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WO 00/22378 PCT/FR99/02417
Dispositif de mesure de distance à effet magnéto-optique et chaîne de mesure
incorporant ce dispositif.
La présente invention concerne un dispositif de mesure de distance à
effet magnéto-optique et une chaïne 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
~ o 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 micro-contacts eux mêmes
ou engendrées par des déformations de la coque de l'aéronef qui produisent
~5 un défaut d'étanchéité de la porte avec son huisserie lorsque la porte est
fermée et qui diminuent I<~ 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 l'étanchéité des portes, celle-ci ne
20 pouvant être déterminëe 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 être envisagé pour résoudre ce problème d'utiliser des
capteurs à ultra -sons oui des capteurs optiques mais la mise en oeuvre de
25 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
30 coaxiaux ou des paires blindées sont utilisés.
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Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités.
A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure de la
distance séparant deux pièces pouvant être déplacées l'une par rapport à
l'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 éiectro-optique comprend
- 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
~o l'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
l'analyseur pour transformer l'intensité lumineuse du faisceau en un signal
électrique dont l'amplitude dépend de la distance séparant les deux pièces
~5 lorsqu'elles sont à proximité l'une de l'autre.
L'invention a également pour objet, une chaîne de mesure de
distance entre deux pièces pouvant être 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
20 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 analysE;ur et d'autre part, dans le champ magnétique de
l'aimant lorsque les deux pièces sont à proximité l'une de l'autre,
25 - et une fibre optique de longueur déterminée et différente pour
chaque capteur couplée par une première extrémité à l'entrée du polariseur
et la sortie de l'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
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la photo-diode réceptrice (15), la deuxième extrémité de la fibre optique
unique étant couplée à la diode émettrice et à la 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 mïroir 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 ëléments opto-électroniques statiques ce qui apporte une grande
fiabilité aux systèmes ïncorporant ce dispositif.
Elle a aussi pour avantage qu'elle permet de mesurer avec une
précision d'envïron 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
2o 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 mëme 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'ètre
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.
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A
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.
1o 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 ~ .
~5 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
20 Y.I.G (Bismuth-Yttrium-iron-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 l'aimant 1.
25 L'angle de rotation a obtenu obéit à la loi connue de Vernet, cet angle est
proportionnel à l'épaisseur I du film magnéto-optique 5, à l'intensité H du
champ magnétique appliqué par l'aimant 1,et à une constante V dite
constante de Verdet selon la relation:
a=V.H.L (1 )
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Après traversée de l'ensemble polariseur, fïlm magnéto-optique et
analyseur, l'intensité transmise It vaut:
IT=lo cos2a (2)
où lo est l'intensité initial~a. Naturellement la relation (2) n'est vraie que
si les
5 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, l'angle de rotation du faisceau s'en trouve doublé, ce qui
1 o 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 filmsmagnéto-optiques (de 1300 nm et 1550 nm par
exemple), en direction d'une photo-diode réceptrice 10. Le faisceau 8
j5 traverse le polariseur n et ressort de ce dernier après avoir traversé
successivement le film magnéto-optique 5 et l'analyseur 7. La photo-diode
réceptrice 10 est couplÉ~e 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
20 des lignes de champ magnétique H dont l'intensité dépend de la distance qui
sépare l'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
25 conséquent de la distance qui sépare l'aimant 1 du dispositif électro-
optique
3. L'intensité lumineusE: du faisceau de lumière qui sort de l'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
3o qu'il reçoit la distance qui sépare l'objet mobile 2 du bâti 4.
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Le mode de réalisation de la figure 2 tient compte des variations de
sensibilité des différent:. éléments composant le dispositif électro-optique 3
en fonction de la température. Ce mode de réalisation met en oeuvre deux
dispositifs électro-optiques 3, et 32.
Sur la figure 2 les; éléments homologues à ceux de la figure 1 portent
les mêmes références affectées cependant d'un indice égale à 1 ou 2 pour
indiquer leur appartenance à l'un ou l'autre des modules 3~ 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 10,
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 séquencemeni: du dispositif est le suivant.
Dans un premier temps seul l'émetteur 91 est activé et les photo-
diodes réceptrices reçoivent donc deux signaux notés SAS et SAp tels que:
SAC=K~xKAxTa
SAp=KpXKAXTa+do
où K~,Kp sont des constantes dépendant des photo-
diodes 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.séparant la pièce mobile 2 du bâti
4.
Dans un deuxième temps l'émetteur 92 est activé et les photo
détecteurs 101 et 102 reçoivent deux signaux notés Se~ et SBp tels que:
SBC=KBxK~xTa
SBp-KsxKpxTa+ao
En effectuant le rapport:
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R=~SADxSBD~~~SACxSBCwTd+do~2~~Td~2
il apparaît que R est indëpendant des paramètres d'émission et de réception.
La connaissance de R ~~ partir de do permet de déduire la distance d.
La chaîne de mEaure à fibre optique qui est représentée à la figure 3
comprend N capteurs composés de dispositifs électro-optiques 3,...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, l'ensemble étant
couplé à un coupleur optique 16 en Y. Un coupleur optique 1-N 17 réalise le
couplage de l'ensembles des N capteurs au câble 12.
Le fonctionnement de la chaîne de mesure est du type de celui connu
sous l'abréviation anç~lo saxonne O.T.D.R de "Optical Time Domain
Reflectometer". Dans le cadre de la figure 3 l'émetteur 14 émet une
impulsion lumineuse tr~;s brève de quelques nanosecondes par exemple, et
très intense sur le c<~ble 12 par l'intermédiaire du coupleur 16. Cette
impulsion est appliquéE: à l'entrée du coupleur 17 où elle est séparée en N
impulsions d'intensités égales. Chacune des N impulsions est transmise à un
dispositif électro-optique 31 à 3n,,
Une mise en oE:uvre d'un dispositif électro-optique appliquée à ce
mode de fonctionnemE:nt est montré à la figure 4. Suivant ce mode de
réalisation chaque capteur comprend un film magnéto-optique 5i compris
entre un miroïr de renvoi 19 et un polariseur 6; 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 6;. La fibre optique
enroulée
sur la bobine 18 possf:de une longueur qui dépend du numéro d'ordre du
capteur sur lequel elle Eat montée. A titre d'exemple, on pourra choisir que
le
premier capteur comprenne une fibre optique de L mètres de long, le
3o deuxième en contienne 2L mètres etc...... et le [~~eme en contienne une
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longueur de NL mètre:>. Cette disposition permet à chaque capteur, de
réfléchir la lumière avec une intensité lumineuse dont l'amplitude est
représentative de la pro;Kimité de l'aimant 1 avec le dispositif électro-
optique
qui lui est associé. De l;a sorte le coupleur 17 reçoit, 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 électro-optique 3; 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 lS.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.
75 Suivant encore un autre mode de réalisation de l'invention, les
polariseurs peuvent être remplaçés 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.
