FR2697910A1 - Dispositif de mesure d'une grandeur physique par codage temporel. - Google Patents

Abstract

- La présente invention concerne un dispositif de mesure d'une grandeur physique par codage temporel, comprenant une source (1) susceptible d'engendrer des impulsions lumineuses, des moyens de codage (2) dont la position dépend de la valeur de ladite grandeur physique, un capteur (4) comprenant des moyens d'émission (5) desdites impulsions lumineuses vers lesdits moyens de codage (2) et des moyens de réception (6) des impulsions lumineuses codées, et des moyens (7) d'analyse des impulsions lumineuses codées, reliés audit capteur. - Selon l'invention, ladite source (1) est susceptible d'engendrer simultanément des impulsions lumineuses à deux longueurs d'onde différentes (lambda1, lambda2), et le capteur (4) est associé à des moyens (9a) de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde, les impulsions lumineuses à une première longueur d'onde (lambda1) traversant ledit capteur (4) et étant codées, tandis que les impulsions lumineuses à une deuxième longueur d'onde (lambda2) sont renvoyées vers les moyens d'analyse (7) pour constituer des impulsions de déclenchement du capteur.

Description

i La présente invention concerne un dispositif de mesure d'une grandeur

physique, à l'aide d'un capteur qui peut être

notamment un capteur de position à fibres optiques.

Ce dispositif est plus particulièrement destiné à être mis en oeuvre dans le domaine aéronautique En effet, les capteurs de position sur un avion sont installés dans un environnement sévère (vibrations, fluides, moisissures, perturbations électromagnétiques) et nécessitent une grande

sensibilité, notamment autour d'une valeur particulière.

Toutefois, le champ d'application de ce dispositif peut s'étendre au contrôle de processus industriels dans lesquels sont impliqués des éléments mobiles (machines-outils,

chaînes de montage notamment), travaillant dans des environ-

nements sévères et/ou dangereux Il va de soi, par ailleurs, que la position n'est pas la seule grandeur physique qui peut être mesurée grâce au dispositif de l'invention, comme

on le verra plus en détail par la suite.

Deux types de capteurs de position, utilisant en particulier des fibres optiques, ont été étudiés et développés: d'une

part, les capteurs à codage dans le spectre et, d'autre part, les capteurs à codage temporel.

La première solution est avantageuse pour des raisons de compacité et parce qu'elle utilise des composants fiables et peu coûteux du type diodes électroluminescentes Toutefois,25 il est difficile d'intégrer un dispositif de ce type dans un réseau pour les raisons suivantes D'une part, il occupe toute la fenêtre spectrale de la fibre optique, excluant ainsi toute forme de multiplexage chromatique D'autre part, la barrette CCD utilisée dans ce dispositif ayant un temps30 d'intégration de l'ordre de 10 ms, le multiplexage temporel de tels capteurs supposerait que les capteurs soient écartés les uns des autres d'une distance prohibitive Dans le cas o l'utilisation d'un réseau de capteurs est envisagée, il convient donc d'avoir recours à la solution du codage temporel. Ainsi, par exemple, le document FR-A-2 610 465 décrit un dispositif de mesure d'une grandeur physique par codage temporel, comprenant:

une source susceptible d'engendrer des impulsions lumineu-

ses; des moyens de codage dont la position dépend de la valeur de ladite grandeur physique; des premiers moyens de transmission desdites impulsions lumineuses de ladite source à au moins un capteur; ledit capteur comprenant des moyens d'émission desdites impulsions lumineuses vers lesdits moyens de codage,

agencés à l'extrémité desdits premiers moyens de transmis-

sion en regard desdits moyens de codage, et des moyens de réception des impulsions lumineuses codées; et des moyens d'analyse des impulsions lumineuses codées,

reliés audit capteur par des seconds moyens de transmis-

sion. Dans ce cas, le capteur comporte un tronçon de fibre optique de longueur déterminée entre un connecteur intermédiaire, produisant par réflexion une impulsion de référence, et25 l'élément sensible du capteur produisant une impulsion de mesure, qui est ainsi séparée de l'impulsion de référence

d'un intervalle de temps élémentaire, les impulsions de référence et de mesure étant transmises par la même fibre optique à la même longueur d'onde Les moyens d'analyse30 détectent l'état de fonctionnement du capteur, conditionné par la présence ou l'absence de ladite impulsion de réfé-

rence dans les signaux qu'ils reçoivent.

Toutefois, le fait de n'utiliser qu'une seule longueur

d'onde pour les impulsions de référence et de mesure pré-

sente des risques de confusion de celles-ci au niveau des moyens d'analyse, par exemple dans le cas o le décalage dans le temps de ces impulsions serait affecté pour une raison quelconque, de sorte que l'impulsion de référence ne puisse plus être détectée parmi l'ensemble des signaux reçus

par les moyens d'analyse.

La présente invention a pour but d'éviter cet inconvénient, et concerne un dispositif de mesure d'une grandeur physique par codage temporel, qui est simple, fiable et qui permet de déclencher de façon extrêmement précise l'acquisition des

réponses du capteur en évitant tout risque d'erreur.

A cet effet, le dispositif de mesure d'une grandeur physique

par codage temporel, du type décrit ci-dessus, est remarqua- ble, selon l'invention, en ce que ladite source est suscepti-

ble d'engendrer simultanément des impulsions lumineuses à au moins deux longueurs d'onde différentes, et en ce que le capteur est associé à des premiers moyens de séparation des20 impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde, agencés en amont desdits moyens d'émission et de réception, les impulsions lumineuses à une première longueur d'onde traversant ledit capteur et étant codées avant d'être renvoyées vers les moyens d'analyse, tandis que les impul-25 sions lumineuses à une deuxième longueur d'onde sont ren- voyées vers les moyens d'analyse avant d'atteindre les

moyens de codage en vue de constituer des impulsions de déclenchement du capteur.

