Brevet FR2596513A1 — publié le 19871002

DISPOSITIF A FIBRES OPTIQUES POUR LE CONTROLE A DISTANCE DE LA POSITION D'UN ORGANE L'invention a pour objet un dispositif comprenant des fibres optiques de liaison aboutissant à un capteur analogique pour contrôler à distance la position d'un organe. On connait déjà des dispositifs de contrôLe à distance utilisant des fibres optiques com me moyen de liaison entre un poste de contrôle et un capteur numérique associé à un organe dont on veut connaitre la position ; ces tels dispositifs utilisent un grand nombre de fibres optiques parce que la définition de la position de L'organe contrôlé se fait par un codage numérique. On sait aussi que toute Liaison optique s'accompagne d'un affaibLissement de l'énergie transmise en raison des pertes et des dispersions dues aux fibres optiques elles-mêmes et aux composants optiques de raccordement tels que les connecteurs ou Les coupleurs optiques. Le but principal de l'invention est de parvenir à un dispositif à fibres optiques de contrôle à distance de La position d'un organe éliminant l'influence de toutes les pertes du dispositif optique à savoir, é m etteurs, connecteurs, fibres et récepteurs, tout en utilisant un nombre de fibres optiques de liaison notablement réduit en comparaison des dispositifs classiques. L'objet de l'invention est donc un dispositif à fibres optiques pour le contrôle de la position d'un organe comprenant : un un poste de contrôle, un capteur éloigné du poste de contrôle et relié audit poste de contrôle par une liaison optique, le capteur étant associé à L'organe contrôlé, caractérisé en ce que le poste de contrôle comprend:: - des moyens d'émission d'un premier et d'un second signal optique séparé par un intervalle de te m ps st, - des moyens de réception du premier et du second signal optique, cependant que le capteur comprend un élément de mesure mobile relié fonctionnellement à L'organe contrôlé pour se déplacer avec ce dernier et ayant une première et seconde fenêtre optique à atténuation variable en fonction de leur position qui sont disposées en sens inverses L'une par rapport à L'autre, et que La liaison optique comprend à partir des moyens d'émission une premiére fibre optique et une seconde fibre optique, ces deux fibres optiques ayant chacune à partir du capteur une paire de branches optiques de retour, L'une des branches optiques de retour de chaque paire revenant directement par une troisième fibre optique aux moyens de réception, L'autre des branches optiques de retour de chaque paire passant par une fenêtre optique respective avant de revenir aux moyens de réception par une quatrième fibre optique, Le poste de contrôle comprenant également des moyens de traitement 6 reliés aux moyens d'émission et aux moyens de réception aptes à faire Le calcuL M1 - M2 M1 + M2 A partir du montage défini ci-desus, tes moyens d'émission envoient simulta- nément un signal à un instant t et à un instant t + # t.A L'instant t l'un des récepteurs reçoit un signal R2 et L'autre récepteur un signal R3 ; à L'instant t + # t l'un des récepteurs reçoit un signal R'2 et L'autre récepteur un signal R'3. Les signaux R2 et R'2 sont ceux qui ont emprunté les branches de retour direct ; les signaux R3 et R'3 sont ceux qui ont emprunté les branches de retour à travers les fenêtres optiques à atténuation variable en fonction de leur position ; its sont atténués en comparaison des signaux R2 et R'2 et leur atténuation dépend de la position de L'élément mobile. A L'aide de moyens de traitement reliés fonctionnellement aux récepteurs, or calcule facilement le rapport suivant : R3 R R'3 R2 R'2 qui qui équivaut à M1 - M2 R3 + R'3 M1 + M2 R2 R'2 M1 et M2 étant le facteur de transmission respectif des fenêtres optiques à la position qu'elles occupent. Ainsi qu'on l'expliquera plus loin en détail, le dénominateur M1 + M2 a une valeur constante par suite de la position inversée des fenêtres optiques à atténuation si l'on suppose que L'état du milieu environnant ne s'est pas