FR2647218A1 - OPTICAL FIBER ACCELEROMETER AND METHOD FOR MEASURING ACCELERATIONS - Google Patents
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Abstract
L'accéléromètre de l'invention comporte, pour chaque axe de mesure x, y, z, un dispositif à cylindre et piston entraîné par une masse mobile dans la direction de l'axe considéré, appliquant une contrainte hydrostatique à une fibre optique 5, 6, 7. On mesure à l'aide d'un interféromètre 10 les variations de biréfringence induites par les déformations de la fibre dues à la contrainte.The accelerometer of the invention comprises, for each measurement axis x, y, z, a cylinder and piston device driven by a moving mass in the direction of the axis considered, applying a hydrostatic stress to an optical fiber 5, 6, 7. The birefringence variations induced by the deformations of the fiber due to the stress are measured using an interferometer 10.
Description
ACCELEROMETRE A FIBRE OPTIQUE ET PROCEDEOPTICAL FIBER ACCELEROMETER AND METHOD
DE MESURE D'ACCELERATIONSACCELERATION MEASUREMENT
La présente invention se rapporte à un accéléromètre à The present invention relates to an accelerometer with
fibre optique et à un procédé de mesure d'accélération. optical fiber and an acceleration measurement method.
On sait que l'accélération peut être déterminée par la mesure de la variation d'une grandeur physique associée au phénomène d'accélération, par exemple la variation d'une force inertielle due à l'accélération d'une masse, selon la relation We know that acceleration can be determined by measuring the variation of a physical quantity associated with the phenomenon of acceleration, for example the variation of an inertial force due to the acceleration of a mass, according to the relation
fondamentale de Newton F = mY.Newton’s fundamental F = mY.
Dans certains dispositifs connus, on utilise cette force pour induire des déformations ou contraintes qui sont mesurées optiquement. De tels dispositifs utilisent par exemple le déplacement de membranes ou de pièces mécaniques, ou la In certain known devices, this force is used to induce deformations or stresses which are measured optically. Such devices use for example the displacement of membranes or mechanical parts, or the
mise sous contrainte de cristaux réfringents. stressing of refractive crystals.
Dans ces dispositifs connus, l'une des difficultés de la mesure est due à l'acquisition du signal, et en particulier au choix du détecteur approprié (d'utilisation difficile) et au transfert de ce signal entre la tête de mesure et le dispositif In these known devices, one of the measurement difficulties is due to the acquisition of the signal, and in particular to the choice of the appropriate detector (of difficult use) and to the transfer of this signal between the measurement head and the device.
de traitement de ce signal (parasitage électromagnétique). processing this signal (electromagnetic interference).
Une autre difficulté est liée à l'existence de phénomènes de couplages parasites entre les diverses directions de mesure de l'accélération. Si on considère par exemple un trièdre cartésien de référence, on doit pouvoir faire la mesure Another difficulty is linked to the existence of parasitic coupling phenomena between the various directions of measurement of acceleration. If we consider for example a reference Cartesian trihedron, we must be able to measure
de l'accélération indépendamment sur chacun des trois axes. acceleration independently on each of the three axes.
Dans certains dispositifs connus, les contraintes appliquées dans une direction entrainent des cisaillements dans les autres directions (ce qui est par exemple le cas lorsque l'on met en oeuvre la biréfringence sous contrainte d'un cristal), et par In certain known devices, the stresses applied in one direction cause shearing in the other directions (which is for example the case when the birefringence under stress of a crystal is implemented), and by
conséquent des couplages parasites entre directions principales. consequent parasitic couplings between principal directions.
La présente invention a pour objet un procédé permettant de mesurer facilement et de façon la plus précise The subject of the present invention is a method for easily and most precisely measuring
possible des accélérations.possible accelerations.
