Brevet FR2713780A1 — publié le 19950616

Ca.peurde courant à o.p tiqu e massive __......_____. __ L'invention part d'un capteur de courant à optique massive, a) avec un corps à plusieurs faces, b) présentant en périphérie des faces latérales réfléchissant la lumière et c) présentant intérieurement au moins un évidement pour un conducteur électrique. Selon le préambule, l'invention fait référence à un état de la technique, tel que connu par R. Stierlin, Faseroptische Sensoren, Bulletin SEV/VSE 82 (1991) 1, pages 21 à 29. Dans ce document est utilisé comme capteur de courant à optique massive un bloc de verre en quartz heptagonal, qui présente intérieurement un évidement cylindrique circulaire pour un conducteur électrique dont l'intensité doit être mesurée. Une lumière monochromatique est introduite perpendiculairement par rapport à une première face latérale, en bordure, par un polarisateur dans le bloc en verre de quartz et, après une triple réflexion sur trois faces latérales réfléchissantes produisant chacune une déviation à 90 , perpendiculairement par rapport à une deuxième face latérale constituant avec la première face latérale un angle de 90 , on amène en bordure par un polarisateur supplémentaire d'une photodiode cette lumière monochromatique en vue de la mesure de l'intensité lumineuse. Selon l'effet de Faraday, la direction de polarisation de la lumière à polarisation linéaire, lors du premier passage dans le bloc en quartz, est proportionnelle au champ magnétique produit par le courant et est l'objet d'une rotation proportionnelle à la longueur du chemin parcouru dans le matériau du bloc en quartz. L'intensité électrique instantanée peut être calculée à partir de la valeur de l'angle de rotation. La sensibilité de ce détecteur de courant est relativement faible. Par Y. N. Ning et al., Miniature Faraday current sensor based on multiple critical angle reflections in a bulkoptic ring, OPTICS LETTERS, volume 16, n 24 (1991), pages 1996 à 1998, il est connu de faire passer de la lumière en plusieurs circulations à l'intérieur d'un cylindre circulaire, autour d'un conducteur électrique, placé au centre, puis d'effectuer une évaluation. Un tel capteur de courant à effet focalisant travaille près de l'angle de la réflexion totale; il est difficile à ajuster. Des couches diélectriques appliquées dessus constituent un problème du fait de la possibilité de souillure. Par Toshihiko T. Yoshino et al., Accurate Faraday effect current sensor, ADVANCES IN OPTICAL FIBER SENSORS, 1991, pages 208 à 217, il est connu d'utiliser pour effectuer le revêtement de surfaces spéculaires des paires de couches en SiO2/Ti02 et MgF2/ZnS pour diminuer l'influence du déphasage lors de la réflexion. Le problème du perfectionnemment recherché est résolu, pour un capteur électrique à optique massive du type cité au début, par le fait que le corps à plusieurs faces présente au moins une face latérale réfléchissant la lumière, décalée vers l'intérieur ou vers l'extérieur dans la direction allant à ou venant de la normale d'une face latérale hypothétique, la face latérale hypothétique étant positionnée de manière qu'une rayon lumineux entrant sur cette face latérale hypothétique dans le capteur de courant à plusieurs faces constitue un polygone fermé après une première circulation faite autour d'au moins un évidement. Ce mode de réalisation permet d'obtenir une plus grande sensibilité de mesure, avec une possibilité d'obtention d'une fabrication simple. Un avantage de l'invention résulte dans la forme relativement simple et les avantages en résultant pour la fabrication. La sensibilité au champ extérieur, venant de conducteurs voisins, peut être diminuée. L'invention est expliquée ci-après à l'aide d'exemples de réalisation. Sur le dessin: la figure 1 représente une coupe transversale d'un capteur de courant à optique massive dont une face de réflexion est située à une distance augmentée par rapport au centre, la figure 2 représente une coupe transversale dans un capteur de courant à optique massive, dont une face de réflexion présente une distance diminuée par rapport au centre, la figure 3 représente une représentation de principe de faces spéculaires d'un capteur de courant à optique massive, avec un nombre pair de faces spéculaires, et la figure 4 est une représentation de principe de faces spéculaires d'un capteur de courant à optique massive avec un nombre impair de faces