Brevet FR2675900A1 — publié le 19921030

-1- Capteur de vibrations à fibre optique et accéléromètre utilisant un tel capteur La présente invention concerne un capteur de vibrations à fibre optique utilisable en particulier dans un accéléromètre pour la surveillance des conditions vibratoires des équipements électrotechniques tels que des alternateurs, des bobines d'inductance shunt, etc. Dans les applications à environnement perturbé, les systèmes à fibre optique présentent vis-à-vis des solutions classiques à capteur piézo-électrique, les avantages de ne pas être perturbés par les bruits de boucle de masse ou les interférences électromagnétiques. Différents principes optiques ont été mis en oeuvre pour la détection des vibrations La plupart des principes font intervenir une modulation d'amplitude de l'onde optique Cette modulation d'amplitude peut être obtenue par variation de la puissance réfléchie par une cible et collectée par la fibre optique L'accès à de très petits déplacements suppose des mesures précises de puissance optique compliquées par la nécessité de disposer d'une référence qui tient compte des variations accidentelles de flux lumineux le long de la ligne optique. Une méthode pour augmenter les amplitudes vibratoires est d'utiliser un montage mécanique résonnant à une fréquence spécifiée Il en résulte un système très spécifique, limité du25 point de vue réponse en fréquence, comme décrit dans l'article "Multimode Fiber-Optic Vibrometer" de G CONFORTI et al, paru dans Springer Proceedings in Physics, Vol 44, P 194-199, 1989. La modulation d'amplitude de l'onde optique peut aussi être obtenue par modulation de la biréfringence d'un matériau transparent Cette modulation de polarisation est traduite généralement en modulation d'amplitude par l'intermédiaire d'un analyseur de polarisation et les difficultés de mesurage tiennent à la faible sensibilité des matériaux photo-élastiques aptes à présenter peu d'hystérésis et peu de sensibilité à la température.35 On peut se référer à cet égard à l'article de W B SPILLMAN Jr -2- intitulé "Multimode Fiber-Optic accelerometer based on the photoelastic effect", paru dans la revue Applied Optics, Vol 21, n 015, p 2653-2654, 1/8/1982. Un autre principe fait appel au vibromètre à effet Doppler. Pour accéder à de faibles fréquences vibratoires, la modulation de fréquence Doppler est transposée autour d'une fréquence porteuse générée par des dispositifs acousto-optiques volumineux et onéreux. La mesure de vibrations peut encore s'effectuer à partir d'un interféromètre de Michelson modifié Les déplacements de l'un des miroirs de l'interféromètre, placé sur l'objet vibrant, créent des variations d'état d'interférence qui sont enregistrées par un récepteur Si l'on synchronise un compteur sur la fréquence de modulation, on peut donc connaître l'élongation obtenue à chaque période en comptant chaque fois le nombre de franges qui défilent.15 Selon la présente invention, on propose d'utiliser un capteur de vibrations à fibre optique mettant en oeuvre un dispositif interférométrique simple permettant la mesure des accélérations vibratoires dans un domaine fréquentiel compris entre quelques Hz et quelques centaines de Hz Un tel dispositif interférométrique20 est bien approprié à la mesure sans contact des déplacements dynamiques et en particulier des déplacements de pièces soumises à des mouvements vibratoires Le comptage des franges d'interférence fournit un moyen simple d'accéder à la grandeur, l'échelon de quantification étant représenté par la longueur d'onde de la lumière. Ce capteur de vibrations est bien adapté à la surveillance des conditions vibratoires des équipements électrotechniques puisque l'isolation électrique apportée par la fibre optique autorise des mesures sur des pièces sous tension ou dans un environnement30 électromagnétique perturbé. L'invention a donc pour objet un capteur de vibrations de type interférométrique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément inertiel et des moyens permettant de véhiculer les composantes suivantes du même faisceau de lumière cohérente35 une onde incidente vers l'élément inertiel, -3- une onde réfléchie par l'élément inertiel vers un dispositif de traitement, une fraction dudit faisceau de lumière vers le dispositif de traitement. L'invention a aussi pour objet un accéléromètre caractérisé en ce qu'il utilise comme détecteur un capteur de vibrations tel que défini cidessus, l'accélérateur disposant d'un dispositif de conversion des signaux lumineux transmis par le capteur en signaux électriques, un système électronique d'acquisition de données traitant ces signaux électriques pour délivrer l'accélération détectée par le capteur. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages et particularités apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif, accompagnée des dessins annexés parmi lesquels: la figure 1 représente une vue partielle d'un capteur de vibrations selon l'invention, les figures 2 à 4 représente une embase supportant un capteur de vibrations selon l'invention, la figure 5 représente le montage du capteur de vibrations sur son embase, la figure 6 représente une chaîne de mesure vibratoire pouvant être associée avec le capteur de vibrations, la figure 7 représente un système électronique d'acquisition de données utilisé dans la chaîne de mesure vibratoire. Le capteur de vibrations selon l'invention est avantageusement agencé comme le montre la figure 1 L'élément inertiel 1 est une poutre encastrée à l'une de ses extrémités, ou poutre en porte-à-faux Il est formé par une lame vibrante qui est30 représentée dans sa position stable et, en traits interrompus, dans deux positions extrêmes de vibration Afin de disposer d'un encombrement réduit, la fibre optique 2 est placée parallèlement à la lame vibrante 1 Son extrémité est biseautée à 450 par rapport à son axe et est polie pour constituer un miroir de renvoi 3.35 Il est avantageux de prendre comme élément inertiel 1 une lame -4- de verre Le choix de ce matériau répond aux contraintes électromagnétiques d'environnement Pour une accélération donnée, la flèche de la poutre sera égale à la flèche statique indépendamment de la fréquence vibratoire tant que cette fréquence 5 reste très inférieure à la fréquence propre de la lame La connaissance de la fréquence de vibration permet d'introduire un terme correctif pour les fréquences peu inférieures à la fréquence de résonance. Sur la base d'une poutre vibrante en verre de densité 2,4 et de module d'élasticité 65 G Pa, les caractéristiques dimensionnelles de la poutre peuvent être évaluées Une épaisseur de 100 M_ m parait être un bon compromis entre l'objectif de miniaturisation du dispositif et l'exigence de planéité des lames La longueur hors encastrement des poutres s'en déduit Pour une fréquence de15 résonance de la lame fo = 437 Hz, la longueur hors encastrement 1 est de 13,8 mm ( fo étant calculée pour une accélération crête minimale détectable de 0,1 G, c'est-à-dire la présence de deux franges dans une période vibratoire) Pour fo = 418 Hz, 1 vaut 14,1 mm Pour fo = 339 Hz, 1 vaut 15,7 mm Il en découle qu'une faible variation de longueur libre des lames permet de s'adapter à la longueur d'onde de fonctionnement. Pour disposer d'une sortie par fibre optique orthogonale aux directions vibratoires, une déviation de 900 de l'onde optique est nécessaire La solution retenue est un polissage à 450 de25 l'extrémité de la fibre ce qui permet de bénéficier de la réflexion totale à l'interface verre-air Le polissage peut être réalisé à l'aide d'un tampon présentant l'orientation requise vis-à-vis de l'axe de la fibre. La fibre optique 2 comprend un coeur 4 entouré d'une gaine optique 5 Un faisceau lumineux 6 véhiculé par le coeur 4 de la fibre optique en direction de la face 3 se réfléchit totalement au travers de la gaine optique 5 vers la lame vibrante 1 A l'interface gaine optique-air le faisceau lumineux se divise Une partie, la plus importante, est transmise vers la lame vibrante35 pour constituer une onde incidente 7 à l'élément inertiel Une -5- autre partie, la plus faible, est réfléchie à l'interface gaine optique-air pour constituer une fraction 8 du faisceau de lumière qui sera réfléchie totalement par le miroir 3 pour être véhiculée en sens inverse par la fibre optique La lame vibrante renvoie 5 également une onde réfléchie 9 vers le miroir 3 La gaine optique peut avoir un diamètre de 125 Hem. La fibre optique et la lame vibrante sont montées sur une embase telle que celle représentée par les figures 2 à 4 Les figures 3 et 4 sont des vues respectivement selon les coupes III-III et IV-IV de la figure 2. L'embase 10 présente un V longitudinal 11 de positionnement de l'extrémité de la fibre optique, une rainure longitudinale 12 située dans l'alignement du V et des rainures transversales 13 et 14 jouant les rôles d'arrêt de colle et d'évent Une fenêtre transversale 15 est également prévue à l'extrémité du V. L'extrémité de la fibre optique sera disposée au milieu de la fenêtre 15. Les coupes III-III et IV-IV ont été effectuées selon les axes des trous filetés 16 et 17 servant à la fixation de l'embase 10 sur l'équipement à surveiller. L'embase peut être en un alliage contenant 25 % de nickel, % de cuivre et 8 % de zinc et connu sous le terme "Arcap" Cet alliage est facilement usinable et est amagnétique. Le montage de la tète de mesure suppose l'orientation correcte du miroir constitué par l'extrémité de la fibre Cette opération peut être effectuée à l'aide d'un miroir positionné en référence sur l'embase et en contrôlant la lumière rétro-réfléchie dans la fibre La fibre peut être fixée par de la colle commercialisée sous la marque "Norland 61 " et polymérisable aux rayonnements ultra-violets. Cette colle est prévue pour une tenue en température entre -80 et + 900 C La lame vibrante peut être également fixée par la même colle Durant cette opération, une