Brevet FR2672681A1 — publié le 19920814

Détecteur de pression à fibre optique La présente invention se rapporte à un détecteur de pression à fibre optique, comportant un tapis de matière souple et élastique au sein duquel court une fibre optique suivant un tracé sans croisement fibre contre fibre, à laquelle sont associés une source de lumière et un photo-récepteur, ce dernier captant le flux lumineux transmis par la fibre optique à partir de la source de lumière afin de mettre en évidence les variations que subit celui-ci en raison de la déformation de la fibre optique causée par l'application d'une force de pression au tapis et, ainsi, de détecter cette force. Si un tel détecteur de pression est parfaitement capable de signaler l'application d'une force de pression au droit de la fibre optique qu'il contient, il répond mal ou pas du tout au cas où la force est appliquée en un point écarté de la fibre optique, en raison de la souplesse du tapis renfermant la fibre optique. Un détecteur de ce genre n'est donc pas adapté à la détection de forces pouvant être appliquées en des points quelconques d'une surface importante. Afin de remédier à cet inconvénient, l'invention a pour objet un détecteur de pression du genre indiqué, dont le tapis offre, sur sa face destinée à recevoir llapplication de forces de pression à détecter, une surface rigide. Un tapis détecteur ainsi perfectionné est capable de répondre non seulement aux forces appliquées à l'aplomb de la fibre optique, mais aussi à celles dont le point d'application ne coincide pas avec celle-ci, l'effet de telles forces étant transmis à la fibre optique par la surface rigide du tapis, sur laquelle s'applique la sollicitation. Toutefois, cette transmission s'effectue par l'intermédiaire de la matière souple et élastique du tapis, qui environne la fibre optique, sans qu'il y ait aucun contact de celle-ci avec un élément dur ou mécaniquement agressif tel qu'une autre partie de la fibre ou un organe solide utilisé pour déformer localement la fibre lorsqu'une force est appliquée. I1 résulte en outre de la structure adoptée selon l'invention que la fibre optique n'est jamais l'objet de microdéformations (si l'on néglige celles qui pourraient être induites par de légères hétérogénéités locales de la matière souple du tapis), ni d'écrasements localisés, mais seulement de déformations par incurvation de grand rayon de courbure. Ainsi l'intégrité de la fibre est parfaitement ménagée, ce qui confère au détecteur de pression selon l'invention une durée de vie considérable. Plus précisément, afin d'obtenir une sensibilité satisfaisante du détecteur en tous les points de sa surface, il convient que le tracé que suit la fibre optique soit tel qu'aucun point de ladite surface ne soit éloigné de la fibre optique d'une distance supérieure à une valeur prédéterminée pour laquelle une force de pression, d'intensité comprise dans la plage d'intensité des forces de pression à détecter, peut encore déformer suffisamment la fibre optique pour permettre sa détection. La surface rigide précitée peut être constituée par une feuille rigide recouvrant le tapis, auquel de préférence elle adhère, ou encore par la surface elle-même du tapis, traitée de façon à offrir la rigidité convenable. Au-dessous de cette surface rigide, le tapis peut être formé d'une nappe unique de matière souple et élastique au sein de laquelle est noyée la fibre optique, ou encore de deux feuilles de matière souple et élastique superposées, entre lesquelles la fibre optique est prise en sandwich. Dans ce dernier cas, l'une au moins des feuilles comporte avantageusement un sillon de réception de la fibre optique, matérialisant le tracé que celle-ci doit suivre. I1 est également prévu selon l'invention de réaliser des détecteurs de pression de grande surface, pratiquement illimitée, par juxtaposition de détecteurs tels que définis ci-dessous. A cet effet, il convient de munir chacun de tels détecteurs de moyens de connexion permettant de raccorder la fibre optique qu'il comporte à celle d'un détecteur semblable juxtaposé.Dans une forme d'exécution préférée, ces moyens de connexion comprennent un connecteur optique incorporé pour moitié à l'un et pour moitié à l'autre des détecteurs juxtaposés, qui comporte, dans un boîtier formé de deux moitiés réunies, une pièce de guidage des extrémités des fibres optiques, laquelle est creusée d'une gouttière rectiligne où sont reçus et maintenus étroitement en regard l'un de l'autre des embouts de connexion dont sont munies les fibres optiques à leurs extrémités à raccorder, ces embouts étant maintenus dans cette gouttière par la pression d'un élément élastiquement déformable