spéculaires. La figure 1 représente un corps (1) prismatique, à section octogonale, en verre de quartz, ayant 7 faces latérales (F2 à F8), présentant, en partant d'un point médian, ou d'un centre (3), un évidement (2) cylindrique central pour un conducteur de l'électricité, non représenté, ayant un espacement surface- centre (a) minimal égal, pouvant être prédéterminé. Une huitième face latérale (F1) a un espacement par rapport à l'axe supérieur, d'une différence (x) pouvant être déterminée, à l'espacement des faces latérales (F2 à F8). Au moins quatre faces latérales (F1, F3, F5) et (F7) sont réalisées de façon à réfléchir la lumière, de préférence polies et recouvertes de couches diélectriques pour éviter tout déphasage indésirable lors de la réflexion entre une polarisation perpendiculaire et parallèle. La lumière polarisée incidente (LE) arrive sur un point d'entrée de lumière (E), perpendiculairement et en bordure, à travers la face latérale (F8). Après avoir effectué n réflexions sur les faces latérales (F3, F5). vfç1 aâRainsi que (n - 1) réflexions sur la face latérale (F1), la lumière sort, à titre de lumière de sortie (LA), perpendiculairement, d'un point de sortie de lumière (A) situé en bordure de la face latérale (F2). Le point d'entrée de lumière (E) a, en partant d'un plan de coupe (B), orienté perpendiculairement aux faces latérales (F8, F4) et passant par le centre (3), un espacement (d) pouvant être prédéterminé, supérieur à un rayon (r) de l'évidement (2) cylindrique ou une étendue d'un évidement (4) de forme différente, par exemple à section transversale rectangulaire, ceci dans la direction de l'axe de la lumière incidente (LE). Il en va de même pour l'espacement, non dessiné, entre l'axe de la lumière de sortie (LA) par rapport au centre (3). Du fait du décalage axial de la face latérale (F1) par rapport aux faces latérales (F2 à F8), qui est de la valeur de différence (x), on obtient que la lumière incidente (LE) ne soit pas guidée suivant un tracé polygonal fermé sur soi, mais selon une trajectoire spirale imbriquée, à travers le corps prismatique (1). On obtient ainsi, du fait de la répétition de la circulation de la lumière autour de l'évidement (2) une augmentation de la sensibilité lors de la mesure d'un courant passant, en cas de fonctionnement, à travers le conducteur électrique, à l'intérieur de l'évidement (2), ceci au moyen de l'effet Faraday. Dans cette disposition cependant on a sur l'angle de rotation YF provoqué par l'effet Faraday, de la lumière polarisée, exprimé par PF = S V. H. ds, une plus grande partie de trajectoire lumineuse qui n'est pas fermée. Le point d'entrée de lumière (E) et le point de sortie de lumière (A) sont relativement loin l'un de l'autre. Il est produit de ce fait une sensibilité aux champs parasites indésirable et sur des conducteurs électriques voisins et une sensibilité quant à la position du conducteur électrique dans l'évidement (2). Alors V est la constante de Verdet, H est le vecteur du champ magnétique produit par le courant dans le conducteur électrique et s est un vecteur du trajet lumineux autour de l'évidement (2) au travers du corps prismatique (1). Cet inconvénient de la sensibilité aux champs parasites peut être notablement évité en cas de réalisation de l'invention selon la figure 2. A la différence de la figure 1, ici, pour un corps prismatique (1') également octogonal, la face latérale (F1) est raccourcie d'une différence (y) pouvant être prédéterminée en comparaison de l'espacement minimal (a) entres les autres faces latérales (F2 à F8). La lumière incidente (LE) entre à son point d'entrée de lumière (E), perpendiculairement, à travers une surface d'entrée de lumière (51) dans un prisme à trois faces (5) et sort, perpendiculairement, par la surface de sortie de lumière (52) de ce prisme (5), à titre de lumière de sortie (LA). La troisième face latérale du prisme (5) à trois faces appuie sur la face latérale (F1) raccourcie axialement du corps prismatique (1'), au moyen duquel en bordure, par une couche de réflexion (6) pouvant être constituée de plusieurs couches, la lumière incidente (LE) entre dans le corps prismatique (1'). Sur un bord opposé par rapport à la couche de réflexion (6), sur la figure 2, à gauche, la lumière sort, plusieurs fois réfléchie, hors du corps prismatique (1'), passant dans le prisme (5) à trois faces. Sur les 4 faces de réflexion (F1, F3, F5, F7) se