La présente invention a également pour objet un accéléromètre dont le capteur soit simple et facile à mettre en oeuvre, dont le signal de mesure ne soit pratiquement pas sensible à des parasites électromagnétiques, et qui ne présente pas.de couplages parasites entre les différentes directions de mesure. Le procédé conforme à l'invention, pour la mesure d'accélérations selon au moins un axe, consiste, pour chaque axe concerné, à imposer une compression isotrope, fonction de l'accélération selon cet axe, à une fibre optique en appliquant, à partir de cet axe, une contrainte hydrostatique à cette fibre, et à mesurer de façon optoélectronique les variations de The present invention also relates to an accelerometer, the sensor of which is simple and easy to implement, the measurement signal of which is practically not sensitive to electromagnetic interference, and which does not have parasitic couplings between the different directions of measured. The method according to the invention, for measuring accelerations along at least one axis, consists, for each axis concerned, in imposing isotropic compression, a function of the acceleration along this axis, on an optical fiber by applying, to from this axis, a hydrostatic constraint to this fiber, and to measure optoelectronically the variations of
paramètres physiques induites par les déformations de la fibre. physical parameters induced by fiber deformations.
La mesure peut être effectuée soit par polarimétrie, soit par interférométrie. Dans le cas de mesures de biréfringence par polarimétrie, on utilise une seule fibre optique, ce qui évite des disparités de comportement entre les deux bras de l'interféromètre. L'accéléromètre conforme à l'invention, pour la mesure d'accélérations selon au moins un axe, comporte, pour chaque axe de mesure, une masse mobile selon cet axe, cette masse imposant, par l'intermédiaire d'un fluide pratiquement incompressible, une contrainte à une fibre optique à structure anisotrope dont on mesure la variation de biréfringence sous The measurement can be carried out either by polarimetry or by interferometry. In the case of birefringence measurements by polarimetry, a single optical fiber is used, which avoids disparities in behavior between the two arms of the interferometer. The accelerometer according to the invention, for measuring accelerations along at least one axis, comprises, for each measurement axis, a mass movable along this axis, this imposing mass, by means of a practically incompressible fluid , a constraint to an optical fiber with an anisotropic structure whose variation in birefringence is measured under
l'effet de la contrainte.the effect of duress.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la The invention will be better understood on reading the
description détaillée de plusieurs modes de réalisation, pris à detailed description of several embodiments, taken at
titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique de la partie optique et électronique d'un accéléromètre conforme à l'invention, - la figure 2 est une vue en coupe simplifiée d'une tête de mesure de l'accéléromètre de la figure 1, - la figure 3 est une vue en coupe transversale d'une fibre optique utilisée dans l'accéléromètre de la figure 1, et - les figures 4 et 5 sont des vues schématiques de variantes de connexion de têtes de mesures, conformément à l'invention. L'accéléromètre représenté en figure 1 est destiné à la mesure d'accélérations selon les trois axes Ox, Oy et Oz d'un trièdre de référence cartésien, mais il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée à un tel mode de réalisation, et peut être mise en oeuvre pour la mesure d'accélérations selon un seul axe ou plusieurs, qui ne sont pas forcément ceux d'un by way of nonlimiting examples and illustrated by the appended drawing, in which: - Figure 1 is a schematic view of the optical and electronic part of an accelerometer according to the invention, - Figure 2 is a simplified sectional view of a measuring head of the accelerometer of FIG. 1, - FIG. 3 is a cross-sectional view of an optical fiber used in the accelerometer of FIG. 1, and - FIGS. 4 and 5 are views schematics of connection variants of measurement heads, in accordance with the invention. The accelerometer shown in FIG. 1 is intended for the measurement of accelerations along the three axes Ox, Oy and Oz of a Cartesian reference trihedron, but it is understood that the invention is not limited to such a mode and can be implemented for the measurement of accelerations along a single axis or several, which are not necessarily those of a
trièdre cartésien.Cartesian trihedron.
L'accéléromètre 1 de la figure 1 comporte trois têtes de mesure identiques 2,3,4 orientées respectivement selon les axes Ox, Oy et Oz. La partie optique de chacune de ces têtes 2 à 4 est constituée par une fibre optique, respectivement référencée 5 à 7. Dans l'exemple représenté, ces trois fibres sont reliées en série, mais elles pourraient tout aussi bien être en parallèle ou en dérivation. Ces fibres sont des fibres The accelerometer 1 in FIG. 1 has three identical measuring heads 2,3,4 oriented respectively along the axes Ox, Oy and Oz. The optical part of each of these heads 2 to 4 is constituted by an optical fiber, respectively referenced 5 to 7. In the example shown, these three fibers are connected in series, but they could just as easily be in parallel or in derivation . These fibers are fibers
biréfringentes à maintien de polarisation. polarization maintaining birefringents.
