FR2728070A1 - Physical quantities, such as speed, precision displacement, measurement method using fluorescent plastic fibre=optics - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne de nouveaux moyens de mesure de grandeurs physiques telles que la vitesse, les mouvements de translation de précession etc. et corrélativement la réalisation de systèmes rotationnels sans contact dont le compmmis tecEico économique est très supérieur aux dispositifs actuels. The present invention relates to new means for measuring physical quantities such as speed, translational movements of precession, etc. and correlatively the realization of contactless rotational systems whose economic tecEico compmmis is much superior to current devices.
Dans de nombreuses applications, par exemple dans les domaines de la robotique, des automatismes industriels, des codeurs et décodeurs, diverses grandeurs physiques comme la vitesse de rotation, la position et la direction (précession), ou le sens de rotation d'un axe sont importantes à connaître en régime continu et d'une manière simple, précise et peu coûteuse. In many applications, for example in the fields of robotics, industrial automation, coders and decoders, various physical quantities such as the speed of rotation, position and direction (precession), or the direction of rotation of an axis are important to know in continuous mode and in a simple, precise and inexpensive way.
Des composants électromécaniques, du type resolver multipolaires par encemplc, répondant â ces besoins sont actuellement commercialisés. Cependant, ils sont relativement complexes, car constitués essentiellement de pièces mécaniques de haute précision associes a un transformateur tournant en mouvement rapide, réalisé par des multibobinages indtictwrs et induits. Des électroniques de conversion analogiquenumérique sont également nécessaires. Electromechanical components, of the multipolar resolver type per unit, meeting these needs are currently marketed. However, they are relatively complex, since they essentially consist of high precision mechanical parts associated with a rotating transformer in rapid movement, produced by indtictwrs and induced multibinning. Analog to digital conversion electronics are also required.
Dans les donaaines de la connectique et du raccordement par exemple des fils de câblages en rotation, I'angle et le nombre de rotations sont souvent fortement limités par suite de la faible flexibilité ou de la fragilité des fils métalliques dont on désire assurer la contùiuft6 mécanique. In the fields of connectivity and connection, for example of rotating cabling wires, the angle and the number of rotations are often greatly limited due to the low flexibility or the brittleness of the metal wires for which mechanical continuity is desired. .
L'invention concerne de nouveaux types de capteurs de grandeurs physiques et de systèmes rotationnels sans contact basés sur l'utilisation de fibres optiques plastiques fluorescentes commrcialisées notamment par la société Optectron Industries. The invention relates to new types of physical magnitude sensors and contactless rotational systems based on the use of fluorescent plastic optical fibers marketed in particular by the company Optectron Industries.
Ces fibres sont essentiellement constituées par des matériaux optiquement transparents comme le polystyrène par exemple, dopés par des matériaux appropriés tels que ceux utilisés dans les technologies laser. These fibers are essentially constituted by optically transparent materials such as polystyrene for example, doped with suitable materials such as those used in laser technologies.
La fiv. 1 montre schématiquement le fonctionnement d'une fibre optique plastique fluorescente. Cette fibre recoit un éclairement longitudinal Eo dépendant des dimensions de la fibre et du flux de lumière ambiante auquel elle est soumise. The fiv. 1 schematically shows the operation of a fluorescent plastic optical fiber. This fiber receives a longitudinal illumination Eo depending on the dimensions of the fiber and the ambient light flux to which it is subjected.
n en résulte suivant la théorie de la fluorescence qu'une lumière ponctuelle d'éclairement Es très puissant et supérieur à Eo est créée aux 2 extrémités de la fibre. On constate donc que sans aucun contact, il est possible de recevoir aux extrémités des fibres optiques fluorescentes une lumière importante, lorsque cette fibre est excitée "å distance" par une source de lumière extérieure. n follows from this according to the theory of fluorescence that a point light of illumination Es very powerful and greater than Eo is created at the 2 ends of the fiber. It is therefore found that without any contact, it is possible to receive at the ends of the fluorescent optical fibers a significant light, when this fiber is excited "at a distance" by an external light source.
Cette propriété est tout particulierrenent prise en compte dans le cadre de l'invention. This property is very particularly taken into account in the context of the invention.
