FR2464485A1 - Dispositif de detection optique - Google Patents

Abstract

UN DISPOSITIF DE DETECTION OPTIQUE DESTINE NOTAMMENT A MESURER L'ELOIGNEMENT D'UNE SURFACE REFLECHISSANT LA LUMIERE. CE DISPOSITIF 10 COMPORTE UNE SOURCE 14 DE LUMIERE QUI, PAR L'INTERMEDIAIRE D'UNE FIBRE OPTIQUE 12 ET D'UN CORPS TRANSLUCIDE 16, PROJETTE DE LA LUMIERE SUR LA SURFACE REFLECHISSANTE 22 DONT LA DISTANCE PAR RAPPORT A UNE EXTREMITE 25 DU CORPS 16 DOIT ETRE MESUREE. LA LUMIERE REFLECHIE PAR LA SURFACE 22 EST TRANSMISE DANS DES CONDITIONS PREDETERMINEES A TRAVERS UN MASQUE 28 ET LE CORPS TRANSLUCIDE 16 AFIN D'ATTEINDRE UNE EXTREMITE 31 D'UNE FIBRE OPTIQUE 30 DONT L'AUTRE EXTREMITE EST RELIEE A UN ELEMENT PHOTOSENSIBLE 32. LE MASQUE 28 EST CONFIGURE DE MANIERE QUE LE SIGNAL PRODUIT PAR L'ELEMENT PHOTOSENSIBLE 32 SOIT UNE FONCTION LINEAIRE DE L'INTERVALLE COMPRIS ENTRE L'EXTREMITE 25 ET LA SURFACE 22. DOMAINE D'APPLICATION: MESURE DE LA QUANTITE DE FLUIDE RESTANT DANS UN RECIPIENT, ETC.

Description

1. L'invention concerne un dispositif de détection optique, et plus

particulièrement un capteur destiné à mesurer avec précision des distances linéaires à une surface réfléchissant la lumière en effectuant une mesure de la lumière réfléchie par cette surface à travers un masque perfectionné arrêtant la lumière. Par une réalisation ou une "programmation" appropriée du masque arrêtant la lumière, les intensités lumineuses atteignant l'élément sensible à la lumière peuvent varier suivant une fonction prédéterminée de

la distance à laquelle la surface réfléchissante est placée.

L'utilisation de dispositifs optiques de détec-

tion pour mesurer des distances linéaires au moyen des rayons

lumineux réfléchis est connue. De tels dispositifs de détec-

tion présentent de nombreux avantages par rapport à d'autres dispositifs connus de mesure de distances. L'un des avantages les plus notables est que les capteurs optiques ne demandent aucun contact avec la surface à détecter. De plus, étant donné que l'on utilise la lumière et non l'électricité pour effectuer des mesures entre surfaces au moyen de l'instrument de détection, les précautions qu'il faut prendre avec des

instruments de détection électriques, telles que l'utilisa-

tion d'une isolation électrique appropriée, sont inutiles.

Des capteurs optiques de l'art antérieur émettent de la lumière à l'aide d'une fibre optique, par exemple. La lumière est réfléchie par la surface détectée et renvoyée au capteur par des fibres optiques de réception. Le

signal lumineux réfléchi est ensuite détecté par un photo-

capteur et converti en un signal électrique proportionnel à

la quantité de lumière réfléchie, ce signal pouvant être lui-

même converti en unités de longueur.

Dans de tels dispositifs de l'art antérieur, la lumière réfléchie arrive à un élément de détection ou une sonde du capteur optique comportant des fibres optiques réceptrices. La zone éclairée s'agrandit lorsque la surface détectée s'éloigne de la sonde du capteur, car l'intervalle entre la surface de la sonde et la surface réfléchissante

augmente et la lumière émise se propage vers l'extérieur.

Lorsque la surface sur laquelle la lumière réfléchie arrive 2.

sur les fibres optiques augmente, il se produit un accrois-

sement rapide du signal généré jusqu'à ce qu'un signal de crête apparaisse lorsque la -surface atteinte par la lumière réfléchie est égale à celle de l'extrémité de réception des fibres réceptrices de la sonde et couvre cette extrémité de réception. Lorsque la surface recevant le signal réfléchi dépasse ensuite celle des fibres réceptrices de la sonde, l'intensité lumineuse diminue en même temps que le signal de sortie de la cellule photo-électrique. Cette diminution est proportionnelle au carré de la distance entre la sonde et la

surface réfléchissante.

Des capteurs optiques antérieurs connus présen-

tent une caractéristique de fonctionnement indésirable qui est nécessitée par la structure de la sonde ou de l'élément

sensible utilisé. Cette structure comprend des fibres opti-

ques séparées pour assurer la transmission de la lumière à la surface détectée et pour recevoir la lumière réfléchie par cette surface. Les capteurs de ce type, décrits plus en détail ci-après, peuvent être utilisés dans des applications à des mesures de distances en micromètres, ces distances étant traversées par des surfaces mobiles de référence qui réfléchissent la lumière et qui sont placées très près de la sonde du capteur. Cependant, le signal lumineux produit par les sondes des capteurs de l'art antérieur est discontinu lorsque ces sondes sont placées à proximité de la surface de référence, du fait que les fibres de la sonde émettant la lumière constituent un obstacle pour la lumière réfléchie des fibres réceptrices. Ainsi, dans la partie

initiale de la plage de mesure o on souhaite souvent dispo-

ser d'une grande sensibilité, le signal lumineux produit par

les capteurs optiques de l'art antérieur est discontinu.

