Brevet FR2677752A1 — publié le 19921218

CAPTEUR INTERFEROMETRIQUE DE GRANDS DEPLACEMENTS La présente invention se rapporte à un capteur interférométrique de grands déplacements. Depuis quelques années, les capteurs de mesure à fibre optique se sont considérablement développés. Pour la mesure de déplacements faibles, on utilise généralement des capteurs à lecture interférométrique qui peuvent être utilisés pour un grand nombre d'applications. On citera, en particulier, la mesure de pression, la mesure de température et la mesure d' indice optique. Ceux-ci ont deux avantages principaux, d'une part, le codage de la mesure se fait par modulation de fréquence optique et d'autre part la transmission de l'information se fait au moyen d'une fibre optique multimode standard. L'inconvénient principal de la lecture interférométrique est que les principes d'analyse mis en oeuvre ne s'appliquent bien qu'à la condition que l'amplitude du déplacement ne dépasse pas quelques dizaines de microns. La présente invention a pour objet un capteur interférométrique qui permette de mesurer de grands déplacements (au moins plusieurs millimètres ou centimètres) avec une précision du même ordre de grandeur que celle des capteurs interférométriques classiques, et ce, en ne mettant en oeuvre que des moyens simples et peu onéreux. Le capteur interférométrique conforme à l'invention comporte une source de rayons lumineux reliée, le cas échéant par une fibre optique, à un dispositif optique de collimation ou de focalisation, ce dispositif optique coopérant avec un interféromètre dont un des éléments optiques est solidaire d'un corps dont il faut mesurer les déplacements, et, selon l'invention, ledit élément optique est un coin optique fixé audit corps mobile. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est un schéma simplifié d'un capteur interférométrique connu de Fizeau - la figure 2 est un schéma simplifié d'un capteur conforme à l'invention - la figure 3 est un schéma simplifié d'un capteur conforme à l'invention, pour la mesure selon deux directions différentes - la figure 4 est un schéma simplifié d'un capteur conforme à l'invention, permettant une mesure redondante - la figure 5 est un schéma simplifié d'un capteur conforme à l'invention, pour la mesure de déplacements angulaires - les figures 6 et 7 sont des schémas simplifiés de capteurs conformes à l'invention, pour la mesure de déplacements angulaires sur 360 ; et - la figure 8 est un schéma simplifié d'une variante d'un capteur conforme à l'invention. Le capteur interférométrique connu de la figure 1 comporte une source 1 de lumière blanche dont la lumière est véhiculée par une fibre optique 2 vers une optique de collimation ou de focalisation 3. Face à l'optique 3, on dispose un interféromètre de Fizeau 4 (ou de Michelson). L'interférométre 4 possède un bras mobile 5 qui, sous l'action de la grandeur physique à mesurer, va subir un micro-déplacement. On démontre que lorsque de la lumière blanche provient de la source 1 à l'interféromètre 4, on obtient un spectre cannelé dont les caractéristiques dépendent de l'épaisseur optique de l'interféromètre. L'analyse de ce spectre permet de déterminer la valeur e du micro-déplacement. On a représenté en figure 2 un corps 6 mobile parallèlement à un axe Ox solidaire de ce corps, sur une distance maximale D. Face au corps 6, on dispose sur un bâti fixe 7 une tête optique de mesure 8. La tête 8 comporte essentiellement une optique de collimation 9 disposée en vis-à-vis d'une extrémité d'une fibre optique 10, similaire à la fibre 2 de la figure 1, dont l'autre extrémité reçoit la lumière à large spectre d'une source 11 similaire à la source 1. L'axe optique de l'optique 9 passe par l'axe de l'extrémité de la fibre 10 qui lui fait face, et est perpendiculaire à Ox. On fixe sur le corps 6 un coin optique 12 formé