La fig.2 montre schématiquement un nouveau type de capteur de grandeurs physiques proposés suivant l'un des objets de l'invention. Fig.2 schematically shows a new type of sensor of physical quantities proposed according to one of the objects of the invention.
Ce capteur est constitué par une boucle 1 réalisée par une fibre optique plastique fluorescente. La forme de cette boucle n'est pas limitative mais sera préferenticllernent circulaire. This sensor consists of a loop 1 produced by a fluorescent plastic optical fiber. The shape of this loop is not limiting but will preferably be circular.
Un disque 2 d'une forme identique à celle de la boucle 1 et de préférence réalisé en un matériau de poids léger est fixé sur un axe de rotation 6 par tous moyens connus. Une source de lumière 3 est montée sur le disque 2 et subit une rotation à la merle vitesse que celle de l'axe 6. A disc 2 of a shape identical to that of the loop 1 and preferably made of a light weight material is fixed to an axis of rotation 6 by any known means. A light source 3 is mounted on the disc 2 and undergoes a rotation at a speed as fast as that of the axis 6.
A un instant to, la source 3 délivre à la boucle fluoressente 1 et sur une trucs courte longueur L de celleì, une lumière dont l'intensité dépend de l'intensité de la source 3 elle-meme. At an instant to, the source 3 delivers to the fluorescent loop 1 and on a short stuff L of that length, a light whose intensity depends on the intensity of the source 3 itself.
Les 2 extrémités de la boucle I sont terminées par 2 récepteurs optoélectroniques 4et5. The 2 ends of loop I are terminated by 2 optoelectronic receivers 4 and 5.
Les 2 récepteurs recevront généralement chacun une énergie lunracuse, différente en amplitude et en phase sauf si la zone d'excitation L se situe exactement au milieu de la boucle 1. The 2 receivers will generally each receive a lunracuse energy, different in amplitude and in phase unless the excitation zone L is located exactly in the middle of loop 1.
Cependant, la longueur de la boucle I étant très faible (inférieurc à 50 cms) les amplitudes des signaux optiques reçus par les récepteurs seront peu differentes. However, the length of loop I being very small (less than 50 cms) the amplitudes of the optical signals received by the receivers will be little different.
De facon à éliminer l'influence de la lumière ambiantc sur la boucle fl=cssente 1, la source 3 constituée par exemple par une diode électroluminescente, sera modulée en amplitude par des signaux de forme sinusoïdale, carrée etc. dont la fréquence sera préférentiellement supérieure à la fréquence de résolution de l'axe. In order to eliminate the influence of ambient light on the loop fl = cssente 1, the source 3 constituted for example by a light-emitting diode, will be modulated in amplitude by signals of sinusoidal, square shape etc. whose frequency will preferably be greater than the resolution frequency of the axis.
Dans ces conditions, après détection, les récepteurs 4 et 5 délivrent 2 signaux basse fréquence déphasés l'un par rapport à l'autre, lesquels sont envoyés dans un convertisseur 7 phaselcourant
Le courant I de sortie résultant, dépend de la différence de phase entre les 2 signaux, dont directement de la position de la zone d'excitation L sur la boucle 1, et en conséquence de la vitesse de rotation de la boucle 2 ou l'axe 6.Under these conditions, after detection, the receivers 4 and 5 deliver 2 low frequency signals which are out of phase with one another, which are sent to a converter 7 phaselcourant
The resulting output current I depends on the phase difference between the 2 signals, including directly the position of the excitation zone L on loop 1, and consequently on the speed of rotation of loop 2 or the axis 6.
Le sens du courant I détermine par ailleurs le sens de rotation de l'axe 6. The direction of current I also determines the direction of rotation of axis 6.
fl est bien entendu que le traitement du courant I permettant I'interactMté souhaitée entre la grandeur physique considerée et le fonctionnement de l'équipement concerné s'effectue suivant l'un des moyens bien connus à ce jour, qu'il n'est pas nécessaire de rappeler ici. It is understood that the processing of the current I allowing the desired interaction between the physical quantity considered and the operation of the equipment concerned is carried out according to one of the means well known to date, that it is not necessary to call back here.