Ainsi, les moyens d'analyse reçoivent, dans un premier temps, une impulsion à la deuxième longueur d'onde, ce qui permet de déclencher de façon synchronisée l'acquisition de la séquence d'impulsions codées à la première longueur d'onde, provenant du capteur L'impulsion à la deuxième longueur d'onde sert donc de signal de synchronisation de message, en évitant tout risque de confusion entre les

signaux de déclenchement et les signaux de mesure.

Avantageusement, lesdits premiers et seconds moyens de transmission sont constitués par des fibres optiques. De préférence, lesdits moyens d'émission et de réception des impulsions lumineuses sont constitués par une pluralité de paires d'éléments individuels d'émission et de réception, les éléments de chaque paire étant agencés en regard l'un de l'autre et de part et d'autre, respectivement, desdits moyens de codage, et étant reliés auxdits premiers moyens de

transmission par des lignes à retard via un coupleur.

Dans un premier cas, les éléments individuels de réception sont adaptés pour réfléchir les impulsions lumineuses codées

et les renvoyer aux moyens d'analyse à travers les éléments d'émission correspondants.

Dans ce cas, lesdits premiers moyens de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde sont avantageusement constitués par un filtre laissant20 passer les impulsions lumineuses à la première longueur d'onde, mais réfléchissant les impulsions lumineuses à la

deuxième longueur d'onde vers les moyens d'analyse.

Dans un second cas, les éléments individuels de réception

sont adaptés pour transmettre les impulsions lumineuses25 codées aux moyens d'analyse via lesdits seconds moyens de transmission.

Dans ce dernier cas, lesdits premiers moyens de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde peuvent être constitués par des moyens de dérivation des impulsions lumineuses à la deuxième longueur d'onde

entre l'entrée et la sortie du capteur.

De préférence, les moyens de dérivation comprennent un démultiplexeur en longueur d'onde, disposé à l'entrée du capteur et dont une sortie délivre les impulsions à la première longueur d'onde traversant le capteur et dont l'autre sortie, délivrant les impulsions à la deuxième longueur d'onde, est reliée à une entrée d'un multiplexeur

en longueur d'onde recevant, à son autre entrée, les impul-

sions codées à la première longueur d'onde.

Lorsque des capteurs de ce type sont connectés en réseau et scrutés par multiplexage temporel, il est nécessaire de résoudre des problèmes de gestion de ce réseau et plus particulièrement de gestion des acquisitions des réponses

des capteurs.

Selon une conception classique, l'acquisition des réponses

des capteurs suppose que la topologie du réseau soit parfai-

tement connue des moyens d'analyse, soit par construction,

comme c'est notamment le cas des capteurs numériques commer-

cialisés par la Société TELEDYNE RYAN, soit par apprentis- sage électronique, comme c'est le cas par exemple du réseau

OPTONET de la Société PHOTONETICS Les moyens d'analyse doivent en effet connaître très précisément les instants auxquels les réponses des capteurs parviennent sur leurs25 photodétecteurs.

Ainsi, toute intervention qui modifie par exemple la lon-

gueur des fibres optiques de transmission des informations perturbe l'acquisition des données provenant des capteurs.

C'est pourquoi, pour éviter ces inconvénients, un dispositif tel que défini précédemment, comportant un réseau d'une pluralité de capteurs, est remarquable, selon l'invention, en ce que ladite source est susceptible d'engendrer des impulsions lumineuses à une troisième longueur d'onde, et en ce que des seconds moyens de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde sont prévus, en amont desdits capteurs, pour renvoyer les impulsions lumineuses à la troisième longueur d'onde vers lesdits moyens d'analyse en vue de constituer des impulsions de déclenchement du réseau et laisser passer les impulsions

lumineuses aux deux premières longueurs d'onde.

Dans un premier cas, o les capteurs du dispositif fonction-

nent par réflexion, la pluralité de capteurs sont reliés en parallèle aux sorties d'un coupleur via des lignes à retard, et ledit coupleur est associé à un filtre de réflexion des impulsions à la troisième longueur d'onde, constituant

lesdits seconds moyens de séparation.

Dans un second cas, o les capteurs du dispositif fonction-

nent par transmission, la pluralité de capteurs sont reliés en parallèle entre un coupleur de distribution d'entrée via des lignes de retard et un coupleur de brassage de sortie, lesdits coupleurs étant associés à des moyens de dérivation des impulsions lumineuses à la troisième longueur d'onde

entre l'entrée du coupleur de distribution et la sortie du coupleur de brassage, constituant lesdits seconds moyens de séparation.

De préférence, dans ce dernier cas, lesdits moyens de dérivation comprennent un démultiplexeur en longueur d'onde,

à l'entrée du coupleur de distribution, dont une sortie délivre les impulsions lumineuses aux deux premières lon-

gueurs d'onde audit coupleur de distribution, et dont une30 autre sortie, délivrant les impulsions lumineuses à la troisième longueur d'onde, est reliée, en aval du coupleur de brassage, à une entrée d'un multiplexeur en longueur d'onde recevant à une autre entrée les impulsions lumineuses codées et les impulsions lumineuses de déclenchement des

capteurs, délivrées par le coupleur de brassage.

Par ailleurs, la source susceptible d'engendrer des impul-

sions lumineuses peut comprendre des diodes laser multimo-

des. Avantageusement, la source susceptible d'engendrer des impulsions lumineuses et les moyens d'analyse sont associés, respectivement, à des moyens de multiplexage et à des moyens de démultiplexage des impulsions lumineuses aux différentes

longueurs d'onde.

