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Appareil transducteur optique. Demandes de brevets aux Etats-Unis d'Amérique n 434287 du 14 octobre 1982 et nO 538632 du
6 octobre 1983 en faveur de J. A. CASTANO.
La présente invention concerne d'une manière générale un appareil transducteur et, en particulier, un appareil pour améliorer la linéarité du signal de sortie du transducteur par rapport à l'amplitude du signal d'entrée dans un intervalle dynamique extrêmement large.
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L'invention est une demande en continuation de
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la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique n 434. 287 de Jaime A. Castano, déposée le 14 octobre 1982 et intitulée"Géophone optique".
Il est bien connu d'utiliser un appareil transducteur comme interface pour transférer un signal dans un premier système de référence vers un signal dans un second système de référence en vue de surveiller ou de mesurer le premier signal ou de l'utiliser pour commander un processus ou une variable.
On a utilisé des transducteurs qui réagissent à des paramètres physiques d'entrée comme la pression, la température, la position, la vitesse, l'accélération, etc. La sortie de nombreux transducteurs est électrique car les moyens de mesure et d'affichage de paramètres électriques sont très bien au point. L'aptitude à transférer une information de manière linéaire d'un système de référence à un autre système de référence, est une caractéristique extrêmement importante qui est recherchée lors de la mise au point de tous les transducteurs.
Il existe des dispositifs transducteurs qui sont extrêmement linéaires quant à l'information d'entrée et aux réponses de sortie, mais qui ne sont typiquement linéaires que dans un petit intervalle dynamique. Un intervalle dynamique large est d'une importance critique pour l'utilisation efficace d'un appareil transducteur universel et global. Habituellement, lors de la sélection ou de la mise au point d'un appareil transducteur destiné à une fin spécifique, deux composantes entrent en jeu. En premier lieu, une linéarité est requise entre le signal d'entrée et le signal de sortie du transducteur et en second lieu, l'intervalle dynamique associé aux valeurs d'entrée et de sortie sur lesquelles l'appareil transducteur
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fonctionne doit être large.
L'extrémité inférieure de l'intervalle dynamique est définie par le signal d'entrée le plus faible auquel le transducteur réagit de manière linéaire.
Cette propriété est qualifiée de sensiblité et il est en général souhaitable qu'un transducteur soit aussi sensible que possible, c'est-à-dire qu'il soit à même de réagir à la plus faible valeur possible de la variable physique intéressante. L'extrémité supérieure de l'intervalle dynamique est définie par le signal d'entrée maximum auquel le transducteur fournit une réponse linéaire et ce signal doit être aussi fort que possible.
Une autre propriété importante d'un transducteur est sa réponse de fréquence qui définit l'amplitude relative du signal de sortie du transducteur en réaction à des signaux d'entrée oscillants de fréquences différentes. De nombreuses variables physiques à mesurer ou à surveiller sont d'une nature oscillante ou dynamique et il est important que le transducteur réagisse aux fréquences particulières présentes dans le phénomène dynamique mesuré ou surveillé. Il est également important que le transducteur ne fournisse aucune réponse à certaines autres fréquences qu'il peut être souhaitable d'empêcher d'affecter les mesures. Ainsi, une propriété souhaitable d'un transducteur réside dans le fait que sa réponse de fréquence doit pouvoir être adaptée à diverses situations de mesure.
En général, les appareils transducteurs disponibles actuellement sont étroitement dépendants de leur équipement associé. Cette dépendance suscite des difficultés lorsqu'il s'agit de transférer de manière précise de l'information d'un premier système de référence vers un second système de référence. Des difficultés dans la transposition précise de l'informa-
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tion peuvent donc être provoquées par la résistance des câbles de connexion, le poids de l'appareil transducteur lui-même, l'usure mécanique associée à l'appareil transducteur et l'alignement de l'appareil dans une orientation spécifique. Des difficultés de cette nature sont extrêmement difficiles à diagnostiquer et à corriger. Cela étant, la plupart des transducteurs connus ont de nombreux inconvénients.
Il existe donc un besoin d'un appareil transducteur unique qui puisse être adapté à de nombreuses exigences de transduction différentes, qui assure une linéarité supérieure entre le signal d'entrée et le signal de sortie du transducteur, qui présente un intervalle dynamique extrêmement large, qui soit peu onéreux et dont la réponse de fréquence puisse être facilement adaptée à diverses situations de mesure.
Compte tenu de la nécessité de disposer d'un appareil transducteur perfectionné pour transférer de l'information d'un premier système à un second système, selon une particularité générale de l'invention, il est prévu un nouvel appareil transducteur qui réduise au minimum ou atténue les difficultés de l'appareil type mentionné plus haut et spécifiquement les difficultés dues à la non-linéarité et à l'intervalle dynamique étroit.
Cela étant, l'invention a pour buts de procurer : un appareil transducteur unique présentant une sensibilité extrêmement élevée, un intervalle dynamique très large et une linéarité très élevée ; un appareil transducteur unique moins sujet à des interférences électriques et un appareil transducteur qui soit exempt d'interférences électriques, en particulier lorsque l'on utilise des composants en fibres optiques ;
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un appareil transducteur unique qui présente un large intervalle de réponse de fréquence et qui puisse être accordé sur des fréquences résonnantes différentes ; un appareil transducteur unique qui ne soit pas polarisé par un alignement dans une orientation spécifique quelconque ;
un appareil transducteur unique qui élimine tout couplage entre le signal d'entrée et le signal de sortie et qui présente un signal à impédance de sortie faible.