modifié entre L'instant t et L'instant t + 4 t. Dans ces conditions La valeur du numérateur R1 - M 2 est directement en rapport avec la position de l'élément de mesure mobile donc avec celle de L'organe contrôlé. Quand le numérateur est nul (M1 = M2) l'élément de mesure mobile et L'organe contrôlé occupent une position centrale de part et d'autre de laquelle ils peuvent se déplacer. Entre un instant T1 et un instant T2 éloignés dans le temps, L'état de l'envi- ronnement peut changer, principalement la température, ce qui modifie, entre autres, la sensibilité des récepteurs et les pertes dans Les fibres opti ques ; Les pertes dans ces dernières varient aussi en fonction de la fréquence. Ainsi qu'on l'expliquera plus Loin en détail, le dispositif de l'invention élimine l'influence des variations de L'environnement sur la détermination de la position de l'organe contrôlé, dans une ga m me de températures allant de - 551 C à + 90. C. Ce résultat appréciable s'obtient, en pratique, avec quatre fibres optiques seulement s'étendant, pour deux d'entre elles entre les moyens d'émission du poste de contrôle et le capteur et pour les deux autres entre le capteur et les moyens de réception du poste de contrôle. Avantageusement, selon une première variante de réalisation, Les moyens d'émission comprennent deux émetteurs optoélectroniques émettant respectivement un premier et second signal optique séparé par un intervalle de temps t, et selon une deuxième variante de réalisation, les moyens d'émission comprennent un émetteur du type Y actif à deux sorties émettant un signal optique respectivement sur une sortie, séparé par un intervalle de tempst. Avantageusement, le capteur comprend deux paires de deux têtes fixes disposées dans chaque paire de part et d'autre d'une même fenêtre optique de L'élément de mesure mobile et montées coaxiale ment L'une par rapport à L'autre définissant ainsi une ligne optique traversant la fenêtre optique correspondante, une tête de chaque paire envoyant les rayons lumineux co m posant le signal optique paraLLèLe ment à sa ligne optique, L'autre tête de chaque paire focalisant les rayons lumineux parallèles du signal optique reçu. Pour bien faire comprendre l'invention, on donnera maintenant sans intention limitative et sans exclure aucune variante, une description d'un exemple préféré de réalisation. On se reportera aux dessins annexés dans Lesquels : - la figure 1 est une vue générale schématique du dispositif conforme à l'invention selon une première variante de réalisation des moyens d'émission, la liaison optique entre le capteur et le poste de contrôle n'étant repré senté que partiellement, - la figure 2, est une représentation schématique d'une deuxième variante de réalisation des moyens d'émission, - la figure 3, est une représentation schématique d'un premier mode de réalisation de L'élément de mesure mobile, - la figure 4, est une représentation schématique d'un second mode de réalisation de l'élé ment de mesure mobile dans lequel les fenêtres optiques sont des fentes. Selon la figure 1, un poste de contrôle 1 comprend des moyens d'émission E et des moyens de réception R à deux récepteurs optoélectroniques 2,3. Selon une première variante de réalisation, les moyens d'émission E ont deux émetteurs optoélectroniques 4,5 émettant respectivement un signal optique El, E2 avec une longueur d'onde identique ou différente de préférence dans le domaine proche de l'infra-rouge. Les récepteurs et émetteurs optoélectroniques ne seront pas décrits plus amplement puisqu'il sont connus et peuvent être facilement mis en oeuvre par l'homme de l'art. Par exemple, les émetteurs optoélectroniques sont des diodes électroluminescentes ou des diodes laser et les récepteurs optoélectroniques des photodiodes. Selon une deuxième variante de réalisation (figure 2), les moyens d'émission E ont un seul émetteur 40 du type Y actif émettant un signal optique El, E2 respectivement sur une des deux sorties 41, 42 de l'émetteur 40 : ce dernier est connu en soi et