produisent, en cas de réflexion totale verre/air ou bien en cas de poli spéculaire métallique, des déphasages entre la polarisation perpendiculaire et la polarisation parallèle, ces déphasages perturbant fortement l'effet de la mesure. Cet inconvénient peut être empêché par application d'une couche diélectrique appropriée. Une couche de réflexion (6) peut être appliquée sur la face latérale (F1) ou sur la face de prisme limitrophe. Pour une couche de réflexion (6) diélectrique est prévu un évidement dans la face de pose du prisme (5). Des couches de réflexion identiques sont appliquées sur les faces de réflexion (F3, F5, F7) (non représentées). Les zones limitrophes, o se font l'entrée et la sortie de lumière, ne doivent présenter aucune couche de réflexion (6). Le décalage d'au moins une face latérale (F1) réfléchissant la lumière, vers l'intérieur ou vers l'extérieur, doit être choisi d'une ampleur telle que le point de croisement (P) entre le rayon lumineux entrant (LE) et le rayon lumineux sortant (LA) doit être situé aussi près que possible de la surface d'entrée de lumière (51) qu'également de la surface de sortie de lumière (52). Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le corps prismatique (1) constitue le capteur de courant à optique massive, dans l'exemple de réalisation de la figure 2 le corps prismatique (1') le constitue en liaison avec le prisme à trois faces (5). Au lieu d'un évidement (2, 4) ménagé dans le corps prismatique (1), on peut prévoir plusieurs évidements. Au lieu du quartz, on peut choisir un autre matériau transparent. La figure 3 représente schématiquement et de façon généralisée, un capteur de courant à optique massive ayant un nombre pair de faces latérales réfléchissantes, ou de faces spéculaires (SF1 à SF6), capteur dans lequel, abstraction faite de l'évidement (2), on a omis les autres faces de limitation. (SF1') désigne une face latérale hypothétique, dans la position de laquelle la lumière incidente (LE), après avoir effectué une première circulation autour de l'évidement (2), aurait parcouru un polygone fermé. Le polygone ne doit pas nécessairement être convexe, voir la face spéculaire (SF5) qui est située à l'intérieur de la droite de liaison entre les faces spéculaires (SF4) et (SF6). La face spéculaire (SF1) est décalée vers l'intérieur par rapport à la face latérale (SF1') hypothétique, en direction de sa normale, c'est-à-dire qu'elle se trouve plus près de l'évidement (2). Ce faisant, le rayon lumineux ne se transforme plus en lui-même et l'on obtient la circulation multiple souhaitée, avec un décalage à imbrication en spirale du rayon lumineux. La lumière incidente (LE) et la lumière de sortie (LA) se croisent en un point de croisement (P) extérieur à la face spéculaire (SF1). La figure 4 montre, de manière analogue à la figure 3, schématiquement et de façon généralisée, un capteur de courant à optique massive avec un nombre impair de faces latérales réfléchissantes, ou de faces spéculaires (SF1 à SF3). Ici également, la face spéculaire (SF1) est décalée vers l'intérieur par rapport à la face latérale (SF1') hypothétique, faisant que, au lieu d'un simple polygone pour lequel, après une première circulation, le rayon lumineux se transforme en lui-même, il en résulte une deuxième circulation de la lumière. Au point de croisement (P) se croisent le rayon lumineux entrant et le rayon lumineux sortant (LE, LA), ceci sur la face spéculaire (SF1). Au lieu d'un décalage d'une face spéculaire (SF1 à SF6) vers l'intérieur, il peut également s'effectuer un décalage vers l'extérieur, perpendiculairement par rapport à la face latérale (SF1') hypothétique. Ce ne doit pas nécessairement être la face de couplage de lumière qui est décalée. Dans le cas d'un nombre impair de faces latérales réfléchissantes, le rayon lumineux revient sur soi- même après avoir effectué 2 circulations. Dans le cas d'un nombre pair de faces latérales réfléchissantes, le rayon lumineux ne revient jamais en lui-même; il se produit un décalage imbriqué en spirale du rayon lumineux. Le décalage peut très fortement augmenter, des limites étant imposées par la taille finale du polygone et par la valeur du décalage des surfaces. Si, dans le cas d'un nombre pair de faces spéculaires, une face spéculaire (SF1, SF3, SF5) ayant un numéro de surface impair est décalée conjointement vers l'intérieur, alors le point de croisement (P) est situé à l'extérieur du