D'autres buts et avantages de l'invention ressortiront en partie de la description qui suit et en partie de la mise en pratique de l'invention. Ces buts, particularités et avantages de l'invention peuvent être réalisés conformément aux particularités décrites dans les revendications annexées.
Pour réaliser les buts, particularités et avantages précités et conformément à l'invention décrite dans le présent mémoire, il est prévu un appareil transducteur unique qui présente une réponse linéaire dans un large intervalle dynamique. L'appareil transducteur conforme à l'invention comprend un émetteur émettant des rayons, un détecteur opérativement associé à l'émetteur pour recevoir les rayons provenant de cet émetteur, les rayons ou leurs prolongements associés à l'émetteur et au détecteur convergeant vers un point d'intersection commun, c'est-à-dire un foyer commun, et un dispositif réflecteur espacé du foyer commun pour réfléchir les rayons émis par l'émetteur sur le détecteur,
l'appareil transducteur étant à même de mesurer une modification de la distance séparant l'emplacement du dispositif réflecteur de celui de l'émetteur et du détecteur, la détermination étant basée sur la différence de la quantité de rayons reçus
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par le détecteur avant et après la modification de la distance séparant le réflecteur et l'ensemble émetteurdétecteur.
Les rayons émis par l'émetteur et reçus par le détecteur peuvent être des rayons électromagnétiques, des sons, des particules subatomiques, de la chaleur, etc. Les rayons provenant de l'émetteur sont de préférence des rayons lumineux. Le transducteur conforme à l'invention peut utiliser de la lumière non cohérente.
Les rayons provenant de l'émetteur et reçus par le détecteur doivent aussi de préférence converger vers un point d'intersection commun et ce, à l'intervention d'un dispositif focalisateur. D'une manière plus spécifique, il est préférable que le dispositif focalisateur conforme à l'invention soit une lentille optique lorsque l'émetteur émet de la lumière ou une autre énergie optiquement réfringente.
Dans l'appareil transducteur conforme à l'invention, la réponse de fréquence de l'appareil est réglée par modification des caractéristiques mécaniques (masse, rigidité, amortissement) d'un système de suspension qui supporte la surface réfléchissante, lorsque le système de suspension est à même de réagir élastiquement à une force extérieure. En variante, la réponse de fréquence de l'appareil transducteur conforme à l'invention peut être réglée par modification sélective des caractéristiques mécaniques d'un système élastique supportant la combinaison de l'émetteur et du détecteur lorsque l'émetteur et le détecteur sont disposés de manière à réagir physiquement à la force extérieure.
La modification de position de la surface réfléchissante est utilisée pour mesurer ou surveiller la variable physique intéressante par un couplage adéquat de la variable physique à une modification de
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la position de la surface. Le transducteur peut, de cette façon, être adapté à la mesure de nombreux paramètres physiques différents, par exemple la pression, la vitesse, l'accélération, l'altitude, etc.,
L'appareil transducteur conforme à l'invention est extrêmement compatible avec des composants en fibres optiques pour transférer de l'énergie vers la surface réfléchissante et depuis celle-ci.
Les dessins annexés qui font partie du présent mémoire illustrent une forme d'exécution préférée de l'invention et servent, avec la description générale de l'invention donnée plus haut et la description détaillée de la forme d'exécution préférée qui suit, à expliquer les principes de l'invention.
Dans les dessins annexés : la Fig. 1 est une vue de côté, en coupe, d'un transducteur électrodynamique connu classique pour convertir la vitesse en un signal électrique ; la Fig. 2 est un graphique des réponses de fréquence de l'appareil transducteur de la Fig. 1 matérialisant les efforts visant à aplatir la réponse de fréquence à l'aide d'une résistance d'amortissement externe ; la Fig. 3 est une vue de côté, en coupe, d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention dans l'exécution spécifique d'un géophone optique ; la Fig. 4 est un schéma d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention comprenant une courbe de réponse ;
la Fig. 5 est un schéma d'une autre forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention, et la Fig. 6 est une vue en perspective d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur
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conforme à l'invention dans l'exécution spécifique d'un géophone optique illustrant un dispositif pour modifier la fréquence résonnante naturelle.
La description générale qui précède et la description détaillée qui suit ne sont données qu'à titre d'exemple de l'invention et des modes, avantages et particularités supplémentaires de l'invention apparaîtront clairement aux yeux du spécialiste à la lecture de la description détaillée suivante.
0n se référera en détail aux formes d'exécution de l'invention actuellement préférées et illustrées aux dessins annexés.
Pour mieux illustrer les caractéristiques améliorées de l'appareil transducteur conforme à l'invention, les Fig. 1 et 2 montrent un transducteur électrodynamique classique pour la vitesse et ses réponses de fréquence correspondantes. Un transducteur électrodynamique connu 10 est représenté sur la Fig. 1.
