FR2708733A1 - Dispositif de détection optique des vibrations d'une microstructure, à point de fonctionnement stabilisé. - Google Patents
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Abstract
Classiquement un tel dispositif comprend une source laser (51), un photodétecteur (2), un coupleur optique (3), et deux fibres optiques (4, 5) de liaison. L'extrémité (6-1) d'une troisième fibre optique (6) reliée au coupleur (3) forme, avec une surface réfléchissante (10-1) de la microstructure vibrante (10), une cavité optique d'interférence de type Fabry-Pérot. Le dispositif selon l'invention se distingue de l'art antérieur en ce que la source laser est une diode laser accordable (51), dont la longueur d'onde est asservie par un circuit de commande (52) utilisant comme signal d'erreur l'harmonique de rang 2 (Vp2) du signal (Vp) émis par le photodétecteur. Le dispositif se cale automatiquement sur un point de fonctionnement optimal, quelque soit la dimension de la cavité optique. L'invention s'applique notamment à la mesure de la fréquence de vibration des capteurs à résonateur.
Description
DISPOSITIF DE DETECTION OPTIOUE DES VIBRATIONS D'UNE
MICROSTRUCTURE A POINT DE FONCTIONNEMENT STABILISE.
MICROSTRUCTURE A POINT DE FONCTIONNEMENT STABILISE.
La présente invention concerne un dispositif de détection, par interférométrie laser, de la fréquence de vibration d'une microstructure.
Plus particulièrement, la présente invention concerne un dispositif de détection utilisant une cavité optique d'interférence de type Fabry-Pérot, formée par une surface réfléchissante de la microstructure et l'extrémité réfléchissante d'une fibre optique véhiculant un faisceau de rayonnement laser, pour créer un signal d'interférence modulé par la vibration de la microstructure, le signal d'interférence étant rétrodiffusé dans la fibre et amené à un photodétecteur délivrant un signal alternatif représentatif de la vibration.
Le dispositif selon la présente invention s'applique notamment à la mesure de la fréquence de vibration des capteurs à résonateur.
La figure 1 représente schématiquement un dispositif de détection classique utilisant une cavité optique de type
Fabry-Pérot. I1 comprend essentiellement une diode laser 1, un photodétecteur, ou photodiode 2, un coupleur optique 3 à fibres monomodes comportant trois accès
A,B,C, et trois fibres optiques 4,5,6. La fibre optique 4 relie la sortie de la diode laser 1 à l'accès A du coupleur optique 3 et la fibre optique 5 l'entrée de la photodiode 2 à l'accès B du coupleur. La fibre optique 6, rattachée à l'accès C du coupleur, reçoit par l'intermédiaire de la fibre 4 et du coupleur 3 le faisceau émis par la diode laser, et présente une extrémité libre 6-1 disposée en regard d'une microstructure dont la fréquence de vibration doit être déterminée. La microstructure est représentée ici par une lame mince 10, vue en coupe sur la figure 1. La lame 10 est fixée par ses deux extrémités à un bâti 11 et comporte, en regard de l'extrémité 6-1 de la fibre 6, une face réfléchissante 10-1. La lame peut être par exemple en silicium, et la face réfléchissante 10-1 formée d'un dépôt d'aluminium de faible épaisseur.
Fabry-Pérot. I1 comprend essentiellement une diode laser 1, un photodétecteur, ou photodiode 2, un coupleur optique 3 à fibres monomodes comportant trois accès
A,B,C, et trois fibres optiques 4,5,6. La fibre optique 4 relie la sortie de la diode laser 1 à l'accès A du coupleur optique 3 et la fibre optique 5 l'entrée de la photodiode 2 à l'accès B du coupleur. La fibre optique 6, rattachée à l'accès C du coupleur, reçoit par l'intermédiaire de la fibre 4 et du coupleur 3 le faisceau émis par la diode laser, et présente une extrémité libre 6-1 disposée en regard d'une microstructure dont la fréquence de vibration doit être déterminée. La microstructure est représentée ici par une lame mince 10, vue en coupe sur la figure 1. La lame 10 est fixée par ses deux extrémités à un bâti 11 et comporte, en regard de l'extrémité 6-1 de la fibre 6, une face réfléchissante 10-1. La lame peut être par exemple en silicium, et la face réfléchissante 10-1 formée d'un dépôt d'aluminium de faible épaisseur.
