Brevet FR2840685A1 — publié le 20031212

Domaine de ['invention La presente invention concerne un capteur de pression a fibres optiques comportant une tete de mesure de pression munie d'un botier equipe d'une membrane fonctionnant comme capteur de pres s sion et qui execute des mouvements sous ['action de la pression ainsi qutau moins un guide de lumiere dont la surface frontale est dirigee vers le cote interieur de la membrane pour conduire de la lumiere emise par une source lumineuse dans la tete de mesure de pression. L'invention concerne egalement une bougie d'allumage o equipee d'un tel capteur ainsi qutun injecteur equipe d'un tel capteur. Dans le cas de systemes de capteurs a fibres optiques, une once electromagnetique, optique conduite par reflexion totale dans le guide de lumiere constitue un support d'informations. Dans un ele ment de capteur, un effet optique module la lumiere suivant la gran s deur de mesure a saisir par exemple la pression. Les avantages de ces capteurs resident dans leur faible dimension, leur resolution poussee, leur grande insensibilite vis-a-vis du rayonnement electromagnetique, ['absence de potentiel electrique et la possibilite de les realiser sous la forme de systemes a capteurs multiples. Les systemes a fibres optiques vent ainsi predestinees pour les applications a des zones avec risque d' explosion, a des zones a fort rayonnement electromagnetique et en medecine. Etat de la technique On connat un capteur de pression a fibres optique sous 2s la denomination de capteur de mesure de pression Fabry Perot. Comme element de capteur il comporte un dispositif a intervalle miniature avec une membrane sensible a la pression. L'intervalle du resonateur est de limite par deux miroirs a reflexion partielle. Le miroir exterieur est en forme de membrane du point de vue de l'optique des interferences, l'intervalle est un resonateur de Fabry Perot de falble qualite qui refle chit en partie la lumiere. Le spectre de reflexion est module periodique ment. Les positions spectrales du minimum et du maximum des interferences ou des intervalles periodiques dependent de la largeur de l'intervalle ou du flechissement de la membrane. Un capteur de pres s sion a fibres optiques reposant sur ce principe de mesure est par exem ple connu selon le document DE-A1-40 18 998. Le changement du mo tif d'interference est detecte ou exploite de maniere tres compliquee avec un appareil de mesure spectral et le procede d'exploitation associe. Un autre capteur de pression a fibres optique connu se s lon ltetat de la technique comprend une tete de mesure de pression avec une membrane fonctionnant egalement comme capteur de pression et qui execute un mouvement sous lteffet de la pression. Cette membrane presente un cote interieur tres reflechissant. Sous l'effet de la pression, la membrane se deforme vers l'interieur dans la tete de mesure de pres o sion si bien que ['angle dtincidence des rayons lumineux sortant du guide de lumiere par rapport a la membrane change. Ce changement de ['angle d'incidence se traduit par une modification de ['angle de reflexion et ainsi une reduction de la quantite de lumiere reinjectee dans le guide de lumiere. Le rapport entre l'intensite lumineuse sortant du guide de s lumiere et celle de l'intensite lumineuse renvoyee dans le guide de lu miere apres reflexion sur le cote interieur de la membrane est une me sure de la pression appliquee a la membrane. La determination de la pression selon ce principe de mesure necessite par rapport au premier principe de mesure, simplifie, uniquement la mesure de l'intensite lu o mineuse reflechie de nouveau dans le guide de lumiere. Un tel capteur de pression a fibres optiques est par exemple connu selon le document US-6 131465. Ce capteur connu est integre dans une bougie d'allumage. Ce mode de realisation d'un capteur de pression a fibres optiques a neanmoins ['inconvenient de necessiter une excursion im s portante de la membrane du capteur pour pouvoir detecter la pression en utilisant les variations d'intensite. Expose de ['invention La presente invention a pour but de remedier a ces in convenients et concerne a cet effet un capteur de pression a fibres opti so ques du type defini ci-dessus caracterise en ce que le cote interieur de la membrane comporte un motif forme de zones fortement reflechis santes et de zones de moindre reflectivite. Le capteur de pression a fibres optiques selon ['invention evite les inconvenients de ltetat de la technique et permet une mesure s de pression avec un falble debattement necessaire de