Ce transducteur électrodynamique 10 est enfermé dans le boîtier 12. Le boîtier 12 contient un dispositif produisant un champ magnétique tel qu'un aimant permanent annulaire 14 et le pôle 15. L'aimant permanent annulaire 14 et le pôle 15 sont fixés au boîtier 12. Une bobine 18 est suspendue dans le champ magnétique produit par l'aimant 14. Le corps 16 de la bobine est suspendu par des moyens de suspension à ressort 20. Un câble électrique 22 est prévu pour transférer l'information de sortie obtenue de la bobine 18.
Le transducteur électrodynamique 10 illustré sur la Fig. 1 est utilisé pour mesurer le mouvement vertical relatif du transducteur. Lorsque le boîtier 12 et l'aimant 14 vibrent, la bobine 18 tend à rester immobile par inertie. Le champ magnétique en mouvement créé par l'aimant 14 produit, dans la bobine 18, une tension proportionnelle à la vitesse et au déplacement
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de l'aimant 14. Les caractéristiques de fréquence pouvant être obtenues par le transducteur électrodynamique 10 peuvent être modifiées à l'aide d'une résistance 25 dont les valeurs peuvent être différentes.
La Fig. 2 illustre la caractéristique de déplacement-fréquence du transducteur électrodynamique 10 représenté sur la Fig. 1. La courbe 24 illustre la fréquence résonante naturelle du transducteur électrodynamique 10. La courbe 24 illustre une réponse croissant de zéro Hertz (Hz) jusqu'à la fréquence résonante du système (approximativement 22 Hz) et ensuite une réponse décroissant approximativement jusqu'à un palier pour des fréquences croissantes.
Il est souhaitable dans un transducteur quelconque de disposer d'une réponse de fréquence plate. Cela étant, il est typiquement nécessaire d'amortir le signal électrique associé à un transducteur tel que le transducteur électrodynamique 10. On peut amortir le signal en modifiant les valeurs de la résistance 25 (voir Fig. 1). Les courbes de réponse 26, 28 et 30 illustrent l'effet de trois valeurs différentes de la résistance d'amortissement (obtenues en modifiant la résistance 25) sur la caractéristique de fréquence du transducteur électrodynamique 10. Les courbes 26,28 et 30 illustrent des effets indésirables décrits plus haut. Ces effets indésirables sont dus à l'amortissement de la courbe de réponse qui est nécessaire pour maintenir une caractéristique de fréquence plane.
Les qualités indésirables notées dans les courbes 26, 28 et 30 sont la perte de sensibilité, le déplacement du pic de la courbe vers des fréquences plus élevées et la variation de la caractéristique de phase.
De plus, d'autres facteurs suscitent des
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difficultés lorsqu'on utilise des transducteurs semblables au transducteur électrodynamique 10. En particulier, on peut augmenter la sensibilité du transducteur électrodynamique 10 en augmentant le nombre de spires de fil dans la bobine 18. Cependant, l'accroissement de la quantité de fil augmente le poids du transducteur électrodynamique 10. Une augmentation de poids est indésirable si le dispositif est destiné à mesurer un mouvement. De plus, des dispositifs semblables au transducteur électrodynamique 10 souffrent d'une usure mécanique due aux parties mobiles et du fait que le transducteur électrodynamique 10 doit être placé dans une orientation précise par rapport à la verticale, cette orientation dépendant de la conception de la suspension de la bobine.
Si ces conditions n'étaient pas respectées, la bobine fonctionnerait en dehors du court intervalle dans lequel le champ magnétique est approximativement constant et ceci provoquerait une distorsion du signal de sortie du transducteur.
L'appareil transducteur conforme à l'invention est exempt de tous les inconvénients mentionnés plus haut, car la technique de transduction utilisée est une technique sans contact, l'entrée et la sortie sont totalement isolées et il n'est pas nécessaire d'amortir extérieurement la réponse pour le transducteur.
La Fig. 3 est une vue de côté en coupe d'une forme d'exécution de l'appareil transducteur 32 conforme à l'invention réalisé de manière spécifique sous la forme d'un géophone optique. L'appareil transducteur 32 est supporté par le boîtier 34. Le boîtier 34 est utilisé pour connecter et supporter les autres composants de l'appareil transducteur 32. La surface réfléchissante 36 et un module émetteur-détecteur 38 sont attachés à l'intérieur du boîtier 34. Le module émetteur-détecteur 38 produit des rayons qui frappent la
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surface réfléchissante 36. La surface réfléchissante 36 renvoie les rayons qui doivent être acceptés par le module émetteur-détecteur 38. Le module émetteurdétecteur 38 est alimenté par l'intermédiaire du câble 40.
Sur la Fig. 3, la surface réfléchissante 36 ou le module émetteur-détecteur 38 peut être relié élastiquement au corps 34. Comme l'appareil transducteur 32 présente une composante de mouvement dans le sens longitudinal, la surface réfléchissante 36 ou le module émetteur-détecteur 38, quel que soit celui qui est relié au boîtier 34, tend à rester en place par inertie. La distance entre la surface réfléchissante 36 et le module émetteur-détecteur 38 varie donc à mesure que l'appareil transducteur 32 est déplacé longitudinalement. La variation de la distance entre la surface réfléchissante 36 et le module émetteurdétecteur 38 est indiquée par la variation de la quantité d'énergie reçue par le module émetteurdétecteur 38 avant le déplacement et pendant ce déplacement.
