FR2784456A1 - Dispositif de mesure de distance a effet magneto-optique et chaine de mesure incorporant ce dispositif - Google Patents
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Abstract
Le dispositif est destiné à mesurer la distance séparant deux pièces pouvant être déplacées l'une par rapport à l'autre par effet magnéto-optique. Il comprend un aimant permanent (1) fixé sur l'une des pièces (2) et un dispositif électro-optique (3) fixé sur l'autre pièce (4). Le dispositif électro-optique (3) comprend :- une diode émettrice (9) d'un faisceau optique (8),- un film magnéto-optique (5) à effet Faraday disposé d'une part, entre un polariseur (6) et un analyseur (7) et d'autre part, dans le champ magnétique de l'aimant (1) lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre, l'ensemble étant traversé par le faisceau optique (8),- et une diode réceptrice du faisceau optique retransmis par l'analyseur (7) pour transformer l'intensité lumineuse du faisceau en un signal électrique dont l'amplitude dépend de la distance séparant les deux pièces (2, 3) lorsqu'elles sont à proximité l'une de l'autre. Application : Contrôle de fermeture de portes d'aéronefs.
Description
La présente invention concerne un dispositif de mesure de distance à effet magnéto-optique et une chaîne de mesure incorporant ce dispositif adaptés plus particulièrement au contrôle de la fermeture des portes d'aéronefs.
La fermeture des portes dans un aéronef est actuellement signalée au poste de pilotage grâce à des micro-contacts disposés dans l'entourage des portes.
II est souvent reproché à ce dispositif de fournir une information peu fiable génératrice de fausses alarmes, celles ci étant dues le plus souvent à des dégradations mécaniques ou électriques des microcontacts eux mmes ou engendrées par des déformations de la coque de t'aéronef qui produisent un défaut d'étanchéité de la porte avec son huisserie lorsque la porte est fermée et qui diminuent la pression exercée sur les contacts.
D'autre part, le fonctionnement binaire des micro-contacts par tout ou rien, ne permet pas de renseigner le poste de pilotage et le système de pressurisation interne de l'aéronef de t'étanchéité des portes, celle-ci ne pouvant tre déterminée de façon précise qu'en mesurant tout le long du pourtour des portes les distances qui séparent en position fermée les rebords d'appui des portes sur leurs huisseries.
II peut tre envisagé pour résoudre ce problème d'utiliser des capteurs à ultra-sons ou des capteurs optiques mais la mise en oeuvre de ces capteurs nécessitent des câblages qui augmentent le devis de poids des aéronefs. A titre indicatif pour un avion long courrier, un câblage d'une cinquantaine de capteurs nécessite pas moins de 4 kms de fils ce qui augmente le devis de poids d'environ 15 kgs si des fibres optiques sont utilisées, et d'environ 36 kgs et 52 kgs si respectivement des câbles coaxiaux ou des paires blindées sont utilisés.
Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités.
A cet effet, !'invention a pour objet un dispositif de mesure de la distance séparant deux pièces pouvant tre déplacées l'une par rapport à
I'autre par effet magnéto-optique comprenant un aimant permanent fixé sur l'une des pièces et un dispositif électro-optique fixé sur l'autre pièce caractérisé en ce que le dispositif électro-optique :
-une diode émettrice d'un faisceau optique,
-un film magnéto-optique à effet Faraday disposé d'une part, entre un polariseur et un analyseur et d'autre part, dans le champ magnétique de I'aimant lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre, l'ensemble étant traversé par le faisceau optique,
-et une photo-diode réceptrice du faisceau optique retransmis par I'analyseur pour transformer l'intensité lumineuse du faisceau en un signal électrique dont I'amplitude dépend de la distance séparant les deux pièces lorsqu'elles sont à proximité l'une de t'autre.
I'autre par effet magnéto-optique comprenant un aimant permanent fixé sur l'une des pièces et un dispositif électro-optique fixé sur l'autre pièce caractérisé en ce que le dispositif électro-optique :
-une diode émettrice d'un faisceau optique,
-un film magnéto-optique à effet Faraday disposé d'une part, entre un polariseur et un analyseur et d'autre part, dans le champ magnétique de I'aimant lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre, l'ensemble étant traversé par le faisceau optique,
-et une photo-diode réceptrice du faisceau optique retransmis par I'analyseur pour transformer l'intensité lumineuse du faisceau en un signal électrique dont I'amplitude dépend de la distance séparant les deux pièces lorsqu'elles sont à proximité l'une de t'autre.