la membrane du capteur. Cela se traduit entre autre par une moindre sensibilite du capteur vis-a- vis de l'encrassage de la membrane. De plus par compa raison au capteur de pression Fabry Perot decrit ci-dessus, il offre des avantages considerables par rapport au cout, au montage et a la fabri s cation. Le capteur de pression a fibres optiques selon ['invention repose sur le principe de la mesure de l'intensite lumineuse. La lumiere emise par une source lumineuse est conduite par un guide de lumiere dans la tete de mesure de pression pour etre reflechie sur le cote inte o rieur de la membrane. La lumiere reflechie est recue en partie par le meme guide de lumiere et en partie par l'autre guide de lumiere pour ab ou tir a un dete cteur. Le detecteur me sure l' intens ite de l a lumiere qu'il recoit. Suivant le debattement de la membrane on aura une varia tion de l'intensite lumineuse recue par le detecteur. La variation de s l'intensite lumineuse est suivant la disposition des parties de la tete de mesure de pression, d'une reduction ou d'une augmentation de l'intensite par rapport a l'intensite a mesurer sans appliquer de pres sion. La determination de la pression se fait a ['aide d'une caracteristi que intensite/pression qui indique la relation entre l'intensite mesuree par le detecteur et le rapport de l'intensite mesuree et de l'intensite in jectee par la source lumineuse et de la pression appliquee a la tete de mesure de pression. Grace au cote interieur de la membrane munie d'un mo tif, ainsi deja pour un faible debattement de la membrane du capteur, 2s on aura une reduction mesurable de l'intensite de la lumiere reflechie dans le guide de lumiere. Une deformation de la membrane produit dans le capteur selon ['invention une variation de ['angle dtincidence et ainsi de ['angle de reflexion pour la lumiere reflechie sur ces zones tres reflechissantes et de plus on aura une accentuation des plages de so moindre reflectivite. Ces deux effete se traduisent par une forte diminu tion de l'intensite de la lumiere reflechie en direction du guide de lu miere, meme pour une falble deformation de la membrane. Les zones de moindre reflectivite peuvent etre par exem ple des coupes ou des cavites de la surface interieure de la membrane. 3s Pour realiser de telles surfaces interieures de membrane avec des cou pes ou des cavites, on peut realiser des decoupes ou des cavites dans une membrane a surface poke ou tres reflechissante. De plus, les zones de moindre reflectivite peuvent etre des zones mates du cote interieur de la membrane. Pour realiser de telles s surfaces de membrane avec des zones mates, on peut mater la surface de la membrane poke ou tres reflechissante en procedant par vole chi mique ou mecanique dans les zones appropriees. Les zones fortement reflechissantes ont une reflectivite superieure ou egale a 0,5 et de preference superieure ou egale a 0,8. Les o zones de moindre reflectivite ont une reflectivite inferieure a 0,5 et de preference inferieure a 0,3. La presente invention concerne egalement une bougie d'allumage pour un moteur a combustion interne a allumage comman de dans laquelle est integre un capteur de pression selon ['invention; la s tete de mesure est positionnee a une extremite de la bougie d'allumage de facon que la membrane puisse etre exposee directement a la pression regnant dans un cylindre de moteur a combustion interne. La sur veillance continue de la pression dans les moteurs a combustion interne permet une amelioration considerable de ltefficacite du moteur, de la o puissance et de la fiabilite. De plus on peut reduire les couts de fonc tionnement et les emissions polluantes du moteur a combustion in terne. La bougie d'allumage selon equipee d'un capteur de pres sion a fibres optiques permet de surveiller chaque cylindre separement s du moteur a combustion interne pour detecter le cliquetis ou les rates d'allumage, ce qui permet de deceler les incidents de fonctionnement et d'y remedier. L'utilisation du capteur de pression a fibres optiques selon ['invention dans des bougies d'allumage est en outre possible grace a l'utilisation exclusive de matiere tres refractaire dans la tete de mesure o de pression. De plus, de tels faibles debattements de la membrane du capteur de pression a fibres optiques selon ['invention suffisent pour obtenir un signal mesurable et significatif. C'est pourquoi le capteur de pression selon ['invention et en particulier sa membrane peuvent etre realises avec une solidite et une robustesse suffisantes pour etre appli s ques a une bougie