Brevet FR2733591A1 — publié le 19961031

La présente invention concerne un dispositif optique sensible à la pression et un plancher de détection de présence comportant ce dispositif optique. On connaît des dispositifs optiques qui permettent d'effectuer la mesure d'une pression en captant l'atténuation de l'intensité lumineuse transmise par une fibre optique, cette atténuation étant provoquée par la déformation de la fibre lorsque celle-ci est soumise à une force. On connaît en particulier du document FR-A2.578.645 un tissu optique sensible à la pression dans lequel les déformations de la fibre optique de mesure sont provoquées par des éléments extérieurs constitués par des fibres disposées perpendiculairement à la fibre de mesure de part et d'autre de celle-ci. On connaît également du document EP-A-419 267 un dispositif optique sensible à la pression dans lequel les déformations de la fibre optique sont induites par des éléments extérieurs rigides, par exemple des feuilles ou des plaques ondulées ou en dents de scie. Ces dispositifs présentent l'inconvénient majeur de provoquer un frottement permanent des éléments exterieurs sur la surface de la fibre. Ils conduisent rapidement à une altération de la surface de la fibre ce qui entraîne une modification permanente du signal lumineux transmis par la fibre, et même une rupture de la fibre. Pour des dispositifs utilisés dans le domaine de la sécurité, par exemple pour détecter la présence d'un employé sur une zone dangereuse, d'un intrus dans un bâtiment. ., le signal lumineux transmis au capteur après passage dans la fibre doit être reproductible afin de ne pas déclencher d'alarme indue mais également de réagir de façon certaine dans les conditions prévues. Afin de pallier les inconvénients précités on propose selon l'invention un dispositif sensible à la pression comportant une série de segments de fibre optique de mesure et une série d'organes de contrainte, tels que des segments de fibre de contrainte s'étendant transversalement à une direction longitudinale des segments de fibre optique de mesure, les organes de contrainte étant disposés de façon alternée de part et d'autre des segments de fibre optique de mesure, dans lequel les segments de fibre optique de mesure et/ou les segments de fibre de contrainte sont recouverts d'un organe de protection disposé pour permettre un déplacement relatif à l'organe de protection par rapport au segment de fibre qu'il recouvre. Ainsi, l'effort appliqué sur les organes de contrainte et transmis à la fibre optique de mesure se trouve réparti par l'organe de protection de sorte que le frottement sec entre les segment s de fibre optique de mesure et les organes de contrainte est adouci et la zone d'usure est élargie, ce qui minimise l'usure de la fibre optique de mesure, et le cas échéant des segments de fibre de contrainte, et augmente considerablement la durée de vie du dispositif sensible à la pression. En outre, une protection des segment s de fibres est également assurée lors de la fabrication du dispositif. Selon une version avantageuse de l'invention l'organe de protection est constitué d'au moins un fil guipé, tricoté, tressé ou tissé. On obtient ainsi une gaine aisément déformable et présentant une liberté de déplacement suffisante. De préférence, la gaine est alors réalisée avec un fil en matière plus molle que la fibre qu'elle protège. Ainsi, l'usure résultant du frottement est supportée principalement par la gaine, ce qui prolonge d'autant la durée de vie de la fibre optique de mesure. Selon un aspect avantageux de l'invention la gaine est réalisée avec un fil ayant un diamètre faible par rapport à celui des fibres qu'elle recouvre. On minimise ainsi l'augmentation de diamètre des segments de fibre et par voie de conséquence la contrainte de courbure à laquelle est soumise la fibre optique de mesure lorsque le dispositif est soumis à une pression. Selon encore un autre aspect avantageux de l'invention, la fibre optique de mesure est en silice et la fibre de contrainte est en matière synthétique. On réalise ainsi un bon compromis entre les performances et le coût. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci concerne un plancher de détection de présence comportant un dispositif sensible à la pression selon l'invention disposé entre une couche de matière élastique supérieure et une couche de matière élastique inférieure, une feuille métallique flexible étant disposée au-dessus de la couche de matière élastique supérieure. Tout en conservant un seuil de sensibilité suffisant du plancher, on évite ainsi que le dispositif sensible à la pression ne soit soumis à un effort direct qui risquerait de provoquer une usure prématurée de celui-ci. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limitatif de l'invention, en référence aux dessins annexés parmi lesquels: - la figure 1 est une vue schématique de dessus du tissu selon l'invention sans le tissu de maintien, - la figure 2 est une vue en coupe agrandie selon la ligne II-II de la figure 1, d'un plancher de détection équipé d'un tissu sensible à la pression selon l'invention, en position de repos, - la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 2 d'un plancher de détection soumis à une charge. En référence à la figure 1, le tissu optique sensible à la pression selon l'invention comporte une fibre optique de mesure généralement désignée en 2, disposée selon des méandres comprenant une série de segment s de fibre optique de mesure rectilignes 2a, 2b, 2c parallèles. Perpendiculairement aux segments de fibre optique de mesure, le tissu optique sensible à la pression comporte des segment s de fibre de contrainte généralement désignés en 3, disposés de façon alternée de part et d'autre des segments de fibre optique de mesure 2. Pour une meilleure identification des segments de fibre de contrainte, les segments disposés au-dessus de la fibre optique de mesure 2 ont été notés par la référence numérique a tandis que les segment s disposés en-dessous de la fibre optique de mesure portent la référence numérique 3b. L'écartement entre les segments rectilignes de la fibre optique de mesure doit être suffisant pour éviter des pertes de signal lumineux résultant de la courbure de la fibre optique de mesure entre les segments rectilignes. En pratique une distance d'environ 50 mm s'est avérée très satisfaisante. Par ailleurs, pour assurer une atténuation satisfaisante du signal lumineux dans la fibre optique de mesure lors de l'application d'un effort sur les segments de fibre de contrainte, ces segments sont disposés d'une façon connue en soi selon un pas égal à un multiple entier de la demi-longueur d'onde de propagation de la lumière dans la fibre utilisée. En pratique un pas de l'ordre de 3,5 mm s'est avéré très satisfaisant. Dans le mode de réalisation illustré, les segments de fibre optique de mesure et les segments de fibre de contrainte sont réalisés à partir dune même fibre optique à gradient d'indice en silice dopée/silice/Acrylate gainée de méthacrylate, de dimensions 50m/125m/250um, et d'ouverture numérique 0,2. Selon l'invention les segments de fibre sont recouverts d'un organe de protection disposé pour permettre un déplacement relatif de l'organe de protection et des segments de fibre recouverts. Dans le mode de réalisation particulier illustré l'organe de protection est constitué par une gaine formée d'un multifilament en polyamide 4 d'un diamètre voisin de 50Um enroulé en hélice autour des segments de fibre pour réaliser un guipage de ceux-ci. Pour assurer le maintien des segment s de fibre optique de mesure 2 et des segments de fibre de contrainte 3 selon la disposition souhaitée, ceux-ci sont incorporés à un tissu de maintien 5, les fibres de contrainte 3 étant incorporées au tissu sous forme de fil de chaîne tandis que la fibre optique de mesure est incorporée au tissu de maintien 4 sous forme de fil de trame. Un segment de fibre de contrainte 3a de la nappe supérieure constitue avec deux segment s de fibre de contrainte 3b de la nappe inférieure un noeud de contrainte 6. Lorsque le tapis sensible à la pression est soumis à une charge, la fibre de contrainte 3a d'un noeud de contrainte tend à se déplacer pour s'insérer entre les fibres 3b du même noeud et provoque une déformation du segment de fibre optique de mesure 2. Plusieurs noeuds de contrainte 6 adjacents provoquent ainsi une déformation sinusoïdale ou pseudosinusoïdale de la fibre optique de mesure 2 et on a constaté qu'à partir de trois noeuds de contrainte adjacents l'atténuation lumineuse provoquée par une charge était suffisante pour être détectée au moyen de dispositifs électroniques simples. A ce propos on remarquera qu'une répartition homogène des segments de fibre de contrainte conduirait à une répartition également homogène de la pression appliquée sur un grand nombre de noeuds de contrainte de sorte que la flexion de la fibre optique risquerait d'être en-dessous d'un seuil nécessaire pour provoquer une atténuation perceptible de la lumière dans la fibre optique de mesure. Selon un aspect de l'invention on prévoit donc de disposer les fibres de contrainte selon des groupes 7 (figure 1) espacés les uns des autres. En pratique un groupe de segment s de fibre de contrainte comportera de préférence sept à onze segments de fibre de contrainte