La figure 2 représente plus en détail l'extrémité 6-1 de la fibre 6, et la lame vibrante 10. L'extrémité 6-1 forme une surface perpendiculaire aux génératrices de la fibre 6. Elle est disposée à une distance moyenne eO de la face réfléchissante 10-1, parallèlement à celle-ci, et perpendiculairement à l'axe de vibration de la lame.
Quand la lame vibre, la distance e entre l'extrémité 6-1 et la lame varie entre des valeurs el = eO - d et e2 = eO + d, 2d étant l'amplitude de vibration de la lame.
Du fait de la différence d'indice optique entre le matériau constituant la fibre 6 et le milieu environnant, qui peut être le vide, l'air ou un gaz quelconque, l'extrémité 6-1 de la fibre possède elle-même des propriétés réfléchissantes et forme, avec la face réfléchissante 10-1, une cavité optique, ou interféromètre de Fabry-Pérot: le rayonnement émergeant de l'extrémité 6-1 effectue de multiples réflexions sur la face 10-1 et sur l'extrémité 6-1, de sorte qu'il se crée des interférences multiples entre les divers rayonnements réfléchis. Le signal d'interférence ainsi formé est rétrodiffusé dans la fibre 6, le coupleur 3, et la fibre 5, jusqu'à Ta photodiode 2.
La figure 3 représente la courbe 30 de l'intensité lumineuse I reçue par la photodiode 2 en fonction de la dimension e de la cavité optique. Approximativement, on exprime la fonction I = f(e) comme suit:
(1) I = f(e) = 10 + I1 cos(4 t e/ X + "constante"), x représentant la longueur d'onde de la diode laser.
(1) I = f(e) = 10 + I1 cos(4 t e/ X + "constante"), x représentant la longueur d'onde de la diode laser.
La courbe 30 de la fonction I = f(e) a l'aspect d'une sinusoïde et diffère quelque peu de la courbe d'intensité obtenue avec un bon interféromètre de Fabry-Pérot, car les coefficients de réflexion de la lame 10, et plus particulièrement celui de l'extrémité 6-1, sont relativement médiocres. Ainsi, seules les premières réflexions du rayonnement émergeant dans la cavité optique sont prépondérantes.
Le point de fonctionnement du dispositif, sur la courbe 30, est déterminé par la dimension moyenne eO de la cavité optique. Les variations +d et -d de la cavité, dues à la vibration de la lame, introduisent une modulation de l'intensité I autour du point de fonctionnement, permettant la détection de vibration au moyen de la photodiode.
Pour que le signal reçu par voie optique et retransmis électriquement par la photodiode soit représentatif de la vibration de la lame, la modulation de l'intensité I doit s'effectuer dans une partie linéaire de la courbe 30. En considérant la relation (1): I = f(e), on voit que la courbe 30 est linéaire lorsque le terme en cosinus tend vers zéro, c'est à dire au voisinage de points Px vérifiant:
(2) cos(4lfe/ > + "constante") = O
La dimension e(Px) de la cavité optique pour ces points de fonctionnement optimaux Px sera donc, en prenant "constante" = 0:
(3) e(Px) = X/8 + n > /4 , n étant un nombre entier.
(2) cos(4lfe/ > + "constante") = O
La dimension e(Px) de la cavité optique pour ces points de fonctionnement optimaux Px sera donc, en prenant "constante" = 0:
(3) e(Px) = X/8 + n > /4 , n étant un nombre entier.
On a représenté à titre d'exemple sur la courbe 30, plusieurs points de fonctionnement optimaux P0,P1,P2,P3,P4,... pouvant être choisis. Autour du point
PO, on a également représenté l'exemple d'un segment de modulation, délimité par des points P0' et PO".
PO, on a également représenté l'exemple d'un segment de modulation, délimité par des points P0' et PO".
A P0' correspond une intensité lumineuse Imax inférieure à 10 + I1, et à PO" une intensité Imin supérieure à 10 - I1. Pour que le segment rP0',P011] soit compris dans la partie linéaire de la courbe, l'amplitude de vibration 2d ne doit pas sensiblement dépasser X/8. Le dispositif ci-décrit ne s'applique donc qu'aux structures de faible dimension, ayant une amplitude de vibration petite devant la longueur d'onde de la diode laser, généralement comprise entre 0,8 et 1,5 micromètres selon le modèle de diode choisi.
