FR3126153A1 - Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce - Google Patents

Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce Download PDF

Info

Publication number
FR3126153A1
FR3126153A1 FR2108645A FR2108645A FR3126153A1 FR 3126153 A1 FR3126153 A1 FR 3126153A1 FR 2108645 A FR2108645 A FR 2108645A FR 2108645 A FR2108645 A FR 2108645A FR 3126153 A1 FR3126153 A1 FR 3126153A1
Authority
FR
France
Prior art keywords
axis
displacement
fixed
deformation
fiber
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
FR2108645A
Other languages
English (en)
Other versions
FR3126153B1 (fr
Inventor
Nassim SALHI
Minh Chau Phan Huy
Wendy TOMBOZA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran SA
Original Assignee
Safran SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran SA filed Critical Safran SA
Priority to FR2108645A priority Critical patent/FR3126153B1/fr
Publication of FR3126153A1 publication Critical patent/FR3126153A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of FR3126153B1 publication Critical patent/FR3126153B1/fr
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/3537—Optical fibre sensor using a particular arrangement of the optical fibre itself
    • G01D5/35374—Particular layout of the fiber
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B3/00—Measuring instruments characterised by the use of mechanical techniques
    • G01B3/11—Chains for measuring length
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/02—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using mechanical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35306—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement
    • G01D5/35309—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer
    • G01D5/35316—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using an interferometer arrangement using multiple waves interferometer using a Bragg gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/16—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge
    • G01B11/18—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. optical strain gauge using photoelastic elements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
    • G01B7/02—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B7/026—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring length, width or thickness for measuring length of cable, band or the like, which has been paid out, e.g. from a reel
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/10—Detecting linear movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/20—Detecting rotary movement

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

L’invention concerne un capteur optique, destiné à équiper un dispositif de mesure d’un déplacement d’une pièce, le capteur optique comprenant : - un support principal, comprenant deux modules (10 ; 11) concentriques et de même axe, l’un des modules étant fixe et l’autre module étant mobile en rotation autour de l’axe ; - un ressort spiral (12), disposé sur le support principal, une extrémité du ressort étant fixée à l’un des modules et l’autre extrémité étant fixée à l’autre module ; - une fibre optique (14) dont une portion est fixée sur une paroi du ressort, au moins un réseau de Bragg étant inscrit dans cette portion de la fibre. Figure pour l’abrégé : figure 4a

