WO1993014609A1 - Capteur optique de vibrations - Google Patents

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WO1993014609A1
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Jamal Housni
Bruno De Fleurieu
Michel Taveau
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Societe Industrielle De Liaisons Electriques
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0001—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means
    • G01L9/0008—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations
    • G01L9/0016—Transmitting or indicating the displacement of elastically deformable gauges by electric, electro-mechanical, magnetic or electro-magnetic means using vibrations of a diaphragm
    • G01L9/0017—Optical excitation or measuring
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    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G01H9/006—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors the vibrations causing a variation in the relative position of the end of a fibre and another element
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00

Definitions

  • the present invention relates to an optical vibration sensor which can be used in particular as an opto-acoustic microphone.
  • Fiber optic vibration sensors and more particularly extrinsic optical sensors are known, that is to say in which the optical fiber does not constitute the vibration detector element but only serves to convey a signal which is modulated by a orqane detector fixed at its end.
  • These devices are generally fraqiles, mainly due to the risk of uncoupling of the optical fiber and the detection member, and generally not very precise.
  • their implementation involves an expensive operation of mounting the sensor at the end of the optical fiber with the problems that generally arise from the existence of an interface between two adjoining parts.
  • An object of the invention is to provide an optical vibration sensor of the extrinsic type of simple construction and of robust structure.
  • an optical vibration sensor is proposed according to the invention comprising a housing supporting a light input member and a light output member arranged opposite one another and defining a light beam passing through the housing, and a membrane disposed adjacent to the light beam and comprising a raised part facing the light beam.
  • the raised part penetrates more or less into the light beam as a function of the amplitude of the deformations of the membrane and the quantity of light reaching the output member therefore varies correspondingly so that the variations in the amount of light collected at the output of the sensor are representative of the vibrations to which the sensor is subjected.
  • these variations in the quantity of light can be easily converted into an electrical signal by means of an optoelectronic transducer such as a phototransistor.
  • the raised part is conical and has an axis of symmetry perpendicular to a longitudinal direction of the light path.
  • the raised part extends in the bundle over approximately half of the section thereof for a position at rest of the membrane.
  • the reactions of the sensor are the same regardless of the position of the vibration source relative to the sensor.
  • the raised part of the membrane has a surface absorbing the light used.
  • parasitic reflections of the light rays striking the raised part of the membrane are avoided and an output signal having a low acoustic noise is obtained.
  • FIG. 1 is a sectional view along an axial plane, of an embodiment of the sensor according to the invention.
  • FIG. 2 is a greatly enlarged perspective view of a second embodiment of the sensor according to the invention.
  • the sensor according to the invention comprises a support 1, here a housing comprising a cylindrical central cavity 2 into which two diametrically opposite radial cylindrical conduits 3 and 4 open out.
  • the bottom wall of the cavity 2 is pierced with a series of openings 5 of sufficient size to allow the vibrations to pass and thus obtain a differential effect.
  • a housing can be produced without having openings in the lower wall if this differential effect is not desired.
  • a membrane 6 is clamped between the body of the housing 1 and a cover 7 fixed to the body of the housing 1 by any suitable means, for example by gluing.
  • the cover 7 is also pierced with openings 8 allowing the vibrations to pass.
  • An optical fiber 9 extends axially in the radial duct 3 and has one end external to the housing connected to a light-emitting member 10, for example a photodiode.
  • the end of the optical fiber 9 opposite the light-emitting member opens into the conduit 3 opposite a lens 11 intended to transform the divergent beam coming from the adjacent end of the optical fiber 9 into a parallel beam.
  • the lens 11 is for example a cylindrical lens having an axis of revolution perpendicular to the longitudinal axis of the channel 3 or, preferably, a spherical lens.
  • the cavity 2 of the sensor is thus crossed by a cylindrical light beam 12 symbolized by fine dotted lines in the figure.
  • the conduits 3 and 4 are arranged so that the membrane 6 is adjacent to the light path 12 and generally extends parallel to the light beam 12.
  • the membrane 6 has a central portion 16 having a truncated cone relief, the axis of symmetry of which is perpendicular to a longitudinal direction of the beam. light 12.
  • the narrowest end of the raised part 16 faces the light beam 12 and partially extends therein when the membrane 6 is at rest.
  • the narrowest end of the relief 16 coincides with the axis of the light beam 12 for a resting position of the membrane 6.
  • the surface of the conical part 16 which faces the light beam is preferably coated with a light-absorbing layer used, for example a layer of carbon black.
  • the optical fiber 9 thus constitutes a light input member and part of the light transported by the light beam 12 is absorbed by the conical part 16 of the membrane 6 so that the light output member constituted by the fiber receiving optic 14 receives only part of the quantity of light emitted by the light emitter 10.
  • the quantity of light received by the receiver 15 is therefore proportional to the engagement of the conical part 16 in the light beam 12.
  • the conical central part moves in the light beam 12 and absorbs a variable quantity of light so that the light signal received by the receiver 15 is representative of the vibrations to which the sensor is subjected.
  • a light emission waveguide 19 is produced on the surface of the plate 17, for example in the form of a deposit of a thin layer of oxide, and a guide light receiving wave 20 is produced in the same way with its end facing one end of the emission waveguide.
  • the emission waveguide 19 is connected to an input optical fiber 9 and the light reception guide 20 is: connected to a receiving optical fiber 14.
  • the optical fibers 9 and 14 are respectively connected to a light emitter and a receiver, not shown ' .
  • the senor comprises a waveguide 21 carried by the membrane 6 and the ends of which are opposite the ends of the waveguides 19 and 20.
  • a waveguide 21 carried by the membrane 6 and the ends of which are opposite the ends of the waveguides 19 and 20.
  • the face of the membrane 6 which carries the waveguide 21 is slightly hollowed out so that for a resting position of the membrane the waveguide 21 is offset relative to the ends of the waveguides 19 and 20 .
  • the conical central part 16 of the first embodiment can be replaced by a raised part which does not have an axial symmetry, for example by a V-shaped relief whose edge extends transversely to the longitudinal axis of the light beam 12.
  • the input optical fiber 9 and the output optical fiber 14 are preferably attached to the housing and grouped according to an optical cable connected to a station comprising the light emitting member 10 and the receiving member 15.
  • the housing 1 can also have any shape suitable for the use that one wishes to make of the sensor according to the invention.
  • the waveguide 21 in particular in the case where the membrane 6 has a very small width and or the waveguides 19 and 20 have a very small numerical aperture.
  • the projecting part is simply formed by the edge of the membrane which comes, interfere with the beam. It is also possible to provide a membrane which does not interfere with the beam in the rest position.

