Brevet FR2726646A1 — publié le 19960510

Capteur de force à fibre optique, notamment pour la mesure de la charge des cabines d'ascenseur. L'invention concerne un capteur de force à fibre optique, notamment pour la mesure de la charge des cabines d'ascenseur. On sait que les ascenseurs de standard européen actuels sont équipés d'un système de pèse-charge à microinterrupteurs. La charge en cabine écrase de façon variable les tampons d'isolation cabine et une poutre de plancher de la cabine vient écraser les interrupteurs disposés de façon déterminée en fonction de seuils continus croissants de charge. La disposition de contact de ces interrupteurs renseigne donc de la charge en cabine. Néanmoins, un tel système comporte divers inconvénients qui consistent essentiellement dans la difficulté du réglage, effectué sur site, de l'imprécision de la mesure correspondant à des seuils de charge, et de la sensibilité importante des plots d'isolation de cabine à la température et au vieillissement. L'invention vise à remédier à ces inconvénients et a pour objet un capteur de force destiné notamment à la mesure de la charge des cabines d'ascenseur, qui soit de fabrication simple et peu coûteuse, d'adaptation facile à tous les types de cabines isolées ou non, réglable en usine et facile à monter, robuste et de faible encombrement et qui apporte une bonne précision sur la mesure de la charge en cabine. I1 est en effet proposé selon l'invention un capteur de force, notamment pour la mesure de la charge des cabines d'ascenseur, caractérisé en ce qu'il comprend un élément levier recevant par l'une de ses extrémités l'effort à mesurer, représentant par exemple la charge de la cabine ou une fraction de celle-ci, et transmettant à son extrémité opposée une partie de l'effort reçu dans un rapport de transformation déterminé, un élément de déformation d'au moins une fibre optique auquel est appliquée ladite extrémité opposée de l'élément levier, ladite fibre subissant des micro-déformations locales sur un rayon de courbure en deçà de son seuil élastique de rupture, d'une amplitude fonction de la charge appliquée, une source lumineuse disposée à l'une des extrémités de la fibre optique et un détecteur lumineux disposé à son autre extrémité, mesurant en sortie l'amplitude du faisceau lumineux transmis dans la zone de déformation, et une unité électronique de mesure, comparaison et conversion de l'amplitude des faisceaux lumineux émis et transmis à chacune des extrémités de la fibre et de traitement des signaux correspondants issus de la conversion en vue de déterminer par l'atténuation lumineuse de déformation de la fibre mesurée et calculée l'effort appliqué sur l'élément levier. Ledit élément de déformation de la fibre optique consiste avantageusement en un ensemble de deux plaques ou bagues complémentaires superposées munies de dentures arrondies et entre lesquelles est disposée la ou les fibres optiques. Les dentures sont arrondies de façon sensiblement sinusoïdale et régulière selon un pas optimal déterminé en longueur. Le rayon de courbure de sommet de la denture est inférieur à celui du fond de denture. Les rayons sont déterminés en fonction de la fibre utilisée, de la hauteur entre le sommet et le fond des dents ainsi qu'en fonction du pas optimal précité. L'ensemble desdites plaques ou bagues dentées peut être formé de façon circulaire, ladite fibre étant disposée en boucle sur la surface dentée circulaire correspondante. La ou les fibres optiques utilisée(s) sont de préférence des fibres dites multi-modes à saut ou gradient d'indice. Elles sont en outre revêtues d'une gaine de protection supplémentaire en néoprène d'épaisseur 0,1 à 1 mm, éliminant le risque de cassure. L'élément levier, pour s'adapter aux tampons d'isolation élastiques de cabine, est avantageusement un boîtier cylindrique en acier de faible hauteur solidaire par ses faces supérieure et inférieure, respectivement, du plancher de la cabine et du tampon d'isolation sur son arcade, l'élément de déformation étant logé en position centrale à l'intérieur du boîtier, coaxialement à celui-ci, et en butée sur sa face inférieure et la