WO2008090186A1 - Capteur optique pour la mesure de la salinite et de la visibilite dans l'eau de mer - Google Patents

Capteur optique pour la mesure de la salinite et de la visibilite dans l'eau de mer Download PDF

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WO2008090186A1
WO2008090186A1 PCT/EP2008/050779 EP2008050779W WO2008090186A1 WO 2008090186 A1 WO2008090186 A1 WO 2008090186A1 EP 2008050779 W EP2008050779 W EP 2008050779W WO 2008090186 A1 WO2008090186 A1 WO 2008090186A1
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WO
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measurement
sensor
attenuation
sensor according
position sensor
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Application number
PCT/EP2008/050779
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Inventor
Jean-Louis De Bougrenet De La Tocnaye
Zongyan Wu
Original Assignee
Groupe Des Ecoles Des Telecommunications / Ecole Nationale Superieure Des Telecommunications De Bretagne
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Publication date
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
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    • G01N21/47—Scattering, i.e. diffuse reflection
    • G01N21/49—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid
    • G01N21/53—Scattering, i.e. diffuse reflection within a body or fluid within a flowing fluid, e.g. smoke
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    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/18—Water

Definitions

  • Optical sensor for measuring salinity and visibility in seawater.
  • the field of the invention is that of measuring the physical characteristics of fluids (for example, liquids, gases, etc.).
  • the invention relates in particular to the measurement of salinity as well as the measurement of visibility in seawater in the context of oceanographic applications, for example, as part of the equipment of immersed measurement probes. in coastal environment. 2. Solutions of the prior art
  • Turbidity sensors make it possible to know the concentration of particles in the water and this generally by means of backscattering optical measurements as indicated in the German patent application DE3326739Al.
  • an objective of the invention in at least one of its embodiments, is to provide a technique for simultaneously measuring the salinity of a liquid and the visibility in the liquid.
  • Another object of the invention in at least one of its embodiments, is to implement such a technique which has a good measurement accuracy and in particular for the measurement of visibility.
  • the invention in at least one of its embodiments, also aims to achieve such a technique which is particularly suitable for immersed measurements and which has a high resistance to soiling or organic deposition of all kinds.
  • the invention in at least one of its embodiments, still aims to achieve such a technique that is simple, compact and low cost.
  • such an optical sensor comprises: means for generating a main light beam, and first and second secondary light beams coming from the main light beam; deflection measuring means, making it possible to obtain a refractive deviation measurement undergone by the first secondary beam due to the crossing of at least one layer of a determined material contiguous to a first fluid layer; attenuation measuring means, making it possible to obtain an attenuation measurement, experienced by the second secondary beam due to the crossing of at least one second fluid layer; means for correcting said attenuation measurement taking account of at least one information obtained by said deflection measurement.
  • the general principle of the invention consists in carrying out both a refractive deviation measurement and an attenuation measurement in a fluid, from the same main light beam separated into a first secondary beam and a second secondary beam, in particular to simultaneously obtain salinity and visibility in the fluid.
  • the sensor according to the invention makes it possible to simultaneously measure the salinity (thanks to the deflection measurement) and the visibility (thanks to the attenuation measurement) in the fluid.
  • the correction means comprise: means for receiving the deflection measurement from the deflection measuring means; means for obtaining the fluid index from the deflection measurement; and means for transmitting, to the attenuation measuring means, the index of the fluid obtained.
  • a correction of the attenuation measurement can be carried out by means of at least one information obtained from the deviation measurement.
  • the generation means comprise a light source and temporal separation means of the main light beam in said first and second secondary light beams.
  • the first and second secondary beams are obtained by temporal sampling of the main beam by means of, for example, a shutter operating in a stroboscopic mode.
  • the generation means comprise a light source and spectral separation means of the main light beam in said first and second secondary light beams.
  • the main beam has a spectrum comprising at least two wavelengths (the first corresponding to the first secondary beam and the second corresponding to the second secondary beam).
  • the secondary beams correspond to temporal (first embodiment) and spectral (second embodiment) components of the main beam.
  • the sensor comprises a prism delivering an intermediate secondary beam coming from the main beam and third reflecting means adapted to reflect the first secondary beam, coming from the intermediate beam, towards the first sensor position and for transmitting the second secondary beam from the intermediate beam to the second position sensor.
  • the third reflecting means must be partly transparent, for example they are a semi-transparent plate.
  • the generation means comprise a light source and spatial separation means of the main light beam in said first and second secondary light beams.
  • said separation means comprise at least one optical prism and said determined layer of material is included in said at least one optical prism.
  • the prism simultaneously serves to achieve the separation of the first and second secondary beams from the main beam and, when associated with the fluid, to give rise to the refraction at the origin of the deflection of the first secondary beam.
  • the implementation of the prism makes the attenuation measure (to obtain visibility) can be corrected by obtaining the index in the context of measuring the deviation (allowing to obtain the salinity) of the first secondary beam.
  • the sensor according to the invention makes it possible in particular to obtain good accuracy for the measurement of visibility.
  • the senor according to the invention is simple to produce, compact and can be manufactured for a low cost.
  • the optical prism is made in at least one of the materials belonging to the group comprising:
  • the deflection measuring means comprise at least one first position sensor.
  • the attenuation measuring means comprise at least one second position sensor.
  • a position sensor which acts as a means for detecting position and intensity of the first secondary beam
  • the deflection measuring means makes it possible to measure both: the position of the first beam which is necessary for the measurement of the deviation of the first secondary beam and the intensity of the first secondary beam which is necessary in the context of the determination of the visibility in the fluid.
  • a position sensor instead of using, for example, a photodiode makes it possible to improve the accuracy of the deflection or attenuation measurement, because the position sensor is less sensitive to the diffusion of the secondary beams in the fluid than a photodiode.
  • no reflecting means is implemented in the optical sensor.
  • the optical sensor comprises first reflecting means adapted to reflect the first secondary beam in the direction of the first position sensor.
  • the sensor may be more compact than the sensor of the first mode of implementation.
  • the optical sensor comprises second reflecting means adapted to reflect the second secondary beam in the direction of the second position sensor.
  • the electronics in the sensor may be common to the light source as well as to the first and second position sensors.
  • the fluid is seawater and in that it is able to function when immersed.
  • said light source is a laser source.
  • the laser source cooperates with focusing means for focusing the laser beam on at least one of said position sensor.
  • the spot size of the laser beam focused on the position sensor (s) is between 200 microns and 1 mm.
  • the focusing means are arranged near the laser source.
  • the laser source emits in the visible.
  • the optical sensor according to an embodiment of the invention comprises means for circulating the fluid in the sensor optical.
  • FIG. diagram of an optical sensor according to a first embodiment of the invention shows a diagram of the second electronic block, third electronic block and correction means according to the second embodiment of the invention
  • Figure 3 shows a diagram of an optical sensor according to a second embodiment of the invention
  • Figure 4 shows a diagram of an optical sensor according to a third embodiment of the invention
  • Figure 5 shows a diagram of an optical sensor according to a fourth embodiment of the invention. 6. Description of an embodiment of the invention
  • an optical sensor according to the invention for the measurement of at least one physical characteristic of a fluid.
  • the fluid is seawater and the optical sensor is able to operate when immersed.
  • This optical sensor comprises in particular: a light source emitting a main light beam; - Means for measuring the refractive deviation undergone by a first secondary beam, from the main beam, due to the passage of a layer of a determined material contiguous to a first layer of sea water; means for measuring the attenuation undergone by a second secondary beam, originating from the main beam, due to the crossing of a second seawater layer; and means for correcting the attenuation measurement taking into account at least one information obtained by means of the deflection measurement.
  • the means for measuring the deflection comprise a first position sensor of the PSD type ("Position Sensor Device") which acts as detection means (position and intensity) of the first secondary beam, the first sensor being associated with a second electronic block described below; and the attenuation measuring means comprise a second PSD-type position sensor which acts as a detecting means (position and intensity) of the second secondary beam, the second sensor being associated with a third electronic block below. described.
  • PSD Position Sensor Device
  • the use of a position sensor in the deflection measuring means makes it possible to measure both: the position of the first secondary beam which is necessary for the measurement of the deviation of the first secondary beam and the intensity of the first secondary beam which is necessary in the context of determining the visibility in the fluid.
  • the use of a position sensor instead of using, for example, a photodiode makes it possible to improve the accuracy of the deflection or attenuation measurement, because the position sensor is less sensitive to the diffusion of the secondary beams in the fluid than a photodiode.
  • this optical sensor according to the invention makes it possible to simultaneously measure the salinity (thanks to the deflection measurement) and the visibility (thanks to the attenuation measurement) in the seawater.