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Abstract

Il comporte un boîtier (1) supportant un organe d'entrée (9) de lumière et un organe de sortie (14) de lumière disposés en regard l'un de l'autre et définissant un faisceau lumineux (12), et une membrane (6) disposée de façon adjacente au faisceau lumineux (12) et comprenant une partie en relief (16) tournée vers le faisceau lumineux.

Description

Capteur optique de vibrations.
La présente invention concerne un capteur optique de vibrations pouvant être utilisé notamment comme microphone opto-acoustique.
On connaît des capteurs de vibrations à fibre optique et plus particulièrement des capteurs optiques extrinsèques, c'est-à-dire dans lesquels la fibre optique ne constitue pas 1 'orqane détecteur des vibrations mais sert seulement à véhiculer un εiqnal qui est modulé par un orqane détecteur fixé à son extrémité. Ces dispositifs sont qénéralement fraqiles, principalement en raison du risque de désaccouplement de la fibre optique et de 1 ' organe de détection, et généralement peu précis. De plus, leur réalisation implique une opération onéreuse de montage du capteur à l'extrémité de la fibre optique avec en outre les problèmes que pose généralement l'existence d'une interface entre deux pièces accolées.
Un but de l'invention est de proposer un capteur optique de vibrations du type extrinsèque de réalisation simple et de structure robuste. En vue de la réalisation de ce but, on propose selon l'invention un capteur optique de vibrations comportant un boîtier supportant un organe d'entrée de lumière et un organe de sortie de lumière disposés en regard l'un de l'autre et définissant un faisceau lumineux traversant le boîtier, et une membrane disposée de façon adjacente au faisceau lumineux et comprenant une partie en relief tournée vers le faisceau lumineux.
Ainsi, lors des déformations de la membrane sous l'effet des vibrations, notamment sous l'effet des ondes sonores, la partie en relief pénètre plus ou moins dans le faisceau lumineux en fonction de l'amplitude des déformations de la membrane et la quantité de lumière atteignant l'organe de sortie varie donc d'une façon correspondante de sorte que les variations de la quantité de lumière recueillie à la sortie du capteur sont représentatives des vibrations auxquelles le capteur est soumis. En particulier, dans le cas d'un microphone ces variations de quantité de lumière peuvent être aisément converties en un signal électrique au moyen d'un transducteur optoélectronique tel qu'un phototransistor. Selon une version avantaqeuse de l'invention, la- partie en relief est conique et comporte un axe de symétrie perpendiculaire à une direction longitudinale du trajet lumineux. Ainsi, on obtient un très bon rendement de trans¬ formation des vibrations en variation de la quantité de lumière recueillie à la sortie du capteur quelle que soit la direction des vibrations .
Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la partie en relief s'étend dans le faisceau sur environ la moitié de la section de celui-ci pour une position au repos de la membrane. Ainsi, les réactions du capteur sont les mêmes quelle que soit la position de la source de vibrations par rapport au capteur.
Selon encore un autre aspect avantageux de l'inven¬ tion, la partie en relief de la membrane comporte une surface absorbante de la lumière utilisée. Ainsi, on évite des réflexions parasites des rayons lumineux frappant la partie en relief de la membrane et on obtient un signal de sortie présentant un faible bruit acoustique.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention en liaison avec les figures ci-jointes parmi lesquelles :
- la figure 1 est une vue en coupe selon un plan axial, d'un mode de réalisation du capteur selon l'invention.
- la figure 2 est une vue en perspective très agrandie d'un second mode de réalisation du capteur selon 1' invention.