L'invention a pour objet d'éliminer le problème de 'l'auto-occultation" de la lumière se posant avec les capteurs optiques de l'art antérieur, par l'utilisation d'une sonde ayant un seul guide de lumière à partir duquel le signal lumineux continu est émis et dans lequel pénètre la lumière réfléchie. Ces passages simultanés du signal lumineux dans un sens et de la lumière réfléchie en sens opposé sont 3. rendus possible par l'utilisation d'une nouvelle structure de guide de lumière. Dans cette structure, le signal lumineux continu provenant d'une source de lumière est dirigé vers la surface réfléchissante en passant dans une âme centrale de guidage et il est réfléchi et revient dans une partie centrale de guidage plus grande que l'âme d'émission. Un élément sensible à la lumière tel qu'une photo-diode, placé en communication optique avec la lumière réfléchie, convertit la lumière réfléchie en un signal électrique d'indication de distance. Le guide de lumière perfectionné utilisé dans la sonde sensible du capteur optique selon l'invention permet

donc de produire un signal continu et non ambigu, théorique-

ment de l'infini jusqu'au point de contact avec la surface de

référence réfléchissant la lumière.

L'invention a également pour objet un capteur optique comportant un masque perfectionné d'occultation de la lumière au moyen duquel la surface de l'élément sensible ou la sonde du capteur optique, présentée à la surface réfléchissante afin de recevoir la lumière réfléchie, varie comme une fonction linéaire du rayon de la surface éclairée et, par conséquent, comme une fonction linéaire de la

distance du capteur à la surface réfléchissante. Cette rela-

tion linéaire existe jusqu'à ce que la surface atteinte par la lumière réfléchie dépasse la surface extrême totale de l'élément sensible, le signal de lumière diminuant ensuite

avec le carré de la distance entre le capteur et la surface.

D'une manière plus générale, l'invention concerne un dispositif de détection optique dans lequel un

masque à lumière est interposé entre une surface réfléchis-

sant la lumière et l'élément photosensible du dispositif de manière que la quantité de lumière réfléchie pouvant être dirigée vers l'élément sensible à la lumière varie comme une fonction prédéterminée de l'intervalle entre l'extrémité du

capteur et la surface réfléchissante.

Par conséquent, le masque peut servir de programme conçu pour permettre le passage d'intensités lumineuses prédéterminées vers l'élément sensible à la lumière, ces intensités lumineuses pouvant être transformées non 4.

seulement en distances linéaires, mais en conditions co-

existant avec ces distances linéaires. Par exemple, la mesure du mouvement d'un diaphragme sensible à la pression peut être

convertie en signaux lumineux au moyen d'une lumière réflé-

chie, dirigée vers un photo-capteur à travers un masque, ce photo-capteur transformant lui-même ces signaux en signaux ou mesures correspondant à des pressions qui provoquent ce

mouvement du diaphragme.

Un autre exemple consiste à mesurer, au moyen de la lumière réfléchie, des intervalles compris entre le capteur optique selon l'invention et des niveaux de liquide dans un récipient de stockage ayant un profil en section droite irrégulier. Ces mesures peuvent être transformées directement en volumes correspondant à chaque niveau dans le récipient. Une telle transformation est réalisée par un masque de conception appropriée, conçu pour permettre le passage d'une intensité lumineuse provenant de chaque surface réfléchissant la lumière et proportionnelle au volume représenté par cette surface. Ainsi, les masques à lumière utilisés dans les capteurs optiques selon l'invention peuvent être considérés comme portant des programmes dans lesquels les signaux lumineux autorisés à atteindre l'élément sensible à la lumière peuvent varier suivant toute fonction souhaitée

de l'intervalle entre le capteur et les surfaces réfléchis-

santes.

L'invention concerne donc un capteur optique de fonctionnement extrêmement souple afin de pouvoir être adapté à un grand nombre d'applications de mesures, comprenant des

détections de positiorri des contr&les de qualité par détec-

tion de finitions de surfaces, des contrôles par vibrations, etc. Le dispositif de détection optique selon l'invention est constitué de composants peu coûteux, pouvant être aisément assemblés et pouvant être réalisés par la mise en oeuvre de techniques à haute productivité. Le capteur optique selon l'invention peut fonctionner pendant une longue durée, car il ne comporte aucune pièce mobile, et il peut être utilisé

efficacement sur une plage de températures extrêmement large.

Dans une forme de réalisation de l'invention, une source de lumière, par exemple une diode électroluminescente, est montée sur une extrémité d'une fibre optique de manière qu'un signal lumineux constant soit transporté par cette fibre jusqu'à l'intérieur d'un boîtier translucide dans

lequel la seconde extrémité de la fibre est disposée concen-

triquement. Un signal lumineux provenant de l'extrémité de la fibre est émis du centre de la surface extrême de ce bottier sur une surface réfléchissant la lumière et devant être

détectée. La lumière réfléchie pénètre dans le boîtier trans-

lucide et se propage au-delà de l'extrémité de sortie de ce dernier qui comprend la partie annulaire entourant le signal central. La lumière réfléchie est dirigée par le boîtier vers un élément sensible à la lumière, par exemple une photodiode, qui produit un signal représentatif de la quantité de lumière réfléchie. La photodiode peut être placée à une certaine distance du boîtier auquel elle est reliée par une fibre

optique de connexion.

La sonde du capteur peut présenter à son extré-

mité une aire translucide délimitée par un masque à lumière et profilée de manière que, lorsque les disques de lumière réfléchie, dont la surface varie avec la distance, atteignent cette extrémité, les aires translucides de cette dernière, permettant le passage des disques de lumière réfléchie vers le capteur de lumière, varient linéairement avec la distance comprise entre le capteur et la surface de référence. La quantité de lumière réfléchie passant à travers l'extrémité du bottier est donc directement proportionnelle aux distances

comprises entre les surfaces.

