Brevet FR2645263A1 — publié le 19901005

CAPTEUR DE POSITION POUR GYROMETRE A LASER. La présente invention concerne un capteur de position optique destiné à mesurer, avec précision, par rapport à une référence fixe, la position du bloc optique d'un gyrolaser activé mécaniquement. Ce capteur présente l'avantage, par rapport aux techniques utilisées habituellement, d'être d'une réalisation très simple et économique et d'une très grande précision. Cette invention s'applique à tous les gyromètres à laser, triangulaires ou carrés, monoaxes ou multiaxes. Les gyromètres à laser, appelés dans ce qui va suivre gyrolasers, comportent genéralement: - un bloc optique, en matériau isolant et à faible coefficient de dilatation, dans lequel est aménagé un parcours optique, le plus souvent triangulaire ou carré, délimité par trois ou quatre miroirs, l'ensemble constituant une cavité optique résonnante, - un milieu amplificateur générant, dans la cavité optique, deux ondes lumineuses tournant en sens inverses l'une de l'autre, les interférences entre ces deux ondes permettant la mesure de la rotation du gyromètre autour d'un axe perpendiculaire au plan du parcours optique, - un dispositif de mélange des ondes lumineuses, pour créer des franges d'interférences sur un ensemble de cellules photoélectriques, le défilement desdites franges représentant la rotation angulaire du gyrolaser, et étant transformé par lesdites cellules photoélectriques en signaux électriques utilisables, - des moyens d'activation mécanique permettant de faire osciller le bloc optique par rapport à un support ou & un boitier fixé lui même sur un mobile - 2 - dont on veut - mesurer la vitesse angulaire, l'oscillation crée ayant pour but d'éviter les effets bien connus de blocage entre les deux ondes lumineuses, - des moyens d'asservissement de la longueur de cavité agencés de telle sorte que la fréquence de résonnance de la cavité optique corresponde à celle pour laquelle le gain du milieu amplificateur de lumière est "O maximum, - un boltier. Le milieu amplificateur est généralement constitué par une décharge électrique dans un mélange gazeux d'hélium et de néon. Cette décharge crée un plasma qui est lui-même lumineux et diffuse une lumière assez réguliére autour du bloc optique. 2 rLe mouvement d'oscillation mécanique du bloc optique crée une perturbation dans la mesure de la vitesse angulaire du gyrolaser et, pour obtenir une bonne précision, il est nécessalre de compenser cette perturbation. Divers procédés de filtrage existent pour cela. L'un de ces procédés consiste à soustraire de l'information de sortie du gyrolaser un signal proportionnel à la position angulaire du bloc optique par rapport à son boîtier. Pour cela, il faut disposer d'un capteur de position précis, sensible et stable dans le temps. Des capteurs & Jauges de contraintes ou à céramiques piézoélectriques ont été utilisés, mais ils ne présentent pas les caractéristiques de stabilité requises aujourd'hui. Des capteurs de vitesses électromagnétiques ont été utilisés avec succès, mais ils présentent l'inconvénient de créer un champ de fuite magnétique et de devoir être compensés en température. Leur prix de revient est assez -3- ^'[levé cause du prix de l'aimant et du soin à apporter à la réalisation de la bobine si l'on veut que ses performances soient stables en température. La présente invention apporte une solution qui ne met en oeuvre que des moyens extrêmement simples et dont la précision ne dépend que de la réalisation d'un cache mécanique. Cette solution présente en outre l'avantage d'étre très économique. Elle est basée sur le fait que le plasma du laser est une source de lumière diffuse capable de donner un éclairement régulier sur la surface de cellules photoélectriques du type de celles couramment utilasées pour faire le système de lecture desdlts gyrolasers. En plaçant donc un cache adapté sur le bloc optique, devant des cellules photoélectriques flxees sur le boltier du gyrolaser, orn peut obtenir des variations des signaux de sortie desdîtes cellules dépendant du déplacement du bloc optique par rapport au boitier. L'invention concerne donc un capteur de position optique pour gyrolaser du type susdit, caractérisé en ce qu'il comporte un cache solidaire du bloc optique et au moins une cellule photoélectrique, de préférence double, solidaire du boîtier, placée en regard de ce cache, et en ce que ledit cache masque en partie, pour ladite cellule photoélectrique, la lumière émise par le plasma du laser et diffusée par le bloc optique. Des modes de réalisation de l'invention seront décrits ci- après, & titre d'exemples non limtatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue de dessus d'un gyrolaser auquel s'applique l'invention, La figure 2 est une vue de côté du bloc optique d'un gyrolaser équipé d'un capteur de position selon 1l'invention, La figure 3 est une vue de dessus, au travers du bloc optique du gyrolaser, d'un premier mode de réalisation du capteur de positon selon l'invention, La figure 4 est une vue de dessus, au travers du bloc optique du gyrolaser, d'une première variante de réalisation du capteur de positon de la figure 3,. La figure S est une vue de dessus, au travers du bloc optique du gyrolaser, d'une seconde variante de réalisation du capteur de positon de