Description

Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce
L’invention concerne le domaine de la mesure optique d’un déplacement d’une pièce. De manière générale, l’invention peut s’appliquer à toutes pièces ayant une partie mobile. À titre d’exemple, cela permet notamment, dans le domaine aéronautique, de mesurer le déplacement mécanique de capteurs d’ouverture et de fermeture de volets sur la nacelle, ou encore d’un train d’atterrissage, etc.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
Dans l’état de l’art, on trouve plusieurs types de capteurs optiques permettant de mesurer le déplacement mécanique d’une pièce. Pour rappel, le déplacement mécanique d’une pièce fait référence au mouvement physique de cette pièce, qui traduit le déplacement de la pièce par rapport à un point de référence.
Un premier exemple de capteur optique 1, décrit dans le document [1], utilise une poutre en porte-à-faux 2 (également appelée cantilever), équipée d’un réseau de Bragg de déformation et d’un thermomètre de compensation (figures 1a et 1b). Le réseau de Bragg de déformation est formé par une fibre optique 5 munie d’un réseau de Bragg 3, la portion de la fibre contenant le réseau de Bragg 3 étant fixée au cantilever 2. Le cantilever a une longueur L et une épaisseur e, et est fixé sur un support 6. Le cantilever est relié, par l’intermédiaire d’un ressort hélicoïdal 7, à une pièce mobile 8 (par exemple un piston) dont on cherche à mesurer le déplacement. Le déplacement de la pièce mobile 8 va provoquer le déplacement du cantilever dans la direction Y et ce déplacement va provoquer une déformation dans le réseau de Bragg 3. Le thermomètre peut être réalisé par un second réseau de Bragg 4 présent dans la fibre optique 5 et fixé au support 6 du cantilever et qui n’est donc pas soumis à la déformation ; il peut également être formé par une sonde de température. Le thermomètre permet de compenser les variations thermiques subies par le réseau de Bragg de déformation 3.
Un deuxième exemple de capteur optique, également décrit dans le document [1], utilise un cantilever sur lequel deux réseaux de Bragg 3, 4 sont positionnés sur deux faces opposées du cantilever, de sorte que les deux réseaux de Bragg sont soumis à des effets opposés lors de la déformation du cantilever ( ). Comme dans le premier exemple, le cantilever 2 est lui-même relié à une pièce mobile 8 dont on cherche à mesurer le déplacement, la contre-réaction de la pièce mobile étant assurée par un ressort hélicoïdal 7.
Dans cette configuration, la mesure de la déformation est différentielle, car elle est obtenue en calculant la différence entre les deux mesures de réseaux de Bragg. La mesure de la différence est avantageuse, étant donné que la température va induire le même décalage (erreur) sur les deux réseaux de Bragg. De ce fait, le calcul de la différence permet d’éliminer la contribution de la température et de ne garder que la contribution de la déformation.
Un troisième exemple de capteur optique 1 utilise un coin de Fizeau et l’interférométrie Fabry-Perot ( ). Le coin de Fizeau 9 constitue une cavité Fabry-Perot d’épaisseur variable et est fixé à une pièce mobile 8 (par exemple un piston) dont la contre-réaction est assurée par un ressort hélicoïdal 7. Une fibre 5 permet d’apporter et de collecter la lumière vers et depuis un prisme qui fait office de cavité Fabry Perot de largeur variable. Le déplacement de la pièce mobile 8 entraine la modification de l’épaisseur de la cavité vue par la lumière et donc une modification de la réponse.
Les premier et deuxième exemples nécessitent des intégrations relativement complexes (du fait du positionnement du réseau de Bragg pour la mesure de la température ou du thermomètre extérieur, dans le premier exemple, ou de la nécessité d’aligner les réseaux de Bragg de manière symétrique sur la face supérieure et inférieure du cantilever, dans le deuxième exemple). Ils nécessitent également d’utiliser un ressort hélicoïdal 7 pour créer une contre-réaction au déplacement de la pièce mobile. Ces ressorts de contre-réaction sont des ressorts linéaires hélicoïdaux, qui sont donc encombrants. Ces ressorts linéaires sont choisis plus ou moins longs selon l’amplitude de mesure souhaitée.
Dans le troisième exemple, l’architecture est relativement complexe et est sensible aux variations de température. En outre, ce capteur est relativement onéreux.
L’invention a pour objectif de limiter, voire de supprimer, les inconvénients des capteurs de l’art antérieur mentionnés précédemment.
Elle propose à cet effet un capteur optique, destiné à équiper un dispositif de mesure d’un déplacement d’une pièce, le capteur optique comprenant :
- un support principal, comprenant deux modules concentriques et de même axe, l’un des modules étant fixe et l’autre module étant mobile en rotation autour de l’axe ;
