FR3051250A1

FR3051250A1 - Resonateur optique pour un dispositif de capteur servant a detecter un fluide et dispositif de capteur pour sa mise en œuvre ainsi que procede de detection

Info

Publication number: FR3051250A1
Application number: FR1754026A
Authority: FR
Inventors: Christian Huber; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2017-11-17
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: FR3051250B1; DE102016207995A1

Abstract

Résonateur optique (102) pour un dispositif de capteur (100) servant à détecter un fluide, et comportant un canal de fluide (108) formé par un premier élément de miroir semi-transparent (104) et un second élément de miroir (106) semi-transparent. Le premier élément de miroir (104) et le second élément de miroir (106) se font face pour permettre, une réflexion multiple des rayons lumineux (112) dans le canal de fluide (108).

Description

Domaine de l’invention

La présente invention a pour objet un résonateur optique pour un dispositif de capteur servant à détecter un fluide ainsi qu’un dispositif de capteur avec un résonateur optique pour détecter un fluide. L’invention se rapporte également à un procédé de détection d’un fluide et à un programme d’ordinateur pour l’exécution du procédé.

Etat de la technique

Un capteur de gaz est, par exemple, un capteur infrarouge non dispersif connu sous la dénomination de capteur NDIR. Le fonctionnement d’un tel capteur NDIR repose sur l’absorption du rayonnement magnétique, de façon caractéristique dans le domaine spectral de l’infrarouge moyen dans lequel se situent des états d’excitation vibroniques de certaines molécules gazeuses. L’intensité de l’absorption selon la loi de Lambert-Beer est dans une relation bien définie avec la concentration du gaz à détecter. Un avantage d’une telle mesure par rapport à d’autres principes de détection tels que les mesures de conductivité d’oxydes métalliques chauffés résident dans la moindre sensibilité croisée avec d’autres gaz car les espèces à détecter se distinguent par des bandes d’absorption caractéristiques dans le domaine de l’infrarouge moyen.

Du fait des faibles coefficients d’absorption rencontrés pour les gaz à détecter on peut miniaturiser de tels capteurs NDIR, par exemple pour les intégrer dans des smartphones, ce qui peut être techniquement très compliqué car on dispose seulement de très courts chemins de passage de la lumière dans le mélange gazeux absorbant avec de très faibles variations de signal qui en résulte de sorte que les gaz seront très difficiles à détecter sur le plan métrologique. Des longueurs d’absorption caractéristiques ainsi que des dimensions caractéristiques de tels capteurs NDIR se situent dans une plage de quelques centimètres.

But de l’invention

La présente invention a pour but de remédier à ces difficultés et de proposer un résonateur optique pour un dispositif de capteurs servant à détecter un fluide, un dispositif de capteur équipé d’un tel résonateur ainsi qu’un procédé de détection d’un fluide et un dispositif appliquant ce procédé et enfin un programme d’ordinateur pour la mise en œuvre du procédé.

Exposé et avantages de l’invention A cet effet l’invention a pour objet un résonateur optique pour un dispositif de capteur servant à détecter un fluide, résonateur optique comportant un canal de fluide pour conduire un fluide, ce canal étant formé au moins par segments par un premier élément de miroir semi-transparent et un second élément de miroir semi-transparent, le premier élément de miroir, et le second élément de miroir se faisant face pour permettre, par l’émission de rayons lumineux sur le premier élément de miroir, de générer une réflexion multiple des rayons lumineux dans le canal de fluide.

Un résonateur optique est un dispositif formé d’éléments de miroir pour réfléchir des rayons lumineux autant de fois que possible entre les éléments de miroir. Les interférences dans le résonateur, développent une onde statique si la longueur du chemin optique du résonateur est un multiple d’une demi-longueur d’onde des rayons lumineux incidents. Le résonateur optique est, par exemple, un résonateur Fabiy-Pérot dont les deux éléments de miroir se trouvent à une certaine distance, variable, dans une position pratiquement parallèle. Le fluide est notamment un gaz ou un mélange de gaz ou encore un liquide. Les deux éléments de miroir permettent de réfléchir partiellement les rayons lumineux incidents et de les transmettre partiellement. A titre d’exemple, les réflectivités nécessaires peuvent être très élevées de sorte que les différents éléments de miroir réfléchissent plusieurs fois les rayons lumineux ; ils réfléchissent plus les rayons lumineux qu’ils ne les transmettent. Selon la forme de réalisation, les deux éléments de miroir sont plans ou courbes. Les deux éléments de miroir peuvent avoir, par exemple, un système de couches diélectriques sur une première face et en option une couche réduisant la réflexion sur la seconde face. A la place du système de couches diélectriques, les deux éléments de miroirs peuvent également être réalisés sous la forme d’un mince revêtement métallique. Les deux éléments de miroir peuvent être, par exemple, sous la forme d’un miroir de Bragg. L’invention présentée ci-dessus repose sur l’utilisation de la distance entre deux miroirs d’un interféromètre Fabiy-Pérot comme cavité traversée par un fluide. En supprimant une cavité distincte, on peut réaliser l’interféromètre Fabiy-Pérot sous la forme d’un capteur de gaz fortement miniaturisé ayant un angle d’acceptance large (ouverture numérique) avec une modulation périodique de la longueur de la cavité.

Selon un développement, le dispositif comporte un moyen d’entraînement périodique fonctionnant en technique de corrélation (verrouillage) et utilisant une large plage de l’angle d’acceptance (ouverture numérique).

Selon un développement, le premier élément de miroir et le second élément de miroir sont pratiquement plan parallèles l’un par rapport à l’autre de sorte que le résonateur optique fonctionne comme un résonateur Fabry-Pérot.