entretoise provisoire placée en extrémité de lame permet de garder le parallélisme entre l'embase35 et la lame En fait, le parallélisme final est fonction de la -6- planéité de la lame. Le montage du capteur se fait comme le montre la figure 5 La fibre optique 2 est d'abord mise en place, puis l'entretoise 20 et ensuite la lame vibrante 1 La fibre optique est collée dans la 5 partie du V située entre la fenêtre 15 et la rainure 13 L'ensemble fibre optique- entretoise 20-lame vibrante est collé sur la partie de l'embase située entre la rainure 14 et l'extrémité arrière 18 de l'embase L'entretoise 20 peut être une lame de verre de 50,U m d'épaisseur.10 Une chaîne de mesure vibratoire pouvant être associée au capteur de vibrations selon l'invention est représentée à la figure 6 Le faisceau de lumière envoyé vers le capteur est généré par une diode laser connectorisée 30 alimentée par une alimentation à courant constant 31 Une fibre optique 32 sortant du connecteur 3315 de la diode transmet le faisceau lumineux vers un coupleur 34 qui le dirige vers le connecteur 35 grâce à la fibre optique 36 A la sortie du connecteur 35, un câble optique 37 transmet le faisceau lumineux vers le capteur de vibrations 38 grâce au connecteur 39. Les signaux lumineux renvoyés sont dirigés par le coupleur 34, la20 fibre optique 40 et le connecteur 41 vers une photodiode connectorisée 42 Le signal délivré par la photodiode 42 est amplifié par l'amplificateur 43 et transmis au système électronique d'acquisition des données 44. Le déplacement de l'élément inertiel se traduit par la variation de distance entre les faces d'une cavité constituée d'une part par l'extrémité de la fibre, d'autre part par la lame vibrante L'interféromètre se comporte comme un générateur incrémental. Le signal optique qui représente l'accélération vibratoire est constitué par un train d'impulsions L'accélération est proportionnelle au nombre de périodes contenues dans la modulation optique à l'intérieur d'une période vibratoire ou d'un temps multiple de cette période Le comptage peut porter sur les passages à zéro du signal La détection de la fréquence vibratoire est moins immédiate Cependant, dans une période vibratoire, la modulation -7- optique évolue en fréquence concomitamment avec la vitesse de la lame Par filtrage et démodulation, il est possible d'accéder à la fréquence vibratoire Accélération et fréquence sont donc les deux informations fournies par la chaîne de mesure. 5 Deux grandeurs doivent être extraites: le nombre de franges et la fréquence vibratoire La difficulté porte sur la détection de la fréquence vibratoire prépondérante, a priori inconnue et accompagnée d'autres composantes spectrales supposées d'amplitude plus faible.10 La modulation (franges) du signal optique peut être considérée comme une porteuse dont la fréquence évolue périodiquement à la fréquence double de celle de la vibration. On fait passer le signal électrique représentatif du signal optique dans un filtre passe- haut de manière qu'en privilégiant les hautes fréquences, des signaux de durée finie au double de la fréquence vibratoire soient obtenus. Pour tenir compte des différents spectres possibles liés aux paramètres vibratoires, la fréquence du filtre est asservie à une valeur qui résulte de la moyenne temporelle sur 256 franges20 consécutives. Le système électronique d'acquisition des données représenté à la figure 7 est destiné à détecter des accélérations vibratoires dans une bande de fréquence allant de 25 à 250 Hz Après photodétection et amplification, la bande passante du signal25 est limitée c 8 té basse fréquence par un filtre passe-haut 50 transmettant les signaux de fréquence supérieure à 25 Hz On élimine ainsi les composantes continues Le signal est alors mis en forme par le circuit de mise en forme 51 afin d'éliminer la modulation d'amplitude existant sur le signal Après mise30 en forme, une première voie d'acquisition permet le comptage des franges et une seconde voie sert à la détection de fréquence. Le circuit 52 permet de détecter la fréquence moyenne du signal Il s'agit d'une moyenne temporelle effectuée sur 256 franges Le signal sortant du circuit 52 est envoyé à un filtre -8passe-haut 53 asservi à la fréquence moyenne détectée Il s'agit par exemple d'un filtre à capacités commutées A la sortie du filtre 53 on ne conserve que les composantes les plus élevées pour faire apparaître le double de la fréquence vibratoire Le circuit 5 54 placé à la sortie du filtre 53 est un démodulateur qui restitue les harmoniques deux des fréquences vibratoires La détection de la vibration prépondérante intervient par un balayage spectral entre et 500 Hz à l'aide d'un filtre passe-bande 55 du type à capacités commutées et dont la fréquence centrale est pilotée par une horloge 56 de fréquence comprise entre 2,5 et 25 k Hz et dont la variation de fréquence est réalisée par incrément de la période correspondante En sortie du filtre 55 est disposé un circuit 57 