De plus, les moyens d'analyse sont susceptibles de localiser une défaillance du dispositif par contrôle de la présence ou

de l'absence d'impulsions de déclenchement.

Par ailleurs, chaque capteur peut être un capteur de posi-

tion ou de déplacement.

Dans les capteurs connus, les moyens de codage se présentent

sous la forme d'une plaque présentant des zones successive-

ment réfléchissantes ou non, permettant d'engendrer une séquence d'impulsions codées en fonction de la position de

la plaque par rapport à des moyens d'émission et de récep-

tion d'impulsions lumineuses Cependant, cette structure présente un certain nombre d'inconvénients au niveau de la protection contre les agressions dues à l'environnement car

elle est notamment très sensible à la présence de poussiè-

res Par ailleurs, si la plaque se déforme et n'est plus située dans un plan perpendiculaire aux moyens d'émission et

de réception, par exemple à la suite d'un mauvais montage ou d'une usure mécanique des pièces, l'amplitude des impulsions réfléchies, et donc le taux d'erreur binaire sur chaque voie30 de détection, sont affectés.

Pour éviter ces inconvénients, selon l'invention, les moyens

de codage, disposés entre lesdits moyens d'émission et lesdits moyens de réception, sont constitués par un masque comportant des zones opaques et des zones transparentes5 auxdites impulsions lumineuses, lesdites zones étant agen- cées selon une configuration de codage déterminée.

Avantageusement, ledit masque comporte des pistes de codage

de position et des pistes de codage de parité, comportant chacune des zones opaques et des zones transparentes.

Par ailleurs, la configuration de codage peut être une configuration de code binaire ou bien une configuration de

code de GRAY De même, la configuration de codage peut présenter une quantification uniforme ou bien une quantifi- cation logarithmique.

Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée Sur ces figures, des réfé-

rences identiques désignent des éléments semblables.

La figure la est un schéma synoptique très simplifié d'un premier exemple de réalisation du dispositif de mesure d'une20 grandeur physique selon l'invention, fonctionnant par réflexion. La figure lb est un schéma synoptique très simplifié d'un deuxième exemple de réalisation du dispositif de mesure d'une grandeur physique selon l'invention, fonctionnant par

transmission.

La figure 2 montre, plus en détail, un exemple de dispositif

selon l'invention, conforme à la figure la.

Les figures 3 a et 3 b sont des chronogrammes montrant, respectivement, les signaux de déclenchement et les signaux de mesure obtenus par mise en oeuvre du dispositif de la

figure 2.

La figure 4 montre un détail d'une variante de réalisation

du dispositif selon la figure 2.

La figure 5 montre, de façon très schématique, l'adaptation du dispositif selon l'invention à un réseau de capteurs

fonctionnant par réflexion.

Les figures 6 a et 6 b sont des chronogrammes montrant,

respectivement, les signaux de déclenchement et les signaux10 de mesure, obtenus par mise en oeuvre du dispositif de la figure 5.

La figure 7 est un schéma synoptique d'un autre exemple de

réalisation du dispositif de l'invention, dans lequel une troisième longueur d'onde sert de signal de déclenchement du15 réseau de capteurs fonctionnant, dans ce cas, par réflexion.

Les figures 8 a, 8 b et 8 c sont des chronogrammes montrant,

respectivement, le signal de déclenchement du réseau, les signaux de déclenchement des capteurs, et les signaux de mesure, obtenus par mise en oeuvre du dispositif de la20 figure 7.

La figure 9 est un schéma synoptique, semblable à la figure

7, pour un réseau de capteurs fonctionnant par transmission.

Les figures 10 a, l Ob et l Oc sont des chronogrammes montrant, respectivement, le signal de déclenchement du réseau, les25 signaux de déclenchement des capteurs, et les signaux de mesure, obtenus par mise en oeuvre du dispositif de la

figure 9.

La figure 11 montre un exemple d'agencement des pistes à zones transparentes et opaques d'un masque utilisé comme

moyens de codage dans le dispositif selon l'invention.

Les figures la et lb illustrent très schématiquement des premier et second exemples de réalisation du dispositif de mesure selon l'invention, dont le capteur fonctionne,

respectivement, par réflexion et par transmission.

Sur ces figures, le dispositif de mesure d'une grandeur physique par codage temporel comprend généralement une

source 1 susceptible d'engendrer simultanément des impul-

sions lumineuses à deux longueurs d'onde différentes X 1,X 2, des moyens de codage 2 dont la position dépend de la valeur de ladite grandeur physique (le déplacement des moyens de codage peut s'effectuer dans un plan P perpendiculaire au plan des figures la,lb, ou encore les moyens de codage peuvent effectuer une rotation sur eux-mêmes dans ce plan P), des moyens de transmission 3 (constitués notamment par une fibre optique) des impulsions lumineuses de la source 1 à un capteur 4, lequel comprend des moyens d'émission 5 des impulsions lumineuses vers les moyens de codage 2, agencés à l'extrémité des moyens de transmission 3 en regard desdits moyens de codage 2, et des moyens de réception 6 des impul- sions lumineuses codées On notera à ce propos que, bien qu'il soit possible d'utiliser, en tant que moyens de25 codage, un masque sous forme de plaque présentant des zones successives réfléchissantes ou non, les moyens de codage employés dans le cadre de cette invention présentent des zones transparentes ou non aux impulsions lumineuses, réparties selon un certain code, de sorte que l'on obtient30 l'agencement montré sur les figures la et lb, et les figures suivantes, dans lequel les moyens d'émission 5 et les moyens de réception 6 sont disposés de part et d'autre des moyens de codage 2 Par ailleurs, le dispositif comprend des moyens 7 d'analyse des impulsions lumineuses codées, reliés au il capteur 4 par une liaison 8 notamment par fibre optique, et des moyens de séparation 9 a,9 b des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde Xl ou X 2, agencés en amont, dans le sens de propagation des impulsions lumineuses, des moyens d'émission 5 et de réception 6, les impulsions lumineuses à une première longueur d'onde il traversant le capteur 4 et étant codées avant d'être renvoyées aux moyens d'analyse 7, tandis que les impulsions lumineuses à une deuxième longueur d'onde X 2 sont renvoyées vers les moyens d'analyse 7 sans traverser le codeur 2 en vue de constituer

des impulsions de déclenchement du capteur.