De manière avantageuse, le premier élément de miroir et en plus ou en variante, le second élément de miroir sont montés coulissants le long d’un axe de translation, ce qui permet de modifier la distance entre les deux éléments de miroir.

Selon un antre développement, le résonateur optique comporte une installation d’entraînement pour coulisser le premier élément de miroir et de plus ou en variante, le second élément de miroir le long de l’axe de translation pour modifier de manière contrôlée la distance entre les deux éléments de miroir. L’installation d”entraînement permet de modifier la distance entre le premier élément de miroir et le second élément de miroir périodiquement selon une fréquence donnée. Cela permet de modifier la longueur d’onde centrale du résonateur optique selon une modulation périodique.

De manière avantageuse, au moins l’un des deux éléments de miroir est un miroir de Bragg. Un miroir de Bragg, encore appelé, réflecteur de Bragg distribué ou réflecteur DBR est un élément de miroir composé d’une alternance de couches minces ayant des indices de réfraction différents. Les couches peuvent être sous la forme de couches diélectriques, ce qui permet de réaliser les deux éléments de miroir sous la forme de réflecteurs de très grande qualité. L’invention a en outre pour objet un dispositif de capteur pour détecter un fluide, caractérisé en ce qu’il comprend un résonateur optique, une source lumineuse pour émettre des rayons lumineux sur le premier élément de miroir du résonateur optique et, une installation de détection pour détecter la partie des rayons lumineux ayant traversé le résonateur optique.

Une source lumineuse est, par exemple, une source lumineuse à rayonnement divergent, par exemple, sous la forme d’une diode lumineuse ou diode laser ou d’un émetteur MEMS et, de façon générale, un émetteur thermique ou une diode LED avec conversion de fréquence, par exemple, par un phosphore. L’installation de déflexion est, par exemple, une photodiode utilisant PbSe, Insb ou HgCdTe, ou encore un phototransistor.

Selon un développement, le premier élément de miroir et le second élément de miroir sont installés entre la source lumineuse et l’installation de détection, qui sera aussi court que possible.

Selon un autre développement, le dispositif de capteur comporte au moins un élément de filtre pour filtrer les rayons lumineux. L’élément de filtre est installé entre la source lumineuse et l’installation de détection, par exemple, entre la source lumineuse et le premier élément de miroir ou à un endroit quelconque, en amont de l’installation de détection. L’élément de filtre est, par exemple, un préfiltre passe-bande. En plus ou en variante, le dispositif de capteur comporte au moins un diaphragme pour limiter et définir la plage de l’angle d’incidence des rayons lumineux pour la transmission à travers le résonateur optique. Le diaphragme est une ouverture de diamètre variable. Le diaphragme est une surface que rencontre la lumière arrivant sur le résonateur optique. Avec la surface de détection de l’installation de détection on peut ainsi définir la plage de l’angle d’acceptance du résonateur optique. L’invention a également pour objet un procédé pour détecter un fluide en utilisant un résonateur optique procédé caractérisé en ce qu’il consiste à enregistrer un signal de mesure représentant l’intensité de la partie des rayons optiques ayant traversé le résonateur optique et étant arrivé sur l’installation et qui est détecté par l’installation de détection et à exploiter le signal de mesure pour détecter le fluide.

Selon un développement, le procédé comporte une étape consistant à commander l’installation d’entraînement pour coulisser le premier élément de miroir et/ou le second élément de miroir et faire varier périodiquement la distance entre le premier élément de miroir et le second élément de miroir selon une fréquence donnée, entre une première distance et une seconde distance. Par la mesure faite en fonction de la commande, on obtient un signal de différence qui représente la différence entre l’intensité des rayons lumineux transmis pour la première distance et l’intensité des rayons lumineux transmis pour la seconde distance, ces intensités étant mesurées par l’installation de détection. On enregistre le signal de différence dans l’étape d’enregistrement. Enfin, on exploite le signal de différence pour détecter le fluide. Cette forme de réalisation permet une détection précise, même pour de très faibles différences entre les signaux. En particulier, cela permet de réduire la plage dynamique du signal à détecter. En outre, cela permet d’éliminer les composantes de bruit pour les autres fréquences.

Selon un autre développement, le procédé consiste à régler une distance de référence entre le premier élément de miroir et le second élément de miroir en commandant l’installation d’entraînement. Dans l’étape de génération on génère un signal de référence en mesurant l’intensité de référence à la distance de référence devant l’installation de détection. Dans l’étape de normalisation on normalise le signal de différence en utilisant le signal de référence pour obtenir un signal normalisé (signal réduit). Pour l’exploitation, on utilise le signal normalisé. Ces différentes étapes permettent d’augmenter la précision de la mesure obtenue par le procédé.

En d’autres termes, on fait varier, de manière dynamique, la distance entre les éléments de miroir avec une fréquence appropriée pour alterner entre une première et une seconde distance. Le signal de différence entre le signal de mesure de la première distance et le signal de mesure de la seconde distance s’obtient à la même fréquence sur l’installation de détection et la mesure se fait en technique de corrélation. Le signal de référence est pris de manière statique pour l’une des deux distances. Ce signal de référence constitue la référence utilisée pour la variation d’intensité liée aux effets de vieillissement de la source lumineuse. Le signal de différence normalisé en fonction du signal de référence sert d’indicateur de la concentration du fluide.

Le procédé selon l’invention peut être réalisé sous la forme d’un programme ou d’un circuit ou sous la forme combinée d’un programme et d’un circuit implémentés dans un appareil de commande. L’invention a également pour objet un dispositif pour mettre en œuvre les étapes du procédé, ce qui permet de résoudre rapidement et efficacement le problème de l’invention.