réalisant trois à cinq noeuds de contrainte adjacents. Deux groupes de fibres de contrainte 7 sont espacés d'une distance adaptée à l'utilisation du tapis sensible à la pression. Par exemple, dans le cas d'un tapis destiné à détecter la présence d'une personne les groupes de fibres de contraintes seront espacés d'une distance inférieure à la dimension d'un pied afin qu'il ne soit pas possible de poser un pied sur le tapis sensible à la pression sans provoquer la compression d'au moins un groupe de noeuds de contrainte. En pratique, pour des segments de fibre de contrainte espacés selon un pas de 3,5 mm environ, c'est-à-dire selon une distance de 3,5 mm entre les milieux de deux segments de fils de contrainte supérieurs 3a ou de deux segments de fibre de contrainte inférieurs 3b, on a réalisé un motif de groupes de fibres de contraintes se répétant environ tous les 50 mm. Le tissu de maintien 5 a pour fonction non seulement de maintenir les segments de fibre optique de mesure et les segments de fibre optique de contrainte selon la position relative souhaitée, mais assure également une limite de l'amplitude de la déformation de la fibre optique de mesure 2 en réalisant une butée pour la fibre optique de mesure 2 lors des déplacements des fibres de contrainte les unes vers les autres sous l'effet d'une pression. On évite ainsi qu'un segment de fibre de contrainte de la couche supérieure ne pénètre totalement entre les segments de fibre de contrainte de la couche inférieure, ce qui provoquerait une courbure trop prononcée de la fibre optique 2 et risquerait d'entraîner la rupture de celle-ci. Le tissu sensible à la pression selon l'invention est de préférence utilisé en l'incorporant dans un plancher de détection de présence 8 comprenant par exemple une couche de mousse alvéolaire 9 à cellules fermées ayant pour fonction d'isoler le plancher 8 du sol et d'absorber les aspérités et les gravillons. Une couche de mousse d'environ 3mm s'avère suffisante pour assurer cette fonction. Au-dessus de la couche de mousse 9 le plancher de détection de présence comporte deux couches élastomères de protection 10 et 11 ayant une épaisseur comprise entre 1,5 et 2 mm, qui encadrent le tissu sensible à la pression. Une feuille métallique flexible 12 est de préférence disposée au-dessus de la couche élastomère de protection 11. La feuille métallique 12 a une limite élastique élevée et sert à protéger le tapis sensible à la pression en répartissant la pression d'une charge appliquée de façon trop ponctuelle sur le tapis sensible à la pression. La feuille métallique 12 est de préférence recouverte d'un revêtement élastomère 13 ayant une fonction antidérapante, et amortissant la chute accidentelle d'un objet. Une extrémité de la fibre optique de mesure 2 est reliée de façon connue en soi à une source lumineuse tandis que l'autre extrémité est reliée à un dispositif électronique de détection de l'atténuation de lumière. On peut également disposer la source lumineuse et le dispositif de détection à une meme extrémité de la fibre optique de mesure 2 en utilisant un séparateur de lumière à cette extrémité et en disposant un miroir à l'extrémité opposée de la fibre optique de mesure 2 afin de renvoyer la lumière émise. Cette disposition assure un double passage de la lumière dans la fibre optique de mesure et assure donc un doublement de la dynamique de détection sans toutefois provoquer de recombinaisons modales. Les pertes enregistrées sont alors deux fois plus grandes ce qui permet une plus grande fiabilité du tapis qui s'avère ainsi particulièrement utile dans un dispositif de sécurité.On peut encore disposer un dispositif polariseur à l'entrée de la fibre optique de mesure et un analyseur à la sortie de la fibre optique de mesure de sorte que la déformation est mesurée par une variation de la polarisation au sein de la fibre optique de mesure. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications. En particulier, bien que l'organe de protection 4 ait été illustré par un guipage, il peut également être réalisé par un fil tricoté, tressé ou tissé, ou encore par une gaine extrudée ayant un diamètre interne très légère- ment supérieur au diamètre externe de la fibre recouverte afin de permettre un déplacement relatif de l'organe de protection et des segments de fibre recouverts. Bien que le tapis de maintien ait été illustré avec des fils s'étendant entre les segments de fibre de contrainte, on peut également utiliser un tissu de maintien dont les fibres recou vrent les fibres de contrainte. Bien que l'invention ait été décrite avec des segment s de fibre de contrainte de même nature que la fibre optique de