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Dispositif de détection et de mesure de très faibles déplacements par conversion de ces déplacements en oscillations de fréquence variable.
La présente invention a pour objet un dispositif per- mettant de détecter et de mesurer de très faibles déplacements, en vue de réaliser éventuellement des asservissements de haute pré- cision, ledit dispositif étant caractérisé par le fait qu'il com- porte en combinaison, un cristal semi-conducteur photo-résistant et piézolélectrique, massif ou sous forme de couche mince, une
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source lumineuse d'irradiation d'au moins une face dudit cristal, une source de tension continue stabilisée dont les pâles sont re- liés à deux contacts disposés sur des faces situées de part et d'autre de la face, ou des faces irradiées,
un circuit de sortie comportant au moins une impédance aux bornes de laquelle est bran- ché un dispositif de mesure de la fréquence des oscillations du courant traversant le cristal dont la valeur est fonction de la surface irradiée, un écran solidaire de l'organe dont le déplace- ment est à mesurer et qui est disposé entre le cristal et la source lumineuse, ledit écran se déplaçant, en outre, dans un plan parallèle à la face susceptible de recevoir l'irradiation lumi- neuse.
Suivant un premier mode de réalisation de l'objet de l'invention, l'écran est complètement opaque, et en se déplaçant, masque une partie plus ou moins grande de la face soumise à l'ir- radiation des rayons lumineux. De préférence, en se déplaçant, l'écran masque ladite face à partir du contact relié au pôle posi- tif de la source d'alimentation.
Suivant un autre mode de réalisation de l'objet de l'in- vention, l'écran comporte une ouverture rectiligne étroite en forme de fente, de sorte que lors du mouvement de l'écran, le pinceau lumineux issu de la fente dudit écran se déplace sur la face du cristal.
On utilise préférablement comme semi-conducteur photo- résistant et piézoélectrique, le sulfure de cadmiun correspondant à la formule Cd S, sous forme monoeristalline.
On sait que ce corps cristallise dans le système hexa- gonal.
On a constaté qu'en irradiant une portion de face d'un tel cristal parallèle à l'hexagone du système cristallin, et en
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alimentant ce cristal sous une tension continue par l'intermédiaire de deux électrodes orientées de préférence perpendiculairement à la direction moyenne,du flux lumineux d'irradiation, on engendre dans le circuit d'alimentation en courant continu de ce cristal des oscillations à fréquence élevée.
On prévoit en général, dans les circuits respectifs de liaison aux deux électrodes de la source de courant continu, dont l'électrode négative est de préférence reliée à la terre, au moins une résistance de valeur réglable permettant notamment d'adapter l'impédance du circuit oscillant à celle de ladite source de cou- rant continu.
On peut recueillir alors une tension HF aux bornes de l'une de ces résistances, lesdites oscillations pouvant être éga- lement recueillies éventuellement aux bornes du secondaire d'un transformateur ou d'un autotransformateur ayant son primaire in- séré dans le circuit d'alimentation en courant continu dudit eristal.
Lorsque, comme dans le premier mode de réalisation de l'objet de l'invention, en interpose un cache optique solidaire de l'objet dont on veut détecter et mesurer le déplacement sur le trajet des rayons lumineux, de façon à masquer une partie de la. face cristalline soumise à l'action desdits rayons lumineux, on constate qu'une fréquence d'oscillations de 1 MHz par exemple, engendrée pour une certaine position dudit cache, se trouve ré- duite à .4-eU KHz pour un déplacement de 0,5 mm de ce cache paral- lèlement à ladite face cristalline. n' m litude des oscillations que l'on peut recueillir en alimentant un tel cristal snus une tension continue de 400 volts,. est de l'ordre de 10 mA.
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Il est bien certain qu'indépendamment de la position du cache, la fréquence des oscillations engendrées varie également en fonction de la valeur de la tension continue plus ou moins forte appliquée au cristal suivant sa longueur, et en fonction de l'inten- site maximum du flux lumineux auquel cette face cristalline peut être soumise en l'absence de toute interception de rayons par un cache.