interposé entre les embouts et un couvercle refermant le boîtier. Les principales applications des détecteurs de pression selon l'invention résident dans la détection de la présence de personnes ou d'objets sur une aire donnée, par exemple autour de machines dangereuses, devant un escalier mécanique, dans un ascenseur, dans une salle de coffres, pour commander la mise en marche de certains appareillages ou, à titre de sécurité, leur arrêt. Ils sont également utilisables pour réaliser des contacteurs de fin de course, des détecteurs d'impacts, des interrupteurs spéciaux, etc. D'autres particularités et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, en regard des dessins annexés, d'exemples de réalisation non limitatifs. La figure 1 représente schématiquement, en perspective, un détecteur de pression selon l'invention. Les figures 2, 3 et 4 représentent des coupes transversales partielles, à échelle agrandie, de l'objet de la figure 1 dans trois variantes de réalisation. La figure 5 représente en plan une autre forme de réalisation d'un détecteur selon l'invention. La figure 6 représente schématiquement, en perspective, un détecteur selon l'invention de surface accrue. La figure 7 représente une coupe suivant la ligne VII-VII de l'objet de la figure 6. La figure 8 représente schématiquement, en plan et à échelle réduite, deux détecteurs de pression juxtaposés. La figure 9 représente, à échelle fortement agrandie, une vue en plan du connecteur de raccordement optique des deux détecteurs de la figure 8. Les figure 10 et 11 représentent des coupes respectivement suivant les lignes X-X et XI-XI de l'objet de la figure 9. La figure 12 représente, en perspective, un élément appartenant au connecteur des figures 9 à 11. Les figures 13a à 13c représentent schématiquement trois modes de déformation dont une fibre optique peut être l'objet. On voit sur la figure 1 un tapis détecteur de pression T, posé à plat sur un sol S suffisamment raide pour lui fournir un ferme appui, tel qu'une dalle de béton, un parquet ou une surface de terre battue. Ce tapis est composé d'une nappe 1 de matière souple et élastique, par exemple en caoutchouc ou en élastomère, revêtue sur sa face supérieure d'une plaque rigide 2 adhérant à celle-ci. Dans la nappe 1 est noyée une fibre optique 3 qui la traverse en ligne droite, parallèlement à la plaque 2, sensiblement à mi-épaisseur. A une extrémité de la fibre optique 3 est disposée une source de lumière 4 dont elle reçoit un flux lumineux, lequel, après avoir parcouru la fibre optique, est recueilli par un récepteur photo-sensible 5 placé à l'autre extrémité de la fibre optique. Lorsqu'une force de pression F est appliquée au tapis T à proximité de la fibre optique 3, la nappe 1 subit un certain écrasement qui entraîne une déformation de la fibre optique. Celle-ci s incurve en prenant une courbure de grand rayon, ce qui inflige une perte de transmission au flux lumineux qui la parcourt. La baisse d'énergie lumineuse qui en résulte en sortie détectée par le récepteur 5, révèle l'application de la force F au tapis. Dès que cette force est supprimée, la nappe élastique 1 recouvre sa forme naturelle et la fibre optique 3 son trajet rectiligne, de sorte que le flux lumineux de sortie reprend son niveau initial. Ces phénomènes se produisent lorsque la force F est appliquée non seulement à l'aplomb de la fibre optique 3, mais encore en un point P situé à une certaine distance d de la fibre 3. Ceci est dû à la plaque rigide 2 qui assure la transmission des contraintes ressenties par la nappe 1 dans la région du point P jusqu'à la région où se trouve la fibre 3. Cette transmission n'est effective que lorsque la distance d n'est pas trop grande, c'est-à-dire inférieure à une valeur maximale qui dépend de l'épaisseur de la nappe 1 et des propriétés mécaniques du matériau élastique qui la constitue. En pratique, dans le cas d'une nappe de quelques millimètres d'épaisseur (inférieure à 1 cm) en caoutchouc de dureté 65 Shore, la valeur maximale de la distance d est de l'ordre de 5 à 10 cm. On observera que l'incurvation que prend la fibre optique sous l'effet d'une force de pression présente un grand rayon de courbure (figure 13a), supérieur de plusieurs ordres de grandeur au diamètre de la fibre, sans microcourbures (figure 13b) ni écrasements localisés (figure 13c) qui l'endommageraient à la longue. Cela résulte de l'effet de répartition des forces que procure la surface supérieure rigide du tapis ainsi que de l'absence de tout élément dur touchant localement la fibre optique. La fibre optique 3 du détecteur, réalisée en silice ou en matière plastique, est insérée dans la nappe 1 formée d'un