est du type électro-optique ou électro-acoustique. Des moyens de traitements 6 sont connectés aux moyens d'émission E et de réception R afin d'assurer d'une part Leur com mande et d'autre part le traitement des signaux reçus par les moyens de réception R. Le poste de contrôle 1 est éloigné d'un capteur 7 qui est asservi à un organe 8 dont on veut connaître à tout moment La position exacte. Le capteur 7 est relié au poste de contrôle 1 par liaison optique 9 composée de quatre fibres optiques 9A à 9D. Un émetteur optoélectronique 4,5 (ou une sortie 41,42 de L'émetteur 40) et un récepteur optoélectrornque 2,3 sont reliés respectivement par une fibre optique (9A, 9B, 9C, 9D)- à un connecteur 10 qui fait partie du capteur 7. Le capteur 7 comprend aussi un élément de mesure mobile 11 à deux fenêtres optiques 12,13 dont la nature et la disposition sont expliquées plus loin. Ces fenêtres optiques 12,13 débouchent sur chacune des faces opposées 14,15 de l'élément de mesure mobile 11 et définissent une même plage de mesure P. A chaque fenêtre optique 12,13 est associé deux têtes fixes 16, 16' disposées respectivement de part et d'autre des deux faces opposées 14,15 de l'élément de mesure mobile 11. Les deux têtes fixes 16, 16' d'une fenêtre optique sont montées coaxiale ment l'une part rapport à l'autre définissant une ligne optique 0, O' traversant la fenêtre optique correspondante quelle que soit la position de l'organe contrôlé 8. Une tête fixe 16, 16' comprend une fibre amorce respectivement d'émission 17 et de réception 17' et une lentille 18 à gradient d'indice située entre Les fibres amorces 17, 17' et une face de L'élément de mesure mobile 11. La tête fixe 16 envoie Le signal optique provenant de La fibre amorce d'émission 17 sous forme d'un flux de rayons lumineux parallèles et la tête fixe 16' focalise ces rayons lumineux parallèles au coeur de la fibre amorce de réception 17'. Le capteur 7 comprend également quatre coupleurs 19, 20, 21, 22 du type Y passif : ces coupleurs sont connus ; un coupleur 19, 20, 21, 22 est relié au connecteur 10 respectivement à une fibre optique 9A, 9B, 9C, 9D et donc respectivement à un émetteur 4,5 optoélectronique (ou à une sortie 40,41 de L'émetteur 40) et à un récepteur 2,3 optoélectronique. Les coupleurs 19, 20 reçoivent un faisceau lumineux et le divise en deux faisceaux Lumineux émergents : ces coupleurs 19,20 seront appelés par la suite respectivement premier et deuxième coupleur diviseur. Les coupleurs 21, 22 reçoivent deux faisceaux lumineux et Les regroupent afin de former un seul faisceau lumineux émergent : ces coupleurs 21, 22 seront appelés par la suite premier et deuxième coupleur additionneur. Ces différents coupleurs 19-22 sont connectés par fibre optique d'une part au connecteur 10 com me il est décrit ci-dessus et d'autre part aux têtes fixes de la manière suivante : un coupleur diviseur 19, 20 est réuni respectivement à une fibre amorce d'émission 17 et au premier coupleur additionneur 21 ;le deuxième coupleur additionneur 22 est relié aux fibres amorces de réception 17'. Du fait de ce montage, un coupleur diviseur 19, 20 reçoit respectivement un flux lumineux El, E2 et chaque flux Lumineux El, E2 est partagé en deux faisceaux Lumineux (par exemple sensiblement egaux) définissant ainsi une paire de branches optiques de retour (B, B') respective. Une partie du flux lumineux El, E2 est transmis directement à un récepteur optoélectr- onique 2 via le premier coupleur additionneur 21, L'autre partie du flux lumineux El, E2 traverse respectivement une fenêtre optique 12, 13 pour aboutir à un récepteur optoélectronique 3 via le deuxième coupleur additionneur 22. On se reportera maintenant aux figures 3 et 4 pour décrire L'élément de mesure mobile 11. Il a deux fenêtres optiques 12, 13 définissant respective ment une même plage de mesure P et constituant un atténuateur du flux lumineux à effet progressivement variable de L'une de ses extrémités à son extrémité opposée dans les directions de déplacement de