Brevet FR2636744A1 — publié le 19900323

l'invention concerne le domaine des capteurs d'une grandeur physique comprenant un résonateur mécanique vibrant auquel est appliquée une contrainte représentative de la grandeur mesurée. Dans les capteurs de ce type la valeur de la fréquence de résonance du résonateur varie en fonction de la contrainte qui lui est appliquée, la mesure de cette fréquence de résonance est représentative de la grandeur physique mesurée qui peut être notamment une pression. une accélération, une température. Traditionnellement le résonateur est réalisé en un matériau piézo-électrique sur lequel des électrodes sont déposées, et alimentées à la fréquence de résonance, un asservissement électronique permet d'entretenir cette résonance, le brevet 81 15 010 au nom de la demanderesse illustre un tel asservissement. Les capteurs du type défini ci-dessus présentent les avantages combinés d'une grande stabilité et d'une grande précision et sont notamment utilisés dans le domaine aéronautique et principalement pour la mesure des pressions : l'évolution des techniques aéronautiques entraîne une multiplication du nombre de ces capteurs qui sont répartis en différents endroits de l'aéronef, au plus proche des prises de pression et leurs informations sont véhiculées par liaisons électriques jusqu'à l'organe d'exploitation, par exemple: un calculateur de bord. L'inconvénient majeur de ce type de capteur à principe de fonctionnement interne électrique et à liaison électrique est leur suceptibilité aux rayonnements électromagnétiques depuis le simple parasite pouvant perturber l'information jusqu'au coup de foudre ou l'impulsion électromagnétique ( IEM) pouvant entraîner la destruction des organes vitaux de l'aéronef et ce, principalement, pour les nouvelles générations d'appareils à commandes de vol électriques. Pour répondre à ce problème, un certain nombre de réalisations visant à remplacer le conducteur électrique par la fibre optique fait actuellement partie de l'état de la technique. C'est ainsi qu'il est connu d'associer un transmetteur électro-optique à un capteur électrique traditionnel pour assurer la transmission de l'information. C'est ainsi qu'il est également connu de procéder à une téléalimentation du capteur : l'énergie électrique nécessaire au fonctionnement d'un capteur provient d'une énergie lumineuse transformée par une photo diode, et véhiculée par une première fibre optique ; le signal de mesure, après transformation par une diode émissive, est lui-meme véhiculé par une seconde fibre optique. C'est ainsi qu'il est également connu d'utiliser directement la fibre optique comme organe capteur, cela est par exemple réalisé dans les capteurs à microcourbures. Ces solutions ont pour inconvénients majeurs, soit de conduire à des capteurs performants mais complexes et impliquant de toute maniere une mise en oeuvre électrique du résonateur, soit de conduire à des capteurs de faibles qualités métrologiques les rendant incompatibles avec les performances requises. La présente invention vient apporter une solution intéressante à ce problème et présente à cet effet un dispositif à résonateur vibrant et caractérisé par le fait que l'excitation à la fréquence de résonance et la détection de cette fréquence de résonance sont réalisées par des moyens optiques. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation préférée du dispositif de l'invention plus spécialement destinée à un capteur de pression, en référence aux dessins annexés sur lesquels: La figure 1 est un schéma-bloc du capteur de l'invention. La figure 2 est un schéma de principe de l'excitation et de la détection tels que présentés dans 1 ' invention. La figure 3 est un agrandissement partiel du résonateur visualisant les zones d'excitation et de détection. La figure 4 est une représentation simplifiée de l'exemple décrit de la partie mécanique d'un capteur adapté aux mesures de pression. Suivant la figure 1, le capteur de pression comprend deux blocs : le bloc A réunit l'ensemble Al des circuits et composants électroniques nécessaires au fonctionnement du capteur ainsi qu'une interface opto-électronique A2 assurant le couplage avec les fibres optiques 31, 40, 44 de transmission des informations optiques de, et vers le bloc mécanique B qui comprend le résonateur vibrant ainsi que les organes mécaniques aptes à recevoir la grandeur physique à mesurer, ici une pression Pr et à la tranformer en contrainte appliquée sur ledit résonateur. le