matériau élastique ou visco-élastique déformable. Quant à la plaque 2, elle peut être faite d'un matériau de rigidité infinie par rapport au matériau déformable de la nappe, tel qu'un métal ou un composite, cette plaque étant soit posée sur la nappe 1, soit fixée à celle-ci. La nappe 1 que comporte le détecteur de la figure 1, dans laquelle est noyée la fibre optique 3, est moulée autour de cette dernière. Ce moulage peut être réalisé en deux temps : dans un premier temps, le matériau de la nappe est coulé sur une épaisseur partielle, puis, après dépôt de la fibre 3, le matériau est de nouveau coulé dans un deuxième temps jusqu'à obtention de l'épaisseur totale désirée pour la nappe. En variante, la nappe 1 peut être formée de deux feuilles la, lb superposées, éventuellement faites de matériaux différents, celles-ci prenant simplement la fibre optique 3 en sandwich (figure 2). On peut encore prévoir un sillon creusé dans la face interne de l'une ou de l'autre des feuilles la, lb, où la fibre 3 prend place (figures 3 et 4). Dans le cas d'un tapis détecteur non plus rectangulaire, comme représenté à la figure 1, mais en forme de disque circulaire (figure 5), la fibre optique 3 peut être disposée suivant une boucle concentrique, également circulaire. Les formes d'exécution des figures 1 et 5 sont réservées, eu égard à la valeur maximale de la distance d précitée, à des tapis détecteurs de petites dimensions. Pour la réalisation de tapis de grandes dimensions, il convient de disposer la fibre optique 3 suivant un tracé sinueux (figure 6). Ce tracé est dépourvu de croisements de façon que la fibre ne soit partout en contact qu'avec le matériau souple de la nappe 1 et ne risque pas d'être endommagée à la longue par contact avec elle-même; de plus, sa configuration est telle que la distance à la fibre de tout point de la surface du tapis T soit inférieure à la valeur maximale admissible compte tenu des propriétés mécaniques des éléments constitutifs du tapis. Comme représenté à la figure 6, l'émetteur 4 et le récepteur 5 de lumière peuvent être incorporés au tapis, la fibre optique 3 s'y terminant à ses deux extrémités, et être reliés par des lignes électriques 6 à l'équipement de traitement nécessaire pour mettre en forme et présenter les informations qui sont contenues dans les variations du signal optique fourni par le récepteur 5. En variante, la fibre optique peut se prolonger à l'extérieur du tapis T, jusqu'à des transducteurs optiques 4, 5 placés éventuellement à grande distance.Une telle disposition est intéressante en particulier lorsque le tapis doit être installé dans un local d'où doit être bannie toute liaison électrique, par exemple en raison de la présence dans le local soit d'un fort niveau de parasites électro-magnétiques, qui perturberait la transmission des signaux issus du tapis, soit d'une atmosphère hostile ou dangereuse (corrosive ou explosive). Comme le montre la figure 8, on peut réaliser un détecteur de pression de grande surface à l'aide de deux tapis détecteurs T, T' juxtaposés, de forme rectangulaire. Il convient ici que la fibre optique incluse dans chaque tapis commence et se termine sur des côtés opposés 9, 10 ou 9', 10' du tapis. Le tapis T est ainsi muni sur son côté 9 d'un connecteur d'entrée CE, et le tapis T' sur son côté 10' d'un connecteur de sortie CS, tandis qu'un connecteur de liaison CL est prévu sur les côtés 10, 9' adjacents des deux tapis T, T', la fibre optique du tapis T s'étendant du connecteur CE au connecteur CL et celle du tapis T' de ce dernier connecteur au connecteur CS. Tandis que les connecteurs d'entrée et de sortie CE, CS peuvent être de type classique, le connecteur de liaison CL a une structure spéciale, représentée aux figures 9, 10 et 11. On voit sur ces figures que le connecteur CL est contenu dans un boîtier B de forme générale parallélépipédique, encastré pour moitié dans chacune des bordures contiguës des tapis T, T', à l'endroit où apparaissent les extrémités à raccorder des fibres optiques 3, 3' desdits tapis. Ce boîtier se compose de deux moitiés 7, 7' accolées, qui se logent dans des encoches rectangulaires qu'offrent en regard les nappes la, lb et l'a, lrb des deux tapis et où elles sont maintenues par des pattes 7a, 7'a qui s'encastrent dans des logements conjugués découpés dans la feuille inférieure la, Ira de chacun des tapis.Les deux moitiés 7, 7' du boîtier B sont recouvertes par un opercule commun 8 qui s'emboîte dans des évidements rectangulaires que comportent à cet effet les tôles 2, 2' formant les surfaces rigides des tapis; cet opercule assure ainsi la continuité de la surface rigide sur l'ensemble des deux tapis. Dans le boîtier B