  • the two measurements both depend on the refractive index of the seawater, in the context of the invention, a correction of the attenuation measurement by at least one information obtained from the measurement deviation can be implemented. This results in more accurate measurements due to the correction.
  • the light source is a laser diode emitting in the visible (the laser diode can also emit in the near infra-red, in near ultraviolet or even at any other wavelength).
  • the first and second secondary beams correspond to two temporal components of the main beam.
  • the first and second secondary beams are obtained by temporal sampling of the main beam by means of, for example, a shutter operating in a stroboscopic mode.
  • the first and second secondary beams correspond to spectral components of the main beam.
  • the main beam has a spectrum comprising at least two wavelengths (the first corresponding to the first secondary beam and the second corresponding to the second secondary beam).
  • the secondary beams correspond to temporal (first embodiment) and spectral (second embodiment) components of the main beam.
  • first embodiment temporal
  • second embodiment spectral components of the main beam.
  • the optical sensor comprises means for separating the main light beam into a first secondary beam and a second secondary beam.
  • the optical sensor comprises means for separating the main light beam into a first secondary beam and a second secondary beam.
  • FIG. 1 illustrates an optical sensor 1000 according to a first embodiment of the invention.
  • the optical sensor 1000 comprises first 1100, second 1200 and third 1300 compartments.
  • the second compartment 1200 is filled with seawater and the optical sensor comprises means for circulating the seawater in this second compartment.
  • the seawater enters the second compartment 1200 via a first opening 1207 acting as input and leaves the second compartment 1200 via a second opening 1208 acting as an output.
  • first opening 1207 acting as input
  • second opening 1208 acting as an output.
  • the role of the openings 1207, 1208 can be reversed.
  • the first 1100 and third 1300 compartments are waterproof.
  • the first compartment 1100 comprises a laser diode 1101 and a first electronic block (not shown) comprising an electronic circuit and a power supply for supplying the power necessary for the operation of the diode.
  • the second compartment 1200 comprises an optical prism 1201 placed in front of the output of the laser diode 1101 from which a main light beam 1202 originates. This main light beam 1202 is separated into a first secondary beam 1203 and a second secondary beam 1204 by the prism optical 1201.
  • the prism is made of a transparent material for the wavelengths of the laser diode.
  • the second compartment 1200 also comprises a first position sensor 1205 of the PSD type which makes it possible to measure the refractive deviation undergone by the first secondary beam 1203 because of the crossing of the prism (constituting a layer of a determined material) and of a first layer of seawater (between the prism 1201 and the first position sensor 1205) contained in the second compartment 1200.
  • the combination of the laser diode 1101, the optical prism 1201, the first layer of seawater contained in the second compartment 1200 of the optical sensor 1000 (between the prism and the first position sensor 1205) and the first sensor position 1205 is a first optical refractometer that determines the refractive index of seawater in the optical sensor 1000 and thus to deduce the salinity of this seawater.
  • the first secondary beam 1203 is deflected by refraction at the optical prism interface 1201 / seawater of the optical sensor 1000.
  • the position of the first beam 1203 is then detected and measured by the first position sensor 1205 as indicated in the French patent application No. FR0507996 filed on July 26, 2005.
  • a second electronic block 52 (illustrated below in connection with FIG.
  • the first position sensor 1205 has a useful length of about 2 mm.
  • a collimation optics (not shown in this FIG. 1), for example a convergent lens, makes it possible to focus the first secondary beam 1203 of the laser diode 1101 on the first position sensor
  • the collimating optics is disposed near the output of the laser diode 1101 between the laser diode and the optical prism 1201.
  • the first secondary beam 1203 forms an angle of incidence at the prism / seawater interface which is 62 ° and which is less than the total reflection angle which is substantially 88 ° (for an index of prism of 1.50854 and for a seawater index of 1.333).
  • the second compartment 1200 also comprises a second position sensor 1206 of the PSD type which makes it possible to measure the attenuation undergone by the second secondary beam 1204 due to the crossing of a second layer of sea water (between the prism 1201 and the second position sensor 1206) contained in the second compartment 1200.
  • the first position sensor 1205 makes it possible to measure the attenuation undergone by the first secondary beam 1203 due to the crossing of the first layer of water. sea (included between the prism 1201 and the first position sensor 1205) contained in the second compartment 1200.
  • the measurement of the visibility in seawater contained in the second compartment 1200 of the optical sensor 1000 is obtained by comparison: of the light intensity of the first secondary beam 1203 detected on the first sensor of position 1205 (after having undergone an attenuation due to the crossing of the first layer of sea water) and the luminous intensity of the second secondary beam 1204 detected on the second position sensor 1206 (after having undergone an attenuation of cross the second layer of seawater).
  • the first layer of water (between the prism 1201 and the first position sensor 1205) and the second layer of seawater (between the prism 1201 and the second position sensor 1206) have different thicknesses.
  • the optical paths traveled by the first 1203 and second 1204 secondary beams before reaching each of the first 1205 and second 1206 position sensors are different. This difference in speed determines the accuracy of the measurement of visibility in seawater (the index being calculated by elsewhere by the refractometer).
  • the first layer of water contained in the second compartment 1200, the first position sensor 1205, the second layer of seawater contained in the second compartment 1200 and the second position sensor 1206 can determine the visibility in seawater in the optical sensor 1000.
  • a third electronic block 53 (illustrated 5), for example included in a second sealed compartment of the second compartment 1200 or in the third compartment 1300, supplies the second position sensor 1206.
  • the second 52 and the third 53 electronic block make it possible to process the value of the intensity of the first secondary beam 1203 measured by the first position sensor 1205 the value of the intensity of the second secondary beam 1204 measured by the second sensor position 1206 to derive visibility in seawater.
  • I P SDI 2 06 is the intensity of the 1204 second secondary beam measured by the second position sensor 1206
  • I P sdi205 is the intensity of the first secondary beam 1203 measured by the first position sensor 1205
  • I 1205 is the optical path associated with the first layer of water (between prism 1201 and the first position sensor 1205)
  • I 1206 is the optical path associated with the second layer of sea water (between prism 1201 and the second position sensor 1206).
  • the values of the intensities measured I ps di205 and I ps di206 are corrected to take into account the reflection at the seawater / position sensor interface 1205, 1206.
  • V which is given by the following formula:
  • the second and third electronic blocks are made in the form of a single global electronic block for example included in a sealed compartment of the second compartment 1200.
  • the second position sensor 1206 has a useful length of about 2 mm.
  • the aforementioned collimation optics (not shown in this FIG. 1) makes it possible to focus the second secondary beam 1204 of the laser diode 1101 on the second position sensor 1206 so as to obtain a second focused secondary beam of approximately 200 ⁇ m from spot diameter at the second position sensor 1206.
  • the optical prism 1201 simultaneously has the function of effecting the separation of the first and second secondary beams from the main beam and, when associated with the fluid, to give rise to the refraction at the origin of the deflection of the first secondary beam.
  • the intensity proportion of the main beam 1202 which is transmitted in the second secondary beam 1204 is calculated from the reflection coefficient at the prism 1201 / seawater interface which depends in particular on the index of the sea water contained in the second compartment 1200 of the optical sensor 1000.
  • the intensity proportion of the main beam 1202 which is transmitted in the second secondary beam 1204 depends in particular on the index of the seawater contained in the second compartment 1200.
  • the implementation of the prism makes that the measurement of the attenuation (to obtain the visibility) undergone by the second secondary beam 1204 can be corrected by the knowledge of the exact proportion of intensity coming from the main beam 1202. in the second secondary beam 1204, a proportion which depends on the value of the refractive index of the seawater obtained as part of the measurement of the deflection (making it possible to obtain the salinity) of the first secondary beam.
  • FIG. 2 shows a diagram of second electronic block 52, third electronic block 53 and correction means 51 mentioned above.
  • the correction means 51 which are for example a computer, comprise: means for receiving the deflection measurement from the deflection measuring means (first position sensor 1205 associated with the second optical unit 52); means for obtaining the fluid index from the deflection measurement; and transmission means, to the attenuation measurement means (second position sensor 1206 associated with the second optical block 53), of the index of the fluid obtained.
  • the senor according to the invention is simple to produce, compact and can be manufactured for a low cost.
  • optical sensor 1000 no reflecting means is implemented in the optical sensor 1000 according to the first embodiment mentioned above.
  • An advantage of such an optical sensor is that it has a high resistance to soiling or organic deposition of all kinds resulting from the fluid included in the sensor (indeed, the reflecting means are very sensitive to soiling).
  • such an optical sensor is particularly suitable for submerged measurements.