Une variation de température ambiante entraîne également des variations de fréquence des oscillations engendrées.
Le dispositif doit donc avantageusement être utilisé dans une enceinte thermostatée, et les tensions d'alimentation du cristal et de la source lumineuse doivent être également stabilisées.
Un tel dispositif peut comporter par exemple une source de lumière blanche ayant une température de l'ordre de 20000C per- mettant d'obtenir un flux lumineux de l'ordre de,0,5 à 0,6 milli- watts par mm2 de face cristalline irradiée.
Les contacts assurant la liaison entre le cristal et la source de courant continu sont réalisés en prévoyant sur chacune 'des faces extrêmes dudit cristal un dépôt constitué de préférence par deux couches superposées, à savoir une couche d'indium déposée directement sur le cristal et une deuxième couche constituée par un eutectique indium-gallium, de façon à éviter tout effet de re- dressement susceptible de nuire au passage des oscillations HF que l'on veut recueillir, en vue de les utiliser par exemple pour réa- liser un asservissement de haute précision..
Le dessin ci-joint représente à titre d'exemples non limi tatifs, divers modes de réalisation de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une représentation schématique montrant les positions respectives d'un cristal du type précité et d'un cache se déplaçant parallélemant à ce cristal.
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La fig. 2 est un schéma électrique montrant l'alimenta- tion en courant continu dudit cristal et le circuit permettant de recueillir les 'oscillations de fréquence variable engendrées dans ce cristal.
La fig. 3 est une représentation schématique d'un dispo- .sitif permettant l'irradiation d'un cristal en lumière blanche à partir d'un filament enfermé dans une enceinte étanche à l'inté- rieur de laquelle on fait le vide.
La fig. 4 est une variante de la fig. 3 utilisant un flux lumineux parallèle émis en lumiàre verte ou de longueur d'onde inférieure, par des diodes électrolumirescentes, ledit faisceau étant dirigé perpendiculairement au plan de l'hexagone du réseau cristallin.
La fig. 5 est une variante représentant schématiquement un cristal alimenté en courant continu et relié d'un côté à la terre, de l'autre à une source de courant haute tension, une face longitudinale de ce cristal étant attaquée par un pinceau de lu- miére parallèle.
La Fig. 6 est une représentation schématique suivant la variante représentée sur la fig. 5 correspondant à une mesure de déplacements longitudinaux d'un cadre mobile comportant une fente éclairée laissant passer un pinceau lumineux.
La Fig. 7 est une représentation schématique suivant la même variante correspondant au cas d'un pinceau lumineux se réflé- chissant sur un miroir tournant et venant attaquer une face cris- talline à irradier en un point variable longitudinalement.
La Fig. 8 est une représentation schématique suivant la même variante d'un dispositif de mesure de la variation d'indice ,de réfraction d'un liquide contenu à l'intérieur d'un tube trans- parent. '
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La Fig. 9 est une représentation schématique comparabie à la fig. 8 mais correspondant au cas où ledit liquide est compris entre deux lames transparentes parallèles maintenues à un écarte- ; ment constant.
On voit sur la fig. 1 que le cristal semiconducteur 1 comporte deux longs côtés parallèles 2 ayant par exemple une longueur de l'ordre de 5 mm, la largeur de ce cristal entre les deux côtés -
2 étant de l'ordre de 1 mm tandis que son épaisseur est de l'ordre , de 0,5 mm.
. Le cache 3, représenté également en traits interrompus en 3a, a une largeur du même ordre que celle du cristal 1, c'est- à-dire de l'ordre de 1 mm et se déplace parallèlement aux côtés 2 précités, de façon à empêcher le flux lumineux d'atteindre la sur- face du cristal sur une portion de sa longueur qui peut être comprise par exemple entre 0,5 mm et 1 mm suivant que le cache est en position 3 ou en position 3a.
On voit que la surface éclairée du cristal est de forme rectangulaire, de même que l'écran qui se déplace parallèlement à deux côtés parallèles de ce rectangle.