Dans l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 3, la surface réfléchissante 36 est reliée élastiquement au boîtier 34 et le module émetteur-détecteur 38 est relié de manière fixe au boîtier 34.
Dans la forme d'exécution de l'invention illustrée sur la Fig. 4, la surface réfléchissante 36 peut être supportée par tout moyen adéquat. A titre d'exemple, la surface réfléchissante 36 peut être supportée de deux côtés seulement, en porte à faux, sur ressort ou en torsion. Les propriétés mécaniques du système de support déterminent la réponse de fréquence du transducteur. On peut obtenir pratiquement n'importe quelle réponse de fréquence voulue en choisissant convenablement les paramètres mécaniques du système de
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support. Divers types de surfaces réfléchissantes vibrantes et d'autres encore peuvent être utilisés, par exemple des champs magnétiques.
Toute surface réfléchissante 36 est acceptable si une surface 36 tend à rester immobile par inertie ou à l'intervention d'autres moyens lorsque le boîtier 34 est déplacé. En variante, le module émetteur-détecteur 38 peut être monté élastiquement sur le boîtier 34 et la surface réfléchissante 36 peut être une structure rigide.
La Fig. 4 est un diagramme schématique d'une forme d'exécution préférée de l'appareil transducteur conforme à l'invention. Les éléments de la Fig. 4 ont trait à l'utilisation d'un transducteur optique, mais les éléments et l'efficacité de l'invention peuvent être facilement dérivés de nombreux composants semblables.
Dans l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 4 une surface réfléchissante 36 est frappée par des rayons émis par la source lumineuse 42. La source lumineuse 42 émet des rayons qui traversent le dispositif focalisateur 44 pour former le foyer 60 du côté de la surface réfléchissante 36 opposé à la source lumineuse 42. Les rayons qui frappent la surface réfléchissante 36 sont renvoyés vers le photodétecteur 48. Le dispositif focalisateur 46 assure que le photodétecteur 48 reçoive des rayons ayant le foyer 60. Les rayons reçus et acceptés ont donc en commun le foyer 60.
La source lumineuse 42 peut émettre de la lumière visible infrarouge ou ultraviolette. Il est aussi possible d'utiliser l'invention avec de l'énergie à propagation linéaire autre que la lumière. N'importe quel rayonnement électromagnétique, des sons, des particules subatomiques, de la chaleur ou l'équivalent peuvent donc être émis par la source 42 et être foca-
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lisés par un dispositif focalisateur 44 vers le foyer 60. L'énergie pourrait frapper une surface réfléchissante appropriée quelconque 36 en vue d'être renvoyée et acceptée par le détecteur 48 après avoir traversé un autre dispositif focalisateur 46 présentant le même foyer 60.
La Fig. 4 est un graphique illustrant le signal de sortie de l'appareil transducteur indiqué schématiquement plus haut en réaction à une modification de la position de la surface réfléchissante 36. La courbe 50 montre le signal de sortie du détecteur de lumière 48 (courbe de sortie de lumière). La courbe 50 comporte un côté inférieur 52, un côté supérieur 54 et un pic 56. Le côté inférieur 52 et le côté supérieur 54 sont en substance linéaires.
Une caractéristique très avantageuse d'un appareil transducteur est le fait que la sortie du dispositif transducteur est linéaire. Le point 60 est le foyer concurrent où la source 42 et le détecteur 48 forment des images à l'intervention des dispositifs focalisateurs 44 et 46. Le foyer concurrent 60 est placé près de la surface réfléchissante 36, mais est espacé de celle-ci. Lorsque la surface réfléchissante 36 est décalée du foyer concurrent 60, la sortie du détecteur suit le côté supérieur 54 ou le côté inférieur 52 de la courbe de sortie de détecteur 50 si le transducteur est rapporté de manière linéaire à la position de la surface réfléchissante.
Comme le montre la Fig. 4, lorsque la surface réfléchissante 36 est au repos, la position coîncide le long de la ligne A correspondant au point 62 sur le côté supérieur 54 de la courbe de sortie 50 du détecteur. A mesure que la surface réfléchissante 36 se déplace, la courbe de sortie 50 du détecteur indique que la réponse de sortie reste linéaire si l'inflexion
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ne dépasse pas le pic 56 ou l'extrémité supérieure du côté supérieur 54 ou encore l'extrémité inférieure du côté inférieur 52.
En raison de l'agencement unique de l'invention, un faible déplacement de la surface réfléchissante 36 provoque une variation extrêmement importante de la sortie du photodétecteur 48. Si le foyer 60 était placé dans le plan de la surface réfléchissante 36 le long de la ligne A, la sortie du détecteur serait particulièrement insensible au déplacement de la surface 36. Cela étant, la sélection prudente du foyer 60 en vue d'aligner ce foyer dans la région appropriée de la courbe de sortie 50 et du détecteur est d'une importance critique.
Le fait que l'intervalle de mouvement de la surface réfléchissante 36 doive être situé le long des parties linéaires de la courbe 50 offre de nombreux résultats avantageux, par exemple la linéarité de la sortie par rapport à l'amplitude des vibrations, un intervalle dynamique important et une sensibilité extrinsèque élevée.
