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Dispositif de détection et de mesure de très faibles déplacements par conversion de ces déplacements en oscillations de fréquence variable.
La présente invention a pour objet un dispositif per- mettant de détecter et de mesurer de très faibles déplacements, en vue de réaliser éventuellement des asservissements de haute pré- cision, ledit dispositif étant caractérisé par le fait qu'il com- porte en combinaison, un cristal semi-conducteur photo-résistant et piézolélectrique, massif ou sous forme de couche mince, une
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source lumineuse d'irradiation d'au moins une face dudit cristal, une source de tension continue stabilisée dont les pâles sont re- liés à deux contacts disposés sur des faces situées de part et d'autre de la face, ou des faces irradiées,
un circuit de sortie comportant au moins une impédance aux bornes de laquelle est bran- ché un dispositif de mesure de la fréquence des oscillations du courant traversant le cristal dont la valeur est fonction de la surface irradiée, un écran solidaire de l'organe dont le déplace- ment est à mesurer et qui est disposé entre le cristal et la source lumineuse, ledit écran se déplaçant, en outre, dans un plan parallèle à la face susceptible de recevoir l'irradiation lumi- neuse.
Suivant un premier mode de réalisation de l'objet de l'invention, l'écran est complètement opaque, et en se déplaçant, masque une partie plus ou moins grande de la face soumise à l'ir- radiation des rayons lumineux. De préférence, en se déplaçant, l'écran masque ladite face à partir du contact relié au pôle posi- tif de la source d'alimentation.
Suivant un autre mode de réalisation de l'objet de l'in- vention, l'écran comporte une ouverture rectiligne étroite en forme de fente, de sorte que lors du mouvement de l'écran, le pinceau lumineux issu de la fente dudit écran se déplace sur la face du cristal.
On utilise préférablement comme semi-conducteur photo- résistant et piézoélectrique, le sulfure de cadmiun correspondant à la formule Cd S, sous forme monoeristalline.
On sait que ce corps cristallise dans le système hexa- gonal.
On a constaté qu'en irradiant une portion de face d'un tel cristal parallèle à l'hexagone du système cristallin, et en
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alimentant ce cristal sous une tension continue par l'intermédiaire de deux électrodes orientées de préférence perpendiculairement à la direction moyenne,du flux lumineux d'irradiation, on engendre dans le circuit d'alimentation en courant continu de ce cristal des oscillations à fréquence élevée.
On prévoit en général, dans les circuits respectifs de liaison aux deux électrodes de la source de courant continu, dont l'électrode négative est de préférence reliée à la terre, au moins une résistance de valeur réglable permettant notamment d'adapter l'impédance du circuit oscillant à celle de ladite source de cou- rant continu.
On peut recueillir alors une tension HF aux bornes de l'une de ces résistances, lesdites oscillations pouvant être éga- lement recueillies éventuellement aux bornes du secondaire d'un transformateur ou d'un autotransformateur ayant son primaire in- séré dans le circuit d'alimentation en courant continu dudit eristal.
Lorsque, comme dans le premier mode de réalisation de l'objet de l'invention, en interpose un cache optique solidaire de l'objet dont on veut détecter et mesurer le déplacement sur le trajet des rayons lumineux, de façon à masquer une partie de la. face cristalline soumise à l'action desdits rayons lumineux, on constate qu'une fréquence d'oscillations de 1 MHz par exemple, engendrée pour une certaine position dudit cache, se trouve ré- duite à .4-eU KHz pour un déplacement de 0,5 mm de ce cache paral- lèlement à ladite face cristalline. n' m litude des oscillations que l'on peut recueillir en alimentant un tel cristal snus une tension continue de 400 volts,. est de l'ordre de 10 mA.
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Il est bien certain qu'indépendamment de la position du cache, la fréquence des oscillations engendrées varie également en fonction de la valeur de la tension continue plus ou moins forte appliquée au cristal suivant sa longueur, et en fonction de l'inten- site maximum du flux lumineux auquel cette face cristalline peut être soumise en l'absence de toute interception de rayons par un cache.
Une variation de température ambiante entraîne également des variations de fréquence des oscillations engendrées.
Le dispositif doit donc avantageusement être utilisé dans une enceinte thermostatée, et les tensions d'alimentation du cristal et de la source lumineuse doivent être également stabilisées.
Un tel dispositif peut comporter par exemple une source de lumière blanche ayant une température de l'ordre de 20000C per- mettant d'obtenir un flux lumineux de l'ordre de,0,5 à 0,6 milli- watts par mm2 de face cristalline irradiée.