La figure 4 représente, en fonction du temps, l'allure de la tension Vp à la sortie de la photodiode 2. Vp est une tension alternative dont la fréquence est l'image de la fréquence de vibration de la lame 10, lorsque le dispositif est calé sur un point de fonctionnement optimum. Elle est comprise entre deux valeurs maximale et minimale Vpmax et Vpmin correspondant respectivement à
Imax et Imin. A partir de la tension Vp, il est aisé d'extraire la fréquence de vibration de la microstructure 10, par exemple au moyen dvun fréquencemètre.
Imax et Imin. A partir de la tension Vp, il est aisé d'extraire la fréquence de vibration de la microstructure 10, par exemple au moyen dvun fréquencemètre.
Le dispositif décrit ci-dessus présente de grands avantages en raison de son insensibilité aux perturbations électriques et aux parasites électromagnétiques.
Ainsi, il est susceptible de remplacer avantageusement, dans des capteurs à résonateur, les dispositifs de détection habituels, capacitifs ou piézoélectriques.
Néanmoins, la dimension eO de la cavité optique, c'est-àdire la distance moyenne fibre-élément vibrant, doit être ajustée avec une très grande précision pour que la tension Vp en sortie de la photodiode soit exploitable.
En pratique, eO doit être réglée avec une précision de l'ordre du l/32ième de longueur d'onde, soit 25 nanomètres avec une diode laser d'une longueur d'onde de 0,8 micromètres, 40 nanomètres avec une diode laser de 1,3 micromètres, et 45 nanomètres avec une diode de 1,5 micromètres.
Une telle précision peut être atteinte dans un banc d'essais de laboratoire, mais demeure rédhibitoire dans le cadre de la réalisation d'un capteur à résonateur. En outre, en supposant que l'on puisse dans un tel capteur fixer l'extrémité de la fibre 6 avec la précision nécessaire, on peut prévoir que les contraintes thermiques agissant sur le capteur conduiront à un dérèglement de eO, rendant caduque la mesure de la fréquence de vibration du résonateur.
La présente invention vise à pallier ces inconvénients.
Un objet de la présente est de prévoir un dispositif ne nécessitant pas un réglage aussi précis de la dimension eO de la cavité optique.
Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif qui ne soit pas sensible à des variations dimensionnelles de la cavité optique, dues notamment à des contraintes thermiques.
Pour atteindre ces objets, la présente invention propose d'utiliser une diode laser accordable, dont la longueur d'onde d'émission peut être commandée, et d'asservir la longueur d'onde de la diode laser pour que le point de fonctionnement du dispositif soit toujours optimum.
Plus particulièrement, la présente invention prévoit un dispositif de détection optique des vibrations d'une microstructure, utilisant une cavité optique d'interférence de type Fabry-Pérot formée par une surface réfléchissante de la microstructure et l'extrémité réfléchissante d'une fibre optique véhiculant un faisceau de rayonnement laser, pour créer un signal d'interférence modulé par la vibration de la microstructure, le signal d'interférence étant rétrodiffusé dans la fibre et amené à un photodétecteur délivrant un signal alternatif représentatif de la vibration, dispositif comprenant une diode laser accordable, pour produire ledit faisceau de rayonnement laser, et un dispositif de commande de la diode laser, pour asservir la longueur d'onde du rayonnement de la diode laser sur le signal émis par le photodétecteur.
Avantageusement, la longueur d'onde de la diode laser accordable est asservie à un signal d'erreur élaboré par le dispositif de commande à partir l'harmonique de rang 2 du signal émis par le photodétecteur.
Avantageusement encore, le dispositif de commande de la diode laser comprend - un circuit de détection synchrone de l'harmonique de rang 2 du signal émis par le photodétecteur, élaborant le signal d'erreur, et à partir du signal d'erreur un signal de commande de la diode laser, - une boucle à verrouillage de phase recevant en entrée le signal émis par le photodétecteur et délivrant au circuit de détection synchrone un signal de référence de fréquence double de celle dudit signal émis.