Dans des transducteurs exigeant une faible interférence électrique, un câble en fibres optiques peut être utilisé. La Fig. 5 est un schéma d'une forme d'exécution préférée de l'invention utilisant la technologie des fibres optiques. Un compartiment de transducteur extérieur 34a peut être placé à distance d'un poste d'enregistrement 70. Le poste d'enregistrement 70 peut contenir une source lumineuse 72, un photodétecteur 74, des dispositifs focalisateurs 76 et 78 et un diviseur optique 84. Le compartiment de transducteur extérieur 34a peut contenir une surface réfléchissante 36a et un dispositif focalisateur 82. Le poste d'enregistrement 70 et le compartiment de transducteur extérieur 34a peuvent être connectés par le câble en fibres optiques 80.
La lumière émise et reçue
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doit être transmise par le câble en fibres optiques 80.
La lumière peut être émise par la source lumineuse 72 en vue d'être focalisée par le dispositif focalisateur 76 pour passer dans le câble en fibres optiques 80. Le câble en fibres optiques 80 transporte la lumière émise vers le compartiment de transducteur extérieur 34a en vue de sa refocalisation par le dispositif focalisateur 82 sur la surface réfléchissante 36a. La lumière réfléchie par la surface réfléchissante 36a suit à nouveau son trajet initial à travers le dispositif focalisateur 82 et à travers le câble en fibres optiques 80. Le diviseur optique 84 fait dévier le faisceau à travers le dispositif focalisateur 78 sur le photodétecteur 74. Le diviseur optique 84 est prévu pour séparer la lumière qui se déplace dans les deux directions.
Si l'on utilise le câble en fibres optiques 80 et le poste d'enregistrement 70 éloigné du compartiment de transducteur extérieur 34a, l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 5 est exempt de toute interférence électrique induite.
La Fig. 6 est une vue en perspective d'un appareil transducteur semblable à celui décrit plus haut et illustré sur la Fig. 4. D'une manière spécifique, l'appareil transducteur illustré sur la Fig. 6 montre un mécanisme servant à modifier la réponse de fréquence d'un géophone optique. L'appareil transducteur est enfermé dans le boîtier 34b. Un module émetteur-détecteur 38b est illustré à l'intérieur du boîtier 34b. Le module émetteur-détecteur 38b émet des rayons sur la surface réfléchissante 36b. La surface réfléchissante 36b comporte une première extrémité 90 qui est fixée à demeure et une seconde extrémité réglable 92. La seconde extrémité 92 de la surface réfléchissante 36b peut être réglée au moyen de la vis 94. Le module émetteur-détecteur 38b envoie des rayons
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vers la surface 36b.
On peut modifier la fréquence résonnante de l'appareil transducteur représenté sur la Fig. 6 et l'amener à n'importe quelle valeur souhaitée en réglant la vis 94 qui tend ou détend la surface réfléchissante 36b. Cela étant, on peut obtenir n'importe quelle fréquence résonnante souhaitée en accordant simplement l'appareil transducteur conforme à l'invention.
D'autres avantages et d'autres modifications apparaîtront clairement aux yeux des spécialistes. Le cadre de l'invention n'est, par conséquent, pas limité aux détails spécifiques de l'appareil représentatif et des exemples décrits et illustrés dans le présent mémoire et de nombreux changements et modifications peuvent y être apportés sans sortir de ce cadre général de l'invention.
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Optical transducer device. Patent applications in the United States of America No. 434287 of October 14, 1982 and No. 538632 of
October 6, 1983 in favor of J. A. CASTANO.
The present invention relates generally to a transducer apparatus and, in particular, to an apparatus for improving the linearity of the transducer output signal relative to the amplitude of the input signal in an extremely wide dynamic range.
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The invention is a request for continuation of
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United States Patent Application No. 434,287 to Jaime A. Castano, filed October 14, 1982 and entitled "Optical Geophone".
It is well known to use a transducer apparatus as an interface to transfer a signal in a first reference system to a signal in a second reference system to monitor, measure the first signal or use it to control a process or a variable.
Transducers have been used that react to physical input parameters such as pressure, temperature, position, speed, acceleration, etc. The output of many transducers is electrical because the means for measuring and displaying electrical parameters are very well developed. The ability to transfer information linearly from one reference system to another reference system is an extremely important characteristic which is sought after in the development of all transducers.
There are transducers which are extremely linear in terms of input information and output responses, but which are typically only linear in a small dynamic range. A wide dynamic range is of critical importance for the effective use of a universal and global transducer. Usually, when selecting or tuning a transducer device for a specific purpose, two components come into play. First, linearity is required between the input signal and the transducer output signal and second, the dynamic range associated with the input and output values over which the transducer
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works must be wide.
The lower end of the dynamic range is defined by the weakest input signal to which the transducer reacts linearly.
This property is qualified as sensitivity and it is generally desirable that a transducer is as sensitive as possible, that is to say that it is able to react to the lowest possible value of the physical variable of interest. The upper end of the dynamic range is defined by the maximum input signal to which the transducer provides a linear response and this signal should be as strong as possible.