Une source 8 d'impulsions lumineuses, comportant par exemple une diode superluminescente, est reliée à une extrémité du circuit série formé par les trois fibres, par exemple à A source 8 of light pulses, comprising for example a superluminescent diode, is connected to one end of the series circuit formed by the three fibers, for example at
l'extrémité libre de la fibre 7.the free end of the fiber 7.
L'extrémité libre de la fibre 5 est reliée via une fibre 9 de déport à un interféromètre 10. Dans l'exemple représenté, l'interféromètre 10 est de type Michelson, mais on The free end of the fiber 5 is connected via an offset fiber 9 to an interferometer 10. In the example shown, the interferometer 10 is of the Michelson type, but we
pourrait utiliser tout autre type d'interféromètre. could use any other type of interferometer.
Dans le cas représenté de fibres de têtes de mesure disposées en série, on prévoit des points de couplage 11 à 13 à la sortie (vis-à-vis du signal lumineux provenant de la source) de chaque fibre 7,6,5 respectivement. Ces points de couplage servent, de façon connue en soi, à la séparation optique des trois voies par couplage d'une faible partie (par exemple 10 à -3 ) de l'énergie d'un axe de polarisation vers l'autre axe de polarisation. On a représenté en figure 2 une tête de mesure de l'accéléromètre de la figure 1, par exemple la tête 2. Cette tête 2 comporte une masse mobile 14 solidaire d'un piston 15, ce piston ayant de préférence une faible section. Le piston 15 passe dans l'ouverture 16 d'une cavité fermée 17. Le piston 15 obture de façon étanche l'ouverture 10 mais peut s'y déplacer In the illustrated case of fibers of measuring heads arranged in series, coupling points 11 to 13 are provided at the output (with respect to the light signal coming from the source) of each fiber 7,6,5 respectively. These coupling points serve, in a manner known per se, for the optical separation of the three channels by coupling a small part (for example 10 to -3) of the energy from one axis of polarization to the other axis of polarization. FIG. 2 shows a measurement head of the accelerometer of FIG. 1, for example the head 2. This head 2 comprises a movable mass 14 secured to a piston 15, this piston preferably having a small section. The piston 15 passes into the opening 16 of a closed cavity 17. The piston 15 seals the opening 10 but can move there
avec des frottements négligeables.with negligible friction.
La cavité 17 est entièrement emplie d'un liquide 18 pratiquement incompressible ou tout au moins très faiblement compressible. Dans la cavité 18 est enroulée la fibre 5. La fibre 5 a une structure permettant de mesurer les variations de pression du liquide 18, ce qui lui permet de constituer un capteur Intrinsèque de ces contraintes, donc de l'accélération à The cavity 17 is completely filled with a liquid 18 which is practically incompressible or at least very slightly compressible. In the cavity 18 the fiber 5 is wound. The fiber 5 has a structure making it possible to measure the variations in pressure of the liquid 18, which allows it to constitute an intrinsic sensor of these constraints, therefore of the acceleration at
laquelle est soumise la masse 14.which is subject to mass 14.
La fibre 5,; du type à maintien de polarisation, a une structure anisotrope et biréfringente, et c'est la variation de biréfringence sous l'effet desdites contraintes que l'on mesure Fiber 5 ,; of the polarization maintaining type, has an anisotropic and birefringent structure, and it is the variation of birefringence under the effect of said stresses that is measured
à l'aide de l'interféromètre 10.using the interferometer 10.
On a représenté en figure 3, un exemple de structure de fibre 19 utilisable dans les têtes de mesure du dispositif de l'invention. La fibre 19 a une structure, connue sous l'appellation "FASE", permettant de séparer les variations de pression et de température. L'âme 20 de la fibre 19 a un revêtement 21 classique, mais de chaque côté du coeur 22 deux FIG. 3 shows an example of a fiber structure 19 which can be used in the measuring heads of the device of the invention. Fiber 19 has a structure, known under the name "FASE", making it possible to separate variations in pressure and temperature. The core 20 of the fiber 19 has a conventional coating 21, but on each side of the core 22 two
évidements symétriques 23,24 sont pratiqués dans cette âme. symmetrical recesses 23,24 are practiced in this soul.