Les moyens de séparation peuvent être constitués par un filtre 9 a (figure la) ou par une dérivation 9 b (figure lb),

comme on le verra plus en détail par la suite.

La figure 2 montre, plus en détail, un exemple de dispositif

selon l'invention, conforme à la figure la.

Sur cette figure, deux diodes laser 10 et 11 émettant des impulsions lumineuses à deux longueurs d'onde différentes À 1 et X 2 (par exemple 0, 85 micromètre et 1,3 micromètre) sont reliées à une alimentation électrique (non représentée) par la liaison 12, et constituent la source 1 précédemment citée Ces diodes sont pilotées par un signal impulsionnel, tandis que les impulsions lumineuses émises sont appliquées à des bornes de coupleurs directifs 13 et 14 respectivement, eux-mêmes reliés à un multiplexeur/démultiplexeur en lon- gueur d'onde 15 Une autre borne de chacun des coupleurs

directifs 13 et 14 est reliée à des récepteurs 17 et 18 respectivement, dont les sorties sont reliées aux moyens d'analyse proprement dits (non représentés sur cette fi-30 gure).

Par ailleurs, le multiplexeur/démultiplexeur 15 est relié, par une fibre optique 3, au filtre interférentiel 9 a de réflexion des impulsions à la deuxième longueur d'onde X 2 dans la fibre 3 Les impulsions à la première longueur d'onde il sont quant à elles dirigées vers le capteur 4, comprenant, dans ce cas, un coupleur en étoile 19 associé, par des lignes à retard 20 (fibres optiques de différentes

longueurs), à une pluralité d'éléments individuels d'émis-

sion 21 disposés en regard du codeur 2 et vis-à-vis d'élé-

ments individuels de réception 22.

On rappelle que le dispositif illustré sur cette figure

comporte un capteur 4 fonctionnant par réflexion, c'est-à-

dire qu'il reçoit des impulsions de la source et renvoie une séquence d'impulsions codées correspondantes par la même fibre optique 3 Pour ce faire, les éléments individuels de réception 22 doivent être des éléments réfléchissant à ladite première longueur d'onde (par exemple Xl = 0,85 micromètre), et peuvent être constitués, chacun, d'une

lentille à gradient d'indice présentant une surface réflé- chissante 22 1 De même, les éléments individuels d'émission 21 peuvent être constitués, chacun, d'une lentille à gra-

dient d'indice.

Ainsi, comme déjà indiqué, les moyens d'analyse reliés aux

récepteurs 17 et 18 reçoivent, dans un premier temps, une impulsion de déclenchement du capteur à la deuxième longueur d'onde U 2, ce qui permet de déclencher de façon très précise25 l'acquisition de la séquence d'impulsions codées à la première longueur d'onde Àl, provenant du capteur L'impul-

sion à la deuxième longueur d'onde X 2 sert donc de signal de synchronisation de message Cela est illustré sur les figures 3 a et 3 b qui sont des chronogrammes montrant,30 respectivement, les signaux de déclenchement 23 et les signaux de mesure 24 obtenus par mise en oeuvre du disposi-

tif de la figure 2 On notera que, sur ces chronogrammes ainsi que sur les suivants, on a volontairement omis les signaux parasites (dus aux réflexions sur des connecteurs optiques) pour des raisons de clarté de ces figures En tout

état de cause, de tels signaux parasites ne peuvent absolu-

ment pas être confondus avec soit les signaux de déclenche-

ment, soit les signaux de mesure.

La différence minimale de longueur des lignes à retard dépend de la durée de l'impulsion émise Pour diminuer la

longueur des lignes et par voie de conséquence l'encombre-

ment du capteur, il convient d'engendrer des impulsions de

faible durée compatibles avec la bande passante de la fibre.

Pour des impulsions ayant une largeur de 10 ns, la progres-

sion de chaque ligne sera d'au moins un mètre pour un

capteur fonctionnant en réflexion Pour minimiser l'en-

combrement du capteur, celles-ci peuvent être enroulées autour d'un cylindre dont le diamètre est suffisamment grand

pour ne pas engendrer des variations d'amplitude des impul-

sions dans chaque ligne.

Par ailleurs, le nombre des lignes dépend de la précision souhaitée Toutefois, la résolution d'un tel capteur, en tant que capteur de position linéaire, est limitée par la

taille du spot à la sortie de la lentille à gradient d'in-

dice, soit moins de 0,5 mm On peut cependant diminuer cette variation minimale détectable en ne plaçant pas l'extrémité de la fibre dans le plan focal de la lentille, c'est-à-dire contre sa face d'entrée, mais de façon légèrement décalée de cette dernière Ainsi, si on utilise des fibres de 50 micromètres de diamètre de coeur, la résolution peut être de

l'ordre de 100 micromètres ( 50 micromètres si les lentilles étaient parfaites).