face supérieure du boîtier jouant le rôle précité d'élément levier du dispositif par déformation variable de la hauteur du point d'application de la charge en sa partie centrale, en appui sur l'élément de déformation. Un exemple de réalisation de l'invention est à présent décrit en référence aux dessins annexés, sur lesquels La figure 1 est une vue en perspective éclatée d'un capteur de force selon l'invention - La figure 2 est une coupe transversale de ce capteur; - La figure 3 est une vue agrandie d'une des bagues dentées de l'élément de déformation de la fibre optique - La figure 4 est un schéma-bloc simplifié du circuit du capteur, et - La figure 5 est un exemple de circuit électronique du capteur. Le capteur de force représenté sur le dessin est adapté à l'application de la mesure de charge des cabines d'ascenseur. I1 est interposé entre le plancher de la cabine et son arcade, éventuellement monté sur un tampon d'isolation 1 en matière à base de caoutchouc. I1 comporte un boîtier cylindrique 3 de faible hauteur (0,5 à 1,5 cm) dont le corps 5 est en acier et qui est fermé par une plaque circulaire amovible inférieure 7 solidaire du tampon 1 (par collage ou vulcanisation). La partie de corps 5 du boîtier est montée serrée solidaire de la plaque inférieure au moyen de trois vis 9 réparties à 1200 l'une de l'autre sur sa périphérie et vissées à cette dernière. La cabine repose sur sa face supérieure 11 en position centrale sur une partie de surépaisseur circulaire 13.Cette face s'enfonce de façon variable proportionnellement à l'amplitude de la charge de cabine vers la plaque inférieure 7. Elle joue le rôle d'élément levier précité dont le dimensionnement, le matériau employé et l'épaisseur influent sur la rigidité élastique en rappel vers le haut de la face supérieure du boîtier. Ladite partie de surépaisseur 13 de la face supérieure du boîtier est pourvue d'une bague interne sousjacente 15, laquelle reçoit par son alésage fileté coaxial au boîtier une vis (non représentée) de fixation de la cabine. L'extrémité inférieure de la bague 15 est distante de la plaque inférieure 7 d'un certain jeu de fonctionnement qui correspond au déplacement maximal permis vers le bas de la face supérieure du boîtier. Au delà, elle sert de butée protégeant le capteur dans sa capacité de charge nominale. Un élément de déformation 17 d'une fibre optique 19 est monté sur la plaque inférieure 7 du boîtier (en butée sur celle-ci), disposé autour de ladite bague interne 15 et sous la face supérieure centrale de surépaisseur 13 du boîtier à un léger jeu près. Cet élément est constitué de deux bagues cylindriques identiques 21 emboîtées de façon complémentaire lune sur l'autre. Une plaquette circulaire 23 portant les composants 25 du circuit électronique logé dans le boîtier entoure lesdites bagues 21. Chacune de ces bagues comporte une couronne dentée circulaire 27 (figure 3) et un épaulement externe demi-circulaire 29. Une fibre optique 19 mise en boucle est interposée entre les couronnes dentées 27 des bagues. Elle entre et sort de la bague inférieure par deux passages respectifs adjacents 31 d'entrée et de sortie formés dans son épaulement. Elle est en liaison avec des composants respectivement émetteur d'un faisceau lumineux à l'entrée et détecteur en sortie disposés sur la plaquette circulaire 23. Les dents 33 des bagues sont identiques et de forme arrondie à leur sommet et à leur fond. Le rayon de courbure du sommet est inférieur à celui du fond. Le sommet et le fond sont joints l'un à l'autre par une surface plane. Elles sont disposées de façon régulière dans le plan selon un pas déterminé A qui correspond à la sensibilité optimale du système à la déformation de la fibre par ledit élément de déformation. Ce pas est tiré de l'équation normalisée cidessous de la perte de puissance lumineuse P(R) dans la fibre optique en fonction du rayon des courbures produits sur la fibre où nl est l'indice de réfraction du coeur de la fibre optique, n2 est l'indice de réfraction de la gaine, ON est l'ouverture numérique, coef est le nombre de courbures, a est le rayon du coeur de la fibre utilisée, R est le rayon