Dans une variante de la sonde du capteur selon l'invention, l'extrémité du boîtier opposée à l'extrémité de détection peut constituer une lentille convergente convexe de manière que la lumière réfléchie pénétrant dans le boîtier

translucide soit concentrée et dirigée vers l'élément photo-

sensible, ce qui assure le captage efficace de la lumière réfléchie. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: 6. - la figure 1 est une vue en perspective partielle d'une sonde de détection du capteur optique selon l'invention;

- la figure 2 est une vue en perspective, analo-

gue à celle de la figure 1, montrant une variante de la sonde

de détection dans laquelle une extrémité d'un corps translu-

cide, constituant la sonde, assume la fonction d'une lentille de concentration de la lumière; - la figure 3 est une vue en perspective d'un module d'émission-transmission pouvant être incorporé dans le capteur optique selon l'invention;

- la figure 4 est une vue partielle en perspec-

tive d'une variante de la sonde de détection de lumière

pouvant être utilisée dans le capteur optique selon l'inven-

tion

- la figure 5 est un graphique montrant schéma-

tiquement la relation linéaire entre la lumière réfléchie, reçue par la sonde de détection du capteur selon l'invention, et la distance comprise entre la sonde de détection et la surface de référence à détecter; - la figure 6 est une représentation des disques de lumière réfléchie tels qu'ils apparaissent sur l'extrémité

de la sonde du capteur optique en cours normal d'utilisa-

tion; - la figure 7 est une vue schématique d'une décalcomanie pouvant être appliquée sur l'extrémité d'une sonde de capteur optique pour établir une relation linéaire entre la distance et la lumière réfléchie; et

- la figure 8 est un graphique montrant schéma-

tiquement la relation entre l'ouverture numérique d'une fibre utilisée dans l'élément sensible et l'intervalle maximal mesure. Comme représenté en particulier sur la figure 1, la sonde 10 de détection du capteur optique selon l'invention

comprend une fibre optique 12 qui porte un revêtement appro-

prié 13 entourant sa périphérie et empêchant les pertes de lumière. Cette fibre est reliée par une extrémité à une source de lumière, par exemple une diode électroluminescente

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7. 14. Des fils conducteurs 15 partent de la diode afin d'être reliés à un circuit approprié permettant à cette diode

d'émettre un signal lumineux d'intensité élevée et constante.

Le signal est transporté par la fibre optique 12 vers un corps de boîtier translucide 16 dont la circonférence porte également un revêtement approprié 17 minimisant les pertes de lumière. Le corps du boîtier cylindrique 16 peut être constitué d'une matière plastique ou d'un verre translucide et clair afin que le signal lumineux émis par l'extrémité terminale 18 de la fibre optique 12 se propage en divergeant de l'axe d'une fibre 18, conformément à l'ouverture numérique de la fibre. Il convient de noter sur la figure 1 que le signal lumineux provenant de la fibre 12 passe à travers

l'extrémité de la sonde 10 au moyen d'une ouverture translu-

cide et centrale 30 et qu'il continue ensuite à se propager coniquement jusqu'à une surface 22 de projection présentée

par le corps 24 et sur laquelle la détection doit être réali-

sée. Dans le cours normal de fonctionnement des capteurs de l'art antérieur, le capteur optique émet un signal lumineux qui passe d'un guide de lumière tel qu'une fibre optique 12 (figure 1) sur une surface réfléchissante sur laquelle la détection doit être réalisée. La lumière

réfléchie est ensuite reçue par des fibres optiques récep-

trices séparées qui transportent la lumière réfléchie vers un élément photosensible tel qu'une photodiode facilitant la conversion de la lumière réfléchie en un signal électrique qui est représentatif de la distance comprise entre la sonde

émettant la lumière et la surface réfléchissant la lumière.

La figure 1 montre que la lumière réfléchie et provenant de la surface 22 est renvoyée dans l'extrémité 25 de la sonde 10 de détection à travers un motif translucide à quatre pétales partant de l'ouverture centrale 20 par laquelle le signal lumineux provenant de la fibre optique 12

sort de la sonde 10. Les pétales 26 qui partent de l'ouver-

ture centrale 20 constituent des zones de surface claires du corps de la sonde 10, alors que la partie ombrée ou masque 28, 8. constituant la partie restante de la surface extrême de la sonde 10, est opaque. Par conséquent, la lumière réfléchie et provenant de la surface 22 de détection est renvoyée dans la

sonde 10 uniquement à travers les pétales clairs 26 de récep-

tion de la lumière et la partie centrale 20, également claire, par laquelle le signal lumineux provenant de la fibre

optique 12 est émis.

La lumière renvoyée par réflexion dans le corps de la sonde 10 se propage à l'intérieur du boîtier 16 jusqu'à une fibre optique 30 dont une première extrémité 31 est montée sur l'extrémité du boîtier opposée à celle comportant les pétales 26. L'autre extrémité de la fibre est reliée optiquement à un élément sensible à la lumière tel qu'une photodiode 32 à laquelle des fils conducteurs 34 sont reliés afin d'être connectés à un circuit approprié, de façon que la lumière transmise à la diode 32 puisse être convertie en un

signal électrique. Ce signal est représentatif de l'inter-

valle compris entre l'extrémité 25 d'émission de lumière de

la sonde 10 et la surface détectée 22 de l'objet 24.

L'intensité lumineuse et le signal produit par la lumière émise par la fibre 12 atteignent leur valeur maximale lorsque l'extrémité 25 de la sonde touche la surface 22,

comme indiqué par le point P sur le graphique de la figure 5.

En l'absence du masque 28, la totalité de la lumière réflé-

chie est acceptée par l'extrémité de la sonde jusqu'à ce que le disque de lumière réfléchie provenant de la surface 22 et ainsi formé s'étende audelà de la surface de l'extrémité 25 de la sonde. Pendant le mouvement relatif entre la sonde et la surface 22, ce mouvement étant délimité par ces deux extrémités constituées par le point de contact entre la sonde et la surface et la production d'un disque maximal, une

intensité lumineuse sensiblement uniforme atteint la photo-

diode 32. La fonction du masque 28 est d'arrêter progressi-

vement la lumière réfléchie et d'empêcher cette lumière arrêtée d'atteindre la photodiode 32 afin que l'intensité de la lumière réfléchie et le signal que la diode produit en

fonction de cette lumière diminuent linéairement. En consé-

quence, les signaux produits à partir de la lumière réfléchie

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9. par la surface 22 varient suivant une fonction linéaire des

distances comprises entre les surfaces.