résonateur du présent exemple est du type à lame ou poutre vibrant en flexion et comportant à chaque extrémité de sa partie active des masses d'inertie disposées entre l'élément vibrant et les moyens de fixation, les masses d'inertie oscillent dans le plan de vibration de la lame selon un mouvement de rotation autour d'un axe orthogonal audit plan de vibration ; un tel résonateur est décrit dans le brevet 84 18 587. Le résonateur 1 est fixé, par exemple par collage. aux extrémités des bras d'un bati 2 en forme de U dont l'une 21 des branches est articulée autour d'une charnière 22 pour, sous la force développée par un soufflet 23 soumis à la pression pi r à mesurer, appliquer une contrainte variable F au résonateur 1. L'excitation du résonateur 1 est obtenue par un faisceau lumineux incident 3 issu d'un émetteur de luniêre, avantageusement une diode émissive et transmis par une fibre optique 31 ; ce faisceau 3 est focalisé par passage au travers d'une lentille 32 sur l'une 11 des deux faces de la partie active 111. du résonateur 1, ici en quartz, perpendiculaire à son plan de vibration. ici le plan xy du plan de la lame 1. L'intensité du faisceau lumineux 3 est modulé dune manière connue de l'homme de métier à la fréquence de résonance du résonateur par l'oscillateur du bloc électronique A. Par la mise en jeu de l'effet photo-thermique et comme l'enseigne le document "Electronícs Letters 29th April 1982 Vol 18 N0.3 PP 381-382", le couplage thermo-élastique transforme l'énergie thermique en contrainte et met le résonateur en vibration ; il est à remarquer que le couplage, donc l'excitation est maximum lorsque le faisceau d'excitation est focalisé sur les zones 120, 121 de la partie active du résonateur les plus rapprochées des deux masses d'inertie 130, 131 c'est à dire sur les zones où les déformations sont maximales lors de la vibration en flexion de la zone active 111. Le couplage thermo-élastique peut être optimisé par le dépôt. en surface de la zone excitée du résonateur, d'un matériau absorbant l'énergie lumineuse, par exemple du chrome ; un tel dépôt concentre l'énergie en surface et évite sa diffusion dans la masse du résonateur. En considérant le repère orthogonal (OXY) lié au plan du résonateur et tel que l'origine O est le centre de symétrie du résonateur , X son axe longitudinal. Y son axe transversal. La répartition des déformations du résonateur suivant l'axe X peut s'écrire (x,y) = So (x y) Cos 2 % f t (x,y) où So (x,y) = amplitude de la contrainte f = fréquence de résonance S (x.y) = contrainte au point de coordonnées x,y, La détection de la fréquence de résonance met en oeuvre le principe physique de la bi-réfringence par l'analyse, après traversée du résonateur d'un faisceau lumineux de détection non modulé à l'émission. Le faisceau lumineux de détection 4 issu d'une fibre optique 40 est dirigé vers le résonateur 1 orthogonalement à l'une 12 des deux faces, avantageusement polies, de la partie active 111 du résonateur 1 parallèle à son plan de vibration, en d'autres termes les directions des faisceaux d'excitation et de détection, respectivement 3 et 4 sont orthogonales entre elles. Le faisceau de détection 4 est focalisé sur la face 12 par une lentille 42 puis polarisé linéairement à 450 par rapport à l'axe longitudinal X du résonateur par traversee d'un premier polariseur 41. Le faisceau de détection 4 ainsi focalisé et polarisé traverse le résonateur selon son épaisseur e puis un second polariseur 43 orienté à 900 par rapport au premier polariseur 41, et une seconde lentille de collection de flux 46. L'analyse du faisceau lumineux de détection est réalisée en aval de la lentille 46 par un transducteur optoélectronique, avantageusement une photo-diode dans l'exemple ici décrit, logée dans le sous-ensemble bloc électronique A à l'extrémité d'une fibre optique 44. Description du principe de détection Soit Io l'intensité du faisceau incident de détection 4 en sortie de la fibre optique 40 et (x,y) les coordonnées du point d'incidence de plus forte contrainte. v v' un repère lié à ce point où u est parallèle à l'axe Y v est parallèle à l'axe X u désigne la fréquence de l'onde lumineuse (longueur d'onde ) e = épaisseur du résonateur n = indice moyen du résonateur En prenant comme origine de phase la quantité au point (x, y) de la face d'entrée. L'onde incidente polarisée rectilignement à 450 des axes (u, v) par le premier polariseur 42 a pour amplitude complexe La traversée de la lame s'effectue avec un