On a constaté que, du côté de l'électrode négative reliée à la masse, il y avait intérêt à réaliser une concentration du flux continu facilitant l'amorçage des oscillations HF.
La fig. 1 représente une troncature permettant d'obtenir cette concentration. Cette troncature est de l'ordre de 10 % dans les deux dimensions.
D'autres dispositions analogues peuvent naturellement être utilis4es, afin que le cristal présente une diminution de sec- tion au voisinage du contact relié au pôle négatif de la source de tension.
' Sur le schéma de la fig. 2, le flux lumineux d'irradia-
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tion correspondant aux flèches parallèles 4 a été représenté comme perpendiculaire à la face du cristal 1, mais il n'est pas indispen sable d'éclairer le cristal en lumière parallèle.
Le criçstal 1 est enchâssé dans une embase isolante 5 pou- vant être en oxyde de béryllium.
Le contact 6 de liaison à l'électrode négative estcon- stitué, comme le contact 7 de liaison à l'électrode positive par deux couches superposées d'indium et d'un eutectique indium- gallium.
Les conducteurs de liaison 8 et 9 à la source de courant continu sont noyés dans l'embase isolante 5.
Deux résistances réglables 10 et 11 sont insérées entre les deux pâles positif et négatif de ladite source de courant con- tinu, comme on l'a déjà indiqué.
Le pôle négatif de la source 11 est relié à la terre et le réglage des deux résistancesio et 11 permet d'adapter l'impé- dance HF du circuit d'utilisation à celle de la source de courant continu 12, source constituée par un transformateur 13 et un en- semble de cellules redresseuses 14 montées en pont.
Sur la fig. 3, on retrouve l'embase en béryllium 5 et le cristal 1.
'embase en béryllium est munie à sa base d'ailettes 15. pour l'évacuation thermique des calories engendrées par le passa- ge des différents courants continu et HF dans le cristal précité.
Au-dessus de ce cristal est prévue, une enceinte étanche 16, limitée sa partie supérieure par le miroir 17 qui sert à con-
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centrer lu., .." ;.'ons eNis par le filament 18 sur la surface du ciisl
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tal se@@@@eur 1.
On fait le vide à l'intérieur de l'enceinte 16,, et, de plus, on prévont une régulation de la température du cristal 1,
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par exemple en faisant varier, à partir 4'un thermostat, le débit d'un fluide de refroidissement en contact avec les ailettes 15.
Il est bien entendu nécessaire de régler avec précision la valeur de la tension d'alimentation du filament 18, de même que celle de la tension continue fournie, par la source de courant 12.
Si l'on se reporte maintenant à la fig. 4, en voit qu'un flux lumineux parallèle de lumière verte ou de longueur d'onde in- férieure, correspondant auxflèches 19 est émis par une diode élec- troluminescente polarisée 20 du type p.n.
Il suffit alors de prévoir un flux de l'ordre de 0,1 millivatt par mm2 de face cristalline irradiée.
L'effet photoconducteur d'un tel cristal est très net, puisque sa résistance est approximativement cent fois plus forte lorsqu'il n'est pas éclairé, que lorsqu'il est éclairé par un flux lumineux correspondant aux Valeurs indiquées plus haut.
De plus, la fréquence des oscillations-engendrées dans un tel cristal peut varier du simple au double pour un déplacement de
0,5 mm dudit cache optique, par exemple de 0,5M Hz à 1 M Hz.
Comme il est possible, à l'heure actuelle, de détecter aisément des variations de fréquence inférieures à 1 Hz pour des fréquences de l'ordre de 1 M Hz il devient possible de mesurer des déplacements de l'ordre de 2/1000 de micron pouvant correspondre à des phénomènes de dilatation par exemple, ou de déformation d'uns membrane ou d'une paroi d'enceinte faiblement élastique.
On voit sur la fig. 5 qu'un cristal 1 orienté de la même façon que sur la fig. 1, irradie sur une faible longueur correspon- dant à une largeur de pinceau lumineux de 3/10 de mm environ pour un cristal ayant une longueur de 5 mm et les' mêmes cara'ctéristi- ques que celles indiquées précédemment.