Le dispositif comporte au moins une unité de calcul pour traiter les signaux et les données, au moins une mémoire pour enregistrer les signaux et les données et au moins une interface avec un capteur ou un actionneur pour enregistrer les signaux du capteur et fournir les signaux de données et de commande vers l’actionneur et/ou au moins une interface de communication pour enregistrer ou émettre les données qui appliquent un protocole de communication. L’unité de calcul est, par exemple, un processeur de signal, un microcontrôleur ou un moyen analogue et l’unité de mémoire est, par exemple, une mémoire flash, une mémoire EPROM ou une mémoire magnétique. L’interface de communication permet de transmettre les données par une liaison sans fil et/ou avec fil et cette interface de communication permet d’enregistrer et d’émettre les données par une liaison par fil, par exemple par une liaison électrique ou optique vers la ligne de transmission de données.

Un dispositif selon l’invention est, par exemple, un appareil électrique qui traite les signaux du capteur et génère, en fonction de ceux-ci des signaux de commande et/ou de données. Le dispositif comporte une interface sous la forme d’un circuit et/ou d’un programme. Dans le cas d’une réalisation sous la forme d’un programme, l’interface fait, par exemple, partie d’un élément ASIC qui comporte différentes fonctions du dispositif. Il est également possible que l’interface soit constituée par son propre circuit intégré ou au moins en partie de composants discrets. Dans le cas d’une réalisation sous la forme de programme, les interfaces sont des modules de programme qui sont intégrés à un microcontrôleur en plus d’autres modules de programme.

De façon avantageuse, l’invention a également pour objet un produit-programme d’ordinateur ou plus simplement un programme d’ordinateur avec un code-programme enregistré sur un support lisible par une machine ou support de mémoire telle qu’une mémoire semi-conductrice, un disque dur ou une mémoire optique pour exécuter, convertir et/ou commander les étapes du procédé tel que définies ci-dessus, notamment lorsque le produit-programme ou programme est appliqué à un ordinateur ou un tel dispositif.

Dessins

La présente invention sera décrite ci-après, de manière plus détaillée, à l’aide d’un exemple de réalisation de l’invention représenté dans les dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un dispositif de capteur, la figure 2 est un diagramme représentant le signal de référence et le signal de mesure pour le traitement par le dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention, la figure 3 est un schéma d’un exemple de réalisation d’un dispositif selon l’invention, la figure 4 est un diagramme représentant le signal de différence traité par le dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention, et la figure 5 montre un ordinogramme d’un procédé selon un exemple de réalisation de l’invention, la figure 6 montre un ordinogramme d’un autre procédé de réalisation de l’invention.

Par convention dans la description suivante on utilisera les mêmes références pour désigner les mêmes éléments des différentes figures.

Description de modes de réalisation

La figure 1 est une représentation schématique d’un dispositif de capteur 100 correspondant à un exemple de réalisation de l’invention. Le dispositif de capteur 100 comporte un résonateur optique 102 ayant un premier élément de miroir semi-transparent 104 et un second élément de miroir semi-transparent 106. Les deux éléments de miroir 104, 106 se font face à une certaine distance. Les deux éléments de miroir 104, 106 délimitent une cavité sous la forme d’un canal de fluide 108 ayant une entrée de canal 109 recevant un fluide dans le canal 108 tel qu’un gaz ou un mélange de gaz. La direction de passage du fluide est schématisée par une flèche horizontale.

Le dispositif de capteur 100 comporte en outre une source lumineuse 110 qui est ici une source lumineuse à rayonnement divergent ; le premier élément de miroir 104 se trouve entre la source lumineuse 110 et le second élément de miroir 106. La source lumineuse 110 éclaire le côté du premier élément de miroir 104 à l’opposé du second élément de miroir 106 avec des rayons lumineux 112. Les rayons lumineux 112 sont partiellement réfléchis par le premier élément de miroir 104 et partiellement transmis au canal de fluide 108. Dans le canal de fluide 108, la partie des rayons lumineux 112 ayant traversé le premier élément de miroir 104 sont renvoyés par le second élément de miroir 106 en partie en direction du premier élément de miroir 104 et en partie ces rayons traversent. La partie des rayons lumineux 112 qui traverse le canal de fluide 108 sont notamment réfléchis plusieurs fois dans le canal de fluide 108 par les deux éléments de miroir 104, 106. L’intensité des rayons lumineux 112 sera au moins partiellement absorbée par le fluide qui passe dans le canal 108 de sorte que la fraction des rayons lumineux 112 ayant traversé le second élément de miroir 106 aura une intensité lumineuse inférieure à celle qu’il y aurait en l’absence de fluide. Cela signifie que par la fonction d’interféromètre de Fabry-Pérot, comme filtre passe-bas, les rayons lumineux qui arrivent sur un détecteur, auront une intensité moindre que les rayons lumineux qui arrivent sur l’interféromètre Fabry-Pérot. Les deux éléments de miroir 104, 106 ne sont pas à considérer du fait de leur faible écartement, du point de vue de la transmissivité, comme des éléments séparés, mais comme un système global car ces éléments fonctionnent comme une cavité ayant un comportement de transmission défini.

Les deux éléments de miroir 104, 106 représentés à la figure 1, réalisés en option comme des miroirs plans, par exemple, des miroirs de Bragg sont pratiquement parallèles plan l’un par rapport à l’autre. Selon l’exemple de réalisation de la figure 1, le premier élément de miroir 104 est monté coulissant le long d’un premier axe de translation 114 qui est ici pratiquement perpendiculaire à la direction d’écoulement du fluide. Une installation d’entraînement 116, en option, permet de déplacer le premier élément de miroir 104 le long de l’axe de translation 114. A titre d’exemple, l’installation d’entraînement 116 déplace le premier élément de miroir 104 selon une fréquence prédéfinie (f), périodiquement entre une première position qui correspond à une première distance entre les deux éléments de miroir 104, 106 et une seconde position qui représente une seconde distance entre les deux éléments de miroir 104, 106. A titre d’exemple, dans la première position il n’y a pas d’absorption ou qu’une absorption très faible des rayons lumineux 112 par le fluide alors quinversement dans la seconde position on aura une absorption très forte des rayons lumineux 112 par le fluide. Le premier élément de miroir 104 est ainsi réalisé comme un miroir très réfléchissant, oscillant alors que le second élément de miroir 106 est un miroir statique très réfléchissant.