A titre d'illustration des possibilités du nouveau capteur selon l'invention, la
Fig.3 montre la puissance optique P reçue dans les récepteurs 4 et 5 en fonction de la distance d entre les boucles I et le disque 2. Dans le cas particulier de la Fig3 la longueur L d'excitation fixée arbitrairement à 2 mm était située au milieu de la boucle fluorescente 1. Dans ces conditions, les puissances optiques reçues par les récepteurs 4 et 5 étaient identiques en amplitude et phase.By way of illustration of the possibilities of the new sensor according to the invention, the
Fig.3 shows the optical power P received in receivers 4 and 5 as a function of the distance d between the loops I and the disk 2. In the particular case of Fig3 the length L of excitation arbitrarily fixed at 2 mm was located in the middle of the fluorescent loop 1. Under these conditions, the optical powers received by the receivers 4 and 5 were identical in amplitude and phase.
La fibre fluorescente utilisée est la fibe F202 Optectron Industries de diamètre lrnm. La source 3 (du type Diode électroluminescente émet une lumière orange de longueur d'onde voisine de 550 nrn avec une puissance de 400 llwatts. The fluorescent fiber used is the F202 Optectron Industries fiber of diameter lrnm. Source 3 (of the light-emitting diode type emits an orange light of wavelength close to 550 nrn with a power of 400 llwatts.
La longueur de la boucle circulaire 1 est de l'ordre de 10 cm (diamhre 3 cms). The length of the circular loop 1 is of the order of 10 cm (diameter 3 cms).
On constate que pour une distance d = 5 mu une puissance optique de I uw est reçue dans chaque récepteur, ce qui est suffisant pour commander le convertisseur amplitudeEphase. It is noted that for a distance d = 5 mu an optical power of I uw is received in each receiver, which is sufficient to control the amplitudeEphase converter.
Dans certains cas, on pourra être amené à rapprocher la boucle I et le disque 2 ou à augmenter la puissance de la source 3 pour obtenir une meilleure sensibilité. In some cases, it may be necessary to bring loop I and disk 2 closer or to increase the power of source 3 to obtain better sensitivity.
Selon un autre mode de réalisation suivant l'invention, l'association sans contact d'une fibre optique plastique transparente à la diode électroluminescente comme il est montre sur la Fig.4 permet de laisser la diode mécaniquement fixe pendant le fbnctionncment du dispositif tandis que la fibre plastique transparente dont lextremité couple est située à envvbn I mm de la diode 3 électroluminescente effectue le même type de rotation que celui de l'axe auquel elle est liée. According to another embodiment according to the invention, the contactless association of a transparent plastic optical fiber with the light-emitting diode as shown in FIG. 4 makes it possible to leave the diode mechanically fixed during the operation of the device while the transparent plastic fiber, the torque end of which is located about 1 mm from the light-emitting diode 3, performs the same type of rotation as that of the axis to which it is linked.
Dans le cas du dispositif de la FigA, la fibre optique fluorescente 1 n'est illuminée que lorsque la fibre transparente 8 est en face de la diode 3, soit dans la position dc réception maximale de la lumière en provenance de la diode 3. La fibre optique fluorescente est donc illuminée uniquement sur la longueur L à chaque tour de rotation de l'axe 6. In the case of the device in FIG. 1, the fluorescent optical fiber 1 is only illuminated when the transparent fiber 8 is opposite the diode 3, that is to say in the position of maximum reception of the light coming from the diode 3. The fluorescent optical fiber is therefore illuminated only along the length L at each rotation of axis 6.
Les récepteurs optiques 4 et 5 détectent donc dans ce cas, une impulsion de courant à chaque tour. Le nombre d'impulsions détectées pendant un temps donné donnera avec une grande précision la vitesse de rotation de l'axe 6 et en tours/minute par exemple. The optical receivers 4 and 5 therefore detect in this case, a current pulse at each turn. The number of pulses detected during a given time will give with great precision the speed of rotation of axis 6 and in revolutions / minute for example.
Selon un autre mode de réalisation suivant l'invention, et montré sur la Fig.5 on utilise un réseau de fibres fluorescentes verticales, horizontales ou inclinées. According to another embodiment according to the invention, and shown in Fig.5, a network of vertical, horizontal or inclined fluorescent fibers is used.
Pour chaque fibre on associe à chacune de leurs 2 extrémités un récepteur optoélectronique (numérotés 9 à 22 suivant l'exemple non limitatif de la Fig5). For each fiber, an optoelectronic receiver is associated with each of their 2 ends (numbered 9 to 22 according to the nonlimiting example of FIG. 5).