- un ressort spiral, disposé sur le support principal, une extrémité du ressort étant fixée à l’un des modules et l’autre extrémité étant fixée à l’autre module ;
- une fibre optique dont une portion est fixée sur une paroi du ressort, au moins un réseau de Bragg étant inscrit dans cette portion de la fibre.
Pour rappel, un réseau de Bragg sur fibre (acronyme anglais FBG) est une modulation permanente de l’indice de réfraction dans le cœur d’une fibre optique, typiquement sur une longueur de 1 à 100 mm, qui réfléchit des longueurs d’onde particulières et qui transmet toutes les autres.
La portion de la fibre optique qui contient ledit au moins un réseau de Bragg est fixée sur le ressort. De préférence, la fibre optique est fixée sur une paroi radialement externe par rapport à l’axe d’enroulement du ressort.
De préférence, la fibre optique comporte deux réseaux de Bragg, pour plus de précision.
Selon une variante préférée, les deux modules sont respectivement un plateau et un arbre.
Selon une variante, le capteur optique comprend en outre un support auxiliaire, solidaire du module mobile, qui est rotatif autour d’un axe qui coïncide avec l’axe du support principal, et qui est muni d’un câble, apte à être enroulé sur une circonférence du support auxiliaire, une extrémité du câble étant fixée au support auxiliaire et l’autre extrémité étant destinée à être fixée à la pièce, un déplacement linéaire de la pièce dans un plan perpendiculaire à l’axe entrainant un déroulement du câble et la rotation du support auxiliaire autour de l’axe. Le support auxiliaire peut être ce qu’on appelle un tire-câble.
Bien évidemment, lorsqu’une extrémité du câble est fixée à la pièce et que la pièce s’est déplacée, la pièce revient à sa position initiale, et le câble se réenroule sur la circonférence du support auxiliaire.
Selon une variante, le module mobile du support principal étant un plateau et le module fixe du support principal étant un arbre, ledit plateau forme une partie supérieure du support auxiliaire. En d’autres termes, le support auxiliaire sert à la fois de support d’enroulement du câble et de support mobile du ressort spiral.
Avantageusement, le ressort spiral étant un ruban de matière enroulé autour d’un axe d’enroulement parallèle, de préférence coaxial, à l’axe du support principal, le ressort comporte une excroissance de matière, sur une portion de sa longueur, qui s’étend selon l’axe d’enroulement. Par exemple, le ruban ayant une longueur donnée, une épaisseur donnée (dimension dans le plan d’enroulement) qui est constante, il a en outre une largeur (dimension dans la direction de l’axe d’enroulement) L1, qui est constante, à l’exception d’une portion de la longueur, où il y a une excroissance de matière, la largeur L2 dans cette portion du ruban étant supérieure à L1. De préférence, cette excroissance est située à proximité de l’axe d’enroulement. Cette excroissance offre ainsi une surface facile d’accès pour la fixation de la fibre optique.
L’invention concerne également un dispositif de mesure d’un déplacement d’une pièce, le dispositif comprenant un capteur optique tel que décrit ci-dessus, le module mobile en rotation étant solidaire de la pièce, de sorte à être entrainé en rotation autour de l’axe par un déplacement de la pièce, le dispositif comprenant en outre :
- une unité de mesure d’une déformation de la fibre, l’unité de mesure comprenant notamment une source de lumière apte à générer un faisceau de lumière dans la fibre optique ;
- une unité de déduction d’une mesure de déplacement de la pièce par comparaison de la mesure de la déformation de la fibre avec une mesure de déformation de référence.
Bien évidemment, après être s’être déplacée, la pièce revient à sa position initiale. Avec le dispositif selon l’invention, on peut mesurer un déplacement angulaire ou un déplacement linéaire de la pièce.
L’unité de mesure d’une déformation de la fibre optique et l’unité de déduction d’une mesure de déplacement de la pièce sont des unités connues de l’art antérieur.
Pour former l’unité de mesure d’une déformation de la fibre optique, on utilise un interrogateur optique. L’interrogateur optique se compose d’une source apte à créer un faisceau de lumière et un détecteur apte à détecter un faisceau de lumière. Un faisceau de lumière issu de la source va être propagé dans la fibre optique du capteur ; le détecteur, quant à lui, va recevoir un faisceau de lumière sortant de la fibre optique. À titre d’exemple, on peut utiliser une source large bande (type SLED), couplée à un spectromètre. Dans ce cas, un signal large bande est émis en permanence par la source et le spectromètre acquiert le spectre réfléchi afin d’en déduire les longueurs d’onde de Bragg. On peut également utiliser un laser accordable couplé à un détecteur ponctuel. Dans ce cas, le signal émis est une fine raie LASER de longueur d’onde variable avec le temps. En général, la longueur d’onde varie linéairement avec le temps (en dent de scie). À chaque instant, la longueur d’onde d’émission de la source accordable est connue. De ce fait, en mesurant le signal réfléchi par le réseau de Bragg à chaque instant via un détecteur ponctuel (par exemple une photodiode), il est possible de reconstruire le spectre à chaque instant et donc pour chaque longueur d’onde. Ces méthodes d’interrogation font partie des méthodes classiques de l’état de l’art.
