FR2629202A1 - Transducteur vibrant a detection optique, notamment pour mesure de pression - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne des transducteurs. Elle se rapporte à un transducteur dont l'élément de détection comprend un résonateur 22, 23 travaillant à la torsion et portant un aimant 27, créant un champ magnétique perpendiculaire à un champ magnétique créé par un électro-aimant. L'oscillation de l'élément résonateur est entretenu par un courant circulant dans l'électro-aimant et provenant d'un photodétecteur qui reçoit un signal lumineux réfléchi sur l'élément résonateur 22. Application aux mesures de pressions et de températures, notamment en milieu hostile.
Description
La présente invention concerne des transducteurs, et en particulier des
transducteurs dans lesquels la mesure d'un paramètre, par exemple d'une pression, est déterminée
d'après la fréquence de vibration d'un élément résonant.
On utilise des transducteurs résonants dans un cer- tain nombre d'applications, par exemple pour la mesure d'une température ou d'une pression. Ces dispositifs sont maintenus à un état de résonance par application de signaux
de pilotage dont la fréquence et la phase sont convenables.
Le pilotage est habituellement réalisé par un signal élec-
trique. Lorsque le transducteur doit être utilisé dans un
environnement dangereux, il est très souhaitable que l'uti-
lisation de connexions électriques soit évitée. Un couplage optique bidirectionnel avec un transducteur présente une sécurité propre. Cependant, lecouplage optique pose des problèmes de transmission des signaux de pilotage aux
transducteurs afin qu'ils continuent à osciller.
L'invention a pour objet la suppression ou la réduc-
tion au minimum de cet inconvénient.
Plus précisément, l'invention concerne un dispositif transducteur comportant un élément formant résonateur dont la fréquence de vibration est fonction d'un paramètre à mesurer, un dispositif destiné à diriger un signal lumineux sur le transducteur afin que le.signal soit modulé par ladite fréquence et permette une mesure du paramètre,- et un
dispositif destiné à dériver un champ magnétique oscilla-
toire du signal optique, de manière que la vibration du
résonateur soit entretenue.
Dans un autre aspect, l'invention concerne un dispo-
sitif transducteur qui peut être commandé optiquement, comprenant un élément résonateur travaillant à la torsion,
dont la fréquence de vibration est une fonction d'un para-
mètre à mesurer, un aimant permanent monté sur le résona-
teur, un électro-aimant associé au résonateur, un disposi-
tif destiné à diriger un faisceau lumineux sur le résona-
teur afin qu'il forme un premier faisceau lumineux modulé à une fréquence correspondant à la fréquence du résonateur et un second faisceau lumineux réfléchi dont l'angle de réflexion correspond à la position angulaire de l'élément résonateur, et un dispositif photovoltaïque couplé à l'électroaimant et destiné à recevoir le second faisceau lumineux suivant un angle prédéterminé de réflexion, afin qu'un courant oscillatoire soit créé, la disposition étant telle que le champ magnétique créé par l'électro-aimant commandé par le courant oscillatoire interagit avec le
champ de l'aimant permanent si bien que l'élément résona-
teur est maintenu à un état d'oscillation.
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 est une vue en plan d'un dispositif à capteur résonant; la figure 2 représente une structure de résonateur destinée à être utilisée avec le dispositif de la figure 1; la figure 3 représente le dispositif magnétique de pilotage associé au résonateur de la figure 2; et la figure 4 représente une variante du dispositif capteur. On se réfère aux figures 1 à 3; le dispositif capteur est disposé dans un boîtier 11 (figure 1) fermé de manière étanche par une membrane souple 12 qui, pendant l'utilisation, est exposée, par l'intermédiaire du tube 13, à une source de pression à mesurer. Le boîtier 11 peut être
évacué afin qu'il constitue une référence de pression abso-
lue. Un résonateur sensible à une déformation, repéré de façon générale par la référence 14, est monté dans le
boîtier 11 et est couplé au diaphragme 12 par une tige-
poussoir (non représentée).