Dans un mode de réalisation particulier, le circuit de détection synchrone comprend un filtre passe-bande recevant en entrée le signal émis par le photodétecteur et sélectionnant l'harmonique de rang 2, attaquant l'entrée d'un amplificateur multiplieur dont l'autre entrée reçoit le signal de référence, la sortie de l'amplificateur étant appliquée à un intégrateur présentant un gain très élevé et délivrant une tension formant le signal de commande de la diode laser accordable.
Dans un mode de réalisation particulier, ladite boucle à verrouillage de phase comprend, en cascade: - un filtre passe-haut recevant le signal émis par le photodétecteur, - un amplificateur multiplieur à deux entrées recevant sur une première entrée le signal émis par le filtre passe-haut, - un intégrateur présentant un gain très élevé, - un oscillateur contrôlé en tension, - deux diviseurs par deux de fréquence, la sortie du second diviseur étant ramenée sur la deuxième entrée dudit multiplieur, le signal de référence de fréquence double délivré par la boucle à verrouillage étant prélevé entre les deux diviseurs de fréquence, par l'intermédiaire d'un circuit déphaseur de 90 degrés.
Dans une application particulière de la présente invention, ladite microstructure constitue le résonateur d'un capteur de grandeur physique.
Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention, seront exposés en détail dans la description suivante d'un mode de réalisation de l'invention, faite en se référant au dessins annexés parmi lesquels - les figures 1 et 2, décrites précédemment,
représentent un dispositif de détection selon l'art
antérieur, - les figures 3 et 4, décrites précédemment,
illustrent le fonctionnement du dispositif des
figures 1 et 2, - la figure 5 illustre une particularité des
dispositifs à cavité optique, sur laquelle est
basée la présente invention, - la figure 6 représente sous forme de blocs un
dispositif de détection selon la présente
invention, - la figure 7 représente de façon détaillée un bloc
de la figure 6, - les figures 8 et 9 représentent divers signaux temporels apparaissant dans le dispositif de la figure 6 - La figure 10 illustre une application de l'invention.
représentent un dispositif de détection selon l'art
antérieur, - les figures 3 et 4, décrites précédemment,
illustrent le fonctionnement du dispositif des
figures 1 et 2, - la figure 5 illustre une particularité des
dispositifs à cavité optique, sur laquelle est
basée la présente invention, - la figure 6 représente sous forme de blocs un
dispositif de détection selon la présente
invention, - la figure 7 représente de façon détaillée un bloc
de la figure 6, - les figures 8 et 9 représentent divers signaux temporels apparaissant dans le dispositif de la figure 6 - La figure 10 illustre une application de l'invention.
La présente invention se base sur une analyse, faite par la demanderesse, des systèmes de détection à cavité optique de Fabry-Pérot. On décrira tout d'abord cette analyse, en relation avec la figure 5.
On a représenté en figure 5 deux courbes 31,32 montrant l'intensité lumineuse I = f(e) reçue par la photodiode 2 en fonction de la dimension e de la cavité optique. Les courbes 31 et 32 sont tracées grâce à la relation (1) et sont identiques à la courbe 30 de la figure 3, mais ici chacune correspond à une valeur particulière de longueur d'onde, prise à titre d'exemple. La courbe 31 correspond à une longueur d'onde de 800 nanomètres et la courbe 32, représentée en traits pointillés, à une longueur d'onde de 815 nanomètres.
On a représenté pour chacune de ces courbes un point de fonctionnement optimal, respectivement P31 et P32, choisi au rang n=80 c'est-à-dire correspondant à une dimension moyenne eo de cavité optique:
eO = > /8 + 80 > /4 .(cf relation (3))
Avec les valeurs de longueurs d'ondes ci-dessus, cela donne eO(P31) = 16,1 micromètres et eO(P32) = 16,4 micromètres.
eO = > /8 + 80 > /4 .(cf relation (3))
Avec les valeurs de longueurs d'ondes ci-dessus, cela donne eO(P31) = 16,1 micromètres et eO(P32) = 16,4 micromètres.
A partir de l'exemple de la figure 5, on voit: - qu'il existe, pour toute dimension de la cavité optique, une longueur d'onde qui donne un point de fonctionnement optimum de rang déterminé, - qu'il est possible, lorsque la dimension de la cavité se modifie sensiblement (par exemple de 16,1 à 16,4 micromètres suivant l'exemple ci-dessus), de conserver un point de fonctionnement de rang déterminé en modifiant de très peu la longueur d'onde (de 15 nanomètres dans l'exemple ci-dessus).
