WO2006018539A1 - Capteur elementaire ou global de chocs a base de fibre optiques et procede de conception et de realisation d'un tel capteur - Google Patents

Capteur elementaire ou global de chocs a base de fibre optiques et procede de conception et de realisation d'un tel capteur Download PDF

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Ayoub Chakari
Patrick Meyrueis
Sylvain Fischer
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Universite de Strasbourg
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Universite de Strasbourg
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Definitions

  • the present invention relates to a multimode optical fiber elementary sensor for detecting shocks and measuring the deformation of the outer surface of the system.
  • the invention aims in particular the automotive field and in particular application to bumpers of motor vehicles for the detection and characterization of a shock with a pedestrian in order to trigger appropriate shock-absorbing actions.
  • the sensor be able to characterize the shock relatively accurately, i.e. to give the intensity and location of the shock.
  • Such characterization allows the operating system to trigger the safety devices optimally, adapting the system response to the characteristics of the shock. It can thus for example select certain parts of the device according to the shock zone and / or the size of the pedestrian (adult, child ...), adjust the intensity of their response and avoid nuisance tripping.
  • the impact sensor must also be able to withstand the severe conditions imposed by the automotive environment (vibration, heat, humidity %) without the reliability of its indications being affected.
  • the shock sensor according to the invention perfectly meets all these requirements. In addition, it is inexpensive. Its manufacture and its implementation on the vehicle are simple. Its service life is relatively long and it requires only limited maintenance and adjustment adjustments or recalibration infrequent. For all these reasons, it can very advantageously be integrated with a car bumper.
  • the shock sensor according to the invention is not limited to such an application and can be used in any system in which an impact must be detected and / or in which the deformations related to an impact must be measured and analyzed.
  • the sensor according to the invention in the safety system of machine tools, construction machinery or self-guided objects, in transport containers, for monitor the deformations of sensitive areas of boat hulls or aircraft cabins, or for any other application in a vehicle or industry envisaged by those skilled in the art.
  • the sensor must obviously meet different criteria and have a sensitivity and dynamic variables depending on the case.
  • the production method according to the invention advantageously makes it possible to determine the various constituent parameters of the sensor in order to obtain an optimized sensor, perfectly adapted to the application for which it is intended.
  • the sensor according to the invention uses this principle based on the deformation in case of impact of a multimode optical fiber which has distributed curvatures and by detecting the variation during the shock of the light intensity transmitted by this curved optical fiber. distributed.
  • the invention teaches an elementary sensor for detecting and measuring mechanical shocks and deformations of the outer surface of the structure on which it is mounted or to which it is integrated, which comprises a fiber-sensitive part. optical and a functional part.
  • Its sensitive part comprises a deformable support, one side of which is applied to the structure to be monitored and the other side of which receives directly or through a thickness of buffer material the shock or shocks to be detected or whose intensity is to be measured and which has a network of through perforations.
  • An optical fiber is threaded successively into each of these perforations passing alternately from one side to the other of the support in the manner of a weaving, thus forming a number of curvatures distributed over its length.
  • the curvatures of the optical fiber are separated by neutral zones located between the perforations, in which the optical fiber remains substantially rectilinear.
  • the functional part of this sensor comprises a light source connected to one end of the optical fiber so as to inject a light beam, a measurement detector placed at the other end of the optical fiber to detect the light intensity. transmitted by the optical fiber, and a signal processing assembly which makes it possible to detect an impact and to measure its intensity, but also to calculate the thickness variation of the support generated by the shock and thus to determine the amplitude of the deformation. of the structure on which the sensor is mounted.
  • Figure 1 is a schematic top view of an elemental shock sensor according to the invention
  • Figure 2 is a top view of the sensitive portion of an elemental shock sensor according to the invention
  • Figure 3 is a longitudinal sectional view of the sensitive portion of an elemental shock sensor according to the invention.
  • FIG. 4 is a diagrammatic view in longitudinal section of a portion of the sensitive part of an elementary shock sensor, making it possible to model the operation of the sensor according to the invention
  • FIG. 5 is a simplified view obtained from that of Figure 4, for modeling the operation of the sensor according to the invention.
  • FIG. 6 is a schematic view of a network of elementary shock sensors forming a global shock sensor according to a first variant of the invention;
  • FIG. 7 is a schematic view of a network of elementary shock sensors forming a global shock sensor according to a second variant of the invention.
  • Figure 8 is a schematic longitudinal sectional view of a car bumper equipped with a global shock sensor according to the invention.
  • an elementary shock sensor 1 according to the invention. It comprises a sensitive part 2 also called a transducer which has been enlarged in FIGS. 2 and 3, as well as a functional part 3 grouping together the various elements necessary for the operation of the sensor 1.
  • the sensitive part or transducer 2 comprises a preferably deformable support 4 in the form of a substantially rectangular thin strip intended to be applied on a structure not shown which one wants to measure and characterize the deformations in case of shock.
  • This support 4 is made of a flexible and elastic material such as rubber or a plastic sufficiently flexible to be able to deform non-permanently when subjected to impact.
  • the support 4 has a network of perforations 5 traversing preferably transversely and for example arranged in one or two lines (s) substantially parallel to the longitudinal axis of the support strip 4.
  • An optical fiber 6 is threaded alternately and successively into each of these perforations 5 in the manner of a weaving, and thus passes above and below the support 4. This forms in the optical fiber 6 a number of curvatures 7 spread over its entire length.
  • the gap between two successive perforations 5, called no curvatures 7, is chosen so as to favor the coupling between the guided modes and the radial modes in the optical fiber 6.
  • the optical fiber 6 used for the production of the sensor 1 according to the invention is preferably of multimode type with index jump.
  • the curvatures 7 of the optical fiber 6 are separated by zones called neutral zones 8 situated between the perforations 5 and in which the optical fiber 6 remains substantially rectilinear.
  • the light losses are therefore limited to the location of the curvatures 7 and are virtually zero at the neutral zones 8 substantially rectilinear, which improves the dynamics of the sensor.
  • these neutral zones 8 it is possible to make sensors 1 with a very long sensitive portion 2 and therefore a large measuring area without the risk of extinction problem of the light signal.
  • the presence of these neutral zones 8 makes it possible to obtain a complete modeling and parameterization of the sensitive part 2 of the sensor 1 according to the invention.
  • these neutral zones 8 advantageously make it possible to adjust the sensitivity of the sensor.
  • the neutral zones 8 can be obtained by a sufficient mechanical tensioning of the optical fiber 6 and / or by flattening the optical fiber 6 by means of unrepresented cladding elements covering the upper and lower faces of the support 4 by sandwiching it.
  • the neutral zones 8 can also be obtained by a continuous or local bonding of the optical fiber 6 to the support 4.
  • the support 4 is made of a sufficiently elastic material to be able to deform under the effect of a shock without causing the breakage of the optical fiber 6.
  • the material used is chosen according to the intensity range of the shocks to be measured by the sensor 1 according to the method of designing and producing a sensor according to the invention which will be detailed later.
  • the functional part 3 of the elementary sensor 1 according to the invention comprises a light source 9 connected at one end, the input end 10, of the optical fiber 6 which injects a light beam at the input of the fiber .
  • the light source 9 is a source of any suitable nature. It may advantageously be a conventional and inexpensive visible light source, such as a light-emitting diode (LED). A laser diode for example can also be used.
  • LED light-emitting diode
  • the functional part 3 also comprises a measuring detector 11, preferably a conventional photodiode, placed at the output end 12 of the optical fiber 6 for detecting the light intensity guided by the optical fiber 6 and transmitted to its end. output 12.
  • a measuring detector 11 preferably a conventional photodiode
  • the light source 9 and the measuring detector 11 may be arranged in different ways relative to each other. They can thus be placed for example on either side of the support 4 if the optical fiber 6 follows a line substantially parallel to the longitudinal axis of the support.
  • the various elements of the functional part 3 of the sensor are preferably all together on the same side of the support 4.