Pour former l’unité de déduction d’une mesure de déplacement de la pièce, on peut utiliser une électronique qui va permettre d’extraire la donnée utile (déplacement et/ou position). Cette donnée s’obtient après une calibration préalable qui va permettre de connaitre le déplacement de la pièce en fonction du déplacement spectral. Pour ce faire, on mesure à différentes positions angulaires du ressort spiral du capteur la contrainte subie par le ou les réseaux de Bragg. Si on réalise une mesure en différentiel, on calibre la position angulaire en fonction de la différence de mesure entre deux réseaux de Bragg. Si on réalise une mesure simple, on calibre la position angulaire en fonction de la mesure de Bragg. Dans ce cas de figure, on compense les effets de la température via un capteur de température externe.
Enfin, l’invention concerne un procédé de mesure d’un déplacement d’une pièce par mise en œuvre du dispositif décrit ci-dessus, le module mobile en rotation étant solidaire de la pièce, de sorte à être entrainé en rotation autour de l’axe par un déplacement de la pièce, le procédé comprenant :
- l'émission d'un faisceau lumineux par la source de lumière dans la fibre optique ;
- l’acquisition de spectres optiques à la sortie de la fibre optique ;
- la détection d’une déformation dans la fibre à partir d’un décalage spectral ou fréquentiel ;
- la comparaison de cette déformation avec une déformation de référence ;
- la déduction d’une mesure de déplacement de la pièce par comparaison de la mesure de la déformation de la fibre avec une mesure de déformation de référence.
Bien sûr, pour déduire une mesure de déplacement de la pièce par comparaison de la mesure de la déformation de la fibre avec une mesure de déformation de référence, on aura réalisé une calibration au préalable.
Le capteur optique selon l’invention a l’avantage d’être tout optique (aucun élément électronique n’est présent) et très compact, ce qui lui permet de pouvoir être utilisé dans des environnements sévères (hautes températures (c’est-à-dire jusqu’à environ 300°C) et perturbations électromagnétiques).
Le dispositif selon l’invention permet de mesurer de manière simplifiée (grâce notamment à une architecture simplifiée) un déplacement mécanique d’une pièce (ce déplacement pouvant être une rotation ou un déplacement linéaire) via un procédé optique faisant appel à une fibre optique dans laquelle est inscrit un réseau de Bragg.
D'autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront mieux à la lecture de la description détaillée suivante de formes de réalisation préférées de celle-ci, donnée à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés parmi lesquels :
- , déjà décrite, est une vue schématique selon une vue de face partiellement en coupe, montrant un premier exemple de capteur optique de l’art antérieur ;
- , déjà décrite, est une vue schématique montrant un détail de la ;
- , déjà décrite, est une vue schématique montrant un détail d’un deuxième exemple de capteur optique de l’art antérieur ;
- , déjà décrite, est une vue schématique montrant un troisième exemple de capteur optique de l’art antérieur ;
- est une représentation schématique selon une vue de dessus d’un premier exemple de réalisation du capteur selon l’invention, le ressort spiral étant au repos ;
- est une représentation schématique selon une vue de dessus du premier exemple de réalisation du capteur selon l’invention, le ressort spiral étant comprimé ;
- est une vue de côté d’une première variante du premier exemple de réalisation du capteur selon l’invention ;
- est une vue de côté d’une deuxième variante du premier exemple de réalisation du capteur selon l’invention ;
- est une représentation schématique selon une vue de dessus d’un deuxième exemple de réalisation du capteur selon l’invention, le ressort spiral étant au repos ;
- est une représentation schématique selon une vue de dessus du deuxième exemple de réalisation du capteur selon l’invention, le ressort spiral étant comprimé ;
- est une vue de côté du deuxième exemple de réalisation du capteur selon l’invention ;
- est une représentation synoptique d’un dispositif selon l’invention ;
- est un graphique montrant la déformation Δλ en fonction du déplacement du ressort spiral.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le capteur selon l’invention permet :