d'allumage; ses membranes vent peu sensibles a ltencrassage par exemple par le noir de fumee. La presente invention concerne en outre un injecteur pour un moteur a combustion interne ayant au moins un capteur de s pression a fibres optiques selon ['invention pour mesurer la pression dans la chambre de combustion du moteur a combustion interne et/ou la pression du carburant. Les avantages evoques ci-dessus de la sur veillance de la pression d'un moteur a combustion interne a allumage commande, par la combinaison bougie d'allumage/capteur de pression o stobtiennent egalement dans la surveillance de moteurs a injection di recte grace a au moins un capteur de pression selon ['invention integre a l'injecteur. Ainsi on peut par exemple integrer egalement deux cap teurs de pression selon ['invention dans l'injecteur, l'un servant a sur veiller la pression statique du carburant dans l'injecteur et l'autre a s mesurer la pression dynamique dans la chambre de combustion. Un autre emplacement de montage possible d'un capteur de pression a fibres optiques selon ['invention est la chambre de com bustion elle-meme. On peut en outre envisager la mesure de la pression avec un capteur selon ['invention applique a des turbines de moteur d'avion ou des turbines a gaz de centrales electriques. Dessins La presente invention sera decrite ci-apres de maniere plus detaillee a ['aide d'exemples de realisation representes dans les dessins annexes dans lesquels: 2s - la figure 1 montre la structure schematique de la tete de mesure de pression d'un capteur de pression a fibres optiques selon ['invention avec un guide de lumiere; - la figure 2 montre la structure schematique de la tete de mesure de pression d'un capteur de pression a fibres optiques selon ['invention avec un guide de lumiere d'entree et un guide de lumiere de sortie; - la figure 3 montre la structure schematique d'un capteur de pression a fibres optiques selon ['invention avec un guide de lumiere; - la figure 4 montre ['image reflechie par un capteur de pression a fi bres optiques munies d'une membrane a bandes, lorsqu'on applique 3s la pression et sans pression. Description des modes de realisation La figure 1 montre la structure schematique de la tete de mesure de pression d'un mode de realisation d'un capteur de pression a fibres optiques selon ['invention. s La tete de mesure de pression 1 comporte un botier 2. Un guide de lumiere 3 est fixe au botier 2. Un manchon 4 entoure l'extremite 7 du guide de lumiere 3. Une cavite 5 separe ltextremite 7 du guide de lumiere 3 de la membrane 6. Le cote interieur 8 de la mem brane tournee vers la cavite 5 et le guide de lumiere 7 presente selon o ['invention un motif (non represente) forme de zones tres reflechissantes et de zones de moindre reflectivite. Le guide de lumiere 3 conduit de la lumiere provenant d'une source de lumiere non representee vers la tete de mesure de pression 1. La lumiere est rayonnee a l'extremite 7 du guide de lumiere 3 dans la cavite 5 pour etre reflechie en partie sur le s cOte interieur de la membrane 8 portent le motif. La lumiere reflechie est injectee en partie de nouveau dans le guide de lumiere 3 pour etre dirigee vers un detecteur non represente. Le cote exterieur 9 de la membrane 6 est expose a la pression a mesurer. Une augmentation de la pression deforme la membrane 6 a l'interieur de la cavite 5. La sur face interieure 8 de la membrane, plane a l'etat de repos, est ainsi cin tree par une augmentation de pression de sorte que ['angle de reflexion pour la lumiere reflechie par la surface interieure de la membrane change. Cela diminue la fraction de la lumiere incidente qui est ren voyee apres reflexion de nouveau dans le guide de lumiere 3 pour at 2s teindre le detecteur. L'intensite de la lumiere tombant sur le detecteur par rapport a l'intensite de la lumiere incidente est mise en correlation avec la pression agissant sur la surface exterieure de la membrane. Dans ce mode de realisation de la presente invention, le guide de lumiere 3 so constitue a la fois le guide de lumiere d'entree et le guide de lumiere de sortie qui conduite a la fois a la lumiere incidente vers la tete de mesure de pression 1 tout en evacuant egalement une partie de la lumiere refle chie par la tete de mesure de pression 1. La figure 2 montre la structure schematique de la tete de mesure de pression correspondent a un autre mode de realisation du capteur de pression a fibres optiques selon ['invention. Dans son principe, la structure de la tete de mesure de s pression 1 representee a la figure 2 