Brevet FR2654828A1 — publié le 19910524

La présente invention cono Erne le domaine de la mesure de la direction et de l'amplitude de petits déplacements. Elle trouve des applications dans le domaine de la mesure de la force et de la direction du vent, c'est-à-dire à la fabrication d'arénmomtregirouette; de la mesure du débit d'un fluide; de la détection du déplacement imprimé à un manche à balai de téléxomande, par exemple un "joystick" de jeu électro- nique Un objet de la présente invention est de fabriquer un tel capteur qui soit particulièrement simple et compact. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel capteur qui soit pratiquement irnsnchle à des parasites électrmnagxntiques, tels que des parasites atmsphériques. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un tel capteur qui soit utilisable dans des e roexloents sévè- res de température et d'humidité, et qui notamment soit peu sen- sible au givre et pouvant donc être utilisé en montagne ou en mer. Pour atteindre des objets ainsi que d'autres, la pré- sente invention prévoit un capteur de direction et d'amplitude d'un déplacement comprenant un miroir solidaire d'un élément mobile et un ensemble photoémetteur et photoréepteur solidaire d'un repère fixe; oet ensemble cxnomprend une fibre optique oentrale émettant un cône de lumière vers le miroir et des fibres optiques réceptrices dont chacune est en contact avec la fibre oentrale; le miroir est circulaire et son diamètre et sa distance axiale de l'extrémité des fibres sont tels, en position centrée, que son diamètre oorrespxn sensiblement à oelui du cône de lumière émis par la fibre centrale et que le cone de lumière renvoyé tangente sensiblement les bords radiaux externes des fibres réceptrioes; un capteur optoélectronique est associé à chacune des fibres réceptrices. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la lumière émise par la fibre optique centrale provient d'une diode électroluminesoente. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les fibres éme L Lrice et réceptrices sont de même diamètre, les fibres réceptrices étant au nombre de six. Selon un nmode de réalisation de la présente invention, les fibres émettrioe et réceptrioes sont des fibres à saut d'indioe dont les extreites sont dénudées et accollées. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le miroir est monté sur la paroi transversale extrme d'un tube, perpendiculairement à l'axe de ce tube et de façn oentrée, l'autre extrémité de ce tube étant enastrée dans une embase, les fibres optiques ayant leurs extr Lnités à l'intérieur dudit tube et tournes vers le miroir. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les fibres optiques sont disposées à l'intérieur d'un deuxième tube disposé à l'intérieur du premier tube et solidaire du support. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'extrémité du premier tube opposée à son extrmité encastrée est prolongcée par un bras soumis à une foroe externe. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la paroi externe du tube ou le bras est soumis à l'action d'un écoulement de fluide, d'o il résulte que ledit capteur constitue un aréntxtre-girouette ou un débitmètre. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'extrémité du bras est munie d'un moyen de préhension, d'o il résulte que le capteur cxnstitue un manohe à balai. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention apparaitront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: la figure 1 est une vue en perspective illustrant un schéma de principe d'un capteur selon la présente invention en position de repos; la figure 2 est une vue analogue à la figure 1, dans le cas oa le capteur détecte un déplacement; la figure 3 est une vue en bout d'un faisoeau de fibres utilisé dans un capteur selon la présente invention; et la figure 4 illustre un exemple de montage d'un capteur selon la présente invention. La figure 1 est une vue en perspective illustrant un nmode de réalisation d'un capteur selon la présente invention o Exprenant sept fibres optiques identiques 1 à 7 Les fibres 2 à 6 entourent la fibre centrale 1, c'est-àdire que chacune des fibres 2 à 7 touche, au moins au niveau de son extrémité, la fibre centrale 1 et deux des fibres périphriques adjaoentes. Ces sept fibres sont coupées pour que leurs extrémités soient situées sensiblement dans un mûme plan ort Aogonal à leur axe L'autre extrémité de la fibre centrale 1 est associée à un photoémetteur (non représenté) et l'autre extrémité de chacune des fibres 2 à 7 est associée à un photodétecteur (non repré- senté). Le faisoeau lumineux issu de la fibre 1 est dirigé vers un miroir circulaire 10 qui, au repos, est centré sur l'axe de la fibre 1 et orthogonal à oelui-ci La dimension de oe miroir 10 est choisie pour qu'elle corresponde à l'intersection de son plan avec le côoe de lumière 11 émis par la fibre 1 La distance entre le plan du miroir 10 et le plan d'extrémité des fibres 1 à 7 est telle que le cfoe de lumière 12 renvoyé par oe miroir coupe le plan des extrémités des fibres