Brevet FR3003638A1 — publié le 20140926

-1- La présente invention concerne un capteur angulaire se basant sur une fibre optique mufti-modes «serpentant » dans un réseau de courbures macroscopiques réalisées grâce à des plots physiques. Le but de la présente invention est de proposer un capteur intrinsèque simple, robuste, facilement déployable et présentant de bonnes performances. Les fibres optiques ont un succès certain dans les télécoms et essentiellement la transmission haut débit de données sur de longs trajets. Elles se retrouvent également dans un certain nombre de capteurs, de position, de vitesse, etc. La présente étude ne se focalise que sur la mesure de paramètres statiques comme la position angulaire mais peut être élargie sans changer ni la technologie, ni l'architecture du présent capteur, objet de cette invention. Les phénomènes physiques exploités dans les capteurs actuels sont essentiellement liés aux couplages des modes dans les fibres ou encore à l'interférométrie (Fabry Perot, Mach Zender...). Sont également beaucoup utilisés, les réseaux de Bragg qui fournissent de précieux renseignements sur l'état de déformation d'une fibre quand ils y sont intégrés. Plusieurs réalisations de capteurs à fibre optique sont connues mais les principes physiques mis en oeuvre sont différents de celui proposé par la présente invention. Par exemple, le brevet FR259797181 décrit un capteur à fibre optique dont le principe consiste à utiliser les informations contenues dans un signal rétrodiffusé qui se propage en sens inverse de l'impulsion lumineuse d'émission. Le capteur angulaire décrit par la présente invention utilise un principe différent. Il met à profit l'atténuation d'énergie du flux lumineux entre celui émis par un émetteur et celui reçu par le récepteur (2 et 3). Cette atténuation d'énergie résulte du transfert d'énergie entre des modes de propagation dans une fibre optique multi-modes et des pertes par désadaptation. Dans ce cas et contrairement au brevet FR259797181, il ne s'agit pas de recoupler les pertes dans la fibre par une surface ou un milieu rétro-réfléchissant. Le capteur décrit par la présente invention est coulé dans un élastomère ne présentant aucun intérêt quant à ses éventuelles propriétés optiques, seules importe ses caractéristiques mécaniques notamment son module élastique. La technologie du capteur, object de cette invention, met oeuvre un réseau macroscopique (4 à 7 et 11) induisant des précontraintes dans une fibre multi-mode et non des micro-courbures telles que décrites par exemple dans FR2597971B1. Le capteur décrit dans FR2597971B1 est conditionné entre deux plaques métalliques réfléchissantes et exerçant de fait une pression sur une fibre. Le brevet FR2637080A1 décrit quand à lui un capteur de pression avec un organe presseur qui prend « en sandwich » une fibre optique. Dans le cas du capteur décrit par la présente invention, il n'y a pas d'organe presseur, la fibre optique serpente dans un réseau plots macroscopiques (4 à 7 et 11) dont le diamètre est proche du rayon critique (1) de la fibre multi-mode retenue pour la construction du capteur. Ainsi, ce type de capteur angulaire est ainsi un capteur intrinsèque car la fibre elle-même est utilisée comme organe de détection. Une architecture de capteur intrinsèque est décrite dans le brevet FR2828277A1 qui propose un capteur angulaire, pour une pièce en rotation autour d'un axe, adapté au domaine de l'automobile. La fibre optique est directement solidaire de la pièce mise en rotation. La solution proposée met en oeuvre un mécanisme de torsion de la fibre ou un brin de celle-ci est pré-contraint entre deux mâchoires crantées. Dans le cas du capteur, objet de cette invention, la fibre n'est pas mise torsion, n'est pas directement contrainte par des mâchoires, ne nécessite pas une fibre de référence. -2- L'objectif visé par l'étude, objet de cette invention, a été de concevoir et de réaliser un dispositif optoélectronique permettant d'effectuer simplement et économiquement une mesure angulaire. Cette étude a été réalisée initialement pour une application médicale, sans pour autant être limitée à ce domaine et à cette application. Le principe de mesure angulaire, objet de l'invention, pourra être appliqué à tout domaine nécessitant la détermination de l'angle relatif entre deux éléments solidaires articulés ou non, biologiques ou manufacturés. Ce principe peut également être utilisé pour suivre des déformations induites dans des structures évoluant, volontairement ou non, au cours du temps (9). Le concept a été validé en mesurant l'angle tibia fémur d'un patient dont