correspond a celle de la figure 1. Cette tete de mesure comprend un botier 2, une membrane 6 et une cavite adjacente 5. La membrane 6 presente selon ['invention, sur son cote interieur 8 de la membrane (non representee) un motif forme de zones de forte reflectivite et de falble reflectivite. Ce mode de realisation o correspond a une membrane 6 en forme de chapeau soudee au botier 2. Selon la presente invention, la membrane est de prefe rence realisee dans l'une des matieres suivantes: matiere metallique comme par exemple de l'acier inoxydable, Remanit(D ou platine, une matiere semi-conductrice comme par exemple du silicium ou du nitrure de silicium. La RemanitO est la denomination d'un groupe de 40 aciers inoxydables (marque de la Societe THYSSEN, KREFELD, Allemagne) et a l'avantage d'une falble dilatation thermique et d'une resistance elevee a la corrosion. Le nitrure de silicium presente egalement une falble dila tation thermique et de plus un module d'elasticite E eleve et un falble poids. A la difference de la tete de mesure de pression repre sente a la figure 1, la tete de mesure de pression 1 representee a la fi gure 2 comporte deux guides de lumiere 10 tenus par un manchon 4 dans la tete de mesure de pression 1. Le premier guide de lumiere (guide de lumiere d'entree) conduit la lumiere d'une source de lumiere (non representee) dans la tete de mesure de pression 1. Dans ce mode de realisation preferential de la presente invention, le second guide de lumiere (guide de lumiere de sortie) recueille la partie de lumiere refle chie par le cote interieur de la membrane 8 et conduit celle-ci vers un detecteur (non represente). La figure 3 montre la structure schematique d'un mode de realisation d'un capteur de pression a fibres optiques selon ['invention. La tete de mesure de pression 1 est prevue a une extremite 3s d'un guide de lumiere 3. Une source lumineuse 11 qui selon un mode de realisation preferential de ['invention est une diode photoemissive (diode LED) emet de la lumiere 14 conduite par un premier guide de lumiere 12 par un coupleur en Y 13 dans le guide de lumiere 3 relic a la tete de mesure de pression 1. La tete de mesure de pression 1 du mode de realisation represente a la figure 3 du capteur de pression selon ['invention est par exemple realise comme la tete de mesure de pression de la figure 1. Dans ce mode de realisation preferential de la presente invention, le guide de lumiere reOcoit la lumiere reflechie par le cote inte rieur de la membrane, a motifs, (non representee) et conduit cette lu o miere par le coupleur Y 13 et le second guide de lumiere 17 vers le detecteur 16. Dans le cas present le detecteur est une photodiode. Le rapport d'intensite entre la lumiere emise 14 et la lumiere detectee 15 est une mesure de la pression regnant au niveau de la tete de mesure de pression 1. La valeur de la pression a mesurer peut se definir par une caracteristique intensite/pression etablie pour le capteur de pres sion. Selon un mode de realisation preferential (non represen te) la source de lumiere 11 est un laser. Le ou les guides de lumiere 3, 12, 17 vent de preference des fibres monomode. o La figure 4 montre ['image reflechie par la membrane a rayures d'un capteur de pression a fibres optiques selon ['invention, avec et sans pression. La partie superieure de la figure 4 montre les bandes re flechies 18 lorsque la membrane n'est pas bombee (sans application de pression); la partie inferieure represente les bandes reflechies 19 lors que la membrane est bombee (en cas d'application de la pression). Dans ce mode de realisation preferential de ['invention, le cote interieur de la membrane du capteur de pression selon ['invention porte une alter nance de bandes tres reflechissantes et de bandes de moindre reflecti vise. Les bandes tres reflechissantes exposees a la lumiere incidente donnent sur le cote interieur de la membrane a rayures dans la partie superieure de la figure 4, des bandes claires de reflexion. Les bandes de moindre reflectivite ne reflechissent qu'une fraction de la lumiere inci dente et apparaissent ainsi comme des bandes sombres. La mise en pression produit la deformation de la membrane de sorte que les ban des tres reflechissantes reflechissent une fraction moindre de lumiere incidente dans la direction d'observation. C'est pourquoi les bandes claires dans la partie superieure de la figure 4 paraissent plus sombres dans la partie inferieure. De plus les bandes de moindre reflectivite, s stelargissent lorsque la membrane est bombee de sorte que les bandes sombres