Les contacts assurant la liaison entre le cristal et la source de courant continu sont réalisés en prévoyant sur chacune 'des faces extrêmes dudit cristal un dépôt constitué de préférence par deux couches superposées, à savoir une couche d'indium déposée directement sur le cristal et une deuxième couche constituée par un eutectique indium-gallium, de façon à éviter tout effet de re- dressement susceptible de nuire au passage des oscillations HF que l'on veut recueillir, en vue de les utiliser par exemple pour réa- liser un asservissement de haute précision..
Le dessin ci-joint représente à titre d'exemples non limi tatifs, divers modes de réalisation de l'objet de l'invention.
La fig. 1 est une représentation schématique montrant les positions respectives d'un cristal du type précité et d'un cache se déplaçant parallélemant à ce cristal.
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La fig. 2 est un schéma électrique montrant l'alimenta- tion en courant continu dudit cristal et le circuit permettant de recueillir les 'oscillations de fréquence variable engendrées dans ce cristal.
La fig. 3 est une représentation schématique d'un dispo- .sitif permettant l'irradiation d'un cristal en lumière blanche à partir d'un filament enfermé dans une enceinte étanche à l'inté- rieur de laquelle on fait le vide.
La fig. 4 est une variante de la fig. 3 utilisant un flux lumineux parallèle émis en lumiàre verte ou de longueur d'onde inférieure, par des diodes électrolumirescentes, ledit faisceau étant dirigé perpendiculairement au plan de l'hexagone du réseau cristallin.
La fig. 5 est une variante représentant schématiquement un cristal alimenté en courant continu et relié d'un côté à la terre, de l'autre à une source de courant haute tension, une face longitudinale de ce cristal étant attaquée par un pinceau de lu- miére parallèle.
La Fig. 6 est une représentation schématique suivant la variante représentée sur la fig. 5 correspondant à une mesure de déplacements longitudinaux d'un cadre mobile comportant une fente éclairée laissant passer un pinceau lumineux.
La Fig. 7 est une représentation schématique suivant la même variante correspondant au cas d'un pinceau lumineux se réflé- chissant sur un miroir tournant et venant attaquer une face cris- talline à irradier en un point variable longitudinalement.
La Fig. 8 est une représentation schématique suivant la même variante d'un dispositif de mesure de la variation d'indice ,de réfraction d'un liquide contenu à l'intérieur d'un tube trans- parent. '
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La Fig. 9 est une représentation schématique comparabie à la fig. 8 mais correspondant au cas où ledit liquide est compris entre deux lames transparentes parallèles maintenues à un écarte- ; ment constant.
On voit sur la fig. 1 que le cristal semiconducteur 1 comporte deux longs côtés parallèles 2 ayant par exemple une longueur de l'ordre de 5 mm, la largeur de ce cristal entre les deux côtés -
2 étant de l'ordre de 1 mm tandis que son épaisseur est de l'ordre , de 0,5 mm.
. Le cache 3, représenté également en traits interrompus en 3a, a une largeur du même ordre que celle du cristal 1, c'est- à-dire de l'ordre de 1 mm et se déplace parallèlement aux côtés 2 précités, de façon à empêcher le flux lumineux d'atteindre la sur- face du cristal sur une portion de sa longueur qui peut être comprise par exemple entre 0,5 mm et 1 mm suivant que le cache est en position 3 ou en position 3a.
On voit que la surface éclairée du cristal est de forme rectangulaire, de même que l'écran qui se déplace parallèlement à deux côtés parallèles de ce rectangle.
On a constaté que, du côté de l'électrode négative reliée à la masse, il y avait intérêt à réaliser une concentration du flux continu facilitant l'amorçage des oscillations HF.
La fig. 1 représente une troncature permettant d'obtenir cette concentration. Cette troncature est de l'ordre de 10 % dans les deux dimensions.
D'autres dispositions analogues peuvent naturellement être utilis4es, afin que le cristal présente une diminution de sec- tion au voisinage du contact relié au pôle négatif de la source de tension.
' Sur le schéma de la fig. 2, le flux lumineux d'irradia-
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tion correspondant aux flèches parallèles 4 a été représenté comme perpendiculaire à la face du cristal 1, mais il n'est pas indispen sable d'éclairer le cristal en lumière parallèle.
Le criçstal 1 est enchâssé dans une embase isolante 5 pou- vant être en oxyde de béryllium.
Le contact 6 de liaison à l'électrode négative estcon- stitué, comme le contact 7 de liaison à l'électrode positive par deux couches superposées d'indium et d'un eutectique indium- gallium.