  • the optical fiber 6 in this case makes a round trip along the support 4, preferably along two lines substantially parallel to the axis of the latter as shown in the various figures.
  • the measuring detector 11 converts the optical signal into an electrical signal and transmits its intensity to a signal processing unit 13.
  • the shock sensor according to the invention is designed to be used in vehicles, industrial units, or other applications for which it is subjected to conditions that are not optimal laboratory conditions. Thus, it must sometimes withstand vibrations, high temperatures or other disturbances that can cause fluctuations in the light source 9. In addition, fluctuations can also occur over time with the aging of the light source. All these fluctuations must obviously not affect the reliability and resolution of the measurements made.
  • a reference loop can preferably be implemented.
  • the light beam emitted by the light source 9 is divided so as to form a measuring beam guided by the optical fiber 6 with distributed curvatures and a reference beam led by a reference optical fiber 14 to a reference detector 15.
  • the reference detector 15 may be identical to or different from the measurement detector 11. Nevertheless, it is preferably a conventional photodiode.
  • the intensity of the reference beam picked up by the reference detector 15 is then transmitted to the signal processing unit 13 so as to eliminate, in comparison with the intensity of the measuring beam captured by the measurement detector 11, any fluctuation related to to the light source or temperature variations.
  • the signal processing assembly 13 is an electronic processing module controlling the entire sensor according to the invention. It receives and centralizes the signals coming from different detectors. It can possibly amplify them, compare them and carry out the calculations of the desired results among which: the determination of the presence of a shock, the intensity of this shock, the depression of the support or the deformation of the system on which it is mounted . Based on these results, the processing set 13 can then command the triggering of appropriate actions or be coupled to a system. independent control of such actions. It can also be associated with a results analysis system, independent or integrated with the processing unit 13, allowing it to characterize the parameters of the shock and in particular for example to determine the location and even to reconstruct the shape of the object causing this shock.
  • the operating principle of the elementary sensor 1 according to the invention consists in measuring the variations in the light intensity transmitted by the optical fiber 6, caused by the shock or the deformation due to the existence of the curvatures 7 distributed over the length of the sensitive part 2. They result from a loss of transmitted power due to the couplings between the guided modes and the ray modes in a multimode optical fiber with index jump.
  • the elementary sensor 1 of the invention responds to a mathematical modeling which will be explained below.
  • the elementary sensor 1 can be optimized for each application during its design by implementing the production method according to the invention. It can thus respond in a perfectly adapted and satisfactory manner depending on the range of shocks and deformations that can be encountered in the application in question.
  • . k ⁇ 2 ⁇ / ⁇ is the propagation wave vector
  • ON is the numerical aperture of the optical fiber
  • . r is the radius of the core of the optical fiber.
  • M N 1/2 and by the order of a mode group.
  • the propagation constant as a function of the normalized order m / M of a mode group is defined by:
  • n is the refractive index at the heart of the optical fiber.
  • the modes can be coupled to each other because of the irregularities present along the fiber.
  • the spacing between two neighboring modes is:
  • Two modes will be coupled by the presence of a perturbation, if their propagation constants are separated by a spatial frequency present in the spectrum of this perturbation.
  • a sinusoidal disturbance of wavelength ⁇ couples between them two modes whose propagation constants are separated by the spatial frequency 2 ⁇ / ⁇ of the perturbation.
  • the periodicity of the disturbance or wavelength ⁇ of the perturbation can be defined from FIGS. 4 and 5.
  • the optical fiber 6 of outside diameter d is integral with the support 4 of thickness e.
  • the optical fiber 6 remains substantially rectilinear at the level of the neutral zones 8.
  • FIG. 5 in which the neutral zones 8 have been eliminated, makes it possible to define the disturbance wavelength ⁇ as a function of the thickness e of the support and the diameter d of the optical fiber.
  • the transmission rate ⁇ t depends on the thickness e of the support 4.
  • the thickness e of the support 4 decreases, which causes a reduction in the transmission rate ⁇ t .
  • the elementary detector 1 thus makes it possible to detect an impact and to measure its amplitude by measuring the variation in the light intensity transmitted by the optical fiber. With this modeling and according to an essential characteristic of the invention, it also makes it possible to calculate the thickness variation of the support 4 and thus to determine its deformation or that of the structure on which it is mounted, by measuring the variations of the transmitted light intensity.
  • the nature and characteristics (refractive index, core radius, numerical aperture and outer diameter) of the optical fiber and the optical losses to be induced by the curvatures distributed along the optical fiber are determined. .
  • the preferential pitch of the curvatures corresponding to the maximum of the coupling of the light energy of the lower order modes to the modes of higher order which become radiant at the level of the curvatures, and therefore at the maximum, are calculated. light losses.
  • This value of preferential pitch makes it possible to deduce therefrom the distance to be provided between each perforation 5 passing through the support 4.
  • the difference chosen between two perforations 5 corresponds substantially to the value of this preferential step or does not deviate from it. more than 20%.
  • the nature and thickness of the support 4 according to the desired dynamics for the sensor.
  • the elasticity coefficient or Young's modulus of the selected support will determine the variation in thickness resulting from the application of a given force.
  • the layer of damping material preferably a layer of foam, makes it possible to transmit the shock received while damping it so that the thickness change experienced by the support 4 is less than that experienced by the layer of foam.
  • This damping is proportional to the ratio of the elasticity coefficient of the two materials (support 4 and damping layer 16).
  • the following example allows you to size a elementary shock sensor 1 whose object is to measure the intensity of the shock that is to say the force applied by the object colliding with the sensitive portion 2 of the sensor.
  • the objective of this parameterization is to optimize optical losses over the entire force dynamics to be measured [0; F max ] • This amounts to detecting the maximum optical signal (minimum optical losses) for a zero force and detecting a null signal (maximum optical losses) for a force of F max .
  • the fiber 6 is woven on a rubber support 4 so as to be curved periodically with an effective pitch of the curvatures ⁇ (that is to say without taking into account the neutral zones between the curved zones of the fiber). Resting, where e os is the initial thickness (without applied force) of the rubber support 4. The Young's modulus of this same support is F a .
  • the transducer 2 thus assembled, comprising the support 4 and the fiber 6, is completed by a layer of foam buffer material 16 whose Young's modulus is Y m and the initial thickness e Om . This complete structure forms the sensitive part of the shock sensor 1.
  • the modes of the fiber 6 are supposed to be excited beforehand equitably so that the following equations are applicable.
  • the transmission rate of the light ⁇ t through the curvature zone is then given by: _, m _ -jl ⁇ m _ ⁇ m T ' ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ONA ⁇ ⁇ " 420N (e s + d)
  • the pitch ⁇ translates the response in terms of optical losses from the transducer to the curvatures, a response that is chosen freely and which adjusts the transmission rate ⁇ t to the desired value:
  • a force F applies perpendicular to the entire surface A of the transducer (corresponding to the plane of Figures 1 and 2) and exerts on it a pressure stress corresponding to:
  • the maximum force is a dimensioning datum and the minimum thickness of the support for which the transmission rate is zero is determined by the characteristics of the fiber.
  • the sensitivity and the resolution of the sensor 1 can be increased by choosing a fiber 6 with greater numerical aperture, by increasing the initial thickness of the support 4, by decreasing the surface or the elasticity of this same support 4 or by choosing a support 4 of lower elasticity.
  • a global shock and deformation sensor by associating at least two elementary sensors 1 according to the invention.
  • the overall sensor 17 represented comprises eight elementary sensors 1 whose sensitive portions 2 have been arranged substantially aligned, following one of the other on a carrier substrate 18 thus forming the sensitive portion 19 of the overall sensor 17.
  • each of the elementary sensors 1 comprises an optical fiber 6 woven on a flexible support 4 and connected to a light source 9 by its input end 10 and to a measuring detector 11, preferably a conventional photodiode, by its output end 12.
  • all the inlet ends 11 of the different optical fibers 6 are brought together and connected to a single light source 9 via a coupler 20.
  • each of the output ends 12 of the optical fibers 6 is connected to a detector measuring 11 independent.