L'invention a également pour objet, une chaîne de mesure de distance entre deux pièces pouvant tre déplacées l'une par rapport à l'autre caractérisé en ce qu'elle comprend un nombre déterminé N de capteurs couplés par une fibre optique unique à une diode optique émettrice et une photo-diode réceptrice, chaque capteur comprenant un aimant permanent fixé sur l'une des pièces et un dispositif électro-optique comprenant :
-un film magnéto-optique à effet Faraday disposé d'une part, entre un polariseur et un analyseur et d'autre part, dans le champ magnétique de I'aimant lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre,
-et une fibre optique de longueur déterminée et différente pour chaque capteur couplée par une première extrémité à t'entrée du polariseur et la sortie de I'analyseur, et couplée par sa deuxième extrémité, par l'intermédiaire d'un coupleur optique, à une première extrémité de la fibre optique unique de couplage des N capteurs à la diode photo-émettrice et à la photo-diode réceptrice (15), la deuxième extrémité de la fibre optique unique étant couplée à la diode émettrice et à ia photo-diode réceptrice.
-un film magnéto-optique à effet Faraday disposé d'une part, entre un polariseur et un analyseur et d'autre part, dans le champ magnétique de I'aimant lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre,
-et une fibre optique de longueur déterminée et différente pour chaque capteur couplée par une première extrémité à t'entrée du polariseur et la sortie de I'analyseur, et couplée par sa deuxième extrémité, par l'intermédiaire d'un coupleur optique, à une première extrémité de la fibre optique unique de couplage des N capteurs à la diode photo-émettrice et à la photo-diode réceptrice (15), la deuxième extrémité de la fibre optique unique étant couplée à la diode émettrice et à ia photo-diode réceptrice.
Suivant un autre mode possible de mise en oeuvre de l'invention on pourra utiliser pour la réalisation d'un capteur un film magnéto-optique disposé entre le polariseur et un miroir de renvoi du faisceau émis par la diode émettrice sur le polariseur, le miroir de renvoi et le polariseur ayant le rôle d'analyseur.
Le dispositif selon l'invention a pour avantage de ne mettre en oeuvre que des éléments opto-électroniques statiques ce qui apporte une grande fiabilité aux systèmes incorporant ce dispositif.
Elle a aussi pour avantage qu'elle permet de mesurer avec une précision d'environ 1% des espacements faibles entre pièces mécaniques distantes de quelques millimètres ce qui, appliqué à un aéronef, peut permettre un contrôle efficace de son système de pressurisation en fonction des distances mesurées dans l'espace situé entre le rebord des portes et leur position d'appui sur les huisseries en vis à vis.
Appliquée à la réalisation de chaînes de mesure comportant plusieurs capteurs, l'invention a pour autre avantage qu'elle permet de n'utiliser qu'une seule fibre optique pour transmettre à distance les N informations provenant des N capteurs, ce qui présente une économie de poids appréciable. D'autre part, l'utilisation d'une fibre optique comme moyen de liaison offre aussi la possibilité de transmettre d'autres informations sur la mme fibre comme la température par exemple, ou d'intégrer sans adaptation particulière la chaîne de mesure ainsi réalisée à un réseau à fibre optique.
La chaîne de mesure selon l'invention a aussi pour avantage d'tre d'une grande fiabilité car elle permet de détecter tout disfonctionnement d'un élément de la chaîne qui se traduit soit par l'apparition d'un signal parasite, soit par une amplitude anormale d'un signal.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront dans la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent :
La figure 1 un schéma de principe d'un dispositif de mesure de distance selon l'invention,
La figure 2 un premier exemple de mise en oeuvre de dispositifs selon l'invention permettant de compenser les variations de sensibilité des différents éléments composant chaque dispositif en fonction de la température.
La figure 1 un schéma de principe d'un dispositif de mesure de distance selon l'invention,
La figure 2 un premier exemple de mise en oeuvre de dispositifs selon l'invention permettant de compenser les variations de sensibilité des différents éléments composant chaque dispositif en fonction de la température.
La figure 3 une chaîne de mesure de distance mettant en oeuvre plusieurs dispositifs selon l'invention en liaison avec un dispositif d'acquisition placé à distance.
La figure 4 un mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention fonctionnant suivant le principe de la figure 1.
Le dispositif de mesure de distance qui est représenté à la figure 1 comprend un aimant permanent 1 solidaire d'une pièce mobile 2 et un dispositif électro-optique 3 solidaire d'un bâti fixe 4.