la jambe est électro stimulée (8). Dans une seconde étape, le capteur objet de cette invention servira à fermer la boucle de contre-réaction d'un implant électronique. Le capteur sera alors destiné à asservir les amplitudes des stimuli électriques, délivrés par l'implant, à la valeur angulaire finale de la jambe ainsi électrostimulée (8). Dans le cadre de cette application précise, l'objectif d'un tel capteur de détecter un lâchage du verrouillage du genou pendant la phase monopodale de la marche, pour réagir en boucle fermée par un renforcement de la contraction du quadriceps lors de la marche autonome du patient, par augmentation de l'amplitude des stimuli électriques délivrés par l'implant. Ce type de capteur présente l'avantage d'apporter une discrétion, un confort et une sécurité accrue comparé aux solutions à base mécanique. Le principe de mesure retenu se base sur un mécanisme physique de variation d'absorption lumineuse, dans une fibre optique multi-modes à gradient d'indice, et qui constitue normalement un défaut (1). Ce principe de mesure, objet de l'invention, peut s'étendre sans modification, à la détermination angulaire de toute partie de corps humain ou animal mis en mouvement. Pour les applications médicales, il est même envisagé de tisser la fibre dans un élément de vêtement (8). Il est également envisagé de l'intégrer dans la structure d'un siège de véhicule afin de mémoriser et de restituer par la suite, la position réglée par exemple par différents conducteurs d'un même véhicule. L'objet du présent brevet, consiste à décrire la mise à profit de ce défaut pour réaliser un capteur angulaire à fibre optique. Le capteur en question se base sur une fibre optique multi-mode précontrainte par un réseau de courbures (4 à 7 et 11) équipée d'un émetteur et d'un récepteur optique (2 et 3) de longueur d'onde adaptée aux caractéristiques de la fibre. La mesure angulaire est effectuée sur la base d'une fibre optique multi-modes classique donc économique et met à profit un principe physique de la perte d'énergie par rayonnement lumineux consécutif à la désadaption de la fibre optique. Ce phénomène, bien que connu, compris et totalement décrit est non exploité du moins avec une simple fibre multi-modes pour réaliser un capteur angulaire opérationnel et quantitatif. Pour transmettre du signal, l'angle d'incidence d'un rayon lumineux avec l'interface extérieur du coeur de la fibre doit être inférieur à un certain angle critique 90. Cet angle d'acceptance est donné par le constructeur via l'ouverture numérique 0.N.: 0.N.= sin( 00) 00 = arcsin(0. N.) -3- L'augmentation des pertes lors de la déformation du capteur à fibre optique est réalisée grâce à des courbures macroscopiques, via un réseau régulier ou non de plots (4 à 7 et 11), permettant d'augmenter les pertes par désadaptation de la fibre optique du capteur tout en veillant à respecter la condition de transmission du signal imposée par l'ouverture numérique de la fibre. Concrètement, la fibre optique « serpente » dans un « peigne » (4 à 7 et 11), ce qui permet de rapprocher le système de transmission de la zone où le signal se trouve fortement atténué (courbure critique). L'intérêt est d'augmenter artificiellement les pertes à la transmission du signal pour les quantifier via un récepteur permettant de relever l'amplitude du signal. Pour ce faire, plusieurs paramètres doivent être ajustés tels que la période et l'amplitude des courbures (4). Dans une fibre optique multi-modes, l'énergie lumineuse va se repartir sur les modes guidés qui constituent un ensemble discret M avec des constantes de propagation décroissantes à mesure que les ordres croissent. En fonction des perturbations sur la fibre, ces modes vont se coupler et ainsi échanger de l'énergie entre eux, notamment entre les modes guidés et les modes rayonnés engendrant ainsi une perte d'énergie. Ainsi, lorsque la fibre est courbée, une partie de l'énergie lumineuse de certains modes peut échapper au guidage. Principe de conditionnement du capteur Il a été choisi de conditionner le capteur dans un élastomère souple pour le rendre simple d'emploi et robuste (5 à 7 et 11). Il doit pouvoir supporter un grand nombre de flexions sans risquer d'endommager la fibre optique. La méthode de construction dudit capteur envisagée repose sur un moule dans lequel la fibre est mise en place (10) ainsi que le réseau de courbure macroscopiques puis un élastomère composite est coulé dans ce moule. Des modifications quant au nombre et la forme des inserts, à leur espacement et à leurs orientations ou encore quand au nombre d'aller-retour de la fibre entre ces