Brevet FR2653254A1 — publié le 19910419

La présente invention concerne un dispositif pour effectuer, au moyen d'un capteur optique polarimétrique, la mesure d'une grandeur physique et la transmission à distance de la valeur relevée. Les capteurs optiques polarimétriques incorporées dans de tels dispositifs comprennent un corps en une matière transparente qui, lorsqu'il est soumis à l'action d'une grandeur physique, par exemple un champ électrique, un champ magnétique, une pression, une température et analogue, présente une bi-réfraction linéaire ou circulaire telle, qu'il se produit une altération de la polarisation d'un rayon de lumière polarisée qui le traverse. En particulier, cette altération varie en fonction de la valeur de la grandeur physique à laquelle ledit corps de matière transparente est soumis. Plus les dimensions du corps en matière transparente du capteur sont importantes, d'autant plus grand est le trajet du rayon de lumière polarisée soumis à l'action du champ de la grandeur physique, et d'autant mieux le capteur est capable de détecter les plus petites variations pouvant se produire dans le champ de cette grandeur physique. Toutefois, plus les dimensions du corps de matière transparente du capteur sont importantes et plus sont importantes par conséquent les dimensions des éléments nécessairement associés à ce capteur immergés dans le champ de la mesure à effectuer, d'autant plus importante est la perturbation provoquée à l'intérieur de ce champ et d'autant plus large est la tolérance de la valeur relevée de la mesure. Ceci signifie que la valeur de la tolérance de 2 2653254 relevé de la mesure croit avec l'encombrement du capteur optique et des éléments qui lui sont nécessairement associés et ceci comporte une diminution de la précision du capteur optique à mesure que l'encombrement de l'ensemble augmente. On connaît des dispositifs qui non seulement effectuent la mesure d'une grandeur physique par des capteurs optiques polarimétriques mais transmettent également à distance la valeur relevée de cette mesure à travers des fibres optiques. Pour la transmission à distance, les dispositifs connus utilisent un élément séparateur de polarisation qui parvient à subdiviser la lumière polarisée qui sort du capteur optique, après l'avoir simplement traversée dans un seul sens, en ses deux composantes orthogonales polarisées et passant dans deux fibres optiques de transmission à distance, une fibre pour chaque composante. En outre, pour résoudre le problème de la compensation des variations accidentelles des signaux de mesure qui peuvent se produire sous l'effet des influences négatives exercées par l'environnement dans lequel lesdites fibres optiques de transmission à distance sont placées, on utilise une fibre optique supplémentaire de transmission à distance d'un rayonnement optique de référence et un miroir fixe associé au capteur sensible pour réfléchir et retransmettre le long de cette fibre optique complémentaire ledit rayonnement optique de référence. Ce qui précède implique la présence de connecteurs optiques étroitement associés au capteur optique polarimétrique pour relier celui-ci aux fibres optiques de transmission à distance, ce qui augmente d'autant l'encombrement de l'ensemble formé par ces éléments en raison de l'existence des connecteurs optiques. La présence de cet ensemble d'éléments mentionné ci-dessus dans le champ de la grandeur physique dont on souhaite relever la mesure, provoque des altérations indésirables de la valeur de celle-ci, en raison de l'encombrement relativement important de tous ces éléments et par conséquent diminue la précision de mesure du dispositif dans son ensemble. En outre, la présence de plusieurs fibres optiques, lesquelles, comme on le sait, ne peuvent pas être soumises à une flexion accentuée, augmente encore davantage l'encombrement du dispositif en réduisant encore plus la précision de la mesure et, par ailleurs, cet encombrement important peut rendre le dispositif inutilisable dans le cas o le champ dans lequel la mesure doit être effectuée est placé à l'intérieur d'un environnement de dimensions extrêmement réduites. Les dispositifs connus, sommairement décrits ci-dessus, qui effectuent la mesure d'une grandeur physique au moyen de capteurs optiques polarimétriques et transmettent à distance la valeur de cette mesure relevée présentent en effet une précision de mesure non satisfaisante, précisément en