Brevet FR2670014A1 — publié le 19920605

CAPTEUR TACHYMETRIQUE INTRINSEQUE A FIBRE OPTIQUE L'invention se situe dans le domaine des capteurs destinés à la mesure des vitesses de rotation, en particulier celles des arbres de turbo moteur et turbo réacteurs. Le contrôle de vitesse des arbres de turbo moteurs ou turbo réacteurs est assuré aujourd'hui par les équipements électromécaniques classiques que l'on appelle les "roues phoniques" qui peuvent être assimilés à des alternateurs homopolaires. Le schéma d'un tel dispositif est représenté figure 1. Ces alternateurs homopolaires sont composés de: (voir figure 1). une partie tournante l constituée d'une roue en acier magnétique à Z dents, liée en rotation à l'arbre à contrôler, (non représenté); une partie fixe constituée d'une bobine à noyau magnétique 2 contre, lequel est collé coaxialement un aimant 3 L'ensemble est disposé de telle sorte que le passage des dents crée des variations de flux dans l'entrefer 4, d'o résulte une tension induite aux bornes de la bobine. La fréquence du signal 5 recueilli vaut f = Nx Z (Hz) o N est la vitesse de rotation de l'arbre en T/mn Son amplitude est une fonction croissante de la vitesse de rotation.25 La rusticité de ce type de capteur leur permet de supporter les sévères contraintes d'environnement des turbo machines (vibrations, température, pollutions) Ils souffrent cependant de certaines limitations comme: des mesures difficiles à basse vitesse, le signal analogique est alors de faible amplitude et arrive à être inférieur au niveau du bruit électromagnétique ambiant une sensibilité importante aux parasites électromagnétiques induits ou conduits; une faible résistance au foudroiement. Le capteur selon l'invention a pour but de s'affranchir de ces limitations tout en conservant les qualités du capteur électromécanique. Un autre but de l'invention est de fournir ces avantages en se substituant facilement aux capteurs existants. A toutes ces fins l'invention a pour objet un dispositif destiné à mesurer la vitesse de rotation d'un arbre du type comportant une roue dentée entraînée en rotation par l'arbre, un aimant placé au voisinage de la roue dentée, caractérisé en ce qu'il comporte une fibre optique comportant deux extrémités et une partie centrale, l'une des extrémités étant reliée à une source lumineuse, l'autre extrémité étant reliée à des moyens d'analyse de la lumière, et la partie centrale comportant une partie au moins située dans le champs magnétique produit par l'aimant et soumise dans cette partie à des contraintes engendrées par un matériau magnétostrictif. Le mode général et deux modes préférés de réalisation de l'invention seront ci-après décrit en référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 2 représente le mode général de réalisation de l'invention. La figure 3 représente une coupe transversale du type de fibre optique utilisé dans chacun des deux modes de réalisation. La figure 4 illustre le mode de variation du paramètre connu de la lumière émise. La figure 5 illustre un premier mode de réalisation. La figure 6 montre les axes de polarisation. La figure 8 illustre un mode de réalisation de la bobine de capture. La figure 7 illustre un second mode de réalisation. La figure 2 représente le mode général de réalisation de l'invention Elle représente une roue dentée 1 Cette roue 1 est liée de façon connue à un arbre non représenté dont on veut mesurer la vitesse La roue 1 est située dans le champs magnétique 8 produit par un aimant 3 Une fibre optique 6 reliée par une extrémité 61 à une source de lumière 10, comporte une partie centrale 6-2 dans le champs magnétique 8, l'extrémité 6-3 de cette fibre est reliée à un analyseur de lumière 11 Dans sa partie centrale 6-2 la fibre est soumise à des contraintes engendrées par les variations de dimension que provoquent sur un matériau magnétostrictif 7 les variations du champs magnétique 8 Ces contraintes provoquent des variations de dimension dans la partie centrale 6-2 de la fibre Ces variations de dimension provoquent à leur tour la variation de certains paramètres de propagation de la lumière émise par la source 10 Ces variations sont mesurées par l'analyseur 11 et permettent de remonter à la vitesse de rotation de la roue 1. On constate d'après cette description que la disposition reste identique à celle du capteur à roue phonique en sorte que les capteurs selon l'invention puissent remplacer facilement les