  • FIG. 3 illustrates an optical sensor 2000 according to a second mode of implementation of the invention.
  • the optical sensor 2000 according to the second mode of implementation comprising a first compartment 2100 and a second compartment 2200, is identical to the optical sensor 1000 according to the first implementation mode except: - it does not include no third compartment; and further comprising first reflecting means 2209 (e.g., a first mirror) adapted to reflect the first sub-beam 1203 toward the first position sensor 1205.
  • first reflecting means 2209 e.g., a first mirror
  • the first layer of seawater is between the prism 1201 and the first reflecting means 2209.
  • the combination of the laser diode 1101, the optical prism 1201, the first layer of the aforementioned sea water, the first reflecting means and the first position sensor 1205 constitutes an optical refractometer which makes it possible to determine the refractive index. seawater in the sensor optical 2000 and therefore to deduce the salinity of this seawater.
  • the measurement of the visibility of the seawater contained in the second compartment 2200 of the optical sensor 2000 is obtained by comparison of: - the light intensity of the first beam secondary 1203 detected on the first position sensor 1205 (after being attenuated due to the crossing of the first layer of sea water and a layer of sea water between the first reflector means 2209 and the first position sensor) and the luminous intensity of the second secondary beam 1204 detected on the second position sensor 1206 (after being attenuated due to the crossing of the second layer of seawater).
  • the senor may be more compact than the sensor of the first mode of implementation in particular because of the arrangement of the position sensors.
  • the first and second electronic blocks may both be included in the first compartment 2100.
  • FIG. 4 illustrates an optical sensor 3000 according to a third mode of implementation of the invention.
  • the optical sensor 3000 according to the third mode of implementation comprising a first compartment 3100 and a second compartment 3200, is identical to the optical sensor 2000 according to the second embodiment except that it further comprises second reflecting means 3210 (for example a second mirror) adapted to reflect the second secondary beam 1204 towards the first position sensor 1205.
  • second reflecting means 3210 for example a second mirror
  • the second layer of seawater consists of a layer of seawater between the prism 1201 and the second reflecting means 3210 and a diaper of seawater between the second reflecting means 3210 and the second position sensor 1206.
  • the senor may be more compact than the sensor of the second embodiment because the first, second and third electronic blocks (possibly combined) may both be included. in the first compartment 3100.
  • FIG. 5 illustrates an optical sensor 4000 according to a fourth mode of implementation of the invention.
  • the optical sensor 4000 according to the fourth mode of implementation comprising a first compartment 4100 and a second compartment 4200, is identical to the optical sensor 1000 according to the first implementation mode except: it does not understand third compartment; and further comprising third reflective means 4211 (e.g., a semi-transparent blade).
  • third reflective means 4211 e.g., a semi-transparent blade
  • the prism 1201 delivers an intermediate secondary beam 4203 coming from the main beam 1202 and the third reflecting means 4211 are adapted to reflect a part (hereinafter called the first secondary beam) of the intermediate beam. 4203 to the first position sensor 1205 and to transmit a portion (hereinafter referred to as the second secondary beam) of the intermediate beam 4203 to the second position sensor 1206.
  • the first position sensor 1205 makes it possible to measure the refractive deviation undergone by the first secondary beam due to the crossing of the prism (constituting a layer of a determined material). and a first layer of seawater (between the prism 1201 and the third reflecting means 4211) contained in the second compartment 1200.
  • the combination of the laser diode 1101, the optical prism 1201, the first layer of seawater mentioned above, the third reflecting means and that the first position sensor 1205 is an optical refractometer which makes it possible to determine the refractive index of the seawater in the optical sensor 4000 and thus to deduce the salinity of this seawater.
  • the measurement of the visibility of the seawater contained in the second compartment 4200 of the optical sensor 4000 is obtained by comparison (as indicated above in relation to with FIG. 1): the luminous intensity of the first secondary beam (coming from the intermediate beam 1203) detected on the first position sensor 1205 (after having undergone: attenuations due to the crossing of the first layer of water of sea and due to the crossing of a layer of sea water between the third reflecting means 4211 and the first position sensor) and the light intensity of the second secondary beam (from the intermediate beam 1203) detected on the second position sensor 1206 (after having undergone an attenuation due to the crossing of the first layer of sea water.
  • the first and second electronic blocks can both be included in the first compartment 4100.
  • the third reflecting means 4211 must be partly transparent, for example they are a semi-transparent blade.
  • the intensity proportion of the main beam 1202 which is transmitted in the intermediate beam is calculated from the reflection coefficient at the prism 1201 / seawater interface which depends in particular on the water index of the water. sea contained in the second compartment
  • the intensity proportion of the intermediate beam 4203 that is transmitted in the first and second secondary beams depends on the reflection coefficient of the semi-transparent plate 4211.
  • the intensity proportion of the main beam 1202 which is transmitted in the second secondary beam depends in particular on the index of seawater contained in the second compartment 1200.
  • the implementation of the prism makes that the measurement of the attenuation (allowing to obtain the visibility) undergone by the second secondary beam can be corrected by the knowledge of the exact proportion of intensity coming from the main beam 1202 in the second secondary beam, a proportion that depends on the value of the refractive index of the seawater obtained as part of the measurement of the deviation (to obtain the salinity) of the first secondary beam.
  • the means for circulating the seawater in the second compartment comprise: a first conduit (not shown), for example of elliptical section, which is connected at the first opening 1207 (inlet) and which makes it possible to bring the sea water into the second compartment 1200; a second duct (not shown), for example of elliptical section, which is connected to the second opening 1208 (outlet) and which makes it possible to bring seawater out of the second compartment 1200.
  • Each of the optical sensors 1000, 2000, 3000 and 4000 is therefore not only suitable for making measurements in situ, and measurements at different depths or geographical situations (in particular in an ocean, a sea, a lake, etc.), but it also allows to limit the effect of fouling of marine origin thanks to its particular geometry. Indeed, one chooses for example a duct with a section of about 1cm, which avoids the effects of turbulence and which allows for example to fix pellets of TBT (Tri-Butyltin) in the conduit which have the effect to limit the effects of fouling of marine origin. Indeed, the response time depends on the length / diameter ratio of the heat exchange surface between the seawater and the duct and the speed of circulation of the liquid. The use of a conduit makes it possible to set the value of these two variables at will, the value of the speed of circulation of the seawater being able to be made more constant by the use of a pump.
  • TBT Tri-Butyltin
  • the choice of a section of the duct of 1 cm corresponds to a compromise between a sufficient section to allow a good circulation of water (between the sea water and the optical sensor) but not too important to avoid the turbulence regimes .
  • the optical prism is made in at least one of the materials belonging to the group comprising:
  • the optical prism can be monoblock or be composed of several sub-blocks.
  • Position sensors are for example PSDs marketed by Hamamatsu under the reference S4584-06. They are sensitive in the red for wavelengths around 635 nm, they are also sensitive for wavelengths higher than 800nm. They have a maximum resolution of 0.1 ⁇ m (which is negligible when compared to the diameter of the laser spot), a useful length of 2.5 mm and cooperates with an electronic circuit referenced C3683-01.
  • position sensors have a good resolution, of the order of 0.3 microns, with a very large positioning tolerance. These features of position sensor make it possible to envisage the use of an effective spot size of between 200 ⁇ m and 1 mm. It is shown that the quality of the beam plays little on the result of the measurement.
  • the laser diode cooperates with focusing means (for example a converging lens) for focusing the main light beam (from the laser diode). on at least position sensors.
  • focusing means for example a converging lens
  • the spot size of the focused laser beam is between 200 ⁇ m and 1 mm.
  • the focusing means are arranged near the laser source between the laser source and the prism.
  • the laser diodes are for example collimated laser diodes sold by Photonic under the reference 301-P. They emit a laser beam with a wavelength of 635 nm, a power approximately equal to 0.9 mW, a beam size of approximately 1.8 mm ⁇ 1.8 mm, a maximum divergence in the air of 6 mrd and collimated beam diameter of 8 mm.
  • the invention is not limited to the embodiments mentioned above.
  • the skilled person can make any variant in the choice of materials constituting the prism, conduit, or any other piece of optical sensors.