de courbure, et + est un coefficient dépendant de nl et n2 d'où l'on tire le pas A = 2n a .nl ON La fibre optique utilisée est une fibre dite multimodes à saut d'indice telle que celle commercialisée sous l'appellation "Hard Clad" par la Société "Ensign Bickford". Cette fibre est revêtue d'une gaine protectrice supplémentaire en néoprène d'épaisseur 1 mm recouvrant sa gaine de tefzel. Pour un rayon de courbure minimal des dents de 3 mm, une hauteur de déformation de 1 mm et un diamètre de gaine extérieure de 500 + 30 tlm, ce pas est égal à environ 2,3 mm pour une fibre multimodes de 200 pm de diamètre. Le fonctionnement mécanique du dispositif est le suivant. Sous la charge appliquée sur la face supérieure du boîtier, celui-ci s'enfonce vers les bagues 21 de l'élément de déformation, l'écrasant de façon proportionnelle à la charge et dans un rapport de transmission de charge déterminé en fonction de sa rigidité. La fibre 19 disposée entre les dents 33 des bagues subit alors des déformations entre ces dernières en formant des micro-courbures entre les dents, ce qui engendre une perte de transmission lumineuse dans la fibre proportionnelle à sa déformation, laquelle est liée au déplacement l'une vers l'autres des bagues. Le circuit électronique de traitement est expliqué très schématiquement en relation avec la figure 4 et de façon plus précise avec la figure 5. Tel que représenté en figure 4, le circuit utilise les éléments fonctionnels suivants, déjà en partie indiqués, à savoir une diode électroluminescente (LED) 35 à l'entrée de la fibre, émettant de préférence à environ 800 nanomètres, un récepteur lumineux 37 adapté à la sortie de la fibre (un phototransistor), un élément différentiateur lumineux 39 effectuant une comparaison des flux lumineux à l'entrée et à la sortie, émise sous forme de signal électrique (conversion électrique), un élément de compensation en température 41 corrigeant la dite comparaison en fonction de la variation de la température ambiante et un amplificateur 43 à la sortie adaptant le gain en fonction de la sensibilité du système (liée à la caractéristique élastique de la face supérieure du boîtier).Le signal de sortie dont on verra plus loin qu'il est proportionnel à l'atténuation optique renseigne de la charge d'écrasement sur la fibre et par conséquent de la charge appliquée sur le boîtier. L'électronique du capteur représentée maintenant à la figure 5 a pour but d'obtenir une tension Vs de sortie proportionnelle à l'atténuation optique dans la fibre 19 contrainte entre les bagues dentées 21. Pour cela une diode électroluminescente (LED) D1 éclaire l'entrée de la fibre optique. La sortie de la fibre optique éclaire la base d'un phototransistor PHT1. Une variation d'atténuation dans la fibre se traduit par une variation proportionnelle du courant Icl de collecteur de PHT1. Ceci se traduit donc par une variation de la tension V1 aux bornes de l'amplificateur A. Cette partie du montage serait suffisante pour obtenir une tension Vs de sortie proportionnelle à l'atténuation optique dans la fibre, mais le résultat dépendrait de nombreux paramètres liés aux composants électroniques.C'est pourquoi le système est bouclé sur lui-même par l'intermédiaire d'une diode électroluminescente (LED) D2 et du phototransistor PHT2. Cette boucle de contre-réaction et la grande valeur d'amplification en boucle ouverte stabilisent le montage comme nous allons le voir dans les équations ci-dessous. IF1 est un courant électrique délivré par une source de courant, Icc2 est un courant électrique délivré par une autre source de courant, Icl est le courant collecteur du phototransistor PHT1, Ic2 est le courant collecteur du phototransistor PHT2, IL1 (non représenté) est le courant dû à l'éclairement du phototransistor PHT1, IL2 (non représenté) est le courant dû à l'éclairement du phototransistor PHT2, Ic01 est le courant de fuite du collecteur du phototransistor PHT1, Ic02 est le courant de fuite du collecteur du phototransistor PHT2, V1 est la tension sur l'entrée + de l'amplificateur opérationnel A, V2 est la tension sur l'entrée - de l'amplificateur opérationnel A, # est