raison de l'encombrement relativement élevé de l'ensemble d'éléments qui sont immergés dans le champ de la grandeur physique à mesurer. Le but de l'invention est de proposer un dispositif pour effectuer la mesure d'une grandeur physique et la transmission à distance de la valeur relevée de celle-ci qui présente une précision associée à un minimum d'encombrement amélioré par rapport à celle des dispositifs connus, tout en compensant, comme ces derniers, toute variation accidentelle possible intervenant pendant la transmission à distance ainsi que toute variation accidentelle dans l'émission des sources de rayonnements optiques utilisées. L'objet de la présente invention est un dispositif pour effectuer la mesure d'une grandeur physique et la transmission à distance de la valeur relevée de cette 4 2653254 mesure comprenant une source de rayonnement optique de référence et une source de rayonnement optique de mesure, un ensemble comprenant un polariseur avec un capteur optique polarimétrique qui lui est associé et dont partent des signaux optiques en fonction de la valeur de la grandeur physique à mesurer, des moyens de liaison optique étant prévus entre lesdites deux sources de rayonnement optique et ledit ensemble comprenant un polariseur associé au capteur optique polarimétrique et entre cet ensemble et un circuit de traitement des signaux optique, ledit dispositif étant caractérisé par le fait que les moyens de liaison optique entre les deux sources de rayonnement optique et l'ensemble de polariseur associé au capteur optique polarimétrique et entre cet ensemble et le circuit de traitement des signaux optiques sont constitués par une seule fibre optique, un miroir réfléchissant uniquement le rayonnement émis par la source optique de référence étant interposé entre la fibre optique et 1 capteur optique polarimétrique et un miroir réfléchissant uniquement le rayonnement émis par la source optique de mesure étant associé au capteur optique polarimétrique sur la face de ce capteur la plus éloignée de la fibre optique. La présente invention sera mieux comprise par la description détaillée qui va suivre donnée à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel: la figure 1 représente schématiquement une forme particulière de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention; et la figure 2 représente un détail d'une variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention. Le dispositif conforme à la présente invention dont la figure 1 représente un mode de réalisation particulier, comprend un premier élément 1, pouvant être mis en place dans le champ de la grandeur physique à mesurer, relié au 2653254 moyen d'une seule fibre optique 2 de longueur quelconque à un deuxième élément 3 disposé à une position éloignée par rapport audit champ de la grandeur physique, contenant les circuits de traitement des signaux et les sources de rayonnement optique d'émission desdits signaux de mesure et de référence. Le second élément 3, décrit en détail plus loin, comprend deux sources de rayonnement optique, par exemple deux diodes laser différentes, à savoir une première source de rayonnement optique 4 appelée ici source de rayonnement optique de référence à longueur d'onde XA1 et une une deuxième source de rayonnement optique 5, appelée ici source de rayonnement optique de mesure à longueur d'onde AX2. Comme on le voit sur la figure 1, le premier élément 1 comprend, à partir de la position dans laquelle la fibre optique 2 pénètre en son intérieur, une lentille de collimation 6 qui, à l'avant de sa face orientée vers la fibre optique 2, est munie d'une couche ou d'une lamelle 7 qui fait office de miroir rfléchissant pour le rayonnement optique de référence uniquement et qui, par contre, est transparent pour ce qui concerne le rayonnement optique de mesure. En aval de la lentille de collimation 6 se trouve un polariseur 8 qui communique, à travers une lamelle 9 capable de provoquer un retard entre les deux composantes orthogonales entre elles de la lumière polarisée qui traverse cette lamelle, avec un capteur optique 10. La lamelle 9 fait face au côté du capteur optique 10 orientée vers le polariseur et sur le côté opposé de ce dernier qui est son côté le plus éloigné de la fibre optique, est appliqué un miroir il réfléchissant le rayonnement optique de mesure et complètement transparent pour ce qui concerne les traces éventuelles du rayonnement optique de référence