la figure 3, et :5 La figure 6 est un schema de princlpe du traitement numérique qui peut être associé au capteur selon linvention. Comme precédemment mentionné, et ainsi que le montre la figure 1, un gyrolaser comprend notamment: - un bloc optique 1, réalisé dans un matériau isolant et étanche à l'hélium, généralement une céramique vitrifiée du genre "zerodur", dans lequel sont percés des conduits 2, débouchant sur des évidements 13, 14 et 15 fermés par des miroirs 3 dont un au moins est mobile et qui forment avec lesdits conduits 2 un parcours optique, triangulaire dans le cas de la figure 1, mais qui peut prendre tout autre forme, un même bloc optique pouvant comporter plusieurs parcours optiques. Un tel parcours optique forme une cavité optique résonnante. - des miroirs 3 dont l'un au moins est mobile dans une direction perpendiculaire à son plan. Ces miroirs sont généralement composés d'un substrat poli sur lequel est déposé un empilement de couches multldielectriques pour constituer la partie réfléchissante du miroir lui-même. - un système de sortie des informations placé sur l'un des miroirs 3 et comportant au moins un prisme de mélange 6 et un ensemble de cellules photoélectriques 7, ledit miroir étant légèrement transmettant, c'est-àdire pouvant laisser passer une partie de la lumière qu'il doit réfléchir. - une ou deux cathodes 4 fixées sur le bloc optique 1. - une ou deux anodes 5 également fixées sur le bloc optique 1. Ces cathodes et anodes constituent les électrodes du gyrolaser et sont reliées aux conduits 2 par des conduits de raccordements 7. Le bloc optique 1 est rempli d'un mélange gazeux généralement à base d'hélium et de neon. Un courant électrique passant entre les électrodes excite ce mélange gazeux et crée un plasma dans les conduits de raccordement 7 dans les conduits 2 et dans les deux évidements 13 et 14, plasma lui-même lumineux, et qui, en amplifiant la lumière, génère par effet laser, deux ondes lumineuses tournant en sens inverse dans la cavité optique. Ce bloc optique 1 est monté oscillant autour d'un axe B grâce à une roue d'activation. Celle-ci est composée, par exemple, d'une couronne extérieure 9, d'un moyeu central 10 et de lames élastiques 11 sur lesquelles sont collées des céramiques piézoélectrlques 12. La figure 2 montre en vue de c6té le principe du capteur selon l'invention. Celui-ci comporte: - une cellule photoelectrlque 16 de préférence double, ou éventuellement deux cellules séparées, solidaire d'une partie fixe 40 et placée en regard d'une des -6- faces 18 du bloc optique et de préférence en regard de l'une de ces faces principales perpendiculaires à l'axe 8 dudit bloc optique, de sorte qu'elle reçoive la lumière diffusée par le plasma du bloc optique, - un cache 17, collé, déposé, ou fixé par tout autre moyen, sur la face 18 du bloc optique devant laquelle se trouve la ou les cellules 16, de sorte que la lumière diffusée par le bloc optique et tombant sur la ou lesdites cellules soit en partie masquée. Dans la suite de la description, on ne considérera qu'une cellule double pour simplifier, mais il est évident que le capteur peut fonctionner avec deux cellules séparées ou même éventuellement une seule cellule simple dans la mesure ol'on ne recherche pas une trop grande précision. La figure 3 présente, en vue de dessus, une première réalisation de l'invention. La cellule double 16 comporte deux surfaces sensibles 19 et , sensiblement rectangulaires, de préférence identiques, et séparées par un intervalle aussi étroit que possible 21. Elle est placée de préférence en regard de l'un des coins du bloc optique ou se trouve l'un des évidemments 13 ou 14 traversé par le plasma et de sorte que l'intervalle 21 soit perpendiculaire au miroir 3 et que, si on le prolonge par une ligne fictive 22, celle-ci passe à proximité, ou rencontre, l'axe 8 du gyrolaser. Les surfaces sensibles 19 et 21 sont ainsi sensiblement parallèles à la face 18. Le cache 17 a une forme rectangulaire dont la grande dimension est placée sensiblement parallèlement à l'intervalle 21. Sa longueur est de préférence plus longue que la longueur des surfaces sensibles 19 et 20. Sa largeur est de préférence sensiblement identique à celle de l'une des surfaces sensibles 19 ou 20. Lorsque le gyrolaser n'est pas activé, le cache 17 est positionné de façon à recouvrir - 7 - environ la moitié de chacune des surfaces sensibles. Lorsque le gyrolaser est active, le mouvement d'activation crée un déplacement alternatif du cache 17 devant les surfaces sensibles 19 et 20, déplacement pratiquement perpendiculaire à l'intervalle 21, si bien que la lumière reçue par l'une diminue tandis que celle reçue par l'autre augmente et vice et versa. Le système est d'autant plus linéaire que les surfaces sensibles sont proches du cache. Une variante plus performante est présentée par la figure 4 et consiste en ce que le cache 17 est remplace par un cache 23 forme d'une large feuille de matériau opaque percé d'une ouverture rectangulaire 24 de forme et de position analogue à celle du cache opaque 17 de la figure 3. Le fonctionnement de cette variante est analogue et inversé par rapport au fonctionnement de la version précédente. La feuille de matériau opaque peut évidemment être remplacé par un depôt direct sur le bloc optique d'un matériau