plots ne modifient le principe de l'invention. La nature du composite constituant le corps du capteur peut être modifié sans que cela ne change le principe de fonctionnement du capteur. Toutefois, les caractéristiques de l'élastomère pourront être adaptées à l'application envisagée sans que celle-ci ne modifie le principe de fonctionnement du capteur objet de l'invention. La connectique fibre/électronique retenue est standard et n'influe en rien sur la nature de l'invention. Dans une version future, il est envisagé d'intégrer l'électronique de pilotage et de mesure directement dans le capteur avec une connexion filaire ou radio, sans que ces dispositions ne modifient le principe de fonctionnement du capteur objet de l'invention (6). La sensibilité du capteur peut être optimisée dans certaines directions en ajoutant des lamelles rigides de part et d'autre de la zone sensible centrale du capteur (12). Ces lamelles permettent de limiter les zones de déformation de la fibre entre les plots. Ces lamelles peuvent être installées en fonction de la direction privilégiée du capteur et éventuellement être installées sur les quatre faces du capteur pour être sensible simultanément dans les deux directions normales mais dans ce cas la mesure sera qualitative et non quantitative REVENDICATIONS: 1) Capteur angulaire à fibre optique multi-mode caractérisé en ce qu'une fibre optique soit précontrainte en « serpentant » entre des plots espacés de manière périodique, dont le nombre et l'orientation peuvent être variables, à l'image d'un peigne ou d'une échelle au sein de laquelle la fibre optique effectue un ou plusieurs aller-retour directs ou non, et dont la fonction première est de mesurer quantitativement la position angulaire relative entre deux corps ou deux composants solides articulés ou liés, l'ensemble étant conditionné dans un élastomère pouvant être rigidifié par ajout externe ou interne de languettes rigides. 2) Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'électronique nécessaire au fonctionnement du capteur et éventuellement une source d'énergie avec une liaison filaire ou radiofréquence soit intégrée directement au capteur. 3) Capteur selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il soit tissé dans un milieu élastiquement déformable tel qu'un support, un siège voire un vêtement.-5- D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui suit pour la compréhension de laquelle on se référera aux illustrations suivantes : La Fig 2.b définit la notion de rayon de courbure critique qui constitue le coeur de notre invention La Fig 3.a schématise le capteur angulaire à fibre multi-mode qui nécessite un émetteur et un récepteur de lumière selon la configuration Ni. La Fig 3.b décrit le capteur angulaire à fibre multi-mode nécessitant un émetteur et un récepteur de lumière selon la configuration N2. Les figures 5.a à 5.e présentent différentes configurations ou topologies de câblage de la fibre optique multi-modes et constituant ainsi différents capteurs angulaires fonctionnant selon le principe physique décrit dans ce brevet. Les figures 6.a à 6.d montrent différents conditionnement du capteur angulaire dans un élastomère adapté à l'application finale. Elles présentent différentes options de réalisation allant jusqu'à l'intégration de l'électronique de pilotage de la fibre et de communication. La Fig 7.a présente l'axe de courbure préférentiel du capteur angulaire à fibre optique multi-mode, conditionné dans un élastomère. Ce mode est adapté à la mesure angulaire relative de deux pièces couplées. La Fig 7.b présente un axe de courbure secondaire du capteur angulaire à fibre optique multi-mode, conditionné dans un élastomère. L'expérience a montré qu'il est également possible de transformer cette déformation en un signal électrique proportionnel. La Fig 9 présente une variante du capteur angulaire, selon l'invention, à fibre optique tressée dans un élément de vêtement ou de tissu. Les figures Fig 10.a et 10.b présentent une application du capteur angulaire, selon l'invention pour déterminer l'angle de flexion d'une poutre La Fig 11 présente un exemple de réalisation du moule pour le capteur angulaire à fibre optique multi-modes pré-contrainte, selon l'invention. Fig 12 : Exemple de capteur angulaire à fibre optique multi-modes pré-contrainte suivant deux axes (seul l'aller de la fibre est repésenté par souci de clareté). Fig 13 exemples de capteur rigidifié par des lamelles plus rigides que l'élastomère. Les lamelles sont coulées dans l'élastomère ou collées suivant le plan normal, ou suivant le plan horizontal, ou encore suivant les deux plans