capteurs existants. Du fait de l'emploi d'une fibre optique comme capteur en lieu et place d'une bobine conductrice le dispositif est quasiment insensible au foudroiement et d'une façon générale à tous les parasites électromagnétiques. On réalise donc un capteur qui de façon naturelle est galvaniquement isolé. Enfin pour des raisons qui seront explicitées plus loin le dispositif reste sensible aux basses vitesses, contrairement aux dispositifs du type génératrices tachymétriques ou alternateurs homopolaires qui doivent être optimisés pour une gamme de vitesse De ce fait l'emploi du dispositif selon l'invention peut conduire à diminuer le nombre de capteurs nécessaires, en particulier lorsqu'on veut mesurer des vitesses de rotation d'arbres comportant des phases transitoires (par exemple de O tours/mm à une vitesse nominale) que l'on veut contrôler (démarage de réacteurs, freinage de roues). Le capteur selon l'invention est dit intrinsèque en ce sens que c'est la fibre elle-même qui sert d'élément sensible. Un capteur intrinsèque évite tout parcours optique dans l'air et est donc insensible aux modifications induites par les pollutions de tous ordres souvent présentes dans l'environnement aéronautique. De préférence la fibre optique est une fibre biréfringente. De préférence la contrainte du matériau magnétostrictif sur la fibre est exercée par le fait que la fibre est enroulée en tension sur un mandrin réalisé dans le matériau. Elle peut aussi être exercée par le fait que la fibre est gainée de matériau magnétostrictif la fibre ainsi gainée étant enroulée sur un mandrin. Elle peut aussi être exercée par cumul des deux modes précédents c'est-à-dire la fibre gainée de matériau magnétostrictif étant enroulée sur un mandrin magnétostrictif. Le matériau magnétostrictif pourra être du métal glacé, du nickel, l'alliage 40 % At Co-Fe, un oxyde de fer ou tout autre matériau magnétostrictif. Deux modes de réalisation particuliers seront maintenant décrits en référence aux figures 3 à 8 Les éléments décrits dans l'un des modes ne sont pas nécessairement exclusifs de ceux décrits dans l'autre mode. Dans ces deux modes de réalisation la fibre optique utilisée est une fibre monomode biréfringente à maintien de polarisation, sensible aux contraintes mécaniques extérieures A titre d'exemple la fibre peut être à structure évidée ainsi qu'on le voit sur la figure 3 Les flèches traduisent l'anisotropie avec laquelle une contrainte uniforme extérieure est transmise vers le coeur C'est cette anisotropie qui provoque la modification de la biréfringence de la fibre (notée 13). Sur la figure 3 qui représente une vue en coupe de la fibre utilisée on voit le coeur 12 de la fibre représentée conventionnellement par un point, c'est la partie o circule la lumière, la partie 13 représente la gaine optique Le diamètre de la partie 13 est de l'ordre de quelques microns Cette partie 13 est noyée dans une gaine 15 comportant deux évidements 14 qui sont, sur cette fibre, de section circulaire Les centres des évidements 14 sont alignés avec le coeur 12 de la fibre. L'hétérogénéité introduite par ces évidements conduit à une anisotropie des contraintes exercées sur la fibre, les contraintes les plus fortes étant transmises perpendiculairement à la ligne des centres des évidements 14, le diamètre total D de la fibre est de l'ordre de 125 lnm. Cette fibre qui est utilisée pour les besoins de l'invention ne fait pas partie de l'invention Son mode de réalisation est décrit dans la demande de brevet N O FR 89 15872. Pour une bonne compréhension de l'invention il est toutefois rappelé qu'une fibre biréfringente est une fibre o la lumière ne peut se propager que selon deux directions orthogonales notées XX' et YY' auxquelles correspondent deux constantes de propagation 13 x et 13 y. 13 x= 21 Â N et 3 y = 211 n est la longueur d'onde et nx et ny sont les indices respectifs dans les deux directions Si nx et ny sont différents, les deux ondes se propagent à des vitesses différentes Si la fibre a une longueur L, le déphasage total entre les deux ondes est: 0 = ( 13 x 13 y) L avec 3 = 13 x 13 y 0 = 13 L Si maintenant on vient appliquer un système de contraintes à la fibre) cette dernière va subir des déformations élastiques: modification de longueur (,a L) et modification de section entraînant ainsi qu'on l'a dit une modification de la biréfringence (a 13) Il en résulte au premier ordre à 0 = 13 BL + LA B Si le