qui auraient réussi à passer à travers la couche ou la lamelle 7. En variante, la lamelle 9, qui en provoquant un retard entre les deux composantes orthogonales entre elles de la lumière polarisée, engendre une lumière polarisée elliptiquement, peut être fixée au capteur optique lo. Selon une variante de réalisation non représentée sur les dessins, la lamelle 9 est absente, et ceci a lieu dans le cas o la grandeur physique à mesurer est sensible à une lumière polarisée linéairement et insensible à une lumière polarisée elliptiquement. Le second élément 3, incorpore en plus des deux sources optiques de référence 4 et 5, les circuits et les composants optiques et électroniques pour l'envoi et le traitement des signaux qui donnent la valeur de la grandeur à mesurer. Plus particulièrement, la structure du second élément 3 est la suivante. En aval des sources de rayonnement optique de référence 4 et de mesure 5 se trouve un coupleur optique 12 en Y qui relie ces sources à la fibre optique 2 de transmission à distance qui est donc la seule fibre optique utilisée dans le dispositif pour connecter entre eux les éléments 2 et 3 de celui-ci. A l'intérieur de l'élément 3, inséré dans la fibre optique 2, se trouve un coupleur optique en X 13. Le coupleur optique en X 13 qui, comme on le sait, est constitué par exemple de deux tronçons de fibre optique placés côte à côte et réunis entre eux sur un certain trajet par un contact direct entre ce que l'on appelle les "noyaux" de ces tronçons, est inséré dans la fibre optique 2 de telle manière que l'un de ses deux tronçons de fibre optique se trouve inséré en série dans celle-ci. Aux deux extrémités de l'autre tronçon de fibre optique du coupleur en X 13 sont connectés respectivement des coupleurs en Y 14 et 15 de type connu en soi et de type sélectif aux rayonnements optiques qui les traversent, c'est-à-dire capables de faire passer dans une branche le seul rayonnement de longueur d'onde XA1 et dans l'autre branche le seul rayonnement de longueur d'onde X2. Plus particulièrement, le coupleur en X 13 est connecté aux branches des coupleurs en Y 14 et 15 de type sélectif aux rayonnements optiques. Par contre, sur les branches des coupleurs en Y de type' sélectif 14 et 15 sont connectés des détecteurs; plus particulièrement sur les branches du coupleur en Y 14 sont connectés les détecteurs 16 et 17 tandis que sur les coupleurs en Y 15 sont connectés les détecteurs 18 et 19. En aval des détecteurs 16, 17, 18 et 19 se trouvent respectivement les amplificateurs 20, 21, 22 et 23. Les amplificateurs 20 et 21 sont connectés à un circuit diviseur 24 et les amplificateurs 22 et 23 sont connectés à un circuit diviseur 25, et à leur tour les deux circuits diviseurs 24 et 25 sont connectés à. un autre circuit diviseur 26. Les signaux à la sortie du circuit diviseur 26 sont fonction des valeurs de la grandeur physique mesurée. Lorsque cela est nécessaire pour la visualisation, les signaux à la sortie du circuit diviseur 26 entrent dans un circuit comparateur 27 auquel est connecté un circuit de mémoire 28 qui contient une échelle de valeurs de la grandeur à mesurer et à la sortie du circuit comparateur 27 peut être lue la valeur de la grandeur physique examinée. Le fonctionnement du dispositif selon l'invention représenté sur la figure est le suivant. Les sources optiques de rayonnement de référence 4 et de mesure 5 émettent des rayonnements optiques de longueur d'onde respectivement X1 et A2 qui sont 8 2653254 introduits tous deux dans la fibre optique 2. En parcourant la fibre optique 2, les deux rayonnements optiques de mesure et de référence doivent passer entre le coupleur optique en X 13 qui, de par sa nature, est de type directionnel pour ce qui concerne les rayonnements qui le traversent. Entre le coupleur optique en X 13 les deux rayonnements optiques de mesure et de référence sont subdivisés de manière prédéterminée, par exemple en deux parties égales, et envoyés tous deux vers les deux seuls parcours optiques possibles qui sont disponibles. Les deux parcours optiques possibles, dans le cas o les rayonnements optiques parcourent le coupleur optique en X 13 provenant du coupleur optique en Y 12, en raison de la nature intrinsèque de tout coupleur en X et du mode d'insertion particulier de ce coupleur en X représenté sur la figure 1, sont la fibre optique 2 en aval du coupleur en X et la branche de celui-ci connectée au coupleur sélectif