Les conducteurs de liaison 8 et 9 à la source de courant continu sont noyés dans l'embase isolante 5.
Deux résistances réglables 10 et 11 sont insérées entre les deux pâles positif et négatif de ladite source de courant con- tinu, comme on l'a déjà indiqué.
Le pôle négatif de la source 11 est relié à la terre et le réglage des deux résistancesio et 11 permet d'adapter l'impé- dance HF du circuit d'utilisation à celle de la source de courant continu 12, source constituée par un transformateur 13 et un en- semble de cellules redresseuses 14 montées en pont.
Sur la fig. 3, on retrouve l'embase en béryllium 5 et le cristal 1.
'embase en béryllium est munie à sa base d'ailettes 15. pour l'évacuation thermique des calories engendrées par le passa- ge des différents courants continu et HF dans le cristal précité.
Au-dessus de ce cristal est prévue, une enceinte étanche 16, limitée sa partie supérieure par le miroir 17 qui sert à con-
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centrer lu., .." ;.'ons eNis par le filament 18 sur la surface du ciisl
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tal se@@@@eur 1.
On fait le vide à l'intérieur de l'enceinte 16,, et, de plus, on prévont une régulation de la température du cristal 1,
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par exemple en faisant varier, à partir 4'un thermostat, le débit d'un fluide de refroidissement en contact avec les ailettes 15.
Il est bien entendu nécessaire de régler avec précision la valeur de la tension d'alimentation du filament 18, de même que celle de la tension continue fournie, par la source de courant 12.
Si l'on se reporte maintenant à la fig. 4, en voit qu'un flux lumineux parallèle de lumière verte ou de longueur d'onde in- férieure, correspondant auxflèches 19 est émis par une diode élec- troluminescente polarisée 20 du type p.n.
Il suffit alors de prévoir un flux de l'ordre de 0,1 millivatt par mm2 de face cristalline irradiée.
L'effet photoconducteur d'un tel cristal est très net, puisque sa résistance est approximativement cent fois plus forte lorsqu'il n'est pas éclairé, que lorsqu'il est éclairé par un flux lumineux correspondant aux Valeurs indiquées plus haut.
De plus, la fréquence des oscillations-engendrées dans un tel cristal peut varier du simple au double pour un déplacement de
0,5 mm dudit cache optique, par exemple de 0,5M Hz à 1 M Hz.
Comme il est possible, à l'heure actuelle, de détecter aisément des variations de fréquence inférieures à 1 Hz pour des fréquences de l'ordre de 1 M Hz il devient possible de mesurer des déplacements de l'ordre de 2/1000 de micron pouvant correspondre à des phénomènes de dilatation par exemple, ou de déformation d'uns membrane ou d'une paroi d'enceinte faiblement élastique.
On voit sur la fig. 5 qu'un cristal 1 orienté de la même façon que sur la fig. 1, irradie sur une faible longueur correspon- dant à une largeur de pinceau lumineux de 3/10 de mm environ pour un cristal ayant une longueur de 5 mm et les' mêmes cara'ctéristi- ques que celles indiquées précédemment.
'On a désigné par X la distance du milieu du pinceau lumi-
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neux à l'électrode reliée à la terre, du côté de la troncature du- dit cristal.
Pour une variation de 4,1 à 2,95 mm de X, et pour une ten- sion d'alimentation de courant continu de ce cristal égale à 1000 volts, la fréquence des oscillations engendrées dans le cristal va- rie linéairement de 275 à 500 KHz.
Comme on peut détecter sans difficulté une variation de
1 Hz, il devient possible de mesurer aisément des déplacements du point d'attaque du pinceau lumineux sur ladite face cristalline égaux à 5/1000 de micron, précision largement suffisante pour la plupart des mesures à effectuer.
Bien entendu, ces mesures ont été faites en orientant constamment,le pinceau lumineux perpendiculairement à la face irradiée.
On verra cependant, à propos des fig. 6 à 9, que, dans certains cas, le pinceau lumineux peut attaquer la face irradiée obliquement, une correction pouvant alors être nécessaire pour mesurer soit un angle de rotation de miroir tournant, soit un coef- ficient lié à la rotation d'un pinceau lumineux, tel que l'indice de réfraction variable d'un liquide traversé par ce pinceau.
On a désigné, sur le dessin, par les mêmes nombres de référence que sur la fig. 1 le cristal lui-même, ses côtés paral- lèles et l'électrode reliée à la terre.