Le dispositif électro-optique 3 comprend un film magnéto-optique 5 à effet Faraday par exemple du type Y. I. G (Yttrium-Iron-Garnet) ou du type Bi-Y. I. G (Bismuth-Yttrium-lron-Garnet) couramment utilisés dans les isolateurs optiques, disposé entre un polariseur 6 et un analyseur 7. Le dispositif électro-optique 3 présente la propriété connue de produire une rotation du plan de polarisation d'un faisceau lumineux qui le traverse parallèlement à la direction du champ magnétique qui est appliqué sur le film par 1'aimant 1. L'angle de rotation a obtenu obéit à la loi connue de
Vernet, cet angle est proportionnel à I'épaisseur I du film magnétooptique 5, à l'intensité H du champ magnétique appliqué par I'aimant 1, et à une constante V dite constante de Verdet selon la relation :
a=V. H. L (1)
Après traversée de l'ensemble polariseur, film magnéto-optique et analyseur, I'intensité transmise It vaut :
IT = lo cos2a (2) où lo est l'intensité initiale. Naturellement la relation (2) n'est vraie que si les axes de polarisation du polariseur et de l'analyseur sont parallèles et que les transmissions des différents éléments sont parfaites, c'est à dire égales à 1.
Vernet, cet angle est proportionnel à I'épaisseur I du film magnétooptique 5, à l'intensité H du champ magnétique appliqué par I'aimant 1, et à une constante V dite constante de Verdet selon la relation :
a=V. H. L (1)
Après traversée de l'ensemble polariseur, film magnéto-optique et analyseur, I'intensité transmise It vaut :
IT = lo cos2a (2) où lo est l'intensité initiale. Naturellement la relation (2) n'est vraie que si les axes de polarisation du polariseur et de l'analyseur sont parallèles et que les transmissions des différents éléments sont parfaites, c'est à dire égales à 1.
Dans le cas où la lumière effectue un aller retour en passant une fois dans un sens aller et une fois dans un sens retour au travers du film magnéto-optique, I'angle de rotation du faisceau s'en trouve doublé, ce qui augmente la sensibilité.
Une diode photo-émettrice 9 du type électroluminescente ou Laser par exemple, émet un faisceau 8 de lumière de longueurs d'ondes compatibles des films magnéto-optiques (de 1300 nm et 1550 nm par exemple), en direction d'une photo-diode réceptrice 10. Le faisceau 8 traverse le polariseur 6 et ressort de ce dernier après avoir traversé successivement le film magnéto-optique 5 et l'analyseur 7. La photodiode réceptrice 10 est couplée à un dispositif électronique de traitement 11 par l'intermédiaire d'un câble de liaison 12.
L'aimant permanent 1 induit à l'intérieur du film magnéto-optique 5 des lignes de champ magnétique H dont l'intensité dépend de la distance qui sépare I'aimant du dispositif électro-optique 3.
Lorsque la lumière polarisée qui est issue de la diode émettrice 9 traverse le film magnéto-optique 5, son plan de polarisation tourne de l'angle a dont la valeur est fonction de l'intensité H du champ magnétique et par conséquent de la distance qui sépare I'aimant 1 du dispositif électro-optique 3. L'intensité lumineuse du faisceau de lumière qui sort de I'analyseur 7 dépend aussi de l'angle de rotation a du plan de polarisation, sa valeur est convertie en une grandeur électrique qui est transmise au dispositif de traitement 11. Ce dernier détermine en fonction de la grandeur électrique qu'il reçoit la distance qui sépare l'objet mobile 2 du bâti 4.
Le mode de réalisation de la figure 2 tient compte des variations de sensibilité des différents éléments composant le dispositif électro-optique 3 en fonction de la température. Ce mode de réalisation met en oeuvre deux dispositifs électro-optiques 31 et 32.
Sur la figure 2 les éléments homologues à ceux de la figure 1 portent les mmes références affectées cependant d'un indice égale à 1 ou 2 pour indiquer leur appartenance à l'un ou l'autre des modules 31 et 32.
A la différence du dispositif de la figure 1, chacune des deux diodes émettrices 91 et 92 émet en direction des deux photo-diodes réceptrices 101 et 102. Dans les relations qui suivent A et B désignent les photodiodes émettrices 91 et 92 et C et D désignent les photodiodes réceptrices 101 et 102.
Le séquencement du dispositif est le suivant.
Dans un premier temps seul t'émetteur 91 est activé et les photodiodes réceptrices reçoivent donc deux signaux notés SAC et SAD tels que :
SAC = KCXKAXTd
SAD= KDXKAXTd+dO
où KC, KD sont des constantes dépendant des photodiodes réceptrices 101 et 102
KA, KB sont des constantes dépendant des photodiodes émettrices, 91 et 92.