En plus ou en variante, le second élément de miroir 106 peut être monté coulissant le long de l’axe de translation 114 et être commandé par l’installation d’entraînement 116 de façon analogue au premier élément de miroir 104.

Selon un exemple de réalisation, un élément de filtre 118 tel qu’un filtre de présélection est installé entre la source lumineuse 110 et le premier élément de miroir 104 ; cet élément de filtre assure le filtrage des rayons lumineux 112 émis par la source lumineuse 110 avant que ces rayons n’arrivent sur le premier élément de miroir 104. En option, un diaphragme 120 avec une ouverture 122 est installé entre l’élément de filtre 118 et le premier élément de miroir 104. Le diaphragme 120 modifie le passage de la lumière à travers le résonateur optique 102 ; en d’autres termes, le diaphragme modifie la plage de l’angle d’incidence des rayons lumineux 112 sur le premier élément de miroir 104. Les rayons lumineux 112 filtrés par l’élément de filtre 118 arrivent sur le premier élément de miroir 104 à travers l’ouverture 122 du diaphragme.

Une installation de détection 124 est prévue sur le côté du second élément de miroir 106 à l’opposé du premier élément de miroir 104. Cette installation de détection détecte l’intensité de la fraction des rayons lumineux 112 ayant traversé le résonateur optique 102. Selon l’exemple de réalisation de la figure 1, les deux éléments de miroir 104, 106 sont placés entre la source lumineuse 110 et l’installation de détection 124.

La position de l’élément de filtre 118 peut être variable dans la mesure où cet élément se trouve en amont de l’installation de détection 124.

Un dispositif 126 pour l’analyse du signal et la détermination de la concentration du fluide est relié à l’installation de détection 124. Selon un exemple de réalisation, le dispositif 126 enregistre pour l’installation de détection 124, à la fois le signal de mesure 128 qui représente l’intensité lumineuse détectée par l’installation de détection 124 des rayons lumineux 112 pendant le mouvement du premier élément de miroir 104 et un signal de référence 130 ; le signal de référence représente l’intensité de référence détectée par l’installation de détection 124 à une distance de référence entre les deux éléments de miroir 104, 106. Le signal de mesure 128 et le signal de référence 130 sont utilisés par le dispositif 126 pour déterminer les propriétés de la matière du fluide telle que la concentration en dioxyde de carbone en fonction de l’écart entre l’intensité et l’intensité de référence.

Le dispositif 126 est réalisé en option pour commander l’installation d’entraînement 116 par l’émission d’un signal de commande 132. Le dispositif 126 fixe une fréquence de commande par laquelle l’installation d’entraînement 116 active la variation de longueur de la cavité délimitée par les deux éléments de miroir 104, 106. Un signal est ainsi généré par l’installation de détection 124 qui contient la même composante de fréquence.

Selon un exemple de réalisation, le dispositif 126 a un générateur de fréquence 140 encore appelé oscillateur de référence qui commande la fréquence de l’installation d’entraînement 116 et injecte sa fréquence de référence dans l’amplificateur à verrouillage 136. Ainsi l’amplificateur à verrouillage 136 ne prédéfinit pas la fréquence de référence. De façon générale, les fonctions de prédéfinition de la fréquence et du maintien de la fréquence sont distinctes. Selon un exemple de réalisation, le dispositif 126 comporte en outre l’installation de détection 124.

Selon l’exemple de réalisation de la figure 1, le dispositif 126 est réalisé par un multimètre 134 et un amplificateur à verrouillage 136. Le multimètre 134 et l’amplificateur à verrouillage 136 sont couplés respectivement à l’installation de détection 124. De façon générale, cela permet d’appliquer des procédés de corrélation et notamment, par exemple, la technique de verrouillage. En option, l’amplificateur à verrouillage 136 est en outre couplé à l’installation d’entraînement 116. Le multimètre 134 reçoit les valeurs de référence. L’amplificateur à verrouillage 136 peut, de plus, recevoir un signal pilote comme signal d’entrée.

Le résonateur optique 102 peut être un filtre spectral accordé permettant une forte miniaturisation. Le résonateur optique 102 se réalise, par exemple, en technique MEMS comme un interféromètre Fabry-Pérot. Pour cela, on utilise le fait que la cavité formée des deux éléments de miroir 104, 106 très réfléchissants, parallèles plan, et à une distance de l’ordre des longueurs d’onde optique, présente une forte transmission pour les longueurs d’onde qui correspondent à un multiple entier de la double distance. La distance encore appelée longueur de la cavité peut être modifiée par exemple par la commande électrostatique ou piézoélectrique de l’installation d’entraînement 116, ce qui permet de réaliser un filtre d’accord spectral.

Le résonateur optique 102 peut, par exemple, être utilisé dans la plage de l’infrarouge moyen de 4,2 μιη, pour détecter les lignes d’absorption fines du dioxyde de carbone.

Le principe du capteur à la base du dispositif de capteur 100 sera décrit ci-après, par exemple, pour le dioxyde de carbone. Le dispositif de capteur 100 peut toutefois s’utiliser également pour d’autres gaz ayant des bandes d’absorption optiques bien définies.

