Brevet FR2612627A1 — publié le 19880923

CAPTEUR DE DEPLA MENTS A FIBRES OPTIQUES FONCTIONNANT EN LUMIERE BLANCHE La présente invention concerne un capteur de déplacements à fibres optiques fonctionnant en lumière blanche. On sait que les fibres optiques permettent de conduire, sur de longues distances et des trajets quelconques, des informations contenues dans un faisceau lumineux. Quand elles sont utilisées dans des appareillages de mesure, elles permettent notamment de transférer des informations contenues dans un faisceau lumineux jusqu' à un capteur situé dans un poste de travail éloigné ou difficile d'accès, ou les caractéristiques du faisceau subissent des modifications en fonction de déplacements liés à une grandeur à détecter ou mesurer, le faisceau modifié issu du capteur étant réacheminé par fibre optique jusqu'à un appareil d'exploitatioll des informations modifiées. On est souvent conduit à s'intéresser à la mesure de déplacements faisant intervenir des distances très courtes, par exemple de l'ordre du micron.La détection de tels microdéplacements est fort utile par le fait que l'ordre de grandeur correspond à celui que l'on rencontre dans la mesure de températures, de pressions, de champs électromagnétiques, et d'autres grandeurs se traduisant par le déplacement d'un élément mécanique au organe matériel, tel qu'un diaphragme. Par ailleurs, bien que les fibres optiques soient le plus souvent utilisées en lumière monochromatique, on a proposé récemment de réaliser des mesures de déplacements par interférométrie en lumière blanche, avec transmission de l'information par des fibres optiques de type multimode. Dans un dispositif connu, le faisceau lumineux est conduit jusqu'à un interféromètre de détection fonctionnant selon le principe de Michelson. La lumière incidente y est divisée, par un système séparateur, en deux sous-faisceaux dont l'un est réfléchi par un miroir fixe, tandis que 1 'autre est réfléchi par un miroir mobile lié à un élément subissant le déplacement à mesurer. La lumière réfléchie est recombinée au niveau du système séparateur et les interférences entre les ondes font apparaitre des franges d'interférence dont la fréquence dépend de la différence des trajets optiques suivis par les sous fais au correspondant aux deux miroirs.Cette lumière réfléchie est amenée jusqu'à un deuxième interféromètre analogue, qui joue le rôle dun interféromètre de réception, cu interféromètre d'analyse. Il comporte lui aussi deux miroirs dont l'un est mobile par rapport à l'autre, et un élément semi-réfléchissant qui divise la lumière en deux faisceaux qui sont acheminés séparément vers les deux miroirs respectivement, puis recombinés par l'élément semi-réfléchissant après réflexion. Dans ce second interféromètre, le miroir mobile est déplacé mécaniquement jusqu ' à déceler un maximum d 'intensité des franges d'interférence qui témoigne de la coincidence entre les deux différences des trajets optiques dans les deux interféromètres respectivement, et à déterminer la position correspondante des franges d'interférence. Le brevet américain US 4 596 466 décrit largement une telle réalisation. On peut y relever une possibilité de remplacer les interféromètres de Michelson par des interféromètres de Fabr-Pérot, constitués de deux miroirs parallèles partiellement transparents placés entre deux lentilles aux extrémités de deux fibres optiques différentes. Cependant, ces interféromètres demandent une construction complexe et il leur est imposé une conception telle que les signaux obtenus ne diffèrent pas sensiblement de ceux produits par les interféromètres de Michelson. L'emploi des deux interféromètres de Michelson, à condition que la même fibre optique conduise le flux lumineux de la source à l'interféromètre de détection, puis en retour de l'interféromètre de détection à l'interféromètre de réception, a l'avantage que les mesures ne sont pas troublées par des pertes d'intensité dans les fibres de transmission, pertes qui sont toujours variables d'une fibre à une autre. I1 est à noter d'ailleurs, que ce meme inconvénient des pertes d'intensite variables se retrouve dans d'autres dispositifs cu l'on assure une division de la lumière en deux longueurs d'onde différentes pour utiliser 1 'une d'elles comme référence dans une mesure d'intensité. La présente invention vise donc à conserver les avantages des dispositifs connus qui ont été rappelés ci-dessus, mais elle vise en plus à proposer un dispositif de construction plus simple, aussi bien du côté de l'appareil de détection que du côté de l'appareil d'analyse, et à s'adapter à des mesures précises de déplacements sur des courtes distances, notamment inférieures à 1 mm, et plus particulièrement inférieures à 0,1 mm. Dans ce