la tension différentielle de l'amplificateur opérationnel A. L'écriture des équations de fonctionnement est la suivante Ic1=(ss1) (Ic01 + IL1) (1) Ic2=(ss2) (Ic02 + IL2) (2) Vl=(Rl + R &alpha;) (1) (Ic01 + IL1) (3) V2=(R2 + R (1 - &alpha;))ss2 (Ic02 + IL2) (4) E = V1 - V2 (5) # = (R2 + R (1 - &alpha;)) ss2 (Ic02 + IL2) - (R1 + R &alpha;;) (ss1)(Ic01 + IL1) (6) On peut dire que IcOl, Ic02 sont négligeables devant les valeurs de IL1 et IL2 et donc e= (R2 + R (1 - a)) ss2 IL2 - (R1 + R a)1 IL1 (7) La led Dl s'éclaire sous l'effet du passage d'un courant IF1. Les rayons lumineux par l'intermédiaire de la fibre optique éclairent le phototransistor PHT1. L'éclairement de celui-ci fait qu'il délivre un courant IL1. Si il existe une atténuation dans la fibre optique, cela va se traduire par une valeur plus faible du courant IL1. al est le coefficient d'efficacité de couplage entre la led Dl et le phototransistor PHT1. a2 est le coefficient d'efficacité de couplage entre la led D2 et le phototransistor PHT2. Ainsi, IL1 = al IF1 # (8) IL2 = a2 IF2 (9) Ô est l'atténuation optique due aux micro-courbures de la fibre optique entre les bagues dentées en pression l'une contre l'autre. Vs= Vd2 + R4.IF2 - Icc2.)(10) et aussi, Vs = A.# (11) Vd2 Avec Icc2= (12) Icc2 est réglé pour annuler Vd2 dans (10). R4 En remplaçant les expressions (12) dans (10), (8) et (9) dans (7) # = (R2 + R.(1 - &alpha;)).ss2 (R1 + R.&alpha;).ss1 (al.IF1.#) (13) R4 ss1 est le coefficient d'application en courant PHT1 t32 est le coefficient d'application en courant PHT2 Kest le rappor tentre p1/ss2 f est le coefficient de proportionnalité entre les résistances R1, R2 et R du circuit, en posant ss2 = R ss1 R1 = R2 = f R (16) en mettant en facteur A B1 R dans (17) et en posant on obtient, -(I + &alpha;).I@l.O.a1.R4 Vs = (18) (- f - 1 + &alpha;).(K.a2) On cherche la réponse à une variation de lambda (atténuation) dVs -(f + &alpha;).IFl.al.R4 (19) = d# (- f - 1 + &alpha;;).(K.a2) Application numérique &alpha; = 03, IF1 = 3.10-3@, al = 3, a2 = 2, R4 = 100.103 Ohms K = 3, f = 1 (f + &alpha;).Ifl.al.R4 Gain = (20) Gain=115 (f + 1 - &alpha;).(K.a2) On obtient un gain très convenable ne dépendant pas des valeurs intrinsèques des composants actifs utilisés. Les coefficients al et a2 peuvent légèrement varier en fonction de la température, et d'une baisse de rendement des Leds dû au vieillissement. Le courant IF1 doit être fourni par une source de courant. La boucle de contre-réaction utilisant une Led et un phototransistor identiques à ceux du circuit propre de la fibre optique, on en déduit - al et a2 varient dans les mêmes proportions en fonction de la température ; et - al et a2 vieillissent de la même manière car les composants sont identiques. Il en résulte que le système est quasi-insensible à la variation des paramètres des photo-diodes, à la température et au vieillissement. Des paramètres de réglages sont les suivants - R4 permet le choix du gain de sortie (sensibilité du capteur), et -a sert au réglage de la balance de l'entrée différentielle et donc du zéro. Les courants IF1 et Icc2 doivent être fournis par une source de courant stable en température. En conclusions , le système est quasi-insensible à la variation des paramètres intrinsèques des photodiodes et phototransistors, à la température et à l'affaiblissement du rendement des Leds dû à leur vieillissement. Naturellement, dans l'application spécifique à l'ascenseur, on pourra utiliser deux, quatre ou plus de ces capteurs judicieusement disposés pour recevoir une fraction connue de la charge de cabine. La charge de cabine est alors obtenue en sommant les valeurs données par chacun des capteurs de cabine. REVENDICATIONS 1. capteur de force, notamment pour la mesure de charge des cabines d'ascenseur, caractérisé en ce qu'il comprend un élément levier (3) recevant par l'une de ses extrémités l'effort à mesurer, représentant par exemple la charge de la cabine ou une fraction de celle-ci, et transmettant à son extrémité opposée une partie de l'effort reçu dans un rapport de transformation déterminé, un élément de déformation (17) d'au moins une fibre optique (19) auquel