Sur la base de l'analyse faite ci-dessus, la demanderesse propose d'utiliser une diode laser de longueur d'onde réglable, et d'asservir la longueur d'onde de la diode pour: - atteindre un point de fonctionnement optimal à la mise sous tension du dispositif, si la dimension eO de la cavité n'est pas réglée, - stabiliser le point de fonctionnement si des contraintes thermiques ou autres provoquent une déformation de la cavité.
La figure 6 représente un dispositif de détection 50 selon la présente invention. On y retrouve la photodiode 2, le coupleur optique 3, et les fibres optiques 4,5,6, déjà décrits en relation avec la figure 1. Egalement, la microstructure vibrante est représentée par la lame 10 dont la surface réfléchissante 10-1 forme, avec l'extrémité 6-1 de la fibre 6, une cavité optique de
Fabry-Pérot de dimension moyenne eO, modulée par des débattements d'amplitude 2d. Le dispositif 50 diffère du dispositif classique de la figure 1 en ce que la source de rayonnement émettant dans la fibre 4 est une diode laser accordable 51, dont la longueur d'onde d'émission peut varier dans une certaine gamme de valeurs, ou plage d'accordabilité, en fonction d'un signal de commande qui lui est appliqué. Dans cet exemple de réalisation, on a choisi une diode laser commandée par une tension, désignée par Vd. Vd est une tension asservie délivrée par un circuit de commande 52 recevant en entrée la tension
Vp délivrée par le photodétecteur.
Fabry-Pérot de dimension moyenne eO, modulée par des débattements d'amplitude 2d. Le dispositif 50 diffère du dispositif classique de la figure 1 en ce que la source de rayonnement émettant dans la fibre 4 est une diode laser accordable 51, dont la longueur d'onde d'émission peut varier dans une certaine gamme de valeurs, ou plage d'accordabilité, en fonction d'un signal de commande qui lui est appliqué. Dans cet exemple de réalisation, on a choisi une diode laser commandée par une tension, désignée par Vd. Vd est une tension asservie délivrée par un circuit de commande 52 recevant en entrée la tension
Vp délivrée par le photodétecteur.
Les diodes lasers accordables se sont développées récemment et font encore l'objet de nombreuses recherches. Elles servent, notamment, à tester des systèmes à fibres optiques ou des composants optiques, à la mise au point des systèmes de communications optiques, ainsi qu'à l'étude des raies d'absorption des molécules, dans le domaine de la spectroscopie. Elles sont essentiellement de deux types les DFB (abréviation du terme anglo-saxon Distributed Feed Back) et les diodes laser à cavité externe. Les DFB connues ont pour l'instant une plage d'accordabilité un peu faible pour l'application de la présente invention. De plus leur accordabilité est thermique donc relativement lente. On préférera par conséquent une diode laser à cavité externe car la plage d'accordabilité sans saut de mode, c'est-àdire sans discontinuité dans les valeurs de longueur d'onde, est plus importante et il est facile de la parcourir : on agit sur la tension d'un moteur piézoélectrique ou sur des tensions commandant un moteur pas à pas. On peut citer à titre d'exemple - un produit commercialisé par la Société Photonetics sous la marque Tunics présentant une accordabilité de 60 nanomètres sans saut de mode autour d'une longueur d'onde de 1,5 micromètres, grâce à une translation et rotation d'un réseau. Le mouvement du réseau et donc la longueur d'onde émise par le système est commandé par une tension agissant sur un moteur pas à pas d'une résolution de 1 picomètre.
- un produit commercialisé par la Société Laser 2000, présentant une plage d'accordabilité de 20 nanomètres sans saut de mode vers 1,3 micromètres pour lequel la translation du réseau est effectué grâce à un moteur piézoélectrique.
- Enfin, une publication "Mode-hop suppression of littrow grating-tuned lasers", Applied Optics, volume 32 n"3, du 20 Janvier 1993, décrit la réalisation d'une diode accordable dans laquelle l'accordabilité est obtenue par une seule rotation du réseau autour d'un axe judicieusement choisi.
Par ailleurs, il est à noter qu'il n'est pas nécessaire de prévoir ici une diode laser accordable de grande précision, présentant des variations de longueur d'onde strictement proportionnelles à la tension de commande Vd.