but, elle évite, entre autres, de faire intervenir des mesures comparatives d'intensité sur des flux lumineux transmis différemment par les fibres optiques. Elle évite aussi 1 'emploi de pièces mobiles difficiles à régler et permet d'augmenter très sensiblement la rapidité des mesures. En fonction de ces avantages, l'invention trouve un domaine d'application privilégié dans la mesure de pressions capables de provoquer des microdéplacements d'un diaphragme, comme dans les sondes de mesure de pressions. Mais elle peut aussi s'appliquer à tout autre détection ou mesure de microdéplacements. Selon sa caractéristique principale, l'invention a pour objet un dispositif capteur de déplacements fonctionnant en lumière blanche et comportant un système à fibres optiques pour conduire un flux lumineux incident depuis une source de lumière blanche jusqu'à un dispositif de détection et pour conduire un flux lumineux réfléchi en retour jusqu'à un dispositif d'analyse, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte, à une extrémité dune fibre optique, un élément fixe semi-réfléchissant devant un élément mobile au moins partiellement réfléchissant qui est soumis auxdits déplacements par rapport à l'élément fixe, lesdits éléments constituant ainsi un interféromètre à réflexions multiples, de sorte que le flux lumineux global réfléchi présente un spectre cannelé dans lequel les cannelures ont sensiblement la même intensité à des longueurs d'ondes dont le pas varie en fonction desdits déplacements, et en ce que le dispositif d 'analyse comporte des moyens d'étalement dans 1 'espace du flux lumineux global réfléchi en fonction de la longueur d'onde, devant une série de photodétecteurs propres a émettre des signaux traduisant l'intensité lumineuse re par chacun d'eux, et des moyens électroniques de traitement desdits signaux pour déterminer au moins le pas desdites cannelures. Selon une caractéristique secondaire, le dispositif de détection comporte une 'bague de liaison étanche entre ledit élément de référence et ledit élément mobile, ce dernier étant sous la forme d'un diaphragme dont la flèche varie en fonction d'une pression environnante. On peut ainsi enfermer les éléments dans un milieu étanche, de préférence vide d'air, de manière à ce que des différences de pression parasites ne viennent pas fausser les mesures. Dans le dispositif capteur de déplacements selon l'invention, la source dite de lumière blanche peut etre une source quelconque émettant dans une bande de fréquences relativement large, par exemple une diode électroluminescente, et le système de fibres optiques est avantageusement du type multimode, donc peu coûteux. L'interféromètre de Fizeau constitué au niveau du dispositif de détection est de conception particulièrement simple. Le fait qu'il entraine des pertes d'intensité relativement importantes ne nuit pas à la sensibilité des mesures. Celle-ci est en effet essentiellement liée au contraste des cannelures. Les moyens choisis pour constituer le dispositif d 'analyse sont particulièrement bien adaptés à 1 'examen du spectre cannelé produit. Comme ils n'impliquent aucune pièce mécanique en mouvement, on évite d'augmenter inutilement le temps nécessaire aux mesures, cependant que les risques de mauvais fonctionnement et de dérive des grandeurs de référence des appareils antérieurs sont supprimés. De plus, les modifications d'intensité pouvant intervenir sur le trajet des fibres optiques, souvent variables avec la longueur d'onde de la lumière transmise, restent sans incidence sur le pas des cannelures qui est déterminé. Dans un mode de réalisation préféré du dispositif capteur de déplacements selon l'invention, le dispositif de détection portant l'interféromètre constitue par son élément mobile une sonde de pression, dans la mesure où l'élément de référence est isolé du milieu environnant, de sorte que la pression s'exerçant sur l'élément mobile provoque des microdéplacements par rapport à l'élément fixe. Le dispositif selon l'invention ne demande alors pas d'autre référence qu'un étalonnage du pas des cannelures du spectre examiné par le dispositif d'analyse en fonction des pressions à mesurer. On décrira maintenant plus en détail une forme de réalisation particulière de l'invention qui en fera mieux comprendre les caractéristiques essentielles et les avantages, étant entendu toutefois que cette forme de réalisation est choisie à titre exemple et qu'elle n'est nullement limitative. Sa description est illustrée par les figures 1 et 2 annexées, dans lesquelles - la figure 1 illustre schématiquement la constitution d'ensemble du capteur, - la figure 2 représente plus spécialement une forme de réalisation concrète du dispositif de détection. Le système de fibres optiques utilisé