Le déplacement de la membrane 12 sous l'action d'une pression qui lui est appliquée provoque une déformation correspondante du résonateur 14. Ce dernier comporte un élément oscillatoire travaillant à la torsion et il est
piloté par un signal optique appliqué au circuit par l'in-
termédiaire d'une fibre optique 15 couplée à un objectif 16 monté sur un support 17 placé dans le boîtier 11. La lumière de l'objectif 16 est réfléchie par le résonateur 14 et un miroir 18 sur un photodétecteur 19 qui est aussi monté sur le support. Un miroir supplémentaire 20 est placé derrière le résonateur 14. Lorsque ce dernier subit une oscillation de torsion, le miroir supplémentaire 20a est
exposé périodiquement au faisceau lumineux qui est périodi-
quement caché. Ceci assure la formation d'un signal de retour modulé à la fréquence du résonateur vers la fibre 15
afin qu'il soit transmis à un poste distant de détection.
On décrit dans la suite comment le résonateur est maintenu à un état d'oscillation de torsion par le signal lumineux reçu. Lorsqu'une pression est appliquée à la membrane 12, la déformation correspondante appliquée au résonateur 14 provoque un changement de fréquence caractéristique de la pression. Ce changement de fréquence est détecté comme charge de la fréquence de modulation du signal renvoyé sur
la figure optique 15.
Par exemple, le résonateur comporte une structure formée par attaque chimique dans un corps de silicium monocristallin. Une structure convenable de résonateur est'
représentée sur la figure 2 et comporte un chassis rectan-
gulaire 21 de support dans lequel est monté un élément
résonateur 22 sur des filaments tendus 23. Des articula-
tions souples 24 sont formées dans le châssis 21 afin qu'elles permettent le déplacement du châssis et de manière qu'une force correspondante de traction soit appliquée aux filaments 23. Un bras de levier 25 peut dépasser du châssis 21 de manière que le déplacement de ce dernier autour des articulations 24 puisse être assuré. Le châssis comporte aussi une partie de montage 21a adjacente aux articulations
24, permettant la fixation du résonateur à un support 26.
Le déplacement du châssis à la suite d'un déplacement
analogue de la membrane 12 (figure 1) provoque un change-
ment correspondant de la tension des filaments 23 si bien que la fréquence d'oscillation en torsion de l'élément résonateur 22 est modifiée. Un aimant permanent 27 est monté sur l'élément. 22, le champ de l'aimant étant en
direction sensiblement perpendiculaire au plan de l'élé-
ment. La structure du résonateur est placée entre les pôles 28 (figure 3) d'une armature 29 d'un matériau perméable
magnétiquement, une bobine 30 étant enroulée sur l'arma-
ture. La bobine 30 est couplée à un condensateur 31 afin qu'un circuit accordé dont la fréquence est sensiblement
égale à la fréquence du résonateur soit formé. Dans cer-
taines applications, le condensateur 31 peut être supprimé.
La rétroaction est apériodique et non accordée. Ceci réduit le rendement de rétroaction, mais permet un fonctionnement du résonateur sur une gamme de fréquences beaucoup plus
large que celle qui est obtenue avec un circuit accordé.
L'armature 29 est avantageusement formée d'un verre métal-
lique. L'élément résonateur 22 peut être revêtu d'or afin
que son coefficient de réflexion optique soit accru.
Pendant l'utilisation, de la lumière à ondes entre-
tenues provenant d'une source lumineuse, par exemple d'un laser à semiconducteur placé au poste à distance, est dirigée sur l'élément. résonateur par la fibre optique 15 ayant l'objectif 16 de terminaison de faisceau. La lumière est réfléchie par l'élément résonateur suivant un angle qui
correspond à la position instantanée de l'élément résona-
teur. Ce signal lumineux réfléchi est reçu par le photodé-
tecteur 19 et, par l'intermédiaire du miroir 18, il est
transformé en un signal électrique oscillatoire correspon-
dant. Ce signal est renvoyé au circuit accordé afin qu'il induise un signal oscillatoire correspondant dans la bobine 30, le signal étant retardé d'un angle de phase 0/2, par
rapport à l'oscillation du résonateur. Les champs magné-
tiques de l'aimant et de la bobine sont perpendiculaires l'un à l'autre. La présence d'un courant dans la bobine provoque l'application d'un couple de torsion à l'élément résonateur. Ceci provoque une rotation de l'élément et une réduction correspondante de l'intensité de la lumière reçue par le photodétecteur 19. La réduction du courant permet à
l'élément résonateur de revenir vers sa position de repos.