Grâce à une telle structure, une pression isotrope est transformée en contrainte anisotrope sur la fibre. Les biréfringences B- et B selon deux directions orthogonales, x y correspondant à l'axe lent et l'axe rapide de propagation dans la fibre, varient alors de façons inégales en fonction des variations de pression sur la fibre et induisent donc des variations inégales de trajet optique pour chacune des deux Thanks to such a structure, an isotropic pressure is transformed into an anisotropic stress on the fiber. The birefringences B- and B according to two orthogonal directions, xy corresponding to the slow axis and the fast axis of propagation in the fiber, then vary in unequal ways according to the variations of pressure on the fiber and thus induce unequal variations of optical path for each of the two
polarisations lumineuses introduites dans la fibre. light polarizations introduced into the fiber.
De façon plus détaillée, le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant. Les mouvements de la masse mobile 14 (et du piston 15), dans une direction imposée par la configuration du montage de cette masse m (axe 2A de la tête 2), sous l'effet d'une accélération, soumettent le piston 15 A une force F. Cette force soumet le liquide 18 A une pression P = F/S, o S est la surface de l'extrémité frontale 15A du piston 15. Par conséquent, des variations d'accélération A K génèrent des variations de pression i[ données par: A P = (m/S). M ' Dans un exemple de réalisation m = lkg, et le piston a un diamètre de 2 mm, donc S = 3,14.10 6m2. On a alors P = (1/3,14).106A' = 3,2.105 le In more detail, the operation of the device of the invention is as follows. The movements of the moving mass 14 (and of the piston 15), in a direction imposed by the configuration of the mounting of this mass m (axis 2A of the head 2), under the effect of an acceleration, subject the piston 15 A a force F. This force subjects the liquid 18 to a pressure P = F / S, where S is the surface of the front end 15A of the piston 15. Consequently, variations in acceleration AK generate variations in pressure i [ given by: AP = (m / S). M 'In an exemplary embodiment m = lkg, and the piston has a diameter of 2 mm, therefore S = 3.14.10 6m2. We then have P = (1 / 3.14) .106A '= 3.2.105 the
Pour IA= lms-2, on obtient-lP = 3,2.105 Pascal. For IA = lms-2, we get-lP = 3.2.105 Pascal.
On a ainsi transformé les variations d'accélération en variations de pression qui peuvent être mesurées grâce A la fibre optique enroulée au sein du liquide. La mesure consiste à The variations in acceleration have thus been transformed into variations in pressure which can be measured by means of the optical fiber wound in the liquid. The measure consists of
détecter la variation de biréfringence de la fibre optique. detect the birefringence variation of the optical fiber.
Cette variation de biréfringence peut en particulier être obtenue dans une fibre optique biréfringente A maintien de polarisation dans laquelle on peut mesurer les variations de vitesse de propagation de trains d'ondes polarisées linéairement This variation in birefringence can in particular be obtained in a birefringent optical fiber with polarization maintenance in which the variations in propagation speed of linearly polarized wave trains can be measured.
selon deux directions principales (axes propres de la fibre). in two main directions (own axes of the fiber).
L'interféromètre 10 permet de mesurer les déphasages accumulés dans les trois têtes 2 A 4 et leurs variations en The interferometer 10 makes it possible to measure the phase shifts accumulated in the three heads 2 to 4 and their variations in
fonction de celle de la pression, donc celle de l'accélération. as a function of that of pressure, therefore that of acceleration.