en Y 15. Les rayonnements optiques de mesure et de référence, après avoir parcouru la fibre optique 2, atteignent l'élément 1 du dispositif qui est immergé dans le champ de la grandeur physique à mesurer et pénètrent dans ledit élément 1. En entrant dans l'élément 1, les rayonnements optiques de mesure et de référence rencontrent d'abord le miroir 7 appliqué sur la face de la lentille de collimation 6 orientée vers la fibre optique 2. Le miroir 7, comme cela a été mentionné précédemment, réfléchit de façon substantielle uniquement le rayonnement optique de référence dont la longueur d'onde est A1 et laisse passer presque totalement le rayonnement optique de mesure dont la longueur d'onde est Xa2. Le rayonnement optique de mesure est collimaté par 9 2653254 la lentille 6 sur le polariseur 8 dont sort par conséquent un rayonnement optique polarisé. Ce dernier, avant de pénétrer dans le capteur optique polarimétrique, traverse la lamelle 9 qui provoque un retard entre les deux composantes orthogonales entre elles de la lumière polarisée qui la traverse, de manière à engendrer à la sortie de cette lamelle un rayon polarisé elliptiquement. Le rayonnement optique de mesure pénètre ensuite dans le capteur optique polarimétrique et atteint la face de celui-ci qui est la face opposée-à celle orientée vers la lamelle 9 o elle rencontre le miroir 11 appliqué sur cette face. Comme cela a été mentionné précédemment, le miroir il réfléchit le rayonnement optique de mesure et laisse passer vers l'extérieur de l'élément 1 les traces éventuelles d'une rayonnement optique de référence qui aurait réussi à passer à travers le miroir sélectif 7. Par conséquent, le rayonnement optique de mesure ayant été réfléchi par le miroir il parcourt, en sens inverse, le capteur optique polarimétrique. Après avoir parcouru dans les deux sens ce capteur optique polarimétrique, ce qui permet d'avoir un parcours du rayonnement optique à l'intérieur de ce capteur égal au double de sa longueur, et par conséquent d'obtenir pour la lumière polarisée soumise à l'influence de la grandeur physique à mesurer un parcours beaucoup plus grand que les dimensions de ce capteur lui-même, le rayonnement optique de mesure retourne dans la fibre optique 2. En retournant dans la fibre optique 2, le rayonnement optique de mesure parcourt cette dernière et entre dans le coupleur en X 13. En rentrant dans le coupleur optique en X 13, le rayonnement optique de mesure, provenant du capteur optique polarimétrique 10, est contraint de suivre et de se subdiviser à l'intérieur des deux seuls parcours optiques disponibles pour un rayonnement à l'entrée de la face du coupleur en X orientée vers ledit élément 1, à savoir le tronçon de fibre optique 2 interposé entre le connecteur optique en X 13 et le coupleur optique en Y 12 et la branche du coupleur optique en X connectée au coupleur en Y 14 qui est sélectif pour ce qui concerne les longueurs d'onde 14. Dans le coupleur optique en X 13 pénètre également le rayonnement optique de référence réfléchi par le miroir 7 de l'élément 1 et ce rayonnement est également contraint de suivre les mêmes parcours optiques disponibles que ceux suivis par le rayonnement de mesure à son retour de l'élément 1. Par conséquent, le rayonnement optique de référence également, après son entrée dans le coupleur en X 13, est divisé en deux parties: l'une qui entre dans le tronçon de fibre optique 2 interposé entre le coupleur en Y 12 et l'autre qui est envoyée en même temps que le rayonnement optique de mesure à son retour de l'élément 1, dans le coupleur en Y 14 sélectif pour ce qui concerne les longueurs d'onde. Le coupleur en Y 14 sélectif pour ce qui concerne les longueurs d'onde sépare entre eux les rayonnements optiques de mesure et de référence à son retour de l'élément 1 et donc du capteur optique et les envoie respectivement vers les détecteurs 16 et 17. Plus particulièrement, dans le mode de réalisation représenté sur la figure 1, le rayonnement optique de référence à son retour de l'élément 1 est envoyé au détecteur 16, tandis que le rayonnement optique de mesure à son retour de l'élément 1 qui contient la valeur de la mesure de la grandeur physique est envoyé au détecteur 17. Le coupleur en Y 15 qui sélectionne les longueurs d'onde provenant des sources de rayonnement optique 4 et 5 les sépare entre eux et les envoie aux détecteurs 18 et 19. Plus particulièrement, au détecteur 19 est envoyé