Another important property of a transducer is its frequency response which defines the relative amplitude of the transducer output signal in response to oscillating input signals of different frequencies. Many physical variables to measure or monitor are of an oscillating or dynamic nature and it is important that the transducer reacts to the particular frequencies present in the dynamic phenomenon being measured or monitored. It is also important that the transducer does not provide any response at certain other frequencies which it may be desirable to prevent from affecting the measurements. Thus, a desirable property of a transducer lies in the fact that its frequency response must be able to be adapted to various measurement situations.
In general, the transducer devices currently available are closely dependent on their associated equipment. This dependence gives rise to difficulties when it comes to accurately transferring information from a first reference system to a second reference system. Difficulties in the precise transposition of information
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tion can therefore be caused by the resistance of the connection cables, the weight of the transducer device itself, the mechanical wear associated with the transducer device and the alignment of the device in a specific orientation. Difficulties of this nature are extremely difficult to diagnose and correct. However, most known transducers have many drawbacks.
There is therefore a need for a single transducer device which can be adapted to many different transduction requirements, which ensures greater linearity between the input signal and the transducer output signal, which has an extremely wide dynamic range, inexpensive and whose frequency response can be easily adapted to various measurement situations.
In view of the need to have an improved transducer device for transferring information from a first system to a second system, according to a general feature of the invention, a new transducer device is provided which minimizes or alleviates the difficulties of the standard apparatus mentioned above and specifically the difficulties due to the non-linearity and the narrow dynamic range.
However, the invention aims to provide: a single transducer apparatus having an extremely high sensitivity, a very wide dynamic range and a very high linearity; a single transducer device less subject to electrical interference and a transducer device that is free from electrical interference, particularly when using fiber optic components;
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a single transducer apparatus which has a wide frequency response range and which can be tuned to different resonant frequencies; a single transducer apparatus which is not polarized by alignment in any specific orientation;
a unique transducer device which eliminates any coupling between the input signal and the output signal and which presents a signal with low output impedance.
Other objects and advantages of the invention will emerge in part from the description which follows and in part from the practice of the invention. These objects, features and advantages of the invention can be achieved in accordance with the features described in the appended claims.
To achieve the aforementioned aims, features and advantages and in accordance with the invention described in this specification, a single transducer device is provided which exhibits a linear response over a wide dynamic range. The transducer apparatus according to the invention comprises a transmitter emitting rays, a detector operatively associated with the emitter to receive the rays coming from this emitter, the rays or their extensions associated with the emitter and the detector converging towards a point. common intersection, that is to say a common focus, and a reflecting device spaced from the common focus to reflect the rays emitted by the emitter on the detector,
the transducer being able to measure a change in the distance separating the location of the reflecting device from that of the emitter and the detector, the determination being based on the difference in the quantity of rays received
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by the detector before and after changing the distance between the reflector and the transmitter-detector assembly.
The rays emitted by the transmitter and received by the detector can be electromagnetic rays, sounds, subatomic particles, heat, etc. The rays coming from the transmitter are preferably light rays. The transducer according to the invention can use non-coherent light.
The rays coming from the emitter and received by the detector should also preferably converge towards a common point of intersection and this, with the intervention of a focusing device. More specifically, it is preferable that the focusing device according to the invention is an optical lens when the emitter emits light or other optically refractive energy.
In the transducer device according to the invention, the frequency response of the device is adjusted by modifying the mechanical characteristics (mass, stiffness, damping) of a suspension system which supports the reflecting surface, when the suspension system is able to react elastically to an external force. As a variant, the frequency response of the transducer apparatus according to the invention can be adjusted by selective modification of the mechanical characteristics of an elastic system supporting the combination of the transmitter and the detector when the transmitter and the detector are arranged so as to respond physically to the external force.
The modification of the position of the reflecting surface is used to measure or monitor the physical variable of interest by an adequate coupling of the physical variable to a modification of
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the position of the surface. The transducer can, in this way, be adapted to the measurement of many different physical parameters, for example pressure, speed, acceleration, altitude, etc.,
The transducer apparatus according to the invention is extremely compatible with optical fiber components for transferring energy to and from the reflecting surface.
The accompanying drawings which form part of this specification illustrate a preferred embodiment of the invention and serve, with the general description of the invention given above and the detailed description of the preferred embodiment which follows, to explain the principles of the invention.
In the accompanying drawings: FIG. 1 is a side view, in section, of a conventional known electrodynamic transducer for converting the speed into an electrical signal; Fig. 2 is a graph of the frequency responses of the transducer apparatus of FIG. 1 materializing the efforts aimed at flattening the frequency response using an external damping resistor; Fig. 3 is a side view, in section, of a preferred embodiment of the transducer apparatus according to the invention in the specific execution of an optical geophone; Fig. 4 is a diagram of a preferred embodiment of the transducer apparatus according to the invention comprising a response curve;
Fig. 5 is a diagram of another preferred embodiment of the transducer apparatus according to the invention, and FIG. 6 is a perspective view of a preferred embodiment of the transducer apparatus
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in accordance with the invention in the specific execution of an optical geophone illustrating a device for modifying the natural resonant frequency.
The general description which precedes and the detailed description which follows are given only by way of example of the invention and additional modes, advantages and peculiarities of the invention will appear clearly to the specialist on reading the detailed description next.
0n will refer in detail to the embodiments of the invention currently preferred and illustrated in the accompanying drawings.