de deux lames à faces planes 13 et 14 d'air ou de verre de faible épaisseur optique (de l'ordre de quelques microns à quelques dizaines de microns) et d'angle au sommet a de faible valeur (par exemple quelques degrés). Ce coin 12 est fixé sur le corps 6 de façon que sa face supérieure 13 soit, bien entendu, constamment exposée au faisceau issu de l'optique 9 lorsque le corps 6 parcourt la distance maximale prévue D le long de l'axe Ox. L'arête (fictive dans le cas du dessin) du dièdre formé par les faces semi-réfléchissantes supérieure 13 et inférieure 14 du coin 12 doit être sensiblement perpendiculaire à Ox, et la face 14 est parallèle à Ox. La fibre optique 10 et l'optique 9 sont choisies et disposées de façon que le faisceau lumineux F issu de l'optique 9 soit très fin, afin que l'on puisse considérer qu'en tout point du coin éclairé par ce faisceau l'épaisseur optique du coin 12 est pratiquement constante. Ceci peut être réalisé, soit en focalisant les faisceaux lumineux, soit en les collimatant lorsque l'angle a est suffisamment faible. Dans ce cas, dans la zone éclairée par ce faisceau, le coin 12 est assimilable à un interféromètre de Fizeau d'épaisseur optique e. Soit M le point du coin 12 sur lequel l'optique 9 focalise le faisceau F. Soit l'abscisse de M (par rapport à 0, qui est solidaire du corps 6). On a alors la relation e = e + . xi o e étant une constante dépendant des caractéristiques du coin 12. o Au point M se forme un spectre cannelé, dont l'analyse, réalisée de façon classique, permet de calculer e. Connaissant e et a o (caractéristiques du coin utilisé), on calcule l'abscisse xM d'un point M correspondant à l'épaisseur e e-e o M Soient xM' l'abscisse du point M pour la position initiale du corps 6 et XM" celle de ce point pour la position finale du corps 6. Le déplacement du corps 6 est alors égal à XM XM . L'angle a pouvant être pris aussi petit que l'on veut, on peut faire correspondre à une faible variation de e un grand déplacement du corps 6. D étant le déplacement maximal du corps 6, la variation maximale d'épaisseur e M du coin 12 est alors e = a.D. On a transformé un grand déplacempent en une faible variation d'épaisseur. Du point de vue pratique, la réalisation d'un coin d'air ou de verre est un problème connu des façonniers optiques. De façon générale, on notera qu'il est préférable ici d'utiliser de la silice pour fabriquer le coin. En effet, la silice présente un coefficient de dilatation très faible, qui lui permet donc d'être pratiquement insensible aux variations thermiques. L'assemblage des lames constituant le coin optique peut être fait soit par collage, soit par adhérence moléculaire si l'on souhaite connaître la valeur du déplacement xM"-xM' avec une grande précision. Selon le schéma de la figure 3, l'invention permet également de réaliser des mesures bidimensionnelles de grands déplacements. Soit un objet 15 mobile selon des directions contenues dans un plan P fixe défini par les axes Ox, Oy. On fixe sur l'objet 15 un coin optique 16 de façon que sa face inférieure soit parallèle au plan P. La face supérieure du coin 16 fait un angle a par rapport à Ox et un angle ss par rapport à Oy. Soient xM et YM les composantes des déplacements de l'objet 15 selon les axes Ox et Oy respectivement. Le coin est tel que son épaisseur optique e vérifie la relation e = eO + a xM + ss YM (eO = constante caractéristique du coin). On dispose au-dessus du coin 16 deux têtes optiques 17, 18, similaires à la tête optique 8 de la figure 2. Les faisceaux des têtes 17, 18 sont focalisés en des points A (de coordonnées xA, yA) et B (de coordonnées xB, yB) respectivement. On mesure les épaisseurs optiques du coin 16 en A (eA) et B (eB) de la même façon que dans le cas de la figure 2, et on obtient eA = e0 + a Cx + xM) + CyA + yM) eB = e0 + a (xB + ) + ss (yB + yM) soit