Brevet FR2647218A1 — publié le 19901123

ACCELEROMETRE A FIBRE OPTIQUE ET PROCEDE DE MESURE D'ACCELERATIONS La présente invention se rapporte à un accéléromètre à fibre optique et à un procédé de mesure d'accélération. On sait que l'accélération peut être déterminée par la mesure de la variation d'une grandeur physique associée au phénomène d'accélération, par exemple la variation d'une force inertielle due à l'accélération d'une masse, selon la relation fondamentale de Newton F = mY. Dans certains dispositifs connus, on utilise cette force pour induire des déformations ou contraintes qui sont mesurées optiquement. De tels dispositifs utilisent par exemple le déplacement de membranes ou de pièces mécaniques, ou la mise sous contrainte de cristaux réfringents. Dans ces dispositifs connus, l'une des difficultés de la mesure est due à l'acquisition du signal, et en particulier au choix du détecteur approprié (d'utilisation difficile) et au transfert de ce signal entre la tête de mesure et le dispositif de traitement de ce signal (parasitage électromagnétique). Une autre difficulté est liée à l'existence de phénomènes de couplages parasites entre les diverses directions de mesure de l'accélération. Si on considère par exemple un trièdre cartésien de référence, on doit pouvoir faire la mesure de l'accélération indépendamment sur chacun des trois axes. Dans certains dispositifs connus, les contraintes appliquées dans une direction entrainent des cisaillements dans les autres directions (ce qui est par exemple le cas lorsque l'on met en oeuvre la biréfringence sous contrainte d'un cristal), et par conséquent des couplages parasites entre directions principales. La présente invention a pour objet un procédé permettant de mesurer facilement et de façon la plus précise possible des accélérations. La présente invention a également pour objet un accéléromètre dont le capteur soit simple et facile à mettre en oeuvre, dont le signal de mesure ne soit pratiquement pas sensible à des parasites électromagnétiques, et qui ne présente pas.de couplages parasites entre les différentes directions de mesure. Le procédé conforme à l'invention, pour la mesure d'accélérations selon au moins un axe, consiste, pour chaque axe concerné, à imposer une compression isotrope, fonction de l'accélération selon cet axe, à une fibre optique en appliquant, à partir de cet axe, une contrainte hydrostatique à cette fibre, et à mesurer de façon optoélectronique les variations de paramètres physiques induites par les déformations de la fibre. La mesure peut être effectuée soit par polarimétrie, soit par interférométrie. Dans le cas de mesures de biréfringence par polarimétrie, on utilise une seule fibre optique, ce qui évite des disparités de comportement entre les deux bras de l'interféromètre. L'accéléromètre conforme à l'invention, pour la mesure d'accélérations selon au moins un axe, comporte, pour chaque axe de mesure, une masse mobile selon cet axe, cette masse imposant, par l'intermédiaire d'un fluide pratiquement incompressible, une contrainte à une fibre optique à structure anisotrope dont on mesure la variation de biréfringence sous l'effet de la contrainte. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique de la partie optique et électronique d'un accéléromètre conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe simplifiée d'une tête de mesure de l'accéléromètre de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique utilisée dans l'accéléromètre de la figure 1, et - les figures 4 et 5 sont des vues schématiques de variantes de connexion de têtes de mesures, conformément à l'invention. L'accéléromètre représenté en figure 1 est destiné à la mesure d'accélérations selon les trois axes Ox, Oy et Oz d'un trièdre de référence cartésien, mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à un tel mode de réalisation, et peut être mise en oeuvre pour la mesure d'accélérations selon un seul axe ou plusieurs, qui ne sont pas forcément ceux d'un trièdre cartésien. L'accéléromètre 1 de la figure 1 comporte trois têtes de mesure identiques 2,3,4 orientées respectivement selon les axes Ox, Oy et Oz. La partie optique de chacune de ces têtes 2 à 4 est constituée par une fibre optique, respectivement référencée 5 à 7. Dans l'exemple représenté, ces trois fibres sont reliées en série, mais elles pourraient tout aussi bien être en parallèle ou en dérivation. Ces fibres sont des fibres biréfringentes à maintien de polarisation. Une source 8 d'impulsions lumineuses, comportant par exemple une diode superluminescente, est reliée à une extrémité du circuit série formé par les trois