Il apparaît qu'en accroissant l'intervalle entre l'extrémité de la sonde et la surface détectée 22, le disque de lumière réfléchie atteignant l'extrémité de la sonde augmente de diamètre. Par conséquent, l'aire des zones claires 26 formées sur l'extrémité de détection de lumière de la sonde 10 et offerte à la lumière réfléchie provenant de la surface 22 varie suivant une fonction linéaire du rayon de la surface éclairée ainsi que de la distance de l'extrémité

de la sonde à la surface 22.

La configuration de la zone translucide définie

par les pétales 26 et conçue pour produire des signaux lumi-

neux qui varient linéairement avec la distance comprise entre l'élément sensible à la lumière et la surface réfléchissante est déterminée de la manière suivante. Il convient de noter sur la figure 6 qu'en augmentant progressivement la distance comprise entre l'extrémité 25 de la sonde et la surface 22, on accroît l'aire des disques formés par la lumière réfléchie de la surface 22 sur l'extrémité 25. Si l'on souhaite réduire, à travers chaque anneau de dimension supérieure, le passage de la lumière de 5 % par rapport à la quantité de lumière réfléchie sur l'anneau immédiatement inférieur, un

segment de chaque anneau doit être rendu opaque pour effec-

tuer le blocage de la quantité souhaitée de 5 % lors de

chaque accroissement d'une unité radiale.

Un disque central 20 ayant un rayon de 1 unité radiale ne présente pas de perte de lumière lorsqu'il émet la lumière provenant de la fibre 12. On suppose qu'une perte de

5 % de la lumière réfléchie est souhaitée dans l'anneau immé-

diatement intérieur 36 qui, avec le disque 20, définit un disque solide de rayon égal à 2 unités radiales. Ce dernier disque présente une aire de 4 a, l'aire de perte souhaitée

étant de 47cx0,05, ou 0,27t dans l'anneau 36. L'aire translu-

cide finale du disque comprenant le disque 20 et l'anneau 36 est de 4.t-0, 2rt, soit 3,83tz. L'aire translucide de l'anneau 36 seul est de 2,8s.. La perte de surface de 0,2.at dans

l'anneau 36 est équivalente à une perte d'environ 240, calcu-

lée d'après les rapports suivants: 10. 0,2__ = x soit x = 24 3nrt 3600 La figure 6 représente donc cinq disques formés par l'addition d'anneaux de 1 unité radiale à l'anneau 36.

Les données de perte de lumière indiquées précé-

demment pour les cinq anneaux 38 à 46 montrés sur la figure 5 sont reportées dans le tableau I. Le segment perdu progressivement ou rendu

progressivement opaque dans chacun des anneaux 36 à 46 pré-

sente une valeur moyenne de 26,30 . Un profil moyen peut ainsi être tracé et reporté sur des coordonnées cartésiennes au moyen des relations x = T sin e et y = T cos e o T est le rayon de l'anneau et e est l'angle (décalé par rapport à une

référence) du dernier segment.

Les courbes obtenues sont des échantillons des

courbes planes connues sous le nom de rosaces de Grandi.

L'équation générale de cette rosace est y= a cos M 6 Si M est un nombre entier, la rosace comprend M pétales dans le cas o M est impair, et 2M pétales dans le cas

o M est pair. Ainsi, pour la rosace à quatre pétales repré-

sentée sur les figures 1 et 2, M est égal à 2. Dans l'équa-

tion précédente, 'a' est une constante et e est l'angle de déplacement.

En utilisant des coordonnées à une seule réfé-

rence, il est possible de tracer un profil moyen ayant la forme d'une spirale déséquilibrée 21, représentée sur la figure 7. Si on utilise des coordonnées à quatre références orthogonales, le profil à quatre pétales montré sur les figures 1 et 2 est obtenu, dans lequel 9 augmente par pas de 26,30/4, soit 6,575 . D'autres configurations en pétales peuvent évidemment être utilisées pour obtenir la relation

linéaire souhaitée en utilisant le nombre souhaité d'axes sur-

lesquels on peut définir la rosace.

U)- TABLEAU I

CO "O 'N Unités Aire Perte Aire de la Aire de Segment Aire Aire Pourcentage de totale totale perte totale perte par de perte finale de translucide de lumière (M demade utanmise "J rayon demandée, par rapport rapport au d'anneau chaque totale du transmise % à la surface dernier ( ) anneau disque totale du anneau disque (Disque) 20 1 0 0 0 0 o jr 100 Anneau 36 2 4 5 0,2t 0,2r 24 2,8'r 3,8'T 95 Anneau 38 3 9,. 10 0,9J 0,7;, 50 4,37-r 8,1 r 90 Anneau 40 4 163 15 2,4rr 1,5r 77 5,5,' 13,6Wr 85 v Anneau 42 5 251 20 5,T07 2,61r 104 6,4r 20,0 ri 80 Anneau 44 6 36rî 25 9, 0r 4,0M 131 7,03r 27,O0 75 Anneau 46 7 49.:7 30 14,7-, 5,77V 158 7,3'r 34, 3'J 70 12. Après avoir traversé la zone translucide 26 de

l'extrémité 25 du capteur, la lumière atteignant le photo-

capteur 32 engendre un signal qui est linéaire par rapport à la distance s'étendant sur la plage de déplacement entre la surface extrême 25 de la sonde 10 et la surface 22 jusqu'à ce

que la surface extrême soit couverte par la lumière réflé-

chie. Cette dernière condition correspond au point S du graphique de la figure 5. Lorsque le mouvement d'éloignement se poursuit, il engendre un disque de réflexion de la lumière dont la surface est plus grande que celle de l'extrémité 25 de la sonde et dans lequel l'intensité de la lumière diminue proportionnellement au carré de la distance comprise entre les surfaces. La figure 5 montre le signal linéaire de sortie produit par le masque en fonction- de la distance jusqu'à ce qu'un signal S soit produit, le signal de lumière réfléchie variant ensuite en fonction du carré de la distance comprise

entre les surfaces. Par conséquent, les points P et S consti-

tuent des limites supérieure et inférieure de la plage linéaire de signaux pouvant être obtenus à l'aide de la sonde 10. Un circuit approprié peut convertir les signaux produits

au-delà du point S en unités appropriées de distance.