SAC = KCXKAXTd
SAD= KDXKAXTd+dO
où KC, KD sont des constantes dépendant des photodiodes réceptrices 101 et 102
KA, KB sont des constantes dépendant des photodiodes émettrices, 91 et 92.
Td, Td+do sont les facteurs de transmission des films magnéto optiques aux distances d et d+do. sparant la pièce mobile 2 du bâti 4.
Dans un deuxième temps t'émetteur 92 est activé et les photodétecteurs 101 et 102 recoivent deux signaux notés SBC et SBD tels que :
SBc=KexKcxTd
Sgp = KgXKpxTd+do
En effectuant le rapport : R (SADXSBD)/(SACXSBC) = (Td+dO)/(Td) il apparaît que R est indépendant des paramètres d'émission et de réception. La connaissance de R à partir de do permet de déduire la distance d.
SBc=KexKcxTd
Sgp = KgXKpxTd+do
En effectuant le rapport : R (SADXSBD)/(SACXSBC) = (Td+dO)/(Td) il apparaît que R est indépendant des paramètres d'émission et de réception. La connaissance de R à partir de do permet de déduire la distance d.
La chaîne de mesure à fibre optique qui est représentée à la figure 3 comprend N capteurs composés de dispositifs électro-optiques 31 3N du type de ceux représentés aux figures 1 et 2. Les N capteurs sont couplés à une unité d'acquisition 13 par l'intermédiaire d'un câble de liaison à fibre optique multimode 12. L'unité d'acquisition 13 comprend un émetteur optique 14 composé d'une diode photo émettrice de type électroluminescente ou Laser par exemple, et d'une photo diode réceptrice 15, t'ensembte étant coupté à un coupleur optique 16 en Y. Un coupleur optique 1-N 17 réalise le couplage de l'ensemble des N capteurs au câble 12.
Le fonctionnement de la chaîne de mesure est du type de celui connu sous t'abréviation anglo saxonne O. T. D. R de"Optical Time Domain Reflectometer". Dans le cadre de la figure 3 l'émetteur 14 émet une impulsion lumineuse très brève de quelques nanosecondes par exemple, et très intense sur le câble 12 par l'intermédiaire du coupleur 16. Cette impulsion est appliquée à t'entrée du coupleur 17 où elle est séparée en N impulsions d'intensités égales. Chacune des N impulsions est à un dispositif électro-optique 31 à 3N.
Une mise en oeuvre d'un dispositif électro-optique appliquée à ce mode de fonctionnement est montré à la figure 4. Suivant ce mode de réalisation chaque capteur comprend un film magnéto-optique 5i compris entre un miroir de renvoi 19 et un polariseur 6j qui fait également office d'analyseur. Une lentille 20 est interposée entre une première extrémité d'une bobine 18 de fibre optique et le polariseur 6i. La fibre optique enroulée sur la bobine 18 possède une longueur qui dépend du numéro d'ordre du capteur sur lequel elle est montée. A titre d'exemple, on pourra choisir que le premier capteur comprenne une fibre optique de L mètres de long, le deuxième en contienne 2L mètres etc...... et le Nieme en contienne une longueur de NL mètres. Cette disposition permet à chaque capteur, de réfléchir la lumière avec une intensité lumineuse dont l'amplitude est représentative de la proximité de I'aimant 1 avec le dispositif électro-optique qui lui est associé. De la sorte le coupleur 17 recoit, après le passage des impulsions dans les N capteurs, N impulsions réfléchies décalées temporellement et dont les amplitudes sont représentatives des différentes proximités. Afin d'étalonner les amplitudes réfléchies, un des capteurs comprenant un dispositif électrooptique 3j est désigné pour servir de référence et fournir une valeur de distance de proximité constante.
Les N impulsions repassent successivement par le câble optique de liaison 12 et le coupleur 16 pour parvenir à la photo-diode réceptrice 15. Le dispositif de traitement 11 analyse ensuite les amplitudes des N signaux obtenus en sortie de la photo-diode réceptrice 15 afin de les transformer en valeur de proximité.
Suivant encore un autre mode de réalisation de l'invention, les polariseurs peuvent tre remplacés en utilisant des fibres optiques monomodes à maintien de polarisation à la place de fibres multimodes. ll est nécessaire dans ce cas d'utiliser une source émettrice de lumière polarisée, et de placer un analyseur à la réception devant la diode réceptrice.