est appliquée ladite extrémité opposée de l'élément levier (3), ladite fibre (19) subissant des micro-déformations locales sur un rayon de courbure en deçà de son seuil élastique de rupture, d'une amplitude fonction de la charge appliquée, une source lumineuse (35) disposée à l'une des extrémités de la fibre optique et un détecteur lumineux (37) disposé à son autre extrémité, mesurant en sortie l'amplitude du faisceau lumineux transmis dans la zone de déformation, et une unité électronique (39, 41, 43) de mesure, comparaison et conversion de l'amplitude des faisceaux lumineux émis et transmis à chacune des extrémités de la fibre et de traitement des signaux correspondant issus de la conversion en vue de déterminer par l'atténuation lumineuse de déformation de la fibre mesurée et calculée l'effort appliqué sur l'élément levier (3). 2. Capteur de force selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de déformation (17) de la fibre optique consiste en un ensemble de deux plaques ou bagues complémentaires (21) superposées munies de dentures arrondies (33) et entre lesquelles est disposée ladite fibre optique (19). 3. Capteur de force selon la revendication 2, caractérisé en ce que les dentures (33) sont arrondies de façon sensiblement sinusoïdale et régulière selon un pas optimal A déterminé en longueur. 4. Capteur de force selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdites dentures (33) ont un rayon de courbure au sommet inférieur à celui de leur fond, ces rayons étant également fonction de la fibre, de la hauteur et du pas des dents. 5. Capteur de force selon l'une des revendications 2-4, caractérisé en ce que l'ensemble desdites plaques ou bagues dentées (21) est formé de façon circulaire, ladite fibre (19) étant disposée en boucle sur les surfaces dentées circulaires correspondantes (27). 6. Capteur de force selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite fibre optique utilisée (19) est une fibre dite multi-modes à saut ou gradient d'indice, revêtue en outre d'une gaine de protection supplémentaire en néoprène d'épaisseur 0,1 à 1 mm, éliminant le risque de cassure. 7. Capteur de force selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit élément levier (17), pour s'adapter aux tampons d'isolation (1) de cabine, est un boîtier cylindrique (3) en acier de faible hauteur solidaire par ses faces supérieure (11) et inférieure (7), respectivement, du plancher de cabine et du tampon d'isolation (1) sur son arcade, l'élément de déformation (17) étant logé en position centrale à l'intérieur du boîtier, coaxialement à celui-ci, et en butée sur sa face inférieure et la face supérieure (11) du boîtier jouant le rôle précité d'élément levier du dispositif par déformation variable de la hauteur du point d'application de la charge en sa partie centrale, en appui sur l'élément de déformation (17) de la fibre optique. 8. Capteur de force selon la revendication 7, caractérisé en ce que les composants électroniques (25) du capteur sont logés à l'intérieur du boîtier (3), par exemple sur une plaquette inférieure (23) entourant l'élément de déformation (17). 9. Capteur de force selon la revendication 7, caractérisé en ce que la caractéristique de rigidité élastique de la face supérieure (11) du boîtier détermine l'étendue de la mesure et sa sensibilité. 10. Capteur de force selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit électronique de mesure comporte au moins une diode électroluminescente (LED) (35) à l'entrée de la fibre optique (19), émettant de préférence à environ 800 nanomètres, un récepteur lumineux (37) adapté à la sortie de la fibre (un phototransistor), un élément différentiateur lumineux (39) effectuant une comparaison des flux lumineux à l'entrée et à la sortie, émise sous forme de signal électrique (conversion électrique), un élément de compensation en température (41), corrigeant la dite comparaison en fonction de la variation de la température ambiante et un amplificateur A à la sortie adaptant le gain en fonction de la sensibilité du système (liée à la caractéristique de la déformation élastique de la plaque supérieure du boîtier).