  • the light source 9 and the different measuring detectors 11 are preferably united on the same side of the carrier substrate 18, thus forming the functional part 21 of the overall sensor 17 according to the invention.
  • the elementary sensor 1 it is preferable, in order to overcome the potential fluctuations in the light intensity supplied by the source 9 and temperature variations, to make a reference loop using an optical fiber of reference 14 connected on one side to the light source 9 and the other to a reference detector 15.
  • the light intensities sensed by the different detectors 11 and 15 are transmitted in the form of electrical signals to a set of signal processing, not shown and preferably unique, which performs the calculations to obtain the desired results.
  • this global sensor 17 makes it possible to obtain a location of the location of the impact or deformation. Indeed, when a shock occurs, only the sensitive portions 2 of the elementary sensors 1 located in the impact zone are affected, thus allowing the signal processing assembly to locate it.
  • the characterization of the shock can even be more extensive, because by reconstructing a spatial modeling of the variations in the intensity transmitted by the different elementary sensors 1, the signal processing assembly can determine the shape of the object that caused the shock.
  • the number and size of the elementary sensors 1 and therefore their sensitive portions 2 can obviously be different from the example shown.
  • the sensitive portions 2 of the elementary sensors 1 are not necessarily aligned, but can be distributed over its entire surface in the manner of a real network or a matrix of elementary cells.
  • FIG. 7 An example of a non-aligned arrangement of the elementary sensors 1 is given with the second embodiment of a global sensor 17 according to the invention illustrated in FIG. 7.
  • This global sensor 17 comprises eighteen elementary sensors 1 whose sensitive portions 2 have been disposed offset horizontally and vertically relative to each other and form the sensitive portion 19 of the overall sensor 17, each of the elementary sensors 1 comprising an optical fiber 6 woven on a flexible support 4 and connected to a light source 9 by its input end 10 and to a measuring detector 11 by its output end 12.
  • this global sensor also comprises a reference optical fiber 14, connected on one side to the light source 9 and on the other to a detector reference 15, and disposed here at the center of the sensor.
  • Such a global sensor advantageously allows a two-dimensional location of the location of the impact where deformation. It can also, through spatial modeling of the intensity variations transmitted by the different elementary sensors 1, a determination of the shape and inclination of the object that caused the shock.
  • An elementary sensor 1 or global 17 according to the invention is for example perfectly suitable for monitoring the condition of a road vehicle bumper and can advantageously be coupled with a safety device for the protection of pedestrians.
  • FIG. 8 An example of such a preferential application of an elementary sensor 1 or global 17 according to the invention in the structure of a road vehicle bumper 22 has been represented in FIG. 8 for a global sensor 17.
  • the bumper 22 is preferably formed of several superimposed layers made from different materials.
  • first layer 23 located on the side of the vehicle and formed of a rigid plastic shell or the like which constitutes the actual bumper.
  • this first layer 23 is disposed the substrate 18 carrying the sensitive portion 19 of the overall sensor 17 according to the invention so as to be able to monitor the outer surface of the bumper 22 or at least its forward longitudinal line with respect to the vehicle.
  • a damping layer 16 preferably made from foam, the function of which has been explained above, is then attached to the outer surface of the sensitive portion 19 of the overall sensor 17.
  • a protective layer 24 covers the entire device, to protect it from the weather and various attacks it could suffer when the vehicle rolls or even when parked.
  • This protective layer 24 must be sufficiently flexible to transmit shocks and deformations to the sensor according to the invention with or without damping.

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Abstract

La partie sensible (2) du capteur de chocs (1) comprend un support déformable (4), appliqué sur la structure à surveiller et recevant les chocs directement ou par l'intermédiaire d'une couche tampon. Ce support présente un réseau de perforations traversantes, dans lesquelles une fibre optique (S) est enfilée successivement à la façon d'un tissage, créant ainsi des courbures, réparties sur sa longueur et séparées par des zones neutres (8). La partie fonctionnelle (3) du capteur comprend une source lumineuse reliée à l'extrémité d'entrée (10) de la fibre optique, un détecteur de mesure placé à son extrémité de sortie (12) et un ensemble de traitement des signaux (13) permettant de détecter un choc et de mesurer son intensité, mais également de déterminer l'amplitude de la déformation engendrée par le choc. Cette invention intéresse les fabricants de capteurs et de supports soLa partie sensible (2) du capteur de chocs (1) comprend un support déformable (4), appliqué sur la structure à surveiller et recevant les chocs directement ou par l'intermédiaire d'une couche tampon. Ce support présente un réseau de perforations traversantes, dans lesquelles une fibre optique (6) est enfilée successivement à la façon d'un tissage, créant ainsi des courbures, réparties sur sa longueur et séparées par des zones neutres (8). La partie fonctionnelle (3) du capteur comprend une source lumineuse reliée à l'extrémité d'entrée (10) de la fibre optique, un détecteur de mesure placé à son extrémité de sortie (12) et un ensemble de traitement des signaux (13) permettant de détecter un choc et de mesurer son intensité, mais également de déterminer l'amplitude de la déformation engendrée par le choc.

Description

l'
CAPTEUR ELEMENTAIRE OU GLOBAL DE CHOCS A BASE DE FIBRES OPTIQUES ET PROCEDE DE CONCEPTION ET DE REALISATION
D'UN TEL CAPTEUR
La présente invention se rapporte à un capteur élémentaire à fibre optique multimode permettant la détection de chocs et la mesure de la déformation de la surface extérieure du système.
Elle se rapporte également à un procédé de réalisation d'un capteur élémentaire de ce type, à caractéristiques optimisées en fonction de l'application à laquelle il est destiné.
Elle concerne enfin l'association d'une pluralité de tels capteurs dans un capteur global utilisé pour la détection et la caractérisation d'un choc en vue de la commande d'une action de sécurité.
L'invention vise notamment le domaine automobile et en particulier application aux pare- chocs des véhicules automobiles pour la détection et la caractérisation d'un choc avec un piéton en vue de déclencher des actions appropriées d'amortissement du choc.
En effet, de nouvelles normes sont apparues récemment, ayant pour objectif de réduire la mortalité des piétons ou la gravité des lésions occasionnées à ceux-ci ou aux autres usagers de la route non motorisés en cas de collision avec un véhicule automobile. Ces normes obligent les constructeurs à équiper leurs véhicules de dispositifs de sécurité destinés à protéger les piétons lors de la collision.
Différents dispositifs de sécurité visant à amortir le choc du corps du piéton contre le véhicule ont ainsi été imaginés par les constructeurs, tels que par exemple des sacs de sécurité gonflables, des systèmes automatique d'inclinaison du capot ou autres.
Afin de pouvoir commander automatiquement le déclenchement de ces dispositifs en cas d'accident, tout choc avec un piéton doit pouvoir être convenablement détecté au moyen d'un capteur suffisamment rapide, fiable et précis.
En plus de la simple détection du choc, il est grandement souhaitable que le capteur soit capable de caractériser le choc de manière relativement précise, c'est-à-dire de donner l'intensité et l'emplacement du choc. Une telle caractérisation permet au système d'exploitation de déclencher les dispositifs de sécurité de manière optimale, en adaptant la réponse du système aux caractéristiques du choc. Il peut ainsi par exemple sélectionner certaines parties du dispositif selon la zone du choc et/ou la taille du piéton (adulte, enfant...), régler l'intensité de leur réponse et éviter les déclenchements intempestifs.
Le capteur de chocs doit en outre pouvoir résister aux conditions sévères imposées par le milieu automobile (vibrations, chaleur, humidité...) sans que la fiabilité de ses indications en soit affectée. Le capteur de chocs selon l'invention répond parfaitement à toutes ces exigences. De plus, il est peu coûteux. Sa fabrication et sa mise en place sur le véhicule sont simples. Sa durée de vie est relativement longue et il ne nécessite qu'une maintenance limitée et des réglages de réajustement ou de recalibration peu fréquents. Pour toutes ces raisons, il peut très avantageusement être intégré à un pare-chocs de voiture.
