Brevet FR2591330A1 — publié le 19870612

La présente invention concerne un capteur optoélectronique de position et déplacement du type consistant à mesurer, par l'intermédiaire de fibres optiques servant de sonde et relies à des photo émetteur et détecteurs, le rapport des puissances lumineuses réfléchies par une cible. Les capteurs optiques connus n'utilisant pas de fibres, par exemple les capteurs à déplacement d'image de spot lumineux, présentent l'inconvénient d'un encombrement de la sonde qui contient le détecteur, et en conséquence une limitation de la gamme de température de fonctionnement. Les capteurs à fibres optiques connus, permettant la mesure precise des distances, demandent soit une réflectivité constante de la cible soit une bonne uniformité de la réflectivité de la cible. C'est le cas, par exemple, des capteurs respectivement décrits dans la revue "Instruments et Control Systems" de juin 1967 et dans le brevet américain 4.358.960 En effet, dans ce dernier type de capteur, on utilise les signaux provenant de deux fibres décalées pour effectuer leur rapport.De la sorte l'énergie lumineuse reçue par ces deux fibres provient nécessairement de zones de la cible qui ne se recouvrent pas entièrement et les signaux reçus resteront donc dépendant de l'uniformité des facteurs de réflexion de la cible. Un autre inconvénient du capteur à fibres décalées provient du fait que la lumière arrivant sur la fibre en retrait des autres fibres risque d'être partiellement occultée par ces autres fibres, à moins d'écarter latéralement ces fibres en retrait ; ce qui limite sérieusement la zone de mesures précises. Pour éliminer ces inconvénients, le capteur selon l'invention se caractérise en ce qu'il comprend un détecteur optique unique, captant la lumière réfléchie, émise par deux émetteurs optiques distincts et de caractéristiques physiques différentes. A cet effet, deux fibres ou groupes de fibres sont utilisés à l'émission de manière à illuminer différemment la cible en fonction de sa distance à la sonde. Les trois fibres,ou groupes de fibres, pourront se terminer sur le même plan en utilisant des fibres d'ouverture numérique nettement différentes pour les deux émettrices et une ouverture numérique plus faible que les deux émettrices pour la ou les fibres réceptrices. C'est ainsi que les deux émetteurs sont respectivement reliés à deux fibres optiques dont les ouvertures numériques sont différentes, la fibre d'ouverture numérique la plus grande étant celle de plus faible diamètre. La différenciation des émetteurs peut aussi être obtenue soit par des fibres optiques de diamètre différents soit par des fibres d'ouvertures numériques différentes. Dans tous les cas, les fibres émettrices et réceptrices sont au contact les unes des autres et leurs faces de sortie sont dans un même plan. I1 est bien évident que chaque fibre peut être remplacée par un groupe de fibres identiques entre elles, la différenciation se faisant alors au niveau de chaque groupe. Toutes les fibres pourrront être juxtaposées dans la sonde. Dans le cas de fibres réceptrices multiples, elles seront groupées pour aboutir sur un élément détecteur unique, diode PIN ou phototransistor ce qui éliminera tout effet de variations des caractéristiques de détecteur, en température ou en vieillissement. Le rayonnement lumineux reçu par l'extrémité de la fibre réceptrice (ou les fibres réceptrices) sur la sonde aura son origine à l'intérieur de la zone de la cible illuminée en commun par les deux fibres émettrices. I1 en résulte que le signal détecté pour les deux émissions correspondra toujours à la même zone de la cible, donc à la même réflectivité. En conséquence, comme il est explicité ci-après, les signaux reçus correspondant aux deux émissions ont des intensités différentes et ce dans un rapport qui est indépendant de la réflectivite de la cible, des variations des caractéristiques du détecteur et même des puissances émises par les sources, ordinairement des diodes LED, pourvu que leur rapport soit constant. Le dessin annexe, illustre, à titre d'exemple, divers modes de réalisations conformes à la présente invention. La figure 1 illustre la disposition la plus simple de la sonde constituée par la terminaison des fibres optiques. Trois fibres d'ouverture numériques différentes sont juxtaposées. La figure 2 est une construction développée des rayons lumineux au bord de l'ouverture numérique des extrémités des fibres. Les figures 3, 4 et 5 représentent des variantes de disposition de fibres permettant d'augmenter le rapport des puissances lumineuses. La figure 6 est un exemple de réalisation de capteur optoélectronique selon l'invention. Tel que représenté, figure 2, nous trouvons successivement dans l'ordre des ouvertures numériques décroissantes 0,4 - 0,3 - 0,2 : en 1 la fibre émettrice El de fort diamètre, en 2 la fibre émettrice E2 de faible diamètre, en 3 la fibre réceptrice également de relativement faible diamètre. En effet, nous voyons sur la figure 2 que la fibre réceptrice 3 doit être située le plus près possible des fibres émettrices pour obtenir une zone de recouvrement des faisceaux