de la partie superieure vent elargies dans la partie inferieure. Les bandes prennent ainsi une fraction de surface plus importante de la surface identique qu'en ['absence de pression. Ces deux effete d'une deformation bombee de la membrane sur des bandes de reflectivite dif o ferentes stobtiennent deja pour une faIble deformation bombee de la membrane du capteur de pression selon ['invention donnant une varia tion d'intensite mesurable. Selon un mode de realisation preferential de la presente invention, les bandes de moindre reflectivite vent plus larges que celles a forte reflectivite. Cela permet d'obtenir une sensibilite elevee s pour une forme bombee de la membrane produite par la pression. Selon un mode de realisation preferential non represente de la presente invention, avec une surface interieure de membrane mu nie de rayures ou de bandes, les bandes de falble reflectivite vent plus larges que celles de forte reflectivite. En consequence lteffet d'une de o formation bombee de la membrane sur l'intensite mesuree par le detec teur est encore plus forte que pour une meme largeur de bande de sorte que le capteur de pression repondra d'une maniere encore plus sensible a une variation de pression. NOMENCLATURE 1. Tete de mesure de pression 2. Dottier s 3. Guide de lumiere 4. Manchon 5. Cavite 6. Membrane 7. Extremite du guide de lumiere lo 8. Surface/cote interieur de la membrane 9. Surface/cote exterieur de la membrane 10. Deux guides de lumiere 11. Source lumineuse 12. Premier guide de lumiere 13. Coupleur en Y 14. Lumiere emise 15. Lumiere detectee 1 6. Detecteur 17. Second guide de lumiere 18. Bandes reflechies par une membrane non bombee 19. Bandes reflechies par une membrane bombee R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Capteur de pression a fibres optiques comportant une tete de me sure de pression (1) munie d'un botier (2) equipe d'une membrane (6) fonctionnant comme capteur de pression et qui execute des mouve s meets sous ['action de la pression ainsi qutau moins un guide de lu miere (3) dont la surface frontale est dirigee vers le cote interieur (8) de la membrane (6) pour conduire de la lumiere (14) emise par une source lumineuse (11) dans la tete de mesure de pression (1), caracterise en ce que le cote interieur (8) de la membrane comporte un motif forme de zones fortement reflechissantes et de zones de moindre reflectivite. 2 ) Capteur de pression a fibres optiques selon la revendication 1, caracterise en ce que s le cote interieur (8) de la membrane presente une alternance de bandes tres reflechissantes et de bandes de moindre reflectivite. 3 ) Capteur de pression a fibres optiques selon la revendication l, caracterise en ce que le guide de lumiere (3) recoit en partie la lumiere reflechie par le cote interieur (8) de la membrane et conduit cette lumiere par un coupleur en Y (13) et un autre guide de lumiere (18) vers un detecteur (16). 4 ) Capteur de pression a fibres optiques selon la revendication 1, 2s caracterise par un autre guide de lumiere se terminant dans la tete de mesure de pres sion (1), qui recoit en partie la lumiere reflechie par le cote interieur (8) de la membrane et conduit cette lumiere vers un detecteur (16). so 5 ) Capteur de pression a fibres optiques selon la revendication 1, caracterise en ce que la source lumineuse (11) est un laser ou une diode electroluminescente LED. 6 ) Capteur de pression a fibres optiques selon la revendication 1, caracterise en ce que la membrane (6) contient au moins l'une des matieres suivantes: une matiere metallique, une matiere semi-conductrice, de l'acier inoxydable ou du nitrure de silicium. s 7 ) Capteur de pression a fibres optiques selon la revendication 2, caracterise en ce que les bandes de faible reflectivite vent plus larges que les bandes de forte reflectivite. 8 ) Capteur de pression a fibres optiques selon l'une des revendications 1 ou4, caracterise en ce que les guides de lumiere (3, 10, 12, 17) vent des fibres monomodes. 9 ) Bougie d'allumage d'un moteur a combustion interne a allumage commande equipe d'un capteur de pression selon l'une des revendica tions 1 a 8, caracterisee en ce que o la tete de mesure de pression (1) est placee a une extremite de la bougie d'allumage, de sorte que la membrane (6) est exposee directement a la pression dans un cylindre du moteur a combustion interne. ) Injecteur de moteur a combustion interne comportant au moins un s capteur de pression a fibres optiques selon l'une des revendications 1 a 8, pour mesurer la pression dans la chambre de combustion du moteur