capteur de courant à optique massive (1, 1'), voir également la figure 2. En cas d'un décalage vers l'extérieur, le point de croisement (P) est situé à l'intérieur du capteur de courant (1, 1') à optique massive, voir figure 1. Si, cependant, une face spéculaire (SF2, SF4, SF6), ayant un numéro de faces pair, est décalée vers l'intérieur, ou vers l'extérieur, alors le point de croisement (P) va se situer à l'intérieur ou à l'extérieur du capteur à optique massive (1, 1'). Les capteurs de courant à optique massive (1') ayant un point de croisement (P) extérieur ont un défaut de circulation (défaut imputable au trajet optique non fermé) inférieur à ce que l'on a avec un point de croisement (P) intérieur, de sorte qu'ils conviennent mieux pour réaliser un capteur de courant. Au lieu de la face de couplage de lumière, on peut également avoir plusieurs surfaces spéculaires (SF1 à SF6) dans la direction de leurs normales de surface ou dans la direction opposée - par rapport à un agencement hypothétique de la face latérale donnant un polygone fermé lors de la première circulation. Le nombre des faces réfléchissantes est de préférence choisi pair, car ainsi on peut avoir un plus grand nombre de circulations. Les faces réfléchissantes ne doivent pas être forcément planes; elles peuvent par exemple être réalisées de façon à avoir un effet focalisant. 9 2713780 REVENDICATIONS 1. - Capteur de courant à optique massive, a) avec un corps (1, 1') à plusieurs faces, b) présentant en périphérie des faces latérales (F1, F3, F5, F7; SF1 à SF6) réfléchissant la lumière et c) présentant intérieurement au moins un évidement (2, 4) pour un conducteur électrique, caractérisé en ce que, d) le corps (1, 1') à plusieurs faces présente au moins une face latérale (F1, SF1) réfléchissant la lumière, décalée vers l'intérieur ou vers l'extérieur dans la direction allant de ou venant à la normale d'une face latérale (SF1') hypothétique, la face latérale (SF1') hypothétique étant positionnée de manière qu'une rayon lumineux (LE) entrant sur cette face latérale (SF1') hypothétique dans le capteur de courant (1, 1') à plusieurs faces constitue un polygone fermé après une première circulation faite autour d'au moins un évidement (2, 4). 2. - Capteur de courant à optique massive selon la revendication 1, caractérisé en ce que le nombre de faces latérales (F1, F3, F5, F7; SF1 à SF6) réfléchissant la lumière est pair. 3. - Capteur de courant à optique massive selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps (1, 1') à plusieurs faces est un corps prismatique. 4. - Capteur de courant à optique massive selon la revendication 3, caractérisé en ce que, a) le corps prismatique (1, 1') répond à une symétrie axiale, et b) au moins 4 faces latérales (F1, F3, F5, F7) réfléchissant la lumière sont réalisées. 5. - Capteur de courant à optique massive selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que a) une face latérale (F1) décalée vers 1 'extérieur a un espacement minimal (a + x) par rapport à un centre (3) du capteur de courant (1, 1') à optique massive supérieur à celui des autres faces latérales (F2 à F8), et b) un point d'entrée de lumière (E) et un point de sortie de lumière (A) sont prévus sur des faces latérales (F8, F2) voisines de la face latérale (F1) décalée vers l'extérieur. 6. - Capteur de courant à optique massive selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que a) une face latérale (F1) décalée vers l'intérieur a un espacement minimal (a - y) par rapport à un centre (3) du capteur de courant (1, 1') à optique massive inférieur à celui des autres faces latérales (F2 à F8), et b) en ce qu'un point d'entrée de lumière (E) et un point de sortie de lumière (A) sont prévus sur cette face latérale (F1) décalée vers l'intérieur. 7. - Capteur de courant à optique massive selon la revendication 6, caractérisé en ce que la face latérale (F1) décalée vers l'intérieur est recouverte par un prisme (5) à trois faces. 8. - Capteur de courant à optique massive selon l'une des revendications i à 7, caractérisé en ce que l'évidement (2) est prévu centralement par rapport aux faces latérales (F2 à F8) non décalées vers l'intérieur ou l'extérieur. 9. - Capteur de courant à optique massive selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les faces latérales réfléchissant la lumière (F1, F3, F5, F7; SF1 à SF6) sont polies et pourvues d'une couche de réflexion (6à) diélectrique.