Brevet FR2673714A1 — publié le 19920911

L'invention concerne un capteur optique et en particulier un capteur de température et le procédé de mesure optique correspondant. Dans le cas où l'on doit effectuer des mesures de paramètres physiques tels que la température, dans une ambiance explosive ou dans une zone où les mesures risquent de subir des perturbations d'origine électromagnétique, il peut être souhaitable d'effectuer ces mesures par voie optique pour éviter toute utilisation de courant électrique. Pour effectuer ces mesures, on utilise des capteurs optiques qui réalisent une modulation ou une atténuation d'un rayonnement lumineux pénétrant dans le capteur, en fonction des variations de la grandeur à mesurer. On connaît en particulier des capteurs optiques qui comportent un support, une fibre optique et au moins un élément monté sur le support qui est susceptible de se déplacer sur le support en fonction des variations de la grandeur physique à mesurer. Les déplacements de l'élément mobile qui comporte une surface active en contact avec une génératrice de la fibre optique de forme ondulée permettent de déformer la fibre optique par flexion alternée, avec une amplitude qui est fonction de la valeur instantanée de la grandeur physique à mesurer. On alimente la fibre optique à l'une de ses extrémités de manière à provoquer la propagation d'un rayonnement lumineux suivant la longueur de la fibre et on mesure l'intensité du rayonnement lumineux et son atténuation à la sortie de la fibre. Cette atténuation dépend de l'amplitude de la déformation de la fibre par flexion alternée et donc de la valeur de la grandeur physique à mesurer. Les dispositifs mettant en oeuvre ce principe de mesure comportent généralement un support sur lequel sont fixés des éléments susceptibles de se déplacer l'un par rapport à l'autre, en fonction des variations de la grandeur physique à mesurer qui peut être par exemple une température, une contrainte ou une pression. On connaît par exemple une jauge de contraintes de type optique comportant deux éléments qui peuvent être fixés sur la pièce dans laquelle on mesure les contraintes et qui comportent des plots entre lesquels est intercalée une fibre optique. Lorsque la pièce se déforme, le déplacement relatif des éléments réalise, par 1 l'intermédiaire des plots, une déformation de la fibre par flexion alternée qui permet de mesurer l'amplitude des déformations et donc des contraintes dans la pièce. On connaît également un dispositif de mesure de grandeurs physiques ou mécaniques telles que des températures, des contraintes ou des pressions, qui comporte un support sur lequel sont fixés des éléments de déformation d'une fibre optique comportant des surfaces ondulées en contact avec deux génératrices extérieures de la fibre. Dans le cas d'une mesure de température, les éléments mobiles l'un par rapport à l'autre assurant la déformation par flexion alternée de la fibre sont reliés entre eux par des pièces de connexion en un matériau dont le coefficient de dilatation est sensiblement différent du coefficient de dilatation du matériau constituant les éléments mobiles. Les variations de température du milieu dans lequel est placé le capteur se traduisent par des déformations par dilatation différentielle de l'ensemble constitué par les éléments mobiles et les moyens de connexion. Un tel capteur optique de température connu de l'art antérieur ne présente pas une structure compacte et résistante permettant de l'utiliser de manière efficace dans une installation industrielle. En outre, les mesures effectuées sont susceptibles de s' avérer peu sensibles et peu reproductibles, du fait de la constitution de la cellule à dilatation différentielle comportant les éléments mobiles et leur moyen de connexion. Le but de l'invention est donc de proposer un capteur optique, en particulier un capteur de température du type comportant un support, une fibre optique, au moins un élément monté sur le support de manière à se déplacer en fonction des variations d'une grandeur à mesurer et à déformer la fibre optique par flexion alternée, la fibre optique étant alimentée par un rayonnement lumineux dont on mesure l'atténuation, ce capteur optique pouvant être réalisé sous une forme simple, compacte et robuste, permettant son utilisation sur une installation industrielle et de manière à réaliser des mesures d'un paramètre physique tel que la température, avec une grande sensibilité et une grande reproductibilité. Dans ce but, le capteur suivant l'invention comporte deux éléments en forme de peigne fixés sur le support de part et d'autre de la fibre optique, le support et les peignes étant réalisés en des matériaux distincts, dont les coefficients de dilatation thermique sont sensiblement différents. Afin de bien faire comprendre l'invention, on va maintenant décrire, à titre d'exemple non limitatif, en se référant