Le dispositif de capteur 100 réalise un capteur de gaz miniaturisé à partir d’un interféromètre Fabiy-Pérot, commandé périodiquement, ayant une finesse élevée avec une longueur de cavité variable sous la forme du résonateur optique 102. L’utilisation simultanée du résonateur optique 102 comme élément de filtre et comme chemin d’absorption optique permet une miniaturisation poussée du dispositif de capteur 100. Grâce à l’utilisation en option des techniques de corrélation telles que, par exemple, les techniques de verrouillage pour la détection, on détecte de petits signaux. L’utilisation d’un interféromètre Fabry-Pérot très réfléchissant comme résonateur optique 102 permet d’augmenter le chemin d’absorption optique par des réflexions multiples. Cela permet en outre de miniaturiser le dispositif de capteur 100.

Le dispositif de capteur 100 utilise un angle d’acceptance large pour étaler le pic de transmission et augmenter le signal détecté. En d’autres termes, le dispositif de capteur 100 est conçu explicitement pour utiliser un angle d’acceptance large.

En option, par la modulation périodique de la longueur d’onde centrale du résonateur optique 102, la détection se fait par un procédé de corrélation. Cela permet également de détecter, de façon précise, de petites différences entre les signaux car d’une part on neutralise les composantes de bruit pour les autres fréquences et d’autre part, on réduit la plage dynamique du signal à détecter.

La figure 1 montre schématiquement une réalisation possible du dispositif de capteur 100. Une source lumineuse 110 à rayonnement divergent émet de la lumière dans une large plage de longueurs d’onde que l’on réduit à l’aide d’un fluide de présélection optique comme élément de filtre 118 à une plage plus étroite. L’ouverture sous la forme d’une ouverture de diaphragme 122 réalise un angle d’acceptance défini par rapport au résonateur optique 102. La lumière préfiltrée arrive dans une plage angulaire prédéfinie sur le résonateur optique 102 qui comporte les deux éléments de miroir 104, 106 fortement réfléchissants ainsi que l’espace délimité par les deux éléments de miroir 104, 106 et rempli de gaz en formant un canal de fluide 108. Le premier élément de miroir 104 est monté oscillant et peut être commandé de manière électrostatique à la fois périodiquement à la fréquence (f) et aussi d’une manière quasi statique pour rester sur une longueur de cavité fixe. La cavité est reliée à l’environnement, ce qui permet un échange gazeux entre les côtés du résonateur optique 102. L’intensité de la lumière transmise est mesurée par un photo-capteur constituant l’installation de détection 124. Cette installation est reliée à un multimètre 134 et à l’amplificateur verrouillé 136.

La fonction du résonateur optique 102 sera décrite ci-après. Ensuite on décrira le déroulement de la détection d’un signal modulé.

Le dispositif de capteur 100 permet de détecter deux plages de longueur d’ondes différentes : en premier lieu dans la plage directement sous 4 μιη, dans laquelle l’air est transparent, c’est-à-dire là où il n’y a pas d’absorption, et en second lieu dans la plage directement au-dessus de 4,2 pm dans laquelle il y a une bande d’absorption large du dioxyde de carbone. La bande d’absorption large du dioxyde de carbone se compose de plusieurs pics d’absorption, étroits. L’interféromètre de Fabry-Pérot présente une transmission pour toutes les longueurs d’ondes répondant à la condition d’interférence, c’est-à-dire la longueur de la cavité est égale à un multiple entier d’une demi-longueur d’onde. Pour la longueur de l’onde centrale d’un tel pic, pour une incidence perpendiculaire et un indice de réfraction égal à 1 on aura dans la cavité :

Dans cette relation m représente l’ordre d’un pic et d est la longueur de la cavité. La largeur d’un pic également appelée largeur du demi maximum (en abrégé FWHM), d’un interféromètre de Fabry-Pérot, idéal se situe à :

Dans cette formule, le coefficient de finesse de réflexion

ne dépend que de la réflectivité de l’élément de miroir. La distance spectrale entre deux pics successifs d’ordre m et m + 1 est appelée plage spectrale libre représentée par la formule

Pour obtenir un seul pic de transmission dans la plage souhaitée comprise entre environ 3,95 pm et 4,25 pm, on peut utiliser un pré-filtre à bande passante comme élément de filtre 118 et qui ne transmet que dans cette plage. De plus, la plage spectrale libre FSR doit être supérieure à la plage souhaitée pour l’accord.

Pour obtenir une partie significative d’absorption du dioxyde de carbone dans le signal transmis, il faut choisir une longueur de cavité aussi grande que possible. Du fait de la limitation évoquée ci-dessus concernant la plage spectrale libre FSR, on limite ainsi l’ordre maximum utilisable et la longueur de la cavité dans le sens croissant.

Pour pouvoir mesurer, même de faibles variations de la concentration en dioxyde de carbone, il faut que les pertes par absorption par le dioxyde de carbone pour la transmission dans le résonateur optique 102 soient suffisamment importantes pour pouvoir être détectées par l’installation de détection 124. Comme le coefficient d’absorption du dioxyde de carbone dans l’air est faible, dans les détecteurs optiques classiques de dioxyde de carbone ce coefficient n’est compensé que par un long chemin de la lumière dans le milieu absorbant. Pour arriver à une absorption suffisante dans la courte cavité d’un interféromètre de Fabry-Pérot, il faut que la lumière se réfléchisse alternativement, suffisamment dans la cavité. Pour cela, on utilise comme élément de miroir 104, 106 des couches de miroir fortement réfléchissantes. De telles couches de miroir s’obtiennent à l’aide de systèmes de couches diélectriques formant un réflecteur de Bragg, distribué.

Comme le coefficient FWHM du pic de transmission pour des couches très réfléchissantes et des ordres de transmission élevés est faible, cette construction permet néanmoins que l’intensité transmise, globale est faible, ce qui dégage de nouveau le problème de la possibilité de détection.