dans le capteur de la figure 1 comporte un coupleur bidirectionnel 2 entre quatre fibres optiques. Une fibre 3 transmet la lumière émise par une diode 4 constituant la source, pour l'injecter dans une fibre 5 qui la conduit à un dispositif de détection 6. La même fibre 5 transmet un flux lumineux réfléchi en retour depuis le dispositif de détection, pour l'injecter dans une fibre 7 qui le conduit à un dispositif d'analyse 8. Le reste de la lumière est absorbée en bout d 'une fibre 9 qui est plongée dans un liquide d'indice de réfraction sensiblement égal à celui des fibres; ceci permet de minimiser la réflexion de Fresnel que subit la lumière à la sortie de la fibre. La diode 4 constitue une source dite de lumière blanche. En pratique, il suffit que sa bande d'démission couvre un spectre relativement large, s'étendant par exemple sur 50 nm à 200 nm autour d'une longueur moyenne de 600 à 1000 nm. Le dispositif de détection 6 peut être placé à des distances très éloignées des parties fixes du capteur, la distance étant uniquement tributaire de la longueur de la fibre 5. Ce dispositif est représenté sous la forme d'une sonde de pression. A l'extrémité de la fibre optique 5, se trouvent une lentille collimatrice 11 et deux lames semi-réfléchissantes parallèles 12 et 13. L'ensemble est monté dans une bague cylindrique 14 qui est liée de manière étanche à l'extrémité de la fibre et sur tout le pourtour des deux lames et qui porte entre les deux lames une cale d'épaisseur annulaire 15, ceci afin d 'assurer une distance fixée entre les deux lames à leur périphérie. Devant le flux lumineux incident parvenant par la fibre optique 5, les lames 12 et 13 forment un interféromètre de Fizeau, dans lequel la lumière subit des réflexions multiples entre élément fixe semi-réfléchissant constitué par la lame 12, et élément de mesure, mobile en son centre, constitué par la lame 13, qui est partiellement ou totalement réfléchissant. L'épaisseur de la couche d'air comprise entre les deux lames est par exemple de l'ordre de 40 à 80 microns. Par suite des phénomènes d'interférence, le flux lumineux réfléchi global qui est renvoyé dans la fibre optique présente un spectre cannelé, avec alternativement un maximum et un minimum d'intensité pour chaque longueur d'onde dont l'épaisseur de la couche est un multiple. Les intensités lumineuses sont sensiblement identiques d'une cannelure à l'autre. En fonctionnement cette épaisseur varie légèrement en fonction de la grandeur à mesurer, du moins dans la partie centrale des lames. Dans l'exemple d'une sonde de pression, la lame 13 constitue en effet un diaphragme qui prend une flèche variable avec la pression à laquelle il est exposé, tandis que la lame 12 représente une référence fixe du fait qu'elle est isolée de 1 'atmosphère environnante.Toute variation en résultant pour 1 'épaisseur de l'intervalle séparant les lames, entraîne une modification du spectre cannelé produit. Plus précisément, les longueurs d'ondes donnant des minima et des maxima d'intensité se déplacent dans le spectre et les cannelures se rapprochent ou s'écartent mutuellement suivant que 1 'épaisseur augmente ou diminue. Sur une largeur du spectre déterminée, le nombre des cannelures augmente ou diminue proportionnellement à l'épaisseur. Leur contraste est par exemple de l'ordre de 40%. Les cannelures sont rendues observables et dénombrables au niveau du dispositif d'analyse 8. Dans celui-ci, le flux lumineux sortant de la fibre 7 par une lentille de collimation 16, est reçu sur un réseau de diffraction 17 qui a pour effet d'étaler le spectre dans l'espace, suivant un écartement angulaire fonction de la longueur d'onde. Le spectre cannelé ainsi diffracté est reçu sur une haret te de photodétecteurs 18, de laquelle chaque photodétecteur émet un signal traduisant l'intensité lumineuse qu'il reçoit. Un ensemble de calcul électronique 20 traite les signaux des divers photodétecteurs pour reconstituer le spectre correspondant par transformée de Fourier. I1 peut déterminer le nombre de cannelures figurant dans une gamme de longueurs d'ondes de largeur déterminée, et en déduire la pression correspondante à mesurer, par référence aux résultats de mesures d'étalonnage du capteur. I1 peut aussi déterminer la fréquence du spectre cannelé et son déphasage par rapport à une position d'origine, et déduire de ces deux grandeurs, le déplacement du diaphragme par rapport à une position initiale et la variation de pression qui est à l'origine de ce déplacement. On se référera maintenant à la figure 2 pour décrire plus spécialement une forme de réalisation concrète du dispositif de détection, utilisée en variante de celle de la figure 1, pour la mesure de pressions. On voit ainsi sur la figure 2, une fibre