'On a désigné par X la distance du milieu du pinceau lumi-
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neux à l'électrode reliée à la terre, du côté de la troncature du- dit cristal.
Pour une variation de 4,1 à 2,95 mm de X, et pour une ten- sion d'alimentation de courant continu de ce cristal égale à 1000 volts, la fréquence des oscillations engendrées dans le cristal va- rie linéairement de 275 à 500 KHz.
Comme on peut détecter sans difficulté une variation de
1 Hz, il devient possible de mesurer aisément des déplacements du point d'attaque du pinceau lumineux sur ladite face cristalline égaux à 5/1000 de micron, précision largement suffisante pour la plupart des mesures à effectuer.
Bien entendu, ces mesures ont été faites en orientant constamment,le pinceau lumineux perpendiculairement à la face irradiée.
On verra cependant, à propos des fig. 6 à 9, que, dans certains cas, le pinceau lumineux peut attaquer la face irradiée obliquement, une correction pouvant alors être nécessaire pour mesurer soit un angle de rotation de miroir tournant, soit un coef- ficient lié à la rotation d'un pinceau lumineux, tel que l'indice de réfraction variable d'un liquide traversé par ce pinceau.
On a désigné, sur le dessin, par les mêmes nombres de référence que sur la fig. 1 le cristal lui-même, ses côtés paral- lèles et l'électrode reliée à la terre.
Si l'on se reporte maintenant à la fig. 6. on retrouve l'équivalent d'un cache désigné par le nombre de référence 3b; mais au lieu de prévoir ce cache en face de'l'extrémité non tronquée du cristal, et une irradiation totale de la partie avant du cristal non couverte par le cache, le faisceau de lumière parallèle corres- pondant aux flèches cache, limité à un simple pinceau lumineux dont une fraction passe à travers une fente 21 et peut attaquer en 22 la
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face du cristal 1 en sulfure de cadmium que l'on veut irradier.
Dans une telle application, on se borne à des déplace- , ments du cadre mobile constitué par le cache 3b qui ne dépassent guère 1 mm au total et on obtient des oscillations de fréquence va- riable linéairement entre les valeurs susindiquées, c'est-à-dire entre 275 et 500 KHz.
Dans le cas de la fig.. 7, le pinceau lumineux est d'abord,.. réfléchi sur un miroir tournant 23, et la faible rotation de ce mi- roir permet par exemple de,déplacer le point d'attaque du pinceau lumineux sur le cristal 1, de 22 à 22a.
Lorsque l'angle de rotation du miroir 23 est très faible, on peut, avec une approximation suffisante, admettre que la fré- quence engendrée dans le cristal 1 varie linéairement en fonction de l'angle du miroir 23 par rapport à une direction fixe.
En tout état de cause, un étalonnage plus précis est tou- jours possible, pour convertir les mesures de fréquence des oscil- lations engendrées dans le cristal en variations angulaires de la position du miroir 23.
Cette nécessité éventuelle d'étalonnage de l'appareil existe également dans le cas de la fig. 8,, où le pinceau lumineux traverse un liquide contenu dans un tube transparent 24,, et où la variation d'indice de réfraction dudit liquide se traduit par une variation du point d'attaque du cristal 1, variation qui ne reste proportionnelle à la variation d'indice de réfraction que dans des limites relativement étroites.
On remarquera, que, dans le cas de la fig. 9, la distance entre les faces internes des deux plaques 25 est maintenue constan- te par des entretoises appropriées 26, de telle façon que la va- riationde fréquence des oscillations engendrées dans le cristal 1 ne dépende pas de cette distance.
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Sur les fig. 8 et 9, comme sur la fige 7, les points d'attaque des pinceaux lumineux sur le cristal 1 sont désignés par les nombres de référence 22 et 22a.