phénomène appliqué sur la fibre est périodique, il apparaît une variation périodique du déphasage à 0 En mesurant ce dernier on en déduit la période et par conséquent la vitesse de rotation en tenant compte du nombre de dents Z. Ces modes de propagations sont représentés figure 4. L'axe XX' correspond à l'axe joignant les centres des évidements 14 L'axe YY' lui est perpendiculaire Les vecteurs représentent les directions des modes de propagation; T est le retard entre les deux ondes. Il sera décrit ci-après en référence aux figures 5 et 6 un premier mode de réalisation de l'invention dit mode polarimétrique car dans ce mode les déphasages sont mesurés par la variation périodique de l'intensité lumineuse reçue sur un photodétecteur à travers un polariseur filtrant la lumière selon l'une des directions XX' ou YY'. Sur la figure 5 on voit la source lumineuse 10 qui émet une lumière polarisée linéairement selon une direction E. Cette source est couplée à une fibre 6 fortement biréfringente selon un axe propre de la fibre ce qui maintient son état de polarisation jusqu'à un analyseur il L'exemple de réalisation représenté figure 5 comporte outre les éléments déjà cités pour décrire le mode de réalisation général, un dispositif de compensation en température 16 Ce dispositif a pour effet de compenser les contraintes introduites par les forces de dilatation Les matériaux magnétostrictifs ont des variations de dimension dues aux champs magnétiques du même ordre de grandeurs que celles dues aux variations de température En raison de la lenteur des variations de température on pourrait se passer du dispositif de compensation 16 Toutefois pour une meilleure précision, en particulier aux basses vitesses, cette compensation est nécessaire. Le matériau magnétostrictif 7 chargée de produire des contraintes dans la partie 6-2 de la fibre 6 a la forme d'une bobine sur laquelle on enroule en tension la fibre 6-2 Le dispositif compensateur 16 est constitué d'une bobine identique 17 sur laquelle on enroule de façon identique une partie 6-4 de la fibre optique 6 de même longueur que la partie 6-2 les couplages de raccordements 18, 19, 20 entre les parties 6-1, 6-2, 6-3, 6-4 de la fibre 6 sont explicités ci-après en référence à la figure 6. Sur cette figure ont été représentés les axes xo yo (correspondant aux axes XX' et YY' de la figure 4) de la partie de fibre 6-1 Le vecteur Eo orienté suivant xo représente la polarisation de la source lumineuse 10 Le couplage 18 de cette onde à 450 des axes propres xl et yl de la fibre de compensation 6-4 permet d'exciter les deux axes de propagation de cette partie de fibre La bobine de compensation 17 est identique à la bobine de mesure 7, mais non soumise aux variations du champ magnétique 8. Le couplage 19 de la partie de fibre de compensation 6-4 sur la partie de fibre de mesure 6-2 est fait à 900 des axes propres pour intervertir les axes lents et rapides (x 2 aligné avec yl et y 2 aligné avec xl) des parties de fibres 6-2 et 6-4 et compenser ainsi les effets de contraintes communes aux deux fibres dues aux variations de température. L'onde lumineuse est ensuite reformée et déportée à l'aide d'une dernière partie de fibre biréfringente 6-3 d'axes x 3 et y 3, dont le couplage 20 est à 45 de la fibre de mesure. Le fonctionnement est le suivant: L'onde lumineuse émise par la source 10 polarisée selon Eo excite également les axes xl et yl de la fibre 6-4 de compensation Le retard apporté par exemple sur l'axe xl dans la partie 6-4 sera compensé par une avance dans la fibre 6-2 puisque l'axe x 2 de la fibre 6-2 est orienté à 9 Q O de l'axe Xl de la fibre 6-4 Le couplage à 45 de la partie de fibre 6-3 par rapport à la partie de fibre 6-2 remet la partie de fibre 6-3 dans la même disposition que la partie 6-1 par rapport à l'onde Eo Comme il a été expliqué plus haut le passage des dents de la roue 1 va provoquer un déphasage périodique de l'onde lumineuse en sortie de la partie de fibre 6-2 ce qui va se traduire par un flux d'intensité variable dans l'analyseur 11. Le fonctionnement de ce dernier va être maintenant explicité. Il comporte un polariseur 21 recevant la lumière en provenance de la partie de fibre 6-3 et polarisé parallèlement à Eo La lumière reçu à travers le polariseur 21 est reçu sur un photodétecteur 22 dont le signal est traité par des circuits de traitement 25 Ces circuits peuvent alimenter des dispositifs de visualisation et/ou des