optique 25, qui est reliée optiquement au dispositif de détection 26 par une lentille collimatrice 21 dont la fonction est de rendre le faisceau lumineux 32 parallèle. Le dispositif 26 est essentiellement constitué de deux pièces cylindriques, à savoir un corps métallique 24 et un support transparent 22, sur lequel est collée la lentille 21, dans l'axe du dispositif. Les deux pièces sont réalisées en des matériaux de faible coefficient de dilatation thermique, afin que les variations de température ne perturbent pas le fonctionnement de l'interféromètre, et donc les mesures de pression. Elles sont liées ensemble par un joint fritté 23, mince et étanche. Le corps métallique 24 est creux. Il forme ainsi intérieurement, dans l'axe du dispositif, une cavité cylindrique 28, en communication avec l'extérieur par un conduit 29 de section restreinte à travers un embout 30. Cet embout est fileté, pour recevoir un raccord de jonction avec un tube non représenté, qui amène la pression à mesurer dans la cavité 28. L'ouverture restreinte de la cavité -28 permet d'éviter 1' influence de contraintes de pression extérieures à la pression à mesurer. A l'extrémité opposée du corps 24, du côté du support 22, la cavité 28 est fermée par une plaque 23 formée par le corps 24. Cette plaque est mince, de telle sorte qu'elle se déplace longitudinalement dans sa partie centrale, comme un diaphragme, sous 1 'influenoe de la pression plus ou moins grande d'un fluide introduit dans - la cavité 28. Ces déplacements sont autorisés par le fait qu'une lame mince 31, vide d'air, est ménagée contre cette plaque par la forme du support transparent 22, qui présente à cet effet un évidement central 33, de faible épaisseur. Le joint 27 est de forme annulaire autour de cet évidement. La lame 31 ainsi formée constitue la lame d'épaisseur variable de l'interféromètre, entre la surface semi-réfléchissante limitant le support 22 contre elle et la plaque réfléchissante 23 du corps 24. Naturellement, l'invention n'est en rien limitée par les particularités qui ont été spécifiées dans ce qui précède ou par les détails du mode de réalisation particulier choisi pour illustrer l'invention. Toutes sortes de variantes peuvent être apportées à la réalisation particulière qui a été décrite à titre d'exemple et à ses éléments constitutifs sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Cette dernière englobe ainsi tous les moyens constituant des équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons, REVENDICATIONS 1") Dispositif capteur de déplacements fonctionnant en lumière blanche et comportant un système à fibres optiques pour conduire un flux lumineux incident depuis une source de lumière blanche (4) jusqu'à un dispositif de détection (6) et pour conduire un flux lumineux réfléchi en retour jusqu'à un dispositif d 'analyse (8), caractérisé en ce que le dispositif de détection (6) comporte, à une extrémité d'une fibre optique (5), un élément fixe semi-réfléchissant (12) devant un élément mobile au moins partiellement réfléchissant (13) qui est soumis auxdits déplacements par rapport à l'élément fixe, lesdits éléments constituant ainsi un interféromètre à réflexions multiples, de sorte que le flux lumineux global réfléchi présente un spectre cannelé dans lequel les cannelures ont sensiblement la même intensité à des longueurs d'ondes dont le pas varie en fonction desdits déplacements, et en ce que le dispositif d'analyse (8) comporte des moyens (17) d'étalement dans 1 'espaoe du flux lumineux global réfléchi en fonction de la longueur d'onde, devant une série de photodétecteurs (18) propres à émettre des signaux traduisant l'intensité lumineuse reçue par chacun d'eux, et des moyens électroniques (20) de traitement desdits signaux pour déterminer au moins le pas desdites cannelures. 2") Dispositif capteur de déplacements suivant la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens d'étalement du spectre cannelé comportent un réseau de diffraction (17). 3ç) Dispositif capteur de déplacements suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens électroniques de traitement (20) sont constitués pour calculer les caractéristiques du spectre par les transformées de Fourier. 4 ) Dispositif capteur de déplacements suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte une bague de liaison étanche (14) entre ledit élément de référence et ledit élément mobile, celle-ci étant sous la forme d'un diaphragme dont la flèche varie en fonction d'une pression environnante. 5-) Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le dispositif de détection comporte une lame vide d'air formée entre un support transparent (22) et un diaphragme (23) réfléchissant limitant une cavité (28) de réception d'une pression à détecter.