Pour une lumière incidente inclinée selon un angle Θ par rapport à la normale à la surface, on multiplie par le coefficient cosb les équations donnant λο, FSR et FWHM. Pour un angle croissant, la longueur d’onde centrale se décale vers les courtes longueurs d’onde. Pour une lumière incidente non collimatée, qui arrive dans toutes les directions dans une plage angulaire [0, 0max], et qui se règle, par exemple, par le diaphragme 120, dans la mesure où la source lumineuse rayonne de manière divergente, on obtient la transmission totale comme intégrale du pic de transmission avec des longueurs d’onde centrales.

Cela correspond à la détection de la transmission dans une plage élargie de longueurs d’ondes.

Pour les applications dans lesquelles il faut résoudre des pics spectraux très étroits, cet effet peut être gênant. C’est pourquoi on utilise de petites ouvertures pour limiter la plage de l’angle d’incidence de sorte que l’intensité transmise diminue. Selon l’exemple de réalisation de la figure 1, il est toutefois souhaitable d’avoir un pic de transmission plus large dans la plage de 4,2 pm car on ne veut pas résoudre des lignes d’absorption isolées, mais mesurer l’absorption totale dans cette plage spectrale. Grâce à l’utilisation d’une plage large d’angles d’incidence, avec une plus grande ouverture, on pourra, malgré les éléments de miroir 104, 106 très réfléchissants, et pour un ordre d’interférence élevé du résonateur optique 102, transmettre une plage spectrale plus large et ainsi une intensité plus grande. La taille de l’ouverture, par exemple dans les optiques en option, en aval de la source lumineuse, peut en outre être choisie pour que l’étalement du pic de transmission corresponde précisément à la largeur de la plage spectrale intéressante autour de 4,2 pm.

En plus de l’absorption par le dioxyde de carbone on détermine le signal détecté par l’installation de détection 124 également par la répartition de l’intensité spectrale de la source lumineuse telle qu’un émetteur thermique et la sensibilité spectrale de l’installation de détection 124. Pour déterminer la concentration en dioxyde de carbone on peut ainsi faire une mesure de référence directement en dessous de 4 pm car dans cette plage, l’air est transparent.

Selon un exemple de réalisation, on détermine la longueur de la cavité, par exemple de manière électrostatique de sorte que les points de fin de course du mouvement seront donnés par la longueur de la cavité pour une transmission à 3,98 pm et 4,23 pm. L’intensité transmise qui est mesurée à ces instants par l’installation de détection 124 est alors donnée par l’intégrale sur les deux pics de transmission comme cela est, par exemple, montré à la figure 2.

Malgré la réalisation de miroirs très réfléchissants et l’utilisation d’une plage d’angles d’incidence plus grande, la variation du signal entre le signal de référence 130 pour 3,98 pm et le signal de mesure 128 pour 4,23 pm est faible. De telles petites variations du signal peuvent néanmoins se mesurer de manière précise en appliquant la technique de la corrélation.

Pour cela, on modifie la longueur de la cavité périodiquement selon une fréquence prédéfinie f, par exemple par un action-neur électrostatique avec une tension alternative en utilisant l’installation d’entraînement 116. Le signal de l’installation de détection 124 varie alors également à la fréquence (f). L’installation de détection 124 réalisée comme amplificateur à verrouillage permet de mesurer le signal de différence entre les deux points de fin de course du mouvement du premier élément de miroir 104 avec les intensités transmises correspondantes. De plus, cela permet d’éliminer le bruit pour les autres fréquences.

Comme le signal de référence 130 et le signal de mesure 128 ne diffèrent que faiblement, la mesure d’une différence entre les deux signaux a l’avantage que pour une résolution donnée d’un convertisseur A/D (convertisseur analogique / numérique) il suffit de couvrir une plus faible plage dynamique et cela permet ainsi de détecter de plus petites variations du signal.

Au début de la mesure on met la cavité à la longueur prévue pour la mesure de référence. A l’aide d’un appareil de mesure de tension on mesure ainsi le signal de référence 130. Ensuite, on fait osciller la cavité par l’installation d’entraînement 116. On mesure alors le signal de différence et on le norme sur le signal de référence 130. Après un certain temps on référence de nouveau de manière statique.

Pour déterminer la concentration en dioxyde de carbone d’une manière précise et fiable, il faut calibrer le dispositif de capteur 100 après sa fabrication pour des concentrations connues de dioxyde de carbone.

La figure 2 montre un diagramme représentant un signal de référence 130 et un signal de mesure 128 destiné à être traité par un dispositif selon un exemple de réalisation tel qu’un dispositif comme celui décrit ci-dessus à l’aide de la figure 1. En abscisses du diagramme on a porté la longueur d’onde en nanomètres. Les ordonnées représentent la transmission. Le diagramme montre des pics de transmission simultanés pour deux longueurs de cavité différentes, c’est-à-dire pour des écarts différents entre les deux éléments de miroir du résonateur optique et pour deux concentrations différentes en dioxyde de carbone. Le signal de référence 130 correspondant à une mesure de référence pour une distance de référence est représenté par un pic de référence pour une longueur d’onde inférieure à 4 pm. Le pic de référence est indépendant de la concentration en dioxyde de carbone car dans cette zone l’air est transparent. Un niveau de pic dépendant de la concentration en dioxyde de carbone d’un pic associé au signal de mesure 128 se situe à 4,2 pm. Le signal de mesure 128 correspond à une mesure dans une bande d’absorption de dioxyde de carbone.