de mesure des valeurs crêtes Le circuit 58, placé en sortie du circuit 57, assure la sélection de la valeur crête la plus grande15 et le circuit 59 la mise en mémoire de la fréquence d'horloge correspondant à la valeur crête la plus grande. Grâce à ces circuits, les amplitudes crêtes sont comparées deux à deux avec conservation de l'amplitude la plus grande, l'analyse pouvant être effectuée sur une durée d'une seconde La20 fréquence d'horloge mémorisée par le circuit 59, et correspondant à la valeur la plus grande, permet le pilotage d'un filtre passe-bande 60 du type à capacités commutées qui sélectionne dans le signal issu du démodulateur 54 la composante vibratoire prépondérante Après mise en forme par un circuit 61, un diviseur25 par deux 62 restitue la fréquence vibratoire Cette fréquence vibratoire est mesurée par comptage, grâce au compteur 63, du nombre de périodes de la fréquence inconnue pendant un temps constant prédéterminé de 1 seconde, temps imposé par la porte 64 commandée par le circuit de commande de porte 65.30 La seconde voie d'acquisition comprend un compteur 66 qui permet le comptage des franges dans un temps correspondant à 10 périodes vibratoires Ce comptage se fait au travers d'une porte 67 commandée par un circuit de commande de porte 68, le comptage s'effectuant pendant une durée égale à 10 fois la période du signal35 issu du diviseur 62 grâce au diviseur par dix 69. Les informations délivrées par les compteurs 63 et 66 sont fournies à un calculateur En ayant auparavant étalonné l'accéléromètre, on connaît le nombre de franges correspondant à une accélération vibratoire donnée Le calculateur délivre alors 5 directement l'accélération. Ce type d'accéléromètre peut être avantageusement utilisé dans les applications suivantes: la surveillance des conditions vibratoires des têtes de bobines de stator d'alternateur de puissance avec pour intérêt principal le contrôle permanent des système de calage réalisés côté turbine et côté bagues, la surveillance des bobines d'inductance shunt à très haute tension o des résonances mécaniques peuvent apparattre dans le système constitué par les galettes de noyau magnétique, les15 culasses et les isolants d'entrefer, la surveillance des moteurs de puissance. -10- Revendications 1 Capteur de vibrations de type interférométrique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément inertiel ( 1) et des moyens permettant de véhiculer les composantes suivantes du même faisceau de lumière 5 cohérente: une onde incidente ( 7) vers l'élément inertiel, une onde réfléchie ( 9) par l'élément inertiel vers un dispositif de traitement, une fraction dudit faisceau de lumière ( 8) vers le dispositif de traitement. 2 Capteur de vibrations selon la renvendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens sont constitués de fibre optique. 3 Capteur de vibrations selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens comprennent une seule fibre optique ( 2) permettant de véhiculer lesdites composantes ( 7, 8, 9) du faisceau de lumière. 4 Capteur de vibrations selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fibre optique ( 2) possède une extrémité libre disposée parallèlement à l'élément inertiel ( 1), cette extrémité libre20 étant biseautée ( 3) et traitée pour renvoyer l'onde incidente ( 7) vers l'élément inertiel au travers de la gaine optique ( 5) de la fibre, une première partie de l'onde incidente ( 7) traversant la paroi de la fibre pour se réfléchir sur l'élément inertiel ( 1) et constituer ladite onde réfléchie ( 9), cette onde réfléchie25 retournant dans la fibre et étant renvoyée par l'extrémité biseautée ( 3) pour être véhiculée par la fibre optique vers le dispositif de traitement, une seconde partie de l'onde incidente étant renvoyée par la paroi de la fibre pour être véhiculée par la fibre optique et constituer ladite fraction ( 8) du faisceau de lumière. Capteur de vibrations selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément inertiel ( 1) est une poutre en porte-à-faux. 6 Accéléromètre caractérisé en ce qu'il utilise comme détecteur un capteur de vibrations ( 38) selon l'une quelconque des -11- revendications 1 à 5, l'accélérateur disposant d'un dispositif de conversion ( 42) des signaux lumineux transmis par le capteur en signaux électriques, un système électronique d'acquisition de données ( 44) traitant ces signaux électriques pour délivrer s l'accélération détectée par le capteur ( 38). 7 Accéléromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le système électronique d'acquisition de données comprend des moyens de comptage des franges d'interférence fournies par la combinaison de l'onde réfléchie ( 9) par l'élément inertiel ( 1) et de la fraction ( 8) dudit faisceau de lumière. 8 Accéléromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que le système électronique d'acquisition des données comprend également des moyens de mesure de la fréquence de la vibration d'amplitude la plus grande.