De plus, les diodes laser seront de préférence des diodes multimodes afin d'éviter le bruit modal, tandis que, pour éviter tout risque de saturation du détecteur, on peut utiliser un capteur fonctionnant par transmission, ou un capteur "bifibre" Dans le cas o le dispositif selon

l'invention comporte un capteur fonctionnant par transmis-

sion (figure lb), les moyens de séparation 9 b des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde constituent une dérivation qui peut comporter un démultiplexeur en longueur d'onde 9 b 1, disposé à l'entrée du capteur 4 et

dont une sortie délivre des impulsions à la première lon-

gueur d'onde Xl traversant le capteur et dont l'autre sortie, délivrant les impulsions à la deuxième longueur d'onde X 2, est reliée (par une fibre optique) à une entrée d'un multiplexeur en longueur d'onde 9 b 2 recevant, à son autre entrée, les impulsions codées à la première longueur d'onde Xl Dans ce cas, le multiplexeur 9 b 2 est relié aux moyens d'analyse 7 par la liaison 8 (fibre optique) Le capteur fonctionnant en transmission permet de gagner

environ 7 d B, du fait de l'absence du coupleur émission-

réception, mais la longueur de chaque voie sera deux fois

plus grande que pour un capteur fonctionnant par réflexion.

La figure 4 montre un détail d'une variante de réalisation du dispositif selon la figure 2, sur lequel on a représenté uniquement la partie du dispositif comprenant le capteur du type "bifibre" Dans ce cas, on utilise une première fibre

d'entrée 3 a reliée à une borne d'un coupleur directif 25 dont une autre borne est reliée à une seconde fibre de sortie 3 b.

La figure 5 montre, de façon très schématique, l'adaptation du dispositif selon l'invention à un réseau de N capteurs.

Dans ce cas, la fibre optique 3 est reliée à une borne d'un coupleur directif 26, dont les autres bornes sont reliées, par des lignes à retard 27 1 à 27 n, aux capteurs respectifs30 4 1 à 4 n.

L'acquisition des données 29 1, 29 2, (figure 6 b) est déclenchée dès qu'un pic de synchronisation 28 (figure 6 a) est détecté Il n'est pas nécessaire de connaître l'adresse temporelle de chaque capteur dans le réseau, comme c'est le cas jusqu'à présent en matière de réseaux multiplexés

temporellement Il suffit d'espacer spatialement les cap-

teurs, de sorte que leurs réponses ne se chevauchent pas, en insérant éventuellement des lignes à retard La durée de la réponse d'un capteur 12 bits est de 120 ns si la largeur d'impulsion est de 10 ns, ce qui équivaut à une différence de chemin optique, parcouru par l'onde lumineuse entre deux

capteurs successifs, de douze mètres pour un réseau fonc-

tionnant par réflexion.

Toutefois, si, pour une raison quelconque, l'unité d'émis-

sion et l'unité de réception (acquisition) sont éloignées l'une de l'autre, cette dernière ne pourra pas déterminer l'origine des messages reçus, à moins de recopier les impulsions électriques de commande des diodes laser au niveau de l'unité d'acquisition, ce qui suppose de tirer un câble électrique En effet, celle-ci ne peut pas détecter, dans le flot des messages qui lui arrivent, celui qui correspond au premier capteur On propose donc d'utiliser une troisième longueur d'onde, différente des deux pre- mières, pour fournir un signal de déclenchement du réseau,

comme cela est illustré par les figures 8, 8 a-8 c, 9, et 10 a-l Oc et expliqué en détail ci-après.

L'architecture du dispositif montré sur la figure 7, fonc-

tionnant par réflexion, est globalement semblable à celle du dispositif de la figure 5 Ainsi, on voit sur cette figure les diodes laser 10 et 11, engendrant des impulsions lumi- neuses à des première Xl et deuxième X 2 longueurs d'onde, les coupleurs directifs 13 et 14, le multiplexeur/ démulti-30 plexeur 15, les récepteurs 17 et 18, la fibre optique 3, et les différents capteurs 4 1 à 4 N formant le réseau Comme

précédemment, ceux-ci sont reliés aux sorties d'un coupleur 26 à lignes de retard 27 1 à 27 n.

Cependant, comme indiqué, pour fournir un signal de déclen-

chement du réseau et ainsi faciliter le contrôle du fonction-

nement du réseau de capteurs, la source 1 comporte des moyens d'émission d'impulsions lumineuses à une troisième longueur d'onde X 3 Ces moyens peuvent être également constitués par une diode laser multimode 30 pilotée en même temps que les diodes laser 10 et 11 pour émettre dans la fibre optique 3 des impulsions lumineuses à une troisième longueur d'onde X 3 à travers un coupleur directif 31 et le

multiplexeur/démultiplexeur 15.

Par ailleurs, le coupleur 26 est associé à des moyens 32 de séparation des impulsions lumineuses à la troisième longueur d'onde À 3 par rapport auximpulsions lumineuses aux deux premières longueurs d'onde Xl et À 2, de façon à diriger ces dernières vers chaque capteur du réseau et à renvoyer les impulsions à la troisième longueur d'onde vers les moyens d'analyse 7-pour commander le déclenchement du réseau Ces moyens de séparation comprennent un filtre 32 de réflexion des impulsions lumineuses à la troisième longueur d'onde X 3

dans la fibre 3 en direction du récepteur 33, à travers le multiplexeur/démultiplexeur 15 et le coupleur directif 31.

