et 6. Sur la fig. 5, la limite 124, entre la région revêtue 123 et la région non revêtue de l'ensemble 120, est une ligne droite qui est inclinée dans le sens du déplacement du filtre: cela permet à l'ensemble 120 d'effectuer un trajet plus grand, entre ses deux positions extrêmes. La limite entre les parties revêtue et non revêtue, peut avoir un autre profil, par exemple, en forme d'escalier ou incurvée de manière à fournir le rapport voulu des signaux de sortie. La fig. 6 montre un ensemble filtrant rotatif 220, le faisceau lumineux étant atténué selon l'angle d'inclinaison de l'ensemble. Il n'est pas nécessaire d'utiliser deux détecteurs séparés pour détecter les rayonnements de deux longueurs d'ondes différentes. On peut par exemple utiliser un simple détecteur comprenant deux photodiodes disposées l'une sur l'autre. La photodiode du haut fournit un signal de sortie ayant une intensité correspondant au pic de l'une des longueurs d'ondes, et transmet le rayonnement de l'autre longueur d'onde à la photodiode du bas qui est sensible à cette longueur d'onde. Le signal de sortie du comparateur 9 peut être envoyé à n'importe quelle forme d'utilisation différente d'un dispositif d'affichage. Par exemple, si l'ensemble filtrant est déplacé en fonction de la température, les moyens d'utilisation peuvent être une unité de contrôle de la température. De nombreuses autres moyens d'utilisation peuvent être employés. -?7 - 2591739 Revendications 1. Appareil transducteur optique comportant une source de rayonnement optique émettant un rayonnement situé dans une première bande de longueurs d'ondes ainsi qu'un détecteur optique qui reçoit le rayonnement de cette source, caractérisé en ce qu'il comporte un filtre (23) ayant une caractéristique de transmission essentiellement constante sur toute sa surface et qui varie substantiellement à l'intérieur d'une première bande de longueurs d'ondes, en ce que le filtre (23) est disposé de manière à pouvoir se déplacer relativement au trajet du rayonnement entre la source (1) et le détecteur (7, 8) de manière à ce que le rapport entre le rayonnement incident sur le détecteur via le filtre et celui directement incident sur le détecteur varie en fonction de la position du filtre, en ce que le détecteur fournit des signaux de sortie en fonction de la quantité de rayonnement pour deux longueurs d'ondes différentes ( / 7 et A 8) dans ladite première bande de longueurs d'ondes, et en ce qu'un comparateur (9) compare les signaux de sortie auxdites deux longueurs d'ondes différentes, afin de déterminer la position du filtre (23) relativement a.u trajet du rayonnement. 2. Appareil transducteur optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les longueurs d'ondes au-delà desquelles les caractéristiques de transmision du filtre varient substantiellement, sont localisées approximati- vement au milieu de ladite première bande de longueurs d'ondes, et en ce que les deux longueurs d'ondes différentes (} 7 et ?8) sont localisées aux extrémités opposées de cette première bande. 3. Appareil transducteur optique selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le filtre (23) est constitué par une partie de la surface d'un substrat (21) neutre transparent, ce substrat étant monté de manière mobile, de sorte que la limite (24) entre la surface transparente neutre et la surface filtrante se déplace à l'intérieur ou à l'extérieur du trajet-effectué par le rayonnement entre la source et le détecteur (7, 8). 4. Appareil transducteur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que la limite (24) est une ligne droite. 5. Appareil transducteur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur comporte deux détecteurs - 8 - 2591739 séparés (7 et 8) respectivement sensibles au rayonnement desdites longueurs d'ondes différentes ( \ 7 et A 8). 6. Appareil transducteur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une première fibre optique (2) transmet le rayonnement de la source (1) au filtre (23), et qu'une seconde fibre optique (5) transmet le rayonnement du filtre (23) aux détecteurs (7, 8). 7. Appareil transducteur optique selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la seconde fibre optique (5) est séparée en deux parties à son extrémité proche du détecteur, et en ce que chaque partie est respecti- vement associée à un détecteur différent (7 et 8). 8. Appareil transducteur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu' il comporte un dispositif d'affichage (10) qui indique une panne de la source (1) quand le signal de sortie du détecteur (7) en rapport avec la longueur d'onde (A 7) qui fournit normalement le signal de sortie le plus puissant, tombe en- dessous d'une valeur prédé- terminée. 9. Appareil transducteur optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source (1) de rayonnement optique se compose d'une source unique. 10. Appareil transducteur optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que la source (1) de rayonnement, est une diode photo-émettrice et en ce que cette diode est utilisée à puissance réduite.