o A + '3 soit : eA = A + a xM + '3 avec A = e + a x eB = B + a xM + ss B YH avec B = eO + a xB + ss YB Les grandeurs eA, eB, A, B, a et ss étant connues, on en déduit xM et On peut ainsi mesurer à l'aide de deux têtes optiques tout déplacement rectiligne (ou tout au moins la distance entre le point de départ et le point d'arrivée d'un trajet quelconque) de l'objet 15 dans le plan P. Dans certaines applications, il est nécessaire de réaliser les mesures des déplacements avec une très grande fiabilité. Selon le mode de réalisation de la figure 4, on utilise à cet effet, pour une mesure mono-dimensionnelle, une tête optique 19 et une tête optique supplémentaire 20, toutes deux étant similaires à la tête 8 décrite ci-dessus. Bien entendu, pour une mesure bi-dimensionnelle, on utilise une ou deux têtes supplémentaires. Le coin optique 21 fixé sur le corps mobile 22 est identique au coin 12 de la figure 2. Les faisceaux des têtes 19, 20 sont respectivement focalisés en M et N. La distance fixe entre M et N est égale à I. La mesure d'épaisseur e1 réalisée avec la tête 19 donne e1= eO + a xM et la mesure d'épaisseur e2 réalisée avec la tête 20 donne e2 = eo + a CxM + I). On obtient donc : e2 - el = aI. Par conséquent la différence des deux mesures e2 est une constante, et doit être invariable quelle que soit la valeur du déplacement du corps 22, dans les limites permises par les dimensions du coin 21. Toute variation de la valeur de ladite différence sera attribuable à un effet perturbateur et indiquera que le système de mesure ne fonctionne plus correctement. Si l'on fait la moyenne de el et e2, on peut améliorer la précision de la mesure. Bien entendu, on peut ajouter d'autres têtes supplémentaires pour améliorer la fiabilité et la précision de la mesure. Le capteur conforme à l'invention permet également de mesurer des angles de rotation, comme représenté en figure 5. Soit un corps 23 mobile en rotation autour d'un axe 24. On fixe sur le corps 23 un coin optique 25 d'air ou de verre d'angle au sommet a. Une tête optique fixe 26, semblable à la tête 8, focalise un faisceau F de lumière blanche en un point M de la face inférieure horizontale du coin 25. Le point M est situé à une distance r de l'axe 24. On suppose qu'initialement, pour un angle de rotation nul, l'épaisseur optique e0 du coin 25 au droit du point M est égale à l'épaisseur moyenne du coin 25. Lorsque ce coin tourne d'un angle e, l'épaisseur eg du coin 25 traversé par le faisceau F devient eg = eo + ra sin 6 Connaissant e, eO, r et a, on peut facilement calculer sin O. Si la rotation est inférieure à 1800, on peut en déduire 8. On a représenté en figure 6 une variante du capteur de l'invention permettant de mesurer des angles de rotation allant jusqu'à 360". A cet effet, on remplace le coin 25 par un coin multiple 27. Ce coin 27 se compose de trois éléments de coin 28, 29 et 30 couvrant chacun un secteur angulaire de 1200 et dont les épaisseurs moyennes sont toutes différentes. Ainsi, pour une rotation donnée (inférieure à 360 ) du coin 27, correspond une épaisseur optique unique vue par le faisceau F'. Donc, en mesurant cette épaisseur, on retrouve facilement l'angle de rotation du coin 27 (et de la pièce 23 sur laquelle il est fixé). Pour chacun des coins 28 à 30, la variation d'épaisseur vue par le faisceau F', en fonction de l'angle de rotation, vaut pour 28 : e = eo + a sin Ce - 60 ) O variant de O à 1200 a étant une constante caractéristique de ce secteur pour 29 : e = (eo + {~ a) - a sin O 6 variant de 1200 à 240 pour 30 : e = (eo + 2{- a) + a sin Ce + 60 ) 6 variant de 240 à 360" Cette variante de la figure 6 présente l'inconvénient de nécessiter l'utilisation d'un coin multiple 27 qui est un composant optique complexe. De préférence, lorsque cela est possible, on a recours au mode de réalisation de la figure 7, qui permet