L'élément de mesure mobile 11. A chacune des positions qu'occupe ce dernier, en relation avec l'organe contrôlé en position, une fenêtre optique 12, 13 a un facteur de transmission M1, M2 du flux lumineux. En outre, Les fenêtres optiques 12, 13 ont sur l'élément de mesure mobile une disposition inversée de telle maniée qu'a une position de l'élément de mesure mobile 11, Les lignes optiques 0, O' passent sur la plage de mesure P par des points opposés par rapport au milieu de la plage de mesure P. Par exemple, Lorsque l'axe optique O se situe à une extrémité de sa plage de mesure P, l'axe optique O' se situe à l'autre extrémité de sa plage de mesure P. Cette disposition inversée des deux fenêtres optiques permet d'effectuer une détection différentielle de la position de l'élément de mesure. L'atténuation variable progressivement de chaque fenêtre optique par exemple par un dépôt à densité variable en fonction de la Longueur (rectiligne ou circulaire) réalisé sur un support transparent, ou par une fente se resserrant progressivement selon une loi déterminée, ainsi qu'il est connu en soi. Selon la figure 3, l'élément de mesure mobile 11 est une rondelle de verre ; les plages de mesure P ont une densité variable linéaire qui ont été réalisées par exemple, par un dépôt de chrome d'épaisseur variable Sur la figure 4, les fenêtres optiques sont des fentes 12',13' débouchant sur les deux faces opposées 14,15 de l'élément de mesure mobile. La configuration de ces fentes est calculée de manière que La transmission du flux lumineux varie de façon linéaire en fonction du déplacement de l'élément de mesure. En outre, il est clair que lorsque les fenêtres optiques 12,13 à atténuation variable sont des fentes 12',13', le flux de rayons lumineux parallèles qui traverse les- fentes doit avoir une section au moins égale à la plus grande dimension des fentes définie perpendiculairement au sens de deplacement de l'élément de mesure mobile 11 afin que ces fentes jouent leur rôle d'atténuateur sur toute la plage de mesure P. Sur les figures 3 et 4 cet élément de mesure est un disque à mouvement rotatif ; toutefois, il pourrait être déplacé par un mouvement linéaire. L'élément de mesure mobile 11 est relié fonctionnellement à l'organe 8, dont on veut déterminer les positions successives par un moyen d'accouplement 23 connu en soi qui lui impose des mouvements ayant une relation précise com me avec ceux de cet organe 8. On expliquera maintenant en détail com ment le traitement des signaux reçus par les récepteurs 2, 3 élimine les variations dûes au changements de l'environnement au cours du temps. On appelle al,-o2 les pertes en ligne (émetteurs, fibres, connecteurs, coupleurs) sur les liaisons du poste de contrôle 1 au capteur 7 et b1, b2 les pertes (coupleurs, connecteurs, fibres, récepteurs) sur les liaisons du capteur 7 au poste de contrôle 1. Au temps t, une impulsion Lumineuse El (ou un train d'impulsion) est émise par l'é metteur optoélectronique 4 (ou une sortie 41 de l'émetteur 40). Chaque récepteur optoélectronique 2, 3 reçoit respectivement une puissance optique R2, R3 tel que R3 = El . a1 . M1 . b2 (par la ligne de retour qui traverse une fenêtre optique) R2 = El . a1 . b1 (par la ligne de retour direct) Au temps t + t, une impulsion lumineuse E2 est émise par l'émetteur optoélectronique 5 (ou une sortie 42 de l'émetteur 40). C haque récepteur optoélectronique 2, 3 reçoit respective ment une puissance optique R'2, R'3 teL que R'3 = El . a2 . M2 . b2 (par la ligne de retour qui traverse l'autre fenêtre optique). R'2 = E2 . a2 b1 (par la ligne de retour direct). Il est à remarquer que ce traitement des signaux reçus permet d'éliminer toutes les fluctuations dûes aux émetteurs, à la connectique, aux fibres et aux récepteurs soumis à l'influence du milieu environnant. Par conséquent, quand on connait la loi de variation du facteur de transmission M 1, M 2 des fenêtres optiques en fonction de la position de l'élé ment de mesure mobile, on peut déterminer exactement la