La distance de référence correspond par exemple à une mesure de référence de 19,9 pm et la distance de mesure pour une mesure dans la bande d’absorption correspond à 21,25 pm. On a représenté les pics pour des concentrations de dioxyde de carbone de 400 ppm et 4400 ppm dans l’air. Le signal de mesure 128 a pour 400 ppm un pic plus élevé que pour 4400 ppm. Le pic du signal de référence 130 présenté à la figure 2 correspond à une mesure de référence pour 4400 ppm ; la concentration en dioxyde de carbone pour le pic de référence peut être différente. Il apparaît que l’intensité transmise de 4,28 pm diminue pour une concentration croissante de dioxyde de carbone.

La figure 3 est une représentation schématique d’un exemple de réalisation du dispositif 126. Le dispositif 126 est un dispositif comme celui décrit à l’aide des figures 1 et 2 ; il comporte une unité d’enregistrement 310 pour enregistrer le signal de mesure 128 et le signal de référence 130. L’unité d’enregistrement 310 sert à enregistrer le signal de commande ou de fréquence 132 pour la détection verrouillée. L’intensité de référence peut correspondre sensiblement à l’intensité ayant traversé et pour la distance de référence pour laquelle le pic de transmission se situe dans la plage de transparence du fluide. On peut, par exemple, détecter l’intensité représentée par le signal de mesure 128 lorsque les deux éléments de miroir sont à la distance de mesure. Distinguer entre la distance de référence et la distance de mesure signifie que l’on n’effectue pas les mesures à une distance fixe, mais au lieu de cela on module périodiquement entre une distance avec absorption et la distance de référence au cours d’une mesure.

En d’autres termes, pour la mesure on fonctionne avec activation périodique sans distance de mesure définie au sens proprement dit ; au contraire, cette distance varie entre les deux positions de fin de course, à savoir la distance de référence de la mesure de référence et la distance pour laquelle le pic de transmission se trouve dans la plage spectrale absorbée. Dans ce sens, la distance de référence peut être appelée mode de référence statique et la distance de mesure comme mode de mesure. Le mode de référence est, par exemple, nécessaire seulement pour normaliser ultérieurement le signal. Pendant le mode de mesure on active périodiquement et on mesure le signal de différence, par exemple, en technique de verrouillage.

Inversement, on peut détecter l’intensité de référence pendant que les deux éléments de miroir se font face à la distance de référence. L’unité d’enregistrement 310 transmet les deux signaux 128, 130 à une unité d’exploitation 320 pour exploiter le signal de mesure 128 en utilisant le signal de référence 130. Par l’exploitation du signal de mesure 128, l’unité d’exploitation 320 génère une valeur de détection 325 qui représente, par exemple, la concentration d’une matière dans le fluide.

Selon une variante d’exemple de réalisation, le dispositif 126 a une installation de mesure 330 en option qui reçoit l’information de fréquence contenue dans le signal de commande 132. Cette installation de mesure génère un signal de différence 335 en réponse à la commande de l’installation d’entraînement pour modifier périodiquement la distance entre les deux éléments de miroir, entre la distance de référence et la distance de mesure du signal de mesure 128 et du signal de référence 130. Ce signal est reçu par l’unité d’enregistrement 310 et en utilisant les deux signaux 128, 130 on génère un signal de différence 335 représentant la différence entre le signal de référence 130 et le signal de mesure 128. L’unité d’exploitation 320 reçoit le signal de différence 335 de l’unité de mesure 330 et génère la valeur de détection 325 en utilisant le signal de différence 335.

La figure 4 montre un diagramme représentant un signal de différence 335 encore appelé signal de verrouillage pour le mode de réalisation, par exemple par le dispositif décrit ci-dessus à l’aide des figures 1 à 3. La figure 4 montre un signal de différence 335 simulé pour différentes concentrations de dioxyde de carbone ppm. Le signal de différence 335 est représenté selon une unité quelconque sur l’axe des ordonnées du diagramme. La concentration en dioxyde de carbone en ppm est représentée sur l’axe des abscisses du diagramme. On remarque que le signal de différence 335 décroît de manière continue en fonction de la concentration croissante en dioxyde de carbone.

La figure 5 montre un ordinogramme d’un procédé 500 selon un exemple de réalisation. Le procédé 500 de détection d’un fluide peut être appliqué, par exemple, avec le dispositif décrit ci-dessus à l’aide des figures 1 à 4. Dans l’étape 510 on enregistre le signal de mesure. Dans l’étape 520 suivante on exploite le signal de mesure pour détecter le fluide.

La figure 6 montre un ordinogramme d’un procédé 500 selon un exemple de réalisation. A la différence de la figure 5, à la figure 6 le procédé 500 selon cet exemple comporte une étape 610 dans laquelle on règle l’écart de référence entre les deux éléments de miroir du résonateur optique par la commande appropriée de l’installation d’entraînement. En fonction du réglage de la distance de référence, on mesure l’intensité de référence par l’installation de détection dans l’étape 620. Pour cela, l’installation de détection génère le signal de référence qui représente l’intensité de référence. En fonction de la génération du signal de référence, on commande de nouveau l’installation d’entraînement dans l’étape 630 suivante pour modifier la distance entre les deux éléments de miroir, de manière périodique selon une fréquence donnée, pour varier entre la distance de référence et la distance de mesure. En fonction de la variation périodique de la distance, on mesure le signal de référence par l’installation de détection dans l’étape 640 suivante ; ce signal de différence représente la différence entre l’intensité de référence et celle détectée par l’installation de détection à la distance de mesure. Ensuite, comme précédemment, dans l’étape 510 on enregistre le signal de différence. Enfin, dans l’étape 520 on exploite le signal de différence pour détecter le fluide. Le signal de différence peut être exploité en utilisant le signal de référence.

Selon un exemple de réalisation, on normalise le signal de référence dans une étape en option non représentée à la figure 6, de façon préliminaire à partir de l’exploitation 520 en utilisant le signal de référence pour obtenir un signal normalisé (encore appelé signal réduit). On exploite le signal normalisé dans l’étape 520 pour détecter le fluide.