To better illustrate the improved characteristics of the transducer apparatus according to the invention, FIGS. 1 and 2 show a conventional electrodynamic transducer for speed and its corresponding frequency responses. A known electrodynamic transducer 10 is shown in FIG. 1.
This electrodynamic transducer 10 is enclosed in the housing 12. The housing 12 contains a device producing a magnetic field such as an annular permanent magnet 14 and the pole 15. The annular permanent magnet 14 and the pole 15 are fixed to the housing 12. A coil 18 is suspended in the magnetic field produced by the magnet 14. The body 16 of the coil is suspended by spring suspension means 20. An electric cable 22 is provided for transferring the output information obtained from the coil 18.
The electrodynamic transducer 10 illustrated in FIG. 1 is used to measure the relative vertical movement of the transducer. When the housing 12 and the magnet 14 vibrate, the coil 18 tends to remain immobile by inertia. The moving magnetic field created by the magnet 14 produces, in the coil 18, a voltage proportional to the speed and the displacement
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of the magnet 14. The frequency characteristics obtainable by the electrodynamic transducer 10 can be modified using a resistor 25 whose values can be different.
Fig. 2 illustrates the frequency-displacement characteristic of the electrodynamic transducer 10 shown in FIG. 1. Curve 24 illustrates the natural resonant frequency of the electrodynamic transducer 10. Curve 24 illustrates an increasing response from zero Hertz (Hz) to the resonant frequency of the system (approximately 22 Hz) and then a decreasing response approximately until a step for increasing frequencies.
It is desirable in any transducer to have a flat frequency response. This being the case, it is typically necessary to damp the electrical signal associated with a transducer such as the electrodynamic transducer 10. The signal can be damped by modifying the values of the resistance 25 (see FIG. 1). The response curves 26, 28 and 30 illustrate the effect of three different values of the damping resistance (obtained by modifying the resistance 25) on the frequency characteristic of the electrodynamic transducer 10. Curves 26, 28 and 30 illustrate side effects described above. These undesirable effects are due to the damping of the response curve which is necessary to maintain a plane frequency characteristic.
The undesirable qualities noted in curves 26, 28 and 30 are the loss of sensitivity, the displacement of the peak of the curve towards higher frequencies and the variation of the phase characteristic.
In addition, other factors give rise to
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difficulties when using transducers similar to the electrodynamic transducer 10. In particular, the sensitivity of the electrodynamic transducer 10 can be increased by increasing the number of turns of wire in the coil 18. However, the increase in the quantity of wire increases the weight of the electrodynamic transducer 10. An increase in weight is undesirable if the device is intended to measure a movement. In addition, devices similar to the electrodynamic transducer 10 suffer from mechanical wear due to the moving parts and from the fact that the electrodynamic transducer 10 must be placed in a precise orientation relative to the vertical, this orientation depending on the design of the suspension. of the coil.
If these conditions were not met, the coil would operate outside the short interval in which the magnetic field is approximately constant and this would cause distortion of the transducer output signal.
The transducer device according to the invention is free from all the drawbacks mentioned above, since the transduction technique used is a contactless technique, the input and the output are completely isolated and there is no need to dampen externally the response for the transducer.
Fig. 3 is a side view in section of an embodiment of the transducer apparatus 32 according to the invention produced specifically in the form of an optical geophone. The transducer apparatus 32 is supported by the housing 34. The housing 34 is used to connect and support the other components of the transducer apparatus 32. The reflective surface 36 and a transmitter-detector module 38 are attached to the interior of the housing 34. The emitter-detector module 38 produces rays which strike the
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reflective surface 36. The reflective surface 36 returns the rays which must be accepted by the transmitter-detector module 38. The transmitter-detector module 38 is supplied via the cable 40.
In Fig. 3, the reflecting surface 36 or the emitter-detector module 38 can be connected elastically to the body 34. Since the transducer device 32 has a component of movement in the longitudinal direction, the reflecting surface 36 or the emitter-detector module 38, which that which is connected to the housing 34, tends to remain in place by inertia. The distance between the reflecting surface 36 and the emitter-detector module 38 therefore varies as the transducer apparatus 32 is moved longitudinally. The variation in the distance between the reflecting surface 36 and the emitter-detector module 38 is indicated by the variation in the amount of energy received by the emitter-detector module 38 before the movement and during this movement.
In the transducer apparatus shown in FIG. 3, the reflecting surface 36 is elastically connected to the housing 34 and the emitter-detector module 38 is fixedly connected to the housing 34.
In the embodiment of the invention illustrated in FIG. 4, the reflecting surface 36 can be supported by any suitable means. For example, the reflecting surface 36 can be supported on only two sides, cantilevered, spring loaded or torsional. The mechanical properties of the support system determine the frequency response of the transducer. Virtually any desired frequency response can be obtained by properly choosing the mechanical parameters of the
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support. Various types of vibrating reflecting surfaces and others can be used, for example magnetic fields.
Any reflecting surface 36 is acceptable if a surface 36 tends to remain immobile by inertia or by the intervention of other means when the housing 34 is moved. Alternatively, the emitter-detector module 38 can be resiliently mounted on the housing 34 and the reflecting surface 36 can be a rigid structure.