Le courant de la bobine augmente alors à nouveau et entre-
tient l'oscillation. La fréquence de résonance du circuit LC formé par la bobine et le condensateur est choisie afin qu'elle soit légèrement inférieure à la fréquence du réso- nateur. Le retard de phase 0/2 introduit-par l'inductance
de la bobine assure alors un couplage maximal au réso-
nateur. La sélection du photodétecteur dépend de la longueur optique utilisée. Par exemple, une photodiode au silicium peut être utilisée lorsque la longueur d'onde est de
850 nm.
Un autre dispositif détecteur est représenté sur la.
figure 4. Dans ce dispositif, des fibres optiques séparées 31 et 32 sont utilisées pour la transmission des signaux d'entrée et de sortie respectivement, chaque fibre étant couplée à une terminaison respective 33a, 33b montée sur le boitier 34. Le résonateur 35 est placé sur le trajet de la lumière entre les terminaisons 33a, 33b. Le transducteur est maintenu à l'état d'oscillation par une rétroaction
optomagnétique par l'intermédiaire d'un photodétecteur 36.
comme décrit précédemment et la lumière modulée est dirigée sur la fibre de sortie 32. Dans la construction de la figure 4, aucune membrane et aucune tige-poussoir n'est utilisée. Le dispositif peut ainsi être utilisé comme un capteur de température dont la fréquence de sortie est fonction de la température. Par exemple, la relation entre
la température et la fréquence est linéaire.
Claims (5)
1. Dispositif transducteur, comprenant un élément résonateur dont la fréquence de vibration est fonction d'un paramètre à mesurer, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (15, 16) destiné à diriger un signal lumineux sur le transducteur (22) de manière que le signal soit modulé par ladite fréquence et permette une mesure du paramètre, et en ce qu'un dispositif (28, 29, 30) est
destiné à dériver du signal optique un champ électromagné-
tique oscillant afin que la vibration du résonateur soit entretenue.
2. Dispositif transducteur commandé optiquement, comprenant un élément résonateur (22) travaillant à la torsion et dont la fréquence de vibration est fonction d'un paramètre à mesurer, caractérisé en ce qu'il comporte un
aimant permanent (27) monté sur le résonateur, un électro-
aimant (28, 30) associé au résonateur, un dispositif (15,
16) destiné à diriger un faisceau lumineux sur le résona-
teur afin qu'il forme un premier faisceau lumineux modulé à une fréquence correspondant à celle du résonateur et un second faisceau lumineux réfléchi dont l'angle de réflexion correspond à la position angulaire de l'élément résonateur,
et un dispositif photovoltaïque (19) couplé à l'électro-
aimant et disposé de manière qu'il reçoive le second fais-
ceau lumineux avec un angle prédéterminé de réflexion de manière qu'il crée un courant oscillatoire, la disposition
étant telle que le champ magnétique créé par l'électro-
aimant sous l'action du courant oscillatoire interagit avec le champ de l'aimant permanent et entretient l'élément
résonateur à un état oscillant.
3. Dispositif selon l'une des revendications 1 et 2,
caractérisé en ce que l'élément résonateur (22) comporte un
corps de silicium monocristallin.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendica-
tions 1 à 3, caractérisé en ce que l'élément transducteur
(22) est monté dans un boitier sous vide (11).
5. Ensemble de détection monté à distance, caracté-
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risé en ce qu'il comporte au moins un dispositif transduc-
teur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.
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| GB2215840B (en) | 1992-01-08 |
| NO891123L (no) | 1989-09-27 |
| GB2215840A (en) | 1989-09-27 |
| NO891123D0 (no) | 1989-03-15 |
| NL8900024A (nl) | 1989-10-16 |
| GB8807273D0 (en) | 1988-04-27 |
| US4942766A (en) | 1990-07-24 |
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