De plus, il est clair que les moyens d'analyse peuvent comporter des moyens de contrôle de la présence ou de l'absence des impulsions de déclenchement du réseau et/ou25 des capteurs, permettant ainsi de localiser une défaillance du dispositif En effet, l'utilisation de longueurs d'onde différentes permet de localiser la défaillance de façon très simple et fiable, dans la mesure o cette localisation n'est plus affectée par des réflexions partielles des impulsions,30 par exemple sur des connecteurs optiques Une telle possibi- lité de localisation d'une défaillance selon l'invention peut être illustrée de la façon suivante Si aucune impul- sion de déclenchement n'est détectée, l'élément défaillant est la ligne commune; s'il manque une impulsion de déclenchement, il faut incriminer la branche allant du coupleur de distribution au capteur associé; si la réponse

d'un capteur est systématiquement rejetée bien que l'impul-

sion de déclenchement associée soit détectée, c'est le capteur proprement dit qui est défaillant.

Les chronogrammes des figures 8 a, 8 b et 8 c montrent, respec-

tivement, le signal de déclenchement du réseau 34, les signaux de déclenchement des capteurs 35 1, 35 2,, et

les signaux de mesure correspondants 36 1, 36 2.

La figure 9 montre un dispositif selon l'invention fonction-

nant par transmission et comportant un réseau de capteurs.

Dans ce cas, la source 1 comporte trois diodes laser ,41,42, alimentées en courant électrique par la liaison 43, et émettant des impulsions lumineuses à trois longueurs d'onde différentes Xl, U 2 et X 3 Les diodes laser 40,41,42 sont reliées au multiplexeur 44 pour permettre une transmission des impulsions lumineuses par la fibre optique 3 en direction des capteurs 4 1 à 4 n La sortie des capteurs 4 1 à 4 N est reliée aux moyens d'analyse 7 par la fibre optique 8, ces moyens d'analyse comportant des récepteurs 45, 46 et 47 reliés à la fibre 8 à travers le

démultiplexeur 48.

Chaque capteur 4 1 à 4 N peut être tel que décrit en regard

de la figure lb (comportant notamment des éléments indivi-

duels d'émission 70 à lignes à retard 71 et des éléments individuels de réception 72), et le réseau de capteurs est agencé entre, d'une part, un coupleur de distribution d'entrée 49 à lignes à retard 50 1 à 50 N et, d'autre part, un coupleur de brassage de sortie 51 relié, par une fibre

optique 52, à la fibre optique 8.

Par ailleurs, il est prévu des moyens de séparation des impulsions à la troisième longueur d'onde (impulsions de déclenchement du réseau) par rapport aux impulsions aux deux premières longueurs d'onde (impulsions de déclenchement des capteurs, impulsions de mesure), constitués de moyens de dérivation des impulsions entre l'entrée du coupleur de distribution 49 et la sortie du coupleur de brassage 51, comprenant, par exemple, un démultiplexeur 53 à l'entrée du coupleur de distribution 49, dont une sortie délivre les

impulsions aux deux premières longueurs d'onde à ce cou-

pleur, et dont une autre sortie, délivrant les impulsions à la troisième longueur d'onde X 3, est reliée par une fibre optique 54 à une entrée d'un multiplexeur 55 recevant à une autre entrée les impulsions codées (Xl,X 2) sortant du

coupleur de brassage 51.

Les chronogrammes des figures 10 a, 10 b et 10 c montrent, respectivement, le signal de déclenchement du réseau 56, les signaux de déclenchement des capteurs 57 1, 57 2,, et

les signaux de mesure correspondants 58 1, 58 2.

On comprend donc qu'en disposant d'impulsions de déclenche-

ment des capteurs et éventuellement du réseau, il est possible de déclencher avec précision les différentes acquisitions et qu'il n'est plus nécessaire de connaître l'adresse temporelle exacte de chaque capteur dans le réseau, comme cela est le cas dans les dispositifs proposés

dans l'état de la technique en matière de réseaux multi-

plexés temporellement.

Il est alors suffisant d'espacer spatialement les différents capteurs pour que leurs réponses ne se chevauchent pas, en

insérant éventuellement des lignes à retard en fonction de la durée de la réponse de chaque capteur.

L'utilisation d'impulsions à la troisième longueur d'onde permet de réaliser une synchronisation au niveau du réseau, permettant de résoudre les problèmes de distance entre la

source et les moyens d'analyse.

Comme déjà indiqué, plutôt que d'utiliser une plaque de codage réfléchissante avec les inconvénients qui lui sont liés, il est préférable d'utiliser un masque fonctionnant par transmission, constitué, par exemple, d'une plaque métallique percée de trous selon un agencement obéissant à un code déterminé, c'est-à-dire un masque comportant des zones opaques et des zones transparentes auxdites impulsions

lumineuses, lesdites zones étant agencées selon une configu-

ration de codage déterminée Ainsi, si le masque se déforme et n'est plus perpendiculaire aux faisceaux lumineux, l'amplitude des impulsions et donc le taux d'erreur binaire

sur chaque voie ne seront pas dégradés pour autant.

Il va de soi que la configuration de codage déterminée peut être une configuration de code binaire uniforme, permettant

de représenter chaque position du masque.

Cependant, chaque position peut également être représentée par une configuration de code de GRAY qui présente un certain nombre d'avantages par rapport au code binaire En effet, cette représentation présente l'avantage sur le code20 binaire de ne permuter qu'un seul bit à chaque incrémenta- tion Ainsi, par exemple, le passage de la position 7 à la

position 8 inverse la valeur de quatre bits en représenta- tion binaire classique En représentation de code de GRAY, le codage de position passe de 0100 à 1100.

Comme le déplacement d'une pièce mécanique est en général relativement lent par rapport à la fréquence d'interrogation

du capteur, il peut se créer des situations ambiguës lors de ces transitions, pour lesquelles le niveau de puissance sur une voie binaire ne correspond ni à un niveau haut, ni à un30 niveau bas.