Néanmoins, le capteur de chocs selon l'invention ne se limite pas à une telle application et peut être utilisé dans tout système dans lequel un choc doit être détecté et/ou dans lequel les déformations liées à un choc doivent être mesurées et analysées.
On peut par exemple envisager d'utiliser le capteur selon l'invention dans le système de sécurité de machines outils, d'engins de chantier ou d'objets autoguidés, dans des conteneurs de transport, pour surveiller les déformations de zones sensibles des coques de bateau ou de carlingues d'avions, ou pour toute autre application dans un véhicule ou dans l'industrie envisageable par l'homme du métier. Pour chacune de ces applications, le capteur doit évidemment répondre à des critères différents et présenter une sensibilité et une dynamique variables en fonction du cas. Le procédé de réalisation selon l'invention permet avantageusement de déterminer les différents paramètres constitutifs du capteur afin d'obtenir un capteur optimisé, parfaitement adapté à l'application à laquelle il est destiné.
Grâce à ce procédé de réalisation, on peut obtenir un capteur qui répond parfaitement au problème technique posé, mais qui en plus reste simple, facile à utiliser et peu coûteux car il ne comporte que des éléments courants et bon marché.
On sait qu'une déformation physique d'une fibre optique suite à un effort, un choc, un étirement ou tout autre sollicitation mécanique provoque une modification locale de la propagation de la lumière dans cette fibre optique. Ce phénomène existe pour toutes les fibres optiques, mais est plus important dans les fibres multimodes. Le capteur selon l'invention utilise ce principe en se basant sur la déformation en cas de choc d'une fibre optique multimode qui présente des courbures distribuées et en détectant la variation pendant le choc de l'intensité lumineuse transmise par cette fibre optique à courbures distribuées.
Pour résoudre ce problème technique, l'invention enseigne un capteur élémentaire de détection et de mesure de chocs mécaniques et de déformations de la surface extérieure de la structure sur laquelle il est monté ou à laquelle il est intégré, qui comprend une partie sensible à fibre optique et une partie fonctionnelle. l'
Sa partie sensible comporte un support déformable dont l'une des faces est appliquée sur la structure à surveiller et dont l'autre face reçoit directement ou par l'intermédiaire d'une épaisseur de matériau tampon le ou les chocs à détecter ou dont l'intensité est à mesurer et qui présente un réseau de perforations traversantes.
Une fibre optique est enfilée successivement dans chacune de ces perforations en passant alternativement d'une face à l'autre du support à la façon d'un tissage, formant ainsi un certain nombre de courbures réparties sur sa longueur.
Les courbures de la fibre optique sont séparées par des zones neutres situées entre les perforations, dans lesquelles la fibre optique reste sensiblement rectiligne.
La partie fonctionnelle de ce capteur comprend une source lumineuse reliée à l'une des extrémités de la fibre optique de manière à y injecter un faisceau lumineux, un détecteur de mesure placé à l'autre extrémité de la fibre optique pour détecter l'intensité lumineuse transmise par la fibre optique, et un ensemble de traitement des signaux qui permet de détecter un choc et de mesurer son intensité, mais également de calculer la variation d'épaisseur du support engendrée par le choc et ainsi de déterminer l'amplitude de la déformation de la structure sur laquelle le capteur est monté.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, description faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
. la figure 1 est une vue de dessus schématique d'un capteur élémentaire de chocs selon l'invention ; . la figure 2 est une vue de dessus de la partie sensible d'un capteur élémentaire de chocs selon invention ; l'l'
. la figure 3 est vue en coupe longitudinale de la partie sensible d'un capteur élémentaire de chocs selon l'invention ;
. la figure 4 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une portion de la partie sensible d'un capteur élémentaire de chocs, permettant de modéliser le fonctionnement du capteur selon invention ;
. la figure 5 est une vue simplifiée obtenue à partir de celle de la figure 4, permettant de modéliser le fonctionnement du capteur selon l'invention ; . la figure 6 est une vue schématique d'un réseau de capteurs élémentaires de chocs formant un capteur global de chocs selon une première variante de l'invention ;
. la figure 7 est une vue schématique d'un réseau de capteurs élémentaires de chocs formant un capteur global de chocs selon une deuxième variante de invention ; . la figure 8 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un pare-chocs de voiture équipé d'un capteur global de chocs selon l'invention.
Le capteur de chocs selon la présente invention va maintenant être décrit de façon détaillée en référence aux figures 1 à 8. Les éléments équivalents représentés sur les différentes figures porteront les mêmes références numériques.
Sur la figure 1, on a représenté un capteur élémentaire de chocs 1 selon l'invention. Celui-ci comporte une partie sensible 2 également appelée transducteur qui a été représentée de façon agrandie sur les figures 2 et 3, ainsi qu'une partie fonctionnelle 3 regroupant les différents éléments nécessaires au fonctionnement du capteur 1. La partie sensible ou transducteur 2 comporte un support 4 déformable préférentiellement en forme de bande mince sensiblement rectangulaire, destiné à être appliqué sur une structure non représentée dont on veut mesurer et caractériser les déformations en cas de choc.
Ce support 4 est réalisé en une matière souple et élastique telle que du caoutchouc ou une matière plastique suffisamment flexible pour pouvoir se déformer de façon non permanente lorsqu'elle est soumise à un choc.
Le support 4 présente un réseau de perforations 5 traversantes de préférence transversalement et par exemple disposées selon une ou deux ligne(s) sensiblement parallèle(s) à l'axe longitudinal de la bande support 4.
Une fibre optique 6 est enfilée alternativement et successivement dans chacune de ces perforations 5 à la façon d'un tissage, et passe ainsi au-dessus puis au-dessous du support 4. On forme ainsi dans la fibre optique 6 un certain nombre de courbures 7 réparties sur toute sa longueur. L'écart entre deux perforations 5 successives, appelé pas des courbures 7, est choisi de façon à favoriser le couplage entre les modes guidés et les modes rayonnes dans la fibre optique 6.
Afin d'optimiser ce phénomène, la fibre optique 6 utilisée pour la réalisation du capteur 1 selon l'invention est préférentiellement de type multimode à saut d'indice.
Comme on peut le voir sur la vue en coupe de la figure 3, les courbures 7 de la fibre optique 6 sont séparées par des zones appelées zones neutres 8, situées entre les perforations 5 et dans lesquelles la fibre optique 6 reste sensiblement rectiligne.
Les pertes lumineuses se limitent donc à l'emplacement des courbures 7 et sont quasiment nulles au niveau des zones neutres 8 sensiblement rectilignes, ce qui améliore la dynamique du capteur. En outre, grâce à la présence avantageuse de ces zones neutres 8, il est possible de réaliser des capteurs 1 avec une très longue partie sensible 2 et donc une grande zone de mesure sans risquer de problème d'extinction du signal lumineux. Comme on le verra par la suite, la présence de ces zones neutres 8 permet d'obtenir une modélisation et un paramétrage complet de la partie sensible 2 du capteur 1 selon l'invention. En outre, ces zones neutres 8 permettent avantageusement de régler la sensibilité du capteur.
Les zones neutres 8 peuvent être obtenues par une mise sous tension mécanique suffisante de la fibre optique 6 et/ou par un aplatissement de la fibre optique 6 au moyen d'éléments de placage non représentés venant recouvrir les faces supérieure et inférieure du support 4 en le prenant en sandwich.
Selon une variante préférentielle de l'invention, les zones neutres 8 peuvent également être obtenues par un collage continu ou localisé de la fibre optique 6 au support 4.
Le support 4 est réalisé en une matière suffisamment élastique pour pouvoir se déformer sous l'effet d'un choc sans entraîner la cassure de la fibre optique 6. Le matériau utilisé est choisi en fonction de la gamme d'intensité des chocs à mesurer par le capteur 1 selon le procédé de conception et de réalisation d'un capteur selon l'invention qui sera détaillé par la suite.