position de l'organe contrôlé à distance. Si l'on admet que les pertes en lignes (fibres, coupleurs, récepteurs, émetteurs) n'ont pas variées durant la période de mesure a t (et en particulier que la température ne présente pas de gradient trop important sur cette période), on constate qu'il est possible d'obtenir une détection différentielle de la position de l'élé ment de mesure mobile et de l'organe contrôlé en effectuant à l'aide des moyens de traitement 6 le calcul suivant avec les signaux recueillis par les récepteurs: : R3 R'3 E1 # a1 # M1 # b2 E2 # a2 # M2 # b2 - R2 R'2 E1 # a1 # b1 E2 # a2 # b1 N R3 R'3 E1 # a1 # M1 # b2 E2 # a2 # M2 # b2 + + R2 R'2 E1 # a1 # b1 E2 # a2 # b1 M1 - M2 d'où N = . M1 + M2 R E V E N D I C A T I O N S 1) Dispositif à fibres optiques pour le contrôle de la position d'un organe (8) comprenant un poste de contrôle (1), un capteur (7) éloigné du poste de contrôle (1) et relié audit poste de contrôle par une liaison optique (9), le capteur (7) étant associé à l'organe contrôlé (8), caractérisé en ce que le poste de contrôle (1) comprend, des moyens d'émission (E) d'un premier et second signal optique (E1,E2) séparé par un intervalle de temps, - des moyens de réception (R)du premier et du second signal optique, cependant que le capteur (7) comprend un élément de mesure mobile (11) relié fonctionnelle ment à l'organe contrôlé (8) pour se déplacer avec ce dernier et ayant deux fenêtres optiques (12,13) à atténuation (M1, M2) respective variable en fonction de leur position qui sont disposées en sens inverses l'une par rapport à l'autre, et que la liaison optique (9) comprend à partir des moyens d'émission (E) une première fibre optique (9A) et une seconde fibre optique (98), ces deux fibres optiques (9A,9B) ayant chacune à partir du capteur (7) une paire de branches optiques de retour (B,B'), l'une des branches optiques de retour de chaque paire (B,B') revenant directement par une troisième fibre optique (9C) aux moyens de réception (R), l'autre des branches optiques de retour de chaque paire (B,B') passant par une fenêtre optique (12,13) respective avant de revenir par une quatrième fibre optique (9D) aux moyens de réception (R), le poste de contrôle (1) comprenant également des moyens de traitement (6) reliés aux moyens d'émission (E) et aux moyens de réception (R) aptes à faire le calcul: M1 + M2. M1 - M2 2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission (E) comprennent deux émetteurs optoélectroniques (2,3) émettant respectivement un premier et second signal optique (E1,E2) sépare par un intervalle de te m ps a t. 3) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'émission (E) comprennent un émetteur (40) du type Y actif à deux sorties (41,42) émettant un signal optique (E1,E2) respectivement sur une sortie (41,42) séparé par un intervalle de temps t. 4) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le capteur (7) comprend deux têtes fixes (16,16') pour chaque fenêtre optique (12,13) disposées respectivement de part et d'autre des deux faces opposées (14,15) de l'élément de mesure mobile (11) et montées coaxiale ment l'une par rapport à L'autre et définissant une ligne optique (0,0') respective, les têtes fixes (16) envoyant le signal optique (E1,E2) sous forme d'un flux de rayons lumineux parallèle à la ligne optique (0,0') respective et les têtes fixes (16') focalisant ces rayons-lumineux parallèles reçus. 5) Dispositif selon L'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les fenêtres optiques (12,13) à atténuation variable sont respectivement des fentes (12',13') ayant leur plus grande dimension dans le sens perpendiculaire au sens de déplacement de L'élément de mesure mobile (11) au plus égale à une section du flux à rayons lumineux parallèles définissant le signal optique. 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'élément de mesure mobile (11) a un mouvement rotatif. 7) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'élément de mesure mobile (11) a un mouvement linéaire.