Ainsi, le passage de 7 à 8 va, en représentation binaire classique, se répercuter sur quatre voies binaires si bien que le cas o les moyens d'analyse associés se trompent sur deux voies ou plus et estiment par exemple que la position vaut 0000 ou 0001 est tout à fait probable Un tel problème n'existe pas avec une configuration de code de GRAY car l'ambiguïté n'apparaît que sur une voie. Par ailleurs, il s'avère que de nombreuses applications nécessitent une plus grande précision dans une certaine plage de mesure Il est alors possible d'utiliser une configuration à quantification non uniforme, logarithmique par exemple, au lieu d'une quantification uniforme, ce qui permet d'obtenir une plus grande précision sur la plage de mesure désirée avec le même nombre de bits, c'est-à-dire de

niveaux de quantification de position.

Comme on peut le voir sur la figure 11, le masque peut comporter plusieurs pistes A de codage de position, en fonction de la précision souhaitée, présentant chacune des

zones successivement opaques et transparentes aux impul-

sions, telles que les zones désignées par les références 60

et 61, respectivement, sur cette figure.

Il est également possible d'associer à ces pistes de codage de position A, des pistes B de codage de parité associées à

des éléments de détection correspondants.

Ces pistes de parité permettent d'engendrer un certain nombre de bits de parité permettant de contrôler la validité du résultat et de corriger une erreur, soit aléatoire (provenant par exemple d'une mauvaise décision des moyens d'analyse associés au capteur), soit permanente (après apparition par exemple d'une poussière sur l'une des pistes

de codage de position).

Si le masque comporte par exemple huit pistes A de codage de position délivrant, par l'intermédiaire des éléments de détection correspondants, huit bits de données de position, il est nécessaire d'ajouter au moins quatre pistes B de codage de parité permettant de délivrer quatre bits de parité, afin de pouvoir corriger une erreur et en détecter deux Pour augmenter la capacité de correction, il faut augmenter le nombre de bits et donc de pistes de codage de parité.

Le calcul de ces bits peut être fait de la façon suivante.

(pl p 4) = (d 1 d 8) i 1 O O

1 O 1 O

1 O O 1

0 1 1 O

0 1 O 1

O O 1 1

1 1 1 O

1 1 O 1

* o (p 1 p 4): bits de parités (d 1 d 8): bits de données

Bien entendu, d'autres matrices peuvent être utilisées.

Dans un tel cas, chaque position du capteur correspond donc à un mot de douze bits dont huit de données de position et quatre de parité On peut alors vérifier que la distance de HAMMING liée à cette classe de code est trois (condition nécessaire et suffisante pour corriger une erreur et en25 détecter deux) Il est donc possible de surveiller l'évolu- tion du capteur et, si deux erreurs ou plus apparaissent de

façon permanente, on peut supposer qu'au moins deux des voies sont perdues, et il faut alors envisager de remplacer le capteur correspondant.

on conçoit que le capteur peut être utilisé pour des appli-

cations industrielles nécessitant des mesures de déplace- ments en présentant une bonne résolution autour des faibles valeurs de position et une bonne résistance aux vibrations5 et à toute pollution due à l'environnement extérieur Ces caractéristiques permettent de limiter les effets dus à la

dégradation du capteur consécutive par exemple à l'introduc- tion d'une poussière et à la perte d'une piste de codage.

Il est bien entendu que, outre la position et le déplace-

ment, toute grandeur physique dont l'évolution de la valeur peut se traduire directement ou indirectement par un dépla-

cement ou une rotation du ou des capteurs, peut être mesurée grâce au dispositif de l'invention.

Claims (18)

REVENDICATIONS

1 Dispositif de mesure d'une grandeur physique par codage temporel, comprenant:

une source susceptible d'engendrer des impulsions lumineu-

ses; des moyens de codage dont la position dépend de la valeur de ladite grandeur physique; des premiers moyens de transmission desdites impulsions lumineuses de ladite source à au moins un capteur; ledit capteur comprenant des moyens d'émission desdites impulsions lumineuses vers lesdits moyens de codage,

agencés à l'extrémité desdits premiers moyens de transmis-

sion en regard desdits moyens de codage, et des moyens de réception des impulsions lumineuses codées; et des moyens d'analyse des impulsions lumineuses codées,

reliés audit capteur par des seconds moyens de transmis-

sion, caractérisé en ce que ladite source ( 1) est susceptible d'engendrer simultanément des impulsions lumineuses à au moins deux longueurs d'onde différentes (Xl,X 2), et en ce que le capteur ( 4) est associé à des premiers moyens ( 9 a; 9 b) de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde, agencés en amont desdits moyens

d'émission ( 5) et de réception ( 6), les impulsions lumineu-

ses à une première longueur d'onde (Xl) traversant ledit capteur ( 4) et étant codées avant d'être renvoyées vers les moyens d'analyse ( 7), tandis que les impulsions lumineuses à une deuxième longueur d'onde (X 2) sont renvoyées vers les moyens d'analyse ( 7) avant d'atteindre les moyens de codage ( 2) en vue de constituer des impulsions de déclenchement du

capteur.

2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premiers ( 3) et seconds ( 8) moyens de transmission sont constitués par des fibres optiques. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits moyens d'émission ( 5) et de réception ( 6) des impulsions lumineuses sont constitués par une pluralité de paires d'éléments individuels d'émission ( 21) et de réception ( 22), les éléments de chaque paire étant agencés en regard l'un de l'autre et de part et d'autre, respectivement, desdits moyens de codage ( 2), et étant reliés auxdits premiers moyens de transmission ( 3) par

des lignes à retard via un coupleur.