Le système d'excitation des fibres fluorescentes est le même que celui montré sur la Fig.2
ll est bien entendu que tout autre système d'excitation des fibres fluorescentcs concernant les capteurs schématisés Fig2 et 5 peut être utilisé sans modifier ou réduire en quoi que ce soit les caractères de nouveauté mis en oeuvre dans le cadre de l'invention.The fluorescent fiber excitation system is the same as that shown in Fig. 2
It is understood that any other fluorescent fiber excitation system relating to the diagrammatic sensors Fig2 and 5 can be used without modifying or reducing in any way the novelty characters implemented in the context of the invention.
Lors de la rotation de l'axe 6, les fibres fluorescentes sont excitées successivement et les récepteurs correspondants détectent une lumière à des intervalles de temps dépendant de l'écartement entre les fibres. When axis 6 is rotated, the fluorescent fibers are successively excited and the corresponding receptors detect light at time intervals depending on the spacing between the fibers.
Si les fibres fluorescentes sont placées à égale distance les unes des autrcs, les récepteurs délivrent une série d'informations brèves comme il est montré sur la Fig.6. If the fluorescent fibers are placed at an equal distance from each other, the receivers deliver a series of brief information as shown in Fig. 6.
De façon à obtenir des informations de même amplitude, la longueur de chaque fibre fluorescente peut être déterminée de façon que la distance entre la courte longueur illuminée et le récepteur reste constante. In order to obtain information of the same amplitude, the length of each fluorescent fiber can be determined so that the distance between the short illuminated length and the receiver remains constant.
Si les n fibres fluorescentes sont équidistantes et que l'angle décrit pendant le temps t est égal àU on calcule facilement la vitesse angulaire V de l'axe suivant la forme. If the n fluorescent fibers are equidistant and the angle described during time t is equal to U, the angular speed V of the axis can easily be calculated according to the shape.
V= O (radian)
nt (seconde)
Selon la Fig.5, chaque fibre fluorescente étant équipée à ses 2 extrémités d'un récepteur optoélectronique, on peut comme dans la réalisation schematisée Fig2 envoyer les 2 signaux détectés par les récepteurs et déphasés l'un par rapport à l'autre dans un converdsseur amplitude-phase qui délivre une information de courant directement liée au mouvement de précession de l'axe ; le mouvement de rotation proprement dit et la vitesse étant déterminés comme il a été expliqué plus haut
Suivant les principaux objets de l'invention, il a été considéré que le système d'excitation de lumière était généralement lié physiquement à l'axe de rotation et que la boucle de fibre optiques fluorescente était fixe.V = O (radian)
nt (second)
According to Fig. 5, each fluorescent fiber being equipped at its 2 ends with an optoelectronic receiver, as in the diagrammatic embodiment Fig2, it is possible to send the 2 signals detected by the receivers and out of phase with one another Amplitude-phase converter which delivers current information directly linked to the axis precession movement; the rotational movement proper and the speed being determined as explained above
According to the main objects of the invention, it was considered that the light excitation system was generally physically linked to the axis of rotation and that the fluorescent optical fiber loop was fixed.
n est bien entendu que les principes fondamentaux de l'invention restent valables si à l'inverse, le système d'éclairage reste fixe et que la boucle de fibre optique fluorescente est elle-même liée au mouvement de l'axe en rotation. It is understood that the fundamental principles of the invention remain valid if, conversely, the lighting system remains fixed and that the loop of fluorescent optical fiber is itself linked to the movement of the rotating axis.
De même, si pour la compréhension de l'invention, les explications et exemples donnés concernent simplement les grandeurs physiques d'un axe en rotation, l'invention est directement applicable à tous systèmes complexes en rotation ou en translation rectiligne dont on désire connaître les caractéristiques essentielles de fonctionnement
A titre d'exemple de ce qui précède, suivant l'invention et montré sur la Fig.7, les principes de fonctionnement décrits plus avant sont utilisés pour la réalisation d'un système rotatif du type "joint tournant", sans aucun contact mécanique.Likewise, if for the understanding of the invention, the explanations and examples given simply relate to the physical quantities of a rotating axis, the invention is directly applicable to all complex systems in rotation or in rectilinear translation of which it is desired to know the essential operating characteristics
By way of example of the above, according to the invention and shown in FIG. 7, the operating principles described above are used for the production of a rotary system of the "rotary joint" type, without any mechanical contact. .