fibres, par exemple à l'extrémité libre de la fibre 7. L'extrémité libre de la fibre 5 est reliée via une fibre 9 de déport à un interféromètre 10. Dans l'exemple représenté, l'interféromètre 10 est de type Michelson, mais on pourrait utiliser tout autre type d'interféromètre. Dans le cas représenté de fibres de têtes de mesure disposées en série, on prévoit des points de couplage 11 à 13 à la sortie (vis-à-vis du signal lumineux provenant de la source) de chaque fibre 7,6,5 respectivement. Ces points de couplage servent, de façon connue en soi, à la séparation optique des trois voies par couplage d'une faible partie (par exemple 10 à -3 ) de l'énergie d'un axe de polarisation vers l'autre axe de polarisation. On a représenté en figure 2 une tête de mesure de l'accéléromètre de la figure 1, par exemple la tête 2. Cette tête 2 comporte une masse mobile 14 solidaire d'un piston 15, ce piston ayant de préférence une faible section. Le piston 15 passe dans l'ouverture 16 d'une cavité fermée 17. Le piston 15 obture de façon étanche l'ouverture 10 mais peut s'y déplacer avec des frottements négligeables. La cavité 17 est entièrement emplie d'un liquide 18 pratiquement incompressible ou tout au moins très faiblement compressible. Dans la cavité 18 est enroulée la fibre 5. La fibre 5 a une structure permettant de mesurer les variations de pression du liquide 18, ce qui lui permet de constituer un capteur Intrinsèque de ces contraintes, donc de l'accélération à laquelle est soumise la masse 14. La fibre 5,; du type à maintien de polarisation, a une structure anisotrope et biréfringente, et c'est la variation de biréfringence sous l'effet desdites contraintes que l'on mesure à l'aide de l'interféromètre 10. On a représenté en figure 3, un exemple de structure de fibre 19 utilisable dans les têtes de mesure du dispositif de l'invention. La fibre 19 a une structure, connue sous l'appellation "FASE", permettant de séparer les variations de pression et de température. L'âme 20 de la fibre 19 a un revêtement 21 classique, mais de chaque côté du coeur 22 deux évidements symétriques 23,24 sont pratiqués dans cette âme. Grâce à une telle structure, une pression isotrope est transformée en contrainte anisotrope sur la fibre. Les biréfringences B- et B selon deux directions orthogonales, x y correspondant à l'axe lent et l'axe rapide de propagation dans la fibre, varient alors de façons inégales en fonction des variations de pression sur la fibre et induisent donc des variations inégales de trajet optique pour chacune des deux polarisations lumineuses introduites dans la fibre. De façon plus détaillée, le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant. Les mouvements de la masse mobile 14 (et du piston 15), dans une direction imposée par la configuration du montage de cette masse m (axe 2A de la tête 2), sous l'effet d'une accélération, soumettent le piston 15 A une force F. Cette force soumet le liquide 18 A une pression P = F/S, o S est la surface de l'extrémité frontale 15A du piston 15. Par conséquent, des variations d'accélération A K génèrent des variations de pression i[ données par: A P = (m/S). M ' Dans un exemple de réalisation m = lkg, et le piston a un diamètre de 2 mm, donc S = 3,14.10 6m2. On a alors P = (1/3,14).106A' = 3,2.105 le Pour IA= lms-2, on obtient-lP = 3,2.105 Pascal. On a ainsi transformé les variations d'accélération en variations de pression qui peuvent être mesurées grâce A la fibre optique enroulée au sein du liquide. La mesure consiste à détecter la variation de biréfringence de la fibre optique. Cette variation de biréfringence peut en particulier être obtenue dans une fibre optique biréfringente A maintien de polarisation dans laquelle on peut mesurer les variations de vitesse de propagation de trains d'ondes polarisées linéairement selon deux directions principales (axes propres de la fibre). L'interféromètre 10 permet de mesurer les déphasages accumulés dans les trois têtes 2 A 4 et leurs variations en fonction de celle de la pression, donc celle de l'accélération. Selon un exemple de réalisation, si la sensibilité de lecture est de 1 frange pour 105 Pascal par mètre de fibre, et si une tête de mesure comporte 10 mètres de fibre optique (enroulée dans la cavité 17), la variation] P de pression détectée par frange d'interférence est alors de 104 Pascal et la variation d'accélération I rapport aux têtes (ou à la tête unique) de mesure. On peut utiliser plusieurs têtes de mesure de l'invention pour des mesures dans des directions de mesure différentes, sans qu'il y ait entre elles un quelconque couplage, notamment de cisaillement. Les