opaque, dépôt qui peut être obtenu par de tres nombreux moyens. Une troisième version présenté sur la figure 5 permet d'augmenter le rapport entre les variations de lumlère et la lumière totale reçue par les cellules. Elle consiste à utiliser un cache 25 également forme dans une feuille de matériau opaque ou par un dépot, mais muni d'une ouverture 26 en forme de fente fane et inclinée par rapport à l'intervalle 21. La longueur total de l'ouverture 26 est de préférence inférieure à celle des surfaces sensibles. Elle est inclinée de telle sorte qu'une de ses extrémités 27 se trouve toujours en regard de l'une des surface sensibles 19 par exemple et que son autre extrémité 28 se trouve toujours en regard de l'autre surface sensible 20. Au repos, la fente est pratiquement centrée et couvre également chacune des surfaces sensibles 19 et 20. Lorsque le gyrolaser est active, la lumière reçue par les surfaces sensibles éclairées par la fente augmente ou diminue de façon relativement plus importante que ci- dessus, par rapport à la valeur moyenne de la lumière reçue. Le système est d'autant plus efficace que l'angle fait par la fente 26 avec l'intervalle 21 est réduit. La limite dépend du debattement' total du bloc optique qui doit maintenir les deux extrémités 27 et 28 de ladite fente en regard de chacune des surfaces sensibles. Dans le cas o la linéarité s'avérerait insuffisante du fait d'un éclairement irrégulier de la fente 26 par le plasma, il est possible d'y remédier en donnant une courbure corrective à ladite fente. Il est encore plus 2 simple d'y remédier par un traitement numérique des informations de sortie. La figure 6 présente le principe du traitement numérique qui peut être associé à l'une quelconque des variantes du capteur de position optique de l'invention. On y trouve un convertisseur analogique numérique multiplexé ou à deux voies, 29, qui reçoit les signaux issus des surfaces sensibles 19 et 20. Ce convertisseur 29 fournit sur sa sortie 32 les informations numérisées à un processeur 33 qui calcule la somme et la différence des intensités lumineuses reçues par chacune des deux cellules. Il effectue ensuite une mise à l'échelle de la différence des intensités qui représente la position du gyrolaser à l'aide de la somme desdites intensités. L'information résultante est envoyée sur la sortie 34, ou utilisée pour d'autre calculs. REVENDICATIONS 1. Capteur de position optique pour gyromètre à laser du type comprenant: - un bloc optique (1) comportant au moins une cavité optique, à l'intérieur de laquelle sont engendrées, grâce à un milieu amplificateur, deux ondes laser inverses, - au moins un miroir mobile à moteur piézoelectrique, - un dispositif de mélange des ondes lumineuses, - des moyens d'activation mécanique, - des moyens d'asservissement de la longueur de cavité, - un boîtier, caractérisé en ce qu' il comporte un cache solidaire du bloc optique et au moins une cellule photoélectrique, de préférence double, solidaire du boitier, placée en regard de ce cache, et en ce que ledit cache masque en partie, pour ladite cellule photoélectrique, la lumière émise par le plasma du laser et diffusée dans le bloc optique. 2. Capteur de position optique pour gyromètre à laser selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule photoélectrique (16) comporte deux surfaces sensibles, (19 et 20) de préférence rectangulaires, situees côte à côte par l'un de leur plus grand côté et séparées par un intervalle fin (21), et en ce que le cache (17) a la forme d'un rectangle dont la plus grande dimension est parallèle à l'intervalle (21), et dont la plus petite dimension est sensiblement égale à la plus petite dimension de l'une des surfaces sensibles, (19, 20) la plus grande dimension étant de préférence supérieure à - 10 - la plus grande dimension desdites surfaces sensibles. 3. Capteur de position optique pour gyrométre à laser selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un cache (23) qui couvre très largement la surface des cellules photoélectriques et qu'il est muni d'une ouverture rectangulaire (24) dont la plus grande dimension est parallèle à l'intervalle (21), et dont la plus petite dimension est sensiblement égale à la plus petite dimension de l'une des surfaces sensibles (19, ), la plus grande dimension étant de préférence supérieure à la plus grande dimension desdites surfaces senslbles. 4. Capteur de position optique pour gyromètre à laser selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un cache (25) réalisé en matériau opaque et de préférence par un dépôt, ledit cache étant muni d'une ouverture (26) en forme de fente fine et inclinée par rapport à l'intervalle (21), la longueur total de l'ouverture (26) étant de préférence inférieure à celle des surfaces sensibles, ladite fente étant inclinée de telle sorte qu'une de ses extrémités (27) se trouve toujours en regard de l'une des surface sensibles (19) par exemple et que son autre extrémité (28) se trouve toujours en regard de l'autre surface sensible (20). 5. Capteur de position optique pour gyromètre à laser selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que un traitement numérique effectue une mise à l'échelle de la différence des intensités reçues par les cellules photoélectriques à l'aide de la somme desdites intensités.