La plage linéaire utile de fonctionnement du capteur optique dépend de l'ouverture numérique de la fibre et de l'angle de divergence de la lumière émise par rapport à l'axe de la fibre optique utilisée. La formule de l'ouverture numérique est S'lFl V N1 -N22 o N1 est égal à l'indice de réfraction de l'âme de la fibre et N2 est égal à l'indice de réfraction du revêtement de la fibre.

La figure 8 représente schématiquement la rela-

tion entre l'angle de divergence B de la lumière émise par la fibre 12 et le rayon R de l'extrémité 25 du capteur pour

déterminer la plage linéaire IL) de la sonde 10 du capteur.

Le tableau II suivant montre la plage linéaire élargie carac-

térisant le capteur optique selon l'invention avec une dimi-

13. nution de l'ouverture numérique et de l'angle de divergence

de la lumière émise.

TABLEAU Il

Plage de réponse linéaire en fonction de l'ouverture numérique de la fibre et du diamètre de l'extrémité du capteur Fibre Diamètre de l'extrémité Déplacement N.A. Angle du capteur (mm) linéaire (mm)

0,17 100 3,55 5,08

0,38 25 3,55 2,13

0,56 330 3,55 1,40

0,17 10 7,10 10,16

0,38 250 7,10 4,27

0,51 33 7,10 2,79

N.A. = ouverture numérique = sin 1 VN12 _ N2 N1 = indice de réfraction de l'âme de la fibre

N2 = indice de réfraction du revêtement de la fibre.

Il apparaît également que plus l'ouverture numé-

rique est élevée, plus l'intensité du signal lumineux réflé-

chie par unité de mouvement entre surfaces est grande et, par

conséquent, plus le capteur est sensible au mouvement.

La figure 2 représente une variante de l'inven-

tion, à savoir une sonde 10M de détection comportant un boîtier modifié 16M. Bien que cette forme de réalisation

comporte la même extrémité d'émission de lumière et de récep-

tion de lumière que la sonde 10 montrée sur la figure 1, une extrémité convexe 39, opposée à cette sonde, assume la fonction d'une lentille qui concentre et focalise la totalité de la lumière réfléchie par la surface 22 afin de la renvoyer dans l'extrémité 39 de la sonde, comme indiqué par les flèches en traits pointillés, et de la diriger sur l'extrémité 43 de la fibre optique 30, représentée partiellement, de

façon que la lumière reçue puisse être-dirigée vers le photo-

capteur 32. Le capteur modifié 10M est plus efficace que le capteur 10 montré sur la figure 1, car l'extrémité conique 39 du boîtier 10M collecte et focalise la totalité de la lumière 14. réfléchie provenant de la surface 22 afin de l'introduire dans l'extrémité 43 de la fibre optique 30. Dans le capteur montré sur la figure 1, seule la partie de la lumière réfléchie atteignant l'extrémité 31 de la fibre optique 30 est transportée par cette dernière. Il apparaît que, bien que la surface cylindrique longitudinale de la sonde 10M soit convenablement revêtue de manière à minimiser la perte de

lumière et que l'extrémité 25M soit profilée comme repré-

senté, l'extrémité 39 est translucide pour permettre la foca-

lisation de la lumière reçue sur l'extrémité 43 de la fibre.

La figure 4 représente une seconde modification

du capteur selon l'invention. Ce capteur 45 peut être confi-

guré de manière que ses surfaces périphériques soient planes, comme représenté, et un module 48 de transmission-émission est encastré dans sa surface extrême supérieure 47, comme montré sur la figure 4. Le module 48, représenté sur la figure 3, comprend une diode électroluminescente centrale 50 de faibles dimensions, par exemple d'environ 0,038 mm2. De tels modules d'émission-réception sont produits par la firme TRW Optron ofTappan Circle, Carrollton, Texas, E.U.A. Ainsi, comme montré sur la figure 5, l'émetteur-récepteur 48 peut

produire, par l'intermédiaire de la diode électrolumines-

cente 50, un signal lumineux d'intensité élevée et souhaitée, transmis à l'extrémité d'une fibre optique 51 noyée dans un

bottier translucide 52. Le signal lumineux est ensuite trans-

mis à partir de l'extrémité du bottier 52, comme décrit

précédemment pour la fibre 12 montrée sur les figures 1 et 2.

Il convient de noter que, sur la figure 5, le même type de passage de lumière se produit dans la surface extrême 19 du capteur rectiligne 45 que dans la surface extrême 25 des sondes cylindriques 10 et 1OM montrées sur les figures 1 et 2. La lumière se propage à travers une partie translucide centrale 20M, à partir de l'extrémité de la fibre revêtue 51,

et la lumière réfléchie par la surface détectée (non repré-

sentée), revient dans l'extrémité 19 à travers une zone translucide 26M qui est configurée afin d'établir la relation linéaire souhaitée entre les signaux engendrés par la lumière et la distance. La lumière réfléchie se propage vers le haut à 15. travers le corps 52 de la sonde 45 et atteint une partie de la

surface d'une photodiode 60 entourant la diode électrolumi-

nescente 50 de l'émetteur-récepteur.

Il ressort de la description précédente que le

capteur optique selon l'invention est conçu pour produire un signal de sortie continu et linéaire, qui est une fonction d'une distance, grâce au fait que l'extrémité d'entrée et d'admission de la lumière de la sonde de détection présente un profil perfectionné. Les diverses formes de réalisation du

capteur selon l'invention décrites ci-dessus utilisent évi-

demment des composants relativement peu coûteux qui peuvent

être employés pour la fabrication de ces capteurs.