Abstract

L'invention concerne un capteur optique (1000) pour la mesure simultanée de la déviation et de l' atténuation d' au moins un faisceau lumineux dans un fluide. Selon l'invention, un tel capteur comprend: -des moyens de génération d' un faisceau lumineux principal (1202), et de premier (1203) et second (1204) faisceaux lumineux secondaires issu du faisceau lumineux principal; - des moyens de mesure de déviation, permettant d obtenir une mesure de déviation par réfraction, subie par le premier faisceau secondaire (1203) du fait de la traversée d' au moins une couche d' un matériau déterminé accolée à une première couche de fluide; - des moyens de mesure d' atténuation, permettant d' obtenir une mesure d' atténuation, subie par le second faisceau secondaire (1204) du fait de la traversée d' au moins une seconde couche de fluide; - des moyens de correction de ladite mesure d' atténuation tenant compte d' au moins une information obtenue grâce à ladite mesure de déviation.

Description

Capteur optique pour la mesure de la salinité et de la visibilité dans l'eau de mer.
1. Domaine de l'invention
Le domaine de l'invention est celui de la mesure de caractéristiques physiques de fluides (par exemple, les liquides, les gaz,...).
Plus précisément, l'invention concerne notamment la mesure de la salinité ainsi que la mesure de la visibilité dans l'eau de mer dans le cadre d'applications en océanographie, par exemple, dans le cadre de l'équipement de sondes de mesure immergées en environnement côtier. 2. Solutions de l'art antérieur
La détermination de la salinité de l'eau s'effectue aujourd'hui essentiellement via une mesure de sa conductivité électrique, connaissant sa température et la pression. Les capteurs de conductivité sont cependant peu fiables car très sensibles aux dégradations liées à l'environnement marin (tel qu'expliqué par le document «Capteurs de conductivité en océanographie : état de l'art et perspectives.» de M. Le Menn, publié dans RSTD Vol. 64, pp. 107-111, Juin 2004).
L'emploi d'autres méthodes basées sur la mesure de l'indice de réfraction de l'eau de mer (tel qu'illustré par le document «Remote refractive index différence meter for salinity sensor », de H. Minato, et al. Publié dans IEEE Trans on Instrumentation and Measurements, Vol. 38, N°2, pp. 608-612, 1989) ou l'emploi de capteurs à fibre est envisageable.
La mesure de l'indice permet, connaissant la température et la pression, de remonter à la valeur de la salinité soit par l'utilisation des relations de R.C. Millard et G. Seaver (R.C. Millard et G. Seaver, "An index of réfraction algorithm for seawater over température, pressure, salinity, density and wavelength", Deep-
Sea Research, vol. 37, n° 12, pp 1909-1926, 1990) dont l'exactitude est de 0,024 ppt en salinité, soit par étalonnage direct en température, pression et salinité. Ce qui suppose que l'on puisse mesurer l'indice de réfraction de l'eau de mer avec une résolution d'au moins 10"6 dans les gammes océanographiques. Compte tenu de l'application majoritairement visée qui est celle des mesures en environnement côtier, il n'est pas nécessaire que la mesure de salinité présente une précision inférieure à 1/100 psu.
Ainsi, le problème du contrôle de la dérive de la mesure par rapport aux variations de température et de pression que doit subir le dispositif de mesure de la salinité lors de son utilisation in situ n'est pas critique dans le présent cas.
Classiquement, les mesures de visibilité ou de turbidité dans un liquide, tel qu'une eau de mer, sont utilisées pour des estimations de la transparence de l'eau, pour obtenir des indications sur le transport de sédiments dans cette eau, et pour beaucoup d'autres études nécessitant une estimation de la quantité de particules dans l'eau. Les capteurs de turbidité permettent de connaître la concentration en particules dans l'eau et ceci généralement grâce à des mesures optiques de rétro- diffusion tel qu'indiqué dans la demande de brevet allemand n°DE3326739Al.
3. Objectifs de l'invention L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.
Plus précisément, un objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de fournir une technique permettant de mesurer simultanément la salinité d'un liquide et la visibilité dans le liquide. Un autre objectif de l'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, est de mettre en œuvre une telle technique qui présente une bonne précision de mesure et notamment pour la mesure de la visibilité.
L'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, a également pour objectif de réaliser un telle technique qui soit particulièrement adaptée aux mesures immergées et qui présente une grande résistance aux salissures ou dépôt organique de toutes sortes.
L'invention, dans au moins un de ses modes de réalisation, a encore pour objectif de réaliser un telle technique qui soit simple, compacte et bas coût.
4. Exposé de l'invention Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite, sont atteints à l'aide d'un capteur optique pour la mesure simultanée de la déviation et de l'atténuation d'au moins un faisceau lumineux dans un fluide.
Selon l'invention, un tel capteur optique comprend : des moyens de génération d'un faisceau lumineux principal, et de premier et second faisceaux lumineux secondaires issu du faisceau lumineux principal ; des moyens de mesure de déviation, permettant d'obtenir une mesure de déviation par réfraction, subie par le premier faisceau secondaire du fait de la traversée d'au moins une couche d'un matériau déterminé accolée à une première couche de fluide ; des moyens de mesure d'atténuation, permettant d'obtenir une mesure d'atténuation, subie par le second faisceau secondaire du fait de la traversée d'au moins une seconde couche de fluide ; des moyens de correction de ladite mesure d'atténuation tenant compte d'au moins une information obtenue grâce à ladite mesure de déviation.
Le principe général de l'invention consiste à réaliser à la fois une mesure de déviation par réfraction et une mesure d'atténuation dans un fluide, à partir d'un même faisceau lumineux principal séparé en un premier faisceau secondaire et un second faisceau secondaire, afin notamment d'obtenir simultanément les salinité et visibilité dans le fluide.
Ainsi, le capteur selon l'invention permet de mesurer simultanément la salinité (grâce à la mesure de déviation) et la visibilité (grâce à la mesure d'atténuation) dans le fluide.
Ainsi, du fait de la correction de la mesure d'atténuation au moyen d'au moins une information obtenue grâce à la mesure de déviation, il y a une réelle synergie entre la mesure de la déviation et le mesure de l'atténuation dans le capteur selon l'invention.
Ces deux mesures sont mises en œuvre de façon coopérative pour garantir une simultanéité des résultats. Avantageusement, les moyens de correction comprennent : des moyens de réception de la mesure de déviation provenant des moyens de mesure de déviation ; des moyens d'obtention de l'indice du fluide à partir de la mesure de déviation ; et - des moyens de transmission, aux moyens de mesure d'atténuation, de l'indice du fluide obtenu.
Ainsi, du fait que les deux mesures dépendant toutes deux d'au moins une caractéristique physique du fluide qui est l'indice de réfraction du fluide, dans le cadre de l'invention, une correction de la mesure d'atténuation peut être réalisée grâce à au moins une information obtenue à partir de la mesure de déviation.
On obtient ainsi des mesures plus précises du fait de la correction.
Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens de génération comprennent une source lumineuse et des moyens de séparation temporelle du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
Ainsi, par exemple, les premier et second faisceaux secondaires sont obtenus par échantillonnage temporel du faisceau principal au moyen par exemple d'un obturateur fonctionnant en régime stroboscopique.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, les moyens de génération comprennent une source lumineuse et des moyens de séparation spectrale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
Ainsi, par exemple, le faisceau principal présente un spectre comprenant au moins deux longueurs d'onde (la première correspondant au premier faisceau secondaire et la seconde correspondant au second faisceau secondaire).
Ainsi, selon ces premier et second modes de réalisation, les faisceaux secondaires correspondent à des composantes temporelles (premier mode de réalisation) et spectrales (second mode de réalisation) du faisceau principal. Ces modes de réalisation permettent de ne mettre en œuvre qu'un seul moyen de détection (position et intensité) des premier et second faisceaux secondaires. Selon un mode de mise en œuvre particulier de l'invention, le capteur comprend un prisme délivrant un faisceau secondaire intermédiaire issu du faisceau principal et des troisièmes moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, en direction du premier capteur de position et pour transmettre le second faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, vers le second capteur de position.
Ainsi, dans ce cas, les troisièmes moyens réfléchissants doivent être en partie transparents, par exemple ils sont une lame semi-transparente.
Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, les moyens de génération comprennent une source lumineuse et des moyens de séparation spatiale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
Ainsi, selon ce troisième mode de réalisation, il est nécessaire de mettre en œuvre un moyen de détection (position, intensité) distinct pour chacun des premier et second faisceaux secondaires.
Préférentiellement, lesdits moyens de séparation comprennent au moins un prisme optique et ladite couche de matériau déterminée est comprise dans ledit au moins un prisme optique.
Ainsi, le prisme a simultanément pour fonction de réaliser la séparation des premier et second faisceaux secondaires à partir du faisceau principal et, lorsque associé au fluide, de donner lieu à la réfraction à l'origine de la déviation du premier faisceau secondaire.