Claims (11)
1-Dispositif de mesure de la distance séparant deux pièces pouvant tre déplacées l'une par rapport à l'autre par effet magnétooptique comprenant un aimant permanent (1) fixé sur l'une des pièces (2) et un dispositif électro-optique (3) fixé sur l'autre pièce (4) caractérisé en ce que le dispositif électro-optique (3) comprend :
-une diode émettrice (9) d'un faisceau optique (8),
-un film magnéto-optique (51 à effet Faraday disposé d'une part, entre un polariseur (6) et un analyseur (7) et d'autre part, dans le champ magnétique de I'aimant (1) lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre, I'ensemble étant traversé par le faisceau optique (8),
-et une diode réceptrice du faisceau optique retransmis par l'analyseur (7) pour transformer l'intensité lumineuse du faisceau en un signal électrique dont I'amplitude dépend de la distance séparant les deux pièces (2,3) lorsqu'elles sont à proximité l'une de l'autre.
2-Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend un deuxième dispositif électro-optique (32) identique au premier (31), et en ce que les faisceaux (8) des diodes émettrices éclairent les photo-diodes réceptrices (101, 102) des deux dispositifs optoélectroniques (31, 32) au travers des deux films magnéto-optiques (51, 52) et de polariseurs (61, 62)/analyseurs (71, 72) associés.
3-Dispositif selon l'une quelconques des revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le film magnéto-optique (5 ; 51, 52) est disposé entre le polariseur (6) et un miroir de renvoi (19) du faisceau émis par la diode laser (9) après sa traversé du polariseur (6), le miroir de renvoi (19) et le polariseur (6) jouant le rôle d'analyseur.
4-Utilisation du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 au contrôle de la fermeture de portes d'aéronefs.
5-Chaîne de mesure de distance entre deux pièces pouvant tre déplacées l'une par rapport à l'autre caractérisé en ce qu'elle comprend un nombre déterminé N de capteurs couplés par une fibre optique unique (12) à une diode optique émettrice (14) et une photo-diode réceptrice (15), chaque capteur comprenant un aimant permanent (11.... 1N) fixé sur l'une des pièces et un dispositif électro-optique (31... 3N) comprenant :
-un film magnéto-optique à effet Faraday (5) disposé d'une part, entre un polariseur (6) et un analyseur (7) et d'autre part, dans le champ magnétique de I'aimant (1) lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre,
-et une fibre optique (18) de longueur déterminée et différente pour chaque capteur couplée par une première extrémité à t'entrée du polariseur (6) et la sortie de l'analyseur (7), et couplée par sa deuxième extrémité, par l'intermédiaire d'un coupleur optique (17), à une première extrémité de la fibre optique unique (12) de couplage des N capteurs à la diode photo-émettrice (14) et à la photo-diode réceptrice (15), la deuxième extrémité de la fibre optique unique (12) étant couplée à la diode émettrice (14) et à la diode électro-optique réceptrice (15).
6-Chaîne de mesure selon la revendication 5 caractérisée en ce que le film magnéto-optique (5) d'un capteur est disposé entre le polariseur (6i) et un miroir de renvoi (19) du faisceau émis par la diode émettrice (14) sur le polariseur (6i), le miroir de renvoi (1 9) et le polariseur (6i) ayant le rôle d'analyseur.
7-Chaîne de mesure selon l'une quelconque des revendications 5 et 6 caractérisé en ce que les longueurs des fibres optiques (18) des capteurs sont toutes différentes les unes des autres, afin de séparer les signaux émis par chaque dispositif électro-optique (31 3N) en réponse à un signal d'excitation unique émis par la diode laser émettrice (14).
8-Chaîne de mesure selon la revendication 7 caractérisée en ce que les longueurs des fibres optiques sont choisies pour tre proportionnelles d'un nombre entier à la longueur L de la fibre optique (18) du premier capteur.
9-Chaîne de mesure selon l'une quelconque des revendications 5 à 8 caractérisée en ce que un des capteurs est désigné pour servir de référence en donnant une valeur de distance de proximité constante.
10-Chaine de mesure selon l'une quelconque des revendications 5 à 9 caractérisée en ce que les polariseurs sont remplacés par l'utilisation de fibres optiques monomodes à maintien de polarisation à la place de fibres multimodes et par l'utilisation d'une source émettrice de lumière polarisée et d'un analyseur disposé à la réception devant la diode réceptrice.
11-Utilisation de la chaîne de mesure selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 au contrôle de la fermeture des portes d'aéronefs.
Priority Applications (6)
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| JP2000576236A JP2002527728A (ja) | 1998-10-09 | 1999-10-08 | 磁気光学効果距離測定装置と該装置を組み込んだ測定設備 |
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