On décrira maintenant le circuit de commande 52 réalisant l'asservissement de la longueur d'onde de la diode laser accordable 51, recevant en entrée la tension Vp de la photodiode 2 et délivrant la tension de commande Vd. Dans cet exemple de réalisation, on a choisi d'utiliser comme signal de référence pour l'asservissement, l'harmonique de rang 2 de la tension Vp. En effet, comme cela apparaîtra clairement à l'homme de l'art, si le point de fonctionnement du système est mal positionné et se trouve sur une partie non linéaire de la courbe I = f(e), la tension Vp subi une distorsion harmonique conduisant notamment à une augmentation de l'harmonique de rang 2, désigné dans ce qui suit par Vp2. Ainsi, un asservissement de la longueur d'onde basé sur la recherche de la valeur la plus faible de l'harmonique de rang 2, conduira immanquablement à accorder la longueur d'onde pour que la zone de fonctionnement soit idéale.
Le circuit de commande 52 est illustré en figure 7. I1 comprend une boucle à verrouillage de phase 60 construite autour d'un oscillateur contrôlé en tension 61, et un circuit de détection synchrone 70 délivrant le signal de commande Vd de la diode laser 51.
La boucle à verrouillage 60 reçoit en entrée la tension modulée Vp de fréquence f issue de la photodiode, et délivre une tension rectangulaire Vs, de fréquence de 2f, servant de référence au circuit de détection synchrone 70.
La boucle à verrouillage de phase 60 comprend un amplificateur multiplieur 62 à deux entrées, recevant sur une entrée la tension Vp, par l'intermédiaire d'un filtre passe-haut 63. Le multiplieur 62 attaque un intégrateur 64 de gain pratiquement infini à fréquence nulle, dont la sortie est reliée à l'entrée de l'oscillateur contrôlé en tension 61. A la sortie de l'oscillateur 61, délivrant des créneaux de tension, sont disposés en cascade deux diviseurs par deux de fréquence 65,66, la sortie du diviseur 66 étant ramenée sur la deuxième entrée du multiplieur 62. La tension de sortie Vs de la boucle à verrouillage de phase 60, de fréquence 2f, est prélevée entre les deux diviseurs 65,66 par l'intermédiaire d'un circuit déphaseur 67 introduisant dans Vs une rotation de phase de 90 degrés.
Le fonctionnement détaillé de la boucle à verrouillage de phase 60 fait appel à des règles connues de l'homme de l'art, et ne sera pas décrit ici. On peut néanmoins noter que le diviseur de fréquence 65 n'est pas indispensable au fonctionnement de la boucle 60 mais permet de bénéficier, à la sortie de l'oscillateur 61, d'une fréquence de valeur 4f permettant de piloter le déphaseur 67.
Le circuit de détection synchrone 70 délivrant la tension de commande Vd comprend un amplificateur multiplieur 71 à deux entrées, dont la sortie est reliée à l'entrée d'un intégrateur 72 de gain G pratiquement infini délivrant
Vd. La tension Vs de la boucle à verrouillage de phase 60 est appliquée sur une première entrée de l'amplificateur 71, et sert de référence à la détection synchrone. La tension Vp est appliquée à la deuxième entrée de l'amplificateur 71, par l'intermédiaire d'un filtre passe-bande 73 calé sur la fréquence 2f. A la sortie de l'amplificateur 71, on trouve la tension d'erreur du circuit de commande 52.
Vd. La tension Vs de la boucle à verrouillage de phase 60 est appliquée sur une première entrée de l'amplificateur 71, et sert de référence à la détection synchrone. La tension Vp est appliquée à la deuxième entrée de l'amplificateur 71, par l'intermédiaire d'un filtre passe-bande 73 calé sur la fréquence 2f. A la sortie de l'amplificateur 71, on trouve la tension d'erreur du circuit de commande 52.
Le fonctionnement du circuit 52 est maintenant décrit, en relation avec les figures 5, 7, 8 et 9.
La figure 8 représente l'allure en fonction du temps de la tension Vp à la sortie du photodétecteur (à laquelle on a retiré, pour plus de clarté, la composante continue due à IO), ainsi que l'allure de la tension de référence
Vs, ici en forme de créneau de tension, déphasée de 90 par le déphaseur 67.
Vs, ici en forme de créneau de tension, déphasée de 90 par le déphaseur 67.