On voit, en particulier sur la fig. 9, que, dans la posi- tion 22, l'indice de réfraction du liquide logé entre les deux plaques 25 a été supposé être égal à celui de l'air, tandis que dans la position 22a cet indice de réfraction est plus élevé.
Le faisceau lumineux 27 représenté en traits pleins sur la fig. 8 correspond également à un liquide ayant un indice de ré- fraction sensiblement égal à celui de l'air, tandis que le faisceau lumineux 27a représenté en traits interrompus correspond à un in- dice de réfraction plus élevé, bien qu'inférieur à celui du ma- tériau transparent constituant le tube 24.
Des comparateurs utilisant le dispositif suivant l'in- vention, notamment ceux qui sont représentés dans les fig. 1 à 4, permettent donc de détecter et de mesurer des déplacements de l'ordre de quelques millièmes de micron, alors que les comparateurs de types classiques ne permettent de mesurer que des déplacements au moins égaux de 1/10 de micron.
On peut utiliser également de tels comparateurs pour détecter et mesurer des déplacements alternatifs, tels que ceux dus à des contraintes périodiques ou à des vibrations.
On peut enfin utiliser le dispositif pour réaliser des asservissements de haute précision en utilisant des montages élec- troniques appropriés susceptibles de convertir les très faibles déplacements dudit cache optique que l'on peut tolérer lorsque l'asservissement est convenablement réalisé, en variations d'une grandeur de type approprié, susceptible-de compenser les déplace- ; ments us grands du cache précité qui seraient obtenus en l'ab- @ sence d'asservissement.
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S'il s'agit de déplacements causes par la dilatation; on peut convertir par exemple les variations de fréquence ou varia- tiens de débit d'un fluide servant à refroidir l'objet dont on veut contrôler la dilatation.
On peut utiliser également les comparateurs établis con- formément 'audit procédé, comme séismographes pour la mesure'de pe- tites secousses telluriques, en employant, de façon connue en soi des pendules de grande inertie incapables de suivre les secousses telluriques à la vitesse de ces secousses, et supportant le cris- tal semiconducteur précité, tandis que le cache est directement' rendu solidaire du sol Soumis auxdites secousses telluriques.
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Device for detecting and measuring very small displacements by converting these displacements into oscillations of variable frequency.
The object of the present invention is a device making it possible to detect and measure very small displacements, with a view to possibly producing high precision servo-controls, said device being characterized by the fact that it comprises in combination, a photoresist and piezolelectric semiconductor crystal, solid or in the form of a thin film, a
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light source for irradiating at least one face of said crystal, a stabilized DC voltage source whose blades are connected to two contacts arranged on faces located on either side of the face, or on the irradiated faces,
an output circuit comprising at least one impedance at the terminals of which is connected a device for measuring the frequency of the oscillations of the current flowing through the crystal, the value of which depends on the irradiated surface, a screen integral with the organ whose displacement is to be measured and which is placed between the crystal and the light source, said screen moving, moreover, in a plane parallel to the face capable of receiving the light irradiation.
According to a first embodiment of the object of the invention, the screen is completely opaque, and while moving, masks a more or less large part of the face subjected to the irradiation of light rays. Preferably, by moving, the screen masks said face from the contact connected to the positive pole of the power source.
According to another embodiment of the object of the invention, the screen comprises a narrow rectilinear opening in the form of a slit, so that during the movement of the screen, the light brush issuing from the slit of said screen moves on the face of the crystal.
Cadmium sulfide corresponding to formula Cd S, in monoeristalline form, is preferably used as photoresist and piezoelectric semiconductor.
We know that this body crystallizes in the hexagonal system.
It has been found that by irradiating a portion of the face of such a crystal parallel to the hexagon of the crystal system, and by
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supplying this crystal with a direct current voltage via two electrodes oriented preferably perpendicular to the mean direction of the irradiation light flux, high frequency oscillations are generated in the direct current supply circuit of this crystal.
In general, there is provided in the respective circuits for connection to the two electrodes of the direct current source, the negative electrode of which is preferably connected to earth, at least one resistor of adjustable value making it possible in particular to adapt the impedance of the circuit oscillating with that of said source of direct current.