aux figures jointes en annexe, un mode de réalisation d'un capteur optique suivant l'invention et son utilisation pour effectuer des mesures de température. La figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un capteur de température suivant l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale suivant 2-2 de la figure 1. La figure 3 est une vue de dessus suivant 3 de la figure 2. La figure 4 est une vue schématique d'une chaîne de mesure permettant la mise en oeuvre d'un capteur optique suivant l'invention. Sur la figure 1, on voit un capteur optique de température suivant l'invention désigné de manière générale par le repère 1. Le capteur 1 comporte une embase 3 constituant le support des éléments mobiles de déformation de la fibre optique et un couvercle 4 vissé sur l'embase 3 et assurant la fermeture et la protection des éléments de mesure du capteur. Un câble 5 dans lequel est disposé coaxialement la fibre optique de mesure 15 est relié au corps du capteur constitué par l'embase 3 et le couvercle 4 par l'intermédiaire d'un manchon de fixation 6 serré entre le couvercle 4 et l'embase 3. Le câble 5 pénètre à l'intérieur du corps du capteur 1, de manière que la fibre optique 15 maintenue par des pièces de fixation 7 et 7' soit disposée à l'intérieur du capteur 1 suivant la direction longitudinale de ce capteur. Comme il est visible sur les figures 2 et 3, l'embase ou support 3 du capteur réalisée de manière monobloc comporte deux rebords 11, 12 en saillie vers l'intérieur du support et délimitant deux logements 13, 14 de forme plate dans chacun desquels est engagé un élément 9, 10 en forme de lame. Comme il est visible sur la figure 3, les éléments 9, 10 en forme de lames comportent des surfaces actives, respectivement 9a et lova, de forme sinusoïdale et disposées en vis-à-vis avec un décalage égal à une demipériode. La fibre optique 15 est intercalée entre les surfaces actives 9a et 9b des éléments 9, 10, de manière à venir en contact avec les surfaces sinusoïdales 9a et l0a suivant deux génératrices de sa surface externe. L'élément 9 en forme de lame est fixé à l'intérieur du logement 13, par deux vis 17 engagées dans des trous taraudés traversant le rebord 11 de l'embase 3. L'élément 10 en forme de lame est fixé à l'intérieur du logement 14, par des vis 18 engagées dans des trous taraudés traversant le rebord 12 de l'embase 3. Avant de réaliser la fixation de l'élément 10, on peut régler sa position dans la direction de l'élément 9 situé en vis-à-vis grâce à des vis 16 engagées dans des trous taraudés de l'embase 3. Le réglage de la position de l'élément 10 grâce aux vis 16 permet de réaliser une mise en contact de la fibre optique 15 avec les surfaces 9a et lOa ainsi qu'un certain serrage de la fibre optique entraînant une déformation en flexion alternée de cette fibre entre les ondes successives des surfaces 9a et 10a. Dans le cas de la réalisation d'un capteur de température suivant l'invention, on a utilisé deux éléments 9 et 10 en forme de peigne constitués par des lames planes ayant une longueur L de 10 mm, une largeur 2 de 5 mm et une épaisseur d'1 mm. Les peignes comportent des surfaces actives en forme de sinusoïdes dont la période P est de 1,5 mm et l'amplitude A de 0,1 mm. La mise en contact des surfaces actives sinusoïdales 9a et 10a de ces éléments avec une fibre optique multimode 100/140 pm permet d'obtenir des microcourbures de la fibre. La déformation de la fibre par microcourbure est réglée de manière que l'amplitude de déformation se situe aux environs de 10 pm. La période du profil de déformation sinusoïdale de la fibre est choisie de manière que cette période soit égale à la longueur de battement entre les modes de la fibre, ce qui induit un couplage d'énergie des modes guidés vers les modes non guidés de la fibre, et par conséquent, une atténuation optique produite par la déformation. Selon l'invention, le support 3 d'une part et les lames 9 et 10 en forme de peigne d'autre part sont réalisés en des matériaux distincts présentant des coefficients de dilatation thermique sensiblement différents. Dans un mode de réalisation préférentiel, le support 3 est réalisé en alliage d'aluminium AU2 Gn de coefficient de dilatation thermique 22.10-6/ C et les lames 9 et 10 en forme de peigne en acier APX4C dont le coefficient de dilatation est de 10,8.10-6/"C. De cette façon, l'embase et les lames 9 et 10 constituent une cellule de mesure à dilatation différentielle qui est représentée sur les figures 2 et 3. Dans le cas où la température du milieu dans lequel est plongé le capteur 1 subit une variation, les lames 9 et 10 se déplacent l'une par rapport à l'autre dans une direction parallèle à leur surface et perpendiculaire à la fibre 15, soit dans le sens du rapprochement, soit dans le sens de l'éloignement des surfaces actives 9a et 10a, sous l'effet de la dilatation différentielle des