La figure 9 représente l'allure de l'harmonique Vp2 de la tension Vp lorsque que le point de fonctionnement du dispositif n'est pas réglé. Plus précisément on y voit, représentées en traits plein et en traits pointillés, deux allures possibles Vp2-1 et Vp2-2 de Vp2, semblables mais en opposition de phase, dépendant du sens de glissement du point de fonctionnement. A titre d'exemple,
Vp2 prend l'aspect de Vp2-l lorsque le point de fonctionnement P31 représenté en figure 5 glisse vers un point M situé au-dessus de la droite d'intensité I0, et l'aspect de Vp-2 lorsque P31 se décale vers un point N situé en dessous de la droite d'intensité 10.
Vp2 prend l'aspect de Vp2-l lorsque le point de fonctionnement P31 représenté en figure 5 glisse vers un point M situé au-dessus de la droite d'intensité I0, et l'aspect de Vp-2 lorsque P31 se décale vers un point N situé en dessous de la droite d'intensité 10.
L'asservissement réalisé par le circuit de commande 52 selon l'invention repose sur cette propriété d'inversion de la phase de l'harmonique Vp2 en fonction du sens de décalage du point de fonctionnement. En effet, quand Vp2 = Vp2-1, Vp2 est en phase avec la tension de référence
Vs, et la tension d'erreur à la sortie de l'amplificateur 71 est positive. Inversement, quand Vp2 -
Vp2-2, Vp2 est opposition de phase avec Vs et est négative. Le changement de signe de en fonction du sens de décalage du point de fonctionnement, permet ainsi l'accrochage du dispositif autour du point de fonctionnement le plus proche, à la mise sous tension, puis la stabilisation du point de fonctionnement même si la cavité se déforme.
Vs, et la tension d'erreur à la sortie de l'amplificateur 71 est positive. Inversement, quand Vp2 -
Vp2-2, Vp2 est opposition de phase avec Vs et est négative. Le changement de signe de en fonction du sens de décalage du point de fonctionnement, permet ainsi l'accrochage du dispositif autour du point de fonctionnement le plus proche, à la mise sous tension, puis la stabilisation du point de fonctionnement même si la cavité se déforme.
On a supposé dans ce qui précède que la vibration de la lame 10 est exempte d'harmonique à la fréquence 2f, car cela conduirait à un décalage de la tension d'erreur et du point de fonctionnement. Dans le cas des capteurs à résonateur, les fréquences harmoniques sont en général bien maîtrisées et atténuées de plusieurs dizaines de décibels par rapport à la fréquence fondamentale, de sorte que l'influence de l'harmonique de rang 2 du résonateur est insignifiante.
I1 apparaîtra clairement à l'homme de l'art que le dispositif selon la présente invention est susceptible de nombreuses variantes et modifications. Ainsi, on a considéré dans un souci de simplicité que la diode laser accordable 51 est contrôlée directement par la tension
Vd. Dans la pratique, certaines diodes laser accordables sont commandées par des signaux numériques reçus par un microprocesseur contrôlant divers paramètres de la diode.
Vd. Dans la pratique, certaines diodes laser accordables sont commandées par des signaux numériques reçus par un microprocesseur contrôlant divers paramètres de la diode.
Il est dans ce cas à la portée de l'homme de l'art d'ajouter un étage de traitement intermédiaire entre le circuit de contrôle 52 et la diode laser accordable 51, pour élaborer à partir de la tension Vd un signal compatible avec l'entrée de commande de la diode.
Egalement, il apparaîtra à l'homme de l'art que la présente invention s'applique à tout type de capteur comportant un résonateur.
A titre d'exemple, on a représenté en figure 10 une application de la présente invention à un capteur de pression 80. Le capteur comprend un résonateur 81 excité par tout moyen classique, électrostatique, piézoélectrique ou optique, et disposé entre le bâti 82 du capteur et l'extrémité d'une masse en équilibre, ou fléau 83, ayant son autre extrémité reliée à une entrée de pression par l'intermédiaire d'un soufflet 84. Lorsque la pression à mesurer varie à l'intérieur du soufflet, la contrainte mécanique exercée par le fléau 83 sur le résonateur 81 varie et provoque un changement de sa fréquence de résonance. Cette dernière devient donc l'information à recueillir. Le dispositif de détection 50 selon l'invention est disposé à l'extérieur du capteur 80, la fibre optique 6 pénètre à l'intérieur du bâti 82 pour venir en regard d'une surface réfléchissante 85 du résonateur 81.