Selon un exemple de réalisation, si la sensibilité de lecture est de 1 frange pour 105 Pascal par mètre de fibre, et si une tête de mesure comporte 10 mètres de fibre optique (enroulée dans la cavité 17), la variation] P de pression détectée par frange d'interférence est alors de 104 Pascal et la variation d'accélération I < détectée par frange est, pour l'exemple précité de piston A diamètre de 2 mm: = (S/m). P (3,14.106/1).104 3.214.10 ms =3.14.10 ms On peut augmenter la sensibilité du dispositif de l'invention en augmentant la longueur de fibre dans la cavité 17 et en appliquant un traitement -approprié au signal arrivant à l'interféromètre. L'interféromètre 10 avec son circuit de traitement de signal peuvent avantageusement être déportés par According to an exemplary embodiment, if the reading sensitivity is 1 fringe for 105 Pascal per meter of fiber, and if a measurement head comprises 10 meters of optical fiber (wound in the cavity 17), the variation] P of pressure detected per interference fringe is then 104 Pascal and the variation in acceleration I <detected by fringe is, for the aforementioned example of piston A diameter of 2 mm: = (S / m). P (3.14.106 / 1) .104 3.214.10 ms = 3.14.10 ms The sensitivity of the device of the invention can be increased by increasing the length of fiber in the cavity 17 and by applying a processing appropriate to the incoming signal. at the interferometer. The interferometer 10 with its signal processing circuit can advantageously be offset by
rapport aux têtes (ou à la tête unique) de mesure. report to the measuring heads (or to the single head).
On peut utiliser plusieurs têtes de mesure de l'invention pour des mesures dans des directions de mesure différentes, sans qu'il y ait entre elles un quelconque couplage, notamment de cisaillement. Les mesures selon ces directions différentes sont fortement découplées Ies unes par Several measurement heads of the invention can be used for measurements in different measurement directions, without there being any coupling between them, in particular of shear. The measurements along these different directions are strongly decoupled from each other
rapport aux autres.compared to others.
Les fibres optiques des têtes de mesure de l'invention peuvent être disposées en série, comme représenté en figure 1, en parallèle comme schématisé en figure 4 (sur cette figure 4, les différentes sources sont référencées SI à S3 et les interféromètres Il à I3), ou en dérivation comme schématisé en figure 5 (sur la figure 5, la source unique est référencée S et l'interféromètre I, les branches comportant les fibres 2 et 4 étant reliées par des coupleurs à la branche comportant la fibre 3). Bien entendu, l'interféromètre de lecture est adapté, de façon connue pour l'homme de l'art, à ces différentes configurations. Dans le cadre de l'invention, une augmentation supplémentaire de la sensibilité et de la stabilité de mesure de l'accéléromètre peut être obtenue à l'aide d'une bobine de fibre supplémentaire, biréfringente et de même nature que la fibre de mesure, mais qui n'est pas soumise aux variations de pression dans le fluide, et dont Ies axes principaux de biréfringence The optical fibers of the measurement heads of the invention can be arranged in series, as shown in FIG. 1, in parallel as shown diagrammatically in FIG. 4 (in this FIG. 4, the different sources are referenced SI to S3 and the interferometers II to I3 ), or in derivation as shown diagrammatically in FIG. 5 (in FIG. 5, the single source is referenced S and the interferometer I, the branches comprising the fibers 2 and 4 being connected by couplers to the branch comprising the fiber 3). Of course, the reading interferometer is adapted, in a manner known to those skilled in the art, to these different configurations. In the context of the invention, an additional increase in the sensitivity and measurement stability of the accelerometer can be obtained using an additional fiber coil, birefringent and of the same nature as the measurement fiber, but which is not subject to variations in pressure in the fluid, and whose main axes of birefringence
sont croisés à 90 par rapport à ceux de la fibre de mesure. are crossed at 90 relative to those of the measuring fiber.
Cette bobine supplémentaire permet de compenser les déphasages parasites dus notamment aux variations de température. Dans le cas du montage en série ou en 'dérivation des différentes têtes de mesure, il suffit d'une seule bobine supplémentaire. Dans le cas du montage en parallèle, il en faut une pour chaque branche This additional coil makes it possible to compensate for parasitic phase shifts due in particular to temperature variations. In the case of series connection or bypass of the different measuring heads, a single additional coil is sufficient. In the case of parallel mounting, one is required for each branch
du montage.of the assembly.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| CL | Concession to grant licences | ||
| CD | Change of name or company name | ||
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20060131 |