est placée une pièce 11 qui s'étend sur les deux moitiés 7, 7' de celui-ci, de part et d'autre des côtés contigus 9', 10 des tapis. Cette pièce, qui repose simplement à plat sur le fond du boîtier B, est creusée d'une gouttière rectiligne 12 destinée à recevoir et à positionner exactement l'un en face de l'autre des embouts de connexion 13, 13' terminant les fibres optiques 3, 3', lesquelles pénètrent dans le boîtier par des fenêtres 14, 14' prévues respectivement dans les parois opposées des deux moitiés 7, 7' de celui-ci. Chaque embout 13, 13' possède une collerette 13a, 13'a de positionnement longitudinal qui prend place dans une rainure 12a, 12'a respective creusée dans la gouttière 12. Les embouts 13, 13' sont maintenus en position correcte dans la gouttière 12 par un bloc de mousse élastique 15 comprimé entre la pièce 11 et un couvercle 16 qui coiffe celle-ci et remplit exactement le boîtier B où il est maintenu par l'opercule 8. Un tel connecteur de liaison assure une mise en regard précise et durable des extrémités des embouts 13, 13', parfaitement alignés, où affleurent les fibres optiques 3, 3', et ainsi une connexion impeccable entre celles-ci malgré les petits déplacements relatifs qui peuvent affecter les tapis T, T'. Bien entendu, un certain nombre de tapis détecteurs peuvent ainsi être assemblés, leurs fibres optiques respectives se trouvant reliées les unes aux autres en série grâce à des connecteurs CL tels que décrit ci-dessus. Revendications 1. Détecteur de pression à fibre optique, comportant un tapis de matière souple et élastique au sein duquel court une fibre optique suivant un tracé sans croisement fibre contre fibre, à laquelle sont associés une source de lumière et un photo-récepteur, ce dernier captant le flux lumineux transmis par la fibre optique à partir de la source de lumière afin de mettre en évidence les variations que subit celui-ci en raison de la déformation de la fibre optique causée par l'application d'une force de pression au tapis et, ainsi, de détecter cette force, caractérisé par le fait que le tapis (1) offre, sur sa face destinée à recevoir l'application de forces de pression à détecter, une surface rigide (2). 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le tracé que suit la fibre optique (3) est tel qu'aucun point de ladite face du tapis (1) n'est éloigné de la fibre optique d'une distance supérieure à une valeur prédéterminée pour laquelle une force de pression, d'intensité comprise dans la plage d'intensité des forces de pression à détecter, peut encore déformer suffisamment la fibre optique (3) pour permettre sa détection. 3. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la surface rigide précitée est constituée par une feuille rigide (2) recouvrant le tapis (1). 4. Détecteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la feuille rigide (2) adhère au tapis (1). 5. Détecteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la surface rigide précitée est constituée par la surface elle-même du tapis (1), traitée de façon à offrir la rigidité convenable. 6. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le tapis est formé d'une nappe (1) unique de matière souple et élastique au sein de laquelle est noyée la fibre optique (3). 7. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le tapis (1) est formé de deux feuilles (la, lb) de matière souple et élastique superposées, entre lesquelles la fibre optique (3) est prise en sandwich. 8. Détecteur selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'une au moins des feuilles (la, lb) comporte un sillon de réception de la fibre optique (3), matérialisant le tracé que celle-ci doit suivre. 9. Détecteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il est muni de moyens de connexion (CL) permettant de raccorder la fibre optique (3) qu'il comporte à la fibre optique (3') d'un détecteur semblable juxtaposé. 10. Détecteur selon la revendication 9, caractérisé par le fait que ces moyens de connexion comprennent un connecteur optique (CL) incorporé pour moitié à l'un et pour moitié à l'autre des détecteurs (T, T') juxtaposés, qui comporte, dans un boîtier (B) formé de deux moitiés (7, 7') réunies, une pièce (11) de guidage des extrémités des fibres optiques (3, 3'), laquelle est creusée d'une gouttière rectiligne (12) où sont reçus et maintenus étroitement en regard l'un de l'autre des embouts de connexion (13, 13') dont sont munies les fibres optiques à leurs extrémités à raccorder, ces embouts étant maintenus dans cette gouttière (12) par la pression d'un élément (15) élastiquement déformable interposé entre les embouts (13, 13') et un couvercle (8) maintenu en place dans le boîtier (B).