Par ailleurs, l'intensité du second faisceau secondaire dépendant notamment de l'indice du fluide, la mise en œuvre du prisme fait que la mesure d'atténuation (permettant d'obtenir la visibilité) peut être corrigée par l'obtention de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation (permettant d'obtenir la salinité) du premier faisceau secondaire.
Ainsi, on peut réaliser une correction de la mesure d'atténuation en fonction de la mesure de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation et ainsi obtenir une mesure de l'atténuation plus précise. Ainsi, le capteur selon l'invention permet notamment d'obtenir une bonne précision pour la mesure de la visibilité.
En outre, du fait que le prisme partage plusieurs fonctions, le capteur selon l'invention est simple à réaliser, compact et peut être fabriqué pour un faible coût. Avantageusement, le prisme optique est réalisé dans au moins l'un des matériaux appartenant au groupe comprenant les :
N-K5 ;
N-F2 ;
N-BAF51 ; - N-LF5 ;
N-SF5 ;
N-SKlO ;
N-BK7 ;
N-LLFl. Avantageusement, les moyens de mesure de déviation comprennent au moins un premier capteur de position.
Préférentiellement, les moyens de mesure d'atténuation comprennent au moins un second capteur de position.
Ainsi, l'utilisation d'un capteur de position (qui joue le rôle de moyen de détection de position et d'intensité du premier faisceau secondaire) dans les moyens de mesure de déviation permet de mesurer à la fois : la position du premier faisceau secondaire qui est nécessaire pour la mesure de la déviation du premier faisceau secondaire et l'intensité du premier faisceau secondaire qui est nécessaire dans le cadre de la détermination de la visibilité dans le fluide.
Par ailleurs, l'utilisation d'un capteur de position au lieu de l'utilisation, par exemple, d'une photodiode permet d'améliorer la précision de la mesure de déviation ou d'atténuation, du fait que le capteur de position est moins sensible à la diffusion des faisceaux secondaires dans le fluide qu'une photodiode. Selon un premier mode de mise en œuvre, aucun moyen réfléchissant n'est mis en œuvre dans le capteur optique. Un avantage d'un tel capteur optique est qu'il présente une grande résistance aux salissures ou au dépôt organique de toutes sortes résultant du fluide compris dans le capteur (en effet, les moyens réfléchissants sont très sensibles aux salissures). Ainsi, un tel capteur optique est particulièrement adaptée aux mesures immergées.
Selon un second mode de mise en œuvre de l'invention, le capteur optique comprend des premiers moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire en direction du premier capteur de position. Ainsi, dans le cadre de ce second mode de mise en œuvre, le capteur peut être plus compact que le capteur du premier mode de mise en œuvre.
Selon un troisième mode de mise en œuvre de l'invention, le capteur optique comprend des seconds moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le second faisceau secondaire en direction du second capteur de position. Ainsi, dans le cadre de ce troisième mode de mise en œuvre, l'électronique dans le capteur peut être commune à la source lumineuse ainsi qu'au premier et second capteurs de position.
Préférentiellement, le fluide est de l'eau de mer et en ce qu'il est apte à fonctionner lorsqu'il est immergé. Avantageusement, ladite source lumineuse est une source laser.
Avantageusement, la source laser coopère avec des moyens de focalisation permettant de focaliser le faisceau laser sur au moins un desdits capteur de position.
Préférentiellement, la taille du spot du faisceau laser focalisé sur le ou les capteur(s) de position est comprise entre 200 μm et 1 mm.
Préférentiellement, les moyens de focalisation sont disposés à proximité de la source laser.
Avantageusement, la source laser émet dans le visible. Préférentiellement, le capteur optique selon un mode de réalisation de invention comprend des moyens de mise en circulation du fluide dans le capteur optique.
5. Liste des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante de modes de réalisation préférentiels, donnés à titre de simples exemples illustratifs et non limitatifs, et des dessins annexés, parmi lesquels : la figure 1 présente un schéma d'un capteur optique selon un premier mode de mise en œuvre de l'invention ; la figure 2 présente un schéma des second bloc électronique, troisième bloc électronique et des moyens de correction selon le second mode de réalisation de l'invention ; la figure 3 présente un schéma d'un capteur optique selon un second mode de mise en œuvre de l'invention ; la figure 4 présente un schéma d'un capteur optique selon un troisième mode de mise en œuvre de l'invention ; la figure 5 présente un schéma d'un capteur optique selon un quatrième mode de mise en œuvre de l'invention. 6. Description d'un mode de réalisation de l'invention
On décrit dans la suite différentes réalisations d'un capteur optique selon l'invention pour la mesure d'au moins une caractéristique physique d'un fluide.
Par exemple, le fluide est de l'eau de mer et le capteur optique est apte à fonctionner lorsqu'il est immergé.
Ce capteur optique comprend notamment : une source lumineuse émettant un faisceau lumineux principal ; - des moyens de mesure de la déviation par réfraction subie par un premier faisceau secondaire, issu du faisceau principal, du fait de la traversée d'une couche d'un matériau déterminé accolée à une première couche d'eau de mer ; des moyens de mesure de l'atténuation subie par un second faisceau secondaire, issu du faisceau principal, du fait de la traversée d'une seconde couche d'eau de mer ; et des moyens de correction de la mesure d'atténuation tenant compte d'au moins une information obtenue grâce à la mesure de déviation. Par exemple : - les moyens de mesure de la déviation comprennent un premier capteur de position de type PSD (pour « Position Sensor Device ») qui joue le rôle de moyen de détection (position et intensité) du premier faisceau secondaire, le premier capteur étant associé à un second bloc électronique ci-après décrit ; et - les moyens de mesure de l'atténuation comprennent un second capteur de position de type PSD qui joue le rôle de moyen de détection (position et intensité) du second faisceau secondaire, le second capteur étant associé à un troisième bloc électronique ci-après décrit .
Ainsi, l'utilisation d'un capteur de position dans les moyens de mesure de déviation permet de mesurer à la fois : la position du premier faisceau secondaire qui est nécessaire pour la mesure de la déviation du premier faisceau secondaire et l'intensité du premier faisceau secondaire qui est nécessaire dans le cadre de la détermination de la visibilité dans le fluide. Par ailleurs, l'utilisation d'un capteur de position au lieu de l'utilisation, par exemple, d'une photodiode permet d'améliorer la précision de la mesure de déviation ou d'atténuation, du fait que le capteur de position est moins sensible à la diffusion des faisceaux secondaires dans le fluide qu'une photodiode.
Ainsi, ce capteur optique selon l'invention permet de mesurer simultanément la salinité (grâce à la mesure de déviation) et la visibilité (grâce à la mesure d'atténuation) dans l'eau de mer.
En outre, les deux mesures dépendant toutes deux de l'indice de réfraction de l'eau de mer, dans le cadre de l'invention, une correction de la mesure d'atténuation grâce à au moins une information obtenue à partir de la mesure de déviation peut être mise en œuvre. On obtient ainsi des mesures plus précises du fait de la correction.
Par exemple, la source lumineuse est une diode laser émettant dans le visible (la diode laser peut également émettre dans le proche infra-rouge, dans proche ultra-violet ou même à toute autre longueur d'onde). Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les premier et second faisceaux secondaires correspondent à deux composantes temporelles du faisceau principal.
Ainsi, par exemple, les premier et second faisceaux secondaires sont obtenus par échantillonnage temporel du faisceau principal au moyen par exemple d'un obturateur fonctionnant en régime stroboscopique.
Selon un second mode de réalisation de l'invention, les premier et second faisceaux secondaires correspondent à des composantes spectrales du faisceau principal.
Ainsi, par exemple, le faisceau principal présente un spectre comprenant au moins deux longueurs d'onde (la première correspondant au premier faisceau secondaire et la seconde correspondant au second faisceau secondaire).
Ainsi, selon ces premier et second modes de réalisation, les faisceaux secondaires correspondent à des composantes temporelles (premier mode de réalisation) et spectrales (second mode de réalisation) du faisceau principal. Ces modes de réalisation permettent de ne mettre en œuvre qu'un seul moyen de détection (position et intensité) des premier et second faisceaux secondaires.
Selon un troisième mode de réalisation de l'invention, selon lequel le capteur optique comprend des moyens de séparation du faisceau lumineux principal en un premier faisceau secondaire et un second faisceau secondaire. Ainsi, selon ce premier mode de réalisation, il est nécessaire de mettre en œuvre un moyen de détection (position, intensité) distinct pour chacun des premier et second faisceaux secondaires.
On se place dans la suite dans le cadre de ce troisième mode de réalisation de l'invention. On illustre, en relation avec la figure 1, un capteur optique 1000 selon un premier mode de mise en œuvre de l'invention.