le rayonnement optique de mesure provenant directement de la source 5 tandis qu'au détecteur 18 est envoyé le rayonnement optique de référence provenant directement de la source 4. Les détecteurs 15, 16, 17 et 18 transforment les signaux optiques reçus en signaux électriques qui sont o10 amplifiés respectivement par les amplificateurs 20, 21, 22 et 23. Les signaux amplifiés provenant des détecteurs 16 et 17 sont introduits dans le circuit diviseur 24 qui émet un signal fonction du rapport entre les signaux de référence et de mesure provenant de l'élément 1 et donc du capteur optique polarimétrique immergé dans le champ de la mesure physique à relever. Par contre, les signaux amplifiés provenant des détecteurs 18 et 19 sont introduits dans l'autre circuit diviseur 25 qui émet un signal qui est fonction du rapport entre les signaux de référence et de mesure émis par les deux sources de rayonnement optique. Le signal qui est fonction du rapport à la sortie du circuit diviseur 24 en tant que tel est de toute évidence un signal épuré des variations accidentelles qui auraient pu se produire entre les signaux ayant transité le long de la fibre optique 2. A son tour, le signal fonction du rapport à la sortie du circuit diviseur 25 en tant que tel est lui aussi, de toute évidence, un signal épuré des variations accidentelles provoquées par des causes accidentelles qui auraient pu intervenir dans les émissions des sources de rayonnement optique 4 et 5. Les signaux fonction du rapport à la sortie des circuits diviseurs 24 et 25 pénètrent dans le circuit 12 2653254 diviseur 26 qui émet un signal qui est fonction directe de la valeur de la grandeur physique mesurée, épuré de toute variation intervenue sur son parcours le long de la fibre optique 2 et à l'intérieur des sources de rayonnement optique 4 et 5. Le signal émis par le circuit diviseur 26 (lequel, si on le souhaite, peut être directement utilisé comme fonction de la valeur de la grandeur physique mesurée) entre dans le circuit comparateur 27 auquel est associé un circuit mémoire 28 dans lequel -il est comparé à une échelle de valeurs de la grandeur physique examinée et par ce circuit comparateur la valeur de cette grandeur physique est mise en évidence. Sur la figure 2 est représentée une variante de réalisation d'un dispositif conforme à la présente invention qui se différencie de celui représenté sur la figure 1 par une disposition différente concernant les composants présents dans l'élément 1. Plus spécifiquement, l'élément 1 du dispositif de la figure 2 diffère de celui de la figure 1 uniquement par le fait que le miroir 7 qui réfléchit le rayonnement de référence et laisse passer le rayonnement de mesure est interposé entre la lamelle 9 et le capteur optique polarimétrique. D'autres variantes de réalisation de dispositifs conformes à la présente invention qui prévoient que l'élément 1 pouvant être inséré dans le champ de la grandeur physique à mesurer est conforme à l'un des modes de réalisation illustrés sur les figures ou est un élément 1 qui diffère de ceux illustrés uniquement par l'absence de la lamelle 9 et qui utilisent une seule et unique fibre optique pour la liaison à distance entre ledit élément 1 immergé dans le champ de la grandeur physique et l'élément au moyen duquel est relevée la valeur de cette grandeur, peuvent être nombreuses car nombreux peuvent être les circuits de traitement des données au moyen desquels il est possible d'épurer la valeur de la grandeur physique examinée des variations accidentelles pouvant se produire pendant la transsmision le long de la seule fibre optique et dans l'émission des deux sources de rayonnement optique et il doit être entendu que toutes ces variantes sont comprises dans le cadre de la présente invention puisqu'un spécialiste de la technique est en mesure de les réaliser par ses propres connaissances techniques sur la base de l'enseignement o10 tiré de la présente invention. Par exemple, on doit comprendre dans le cadre de la présente invention toutes les variantes de réalisation dans lesquelles le circuit de traitement des signaux prévoit l'utilisation de modulateurs à fréquences différentes associés aux deux sources d'émission et l'utilisation de filtres électroniques et non optiques pour séparer entre eux les signaux dans le circuit de traitement. De la description qui précède et des considérations suivantes, on comprendra qu'avec la solution conforme à la