déphasage qui vaut - pour la polarisation suivant l'axe u - pour la polarisation suivant l'axe v expressions dans lesquelles P11 et P21 sont les paramètres du tenseur élastooptique du matériau constituant le résonateur. L'amplitude Q de l'onde en sortie du résonateur vaut où # désigne la transmittance en amplitude du résonateur. En utilisant la relation mathématique (pour z trés petit) exp j (z sin 2 #(ft) # 1 + jz sin 25ift En prenant On obtient alors Cette expression fait ressortir que l'onde CL est la superposition - d'une onde a1 transmise polarisée rectilignement à + 450 constante et de forte amplitude. - d'une onde a2 diffractée polarisée rectilignement suivant un angle e. de faible amplitude et modulée à la fréquence f de résonance. En analysant cette vibration avec le second polariseur 43 croisé (disposé à + 900 du premier polariseur 41) il est possible d'atténuer fortement l'onde *- et de la faire interférer avec la projection de l'onde a1 suivant l'axe du polariseur. Le battement fait ainsi apparaitre une composante à la fréquence de résonance f. exemple d'application (pour un résonateur en quartz) Une amplitude vibratoire du résonateur de 100 A peut être obtenue avec une puissance d'excitation de 20 mw. Il correspond une déformation de So = 10 6 pour une épaisseur de résonateur de e = 0,7 mm et compte tenu des caractéristiques du quartz P11 = 0,250 P21 = 0,138 n = 1,544 on obtient un angle e = 160 à la longueur d'onde de A = 633 nm. Ce qui conduit typiquement à un signal d''indice de modulation 1/200 facilement exploitable par filtrage. Suivant l'exemple présentement décrit du dispositif de l'invention, les lentilles de focalisation 32 du faisceau d'excitation et 42, 46 du faisceau de détection, les polariseurs 41, 43 sont fixés avantageusement par encastrement-collage sur une pièce mécanique 5 en forme d' étrier ayant pour hauteur sensiblement la longueur totale du résonateur 1, pour épaisseur, sensiblement l'épaisseur du bati-support 2. l'assemblage sur ce dernier pouvant se faire par tout moyen connu notamment par vis de façon à ce que le plan médian de l'étrier 5 et celui de vibration du résonateur 1 soient coplanaires. Un prisme à réflexion totale 61 placé sensiblement en aval de la lentille 32, tous deux dans l'axe de l'étrier renvoie le faisceau lumineux d'excitation venant de la fibre 31 perpendiculairement à la face 11 du résonateur sur l'une des zones 120, 121 les plus proches des masses d'inertie 130, 131. Dans l'épaisseur de l'une des deux joues de l'étrier un prisme 62 monté sensiblement en aval de la lentille 42 et en amont du polariseur 41 renvoie le faisceau lumineux incident de détection issu de la fibre optique 40 perpendiculairement à la face 12 du résonateur sur l'une des zones 120, 121 la plus proche des masses d'inertie 130, 131 qui n'aura pas été utilisée pour recevoir le flux lumineux d'excitation.Symétriquement le polariseur 43, un prisme 63 et la lentille 46 sont logés dans l'épaisseur de la seconde des deux joues de l'étrier pour reconduire le flux lumineux -de détection sur l'extrémité de la fibre optique de retour 44 Suivant une variante de l'invention le dispositif ne comprend pas de polariseurs séparés : les polarisations du faisceau lumineux de détection se font par un dépot polarisant effectué sur l'une des faces de transmission des prismes 62, 63 ; le procédé SLOCUM connu de l'homme de métier peut notamment être utilisé pour ce faire. L'invention décrite ci-dessus permet de réaliser des capteurs de grandeur physique dont leur sous-ensemble électronique peut être considérablement éloigné de leur sous-ensemble mécanique et ce, sans liaison galvanique. Le sous-ensemble électronique peut ainsi être placé en ambiance protégée favorable à son bon fonctionnement tandis que le sous-ensemble mécanique, en contact direct avec la grandeur physique à mesurer peut être ainsi utilisé dans des conditions physiques d'utilisation particulièrement difficiles notamment de température élevée ou encore de forte humidité. un autre avantage procuré par la présente invention est de ne plus nécessiter impérativement que le résonateur soit réalisé en un matériau piézo-électrique comme le quartz, il devient ainsi possible notamment de réaliser le résonateur en un matériau présentant un meilleur coefficient de surtension à la résonance ou encore en un matériau plus aisé à usiner à la condition que le matériau choisi permette la transmission du flux lumineux de détection, par exemple la silice ou le