Fig. 4 is a schematic diagram of a preferred embodiment of the transducer apparatus according to the invention. The elements of FIG. 4 relate to the use of an optical transducer, but the elements and the effectiveness of the invention can be easily derived from many similar components.
In the transducer apparatus shown in FIG. 4 a reflecting surface 36 is struck by rays emitted by the light source 42. The light source 42 emits rays which pass through the focusing device 44 to form the focal point 60 on the side of the reflecting surface 36 opposite the light source 42. The rays which strike the reflecting surface 36 are returned to the photodetector 48. The focusing device 46 ensures that the photodetector 48 receives rays having the focal point 60. The rays received and accepted therefore have in common the focal point 60.
The light source 42 can emit visible infrared or ultraviolet light. It is also possible to use the invention with energy with linear propagation other than light. Any electromagnetic radiation, sounds, subatomic particles, heat or the equivalent can therefore be emitted by the source 42 and be focused
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read by a focusing device 44 towards the focal point 60. The energy could strike any suitable reflecting surface 36 with a view to being returned and accepted by the detector 48 after having passed through another focusing device 46 having the same focal point 60.
Fig. 4 is a graph illustrating the output signal of the transducer apparatus indicated schematically above in reaction to a change in the position of the reflecting surface 36. The curve 50 shows the output signal of the light detector 48 (output curve of light). The curve 50 has a lower side 52, an upper side 54 and a peak 56. The lower side 52 and the upper side 54 are substantially linear.
A very advantageous characteristic of a transducer device is the fact that the output of the transducer device is linear. Point 60 is the competing focal point where the source 42 and the detector 48 form images by the intervention of the focusing devices 44 and 46. The competing focal point 60 is placed close to the reflecting surface 36, but is spaced therefrom. When the reflecting surface 36 is offset from the competing focal point 60, the detector output follows the upper side 54 or the lower side 52 of the detector output curve 50 if the transducer is brought linearly to the position of the reflecting surface.
As shown in Fig. 4, when the reflecting surface 36 is at rest, the position coincides along the line A corresponding to the point 62 on the upper side 54 of the output curve 50 of the detector. As the reflecting surface 36 moves, the output curve 50 of the detector indicates that the output response remains linear if the inflection
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does not exceed the peak 56 or the upper end of the upper side 54 or the lower end of the lower side 52.
Due to the unique arrangement of the invention, a small displacement of the reflecting surface 36 causes an extremely large variation in the output of the photodetector 48. If the focal point 60 was placed in the plane of the reflecting surface 36 along the line A, the output of the detector would be particularly insensitive to the displacement of the surface 36. However, the careful selection of the focus 60 in order to align this focus in the appropriate region of the output curve 50 and of the detector is of a critical importance.
The fact that the interval of movement of the reflecting surface 36 must be situated along the linear parts of the curve 50 offers numerous advantageous results, for example the linearity of the output with respect to the amplitude of the vibrations, a dynamic interval important and a high extrinsic sensitivity.
In transducers requiring low electrical interference, a fiber optic cable can be used. Fig. 5 is a diagram of a preferred embodiment of the invention using optical fiber technology. An external transducer compartment 34a can be placed at a distance from a recording station 70. The recording station 70 can contain a light source 72, a photodetector 74, focusing devices 76 and 78 and an optical divider 84. The external transducer compartment 34a can contain a reflecting surface 36a and a focusing device 82. The recording station 70 and the external transducer compartment 34a can be connected by the fiber optic cable 80.
Light emitted and received
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must be transmitted by fiber optic cable 80.
Light can be emitted by the light source 72 in order to be focused by the focusing device 76 to pass through the fiber optic cable 80. The fiber optic cable 80 transports the emitted light to the external transducer compartment 34a in view of its refocusing by the focusing device 82 on the reflecting surface 36a. The light reflected by the reflecting surface 36a again follows its initial path through the focusing device 82 and through the fiber optic cable 80. The optical splitter 84 deflects the beam through the focusing device 78 on the photodetector 74. The optical divider 84 is provided to separate the light which moves in both directions.
If the fiber optic cable 80 and the recording station 70 are used away from the external transducer compartment 34a, the transducer apparatus shown in FIG. 5 is free from any induced electrical interference.
Fig. 6 is a perspective view of a transducer apparatus similar to that described above and illustrated in FIG. 4. Specifically, the transducer apparatus illustrated in FIG. 6 shows a mechanism used to modify the frequency response of an optical geophone. The transducer apparatus is enclosed in the housing 34b. A transmitter-detector module 38b is illustrated inside the housing 34b. The emitter-detector module 38b emits rays on the reflecting surface 36b. The reflecting surface 36b has a first end 90 which is fixedly fixed and a second adjustable end 92. The second end 92 of the reflecting surface 36b can be adjusted by means of the screw 94. The emitter-detector module 38b sends rays
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towards the surface 36b.
The resonant frequency of the transducer device shown in FIG. 6 and bring it to any desired value by adjusting the screw 94 which tends or relaxes the reflecting surface 36b. However, any desired resonant frequency can be obtained by simply tuning the transducer apparatus according to the invention.
Other advantages and other modifications will appear clearly to the specialists. The scope of the invention is therefore not limited to the specific details of the representative apparatus and of the examples described and illustrated in the present specification and numerous changes and modifications can be made thereto without departing from this general scope of the invention.