Un câble métallique 23, mobile suivant un mouvement de rotation, par exemple circulaire transporte un signal électrique à transmettre à un autre câble métallique 31, lui fixe. Un émetteur optique 24 constitué essentiellement par une diode de lumie, éventuellement associée à quelques composants actifs et passifs simples est modulé par le signal électrique émis par le câble métallique 23. L'émetteur 24 transmet directement et sans contact, une lumière modulée par le signal à transmettre à une fibre optique fluorescente 26. A metal cable 23, mobile according to a rotational movement, for example circular, transports an electrical signal to be transmitted to another metal cable 31, fixed to it. An optical transmitter 24 essentially consisting of a light diode, possibly associated with a few simple active and passive components is modulated by the electrical signal emitted by the metal cable 23. The transmitter 24 transmits directly and without contact, a light modulated by the signal to be transmitted to a fluorescent optical fiber 26.
Une lentille de focalisation 25 peut être utilisée ainsi qu'une courte longueur de fibre optique transparente 30 pour améliorer le couplage entre l'émetteur 24 et la fibre fluorescente 26. A focusing lens 25 can be used as well as a short length of transparent optical fiber 30 to improve the coupling between the emitter 24 and the fluorescent fiber 26.
La fibre optique fluorescente se présente sous la forme d'une boucle dont les dimensions dépendent directement du mouvement de rotation du câble 23. The fluorescent optical fiber is in the form of a loop whose dimensions depend directly on the rotational movement of the cable 23.
Dans la plupart des cas, le mouvement de rotation et la forme de la fibre optique fluorescente sont circulaires. In most cases, the rotational movement and the shape of the fluorescent optical fiber are circular.
Les 2 extrémités de la fibre 26 sont réunies à 2 récepteurs optiques 27 et 28 qui délivrent des signaux électriques qui s'ajoutent dans un additionneur 29. Le signal électrique total reçu par le câble métallique 31 est directement dépendant et voisin du signal d'origine transmis par le câble métallique 23. The 2 ends of the fiber 26 are joined to 2 optical receivers 27 and 28 which deliver electrical signals which are added in an adder 29. The total electrical signal received by the metal cable 31 is directly dependent and close to the original signal transmitted by the metal cable 23.
Si cela s'avère nécessaire, un système amplificateur 32 intégré et extrênament simple, destiné à compenser les eventuelles pertes de transmission est utilisé à l'entrée du câble 31. If necessary, an integrated and extremely simple amplifier system 32, intended to compensate for possible transmission losses, is used at the input of the cable 31.
Dans le cas où le système de rotation comprend plusieurs circuits de transmission mobiles, à raccorder à des circuits fixes, on utilise comme il est montré sur la Fig.8 plusieurs fibres optiques fluorescentes de nature différente. In the case where the rotation system comprises several mobile transmission circuits, to be connected to fixed circuits, as shown in FIG. 8, several fluorescent optical fibers of different nature are used.
Les fibres 34 et 35 délivrent respectivement par exemple des lumières bleu et rouge (fibres types F200 et F202 commercialisées par la Société Optectron Industries),
Dans ces conditions, aucune interférence significative entre les signaux électriques délivrés par les câbles 33 et 34 n'est décelable. Si cela est nécessaire, on adjoint aux récepteurs 35 et 36 des filtres de couleurs 37 et 38 et aux récepteurs 39 et 40 des filtres de couleurs 41 et 42.The fibers 34 and 35 respectively deliver blue and red lights respectively (fibers types F200 and F202 sold by the company Optectron Industries),
Under these conditions, no significant interference between the electrical signals delivered by cables 33 and 34 is detectable. If necessary, color filters 37 and 38 are added to receivers 35 and 36 and color filters 41 and 42 to receivers 39 and 40.
Les autres éléments montrés sur la figure 8 sont les mêmes que ceux utilisés dans le cas d'une rotation monocâble et présentent les mêmes fonctions. The other elements shown in FIG. 8 are the same as those used in the case of a single-cable rotation and have the same functions.
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|---|---|
| FR2728070B1 (en) | 2004-07-30 |
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|---|---|---|---|
| ST | Notification of lapse |
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