éléments de la cellule. Le déplacement relatif des surfaces actives 9a et 10a entraîne une variation de la déformation par microcourbure de la fibre 15 et donc une variation de la capacité d'atténuation de la partie de la fibre déformée par microcourbure. Sur la figure 4, on a représenté de manière schématique, une chaîne de mesure permettant de réaliser des mesures d'atténuation d'un rayonnement lumineux dans une fibre optique telle que la fibre 15 subissant une déformation par microcourbure entre les éléments en forme de peigne 9, 10 d'un capteur optique tel que le capteur 1. Ces mesures d'atténuation permettent d'effectuer des mesures d'une grandeur physique telle que la tempéra ture, la déformation par microcourbure de la fibre et donc sa capacité d'atténuation dépendant de la position relative des éléments 9, 10 à surfaces actives sinusoïdales qui dépend elle-même de la température à laquelle est portée la cellule de mesure du capteur optique 1. La chaîne de mesure comporte deux diodes électroluminescentes 21 et 22 réglées pour émettre respectivement un rayonnement lumineux de longueur d'onde hl dans une première fibre optique 23 et un rayonnement lumineux de longueur d'onde X2 dans une seconde fibre optique 24, les fibres optiques 23 et 24 étant reliées au niveau d'un coupleur 20. La sortie du coupleur 20 est reliée à une fibre optique 25 recevant un rayonnement constitué par la juxtaposition du rayonnement de longueur d'onde Xl et du rayonnement de longueur d'onde X2. La fibre 25 est reliée à un second coupleur 26. Le capteur optique 1 qui est constitué par un capteur de température tel que décrit et représenté sur les figures 1, 2 et 3 comporte une fibre optique multimode 15 intercalée entre les éléments 9 et 10 du capteur 1, à l'une de ses extrémités et reliée, à son autre extrémité, au coupleur 26. L'extrémité de la partie de la fibre 15 intercalée entre les éléments mobiles 9 et 10 constitue un miroir réfléchissant 28. Un filtre dichroïque 29 est également intercalé sur le trajet de la fibre 15 à l'entrée du capteur optique 1. Le filtre dichroïque 29 permet de laisser passer la partie du rayonnement lumineux de longueur d'onde k2 et de renvoyer par réflexion la partie du rayonnement de longueur d'onde hl dans la fibre optique 15. Le coupleur 26 comporte quatre voies qui sont reliées respectivement à la fibre optique 15, à la fibre optique 25 et à deux fibres optiques reliées respective ment à une photodiode 30 et à une photodiode 31 assurant la conversion de ces signaux lumineux qu'elle reçoit en signaux électriques qui sont transmis à un calculateur 32. Les signaux lumineux provenant des diodes électroluminescentes 21 et 22 sont transmis directement par le coupleur 26 à la photodiode 31, ces signaux étant convertis en signaux électriques et traités par le calculateur, de manière à contrôler la puissance émise par les diodes électroluminescentes. Le signal constitué par la juxtaposition des signaux de longueur d'onde k1 et X2 est transmis au capteur optique 1 par la fibre 15. La partie du signal de longueur d'onde Xî est réfléchie par le filtre dichroïque 29 et transmise à la photodiode 30 qui permet de convertir le signal optique en un signal électrique qui est transmis au calculateur 32. On peut ainsi déterminer et mettre en mémoire la puissance ou l'intensité du signal lumineux réfléchi avant son entrée dans le capteur optique 1 et non affecté par les microcourbures de la fibre 15. La partie du signal de longueur d'onde X2 qui pénètre dans le capteur optique, se propage dans la partie de la fibre déformée par microcourbure puis est réfléchie dans la fibre par le miroir 28. Cette partie du signal de longueur d'onde k2 est renvoyée par le miroir 28 dans la fibre 15 et parvient à la photodiode 30, ce qui permet de déterminer et de mettre en mémoire la puissance ou l'intensité du signal atténué à l'intérieur du capteur optique 1. On détermine l'atténuation du signal optique par le rapport de la puissance mesurée sur le signal atténué de longueur d'onde k2 à la puissance mesurée sur le signal de longueur d'onde Xî réfléchi par le filtre dichroïque 29. On obtient ainsi une valeur très précise de l'atténua tion qui est tout-à-fait indépendante des caractéristiques optiques de la chaîne de mesure. Comme expliqué plus haut, cette valeur de l'atténuation est représentative d'une valeur de la température du milieu dans lequel est placé le capteur 1. La mesure de température peut être réalisée de manière sensible et avec une bonne reproductibilité dans la mesure où le capteur comporte une cellule à déformation différentielle constituée par des éléments assemblés de manière rigide et bien déterminée et constitués en des matériaux dont les coefficients de dilatation thermique sont définis de manière très précise. En outre, le capteur peut être réalisé de manière simple, compacte et robuste, de façon à pouvoir être utilisé