présente invention, on atteint tous les buts proposés et énoncés précédemment. Dans un dispositif conforme à l'invention, grâce à l'emploi d'une seule fibre optique pour la transmission et la réception à distance des signaux, on évite, à l'intérieur de l'élément 1 inséré dans le champ de la grandeur physique à mesurer, la présence de tout connecteur optique qui inévitablement augmente l'encombrement de cet élément 1 et par conséquent provoque une perturbation plus importante dans le champ de la grandeur physique avec réduction consécutive de la précision de mesure. Dans un dispositif conforme à la présente invention, l'augmentation de précision de la mesure due à l'élimination de la cause qui vient d'être exposée se 14 2653254 trouve encore accrue par le fait que le rayonnement optique de mesure doit faire un parcours qui est exactement le double de la longueur du capteur optique. Ceci permet dans un dispositif conforme à l'invention de réduire les dimensions du capteur optique présent à l'intérieur de ce dispositif et donc de réduire encore davantage par rapport aux dispositifs connus les dimensions de l'élément inséré dans le champ dans lequel est effectuée la mesure et par conséquent d'obtenir une 1o précision plus grande de cette mesure. Bien que l'illustration et la description concernent un mode particulier de réalisation de la présente invention, toutes les variantes accessibles à un spécialiste de la technique sont comprises dans le cadre de celle-ci. 2653254 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour effectuer la mesure d'une grandeur physique et la transmission à distance de la valeur relevée de cette grandeur, comprenant une source de rayonnement optique de référence (4) et une source de rayonnement optique de mesure (5), un ensemble comprenant un polariseur (8) avec un capteur optique polarimétrique (10) qui lui est associé et dont partent des signaux optiques en fonction de la valeur de la grandeur physique o10 à mesurer, des moyens de liaison optique étant prévus entre lesdites deux sources de rayonnement optique et ledit ensemble comprenant un polariseur (8} associé au capteur optique polarimétrique (10) et entre cet ensemble et un circuit de traitement des signaux optiques, ledit dispositif étant caractérisé par le fait que les moyens de liaison optique entre les deux sources de rayonnement optique (4,5) et l'ensemble de polariseur (8) associé au capteur optique polarimétrique (10) et entre cet ensemble et le circuit de traitement des signaux optiques sont constitués par une seule fibre optique (2), un miroir (7) réfléchissant uniquement le rayonnement émis par la source optique de référence (4) étant interposé entre la fibre optique (2) et le capteur optique polarimétrique (10) et un miroir (11) réfléchissant uniquement le rayonnement émis par la source optique de mesure (5) étant associé au capteur optique polarimétrique (10) sur la face de ce capteur la plus éloignée de la fibre optique (2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'une lamelle (9) capable de provoquer un retard à travers les deux composantes perpendiculaires entre elles de la lumière polarisée à la sortie du polarisateur (8) est interposée entre ce dernier et le capteur optique polarimétrique (10). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite fibre optique (2) présente une 16extrémité liée soit à la source de rayonnement optique de référence (4)lie soit à la source de rayonnement optique de référence (4) soit à la source de rayonnement optique des mesure (5) au moyen d'un coupleur optique en Y (14, 15). 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la liaison entre le circuit de traitement des signaux et la fibre optique (2) est effectuée au moyen d'un coupleur optique en X (13) auquel est connecté au moins un coupleur en Y (14, 15) de type sélectif pour les longueurs d'onde (1, AX2), au moins un détecteur de signaux optiques (16, 17, 18, 19) étant associé audit coupleur en Y (14, 15) de type sélectif pour les longueurs d'onde. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le miroir (11) réfléchissant le seul rayonnement optique émis par la source optique de mesure (5) associé au capteur optique polarimétrique (10) est une couche appliquée sur la face de ce dernier qui est la face opposée à celle opposée à l'extrémité de la fibre optique (2) qui est l'extrémité la plus éloignée par rapport aux deux sources de rayonnement optique(4, 5).