La partie fonctionnelle 3 du capteur élémentaire 1 selon l'invention comporte une source lumineuse 9 reliée à l'une des extrémités, l'extrémité d'entrée 10, de la fibre optique 6 qui injecte un faisceau lumineux à l'entrée de la fibre.
La source lumineuse 9 est une source de nature appropriée quelconque. Il peut avantageusement s'agir d'une source de lumière visible conventionnelle et peu chère, telle qu'une diode électroluminescente (LED). Une diode laser par exemple peut aussi être utilisée.
La partie fonctionnelle 3 comporte également un détecteur de mesure 11, préférentiellement une photodiode classique, placé à l'extrémité de sortie 12 de la fibre optique 6 servant à détecter l'intensité lumineuse guidée par la fibre optique 6 et transmise jusqu'à son extrémité de sortie 12.
Selon le chemin emprunté par la fibre optique 6 sur le support 4, la source lumineuse 9 et le détecteur de mesure 11 peuvent être disposés de différentes façons l'un par rapport à l'autre. Ils peuvent ainsi être par exemple placés de part et d'autre du support 4 si la fibre optique 6 suit une ligne sensiblement parallèle à l'axe longitudinal du support.
Cependant, pour des raisons pratiques d'encombrement, les différents éléments de la partie fonctionnelle 3 du capteur sont préférentiellement tous réunis du même coté du support 4. La fibre optique 6 effectue dans ce cas un aller-retour le long du support 4, de préférence selon deux lignes sensiblement parallèles à l'axe de ce dernier comme représenté sur les différentes figures. Le détecteur de mesure 11 transforme le signal optique en signal électrique et transmet son intensité à un ensemble de traitement des signaux 13.
Le capteur de chocs selon l'invention est conçu pour pouvoir être utilisé dans des véhicules, des unités industrielles, ou autres applications pour lesquelles il est soumis à des conditions qui ne sont pas des conditions optimales de laboratoire. Ainsi, il doit parfois supporter des vibrations, des températures élevées ou d'autres perturbations pouvant entraîner des fluctuations de la source lumineuse 9. En outre, des fluctuations peuvent également survenir au cours du temps avec le vieillissement de la source lumineuse. Toutes ces fluctuations ne doivent évidemment pas avoir d'incidence sur la fiabilité et la résolution des mesures réalisées.
Afin de s'affranchir des variations potentielles de l'intensité lumineuse initiale fournie par la source lumineuse 9 et des perturbations causées par les variations de température, on peut préférentiellement réaliser une boucle de référence.
Pour cela, le faisceau lumineux émis par la source de lumière 9 est divisé de manière à former un faisceau de mesure guidé par la fibre optique 6 à courbures réparties et un faisceau de référence conduit par une fibre optique de référence 14 à un détecteur de référence 15. Le détecteur de référence 15 peut être identique ou différent du détecteur de mesure 11. Néanmoins, il s'agit de préférence d'une photodiode conventionnelle.
L'intensité du faisceau de référence captée par le détecteur de référence 15 est alors transmise à l'ensemble de traitement des signaux 13 de manière à éliminer par comparaison avec l'intensité du faisceau de mesure captée par le détecteur de mesure 11 toute fluctuation liée à la source lumineuse ou aux variations de température. L'ensemble de traitement des signaux 13 est un module de traitement électronique pilotant l'ensemble du capteur selon l'invention. Il réceptionne et centralise les signaux en provenance des différents détecteurs. Il peut éventuellement les amplifier, les comparer et réaliser les calculs des résultats souhaités parmi lesquels : la détermination de la présence d'un choc, l'intensité de ce choc, l'enfoncement du support ou la déformation du système sur lequel il est monté. En fonction de ces résultats, l'ensemble de traitement 13 peut ensuite commander le déclenchement d'actions appropriées ou être couplé à un système indépendant de commande de telles actions. Il peut également être associé à un système d'analyse des résultats, indépendant ou intégré à l'ensemble de traitement 13, lui permettant de caractériser les paramètres du choc et notamment par exemple de déterminer l'emplacement et même de reconstituer la forme de l'objet ayant provoqué ce choc.
Le principe de fonctionnement du capteur élémentaire 1 selon l'invention consiste à mesurer les variations de l'intensité lumineuse transmise par la fibre optique 6, provoquées par le choc ou la déformation du fait de l'existence des courbures 7 réparties sur la longueur de la partie sensible 2. Elles résultent d'une perte de puissance transmise due aux couplages entre les modes guidés et les modes rayonnes dans une fibre optique multimode à saut d'indice.
De façon particulièrement avantageuse, le capteur élémentaire 1 de l'invention répond à une modélisation mathématique qui va être explicitée ci- dessous. Grâce à cette modélisation, le capteur élémentaire 1 peut être optimisé pour chaque application lors de sa conception en mettant en oeuvre le procédé de réalisation selon l'invention. Il peut ainsi répondre de façon parfaitement adaptée et satisfaisante en fonction de la gamme de chocs et de déformations pouvant être rencontrés dans l'application considérée.
La modélisation permettant ce paramétrage peut être démontrée de la façon suivante.
Pour une fibre optique à saut d'indice, le nombre N de modes est calculé par la relation :
Figure imgf000012_0001
Dans laquelle :
. k≈2π/λ est le vecteur d'onde de propagation, . ON est l'ouverture numérique de la fibre optique, et . r est le rayon du coeur de la fibre optique.
On définit alors le nombre de groupes de modes par M = N1/2 et par m l'ordre d'un groupe de mode.
La constante de propagation en fonction de l'ordre normalisé m/M d'un groupe de mode est définie par :
Figure imgf000013_0001
où n est l'indice de réfraction au coeur de la fibre optique.
Les modes peuvent être couplés les uns aux autres à cause des irrégularités présentes le long de la fibre. L'espacement entre deux modes voisins est :
Figure imgf000013_0002
Deux modes seront couplés par la présence d'une perturbation, si leurs constantes de propagation sont séparées par une fréquence spatiale présente dans le spectre de cette perturbation. Une perturbation sinusoïdale de longueur d'onde Λ couple entre eux deux modes dont les constantes de propagation sont séparées par la fréquence spatiale 2π/Λ de la perturbation.
Il existe une valeur de la périodicité Λ des perturbations pour laquelle le couplage entre les modes est maximal. En effet, il suffit que la différence entre leur constante de propagation βm et βm+1 soit égale à une fréquence spatiale présente dans le spectre des perturbations :
Figure imgf000013_0003
En considérant l'expression de l'espacement
Δβ entre les modes, on obtient :
4l*ONJmλ 2π n*r \MJ Λ
Figure imgf000014_0001
Pour le capteur élémentaire 1 selon l'invention, on peut définir la périodicité de la perturbation ou longueur d'onde Λ de la perturbation à partir des figures 4 et 5.
Comme on peut le voir sur la figure 4, la fibre optique 6 de diamètre extérieur d est solidaire du support 4 d'épaisseur e. La fibre optique 6 reste sensiblement rectiligne au niveau des zones neutres 8.
De ce fait, les zones neutres 8 induisent des pertes complémentaires absolument négligeables par rapport aux pertes provoquées par les courbures 7. Ces zones neutres linéaires 8 peuvent donc être négligées dans le calcul.
La figure 5, sur laquelle les zones neutres 8 ont été éliminées, permet de définir la longueur d'onde de perturbation Λ en fonction de l'épaisseur e du support et du diamètre d de la fibre optique.
Comme OO'=e+d, on obtient directement :
Λ=2*OO'=2*(e+</)
Ainsi le taux de couplage m/M et le taux de transmission τt sont définis pour le capteur élémentaire 1 selon l'invention par :
Figure imgf000014_0002
et
Figure imgf000014_0003
On observe ainsi que le taux de transmission τt dépend de l'épaisseur e du support 4. En cas de choc sur la partie sensible 2 du capteur élémentaire 1 selon l'invention, l'épaisseur e du support 4 diminue, ce qui entraîne une diminution du taux de transmission τt. Plus l'impact est fort, plus l'épaisseur e diminue et plus le taux de transmission τt diminue également.