pour effectuer des mesures sur une installation industrielle. Il est à remarquer que la réponse du capteur optique ne dépend pas de la longueur d'onde de la source lumineuse utilisée. Les capteurs optiques suivant l'invention sont donc tout-à-fait adaptés à une utilisation dans une installation où un grand nombre de mesures est effectué, avec un multiplexage chromatique des signaux de mesure. Ces capteurs peuvent donc être utilisés de manière avantageuse, sur un réseau multiplexé en longueur d'onde. L'invention ne se limite pas au mode de réalisation qui a été décrit. Le support du capteur peut présenter une forme différente de celle qui a été décrite et comporter des moyens de fixation et de réglage des éléments en forme de peigne différents de ceux qui ont été décrits. Le support et les éléments en forme de peigne constituant la cellule sensible à dilatation différentielle du capteur peuvent être réalisés en des matériaux différents d'un alliage d'aluminium et acier pourvu que ces matériaux présentent des coefficients de dilatation différentielle nettement différents. Il est bien évident que le choix de la dimension, de la forme et de la constitution des éléments de la cellule sensible peut permettre de régler l'échelle de mesure, en fonction de l'utilisation du capteur. Le capteur suivant l'invention peut être utilisé non seulement pour effectuer des mesures de pression mais encore pour effectuer des mesures de toute grandeur physique dont les variations peuvent se traduire par des variations de la température du capteur ou encore une surveillance ou un contrôle de la température d'une zone d'une installation industrielle. REVENDICATIONS 1.- Capteur optique, et en particulier capteur de température, du type comportant un support (2), une fibre optique (15), au moins un élément (9, 10) monté sur le support (2) de manière à se déplacer en fonction des variations d'une grandeur à mesurer et à déformer la fibre optique (15) par flexion alternée, la fibre optique (15) étant alimentée en un rayonnement lumineux dont on mesure l'atténuation, caractérisé par le fait qu'il comporte deux éléments (9, 10) en forme de peigne fixés sur le support (2) de part et d'autre de la fibre optique (15), le support (2) et les éléments en forme de peigne (9, 10) étant réalisés en des matériaux distincts dont les coef fi- cients de dilatation thermique sont sensiblement différents. 2.- Capteur optique suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que les éléments (9, 10) en forme de peigne sont constitués par des lames planes présentant, suivant l'un de leurs bords, une surface active (9a, 10a) de forme ondulée venant en contact avec la fibre (15). 3.- Capteur optique suivant la revendication 2, caractérisé par le fait que les éléments (9, 10) en forme de peigne comportent chacun une surface active (9a, lOa) de forme sinusoïdale. 4.- Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé par le fait que le support (2) est en un alliage d'aluminium et les éléments (9, 10) en forme de peigne en un acier dont le coefficient de dilatation est sensiblement inférieur au coefficient de dilatation de l'alliage d'aluminium constituant le support. 5.- Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que le support (3) du capteur (1) présente deux logements (13, 14) en vis-à-vis, pour le montage des éléments en forme de peigne (9, 10), l'un des éléments en forme de peigne (9) étant fixé dans son logement (13) par serrage de vis (17) et le second élément en forme de peigne (10) étant monté réglable dans son logement (14), grâce à des vis (16), en direction de la surface active (9a) du premier élément mobile (9) et fixé en position par des vis (18). 6.- Procédé de mesure optique d'une grandeur physique en utilisant un capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait qu'on fait parvenir à l'une des extrémités d'une fibre optique (15) dont l'autre extrémité est intercalée entre les éléments en forme de peigne (9, 10) du capteur optique, un rayonnement lumineux constitué par un premier rayonnement de longueur d'onde (X1) et par un second rayonnement de longueur d'onde (X2), qu'on renvoie par réflexion le premier rayonnement de longueur d'onde (k1) sur une photodiode (30), avant son passage dans le capteur optique (1), qu'on mesure l'intensité du premier rayonnement de longueur d'onde (ho), qu'on renvoie le second rayonnement de longueur d'onde (X2) sur la photodiode (30) par réflexion, après son passage dans le capteur optique (1) comportant la partie de la fibre (15) déformée par flexion alternée, qu'on mesure l'intensité du second rayonnement de longueur d'onde (X2), qu'on détermine l'atténuation provoquée par la fibre déformée par-flexion alternée à l'intérieur du capteur optique (1), en calculant le rapport des intensités du second rayonnement et du premier rayonnement et qu'on en déduit la valeur de la grandeur à mesurer.