mesure, et également recouvert d'un guipage, on peut également réaliser le dispositif sensible à la pression selon l'invention en guipant seulement l'une des séries de segments de fibre, ou en utilisant des segments de fibre de contrainte de nature différente de la fibre optique de mesure. On peut également réaliser un dispositif sensible à la pression associant une fibre optique de mesure à des organes de contrainte de matière différente, par exemple des plaques ondulées ou comportant des nervures en dents de scie. Dans ce cas, c'est la fibre optique de mesure qui sera guipée. Bien que dans le mode de réalisation illustré la fibre optique de mesure 2 soit continue, les segments rectilignes 2a, 2b, 2c étant réunis par des parties recourbées, on peut prévoir un tapis sensible à la pression comportant plusieurs segment s de fibres optique de mesure séparés, chacun reliés à une source lumineuse et à un dispositif de détection. On peut également prévoir de réaliser un tissu sensible à la pression dans lequel les segments de fibre de contrainte ne sont pas exactement perpendiculaires aux segments de fibre optique de mesure, par exemple un tissu comportant une fibre optique de mesure en spirale et des segments de fibre de contrainte disposés de façon sensiblement radiale. Bien que dans le mode de réalisation décrit la fibre optique de mesure et la fibre de contrainte soient toutes les deux des fibres de silice qui donnent de très bon résultat en raison de la faible hystérésis de la fibre en silice, il s'avère que celle-ci est très onéreuse et l'on pourra réaliser un bon compromis entre le coût et les performances en utilisant une fibre de contrainte en matière synthétique, par exemple en fil de pêche. REVENDICATIONS 1. Dispositif sensible à la pression comportant une série de segments (2a, 2b, 2c) de fibre optique de mesure (2) et une série de segments (3a, 3b) de fibre de contrainte (3) s'étendant transversalement à une direction longitudinale des segments de fibre optique de mesure, les segments de fibre de contrainte étant disposés de façon alternée de part et d'autre des segments de fibre optique de mesure, caractérisé en ce que les segments de fibre d'au moins une série sont recouverts d'un organe de protection (4) disposé pour permettre un déplacement relatif de l'organe de protection et des segments de fibre recouverts. 2. Dispositif sensible à la pression comportant une série de segments (2a, 2b, 2c) de fibre opti.que de mesure (2) et une série d'organes de contrainte (3a, 3b) s'étendant transversalement à une direction longitudinale des segments de fibre optique de mesure, les organes de contrainte étant disposés de façon alternée de part et d'autre des segments de fibre optique de mesure, caracterisé en ce que les segment s de fibre optique de mesure sont recouverts d'un organe de protection (4) disposé pour permettre un déplacement relatif de l'organe de protection et des segments de fibre recouverts. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de protection est une gaine constituée par au moins un fil guipé, tressé, tricoté ou tissé. 4. Dispositif sensible à la pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que les segments de fibre sont en silice recouverte de méthacrylate et la gaine est réalisée avec un fil en matière plus molle que la fibre. 5. Dispositif sensible à la pression selon la revendication 3, caractérisé en ce que la gaine est réalisé avec un fil (4) ayant un diamètre faible par rapport à celui des fibres qu'il recouvre. 6. Dispositif sensible à la pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre optique de mesure est en silice et la fibre de contrainte est en matière synthétique. 7. Dispositif sensible à la pression selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les segments de fibre de contrainte (3a, 3b) , ou respectivement organes de contrainte (3), sont disposés selon des groupes (7) espacés les uns des autres. 8. Dispositif sensible à la pression selon la revendication 2, caractérisé en ce que les séries de segments de fibre (2, 3) sont maintenues selon une position relative prédéterminée par un tissu de maintien (5). 9. Dispositif sensible à la pression selon la revendication 8, caractérisé en ce que le tissu de maintien (5) comporte les fils s'étendant selon une nappe entre les fibres de contrainte (3). 10. Plancher de détection de présence comportant un dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des couches de matière élastique supérieure (11) et inférieure (10) encadrant le dispositif sensible à la pression, et une feuille métallique flexible (12) disposée au-dessus de la couche de matière élastique supérieure (11)