entrées de dispositif régulateur de vitesse de rotation non représentés. On constate qu'un dispositif de ce genre est peu sensible à la valeur moyenne de l'intensité puisqu'il mesure la fréquence des variations de l'intensité reçue sur le détecteur 22 Les circuits de traitements 25 comptent les annulations de la dérivée du signal reçu Pour cette raison le dispositif garde encore sa sensibilité aux basse vitesses Il est néanmoins possible d'améliorer cette sensibilité notamment aux basse vitesses par un dispositif annexe permettant de comparer directement la lumière émise et la lumière reçue Pour cela la source est reliée par l'intermédiaire d'un coupleur 26 et d'une fibre 6-5 de même nature que la fibre employée comme capteur à un capteur 24 par l'intermédiaire d'un polariseur 23 Le dispositif de traitement de signal comporte dans ce cas un dispositif comparateur La régulation ainsi introduite permet de s'affranchir d'éventuelles fluctuations de la source. Un second mode de réalisation dit interférométrique va être maintenant décrit en référence à la figure 7 Ce mode diffère du précédent sur trois points. 1) La source 10 utilisée est une source lumineuse de faible cohérence, on obtient sur la fibre de mesure deux trains d'onde décorrelés se propageant sur les deux axes de polarisation de la fibre. 2) Le traitement de signal en sortie de la fibre 6-3 est effectué à l'aide d'un dispositif de type interferométrique. 3) Le dispositif 16 de compensation de température est constitué d'une bobine 17 en matériau non magnétostrictif concentrique de la bobine 7 en matériau magnétostrictif Cette disposition est destinée à améliorer la compacité du dispositif de mesure Dans cette configuration la bobine 17 est construite dans un matériau insensible au champs magnétique mais ayant dans la gamme de température o va fonctionner le détecteur un coefficient de dilatation aussi proche que possible de celui de la bobine 7 La longueur 6-4 de partie de fibre entourée autour de la bobine 17 est égale à la longueur 6-2 de partie de fibre enroulée autour de la bobine 7 Les couplages 18, 19, 20 sont effectués de la même manière que dans le dispositif décrit précédemment. Le fonctionnement de ce deuxième mode de réalisation est le suivant. Les deux trains d'onde en sortie de fibre 6-3 selon les axes x 3 et y 3 sont envoyés sur les deux bras 28, 29 d'un interféromètre 27 du type Mach Zehnder Un modulateur électrooptique 30 est commandé de façon à remettre les deux ondes en phases, ce qui se traduit par un maximum d'intensité sur un détecteur photoélectrique 22 Le signal produit par ce détecteur alimente comme dans le dispositif précédent par l'intermédiaire d'un circuit de traitement 25, des visualisations et/ou des entrées de régulateur Dans ce cas une partie du signal en sortie de circuit 25 est utilisé comme signal de contre réaction sur le modulateur électrooptique 30 La régulation ainsi introduite à pour but de maintenir le maximum d'intensité sur le détecteur 22 Comme dans le cas précédent la source 10 peut être reliée au circuit de traitement de signal 25 par l'intermédiaire d'un coupleur 26, fibre 6-5 et d'un détecteur 24 de façon à permettre la prise en compte d'éventuelles fluctuations de la source. Le dispositif ci-dessus décrit fonctionnerait aussi bien avec un ensemble de bobines 7-17 réalisées de la façon décrite figure 5. De même le dispositif décrit figure 5 pourrait fonctionner avec des bobines 7-17 comme décrites figure 7. Les dispositifs des figures 5 et 7 ont été représentés avec un dispositif 16 de compensation de température placé par rapport à la source lumineuse 10 en amont du dispositif de mesure proprement dit Il est évident qu'avec les adaptations nécessaires notamment en ce qui concerne les couplages de fibres 18, 19, 20 ce dispositif pourrait aussi bien être placé en aval. De même quel que soit le type de traitement de signal en sortie de la partie de fibre optique 6-3 la contrainte du matériau magnétostrictif sur la partie de fibre optique 6-2 peut être réalisée soit comme indiqué dans ces deux exemples soit par gainage de la fibre dans un matériau magnétostrictif la fibre ainsi gainé étant enroulée en tension sur une bobine qui peut être ou non en matériau magnétostrictif. Un exemple d'un tel enroulement est représentée figure 8 Sur cette figure on voit une bobine 9 sur laquelle est enroulée une partie de fibre 6-2 gainée dans un matériau magnétostrictif 31. il