An HF voltage can then be collected at the terminals of one of these resistors, said oscillations possibly also being collected at the terminals of the secondary of a transformer or of an autotransformer having its primary inserted in the circuit. direct current supply of said eristal.
When, as in the first embodiment of the object of the invention, interposes an optical mask integral with the object whose displacement is to be detected and measured on the path of the light rays, so as to mask a part of the. crystalline face subjected to the action of said light rays, it can be seen that an oscillation frequency of 1 MHz for example, generated for a certain position of said mask, is reduced to .4-eU KHz for a displacement of 0 , 5 mm of this mask parallel to said crystalline face. n 'm litude of the oscillations which can be collected by supplying such a crystal with a direct voltage of 400 volts. is of the order of 10 mA.
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It is quite certain that independently of the position of the cover, the frequency of the oscillations generated also varies according to the value of the more or less strong direct voltage applied to the crystal according to its length, and according to the maximum intensity. of the luminous flux to which this crystalline face can be subjected in the absence of any interception of rays by a mask.
A variation in ambient temperature also causes variations in the frequency of the oscillations generated.
The device must therefore advantageously be used in a thermostatically controlled enclosure, and the supply voltages of the crystal and of the light source must also be stabilized.
Such a device may for example comprise a white light source having a temperature of the order of 20000C making it possible to obtain a luminous flux of the order of 0.5 to 0.6 milli-watts per mm2 of face. irradiated crystalline.
The contacts ensuring the connection between the crystal and the direct current source are made by providing on each of the end faces of said crystal a deposit preferably consisting of two superimposed layers, namely a layer of indium deposited directly on the crystal and a second layer constituted by an indium-gallium eutectic, so as to avoid any straightening effect liable to interfere with the passage of the HF oscillations that one wishes to collect, with a view to using them for example to achieve a high servo-control. precision..
The accompanying drawing represents, by way of nonlimiting examples, various embodiments of the object of the invention.
Fig. 1 is a schematic representation showing the respective positions of a crystal of the aforementioned type and of a mask moving parallel to this crystal.
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Fig. 2 is an electrical diagram showing the direct current supply of said crystal and the circuit for collecting the oscillations of variable frequency generated in this crystal.
Fig. 3 is a schematic representation of a device allowing the irradiation of a crystal in white light from a filament enclosed in a sealed enclosure inside which a vacuum is made.
Fig. 4 is a variant of FIG. 3 using a parallel luminous flux emitted in green light or of lower wavelength, by light-emitting diodes, said beam being directed perpendicularly to the plane of the hexagon of the crystal lattice.
Fig. 5 is a variant showing schematically a crystal supplied with direct current and connected on one side to earth, on the other to a high voltage current source, a longitudinal face of this crystal being attacked by a parallel light brush. .
Fig. 6 is a schematic representation according to the variant shown in FIG. 5 corresponding to a measurement of longitudinal displacements of a movable frame comprising an illuminated slit allowing a light brush to pass.
Fig. 7 is a schematic representation according to the same variant corresponding to the case of a light brush reflecting on a rotating mirror and coming to attack a crystalline face to be irradiated at a longitudinally variable point.
Fig. 8 is a schematic representation according to the same variant of a device for measuring the variation in refractive index of a liquid contained inside a transparent tube. '
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Fig. 9 is a schematic representation comparable to FIG. 8 but corresponding to the case where said liquid is between two parallel transparent blades kept at a distance; constantly.
It is seen in fig. 1 that the semiconductor crystal 1 has two long parallel sides 2 having for example a length of the order of 5 mm, the width of this crystal between the two sides -
2 being of the order of 1 mm while its thickness is of the order of 0.5 mm.
. The cover 3, also shown in broken lines at 3a, has a width of the same order as that of crystal 1, that is to say of the order of 1 mm and moves parallel to the aforementioned sides 2, so as to preventing the luminous flux from reaching the surface of the crystal over a portion of its length which may for example be between 0.5 mm and 1 mm depending on whether the cover is in position 3 or in position 3a.