- de mesurer des déplacements mécaniques d’une pièce de types rotations (mesure d’angles) et déplacements linéaires, alors que les capteurs de l’art antérieur tels que présentés ne permettent de mesurer que des déplacements linéaires ;
- d’avoir une architecture simplifiée car, d’une part, le réseau de Bragg est directement collé sur l’élément de contre-réaction (ressort spiral) et, d’autre part, l’architecture est plus compacte, du fait de l’utilisation d’un ressort spiralé, qui est lui-même plus compact et présente une plus large amplitude de déformation qu’un ressort hélicoïdal. En outre, l’utilisation d’un ressort spiralé permet de s’affranchir des ressorts linéaires hélicoïdaux qui requièrent une longueur nominale proche de la longueur du déplacement à mesurer.
Les amplitudes de déplacements mesurables avec le capteur selon l’invention peuvent être importantes (plusieurs dizaines de centimètres pour des déplacements linéaires, soit l’équivalent de plusieurs tours pour des mesures de rotations).
Dans le capteur selon l’invention, on utilise un ressort spiral qui est couplé à une fibre optique dans laquelle au moins un réseau de Bragg est inscrit. Une portion de la fibre optique comprenant la ou les réseaux de Bragg est collée sur une portion du ressort spiral, de manière à ce que le ou les réseaux de Bragg subissent les déformations que subit le ressort. Le capteur selon l’invention peut aussi bien être utilisé comme capteur de rotation que comme capteur de déplacement linéaire via l’addition d’un support auxiliaire de type système de tire-câble.
Le ressort spiral (également connu sous les termes de ressort spiralé ou ressort de torsion en spirale) est un ressort à spires non jointives dont toutes les spires sont dans un même plant d’enroulement et qui sont enroulées autour d’un axe d’enroulement perpendiculaire au plan d’enroulement. Il est composé d’un ruban de matière à section rectangulaire. En d’autres termes, on peut également dire que le ruban est une lame spiralée.
Le ressort spiral a une longueur et un diamètre (distance entre ses deux extrémités lorsqu’il est enroulé) qui sont paramétrables, c’est-à-dire qu’en fonction de l’application visée, on choisit un ressort spiral ayant une longueur et un diamètre adéquats. En fait, la longueur de la lame spiralée qui forme le ressort spiralé (et donc le diamètre qui en résulte) est adaptée en fonction de l’amplitude de mesure souhaitée.
Dans le capteur selon l’invention, le ressort spiral est disposé sur un support principal, qui comporte un module fixe et un module mobile en rotation qui sont concentriques et coaxiaux, une extrémité du ressort spiral étant fixée sur le module fixe et l’autre extrémité étant fixée sur le module mobile. On a ainsi une extrémité qui est fixe et l’autre qui est mobile en rotation.
Plusieurs configurations sont donc possibles.
Si l’extrémité fixe du ressort est du côté du rayon de courbure le plus élevé, c’est-à-dire que le ressort spiralé est fixé à son extrémité extérieure (i.e. l’extrémité ayant le rayon de courbure le plus élevé), alors l’extrémité mobile en rotation est du côté de l’extrémité intérieure (celle ayant le rayon de courbure le plus faible).
Dans l’exemple de réalisation illustré dans les figures 4a et 4b, le module fixe 11 est un plateau circulaire et le module mobile 10 est un arbre ; l’extrémité du ressort spiral 12 proche de l’axe d’enroulement est ici fixée au module mobile 10 (l’arbre) et l’extrémité du ressort la plus éloignée de l’axe d’enroulement est fixée sur le module fixe 11 (le plateau). L’élément hachurée 13 représente le point de fixation de l’extrémité extérieure du ressort. Dans la , le ressort est en position de repos ; dans la , le module mobile 10 (arbre) a fait une rotation autour de l’axe de rotation et le ressort est comprimé.
Si le ressort spiral 12 est de largeur constante, la portion de la fibre optique 14 contenant le ou les réseaux de Bragg est collée sur la paroi extérieure du ressort, sur la spire extérieure du ressort, comme illustré dans la . La portion de la fibre 14 qui contient le ou les réseaux de Bragg et qui est collée sur le ressort est délimitée par deux billes noires.
Dans l’exemple illustré dans la , le plateau comporte en outre, sur toute sa périphérie, une paroi 15 optionnelle, munie d’une fente 16, qui permet le passage de la fibre optique. De préférence et comme illustré dans la , le plateau peut former le fond d’une structure fermée de type dérouleur de scotch, ayant une ouverture dans une paroi latérale qui permet le passage de la fibre optique. Cette structure fermée permet, d’une part, de protéger le ressort spiral et la fibre optique et, d’autre part, de guider la fibre optique.
Si le ressort spiral n’est pas de largeur constante et qu’il présente une excroissance 17 sur une portion de sa longueur, la portion de la fibre optique 14 qui contient le ou les réseaux de Bragg est fixée sur la paroi extérieure du ressort au niveau de l’excroissance 17 ( ). L’avantage de cette solution est qu’elle offre plus de flexibilité sur l’intégration et l’extraction de la fibre optique.