lumineux sur la cible pour une distance-xs de la sonde à la cible la plus faible possible.La mesure pourrait être effective depuis la distance xebeaucoup plus faible, mais de à X La distanceX,n'est fonction que des diamètres de la fibre réceptrice et des ouvertures numériques. I1 est aisé de démontrer que le rapport pu /P des puissances reçues, issues des fibres émettrices 1 et 2 après réflexion sur la cible 4 est de la forme P;; Pr rL /f Px r où P, et Pt sont les puissances rayonnées par les fibres 1 et 2,r1 et rt les rayons de coeurs des fibres 1 et 2. a, et a 2 les pentes des rayons extrêmes issus des fibres 1 et 2 et x la distance de la sonde à la cible 4. La relation (1) montre que le rapport des puissances reçues P2/P1 variera d'autant plus avec la distance à mesurer x, que sera différent de 1. étant déjà supérieur à 1 par construction geometrique, il sera donc avise de choisir r D'autre part, le rapport P2/P1 pourra être augmenté en utilisant plusieurs fibres identiques à 2, placées également à proximité de 1 et 3 pour ne pas augmenter sensiblement la distance de bonnes mesures minimum,x1, de telles dispositions sont illustrees par les fugres 3 et 4. Une considération importante réside dans la limitation de la distance de mesure par la faiblesse de la puissance reçue la plus atténuée, soit P2 En effet, dans le capteur de la figure 1, avec une cible diffusante et des fibres 1 de 0,4 mm de diamètre de coeur, des fibres 2 et 3 de 0,2 mm de diamètre de coeur, on aura pour = 20 mm. Il sera donc avantageux de multiplier le nombre de fibres emettrices telles que 2 à forte ouverture numérique et le nombre de fibres réceptrices pour augmenter la puissance reçue. Ces facteurs peuvent même etre pratiquement plus important que celui du diamètre de la fibre émettrice telle que 1 à faible ouverture numérique. D'où les montages de la sonde pratiques des figures 3,4 et 5. Avec la sonde de la figure 3, seule la fibre réceptrice 3 est répétée en 6 et les distances relatives ne sont pas modifiées. De la sorte le signal Pz est doublé sans modification de la distance minimum de bonne mesure tFqui sera également de 3 mm dans cette réalisation. Avec le montage de la figure 4, la fibre émettrice 2 est répétée quatre fois, de même que la fibre réceptrice 3. La puissance reçue PL est ainsi multipliée par 16, la mesure de distance sera possible de 3,5 mm à environ 40 mm avec des puissances émises P1 et P2 de l'ordre du milliwatt. Dans le montage de la figure 5, la fibre émettrice 1 a le même diamètre que la fibre émettrice 2, ce qui diminue le rapport P2/Ps . Cependant, la puissance Pt est doublée. Les performances seront semblables à celles du montage de la figure 3, bien que celui-ci comporte 7 fibres au lieu de 4, il pourra cependant être préféré pour des raisons d'homogénéité mécanique. D'autres dispositions de fibres sont possibles tout en restant dans le cadre de l'invention, lorsqu'il s'agit d'un capteur ayant une fibre ou groupe de fibres réceptrices à faibles ouverture numérique associé à deux fibres ou groupes de fibres réliés à deux émissions distinguables par un traitement du signal en sortie d'un récepteur unique : les deux fibres émettrices ayant respectivement des ouvertures numériques nettement différentes et plus grandes que celle de la fibre réceptrice.Une autre variante de la réalisation de la sonde consiste à utiliser une seule fibre constituée d'un coeur central pour l'émission 1 et de deux coeurs annulaires concentriques pour la réception 3 et l'émission 2. Le traitement du signal ne comporte pas de difficultes particulières. L'organe de réception est unique, ici une diode PIN, et les signaux émis en 1 et 2 devront être discriminés soit dans le temps en émettant alternativement dans 1 et dans 2 et en synchronisant la réception sur ces temps d'émission soit par des modulations à des fréquences différentes émises en 1 et 2 qui seront séparés dans la chaîne d'amplification par deux filtres à bande passante étroite centrée respectivement sur ces deux fréquences t soit encore par l'émission en 1 et 2 de deux rayonnements de longueurs d'ondes différentes discriminés en réception par des filtres colorés à bande passante étroite. Le traitement du signal que nous décrivons maintenant est le plus simple, il est relatif à la modulation par deux fréquences différentes, tel que représenté figure 6. Un oscillateur local 13 injecte un courant sinusoidal à la fréquence F1 = 200 KHZ se superposant à un courant continu traversant la diode électroluminescente (DEL) 15. De même un autre oscillateur local 14 à la fréquence F2 = 340 KHz module le courant continu envoyé dans la DEL 16 ce même courant modulé pourra traverser plusieurs diodes DEL telles que 17... en série pour exciter plusieurs fibres émettrices E2. Les diodes DEL sont parcourues par des courants de même amplitude et elles sont montées sur un même support de faible résistance thermique, elles seront donc à des températures très voisines. De la sorte, même en étant alimentées par des courants peu régulés en température, et malgré la baisse de rendement lumineux des LED avec la température, le rapport des