Dans la description ci-dessus la combinaison et/ou, entre une première caractéristique et une seconde caractéristique signifie qu’un mode de réalisation comporte à la fois la première caractéristique et la seconde caractéristique ou qu’un autre mode de réalisation ne comporte que la première caractéristique ou la seconde caractéristique.

NOMENCLATURE DES ELEMENTS PRINCIPAUX 100 Dispositif de capteur 102 Résonateur optique 104 Elément de miroir semi-transparent 106 Elément de miroir semi-transparent 108 Canal de fluide 109 Entrée de canal 110 Source lumineuse 112 Rayons lumineux 114 Axe de translation 118 Elément de filtre 120 Diaphragme 122 Ouverture du diaphragme 124 Installation de détection 126 Dispositif d’enregistrement 128 Signal de mesure 130 Signal de référence 132 Signal de commande 134 Multimètre 136 Amplificateur à verrouillage 140 Générateur de fréquence 310 Unité d’enregistrement 320 Unité d’exploitation 325 Valeur de détection 330 Installation de mesure 335 Signal de différence 500 Procédé 510-520, 610-640 Etapes du procédé

Claims

REVENDICATIONS 1°) Résonateur optique (102) pour un dispositif de capteur (100) servant à détecter un fluide, résonateur optique (102) comportant : un canal de fluide (108) pour conduire le fluide, ce canal (108) étant formé au moins par segments par un premier élément de miroir semi-transparent (104) et un second élément de miroir (106) semi-transparent, * le premier élément de miroir (104) et le second élément de miroir (106) se faisant face pour permettre, par l’émission de rayons lumineux (112) sur le premier élément de miroir (104) de générer une réflexion multiple des rayons lumineux (112) dans le canal de fluide (108).
2°) Résonateur optique (102) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier élément de miroir (104) et le second élément de miroir (106) sont pratiquement plan parallèles.
3°) Résonateur optique (102) selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le premier élément de miroir (104) et/ou le second élément de miroir (106) sont coulissants le long d’un axe de translation (114).
4°) Résonateur optique (102) selon la revendication 3, caractérisé en ce qu’il comporte une installation d’entraînement (116) pour coulisser le premier élément de miroir (104) et/ou le second élément de miroir (106) le long de l’axe de translation (114).
5°) Résonateur optique (102) selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’installation d’entraînement (116) permet de modifier périodiquement, selon une fréquence donnée, la distance entre le premier élément de miroir (104) et le second élément de miroir (106).
6°) Résonateur optique (102) selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier élément de miroir (104) et/ou le second élément de miroir (106) sont des miroirs de Bragg.
7°) Dispositif de capteur (100) pour détecter un fluide, caractérisé en ce qu’il comprend : un résonateur optique (102) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, une source lumineuse (110) pour émettre des rayons lumineux (112) sur le premier élément de miroir (104) du résonateur optique (102), et une installation de détection (124) pour détecter la partie des rayons lumineux ayant traversé le résonateur optique (102).
8°) Dispositif de capteur (100) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le premier élément de miroir (104) et le second élément de miroir (106) sont disposés entre la source lumineuse (110) et l’installation de détection (124).
9°) Dispositif de capteur (100) selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce qu’il comporte au moins un élément de filtre (118) pour filtrer les rayons lumineux (112), l’élément de filtre (118) étant disposé entre la source lumineuse (110) et l’installation de détection (124) et/ou au moins un diaphragme (120) pour limiter et définir la plage de l’angle d’incidence des rayons lumineux (112) arrivant sur le premier élément de miroir (104).
10°) Procédé (500) pour détecter un fluide en utilisant un résonateur optique (102) selon l’une des revendications 1 à 6, procédé caractérisé en ce qu’il consiste à : enregistrer (510) un signal de mesure (128, 335) représentant l’intensité de la partie des rayons optiques ayant traversé le résonateur optique (102) et étant arrivé sur l’installation pour être détecté par l’installation de détection (124), et exploiter (520) le signal de mesure (128, 335) pour détecter le fluide.
11°) Procédé (500) selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’il consiste à : commander (630) une installation d’entraînement (116) pour déplacer le premier miroir (104) et/ou le second miroir (106), coulisser le premier miroir (104) et/ou le second miroir (106) d’une distance comprise entre le premier élément de miroir (104) et le second élément de miroir (106) et pour faire varier la distance entre le premier miroir (104) et le second miroir (106) selon une fréquence prédéterminée, périodiquement entre une première distance et une seconde distance, mesurer (640) en fonction de la commande (630), un signal de différence (335) représentant la différence entre l’intensité des rayons lumineux (112) transmise pour la première distance et l’intensité des rayons lumineux (112) transmise pour la seconde distance en mesurant à l’aide de l’installation de détection (124), enregistrer (510) le signal de différence (335), et exploiter le signal de différence (335) dans l’étape d’exploitation (520) pour détecter le fluide.
12°) Procédé (500) selon la revendication 11, caractérisé en ce qu’il consiste à régler (610) une distance de référence entre le premier élément de miroir (104) et le second élément de miroir (106) en commandant l’installation d’entraînement (116), et dans l’étape de génération (620) on génère un signal, de référence (130) en mesurant l’intensité de référence de l’intensité de référence par l’installation de détection (124), normaliser le signal de différence (335) en utilisant le signal de référence (130) pour obtenir un signal normalisé, et exploiter (520) le signal normalisé.
13°) Dispositif (126) comportant des unités (134, 136 ; 310, 320, 330) réalisées pour exécuter et/ou commander le procédé (500) selon l’une des revendications 10 à 12.
14°) Programme d’ordinateur pour exécuter et/ou commander le procédé (500) selon l’une des revendications 10 à 12 enregistré sur un support de mémoire lisible par une machine.