Si l’extrémité fixe du ressort est du côté du rayon de courbure le plus faible, c’est-à-dire qu’il est fixé à son extrémité intérieure (i.e. l’extrémité ayant le rayon de courbure le plus faible), alors l’extrémité mobile en rotation est du côté de l’extrémité extérieure.
Dans l’exemple de réalisation illustré dans les figures 7a et 7b, le module fixe 11’ est un arbre et le module mobile 10’ est un plateau circulaire ; l’extrémité du ressort spiral 12 proche de l’axe d’enroulement est ici fixée au module fixe 11’ (l’arbre) et l’extrémité du ressort la plus éloignée de l’axe d’enroulement est fixée sur le module mobile 10’ (le plateau). L’élément hachurée 13 représente le point de fixation de l’extrémité extérieure du ressort. Dans la , le ressort est en position de repos ; dans la , le module mobile 10’ (plateau) a fait une rotation autour de l’axe de rotation et le ressort est comprimé.
Dans les figures 7a et 7b, la portion de la fibre contenant le ou les réseaux de Bragg est fixée sur une paroi extérieure du ressort qui est située sur une spire intérieure. Il est donc préférable d’utiliser un ressort spiral ayant une excroissance à cet endroit, afin de faciliter la fixation de la fibre ( ).
La portion de fibre contenant le ou les réseaux de Bragg est collée sur une paroi du ressort spiral, de préférence que une paroi située à l’extérieure par rapport à l’axe d’enroulement, de manière à subir les déformations subies par le ressort.
Lorsque le ressort spiral est au repos (figures 4a et 7a), il ne subit aucune contrainte ; il s’agit donc de la position de référence. La portion de la fibre contenant le ou les réseaux de Bragg et qui est collée au ressort mesure un état de déformation de référence.
Lorsque l’extrémité mobile du ressort subit une rotation (figures 4b et 7b), le ressort se déforme (et par conséquent son rayon de courbure se modifie). De ce fait, le ou les réseaux de Bragg sont à leur tour déformés. On transforme donc la rotation en une déformation locale du ou des réseaux de Bragg. Une calibration est nécessaire pour transformer une valeur de déformation locale en une valeur angulaire de déformation.
Si la pièce dont on souhaite mesurer le déplacement est solidaire du module mobile, on peut déduire un mouvement de rotation de la pièce.
Si l’on associe au support principal un support auxiliaire de type tire-câble, il est possible de mesurer de manière assez simple un déplacement mécanique linéaire de la pièce. La pièce est solidaire de l’extrémité mobile du câble et le support auxiliaire étant solidaire du module mobile du support principal, un déplacement linéaire de la pièce va faire tourner le support auxiliaire, qui va faire tourner le module mobile.
Dans les figures 5 et 6, le support auxiliaire 18 est solidaire du module mobile 10, qui est un arbre ; en tirant sur le câble 19, il se produit une rotation du support auxiliaire 18 et du module mobile 10.
Dans la , le support auxiliaire 18 est là encore solidaire du module mobile 10’. Mais le support auxiliaire est creux et sert également de plateau support pour le ressort ; le module mobile du support principal et le support auxiliaire sont ici un seul et même élément.
Pour mesurer un déplacement d’une pièce à l’aide du capteur optique 20 selon l’invention, il faut lui associer une unité de mesure d’une déformation de la fibre optique 21 (qui comporte notamment une source de lumière apte à générer un faisceau de lumière dans la fibre optique) et une unité de déduction d’une mesure de déplacement de la pièce 22 par comparaison de la mesure de la déformation de la fibre avec une mesure de déformation de référence. On obtient alors le dispositif 23 selon l’invention, comme illustré dans la .
Le choix de la source de lumière en fonction de la fibre optique et des réseaux de Bragg et plus généralement le choix des unités de mesure de déformation 21 et de déduction d’une mesure de déplacement 22 ne sont pas décrits en détails ici, car ces choix sont connus de l’homme du métier.
Comme nous l’avons dit plus haut, il est nécessaire de calibrer le dispositif 23 afin d’associer, à une déformation mesurée au niveau du ou des réseaux de Bragg, un angle de rotation ou un déplacement linéaire de la pièce. En effet, chaque réseau de Bragg mesure un décalage spectral en longueur d’onde (Δλ) par rapport à un état de référence. Il est donc nécessaire d’associer un décalage spectral à un déplacement mécanique à mesurer (rotation ou déplacement linéaire). La montre un exemple de décalage spectral en fonction d’un déplacement mécanique.
Document cité
[1]Wenlong Liu etal.,« Fiber Bragg grating based displacement sensors: state of the art and trends », Sensor Review, 39(6), (2018)