REVENDICATIONS 1 Dispositif destiné à mesurer la vitesse de rotation d'un arbre du type comportant une roue dentée ( 1) entraînée en rotation par l'arbre, un aimant ( 3) placé au voisinage de la roue dentée, caractérisé en ce qu'il comporte une fibre optique ( 6) comportant deux extrémités ( 6-1, 6-3) et une partie centrale ( 6-2), l'une des extrémités ( 6-1) étant reliée à une source lumineuse ( 10), l'autre extrémité ( 6-3) étant reliée à des moyens d'analyse de la lumière ( 11), et la partie centrale ( 6-2) comportant une partie au moins située dans le champs magnétique ( 8) produit par l'aimant ( 3) et étant soumise dans cette partie à des contraintes engendrées par un matériau magnétostrictif ( 7). 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique 6 est une fibre biréfringente. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la fibre optique ( 6) est une fibre noyée dans une gaine ( 15) comportant deux évidements ( 14) diamétralement opposés de part et d'autre de la fibre. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la contrainte du matériau magnétostrictif ( 7) sur la fibre ( 6) est obtenue par le fait que la fibre ( 6) est enroulée en tension sur un mandrin ( 7) réalisé dans le matériau magnétostrictif. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la contrainte du matériau magnétostrictif ( 7) sur la fibre ( 6) est obtenue par le fait que la fibre ( 6) est gainée dans une gaine ( 31) réalisée en matériau ( 7) magnétostrictif enroulée en tension sur un mandrin ( 9). 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le mandrin ( 9) est lui-même magnétostrictif. 7 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif ( 16) de compensation en température. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de compensation en température ( 16) comporte une bobine ( 17) identique à la bobine ( 7) sur laquelle est enroulée de façon identique une longueur de fibre ( 6-4) égale à la longueur de fibre ( 6-2) enroulée sur la bobine ( 7). 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le dispositif de compensation en température ( 16) comporte une bobine ( 17) réalisée en matériau insensible aux champs magnétiques, concentrique de la bobine ( 7) et sur laquelle est enroulée avec la même tension une longueur de fibre ( 6-4) égale à la longueur de fibre ( 6-2) enroulée sur la bobine ( 7). Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la source de lumière ( 10) émet une lumière polarisée linéairement selon l'un des axes de biréfringence de la partie de fibre ( 6-1) sur laquelle la source est couplée. 11 Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que le couplage ( 18) entre la partie de fibre ( 6-1) lié à la source et la partie de fibre ( 6-4) du dispositif de compensation ( 16), le couplage ( 19) entre cette dernière partie et la partie de fibre ( 6-2) enroulée sur la bobine ( 7), le couplage ( 20) entre cette dernière partie et la partie de fibre ( 6-3) liée à l'analyseur ( 11) sont réalisés respectivement de telle sorte que les axes de biréfringence des différentes parties de fibres fassent entre eux des angles de 450, 900, et 450 respectivement. 12 Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens d'analyse de lumière ( 11) comporte un polariseur 21 axé selon l'un des axes de biréfringence de la partie de fibre ( 6-3) un détecteur photométrique ( 22) et un circuit ( 25) de traitement de signal. 13 Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que la source lumineuse émet une lumière de faible cohérence qui se décompose dans la fibre ( 6) en deux trains d'onde X et Y et en ce que les moyens d'analyse ( 11) comporte un circuit optique intégré recevant les signaux en provenance de la fibre ( 6) et envoyant les deux ondes sur chacun des deux bras ( 28-29) d'un interféromètre de Mach Zehnder ( 27) un modulateur électroptique ( 30) commandé par un circuit de traitement de signal ( 25) agissant sur l'interféromètre pour mettre en phase les trains d'onde X et Y. 14 Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la source lumineuse ( 10) et les moyens d'analyse ( 11) sont reliés en outre par une fibre ( 6-5) délivrant son signal sur un photodétecteur ( 24) par l'intermédiaire d'un polariseur linéaire 23. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que la source lumineuse ( 10) et les moyens d'analyse ( 11) sont reliés en outre par une fibre ( 6-5) délivrant son signal sur un photodétecteur ( 24).