Claims (6)
1- Dispositif (50) de détection optique des vibrations d'une microstructure (10), utilisant une cavité optique d'interférence de type Fabry-Pérot formée par une surface réfléchissante (10-1) de la microstructure et l'extrémité réfléchissante (6-1) d'une fibre optique (6) véhiculant un faisceau de rayonnement laser, pour créer un signal d'interférence (I) modulé par la vibration de la microstructure, le signal d'interférence étant rétrodiffusé dans la fibre et amené à un photodétecteur (2) délivrant un signal alternatif (Vp) représentatif de la vibration, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend une diode laser accordable (51), pour produire ledit faisceau de rayonnement laser, et un dispositif de commande (52) de la diode laser (51), pour asservir la longueur d'onde du rayonnement de la diode laser sur le signal (Vp) émis par le photodétecteur (2).
2- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la longueur d'onde de la diode laser accordable (51) est asservie à un signal d'erreur (g) élaboré par ledit dispositif de commande (52) à partir de l'harmonique de rang 2 (Vp2) du signal (Vp) émis par le photodétecteur (2).
3- Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif de commande (52) de la diode laser comprend - un circuit (70) de détection synchrone de l'harmonique de rang 2 (Vp2) du signal (Vp) émis par le photodétecteur(2), élaborant ledit signal d'erreur () et à partir du signal d'erreur un signal de commande (Vd) de la diode laser - une boucle à verrouillage de phase (60), recevant en entrée le signal (Vp) émis par le photodétecteur (2) et délivrant audit circuit de détection synchrone (70) un signal de référence (Vs) de fréquence double de celle dudit signal émis (Vp).
4- Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit circuit de détection synchrone comprend un filtre passe-bande (73), recevant en entrée le signal (Vp) émis par le photodétecteur et sélectionnant l'harmonique de rang 2 (Vp2), attaquant l'entrée d'un amplificateur multiplieur (71) dont l'autre entrée reçoit ledit signal de référence (Vs), la sortie de l'amplificateur (71) étant appliquée à un intégrateur (72) présentant un gain très élevé et délivrant ledit signal de commande (Vd) de la diode laser accordable (51).
5- Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite boucle à verrouillage de phase (60) comprend, en cascade: - un filtre passe-haut (63) recevant le signal (Vp) émis par le photodétecteur (2), - un amplificateur multiplieur (62) à deux entrées recevant sur une première entrée le signal émis par le filtre passe-haut (63), - un intégrateur (64) présentant un gain très élevé, - un oscillateur contrôlé en tension (61), - deux diviseurs par deux de fréquence (65, 66), la sortie du second diviseur (66) étant ramenée sur la deuxième entrée dudit multiplieur (62), ledit signal de référence (Vs) délivré par la boucle à verrouillage (60) étant prélevé entre les deux diviseurs de fréquence (65, 66) par l'intermédiaire d'un circuit déphaseur (67) de 90 degrés.
6- Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite microstructure (10) constitue le résonateur (81) d'un capteur (80) de grandeur physique.
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| FR2708733A1 true FR2708733A1 (fr) | 1995-02-10 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113295308A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-24 | 苏州安莱光电科技有限公司 | 一种非线性静态工作点调整装置及方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2147695A (en) * | 1983-10-05 | 1985-05-15 | Standard Telephones Cables Ltd | Balancing of interferometric optical fibre sensors |
| EP0334481A1 (fr) * | 1988-02-20 | 1989-09-27 | Stc Plc | Capteur à fibres optiques |
-
1993
- 1993-07-30 FR FR9309568A patent/FR2708733B1/fr not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2147695A (en) * | 1983-10-05 | 1985-05-15 | Standard Telephones Cables Ltd | Balancing of interferometric optical fibre sensors |
| EP0334481A1 (fr) * | 1988-02-20 | 1989-09-27 | Stc Plc | Capteur à fibres optiques |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113295308A (zh) * | 2021-05-21 | 2021-08-24 | 苏州安莱光电科技有限公司 | 一种非线性静态工作点调整装置及方法 |
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|---|---|
| FR2708733B1 (fr) | 1995-10-20 |
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