selon un cercle 13 circonscrit aux régicns utiles (coeur) des fibres 2 à 7 (voir figure 3) Ainsi, dans cette onfiguration, toutes les extrémités des fibres réceptrioes scnt complètement éclairées et reçoivent la même quantité de lumière. La figure 2 représente le cas o le miroir 10 a été déplacé en translation vers la droite par rapport à sa position de repos de la figure 1 Le cfie de lumière émis par la fibre 1 n'est pas modifié et seule une partie du miroir 10 sera éclairée tandis que les fibres situées à gauche sur la figure (fibres 2, 3 et 7) seront seulement partiellement éclairées et que les fibres 4, 5 et 6 continueront à recevoir la même quantité de lumière. Dans la vue de dessus de la figure 3, la tache lumineause au niveau du plan de l'extrémité des fibres correspoxd alors à l'intersection du cercle 13 prééedanennt mentionné et d'un cercle 14 décalé vers la droite. Les variations d'intensité lumineuse sur les capteurs associés aux fibres 2 à 7 faourniront donc une indicaticn de la quantité de déplacement du miroir 10 ainsi que de la direction de oe déplacement Des circuits de traitement et un progra-mme approprié permettr Lzt de fournir directement des indications sur les valeurs d'amplitude et de direction du déplacement, en fncrtion de valeurs précalculées ou, de préférence, de résultats expérimentaux. Pour obtenir des indications bien reproductibles, il est souhaitable que la lumière projetée sur les faces avant des fibres réceptrices soit hcnxxpoe Ainsi, on préférera injecter dans la fibre émettrice 1 la lumière provenant d'une diode élec- troluminesoente plutôt que d'une diode laser En effet, dans oe dernier cas, le faisoeau émis est gérraleent affecté de granu- larité. Les figures 1 et 3 précédmnaent décrites étaient forte- ment schematiques et destinées à bien faire comrnnrre le fconc- tionement du capteur selon l'invention La figure 4 illustre un mode de réalisation de capteur selon l'invention Ce capteur lomprend une embase 20 solidaire d'un bâti fixe dans laquelle est e astré un tube cylindrique 21 Ce tube peut par exemaple être en acier iroxydable et est susceptible d'être soumis à une force dont on veut déterminer l'intensité et l'orientation L'extrémité du cylindre 21 opposée à sa région d'ercastroemnt est fermé par une paroi transversale 22 qui porte sur sa faoe inférieure le miroir 10 dont la face réflectrioe est tournée vers le bas dans la représentation de la figure. Le faisoeau de fibres est inséré à l'intérieur d'un deuxième tube 23 solidaire de l'aembase fixe 20, l'extrénité des fibres étant tournée vers le miroir 10. Ainsi, quand une force latérale est appliquée au tube 21, celui-ci se déforme à la façon d'une poutre et le miroir 10 se déplace essentiellement en translation dans son plan. On pourra utiliser des fibres nues aocollées Ces fibres peuvent être du type à saut d'indi ce, coeprenant chacune un coeur (figuré en hachures noires en figure 3) et une paroi externe On pourra choisir des fibres dont le coeur présente un diam"tre de 100 à 200 pm et dont le diamètre externe est de 140 à 280 pm, respectivement, ces fibres étant commercialement dispo- nibles Le miroir, dont les dimensions sont sélectionnées en fonction des indications données précédef ment, pourra avoir un diamètre de l'ordre de quelques oentaines de pm et être placé à une distanhe de quelques dixièmes à quelques millimètres de l'extrémité des fibres On pourra ainsi détecter des déplacements latéraux du miroir de l'ordre de grandeur du diamètre des fibres, c'est-à-dire de l'ordre de une à quelques centaines de micro- mètres Le tube pourra avoir une longueur de quelques dizaines de cm et une épaisseur de paroi de quelques dizièmes de mm. On a indiqué précéd ent que le miroir doit embrasser sensiblement exactement le cône lumineux émis par la fibre 1, oe miroir peut toutefois avoir des dimensions légèrement infé- rieures, ce qui charge seulement l'étalonnage du système et l'amn- plitude des déplacents observables Par contre, si le miroir a une dimension supérieure, il existera une zone morbrte en début de déplacement, ce qui peut être utile dans oertaines applications. En outre, bien que l'on ait indiqué prcds t que l'on utilise des fibres nues, on pourra aussi utiliser des fibres optiques munies de leur gaine usuelle Toutefois, l'utilisation de fibres nues est le mode de r 4 alisation actuellement pré- féré par les demandeurs En effet, un mode de réalisation de 1 'assemblage de fibres cinsiste à dénuder celles-ci sur une longueur de par exemple une dizaine de centimétres, puis à apposer une goutte de colle à l'endrxoit de la jontion des fibres, celles-ci s'accollant automanatiquement par capillarité pour fournir un assemblage dont on peut voir l'extrémité en figures 1 et 2 Ensuite, l'extxmnité des fibres accolées peut être repolie. Parmi les avantages de la présente invention, on peut mentionner que, du fait de l'angle d'ouverture limité des fibres (couramment de l'ordre de 20 ), même s'il se produit des réfle- xions parasites sur les bords du miroir et les parois internes du tube 21, la