4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments individuels de réception ( 22) sont adaptés pour réfléchir les impulsions lumineuses codées et les renvoyer aux moyens d'analyse ( 7) à travers

les éléments d'émission ( 21) correspondants.

5 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde sont constitués par un filtre ( 9 a) laissant passer les impulsions lumineuses à la première longueur d'onde (X 1), mais réfléchissant les impulsions lumineuses à la

deuxième longueur d'onde (X 2) vers les moyens d'analyse ( 7).

6 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les éléments individuels de réception sont adaptés pour transmettre les impulsions lumineuses

codées aux moyens d'analyse ( 7) via lesdits seconds moyens de transmission ( 8).

7 Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits premiers moyens de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde sont constitués par des moyens de dérivation ( 9 b) des impulsions lumineuses à la deuxième longueur d'onde (X 2)

entre l'entrée et la sortie du capteur ( 4).

8 Dispositif selon la revendication 7,

caractérisé en ce que les moyens de dérivation ( 9 b) compren-

nent un démultiplexeur ( 9 b 1) en longueur d'onde, disposé à l'entrée du capteur ( 4) et dont une sortie délivre les impulsions à la première longueur d'onde (Xl) traversant le capteur ( 4) et dont l'autre sortie, délivrant les impulsions à la deuxième longueur d'onde (X 2), est reliée à une entrée d'un multiplexeur ( 9 b 2) en longueur d'onde recevant, à son autre entrée, les impulsions codées à la première longueur

d'onde (Xl).

9 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à

8, comportant un réseau d'une pluralité de capteurs, caractérisé en ce que ladite source ( 1) est susceptible d'engendrer des impulsions lumineuses à une troisième longueur d'onde (X 3), et en ce que des seconds moyens ( 32; 53,55) de séparation des impulsions lumineuses en fonction de leur longueur d'onde sont prévus, en amont desdits

capteurs ( 4 1 à 4 n), pour renvoyer les impulsions lumineu-

ses à la troisième longueur d'onde (X 3) vers lesdits moyens d'analyse ( 7) en vue de constituer des impulsions de déclen-

chement du réseau et laisser passer les impulsions lumineu- ses aux deux premières longueurs d'onde (X 1,X 2).

Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pluralité de capteurs ( 4 1 à 4 n) sont reliés en parallèle aux sorties d'un coupleur ( 26) via des lignes à retard, et en ce que ledit coupleur ( 26) est associé à un filtre ( 32) de réflexion des impulsions à la troisième longueur d'onde (X 3), constituant lesdits seconds

moyens de séparation.

11 Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la pluralité de capteurs ( 4 1 à 4 n) sont reliés en parallèle entre un coupleur ( 49) de distribu- tion d'entrée via des lignes de retard et un coupleur ( 51) de brassage de sortie, lesdits coupleurs étant associés à des moyens de dérivation ( 53,55) des impulsions lumineuses à la troisième longueur d'onde (X 3) entre l'entrée du coupleur de distribution ( 49) et la sortie du coupleur de brassage

( 51), constituant lesdits seconds moyens de séparation.

12 Dispositif selon la revendication 11,

caractérisé en ce que lesdits moyens de dérivation compren-

nent un démultiplexeur en longueur d'onde ( 53), à l'entrée du coupleur de distribution ( 49), dont une sortie délivre les impulsions lumineuses aux deux premières longueurs d'onde (X 1,X 2) audit coupleur de distribution ( 49), et dont une autre sortie, délivrant les impulsions lumineuses à la troisième longueur d'onde (X 3), est reliée, en aval du coupleur de brassage ( 51), à une entrée d'un multiplexeur en

longueur d'onde ( 55) recevant à une autre entrée les impul-

sions lumineuses codées et les impulsions lumineuses de déclenchement des capteurs, délivrées par le coupleur de

brassage ( 51).

13 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que la source ( 1) susceptible d'engendrer des impulsions lumineuses comprend des diodes laser multimo- des.

14 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes,

caractérisé en ce que la source ( 1) susceptible d'engendrer des impulsions lumineuses et les moyens d'analyse ( 7) sont associés, respectivement, à des moyens de multiplexage et à des moyens de démultiplexage des impulsions lumineuses aux différentes longueurs d'onde.

Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes,

caractérisé en ce que les moyens d'analyse ( 7) sont suscep-

tibles de localiser une défaillance du dispositif par contrôle de la présence ou de l'absence d'impulsions de déclenchement.

16 Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que chaque capteur ( 4) est un capteur de

position ou de déplacement.

17 Dispositif selon l'une quelconque des revendications

précédentes, caractérisé en ce que les moyens de codage ( 2), disposés entre lesdits moyens d'émission ( 5) et lesdits moyens de réception ( 6), sont constitués par un masque comportant des zones opaques ( 61) et des zones transparentes ( 60) auxdites

impulsions lumineuses, lesdites zones étant agencées selon une configuration de codage déterminée.

18 Dispositif selon la revendication 17, caractérisé en ce que ledit masque ( 2) comporte des pistes de codage de position (A) et des pistes de codage de parité

(B), comportant chacune des zones opaques et des zones transparentes.

19 Dispositif selon la revendication 17 ou la revendication 18, caractérisé en ce que la configuration de codage est une

configuration de code binaire.

Dispositif selon la revendication 17 ou la revendication 18, caractérisé en ce que la configuration de codage est une configuration de code de GRAY.

21 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17

à 20, caractérisé en ce que la configuration de codage présente

une quantification uniforme.

22 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 17

à 20, caractérisé en ce que la configuration de codage présente

une quantification logarithmique.