Les éléments de détection perfectionnés utili-

sent le même guide de lumière pour l'émission de signaux lumineux de haute intensité et la réception de ces signaux, ce qui élimine tout problème d'auto-occultation se posant dans des capteurs optiques de l'art antérieur dans lesquels les fibres d'émission de lumière et de réception de lumière

sont séparées.

Comme indiqué précédemment, le capteur optique selon l'invention présente de nombreux avantages par rapport

aux capteurs d'autres types utilisés dans l'art antérieur.

Outre leur fabrication peu coûteuse, les capteurs décrits précédemment sont résistants, peuvent être utilisés dans des techniques à haute productivité; ils ne comportent pas de

pièces mobiles et ils peuvent être employés à des tempéra-

tures variant sur une plage extrêmement large. L'utilisation de signaux lumineux variant sur une grande plage de fréquence

est possible. Il est évident que les capteurs selon l'inven-

tion peuvent être réalisés dans des dimensions extrêmement petites et qu'ils peuvent donc être aisément employés dans des emplacements réduits. Ainsi, le tableau II montre que les diamètres des sondes concernées sont situés dans une plage inférieure à 3,8 mm, des fibres optiques pouvant travailler dans les sondes décrites précédemment ayant des diamètres compris entre 0,075 et 0,125 mm. Des sondes de détection de lumière selon l'invention peuvent prendre une multitude de formes leur permettant d'être utilisées dans des applications 16. spéciales. La flexibilité des fibres de verre et des corps de boîtier permet aux sondes de prendre des configurations à

plusieurs courbures très diverses.

Pour protéger la surface d'émission du capteur de lumière ou la surface de référence ou les deux, un soufflet élastique peut être intercalé entre ces surfaces, ce soufflet protecteur pouvant être élastique afin de se comprimer et de s'étirer sous l'effet des variations de la distance comprise entre les surfaces. Un tel soufflet empêche également la

lumière ambiante d'interférer avec les signaux lumineux émis.

En variante d'un soufflet élastique, il est possible de

placer la surface profilée de la sonde dans un élément tubu-

laire s'étendant jusqu'à la surface détectée.

Il ressort de la description précédente que de

nombreuses modifications peuvent être apportées au capteur

décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention.

Outre la présence d'une surface extrême profilée qui contri-

bue à la production d'un signal linéaire par rapport à la distance comprise entre les surfaces, il convient de noter que, lorsque la distance entre les surfaces a dépassé la limite de production du signal linéaire et que la lumière réfléchie se disperse ensuite au-delà de la périphérie de l'extrémité de la sonde (point S sur la figure 5), les distances entre surfaces peuvent encore être déterminées par la mise en oeuvre d'un circuit électronique approprié. Un tel

circuit réagit aux signaux lumineux qui, suivant la généra-

tion du signal, sont proportionnels au carré de la distance entre surfaces. En variante, le masque de lumière utilisé peut être modifié pour compenser la non-linéarité de la tension du signal de sortie de l'élément photosensible tel que la photodiode du capteur optique selon l'invention, en fonction de l'intensité de la lumière. Un tel profil modifié

peut éviter d'avoir à faire appel à un circuit de linéarisa-

tion. Comme indiqué précédemment, les masques portés par les photocapteurs selon l'inventionse comportent comme des programmes qui font non seulement varier la lumière réfléchie linéairement avec la distance entre surfaces, mais

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17. qui font également varier les signaux réfléchis suivant des fonctions prédéterminées des intervalles compris entre le

capteur et la surface réfléchissante détectée.

Ainsi, les masques peuvent permettre le passage d'intensitéslumineusesquivarientenfonctiondechangementsde

position des surfaces ou de conditions accompagnant un chan-

gement de surfaces tels qu'une pression, un volume, une structure de surface, etc. Les configurations des zones translucides et des parties complémentaires opaques du masque des sondes de détection représentées à titre d'exemple sur

les figures comprennent des éléments des formes de réalisa-

tion du capteur dans lesquelles la lumière réfléchie et transmise varie linéairement avec l'intervalle entre le capteur et la surface. Dans l'acception la plus large de l'invention, le masque à lumière utilisé et placé en tout point compris entre l'élément sensible à la lumière du capteur et la surface réfléchissante peut être un élément distinct, indépendant du capteur, et il peut varier suivant toute fonction prédéterminée de l'intervalle entre le capteur et la surface, cette fonction étant programmée dans le masque. En outre, il convient de noter que dans une variante de la réalisation d'un masque par l'application d'un revêtement superficiel opaque 28 sur l'extrémité d'une sonde de détection telle que celles représentées en 10 et 10M sur les figures 1 et 2 et en 45 sur la figure 5, des éléments séparés de recouvrement, présentant un profil approprié

laissant passer la lumière, peuvent être emboîtés élastique-

ment ou autrement fixés sur l'extrémité de la sonde de détection. Un tel élément de recouvrement présente une spirale déséquilibrée 21 telle que celle montrée sur la figure 7, pouvant être constituée par une décalcomanie destinée à être fixée sur une surface extrême translucide de la sonde, ou bien par un capuchon qui s'emboîte aisément sur cette sonde, de manière que le profil de transmission de lumière puisse être aisément changé à peu près instantanément par simple remplacement du capuchon approprié ou du masque

lumineux approprié sur l'extrémité de la sonde.