Le détecteur élémentaire 1 permet ainsi de détecter un choc et de mesurer son amplitude par la mesure de la variation de l'intensité lumineuse transmise par la fibre optique. Grâce à cette modélisation et selon une caractéristique essentielle de l'invention, il permet également de calculer la variation d'épaisseur du support 4 et donc de déterminer sa déformation ou celle de la structure sur laquelle il est monté, en mesurant les variations de l'intensité lumineuse transmise.
Grâce à cette modélisation, on peut également définir un procédé inventif de conception et de réalisation d'un capteur de chocs et de déformations parfaitement adapté à l'application visée, selon lequel on choisit les caractéristiques de la fibre optique 6, du support 4 et le pas des courbures 7 en fonction de la sensibilité et de la dynamique du capteur à obtenir et des équations suivantes :
Figure imgf000015_0001
et
*j2.π.r.n r, =1—
ON*2(e+d)
Pour chaque application, on procède de la façon suivante. On commence par définir la sensibilité et la dynamique que le capteur selon l'invention devra présenter. Ce choix s'effectue en fonction de la gamme d'intensité des chocs et déformations que le capteur sera susceptible de rencontrer et qu'il devra mesurer dans l'application concernée et en tenant compte de la précision de mesure nécessaire pour cette application.
Ces deux paramètres du capteur, la dynamique d'une part qui correspond à la plage entre les valeurs maximale et minimale mesurables par le capteur et la sensibilité d'autre part qui traduit la correspondance entre la diminution d'épaisseur et la perte optique, forment un couple intrinsèquement lié pour lequel il faut trouver un compromis acceptable en fonction des besoins de l'application. En effet, plus le capteur est sensible et moins il est dynamique car il arrive plus rapidement à saturation.
En fonction de la sensibilité retenue, on détermine la nature et les caractéristiques (indice de réfraction, rayon du coeur, ouverture numérique et diamètre extérieur) de la fibre optique ainsi que les pertes optiques que doivent induire les courbures réparties le long de la fibre optique.
En appliquant les formules précédemment citées, on calcule ensuite le pas préférentiel des courbures correspondant au maximum du couplage de l'énergie lumineuse des modes d'ordre inférieur vers les modes d'ordre supérieur lesquels deviennent radiants au niveau des courbures, et donc au maximum des pertes lumineuses.
Cette valeur de pas préférentiel permet d'en déduire la distance à prévoir entre chaque perforation 5 traversant le support 4. De préférence, l'écart choisi entre deux perforations 5 correspond sensiblement à la valeur de ce pas préférentiel ou ne s'en écarte pas de plus de 20%.
On choisit ensuite la nature et l'épaisseur du support 4 selon la dynamique souhaitée pour le capteur. En effet, le coefficient d'élasticité ou module de Young du support choisi va déterminer la variation d'épaisseur résultant de l'application d'une force donnée. Pour pouvoir détecter et caractériser une gamme de chocs ou de déformations de grande intensité sans endommager le capteur ou arriver à saturation, il est possible selon une variante préférentielle de l'invention de recouvrir la partie sensible 2 du capteur par une couche tampon de matériau amortissant 16 de coefficient d'élasticité et d'épaisseur choisis.
La couche de matériau amortissant, de préférence une couche de mousse, permet de transmettre le choc reçu tout en l'amortissant de façon que la modification d'épaisseur subie par le support 4 soit inférieure à celle subie par la couche de mousse. Cet amortissement est proportionnel au rapport du coefficient d'élasticité des deux matériaux (support 4 et couche amortissante 16).
Une fois tous ces paramètres déterminés, il est alors possible de réaliser très facilement un capteur 1 selon l'invention parfaitement adapté à l'application visée. Il suffit pour cela, en tenant compte de ces paramètres, de perforer une plaque d'un support 4 de nature et d'épaisseur choisies, d'au moins une rangée de perforations traversantes 5 espacées du pas déterminé, d'enfiler une fibre optique 6 choisie successivement d'une perforation 5 à la perforation 5 adjacente, en passant alternativement d'une face à l'autre du support 4 de manière à laisser sur chaque face une succession de segments exposés de fibre optique séparés par un emplacement vide, d'immobiliser la fibre optique 6 en la mettant sous tension mécanique ou en la collant ou en plaquant les segments de fibre optique contre la face adjacente du support 4.
Pour faciliter la compréhension, un exemple concret d'application du procédé de conception et de réalisation d'un capteur de chocs optimisé selon l'invention est donné ci-dessous, à titre purement illustratif et non limitatif.
L'exemple qui suit permet de dimensionner un capteur de choc élémentaire 1 dont l'objet est de mesurer l'intensité du choc c'est à dire la force appliquée par l'objet entrant en collision avec la partie sensible 2 du capteur. L'objectif de ce paramétrage est d'optimiser les pertes optiques sur toute la dynamique de force à mesurer [0 ; Fmax] • Cela revient à détecter le signal optique maximum (minimum de pertes optiques) pour une force nulle et à détecter un signal nul (pertes optiques maximales) pour une force de Fmax.
Le capteur de choc comprend une fibre optique 6 multimode, formée d'un coeur en silice pure de rayon r = 100 μm et d'indice de réfraction n = 1,456 à la longueur d'onde λ0 = 630 nm et d'une gaine optique en silice dopée d'un diamètre d de 240 μm. Son ouverture numérique ON est égale à 0,22 (à 630 nm) .
La fibre 6 est tissée sur un support 4 en caoutchouc de manière à être courbée périodiquement avec un pas effectif des courbures Λ (c'est à dire sans tenir compte des zones neutres entre les zones courbées de la fibre). Au repos,
Figure imgf000018_0001
où eos est l'épaisseur initiale (sans force appliquée) du support 4 en caoutchouc. Le module de Young de ce même support est Fa. Le transducteur 2 ainsi assemblé, comprenant le support 4 et la fibre 6, est complété par une couche de matériau tampon 16 en mousse dont le module de Young est Ym et l'épaisseur initiale eOm. Cette structure complète forme la partie sensible du capteur de choc 1.
Les modes de la fibre 6 sont supposés être excités équitablement au préalable afin que les équations qui suivent soient applicables. Le taux de transmission de la lumière τt à travers la zone des courbures est alors donné par : _, m _ -jlπm _ π m T'~ ~Ε~ ~ ONA ~ ~"420N(es+d) Le pas Λ traduit la réponse en terme de pertes optiques du transducteur aux courbures, réponse qui est choisie librement et qui permet d'ajuster le taux de transmission τt à la valeur souhaitée :
Λ= V2 πnr
ON(I-T1)
Lorsque la force appliquée est maximale, c'est à dire lorsque l'épaisseur du support 4 est minimale es = es_min, ce qui revient à minimiser Λ, on peut décider que le taux de transmission doit s'annuler et ajuster pour cela le pas à Λmin. On peut ainsi déterminer es_min :
Figure imgf000019_0001
Pendant le choc, une force F s'applique perpendiculairement à toute la surface A du transducteur (correspondant au plan des figures 1 et 2) et exerce sur celle-ci une contrainte de pression correspondant à:
— Y e0s ~ βs _ γ Δes Λnax _ γ 6OA- ~ es-min __ γ ^s^ymc^
A A
La force maximale est une donnée du dimensionnement et l'épaisseur minimale du support pour laquelle le taux de transmission est nul est déterminée par les caractéristiques de la fibre. Il reste alors trois degrés de liberté pour le dimensionnement du transducteur : son élasticité, son épaisseur au repos et sa surface de contact. Le matériau étant souvent choisi en premier (pour le caoutchouc typiquement Yε = 10e - 10a N/m2 ) , sa surface étant définie par les dimensions acceptables du transducteur en vu de son intégration ultérieure, l'épaisseur au repos est en l'
général le paramètre à ajuster pour autant que sa valeur reste elle aussi compatible avec les contraintes de intégration.