de faire des mesures d'angles de rotation jusqu'à 360 , à l'aide de deux têtes optiques, 26A et 26B, identiques à la tête 26. Ces deux têtes 26A, 26B produisent des faisceaux F1, F2 focalisés en M et N, respectivement. O est l'intersection du plan inférieur du coin 25 avec l'axe de rotation 24.Les têtes optiques 26A, 26B sont disposées de façon que OM soit perpendiculaire à ON. Soient el et e2 les épaisseurs de coin mesurées par les têtes 26A, 26B respectivement. On a alors, pour un angle de rotation e du corps 23 et du coin 25 el = eo + a sin O (a étant une constante caractéristique du coin 25) e2 = eo + a cos e Ainsi, quelle que soit la valeur de l'angle O (entre O et 360 ), on peut toujours le déterminer. De plus, on doit toujours avoir la relation suivante, que l'on déduit des précédentes : (el - eo)2 + (e2 - eo)2 = a2 Donc, toute variation du premier terme de cette dernière relation ne peut être attribuable qu'à un effet perturbateur de la mesure, ce qui permet de s'assurer que la mesure est correcte. Bien entendu, comme précisé en référence à la figure 4, on peut adjoindre dans chaque mode de réalisation décrit ici, une tête de mesure complémentaire à chaque tête de mesure décrite, afin de faire des mesures redondantes. Selon la variante représentée en figure 8, on utilise, au lieu d'un coin de verre classique, un prisme biréfringent, dit "de Wollaston". Le capteur de la figure 8 comporte une fibre optique 28, une optique de focalisation 29, un polariseur 30 et un prisme biréfringent 31 fixé sur la pièce 32 dont on mesure les déplacements (dans une direction perpendiculaire au faisceau issu de la fibre 28). Les faces inférieure 33 et supérieure 34 du prisme 31 sont traitées semi-réfléchissantes. L'emploi d'un tel prisme permet d'augmenter les tolérances optiques du capteur, ce qui en facilite la réalisation technique. REVENDICATIONS 1. Capteur interférométrique de grands déplacements, caractérisé par le fait qu'il comporte une source de rayons lumineux (1) reliée, le cas échéant, par une fibre optique (2) à au moins un dispositif optique de collimation ou de focalisation (7, 17, 18, 19, 20, 26, 26A, 26B), ce dispositif optique coopérant avec un interféromètre dont un des éléments optiques est solidaire d'un corps (6, 15, 22, 23) dont on mesure les déplacements, ledit élément optique étant un coin optique fixé audit corps mobile dont 1' interféromètre détermine les variations d'épaisseur qui sont fonction du déplacement du corps. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le coin optique est un coin d'air ou de verre. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, pour la mesure bidimensionnelle de déplacements d'un corps (15) dans un plan (P), caractérisé par le fait qu'il comporte deux dispositifs optiques de collimation ou de focalisation (17, 18), le coin (15) faisant un premier angle (a) par rapport à un premier axe de coordonnées (Ox) dudit plan, et un second angle (ss) par rapport à un deuxième axe de coordonnées (Oy) de ce plan. 4. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les déplacements sont des déplacements angulaires inférieurs à 1800. 5. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les déplacements sont des déplacements angulaires compris entre O et 360 , et qu'il comporte un coin optique multiple (27) à trois éléments (28 à 30) s'étendant chacun sur un secteur de 1200, et ayant chacun une épaisseur moyenne différente. 6. Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que les déplacements sont des déplacements angulaires compris entre O et 360 , et qu'il comporte deux têtes optiques (26A, 26B) disposées à 90" par rapport à l'axe de rotation (24). 7. Capteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comporte une tête optique complémentaire (20) adjointe à chaque tête optique de mesure, pour faire des mesures redondantes.