lumière résultant de ces réflexions et dirigée vers les fibres réceptrices arrivera selon une forte probabilité selon une irncid Proe non acceptée par oes fibres Il y a dcoe là une protection naturelle contre la lumière parasite. D'autre part, dans le mode de réalisation de la figure 4, l'ensemble du système de détection est protégé de l'atmcs re ambiante par le tube 21 sensible à l'application d'une force externe L'intérieur de oe tube 21 peut par exemanple être rempli d'un gaz neutre. En outre, comme cela est classique quand on utilise pour une détection des fibres optiques, le pihtoémetteur, les photorécepteurs et les circuits électroniques associés peuvent être places à distance par rapport au capteur de foroe lui-même, dans une enceinte électriquement blindée. De capteur selon l'invention peut trouver de nombreuses applications. Par exemple, le tube 21 peut être inséré par un joint étanche dans une canalisation o l'on veut mesurer le débit, la déformation du tube étant assurée par la pression du fluide. De même, le tube 21 pourra être placé dans l'atnxospihre ambiante pour être sensible au vent et constituer une girouette- anémomitre Dans ce cas, on pourra prévoir, de façon solidaire de la partie supérieure du tube un élément plus sensible au vent tel qu'une boule, par exemple du type balle de golf. Selon une autre application de l'invention, le tube 21 peut être prolongé par un manche ou constituer lui-mème ce manche, et le capteur fournira une ndixcation des pressions appliquées au manche pour fournir un système de téléecmnrde, par exemple du type des joysticks utilisés pour les jeux vidéo. Bien entendu, la présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications qui apparaitront à l'homme de l'art, notamment en ce qui oncernre la nature des matériaux et des fibres utilisées Par exemple, on a supposé précdsmmanent que la fibre émettrice était de mnme diamètre externe que les fibres réceptrices On peut prévoir que oes fibres ont des diamntres différents Si les fibres réceptrices ont un diamètre inférieur à la fibre émettrice, on pourra placer un plus grand nombre de fibres réceptrices autour de la fibre émettrice et in'verseent si les fibres réceptrices ont un diamètre supérieur. De plus, bien que les fibres réceptrices aient été décrites comme adjacentes les unes aux autres on pourra choisir de les espacer, par exemple par des fibres neutres. D'autre part, on a essentiellement décrit le cas o le miroir 10 est mis en translation dans son plan Il est clair que la présente invention permettr L La de détecter des rotations de oe miroir, à condition de prévoir un étalonnage approprié. REVENDICATIONS 1 Capteur de direction et d'amplitude d'un déplacement cxmprenant un miroir solidaire d'un élément mobile et un ensemble iphotometteur et photorécepteur solidaire d'un repère fixe, caractérisé en oe que: ledit ensemble comprend une fibre optique centrale ( 1) émettant un cône de lumière vers le miroir ( 10) et des fibres optiques réceptrices ( 2 à 7) dont chacune est en contact avec la fibre centrale; le miroir est circulaire et son diamètre et sa distance axiale de l'extrémité des fibres sont tels, en position centrée, que son diamètre correspond sensiblement à oelui du câne de lumière ( 11) émis par la fibre centrale et que le cne de lumière ( 12) renvoyé tangente sensiblement les bords radiaux externes des fibres réceptrices; et un capteur optoélectronique est associé à chacune des fibres réceptrices. 2 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lumière émise par la fibre optique centrale provient d'une diode électroluminesoente. 3 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres émettrice et réceptrioes sont de même diamètre, les fibres réceptrioes étant au rxombre de six. 4 Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les fibres émettrice et réceptrices sont des fibres à saut d'indioe dont les extrémités sont dénudées et ac:ollées. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le miroir ( 10) est monté sur la paroi transversale extrême ( 22) d'un tube ( 21), perpendiculairement à l'axe de ce tube et de façon centrée, l'autre extrémité de ce tube étant encastrée dans une embase ( 20), les fibres optiques ( 1 à 7) ayant leurs extré- mités à l'intérieur dudit tube et tournres vers le miroir. 6 Capteur selon la revpedi naticn 5, caratérisé en ce que les fibres optiques sont disposées à l'intérieur d'un deu- xième tube ( 23) disposé à l'intérieur du premier tube et soli- daire du support. 7 Capteur selaon la revendication 5, caratérisé en ce que l'extrémité dudit tube opposée à son extréité encastrée est prolongcée par un bras soumis à une force externe. 8 Capteur selon la revendication 7, caractérisé en oe que la paroi externe du tube ou le bras est soumis à l'action d'un écoulemaent de fluide, d'o il résulte que ledit capteur constitue un anérmomtre-girouette ou un débitmètre. 9 Capteur selon la revendication 7, caractérisé en oe que l'extrémité du bras est munie d'un moyen de préhension, d'o il résulte que le capteur constitue un manche à balai.