silicium. Encore un autre avantage procuré par la présente invention est de ne pas nécessiter le polissage des faces du résonateur pour permettre la détection, la qualité de l'état de surface n'aura qu'une influence sur le rendement de la détection. Les capteurs mettant en oeuvre le dispositif d'excitation et de détection optique de la présente invention sont particulièrement bien adaptés aux exigences de l'industrie aéronautique tant en performances qu'en robustesse ou en fiabilité, ou encore en bonne tenue en environnement vibratoire. Bien que la présente invention ait été décrite dans le cadre particulier d'un capteur de pression. il est cependant clair qu'elle n'est pas limitée audit exemple et qu'elle est susceptible de modifications ou variantes sans sortir de son domaine : en particulier il est envisageable de réaliser la liaison optique entre le bloc électronique et le bloc mécanique par une fibre optique unique, dans ce cas, le bloc mécanique comprendrait une interface multiplexeur de longueurs diondes. REVENDïCATIONS 1) Dispositif à usage de capteur d'une grandeur physique du type comprenant un premier ensemble électronique (A), un second ensemble électronique (B), ce dernier comprenant un résonateur mécanique (1) vibrant à sa fréquence de résonance, la valeur de- la fréquence de résonance étant représentative de la valeur de la contrainte mécanique (F) appliquée au résonateur, la valeur de ladite contrainte mécanique étant elle même représentative de la grandeur physique mesurée, dispositif caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens optiques d'excitation du résonateur à sa fréquence de résonance et des moyens optiques de détection de sa fréquence de résonance. 2) Dispositif selon la revendication 1 dans lequel l'ensemble électronique (A) est matériellement éloigné de l'ensemble mécanique (B) la liaison entre lesdits ensembles étant réalisée par au moins une fibre optique. 3) Dispositif suivant l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel le résonateur (1) est une lame ou poutre vibrant en flexion. 4) Dispositif suivant la revendication 3 dans lequel le moyen optique d'excitation du résonateur (1) est un faisceau lumineux (3) modulé à la fréquence de résonance du résonateur et appliqué sur l'une (11) des deux faces de la partie active (111) du résonateur (1) orthogonales au plan de vibration dudit résonateur. 5) Dispositif suivant la revendication 4 dans lequel le faisceau lumineux (3) est focalisé par une lentille (32) sur l'une des zones (120. 121) sensiblement voisine des masses de découplage vibratoire (130, 131). 6) Dispositif suivant la revendication 5 dans lequel la zone (120, 121) illuminée par le faisceau d'excitaion (3) est recouverte. d'un dépôt de matériau absorbant, en particulier du chrome. 7) dispositif selon l'une des revendications dans lequel on détecte la fréquence de résonance du résonateur (1) par analyse d'une onde lumineuse (4)non modulée à son émission. polarisée rectilignement (41). polarisée à nouveau rectilignement (43) à 900 de la première polarisation apures avoir traversé l'épaisseur (e) de la partie active (111) du résonateur (1) suivant une direction orthogonale à son plan de vibration (xy). L'amplitude a de l'onde lumineuse analysée étant de la forme expression dans laquelle # = transmittance en amplitude du résonateur Io = intensité du faisceau lumineux incident de détection (4) sur la face (12) du résonateur au point de coordonnées x, y suivant son axe longitudinal X et son axe transversal Y. u, v = repère lié au point xy où u est parallèle à l'axe Y v est parallèle à l'axe X A = longueur d'onde de l'onde lumineuse n . indice moyen de réfraction du résonateur e = épaisseur du résonateur SO amplitude de la contrainte P11 P21 = paramètres du tenseur élasto élasto-optique du matériau constituant le résonateur. f = fréquence de résonance du résonateur e = angle de déphasage de l'onde diffractée avec 8) Dispositif suivant les revendications 1 à 7 dans lequel le faisceau lumineux (4) incident de détection est focalisé par une lentille (42) sur celle des zones (120, 121) sensiblement voisines des masses de découplage vibratoire (130. 131) non utilisées par le faisceau d'excitation (3). 9) Dispositif suivant les revendications 1 à 8 dans lequel les moyens d'excitation (3, 32) et de détection (4, 41. 42, 43, 46) sont montés dans un bâti (5) en forme d'étrier de telle sorte que son plan de symétrie et le plan de vibration du résonateur soient coplanaires.