FR2613477A1 - Capteur optique de deplacement et de pression - Google Patents
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Abstract
L'INVENTION CONCERNE UN CAPTEUR DE PRESSION. ELLE SE RAPPORTE A UN CAPTEUR COMPRENANT UN DISPOSITIF 9 DE FABRY-PEROT AYANT DEUX MIROIRS SEMI-REFLECHISSANTS DONT L'UN PEUT FLECHIR. SELON L'INVENTION, UN COUPLEUR DIRECTIONNEL 7 PERMET LA FORMATION, DANS UN COMPARATEUR 18, D'UN SIGNAL CORRESPONDANT AU RAPPORT DES INTENSITES A DEUX LONGUEURS D'ONDE DE LA LUMIERE INCIDENTE. LE MEME COUPLEUR 7 PERMET L'OBTENTION DANS UN AUTRE COMPARATEUR 27 DU RAPPORT DES INTENSITES DANS LE CAS DE LA LUMIERE REFLECHIE. UN TROISIEME COMPARATEUR 28 DONNE UN SIGNAL QUI DEPEND DE LA PRESSION SUBIE PAR LE DISPOSITIF DE FABRY-PEROT 9 MAIS QUI NE DEPEND PAS DE LUMIERE PARASITE QUI PEUT AVOIR ETE REFLECHIE A L'INTERIEUR DU DISPOSITIF. APPLICATION A LA MESURE DES PRESSIONS ET DES DEPLACEMENTS.
Description
La présente invention concerne des capteurs optiques
de déplacement ou de pression, et elle concerne plus préci-
sément des capteurs de déplacement et de pression du type Fabry-Perot. Dans les capteurs de pression du type Fabry-Perot
par exemple, deux miroirs partiellement ou totalement ré-
fléchissants peuvent être séparés par une cavité dont la dimension varie avec la pression appliquée à l'un des miroirs afin qu'il fléchisse ou présente un déplacement linéaire. A la suite de ce déplacement linéaire du miroir qui a habituellement une très faible amplitude, la lumière transmise et réfléchie par les miroirs varie et cette variation peut être mesurée afin que la pression appliquée en soit déduite. Des capteurs de pression de Fabry-Perot
ont une sensibilité telle qu'un déplacement linéaire mini-
mal (par exemple un fléchissement élastique) de l'un des miroirs est nécessaire pour que la pression incidente
puisse être mesurée.
L'invention concerne divers perfectionnements des
capteurs optiques de pression ou de déplacement de Fabry-
Perot qui donnent: 1) une augmentation de la robustesse du capteur,
2) l'adaptation du capteur à des conditions hos-
tiles, et 3) une insensibilité aux réflexions indésirables par
le système d'éclairement du capteur.
Selon une caractéristique de l'invention, un capteur de déplacement ou de pression de Fabry-Perot est tel qu'une
fibre optique transmet un faisceau lumineux vers les mi-
roirs du capteur et reçoit la lumière renvoyée par les miroirs, le faisceau lumineux et la lumière réfléchie ayant plusieurs longueurs d'onde, les composantes de la lumière
transmise, aux diverses longueurs d'onde, et les compo-
santes de la lumière reçue, aux diverses longueurs d'onde,
étant classées en fonction de la distance et étant compa-
rées afin qu'elles donnent des rapports respectifs des intensités émises et des intensités reçues, les rapports étant eux-mêmes comparés afin qu'ils forment un rapport qui dépend du déplacement du miroir dû à la pression qui lui
est appliquée (ou au déplacement du miroir dû au déplace-
ment d'un organe séparé), mais indépendamment des varia-
tions éventuelles de l'intensité de la lumière émise dues par exemple à des réflexions, etc par les éléments optiques incorporés à l'arrangement de contrôle du déplacement ou de
la pression. Ainsi, le capteur de pression ou de déplace-
ment est insensible aux réflexions indésirables dans le
système.