puissances émises P2/P1 restera constant. Le vieillissement des LED étant peu marqué, et s'effectuant sensiblement de manière identique pour des LED identiques parcourus par des courants égaux, P2/P1 restera constant dans le temps et il ne sera que très rarement nécessaire de ré-étaloner le capteur. La fibre réceptrice, ou les faisceaux de fibres réceptrices regroupées, sera dirigé sur une diode PIN de détection 18. La tension aux bornes de cette diode comportera ordinairement une composante continue de plusieurs millivolts superposée à la modulation, d'une amplitude variable avec la distance x de la sonde à la cible. Cette tension de modulation sera comprise entre 0,5 et 20 mv à l'entrée de l'amplificateur 19 qui aura un gain de 25. La sortie de 19 sera alors adressée en parallèle à- deux filtres à bande passante étroite qui permettront de séparer les signaux reçus correspondant aux fréquences d'émission F1 et F2. Ces filtres 20 et 21, par exemple constitués de la manière la plus simple par des résonateurs LC de coefficient de surtension Q = 100, fourniront réciproquement une atte- nuation de 40 décibels sur le signal à l'autre fréquence, ce qui est suffisant pour une précision de l'ordre dew de la distance mesurée. Les filtres sont placés entre des amplificateurs ayant des gains de 5, filtres 22, 23,24,25. La constante de temps de détection est alors de ltordre de 160 s ce qui assure une mesure correcte pour un déplacement de la cible relatif à la sonde de 0,5 mm à une vitesse de 3 m/s. Les sorties des amplificateurs 23 et 25 sont connectées à des circuits de détection d'amplitude éventuellement synchronisée sur des oscillateurs 13 et 14. La sortie des détections correspond aux puissances reçues et et P: . En ajustant le gain des amplificateurs nous obtenons et en permettant de fanure varier le gain d'un des amplificateurs, par exemple 25, nous pouvons a3us- ter la gamme de mesure. Des circuits electroniques 26 connus dans l'état de l'art, effectuent l'extraction de la racine carré5t, soit de manière analogique dans notre exemple, soit de manière digitale. Un circuit auxiliaire 27 constitué par un circuit intégré connu, du type amplificateur de lecture, délivre un signal d'alerte lorsque la différence d'amplitudes entre une alternance positive à F1 et l'alternance négative suivante est trop importante, ce qui traduit l'arrivée d'un parasite lumineux brusque. Les parasites lumineux plus lents seront éliminés par les filtres. Un autre traitement du signal consisterait à ne faire émettre les LED 1 et 2 qu'à des temps alternés avec un temps mort entre chaque impulsion. I1 faudra alors mettre en mémoire l'amplitude P détectée pour effectuer le calcul P et et . Le temps de mise en mémoire sera bref pour pouvoir effectuer une comparaison avec le niveau continu de détection et éliminer l'influence des parasites de lumières brusques, ce qui demande des commutateurs analogiques performants. Les besoins en amplification du signal sont identiques au cas précédent, mais le traitement sera mieux adapté a un système digital avec emploi d'un microprocesseur, le calcul et la linéarisation seront alors effectués, avec avantage, par accès à une table enregistrée en mémoire. I1 faut également citer la possibilité de n'employer qu'une source de lumière associé à deux modulateurs ou interrupteurs. Si ces derniers ne varient pas dans le temps le système devient tout à fait indépendant des variations de la source aussi bien que de celles du détecteur. Ceci serait le cas d'un ifliterrupteur de lumière mécanique ( miroir vibrant ou tournant par exemple) mais le temps de réponse en serait grandement affecté. REVENDICATIONS 1 - Capteur optoélectronique de position et déplacement du type consistant à mesurer, par l'intermédiaire de fibres optiques servant de sonde et reliées à des photo émetteur et détecteurs de lumière, le rapport des puissances lumineuses réfléchies par une cible, caractérisé en ce qu'il comprend un détecteur optique unique captant la lumière réfléchie, émise par deux émetteurs optiques distincts, de caractéristiques physiques différentes. 2 - Capteur selon revendication 1 caractérisé en ce que la fibre réceptrice (R) a une ouverture numérique inférieure à celle des fibres émettrices (El, E2). 3 - Capteur , selon revendication 1, caractérisé en ce que les deux émetteurs sont respectivement reliés à deux fibres optiques (El, E2) dont les ouvertures numériques sont différentes, la fibre d'ouverture numérique la plus grande étant celle de plus faible diamètre. 4 - Capteur, selon revendication 1 caractérisé en ce que les fibres optiques sont de diamètres différents. 5 - Capteur, selon revendication 1, caractérisé en ce que les fibres optiques sont toutes de même diamètre mais ont des ouvertures numériques différentes. 6 - Cateur, selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les fibres émettrices (El, E2) et réceptrices (R) sont au contact les unes des autres et leurs faces de sortie sont dans un même plan. 7 - Capteur, selon l'une des revendication 2 à 5, caractérisé en ce que chaque fibre est remplacée par un groupe de fibres identiques entre elles.