18. Le terme 'masque" utilisé dans le présent mémoire s'applique non seulement à un élément empêchant le passage de la lumière, comme indiqué par les zones opaques sur les

figures 1 et 2, délimitant des zones translucides complémen-

taires, mais également à tout élément destiné à réduire le passage de la lumière, par exemple une pellicule analogue à un négatif exposé, présentant une ouverture translucide par laquelle peut passer la lumière destinée à atteindre la surface réfléchissante. La partie restante du masque à lumière formé par une pellicule peut comprendre des zones entourant la zone translucide et passant progressivement d'un état translucide à un état opaque. Ainsi, comme montré sur la figure 6, les anneaux concentriques au disque 20 peuvent être progressivement de plus en plus opaques au fur et à mesure que le diamètre global du disque augmente. Le montage particulier des éléments de filtrage ou d'arrêt de la lumière du masque constitue le programme qui permet à des intensités lumineuses prédéterminées d'atteindre le détecteur de lumière de la sonde à divers intervalles entre surfaces. Il est également prévu d'utiliser un masque réglable tel qu'un diaphragme d'appareil de prise de vues dans lequel l'ouverture centrale peut être aisément réglée, les éléments du diaphragme étant de moins en moins translucides vers le bord extérieur du diaphragme, ou bien étant autrement configurés conformément à

un programme souhaité.

19.

Claims (29)

REVENDICATIONS

1. - Dispositif de détection optique destiné à

mesurer les distances par rapport à une surface (22) réflé-

chissant la lumière, ce dispositif comprenant un élément (14)

destiné à émettre de la lumière vers la surface réfléchis-

sante et un élément 132) sensible à la lumière réfléchie par cette surface, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comporte un élément (28) de masquage de la lumière interposé entre la surface réfléchissante et l'élément (32) sensible à la lumière afin de permettre le passage vers ledit élément sensible d'intensités lumineuses qui varient suivant une

fonction prédéterminée de l'intervalle compris entre l'élé-

ment sensible à la lumière et la surface réfléchissante.

2. - Dispositif de détection optique pour la mesure de l'intervalle entre ce dispositif (10) et une surface (22) réfléchissant la lumière, caractérisé en ce qu'il comporte une source (14) de lumière, un élément (32) sensible à la lumière, destiné à convertir la lumière reçue de la surface réfléchissante en des signaux correspondants, un élément (28) interposé entre la surface réfléchissante et l'élément de conversion de la lumière afin d'empêcher par masquage des quantités prédéterminées de lumière réfléchie d'atteindre l'élément de conversion afin que la lumière atteignant l'élément de conversion varie suivant une fonction prédéterminée de la distance comprise entre l'élément

sensible et la surface réfléchissante.

3. - Dispositif de détection optique pour la mesure de l'intervalle compris entre ce dispositif (10) et une surface (22) réfléchissant la lumière par mesure de la réflexion de la lumière par cette surface (22), le dispositif

étant caractérisé en ce qu'il comporte un élément (32) sensi-

ble à la lumière et destiné à produire un signal proportion-

nel à l'intensité de la lumière réfléchie l'atteignant, un élément (28) de masquage interposé entre la surface réfléchissant la lumière et l'élément sensible à la lumière et programmé pour arrêter une quantité prédéterminée de lumière réfléchie afin de l'empêcher d'atteindre l'élément sensible pour que le signal produit par ce dernier varie 20. suivant une fonction prédéterminée de l'intervalle compris

entre le dispositif et la surface réfléchissante.

4. - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'élément

(28) de masquage de la lumière permet le passage d'intensités lumineuses qui varient linéairement avec l'intervalle

compris entre l'élément sensible et la surface réfléchis-

sante.

5. - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'élément de

masquage comprend des zones complémentaires translucides

(26) et opaques (28).

6. - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'élément de

masquage comprend des zones dont le caractère translucide

varie suivant un programme prédéterminé.

7. - Dispositif selon l'une quelconque des

revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que l'élément de

masquage peut être réglé afin de permettre le passage de

différentes intensités lumineuses pour chaque réglage.

8. - Dispositif de détection, caractérisé en ce qu'il comporte une source (14) de lumière, un guide (12) de lumière dont une première extrémité est reliée optiquement à

ladite source de lumière, un boîtier translucide (16) entou-

rant une seconde extrémité (18) du guide de lumière et présentant une extrémité (25) d'émission et de réception de la lumière destinée à émettre la lumière reçue de la seconde

extrémité (18) du guide de lumière, et un élément (32) sensi-

ble à la lumière, relié optiquement au boîtier et réagissant

à la lumière reçue dans l'extrémité d'émission et de récep-

tion de la lumière.

9. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'extrémité (25) d'émission et de

réception de la lumière du boîtier présente une zone translu-

cide (26) de réception de la lumière, configurée de manière qua la lumière émise, qu'elle reçoit par réflexion d'une surface réfléchissante (22), varie suivant une fonction prédéterminée de la distance comprise entre ladite extrémité

et la surface réfléchissante.

21.

10. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'élément (48) sensible à la lumière est fixé à une surface (47) du boîtier translucide (52) opposée à ladite extrémité (19) d'émission et de réception de la lumière.

11. - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'une lentille (39), opposée à l'extrémité (25M) d'émission et de réception de la lumière, concentre la lumière réfléchie dans ladite extrémité (25M) d'émission et de réception sur ledit élément (32) sensible à la lumière et

éloigné de cette lentille.

12. - Dispositif de détection d'une surface (22) réfléchissant la lumière, caractérisé en ce qu'il comporte une source de lumière, un guide de lumière destiné à diriger la lumière de la source pour qu'elle atteigne la surface de

réflexion, un élément sensible à la lumière, monté optique-

ment de manière à recevoir la lumière réfléchie par ladite surface de réflexion dans le guide de lumière, la lumière se dirigeant de la source de lumière vers la surface de réflexion et la lumière se dirigeant de la surface de réflexion vers l'élément sensible passant simultanément à travers un tronçon extrême commun du guide de lumière afin que la lumière renvoyée dans le guide de lumière ne soit pas arrêtée par des éléments séparés laissant passer la lumière

provenant de la source de lumière.

13. - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la source de lumière comprend une diode électroluminescente (14) fixée à une première extrémité d'une fibre optique (12) qui comporte une seconde extrémité (18) située dans un corps translucide (16), la fibre optique et le corps translucide constituant ledit guide de lumière, le corps translucide présentant une première extrémité (25) à

travers laquelle la lumière provenant de la diode électro-

luminescente passe vers la surface (22) de réflexion et revient de la surface de réflexion, l'élément sensible à la

lumière comprenant une photodiode (32) qui est montée opti-

quement de manière à recevoir la lumière réfléchie par ladite

surface de réflexion.