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble à miroirs du capteur de déplacement ou de pression de Fabry-Perot est protégé contre les déplacements ou les pressions excessifs du miroir dans des conditions
hostiles, qui pourraient détériorer le capteur, par forma-
tion, dans l'espace compris entre les miroirs semi-réflé-
chissants du capteur, d'un dispositif d'amortissement qui a une ouverture permettant l'accès de la lumière incidente
aux miroirs semi-réfléchisants, mais qui limite le déplace-
ment du miroir afin qu'il reste en-deçà d'une valeur pré-
déterminée. Le dispositif d'amortissement peut être une zone d'amortissement formée de silice ou de fluorure de thorium déposé sous vide, par exemple fixée au miroir fixe du
capteur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, un capteur optique de déplacement ou de pression est tel que
la lumière émise vers l'ensemble à miroirs semi-réfléchis-
sants d'un capteur de Fabry-Perot est transmise par une fibre optique et qui reçoit aussi la lumière réfléchie par
l'ensemble à miroirs du capteur de déplacement ou de pres-
sion, et dans lequel la lumière émise quittant l'extrémité de la fibre optique est collimatée sur l'ensemble à miroirs et la lumière réfléchie par l'ensemble est focalisée à nouveau sur ladite extrémité de la fibre optique par un
barreau de focalisation à indice variant progressivement.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,
faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 représente un arrangement capteur de pression de Fabry-Perot selon l'invention; la figure 2 représente un ensemble à miroirs d'un capteur de pression de type Fabry-Perot; et la figure 3 représente un arrangement de collimation et de refocalisation de lumière d'un capteur de pression de Fabry-Perot. Sur la figure 1, de la lumière à deux longueurs
d'onde différentes provenant de diodes photoémissives res-
pectives 1 et 2 par exemple peut être lancée dans des fibres optiques 3 et 4 avant de parvenir à un multiplexeur de longueurs d'onde. Le signal multiplexé de sortie du multiplexeur 5 est transmis par une fibre optique 6 à un coupleur directionnel 7 qui répartit la lumière en deux parties égales dont l'une est transportée par une fibre optique 8 vers un capteur 9 de pression de Fabry-Perot à deux miroirs et dont l'autre est transportée par une fibre optique à un démultiplexeur 11 de longueurs d'onde. Les
signaux de sortie du démultiplexeur 11 peuvent être trans-
mis, par des fibres optiques 12 et 13, à des photodiodes telles que des diodes PIN au silicium 14 et 15. Ces diodes transmettent des signaux qui sont appliqués à des portes 16 et 17 de distance et les signaux de sortie de ces portes parviennent à un comparateur 18 qui forme un signal de sortie représentatif du rapport des intensités des signaux
aux deux longueurs d'onde appliqués au capteur de Fabry-
Perot.
Les intensités des signaux lumineux aux deux lon-
gueurs d'onde, renvoyés le long de la fibre optique 8 à partir du capteur 9 de pression de Fabry-Perot, dépend de la distance comprise entre les miroirs semi-réfléchissants du capteur 9 qui dépend elle-même de la pression appliquée au capteur. Ces signaux réfléchis renvoyés parviennent par l'intermédiaire du coupleur directionnel 7 à une fibre optique 19 puis, par l'intermédiaire d'un démultiplexeur 20
de longueurs d'onde qui canalise les composantes respec-
tives des signaux renvoyés par le capteur 9, à des fibres
optiques 21 et 22 qui transportent les signaux des compo-
santes des diverses longueurs d'onde vers des photodiodes respectives telles que des diodes PIN au silicium 23 et 24. Ces diodes 23 et 24 créent des signaux électriques qui sont appliqués à des dispositifs 25 et 26 constituant des portes de distance dont les signaux de sortie sont comparés par un comparateur 27. Ce dernier transmet un signal de sortie
représentatif du rapport des intensités des signaux ren-
voyés à deux longueurs différentes.
Le signal de sortie du comparateur 27 et celui du comparateur 18 sont transmis à un comparateur 28 qui forme un signal de sortie qui dépend de la distance comprise entre les miroirs du capteur 9 et ainsi de la pression appliquée au capteur, mais qui ne dépend pas des variations des intensités de la lumière émise. De cette manière, l'arrangement de détection de pression est rendu insensible
à l'intensité d'éclairement et aux réflexions par les dif-
férents éléments optiques, à l'emplacement de contrôle-
mesure de la pression.
On se réfère maintenant à la figure 2 des dessins; elle représente un miroir ou réflecteur semi-réfléchissant qui convient par exemple au capteur 9 de Fabry-Perot de la
figure 1.
L'ensemble à miroirs comporte un bloc transparent 29 ayant un réflecteur semi-réfléchissant 30 sur une face et
ayant un revêtement anti-réfléchissant 35 à sa face infé-
rieure. Un substrat transparent et flexible 31 a un réflec-
teur semi-réfléchissant 32 appliqué à sa face inférieure et est placé à distance du réflecteur 30 par une entretoise 33 (par exemple formée de silice). Lorsqu'une pression est
appliquée à la face supérieure du substrat 31, les dimen-
sions de la cavité de Fabry-Perot ou la distance comprise entre les réflecteurs 30 et 32 varie du fait de la flexion du substrat 31 et ceci provoque des variations d'intensité
de la lumière réfléchie par le miroir.
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Une zone d'amortissement 34 formée de silice ou de fluorure de thorium par exemple est placée dans la cavité afin qu'elle empêche la détérioration du miroir par des pressions excessives appliquées au substrat 31. Cette zone peut être formée par dépôt sous vide de silice sur le matériau du bloc 29. Comme on peut le noter sur le dessin, la zone 34 d'amortissement limite le fléchissement du substrat flexible 31 au- delà d'une valeur déterminée et empêche ainsi la fracturation, etc du substrat flexible. En outre, la surface supérieure du substrat flexible 31 peut être revêtue avantageusement comme représenté en 35 afin que l'attaque par le milieu soit réduite et que le substrat
soit convenablement protégé.
On se réfère maintenant à la figure 3; la lumière transportée vers l'ensemble 35 du capteur 9 de Fabry-Perot par une fibre optique 36 est collimatée par un barreau 37 ayant une variation d'indice de réfraction, assurant aussi la refocalisation de la lumière renvoyée par le miroir dans la fibre optique. L'utilisation de la lentille formée par
un barreau 37, à la place d'une lentille convexe de colli-
mation, présente des avantages à la fois pour la fabrica-
tion et pour le montage et la conception.