Ceci étant déterminé, le taux de transmission est alors :
_. Tt m _ π m
4l ON{es +d) V2 ON[Aes_max -Aes+e,,^ +d)
Figure imgf000020_0001
On voit avec cette équation que la sensibilité et la résolution du capteur 1 peuvent être augmentées en choisissant une fibre 6 à plus grande ouverture numérique, en augmentant l'épaisseur initiale du support 4, en diminuant la surface ou l'élasticité de ce même support 4 ou en choisissant un support 4 de plus faible élasticité.
Si à la place de l'intensité de l'impact, on veut mesurer l'enfoncement E dans le capteur de l'objet entrant en collision lors d'un choc frontal dont la direction de la force F est perpendiculaire au plan du transducteur, cet enfoncement s'écrit :
Figure imgf000020_0002
Cette équation est déterminée par l'analyse de deux ressorts équivalents au support et à la mousse, placés en série et soumis dans la direction de leur axe longitudinal commun à la force F. Il en résulte pour le taux de transmission : 1 π nr π nr τt = 1 Ir • = 1 —
V2 ON{eQs + d) S ON(άeM - àes + e,_min + d)
Figure imgf000021_0001
Si l'on prend par exemple Y3 = 10s N/m2 ,
A = 10 cm2 et la fibre mentionnée ci-dessus, une dynamique de 1000 N (≈ 100 kg) impose une épaisseur initiale e0s = 2.7 mm pour un taux de transmission maximum (au repos) de 65%. ' De façon particulièrement avantageusement, il est possible de réaliser un capteur de chocs et de déformations global en associant au moins deux capteurs élémentaires 1 selon l'invention.
Un premier exemple d'un tel capteur global 17 a été représenté sur la figure 6. Le capteur global 17 représenté comporte huit capteurs élémentaires 1 dont les parties sensibles 2 ont été disposées de façon sensiblement alignées, à la suite l'une de l'autre sur un substrat porteur 18 formant ainsi la partie sensible 19 du capteur global 17.
Comme décrit précédemment, chacun des capteurs élémentaires 1 comporte une fibre optique 6 tissée sur un support flexible 4 et reliée à une source lumineuse 9 par son extrémité d'entrée 10 et à un détecteur de mesure 11, de préférence une photodiode classique, par son extrémité de sortie 12.
Selon une variante préférentielle, toutes les extrémités d'entrée 11 des différentes fibres optiques 6 sont rassemblées et reliées à une unique source lumineuse 9 par l'intermédiaire d'un coupleur 20.
En revanche, chacune des extrémités de sortie 12 des fibres optiques 6 est connectée à un détecteur de mesure 11 indépendant.
Pour des raisons pratiques, la source de lumière 9 et les différents détecteurs de mesure 11 sont préférentiellement réunis du même côté du substrat porteur 18, formant ainsi la partie fonctionnelle 21 du capteur global 17 selon l'invention.
Comme pour le capteur élémentaire 1, il est préférable, pour s'affranchir des fluctuations potentielles de l'intensité lumineuse fournie par la source 9 et des variations de température, de réaliser une boucle de référence à l'aide d'une fibre optique de référence 14 reliée d'un côté à la source de lumière 9 et de l'autre à un détecteur de référence 15.
Les intensités lumineuses captées par les différents détecteurs 11 et 15 sont transmises sous forme de signaux électrique à un ensemble de traitement des signaux, non représenté et de préférence unique, qui réalise les calculs permettant d'obtenir les résultats souhaités. De manière particulièrement avantageuse, ce capteur global 17 permet d'obtenir une localisation du lieu de l'impact où de la déformation. En effet, lorsqu'un choc se produit, seules les parties sensibles 2 des capteurs élémentaires 1 situées dans la zone d'impact sont affectées, permettant ainsi à l'ensemble de traitement des signaux de la localiser.
La caractérisation du choc peut même être plus poussée, car en reconstituant une modélisation spatiale des variations de l'intensité transmise par les différents capteurs élémentaires 1, l'ensemble de traitement des signaux peut déterminer la forme de l'objet ayant provoqué ce choc.
Selon la précision de la localisation et de la caractérisation souhaitée, le nombre et la taille des capteurs élémentaires 1 et donc de leurs parties sensibles 2 peuvent évidemment être différents de l'exemple représenté. De même, selon la forme et la superficie de la structure à étudier, les parties sensibles 2 des capteurs élémentaires 1 ne sont pas forcément alignées, mais peuvent être réparties sur toute sa surface à la manière d'un véritable réseau ou d'une matrice de cellules élémentaires.
Un exemple de disposition non alignée des capteurs élémentaires 1 est donné avec le deuxième mode de réalisation d'un capteur global 17 selon l'invention illustré sur la figure 7.
Ce capteur global 17 comporte dix huit capteurs élémentaires 1 dont les parties sensibles 2 ont été disposées de manière décalée horizontalement et verticalement les unes par rapport aux autres et forment la partie sensible 19 du capteur global 17, chacun des capteurs élémentaires 1 comportant une fibre optique 6 tissée sur un support flexible 4 et reliée à une source lumineuse 9 par son extrémité d'entrée 10 et à un détecteur de mesure 11 par son extrémité de sortie 12.
Dans la variante représentée, toutes les extrémités d'entrée 11 des différentes fibres optiques
6 sont rassemblées et reliées par l'intermédiaire d'un coupleur 20 à une unique source lumineuse 9 disposée d'un côté du capteur global 17.
Leurs extrémités de sortie 12 sont connectées chacune à un détecteur de mesure 11 indépendant placé de l'autre côté du capteur.
Pour pouvoir ignorer les fluctuations de la source lumineuse 9 et les perturbations liées aux variations de température, ce capteur global comporte également une fibre optique de référence 14, reliée d'un côté à la source de lumière 9 et de l'autre à un détecteur de référence 15, et disposée ici au centre du capteur.
Un tel capteur global permet avantageusement une localisation en deux dimensions du lieu de l'impact où de la déformation. Il peut également permettre, grâce une modélisation spatiale des variations de l'intensité transmise par les différents capteurs élémentaires 1, une détermination de la forme et de l'inclinaison de l'objet ayant causé le choc.
Un capteur élémentaire 1 ou global 17 selon l'invention est par exemple parfaitement adapté à la surveillance de l'état d'un pare-chocs de véhicule routier et peut avantageusement être couplé avec un dispositif de sécurité pour la protection des piétons.
Un exemple d'une telle application préférentielle d'un capteur élémentaire 1 ou global 17 selon l'invention dans la structure d'un pare-chocs 22 de véhicule routier a été représenté sur la figure 8 pour un capteur global 17.
Le pare-chocs 22 est de préférence formé de plusieurs couches superposées réalisées à partir de matériaux différents.
Il comprend ainsi par exemple une première couche 23 située du côté du véhicule et formé d'une coque en matière plastique rigide ou analogue qui constitue le pare-chocs proprement dit.
Sur cette première couche 23 est disposé le substrat 18 porteur de la partie sensible 19 du capteur global 17 selon l'invention de manière à pouvoir surveiller la surface extérieure du pare-chocs 22 ou au moins sa ligne longitudinale la plus en avant par rapport au véhicule.
Une couche amortissante 16, préférentiellement réalisée à partir de mousse, dont la fonction a été exposée précédemment, est ensuite rapportée sur la surface extérieure de la partie sensible 19 du capteur global 17.