mesures selon ces directions différentes sont fortement découplées Ies unes par rapport aux autres. Les fibres optiques des têtes de mesure de l'invention peuvent être disposées en série, comme représenté en figure 1, en parallèle comme schématisé en figure 4 (sur cette figure 4, les différentes sources sont référencées SI à S3 et les interféromètres Il à I3), ou en dérivation comme schématisé en figure 5 (sur la figure 5, la source unique est référencée S et l'interféromètre I, les branches comportant les fibres 2 et 4 étant reliées par des coupleurs à la branche comportant la fibre 3). Bien entendu, l'interféromètre de lecture est adapté, de façon connue pour l'homme de l'art, à ces différentes configurations. Dans le cadre de l'invention, une augmentation supplémentaire de la sensibilité et de la stabilité de mesure de l'accéléromètre peut être obtenue à l'aide d'une bobine de fibre supplémentaire, biréfringente et de même nature que la fibre de mesure, mais qui n'est pas soumise aux variations de pression dans le fluide, et dont Ies axes principaux de biréfringence sont croisés à 90 par rapport à ceux de la fibre de mesure. Cette bobine supplémentaire permet de compenser les déphasages parasites dus notamment aux variations de température. Dans le cas du montage en série ou en 'dérivation des différentes têtes de mesure, il suffit d'une seule bobine supplémentaire. Dans le cas du montage en parallèle, il en faut une pour chaque branche du montage. REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'accélérations selon au moins un axe, caractérisé par le fait qu'il consiste, pour chaque axe de mesure, à imposer une compression isotrope, fonction de l'accélération selon cet axe, à une fibre optique (15) sensible A une variation de pression en appliquant à partir de cet axe, une contrainte hydrostatique sur cette fibre, et à mesurer de façon optoélectronique les variations de paramètres physiques induites par les déformations de la fibre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mesure des déformations de la fibre est réalisée par interférométrie. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la mesure des déformations de la fibre est réalisée par polarimétrie. 4. Accéléromètre pour la mesure d'accélérations selon au moins un axe, caractérisé par le fait qu'il comporte, pour chaque axe de mesure, une masse mobile selon cet axe (14), cette masse étant solidaire d'un piston (15) pénétrant de façon étanche dans une enceinte (17) remplie d'un fluide (18) sensiblement incompressible, une fibre optique de mesure.(5) baignant dans ce fluide, cette fibre étant reliée, à l'extérieur de l'enceinte, à une source lumineuse (8) et à un interféromètre (10). 5. Accéléromètre selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la fibre optique est une fibre biréfringente à maintien de polarisation. 6. Accéléromètre selon la revendication 4 ou 5, caractérisé par le fait que la fibre optique a une structure anisotrope. 7. Accéléromètre selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisé par le fait que la fibre optique est une fibre à structure évidée (19) du type "FASE". 8. Accéléromètre selon l'une des revendications 4 à 7, pour des mesures d'accélérations selon plusieurs axes, caractérisé par le fait que les moyens de mesure selon les différents axes fournissent des mesures fortement découplées entre elles. 9. Accéléromètre selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte un dispositif de mesure par polarimétrie à l'aide d'une seule fibre optique. 10. Accéléromètre selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé par le fait qu'il comporte au moins une longueur de fibre supplémentaire ne baignant pas dans le fluide, pour compenser des fluctuations de température. 11. Accéléromètre selon l'une des revendications 4 à 10, pour des mesures d'accélérations selon plusieurs axes, caractérisé par le fait que les différentes fibres optiques de mesure relatives à chaque axe sont disposées en série (figure 1). 12. Accéléromètre selon la revendication 11, caractérisé par le fait que l'on dispose à la sortie de chaque fibre un point de couplage (11,12,13). 13. Accéléromètre selon l'une des revendications 4 à , pour la mesure d'accélérations selon plusieurs axes, caractérisé par le fait que les différentes fibres optiques de mesure relatives à chaque axe sont disposées en parallèle (figure 4). 14. Accéléromètre selon l'une des revendications 4 à , pour la mesure d'accélérations selon plusieurs axes, caractérisé par le fait que les différentes fibres optiques de mesure relatives à chaque axe sont disposées en dérivation (figure 5).