Bien que, dans les modes de réalisation décrits en référence aux dessins, le capteur de Fabry-Perot soit un capteur de pression, il faut noter qu'il peut être utilisé pour la détection d'un déplacement (par exemple rectiligne)
d'un organe séparé relié mécaniquement au miroir de dépla-
cement de l'ensemble à miroirs.
Claims (5)
1. Capteur de déplacement ou de pression à fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (9)
de Fabry-Perot comprenant une paire de miroirs ou réflec-
teurs semi-réfléchissants (30, 32) séparés par une cavité
ou analogue dont la dimension varie avec la pression appli-
quée à l'un des miroirs et provoque ainsi un déplacement linéaire ou une flexion de celui-ci, dans lequel une fibre optique (8) est destinée à transmettre un faisceau lumineux aux miroirs (30, 32) et à recevoir la lumière qui est réfléchie par les miroirs, dans lequel le faisceau lumineux et la lumière réfléchie ont plusieurs longueurs d'onde, dans lequel les composantes à différentes longueurs d'onde de la lumière transmise et les composantes à différentes longueurs d'onde de la lumière reçue sont classées en fonction de la distance et sont comparées afin qu'elles donnent des rapports respectifs des intensités transmises et des intensités reçues, et dans lequel ces rapports sont
eux-mêmes comparés afin qu'ils forment un rapport qui dé-
pend du déplacement du miroir (32) sous l'action de la pression qui lui est appliquée (ou du déplacement du miroir dû au déplacement d'un organe séparé), indépendamment des variations des intensités de la lumière transmise dues par
exemple aux réflexions par les éléments optiques dans l'ar-
rangement de contrôle de déplacement ou de pression.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux lumineux respectifs aux différentes
longueurs d'onde provenant de sources lumineuses diffé-
rentes (1, 2) sont combinés par un multiplexeur (5) puis
divisés en deux parties par un coupleur optique direction-
nel (7), une première partie étant transmise par la fibre optique (8) aux miroirs du dispositif de Fabry-Perot (9) et l'autre partie étant démultiplexée par un démultiplexeur de longueurs d'ondes (11) dont les signaux respectifs sont
transmis à des photodiodes (14, 15) dont les signaux élec-
triques de sortie sont transmis à leur tour à des portes de distance (16, 17) qui transmettent des signaux de sortie qui sont comparés par un premier comparateur (18) qui forme un signal de sortie représentatif du rapport des intensités
des deux signaux à des longueurs d'onde différentes, trans-
mis au capteur de Fabry-Perot, et dans lequel les signaux lumineux aux différentes longueurs d'onde, renvoyés dans la
fibre optique (8) par les miroirs du dispositif de Fabry-
Perot (9), sont dirigés par le coupleur directionnel (7) sur un démultiplexeur supplémentaire (20) de longueurs d'onde dont les signaux respectifs de sortie sont transmis à des photodiodes (23, 24) dont les signaux électriques de sortie sont eux-mêmes transmis à des portes de distance (25, 26) qui transmettent des signaux de sortie qui sont comparés par un second comparateur (27), ce dernier formant un signal de sortie représentatif du rapport des intensités - 15 des signaux réfléchis à deux longueurs d'onde différentes, et dans lequel les signaux de sortie du premier et du second comparateur (18, 27) sont transmis à un troisième comparateur (28) qui forme un signal de sortie qui dépend
de la distance séparant les miroirs du dispositif de Fabry-
Perot et de la pression appliquée au capteur, mais qui ne dépend pas des variations des intensités de la lumière
transmise au dispositif capteur.
3. Capteur selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce qu'un dispositif d'amortissement (34) es.
placé dans un espace compris entre les miroirs ou réflec-
teurs semi-réfléchissants (30, 32) du dispositif de Fabry-
Perot afin que le dispositif soit protégé contre les dépla-
cements ou les pressions excessifs de l'un des réflecteurs, le dispositif d'amortissement ayant une ouverture donnant accès aux réflecteurs semiréfléchissants de la lumière
incidente mais limitant le déplacement du réflecteur au-
delà d'une valeur prédéterminée.
4. Capteur selon la revendication 3, caractérisé en
ce que le dispositif de Fabry-Perot comprend un bloc trans-
parent (29) ayant un réflecteur semi-réfléchissant sur une face et un revêtement antiréfléchissant sur l'autre face, un substrat transparent flexible (31) ayant un réflecteur semi-réfléchissant (32) sur une face qui est séparé du bloc transparent par un organe d'entretoise (33) laissant une cavité dont les dimensions varient lors de la flexion du substrat, et dans lequel le dispositif d'amortissement (34) est une zone de silice par exemple, déposée sur le bloc transparent.
5. Capteur selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que la lumière transmise au capteur de Fabry-Perot (9) par la fibre optique (36) est collimatée par un barreau (37) à variation progressive d'indice de réfraction qui a aussi pour rôle de refocaliser la lumière
renvoyée par l'ensemble à miroirs vers la fibre optique.
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