Enfin, une couche protectrice 24 vient recouvrir l'ensemble du dispositif, afin de le protéger des intempéries et des diverses agressions qu'il pourrait subir lorsque le véhicule roule ou même lorsqu'il est en stationnement. Cette couche protectrice 24 doit être suffisamment flexible pour transmettre les chocs et déformations au capteur selon l'invention avec ou sans amortissement. De manière évidente, l'invention ne se limite pas aux modes de réalisation préférentiels décrits précédemment et représentés sur les différentes figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir du cadre et de la portée de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur élémentaire de détection et de mesure de chocs mécaniques et de déformations de la surface extérieure de la structure sur laquelle il est monté ou à laquelle il est intégré, comprenant une partie sensible (2) à fibre optique et une partie fonctionnelle (3) caractérisé : en ce que la partie sensible (2) comporte un support (4) déformable dont l'une des faces est appliquée sur la structure à surveiller et dont l'autre face reçoit directement ou par l'intermédiaire d'une épaisseur de matériau tampon (16) le ou les chocs à détecter ou dont l'intensité de l'impact est à mesurer, ce support présentant un réseau de perforations traversantes (5), en ce qu'une fibre optique (6) est enfilée successivement dans chacune de ces perforations (5) en passant alternativement d'une face à l'autre du support (4) à la façon d'un tissage, formant ainsi un certain nombre de courbures (7) réparties sur sa longueur, en ce que les courbures (7) de la fibre optique (6) sont séparées par des zones neutres (8) situées entre les perforations (5), dans lesquelles la fibre optique (6) reste sensiblement rectiligne, et en ce que la partie fonctionnelle (3) comprend :
. une source lumineuse (9) reliée à l'une des extrémités (10) de la fibre optique (6) de manière à y injecter un faisceau lumineux,
. un détecteur de mesure (H) placé à l'autre extrémité (12) de la fibre optique (6) pour détecter l'intensité lumineuse transmise par la fibre optique (6) , et . un ensemble de traitement des signaux (13) qui permet de détecter un choc et de mesurer son intensité, mais également de calculer la variation d'épaisseur du support (4) engendrée par le choc et ainsi de déterminer l'amplitude de la déformation de la structure sur laquelle le capteur est monté.
2. Capteur élémentaire selon la revendication précédente caractérisé en ce que la fibre optique (6) est du type multimode à saut d'indice.
3. Capteur élémentaire selon la revendication précédente caractérisé en ce que son taux de couplage m/M et son taux de transmission τt répondent à la modélisation mathématique suivante :
Figure imgf000027_0001
et
, *]2.π.r.n T1=I-
ON*2(e+d)
avec
. M le nombre de groupes de modes,
. m est l'ordre d'un groupe de mode,
. ON est l'ouverture numérique de la fibre optique (6), . r est le rayon du coeur de la fibre optique (6),
. n est l'indice de réfraction au coeur de la fibre optique (6) ,
. e est l'épaisseur du support (4), et . d est le diamètre extérieur de la fibre optique (6).
4. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le support (4) déformable est réalisé à partir de caoutchouc ou d'une matière plastique flexible se déformant de façon non permanente lorsqu'elle est soumise à un choc.
5. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les perforations traversantes (5) du support (4) sont disposées selon une ou deux ligne(s) sensiblement parallèle(s) à l'axe longitudinal du support (4) .
6. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'écart entre deux perforations (5) successives est choisi de façon à favoriser le couplage entre les modes guidés et les modes rayonnes dans la fibre optique (6) .
7. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins une des zones neutres est obtenue par un aplatissement de la fibre optique (6) au moyen d'éléments de placage.
8. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'au moins une des zones neutres est obtenue par un collage continu ou localisé de la fibre optique (6) au support (4) .
9. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre une boucle de référence formée d'une fibre optique de référence (14) reliée d'un côté à la source de lumière (9) et de l'autre à un détecteur de référence (15).
10. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la source lumineuse (9) de la partie fonctionnelle (3) est une diode électroluminescente (LED) .
11. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'au moins un des détecteurs (11, 15) de la partie fonctionnelle (3) est une photodiode.
12. Capteur élémentaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte en outre une couche de matériau amortissant (16) qui recouvre sa partie sensible (2). l'
13. Capteur élémentaire selon la revendication précédente caractérisé en ce que la couche de matériau amortissant (16) est une couche de mousse.
14. Capteur global permettant la détection, la mesure et la localisation de chocs mécaniques et de déformations de la surface extérieure de la structure sur laquelle il est monté ou à laquelle il est intégré caractérisé en ce qu'il est formé de l'association d'au moins deux capteurs élémentaires selon l'une quelconque des revendications précédentes.
15. Capteur global selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte une unique source lumineuse (9) reliée à l'extrémité d'entrée de chacune des fibres optiques (6) des différents capteurs élémentaires (1) par l'intermédiaire d'un coupleur (20).
16. Capteur global selon la revendication 14 ou 15 caractérisé en ce que les parties sensibles (2) des différents capteurs élémentaires (1) sont sensiblement alignées à la suite l'une de l'autre sur un substrat porteur (18) formant ainsi la partie sensible (19) du capteur global (17).
17. Capteur global selon l'une quelconque des revendications 14 à 16 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une boucle de référence formée d'une fibre optique de référence (14) reliée d'un côté à la source de lumière (9) et de autre à un détecteur de référence (15).
18. Capteur global selon l'une quelconque des revendications 14 à 17 caractérisé en ce qu'il comporte un unique ensemble de traitement des signaux (13) qui permet en outre de déterminer la localisation du choc.
19. Pare-chocs (22) destiné à être monté à l'avant d'un véhicule routier motorisé caractérisé en ce qu'il comporte un capteur élémentaire (1) ou global (17) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
20. Pare-chocs selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il est formé de plusieurs couches superposées, réalisées à partir de matériaux différents dont au moins, en allant du véhicule vers l'extérieur :
. une coque (23) en matière plastique rigide ;
. la partie sensible (2, 19) du capteur élémentaire
(1) ou global (17) ; . une couche amortissante (16) transmettant les chocs et les déformations de façon amortie ; et . une couche protectrice (24) flexible.
21. Procédé de conception et de réalisation d'un capteur élémentaire ou global de chocs selon l'une quelconque des revendications 3 à 18 caractérisé en ce que l'on choisit pour chaque capteur élémentaire (1) le composant, les caractéristiques de la fibre optique (6), du support (4) et le pas des courbures (7) en fonction de la sensibilité et de la dynamique du capteur à obtenir et des équations suivantes :
Figure imgf000030_0001
et
Figure imgf000030_0002
avec
. M le nombre de groupes de modes,
. m est l'ordre d'un groupe de mode,
. ON est l'ouverture numérique de la fibre optique (6), . r est le rayon du coeur de la fibre optique (6),
. n est l'indice de réfraction au coeur de la fibre optique (6) ,
. e est l'épaisseur du support (4), et
. d est le diamètre extérieur de la fibre optique (6) .
22. Procédé de conception et de réalisation d'un capteur élémentaire ou global de chocs selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : . définition de la sensibilité et de la dynamique du capteur à obtenir ;
. détermination de la nature et des caractéristiques (indice de réfraction, rayon du coeur, ouverture numérique et diamètre extérieur) de la fibre optique (6) ainsi que des pertes optiques que doivent induire les courbures (7) réparties le long de la fibre optique (6) ;
. calcul du pas préférentiel des courbures (7) dont découle la distance à prévoir entre chaque perforation (5) traversant le support (4);
. choix de la nature et de l'épaisseur du support
(4) ;
. réalisation d'un capteur dont les paramètres correspondent à ceux déterminés au cours des étapes précédentes.
23. Procédé de conception et de réalisation d'un capteur élémentaire ou global de chocs selon la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte en outre l'étape suivante : . choix de la nature et de l'épaisseur d'une couche de matériau amortissant (16) destinée à recouvrir la partie sensible (2, 19) du capteur.
24. Procédé de conception et de réalisation d'un capteur élémentaire ou global de chocs selon la revendication 22 ou 23 caractérisé en ce que la phase de réalisation comprend les étapes suivantes :
. perforer une plaque de support (4) de nature et d'épaisseur choisies, d'au moins une rangée de perforations traversantes (5) espacées du pas déterminé,
. enfiler la fibre optique (6) choisie, successivement d'une perforation (5) à la perforation (5) adjacente, en passant alternativement d'une face à l'autre du support (4) de manière à laisser sur chaque face une succession de segments exposés de fibre optique séparés par un emplacement vide, immobiliser la fibre optique (6) en la mettant sous tension mécanique, en la collant ou en plaquant les segments de fibre optique contre la face adjacente du support (4) .
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