It can be seen that the illuminated surface of the crystal is rectangular in shape, as is the screen which moves parallel to two parallel sides of this rectangle.
It has been observed that, on the side of the negative electrode connected to ground, there was an advantage in achieving a concentration of the continuous flow facilitating the initiation of the HF oscillations.
Fig. 1 represents a truncation making it possible to obtain this concentration. This truncation is of the order of 10% in both dimensions.
Other similar arrangements can of course be used, so that the crystal exhibits a reduction in section in the vicinity of the contact connected to the negative pole of the voltage source.
'In the diagram of fig. 2, the luminous flux of irradia-
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tion corresponding to the parallel arrows 4 has been shown as perpendicular to the face of crystal 1, but it is not essential to illuminate the crystal in parallel light.
The criçstal 1 is encased in an insulating base 5 which can be made of beryllium oxide.
The contact 6 for connecting to the negative electrode is made, like the contact 7 for connecting to the positive electrode, by two superimposed layers of indium and an indium-gallium eutectic.
The connecting conductors 8 and 9 to the direct current source are embedded in the insulating base 5.
Two adjustable resistors 10 and 11 are inserted between the two positive and negative blades of said direct current source, as already indicated.
The negative pole of the source 11 is connected to the earth and the adjustment of the two resistors io and 11 makes it possible to adapt the HF impedance of the user circuit to that of the direct current source 12, a source consisting of a transformer. 13 and a set of rectifying cells 14 mounted in a bridge.
In fig. 3, we find the base in beryllium 5 and crystal 1.
The beryllium base is provided at its base with fins 15. for the thermal evacuation of the calories generated by the passage of the various direct and HF currents in the aforementioned crystal.
Above this crystal is provided a sealed enclosure 16, limited its upper part by the mirror 17 which serves to con-
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center read., .. ";. 'ons eNis by filament 18 on the surface of the ciisl
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A vacuum is created inside the enclosure 16 ,, and, moreover, provision is made for a regulation of the temperature of the crystal 1,
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for example by varying, from a thermostat, the flow rate of a cooling fluid in contact with the fins 15.
It is of course necessary to precisely adjust the value of the supply voltage of the filament 18, as well as that of the direct voltage supplied by the current source 12.
If we now refer to fig. 4, sees that a parallel luminous flux of green light or of a shorter wavelength, corresponding to the arrows 19 is emitted by a polarized light-emitting diode 20 of the p.n type.
It is then sufficient to provide a flux of the order of 0.1 millivatt per mm 2 of irradiated crystalline face.
The photoconductive effect of such a crystal is very clear, since its resistance is approximately one hundred times stronger when it is not illuminated, than when it is illuminated by a luminous flux corresponding to the values indicated above.
In addition, the frequency of the oscillations-generated in such a crystal can vary from single to double for a displacement of
0.5 mm of said optical cover, for example from 0.5M Hz to 1 M Hz.
As it is currently possible to easily detect frequency variations of less than 1 Hz for frequencies of the order of 1 M Hz, it becomes possible to measure displacements of the order of 2/1000 of a micron which may correspond to expansion phenomena for example, or deformation of a membrane or of a weakly elastic enclosure wall.
It is seen in fig. 5 than a crystal 1 oriented in the same way as in FIG. 1, irradiates over a short length corresponding to a light brush width of about 3/10 mm for a crystal having a length of 5 mm and the same characteristics as those indicated above.
'We denote by X the distance from the middle of the light brush.
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neux to the electrode connected to the earth, on the side of the truncation of said crystal.
For a variation of 4.1 to 2.95 mm of X, and for a direct current supply voltage of this crystal equal to 1000 volts, the frequency of the oscillations generated in the crystal varies linearly from 275 to 500 KHz.
As one can easily detect a variation of
1 Hz, it becomes possible to easily measure displacements of the point of attack of the light brush on said crystalline face equal to 5/1000 of a micron, a precision largely sufficient for most of the measurements to be carried out.