Claims (7)

  1. Capteur optique (20), destiné à équiper un dispositif de mesure d’un déplacement d’une pièce, le capteur optique comprenant :
    - un support principal, comprenant deux modules (10 ; 10’ ; 11 ; 11’) concentriques et de même axe, l’un des modules étant fixe (11 ; 11’) et l’autre module étant mobile (10 ; 10’) en rotation autour de l’axe ;
    - un ressort spiral (12), disposé sur le support principal, une extrémité du ressort étant fixée à l’un des modules (10 ; 10’) et l’autre extrémité étant fixée à l’autre module (11 ; 11’) ;
    - une fibre optique (14) dont une portion est fixée sur une paroi du ressort, au moins un réseau de Bragg étant inscrit dans cette portion de la fibre.
  2. Capteur optique selon la revendication 1, dans lequel les deux modules sont respectivement un plateau et un arbre.
  3. Capteur optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, comprenant en outre un support auxiliaire (18), solidaire du module mobile (10 ; 10’), qui est rotatif autour d’un axe qui coïncide avec l’axe du support principal, et qui est muni d’un câble (19), apte à être enroulé sur une circonférence du support auxiliaire, une extrémité du câble étant fixée au support auxiliaire et l’autre extrémité étant destinée à être fixée à la pièce, un déplacement linéaire de la pièce dans un plan perpendiculaire à l’axe entrainant un déroulement du câble et la rotation du support auxiliaire autour de l’axe.
  4. Capteur optique selon la revendication 3, dans lequel le module mobile (10’) du support principal étant un plateau et le module fixe (11’) du support principal étant un arbre, ledit plateau forme une partie supérieure du support auxiliaire (18).
  5. Capteur optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel, le ressort spiral (12) étant un ruban de matière enroulé autour d’un axe d’enroulement parallèle, de préférence coaxial, à l’axe du support principal, le ressort comporte une excroissance de matière (17), sur une portion de sa longueur, qui s’étend selon l’axe d’enroulement.
  6. Dispositif (23) de mesure d’un déplacement d’une pièce, le dispositif comprenant un capteur optique (20) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, le module mobile en rotation étant solidaire de la pièce, de sorte à être entrainé en rotation autour de l’axe par un déplacement de la pièce, le dispositif comprenant en outre :
    - une unité de mesure d’une déformation de la fibre (21), l’unité de mesure comprenant notamment une source de lumière apte à générer un faisceau de lumière dans la fibre optique ;
    - une unité de déduction d’une mesure de déplacement de la pièce (22) par comparaison de la mesure de la déformation de la fibre avec une mesure de déformation de référence.
  7. Procédé de mesure d’un déplacement d’une pièce par mise en œuvre du dispositif selon la revendication 6, le module mobile en rotation étant solidaire de la pièce, de sorte à être entrainé en rotation autour de l’axe par un déplacement de la pièce, le procédé comprenant :
    - l'émission d'un faisceau lumineux par la source de lumière dans la fibre optique ;
    - l’acquisition de spectres optiques à la sortie de la fibre optique ;
    - la détection d’une déformation dans la fibre à partir d’un décalage spectral ou fréquentiel ;
    - la comparaison de cette déformation avec une déformation de référence ;
    - la déduction d’une mesure de déplacement de la pièce par comparaison de la mesure de la déformation de la fibre avec une mesure de déformation de référence.
FR2108645A 2021-08-11 2021-08-11 Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce Active FR3126153B1 (fr)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2108645A FR3126153B1 (fr) 2021-08-11 2021-08-11 Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR2108645A FR3126153B1 (fr) 2021-08-11 2021-08-11 Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce
FR2108645 2021-08-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
FR3126153A1 true FR3126153A1 (fr) 2023-02-17
FR3126153B1 FR3126153B1 (fr) 2023-12-08