Le capteur optique 1000 comprend des premier 1100, second 1200 et troisième 1300 compartiments. Dans le cadre de ce premier mode de mise en œuvre, le second compartiment 1200 est rempli d'eau de mer et le capteur optique comprend des moyens de mise en circulation de l'eau de mer dans ce second compartiment. L'eau de mer pénètre dans le second compartiment 1200 via une première ouverture 1207 jouant le rôle d'entrée et sort du second compartiment 1200 via une seconde ouverture 1208 jouant le rôle de sortie. Bien entendu le rôle des ouvertures 1207, 1208 peut être inversé.
Dans le cadre de ce premier mode de mise en œuvre, les premier 1100 et troisième 1300 compartiments sont étanches.
Le premier compartiment 1100 comprend une diode laser 1101 ainsi qu'un premier bloc électronique (non représenté) comprenant un circuit électronique et une alimentation permettant de fournir l'alimentation nécessaire au fonctionnement de la diode.
Le second compartiment 1200 comprend un prisme optique 1201 accolé devant la sortie de la diode laser 1101 de laquelle est issue un faisceau lumineux principal 1202. Ce faisceau lumineux principal 1202 est séparé en un premier faisceau secondaire 1203 et un second faisceau secondaire 1204 par le prisme optique 1201.
Le prisme est réalisé dans un matériau transparent pour les longueurs d'onde de la diode laser. Le second compartiment 1200 comprend également un premier capteur de position 1205 de type PSD qui permet de mesurer la déviation par réfraction subie par le premier faisceau secondaire 1203 du fait de la traversée du prisme (constituant une couche d'un matériau déterminé) et d'une première couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) contenue dans le second compartiment 1200. L'association de la diode laser 1101, du prisme optique 1201, de la première couche d'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 du capteur optique 1000 (entre le prisme et le premier capteur de position 1205) ainsi que du premier capteur de position 1205 constitue un premier réfractomètre optique qui permet de déterminer l'indice de réfraction de l'eau de mer dans le capteur optique 1000 et donc d'en déduire la salinité de cette eau de mer.
En effet, le premier faisceau secondaire 1203 est dévié par réfraction au niveau de l'interface prisme optique 1201 / eau de mer du capteur optique 1000.
La position du premier faisceau 1203 est ensuite détectée et mesurée par le premier capteur de position 1205 tel qu'indiqué dans la demande de brevet français n° FR0507996 déposé le 26 juillet 2005.
Un second bloc électronique 52 (illustré ci-après en relation avec la figure
2), par exemple compris dans un premier sous compartiment étanche du second compartiment 1200, permet d'alimenter le premier capteur de position et de traiter les signaux du premier capteur de position 1205 afin de déduire l'indice de réfraction de l'eau de mer ainsi que la salinité de l'eau de mer.
Le premier capteur de position 1205 présente une longueur utile d'environ 2 mm.
Préférentiellement, une optique de collimation (non représentée sur cette figure 1), par exemple une lentille convergente, permet de focaliser le premier faisceau secondaire 1203 de la diode laser 1101 sur le premier capteur de position
1205 de manière à obtenir un premier faisceau secondaire focalisé d'environ
200μm de diamètre de spot au niveau du premier capteur de position 1205. Par exemple, l'optique de collimation est disposée à proximité de la sortie de la diode laser 1101 entre la diode laser et le prisme optique 1201.
Bien entendu, on peut choisir d'autres diamètres de spot (préférentiellement un diamètre compris entre 200 μm et 1 mm) pour le premier faisceau secondaire focalisé au niveau du premier capteur de position 1205 sans sortir du cadre de la présente invention. Par exemple, le premier faisceau secondaire 1203 forme un angle d'incidence au niveau de l'interface prisme / eau de mer qui vaut 62° et qui est inférieur à l'angle de réflexion totale qui vaut sensiblement 88° (pour un indice du prisme de 1,50854 et pour un indice de l'eau de mer de 1,333). Le second compartiment 1200 comprend également un second capteur de position 1206 de type PSD qui permet de mesurer l'atténuation subie par le second faisceau secondaire 1204 du fait de la traversée d'une seconde couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et le second capteur de position 1206) contenue dans le second compartiment 1200. Par ailleurs, le premier capteur de position 1205 permet de mesurer l'atténuation subie par le premier faisceau secondaire 1203 du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) contenue dans le second compartiment 1200.
Tel qu'expliqué ci-après, la mesure de la visibilité dans l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 du capteur optique 1000 est obtenue par comparaison : de l'intensité lumineuse du premier faisceau secondaire 1203 détectée sur le premier capteur de position 1205 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer) et - de l'intensité lumineuse du second faisceau secondaire 1204 détectée sur le second capteur de position 1206 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la seconde couche d'eau de mer).
Préférentiellement, la première couche d'eau (entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) et la seconde couche d'eau de mer (entre le prisme 1201 et le second capteur de position 1206) présentent des épaisseurs différentes.
Ainsi, les chemins optiques parcourus par les premier 1203 et second 1204 faisceaux secondaires avant d'atteindre chacun des premier 1205 et second 1206 capteurs de position sont différents. Cette différence de marche détermine la précision de la mesure de la visibilité dans l'eau de mer (l'indice étant calculé par ailleurs par le réfractomètre).
En conséquence, l'association de la diode laser 1101, du prisme optique
1201, de la première couche d'eau contenue dans le second compartiment 1200, du premier capteur de position 1205, de la seconde couche d'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 ainsi que du second capteur de position 1206 permet de déterminer la visibilité dans l'eau de mer dans le capteur optique 1000.
En effet, l'intensité du premier faisceau secondaire 1203 est détectée et mesurée par le premier capteur de position 1205 et l'intensité du second faisceau secondaire 1204 est détectée et mesurée par le second capteur de position 1206. Un troisième bloc électronique 53 (illustré ci-après en relation avec la figure 5), par exemple compris dans un second sous compartiment étanche du second compartiment 1200 ou dans le troisième compartiment 1300, permet d'alimenter le second capteur de position 1206.
Par ailleurs, le second 52 et le troisième 53 bloc électronique permettent de traiter la valeur de l'intensité du premier faisceau secondaire 1203 mesurée par le premier capteur de position 1205 la valeur de l'intensité du second faisceau secondaire 1204 mesurée par le second capteur de position 1206 afin de déduire la visibilité dans l'eau de mer.
Pour ce faire, on mesure tout d'abord l'atténuation (due notamment à l'absorption et à la diffusion propagative et non contra-propagative comme dans le cas de la mesure de réflexivité mise en œuvre dans le cadre de la détermination de la turbidité) de l'eau de mer (milieu turbide). On peut noter que la mesure de l'atténuation de l'eau de mer offre une estimation satisfaisante de la turbidité de l'eau de mer. La mesure de l'atténuation (ou contraste) ci-après référencée « C » est donnée dans le présent cas par la formule suivante :
C = In (IPSdI2OeZIpSdI2OSy(Ii2Os-Ii2Oe) où
In est le logarithme népérien ;
IPsdi206 est l'intensité du second faisceau secondaire 1204 mesurée par le second capteur de position 1206 ; IPsdi205 est l'intensité du premier faisceau secondaire 1203 mesurée par le premier capteur de position 1205 ;
I1205 est le chemin optique associé à la la première couche d'eau (entre le prisme 1201 et le premier capteur de position 1205) - I1206 est le chemin optique associé à la seconde couche d'eau de mer (entre le prisme 1201 et le second capteur de position 1206).
Préférentiellement, les valeurs des intensités mesurées Ipsdi205 et Ipsdi206 sont corrigées afin de tenir compte de la réflexion à l'interface eau de mer/ capteur de position 1205, 1206. Ainsi, on peut obtenir la visibilité V qui est donnée par la formule suivante :
V = - In (norme CL)/C où CL est le contraste limite humain (ou « inhérent contrast of the black target ») qui vaut dans le présent cas : -1. Selon une variante du présent mode de réalisation, les second et troisième blocs électroniques sont réalisés sous la forme d'un seul bloc électronique global par exemple compris dans un sous compartiment étanche du second compartiment 1200.
Le second capteur de position 1206 présente une longueur utile d'environ 2 mm.
Préférentiellement, l'optique de collimation précitée (non représentée sur cette figure 1) permet de focaliser le second faisceau secondaire 1204 de la diode laser 1101 sur le second capteur de position 1206 de manière à obtenir un second faisceau secondaire focalisé d'environ 200μm de diamètre de spot au niveau du second capteur de position 1206.