Of course, these measurements were made by constantly orienting the light brush perpendicular to the irradiated face.
However, with reference to FIGS. 6 to 9, that, in certain cases, the luminous brush can attack the face irradiated obliquely, a correction may then be necessary to measure either an angle of rotation of a rotating mirror, or a coefficient linked to the rotation of a brush luminous, such as the variable refractive index of a liquid traversed by this brush.
It is designated in the drawing by the same reference numbers as in FIG. 1 the crystal itself, its parallel sides and the electrode connected to earth.
If we now refer to fig. 6. we find the equivalent of a cache designated by the reference number 3b; but instead of providing this mask in front of the non-truncated end of the crystal, and a total irradiation of the front part of the crystal not covered by the mask, the parallel beam of light corresponding to the arrows mask, limited to a simple luminous brush, a fraction of which passes through a slit 21 and can attack at 22 the
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face of crystal 1 in cadmium sulphide which is to be irradiated.
In such an application, one limits oneself to displacements of the movable frame constituted by the cover 3b which hardly exceed 1 mm in total and one obtains oscillations of frequency varying linearly between the above-mentioned values, that is- i.e. between 275 and 500 KHz.
In the case of FIG. 7, the light brush is first, ... reflected on a rotating mirror 23, and the slight rotation of this mirror makes it possible, for example, to move the point of attack of the light brush. on crystal 1, from 22 to 22a.
When the angle of rotation of the mirror 23 is very small, it is possible, with sufficient approximation, to assume that the frequency generated in the crystal 1 varies linearly as a function of the angle of the mirror 23 with respect to a fixed direction.
In any case, a more precise calibration is always possible, to convert the frequency measurements of the oscillations generated in the crystal into angular variations of the position of the mirror 23.
This possible need for calibration of the apparatus also exists in the case of FIG. 8 ,, where the light brush passes through a liquid contained in a transparent tube 24 ,, and where the variation in the refractive index of said liquid results in a variation of the point of attack of crystal 1, a variation which does not remain proportional to the variation in refractive index only within relatively narrow limits.
It will be noted that, in the case of FIG. 9, the distance between the internal faces of the two plates 25 is kept constant by suitable spacers 26, so that the variation in frequency of the oscillations generated in the crystal 1 does not depend on this distance.
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In fig. 8 and 9, as in fig 7, the points of attack of the light brushes on crystal 1 are designated by reference numbers 22 and 22a.
It can be seen, in particular in FIG. 9, that in position 22 the refractive index of the liquid housed between the two plates 25 has been assumed to be equal to that of air, while in position 22a this refractive index is higher.
The light beam 27 shown in solid lines in FIG. 8 also corresponds to a liquid having a refractive index substantially equal to that of air, while the light beam 27a shown in dotted lines corresponds to a higher refractive index, although lower than that of the air. transparent material constituting the tube 24.
Comparators using the device according to the invention, in particular those shown in FIGS. 1 to 4, therefore make it possible to detect and measure displacements of the order of a few thousandths of a micron, while comparators of conventional types only make it possible to measure displacements at least equal to 1/10 of a micron.
Such comparators can also be used to detect and measure reciprocating displacements, such as those due to periodic stresses or to vibrations.
Finally, the device can be used to produce high-precision servo-controls by using appropriate electronic assemblies capable of converting the very small displacements of said optical cover that can be tolerated when the servo-control is properly carried out, into variations of a range. size of appropriate type, capable of compensating for displacements; large amounts of the aforementioned cache which would be obtained in the absence of slaving.
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In the case of displacements caused by dilation; it is possible, for example, to convert the frequency variations or variations in flow rate of a fluid used to cool the object whose expansion is to be controlled.
It is also possible to use the comparators established in accordance with said method, as seismographs for measuring small earth tremors, by employing, in a manner known per se, pendulums of great inertia incapable of following earthquakes at the speed of these shocks, and supporting the aforementioned semiconductor crystal, while the cover is directly made integral with the ground Subject to said earthquakes.