Family

ID=78649387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FR2108645A Active FR3126153B1 (fr) 2021-08-11 2021-08-11 Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce

Country Status (1)

Country Link
FR (1) FR3126153B1 (fr)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019009740A1 (fr) * 2017-07-04 2019-01-10 Inphotech Sp. Z O. O. Capteur de distance à fibre optique et procédé de mesure de distance
RU2749641C1 (ru) * 2020-07-21 2021-06-16 Игорь Леонидович Дробот Универсальный инерциальный волоконно-оптический акселерометр

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019009740A1 (fr) * 2017-07-04 2019-01-10 Inphotech Sp. Z O. O. Capteur de distance à fibre optique et procédé de mesure de distance
RU2749641C1 (ru) * 2020-07-21 2021-06-16 Игорь Леонидович Дробот Универсальный инерциальный волоконно-оптический акселерометр

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROBERTO MONTANINI ET AL: "A temperature-compensated rotational position sensor based on fibre Bragg gratings", SENSORS AND ACTUATORS A: PHYSICAL, ELSEVIER BV, NL, vol. 132, no. 2, 10 November 2006 (2006-11-10), pages 533 - 540, XP005757746, ISSN: 0924-4247, DOI: 10.1016/J.SNA.2006.02.036 *
WENLONG LIU ET AL.: "Fiber Bragg grating based displacement sensors: state of the art and trends", SENSOR REVIEW, vol. 39, no. 6, 2018

Also Published As

Publication number Publication date
FR3126153B1 (fr) 2023-12-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3147673B1 (fr) Capteur physique opto-mecanique a sensibilite amelioree
EP0033048B1 (fr) Interféromètre à cavité optique accordable comprenant une fibre optique monomode et application au filtrage et à la spectrographie
EP3276337A1 (fr) Dispositif optique à micro-résonateur en anneau segmenté
FR2632404A1 (fr) Capteur interferometrique et son utilisation dans un dispositif interferometrique
WO2007012607A1 (fr) Refractometre optique pour la mesure de la salinite de l'eau de mer et capteur de salinite correspondant
EP3527967B1 (fr) Capteur photo-acoustique avec couplage opto-mécanique
EP3433575B1 (fr) Capteur de courbure a fibre optique et dispositif de mesure comprenant ledit capteur
FR2990754A1 (fr) Dispositif de mesure des amplitudes vibratoires des sommets d'aubes dans une turbomachine
WO2004005876A1 (fr) Capteur de pression a fibre optique compense en temperature
EP3274670A1 (fr) Dispositif de capteur a fibre optique
EP0601081B1 (fr) Microcapteur à poutre vibrante compensé en température
FR3126153A1 (fr) Capteur optique amélioré pour mesurer un déplacement d’une pièce
EP3775761B1 (fr) Capteur à fibre optique de mesure de déformation en environnement sévère
FR2828278A1 (fr) Capteur de deplacement angulaire et son application dans une direction assistee pour vehicule automobile
EP0577514B1 (fr) Dispositif de mesure très précise du diamètre interne d'un tube sur une grande longueur
EP0669525A2 (fr) Système interférométrique de détection et de localisation de défauts réflecteurs de structures guidant la lumière
WO2014013160A1 (fr) Dispositif de mesure d'un couple transmis par un arbre de transmission de puissance avec prise en compte des variations de température
WO2022123182A1 (fr) Dispositif de mesure de deplacement mecanique d'une piece
EP0943906B1 (fr) Capteur d'effort à fibre optique, procédé de fabrication d'un tel capteur, et dispositif de détection d'effort utilisant ce capteur
US20230184587A1 (en) Fibre optic filter remote gas correlation sensor
CA2500274A1 (fr) Capteur de pression a reseau de bragg
EP0591912B1 (fr) Interféromètre, comprenant un ensemble intégré et un miroir séparés l'un de l'autre par une région de mesure
FR2537278A1 (fr) Manometre transmetteur
FR3143111A1 (fr) Dispositif de mesure d’une grandeur physique
WO2018127647A1 (fr) Dispositif et procede de raccordement par soudure d'une premiere fibre optique a une deuxieme fibre optique

Legal Events

Date Code Title Description
PLFP Fee payment

Year of fee payment: 2

PLSC Publication of the preliminary search report

Effective date: 20230217

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 3

PLFP Fee payment

Year of fee payment: 4