Bien entendu, on peut choisir d'autres diamètres de spot
(préférentiellement un diamètre compris entre 200 μm et 1 mm) pour le second faisceau secondaire focalisé au niveau du second capteur de position 1206 sans sortir du cadre de la présente invention. En conséquence, le prisme optique 1201 a simultanément pour fonction de réaliser la séparation des premier et second faisceaux secondaires à partir du faisceau principal et, lorsque associé au fluide, de donner lieu à la réfraction à l'origine de la déviation du premier faisceau secondaire.
Par ailleurs, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est transmise dans le second faisceau secondaire 1204 est calculée à partir du coefficient de réflexion au niveau de l'interface prisme 1201 / eau de mer qui dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200 du capteur optique 1000.
Ainsi, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est transmise dans le second faisceau secondaire 1204 dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200.
En conséquence, la mise en œuvre du prisme fait que la mesure de l'atténuation (permettant d'obtenir la visibilité) subie par le second faisceau secondaire 1204 peut être corrigée par la connaissance de la proportion exacte d'intensité provenant du faisceau principal 1202 dans le second faisceau secondaire 1204, proportion qui dépend de la valeur de l'indice de réfraction de l'eau de mer obtenue dans le cadre de la mesure de la déviation (permettant d'obtenir la salinité) du premier faisceau secondaire.
On présente, en relation avec la figure 2, un schéma des second bloc électronique 52, troisième bloc électronique 53 et des moyens de correction 51 précités.
Les moyens de correction 51 qui sont par exemple un calculateur, comprennent : des moyens de réception de la mesure de déviation provenant des moyens de mesure de déviation (premier capteur de position 1205 associé au second bloc optique 52) ; des moyens d'obtention de l'indice du fluide à partir de la mesure de déviation ; et des moyens de transmission, aux moyens de mesure d'atténuation (second capteur de position 1206 associé au second bloc optique 53), de l'indice du fluide obtenu.
Ainsi, on peut réaliser une correction de la mesure d'atténuation subie par le second faisceau secondaire 1204 en fonction de la mesure de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation subie par le premier faisceau secondaire 1203 et ainsi obtenir une mesure de l'atténuation et donc de la visibilité plus précise.
En outre, du fait que le prisme partage plusieurs fonctions, le capteur selon l'invention est simple à réaliser, compact et peut être fabriqué pour un faible coût.
En conséquence, aucun moyen réfléchissant n'est mis en œuvre dans le capteur optique 1000 selon le premier mode de mise en œuvre précité. Un avantage d'un tel capteur optique est qu'il présente une grande résistance aux salissures ou au dépôt organique de toutes sortes résultant du fluide compris dans le capteur (en effet, les moyens réfléchissants sont très sensibles aux salissures). Ainsi, un tel capteur optique est particulièrement adapté aux mesures immergées.
On illustre, en relation avec la figure 3, un capteur optique 2000 selon un second mode de mise en œuvre de l'invention.
Le capteur optique 2000 selon le second mode de mise en œuvre, comprenant un premier compartiment 2100 et un second compartiment 2200, est identique au capteur optique 1000 selon le premier mode de mise en œuvre si ce n'est : - qu'il ne comprend pas de troisième compartiment ; et qu'il comprend en outre des premiers moyens réfléchissants 2209 (par exemple un premier miroir) adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire 1203 en direction du premier capteur de position 1205.
Par ailleurs, dans le cadre de ce second mode de mise en œuvre, la première couche d'eau de mer est comprise entre le prisme 1201 et les premiers moyens réfléchissants 2209.
L'association de la diode laser 1101, du prisme optique 1201, de la première couche d'eau de mer précitée, des premiers moyens réfléchissants ainsi que du premier capteur de position 1205 constitue un réfractomètre optique qui permet de déterminer l'indice de réfraction de l'eau de mer dans le capteur optique 2000 et donc d'en déduire la salinité de cette eau de mer.
En outre, dans le cadre de ce second mode de mise en œuvre, la mesure de la visibilité de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 2200 du capteur optique 2000 est obtenue par comparaison : - de l'intensité lumineuse du premier faisceau secondaire 1203 détectée sur le premier capteur de position 1205 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer ainsi que d'une couche d'eau de mer entre les premiers moyens réfléchissants 2209 et le premier capteur de position) et - de l'intensité lumineuse du second faisceau secondaire 1204 détectée sur le second capteur de position 1206 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la seconde couche d'eau de mer).
Dans le cadre de ce second mode de mise en œuvre, le capteur peut être plus compact que le capteur du premier mode de mise en œuvre notamment du fait de l'agencement des capteurs de position. Par ailleurs, dans le cadre de ce second mode de mise en œuvre, les premier et second blocs électroniques (éventuellement confondus) peuvent être tous les deux inclus dans le premier compartiment 2100.
On illustre, en relation avec la figure 4, un capteur optique 3000 selon un troisième mode de mise en œuvre de l'invention.
Le capteur optique 3000 selon le troisième mode de mise en œuvre, comprenant un premier compartiment 3100 et un second compartiment 3200, est identique au capteur optique 2000 selon le second mode de mise en œuvre si ce n'est qu'il comprend en outre des seconds moyens réfléchissants 3210 (par exemple un second miroir) adaptés pour réfléchir le second faisceau secondaire 1204 en direction du premier capteur de position 1205.
Par ailleurs, dans le cadre de ce troisième mode de mise en œuvre, la seconde couche d'eau de mer est constituée d'une couche d'eau de mer comprise entre le prisme 1201 et les seconds moyens réfléchissants 3210 et d'une couche d'eau de mer comprise entre les seconds moyens réfléchissants 3210 et le second capteur de position 1206.
Ainsi, dans le cadre de ce troisième mode de mise en œuvre, le capteur peut être plus compact que le capteur du second mode de mise en œuvre car, les premier, second et troisième blocs électroniques (éventuellement confondus) peuvent être tous les deux inclus dans le premier compartiment 3100.
On illustre, en relation avec la figure 5, un capteur optique 4000 selon un quatrième mode de mise en œuvre de l'invention.
Le capteur optique 4000 selon le quatrième mode de mise en œuvre, comprenant un premier compartiment 4100 et un second compartiment 4200, est identique au capteur optique 1000 selon le premier mode de mise en œuvre si ce n'est : qu'il ne comprend pas de troisième compartiment ; et qu'il comprend en outre des troisièmes moyens réfléchissants 4211 (par exemple une lame semi transparente).
Dans le cadre de ce quatrième mode de mise en œuvre, le prisme 1201 délivre un faisceau secondaire intermédiaire 4203 issu du faisceau principal 1202 et les troisièmes moyens réfléchissants 4211 sont adaptés pour réfléchir une partie (ci-après appelée premier faisceau secondaire) du faisceau intermédiaire 4203 en direction du premier capteur de position 1205 et pour transmettre une partie (ci- après appelée second faisceau secondaire) du faisceau intermédiaire 4203 vers le second capteur de position 1206.
Ainsi, dans le cadre de ce quatrième mode de mise en œuvre, le premier capteur de position 1205 permet de mesurer la déviation par réfraction subie par le premier faisceau secondaire du fait de la traversée du prisme (constituant une couche d'un matériau déterminé) et d'une première couche d'eau de mer (comprise entre le prisme 1201 et les troisièmes moyens réfléchissants 4211) contenue dans le second compartiment 1200.
L'association de la diode laser 1101, du prisme optique 1201, de la première couche d'eau de mer précitée, des troisièmes moyens réfléchissants ainsi que du premier capteur de position 1205 constitue un réfractomètre optique qui permet de déterminer l'indice de réfraction de l'eau de mer dans le capteur optique 4000 et donc d'en déduire la salinité de cette eau de mer.
En outre, dans le cadre de ce quatrième mode de mise en œuvre, la mesure de la visibilité de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 4200 du capteur optique 4000 est obtenue par comparaison (tel qu'indiqué ci-dessus en relation avec la figure 1) : de l'intensité lumineuse du premier faisceau secondaire (issu du faisceau intermédiaire 1203) détectée sur le premier capteur de position 1205 (après avoir subie : des atténuations du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer et du fait de la traversée d'une couche d'eau de mer entre les troisièmes moyens réfléchissants 4211 et le premier capteur de position) et de l'intensité lumineuse du second faisceau secondaire (issu du faisceau intermédiaire 1203) détectée sur le second capteur de position 1206 (après avoir subie une atténuation du fait de la traversée de la première couche d'eau de mer. Dans le cadre de ce quatrième mode de mise en œuvre, les premier et second blocs électroniques (éventuellement confondus) peuvent être tous les deux inclus dans le premier compartiment 4100. Les troisièmes moyens réfléchissants 4211 doivent être en partie transparents, par exemple ils sont une lame semi-transparente.