22.

14. - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le tronçon extrême commun (25) du guide

de lumière présente une zone translucide (26) qui est confi-

gurée de manière que sa partie traversée par la lumière réfléchie par la surface (22) de réflexion varie suivant une fonction prédéterminée de la distance comprise entre la

surface de réflexion et ledit tronçon extrême.

15. - Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que la source de lumière comprend une diode électroluminescente (50) et en ce que l'élément sensible à la lumière comprend une photodiode (60) assemblée avec la diode

(50) dans un élément (48) d'émission et de réception.

16. - Dispositif de détection de surfaces réflé-

chissant la lumière et représentatives de volumes spécifiques dans un récipient de stockage, caractérisé en ce qu'il comporte une source émettant une lumière destinée à atteindre des surfaces réfléchissantes, un élément sensible à la lumière monté optiquement de manière à recevoir la lumière réfléchie par lesdites surfaces de réflexion, un élément de masquage interposé entre l'élément sensible et les surfaces de réflexion et programmé de manière à permettre le passage d'une intensité lumineuse, provenant de chacune desdites surfaces vers l'élément sensible, cette intensité lumineuse étant directement proportionnelle au volume du récipient

situé au-dessous de chaque surface.

17. - Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que la lumière émise passe à travers un guide de lumière comprenant un boltier translucide qui comporte un revêtement périphérique, et une extrémité translucide traversée par la lumière provenant de la source de lumière, ainsi que par la lumière réfléchie par lesdites surfaces de réflexion vers l'élément sensible, l'élément de masquage pouvant être positionné de manière amovible sur

l'extrémité translucide.

18. - Dispositif de détection de l'éloignement de surfaces réfléchissant la lumière, caractérisé en ce qu'il comporte une source de lumière, un élément de guidage de la lumière destiné à diriger la lumière de la source pour 23. qu'elle atteigne les surfaces réfléchissantes, un élément sensible à la lumière monté optiquement de manière à recevoir la lumière réfléchie par lesdites surfaces réfléchissantes et un élément de masquage interposé entre l'élément sensible et les surfaces réfléchissantes et comportant des zones translu- cides qui sont configurées de manière que la lumière réfléchie, provenant des surfaces réfléchissantes et dirigée vers l'élément sensible, varie linéairement avec la distance comprise entre l'élément de masquage et lesdites surfaces

réfléchissantes.

19. - Dispositif selon la revendication 18, caractérisé en ce que les zones translucides de l'élément de masquage sont définies par des courbes comprenant la rosace

de Grandi.

20. - Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce que l'élément de guidage de la lumière dirige la lumière réfléchie des surfaces réfléchissantes vers l'élément sensible en même temps que la lumière se dirigeant

de la source de lumière vers lesdites surfaces réfléchis-

santes.

21. - Procédé de détection d'une surface réflé-

chissant la lumière au moyen de la lumière projetée contre cette surface et réfléchie par cette dernière, caractérisé en ce qu'il consiste à émettre de la lumière dirigée suivant un premier trajet d'une extrémité d'émission de lumière d'un guide de lumière vers ladite surface réfléchissante et à guider les lumières réfléchies par cette dernière et revenant dans ladite extrémité d'émission de lumière suivant un trajet commun au premier trajet afin que la lumière réfléchie ne

soit pas arrêtée par le guide de lumière.

22. - Procédé selon la revendication 21, carac-

térisé en ce que la lumière réfléchie suivant ledit trajet commun est focalisé sur un élément sensible à cette lumière réfléchie.

23. - Procédé selon la revendication 21, carac-

térisé en ce que la lumière réfléchie est guidée par un bottier translucide qui présente ladite extrémité d'émission de la lumière et par une fibre optique reliée optiquement, 24. avec le bottier, à une photodiode espacée de ladite extrémité

d'émission de la lumière.

24. - Procédé selon la revendication 21, carac-

térisé en ce qu'il consiste également à guider la lumière réfléchie vers un élément sensible à cette lumière réfléchie.

25. - Procédé selon la revendication 21, carac-

térisé en ce que la source de lumière émise comprend une

diode électroluminescente qui communique, par l'intermé-

diaire d'une fibre optique d'interconnexion, avec un bo tier translucide présentant une extrémité d'émission de la lumière.

26. - Procédé de détection d'une surface réflé-

chissant la lumière au moyen de la lumière émise par l'extré-

mité d'un capteur, cette lumière étant dirigée vers ladite surface qui la réfléchit, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à diriger la lumière contre ladite surface à détecter et à masquer la lumière réfléchie par

cette surface de manière que la partie de la lumière attei-

gnant ladite extrémité du capteur varie suivant une fonction prédéterminée de la distance comprise entre cette extrémité

du capteur et la surface réfléchissante.

27. - Procédé selon la revendication 26, carac-

térisé en ce que la lumière réfléchie est conduite par un guide de lumière vers un élément sensible à la lumière et

convertie en unités de distance représentatives de l'inter-

valle entre ladite extrémité de capteur et la surface réflé-

chissant la lumière.

28. - Procédé de détection d'une surface réflé-

chissant la lumière au moyen de la lumière émise par une source de lumière et dirigée contre cette surface, cette lumière pouvant atteindre optiquement un élément sensible à la lumière, le procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à interposer un masque entre la surface réfléchissant la lumière et l'élément sensible, ce masque étant programmé de manière que la lumière le traversant et atteignant l'élément sensible varie suivant une fonction prédéterminée de la

distance comprise entre cette surface et l'élément sensible.

25.

29. - Procédé selon la revendication 28, carac-

térisé en ce que le programme du masque permet le passage de quantités de lumière qui varient linéairement avec la

distance comprise entre ladite surface et l'élément sensible.