Si l'on se reporte maintenant à la fig. 6. on retrouve l'équivalent d'un cache désigné par le nombre de référence 3b; mais au lieu de prévoir ce cache en face de'l'extrémité non tronquée du cristal, et une irradiation totale de la partie avant du cristal non couverte par le cache, le faisceau de lumière parallèle corres- pondant aux flèches cache, limité à un simple pinceau lumineux dont une fraction passe à travers une fente 21 et peut attaquer en 22 la
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face du cristal 1 en sulfure de cadmium que l'on veut irradier.
Dans une telle application, on se borne à des déplace- , ments du cadre mobile constitué par le cache 3b qui ne dépassent guère 1 mm au total et on obtient des oscillations de fréquence va- riable linéairement entre les valeurs susindiquées, c'est-à-dire entre 275 et 500 KHz.
Dans le cas de la fig.. 7, le pinceau lumineux est d'abord,.. réfléchi sur un miroir tournant 23, et la faible rotation de ce mi- roir permet par exemple de,déplacer le point d'attaque du pinceau lumineux sur le cristal 1, de 22 à 22a.
Lorsque l'angle de rotation du miroir 23 est très faible, on peut, avec une approximation suffisante, admettre que la fré- quence engendrée dans le cristal 1 varie linéairement en fonction de l'angle du miroir 23 par rapport à une direction fixe.
En tout état de cause, un étalonnage plus précis est tou- jours possible, pour convertir les mesures de fréquence des oscil- lations engendrées dans le cristal en variations angulaires de la position du miroir 23.
Cette nécessité éventuelle d'étalonnage de l'appareil existe également dans le cas de la fig. 8,, où le pinceau lumineux traverse un liquide contenu dans un tube transparent 24,, et où la variation d'indice de réfraction dudit liquide se traduit par une variation du point d'attaque du cristal 1, variation qui ne reste proportionnelle à la variation d'indice de réfraction que dans des limites relativement étroites.
On remarquera, que, dans le cas de la fig. 9, la distance entre les faces internes des deux plaques 25 est maintenue constan- te par des entretoises appropriées 26, de telle façon que la va- riationde fréquence des oscillations engendrées dans le cristal 1 ne dépende pas de cette distance.
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Sur les fig. 8 et 9, comme sur la fige 7, les points d'attaque des pinceaux lumineux sur le cristal 1 sont désignés par les nombres de référence 22 et 22a.
On voit, en particulier sur la fig. 9, que, dans la posi- tion 22, l'indice de réfraction du liquide logé entre les deux plaques 25 a été supposé être égal à celui de l'air, tandis que dans la position 22a cet indice de réfraction est plus élevé.
Le faisceau lumineux 27 représenté en traits pleins sur la fig. 8 correspond également à un liquide ayant un indice de ré- fraction sensiblement égal à celui de l'air, tandis que le faisceau lumineux 27a représenté en traits interrompus correspond à un in- dice de réfraction plus élevé, bien qu'inférieur à celui du ma- tériau transparent constituant le tube 24.
Des comparateurs utilisant le dispositif suivant l'in- vention, notamment ceux qui sont représentés dans les fig. 1 à 4, permettent donc de détecter et de mesurer des déplacements de l'ordre de quelques millièmes de micron, alors que les comparateurs de types classiques ne permettent de mesurer que des déplacements au moins égaux de 1/10 de micron.
On peut utiliser également de tels comparateurs pour détecter et mesurer des déplacements alternatifs, tels que ceux dus à des contraintes périodiques ou à des vibrations.
On peut enfin utiliser le dispositif pour réaliser des asservissements de haute précision en utilisant des montages élec- troniques appropriés susceptibles de convertir les très faibles déplacements dudit cache optique que l'on peut tolérer lorsque l'asservissement est convenablement réalisé, en variations d'une grandeur de type approprié, susceptible-de compenser les déplace- ; ments us grands du cache précité qui seraient obtenus en l'ab- @ sence d'asservissement.
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S'il s'agit de déplacements causes par la dilatation; on peut convertir par exemple les variations de fréquence ou varia- tiens de débit d'un fluide servant à refroidir l'objet dont on veut contrôler la dilatation.
On peut utiliser également les comparateurs établis con- formément 'audit procédé, comme séismographes pour la mesure'de pe- tites secousses telluriques, en employant, de façon connue en soi des pendules de grande inertie incapables de suivre les secousses telluriques à la vitesse de ces secousses, et supportant le cris- tal semiconducteur précité, tandis que le cache est directement' rendu solidaire du sol Soumis auxdites secousses telluriques.