Par ailleurs, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est transmise dans le faisceau intermédiaire est calculée à partir du coefficient de réflexion au niveau de l'interface prisme 1201 / eau de mer qui dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment
4200 du capteur optique 4000.
La proportion en intensité du faisceau intermédiaire 4203 qui est transmise dans les premier et second faisceaux secondaires dépend du coefficient de réflexion de la lame semi transparente 4211. Ainsi, la proportion en intensité du faisceau principal 1202 qui est transmise dans le second faisceau secondaire dépend notamment de l'indice de l'eau de mer contenue dans le second compartiment 1200.
En conséquence, la mise en œuvre du prisme fait que la mesure de l'atténuation (permettant d'obtenir la visibilité) subie par le second faisceau secondaire peut être corrigée par la connaissance de la proportion exacte d'intensité provenant du faisceau principal 1202 dans le second faisceau secondaire, proportion qui dépend de la valeur de l'indice de réfraction de l'eau de mer obtenue dans le cadre de la mesure de la déviation (permettant d'obtenir la salinité) du premier faisceau secondaire. Ainsi, on peut réaliser une correction de la mesure d'atténuation subie par le second faisceau secondaire en fonction de la mesure de l'indice dans le cadre de la mesure de la déviation subie par le premier faisceau secondaire et ainsi obtenir une mesure de l'atténuation et donc de la visibilité plus précise.
Par exemple, dans les capteurs optiques 1000, 2000, 3000 et 4000, les moyens de mise en circulation de l'eau de mer dans le second compartiment comprennent : un premier conduit (non illustré), par exemple de section elliptique, qui est relié à la première ouverture 1207 (entrée) et qui permet de faire entrer l'eau de mer dans le second compartiment 1200 ; - un second conduit (non illustré), par exemple de section elliptique, qui est relié à la seconde ouverture 1208 (sortie) et qui permet de faire sortir l'eau de mer du second compartiment 1200.
Chacun des capteurs optiques 1000, 2000, 3000 et 4000 est donc non seulement adapté à faire des mesures in situ, et des mesures à différentes profondeurs ou situations géographiques (notamment dans un océan, une mer, un lac,...), mais il permet de plus de limiter les effet du « fouling » d'origine marine grâce à sa géométrie particulière. En effet, on choisit par exemple un conduit de section d'environ lcm, ce qui permet d'éviter les effets de turbulence et ce qui permet par exemple de fixer des pastilles de TBT (Tri-Buthylétain) dans le conduit qui ont pour effet de limiter les effets du « fouling » d'origine marine. En effet, le temps de réponse dépend du rapport longueur / diamètre de la surface d'échange thermique entre l'eau de mer et le conduit ainsi que de la vitesse de circulation du liquide. L'utilisation d'un conduit permet de fixer à volonté la valeur de ces deux variables, la valeur de la vitesse de circulation de l'eau de mer pouvant en outre être rendue constante par l'utilisation d'une pompe.
Le choix d'une section du conduit de 1 cm correspond à un compromis entre une section suffisante pour permettre une bonne circulation d'eau (entre le l'eau de mer et le capteur optique) mais pas trop importante pour éviter les régimes de turbulence. Par exemple, le prisme optique est réalisé dans au moins l'un des matériaux appartenant au groupe comprenant les :
N-K5 ;
N-F2 ;
N-BAF51 ; - N-LF5 ;
N-SF5 ;
N-SKlO ;
N-BK7 ;
N-LLFl. Bien entendu, le prisme optique peut être monobloc ou être consitué de plusieurs sous-blocs.
Les capteurs de position sont par exemple des PSD commercialisés par la société HAMAMATSU sous la référence S4584-06. Ils sont sensibles dans le rouge pour des longueurs d'onde autour de 635 nm, ils sont également sensibles pour des longueurs d'onde supérieures à 800nm. Ils présentent une résolution maximale de 0,1 μm (ce qui est négligeable lorsque comparé au diamètre du spot laser), une longueur utile de 2,5 mm et coopère avec un circuit électronique référencé C3683-01.
Ces capteurs de position présentent une bonne résolution, de l'ordre de 0,3 μm, avec une tolérance de positionnement très grande. Ces caractéristiques du capteur de position permettent d'envisager l'utilisation d'une taille de spot effective comprise entre 200 μm et 1 mm. On montre que la qualité du faisceau joue peu sur le résultat de la mesure.
D'autre part, par exemple, dans les capteurs optiques 1000, 2000, 3000 et 4000, la diode laser coopère avec des moyens de focalisation (par exemple une lentille convergente) permettant de focaliser le faisceau lumineux principal (issu de la diode laser) sur au moins des capteurs de position.
Préférentiellement, la taille du spot du faisceau laser focalisé est comprise entre 200 μm et 1 mm. Par exemple, les moyens de focalisation sont disposés à proximité de la source laser entre la source laser et le prisme.
Les diodes laser sont par exemple des diodes laser collimatées commercialisés par la société PHOTONIC sous la référence 301 -P. Elle émettent un faisceau laser de longueur d'onde de 635 nm, de puissance sensiblement égale à 0,9 mW, de taille de faisceau d'environ 1,8 mm x 1,8 mm, de divergence maximum dans l'air de 6 mrd et de diamètre de faisceau collimaté de 8 mm.
Les modes de mise en œuvre ainsi que les modes de réalisation précités peuvent être combinés.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation mentionnés ci-dessus. En particulier, l'Homme du Métier pourra apporter toute variante dans le choix des matériaux constituant le prisme, le conduit, ou toute autre pièce des capteurs optiques.
L'invention s'applique bien sûr, également dans le cadre d'autres types de section de conduit, par ailleurs, on peut mettre en œuvre dans les capteurs optiques selon la présente invention des conduits présentant des sections variables en fonction de la position sur le conduit.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur optique (1000, 2000, 3000) pour la mesure simultanée de la déviation et de l'atténuation d'au moins un faisceau lumineux dans un fluide caractérisé en ce qu'il comprend : - des moyens de génération d'un faisceau lumineux principal (1202), et de premier (1203) et second (1204) faisceaux lumineux secondaires issu du faisceau lumineux principal ; des moyens de mesure de déviation, permettant d'obtenir une mesure de déviation par réfraction, subie par le premier faisceau secondaire du fait de la traversée d'au moins une couche d'un matériau déterminé accolée à une première couche de fluide ; des moyens de mesure d'atténuation, permettant d'obtenir une mesure d'atténuation, subie par le second faisceau secondaire du fait de la traversée d'au moins une seconde couche de fluide ; - des moyens de correction (51) de ladite mesure d'atténuation tenant compte d'au moins une information obtenue grâce à ladite mesure de déviation.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de correction (51) comprennent : - des moyens de réception de la mesure de déviation provenant des moyens de mesure de déviation ; des moyens d'obtention de l'indice du fluide à partir de la mesure de déviation ; et des moyens de transmission, aux moyens de mesure d'atténuation, de l'indice du fluide obtenu.
3. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de génération comprennent une source lumineuse (1101) et des moyens de séparation temporelle du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de génération comprennent une source lumineuse (1101) et des moyens de séparation spectrale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
5. Capteur selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comprend un prisme (1201) délivrant un faisceau secondaire intermédiaire (4203) issu du faisceau principal (1202) et des troisièmes moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, en direction du premier capteur de position (1205) et pour transmettre le second faisceau secondaire, issu du faisceau intermédiaire, vers le second capteur de position (1206).
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de génération comprennent une source lumineuse (1101) et des moyens de séparation spatiale du faisceau lumineux principale en lesdits premier et second faisceaux lumineux secondaires.
7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de séparation comprennent au moins un prisme optique et en ce que ladite couche de matériau déterminée est comprise dans ledit au moins un prisme optique.
8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les moyens de mesure de déviation comprennent au moins un premier capteur de position (1205).
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que les moyens de mesure d'atténuation comprennent au moins un second capteur de position (1206).
10. Capteur optique selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comprend des premiers moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le premier faisceau secondaire en direction du premier capteur de position (1205).
11. Capteur optique selon la revendication 9 et l'une quelconque des revendications 8 et 10, caractérisé en ce qu'il comprend des seconds moyens réfléchissants adaptés pour réfléchir le second faisceau secondaire en direction du second capteur de position (1206).
12. Capteur optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le fluide est de l'eau de mer et en ce qu'il est apte à fonctionner lorsqu'il est immergé.
13. Capteur selon l'une quelconque des revendications 3 à 12, caractérisé en ce que ladite source lumineuse est une source laser (1101).
14. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de mise en circulation du fluide dans le capteur optique.
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