En référence à la figure 1, le capteur selon l'invention comporte un support 1, ici un boîtier comprenant une cavité centrale cylindrique 2 dans laquelle débouchent deux conduits cylindriques radiaux 3 et 4 diamétralement opposés. La paroi inférieure de la cavité 2 est percée d'une série d'ouvertures 5 d'une dimension suffisante pour laisser passer les vibrations et obtenir ainsi un effet différentiel. On peut réaliser un boîtier ne comportant pas d'ouvertures dans la paroi inférieure si cet effet différentiel n'est pas souhaité. Une membrane 6 est pincée entre le corps du boîtier 1 et un couvercle 7 fixé au corps du boîtier 1 par tout moyen approprié, par exemple par collage. Le couvercle 7 est égale¬ ment percé d'ouvertures 8 laissant passer les vibrations. Une fibre optique 9 s'étend axialement dans le conduit radial 3 et a une extrémité extérieure au boîtier reliée à un organe d'émission de lumière 10, par exemple une photodiode. L'extrémité de la fibre optique 9 opposée à l'organe d'émis¬ sion de lumière débouche dans le conduit 3 en regard d'une lentille 11 destinée à transformer le faisceau divergent issu de l'extrémité adjacente de la fibre optique 9 en un faisceau parallèle. La lentille 11 est par exemple une lentille cylindrique ayant un axe de révolution perpendiculaire à l'axe longitudinal du canal 3 ou, de préférence, une lentille sphérique. La cavité 2 du capteur est ainsi traversée par un faisceau lumineux cylindrique 12 symbolisé par des pointillés fins sur la figure. Une lentille 13, de préférence une lentille également sphérique, est disposée dans le conduit 4 en regard de la lentille 11 pour concentrer le faisceau lumineux 12 sur l'extrémité d'une fibre optique réceptrice 14 dont l'extrémité opposée est reliée à un récepteur 15, par exemple un transducteur optoélectronique tel qu'un photo- transistor. Les conduits 3 et 4 sont disposés pour que la membrane 6 soit adjacente au trajet lumineux 12 et s'étende généralement de façon parallèle au faisceau lumineux 12.
La membrane 6 comporte une partie centrale 16 ayant un relief en tronc de cône dont 1 ' axe de symétrie est perpendiculaire à une direction longitudinale du faisceau lumineux 12. L' extrémité la plus étroite de la partie en relief 16 est tournée vers le faisceau lumineux 12 et s'étend partiellement dans celui-ci lorsque la membrane 6 est au repos. De préférence, l'extrémité la plus étroite du relief 16 coïncide avec l'axe du faisceau lumineux 12 pour une position au repos de la membrane 6. La surface de la partie conique 16 qui est tournée vers le faisceau lumineux est de préférence revêtue d'une couche absorbante pour la lumière utilisée, par exemple d'une couche de noir de carbone. La fibre optique 9 constitue ainsi un organe d'entrée de lumière et une partie de la lumière transportée par le faisceau lumineux 12 est absorbée par la partie conique 16 de la membrane 6 de sorte que l'organe de sortie de lumière constitué par la fibre optique réceptrice 14 reçoit seulement une partie de la quantité de lumière émise par 1 ' émetteur de lumière 10. La quantité de lumière reçue par le récepteur 15 est donc proportionnée à 1 ' engagement de la partie conique 16 dans le faisceau lumineux 12. Lors des déformations de la membrane 6 sous l'effet des vibrations, par exemple les ondes sonores émises autour du capteur, la partie centrale conique se déplace dans le faisceau lumineux 12 et absorbe une quantité de lumière variable de sorte que le signal lumineux reçu par le récepteur 15 est représentatif des vibrations auxquelles le capteur est soumis. En référence à la figure 2, celle-ci illustre une variante de réalisation du microphone selon 1' invention qui est cette fois réalisé de façon intégrée, le support 1 étant une plaque de silicium dans laquelle deux fentes 18 sont découpées par micro usinage pour délimiter une lame formant la membrane 6. Un guide d'onde d'émission de lumière 19 est réalisé sur la surface de la plaque 17, par exemple sous forme d'un dépôt d'une couche mince d'oxyde, et un guide d'onde de réception de lumière 20 est réalisé de la même façon avec son extrémité en regard de 1 ' extrémité du guide d'onde d'émission. Le guide d'onde d'émission 19 est relié à une fibre optique d'entrée 9 et le guide de réception de lumière 20 est: relié à une fibre optique réceptrice 14. Comme dans le cas de la figure 1, les fibres optiques 9 et 14 sont respectivement reliées à un émetteur de lumière et à un récepteur, non représentés'.
Dans le mode de réalisation représenté le capteur comporte un quide d'onde 21 porté par la membrane 6 et dont les extrémités sont en regard des extrémités des guides d'ondes 19 et 20. Une telle disposition permet d'éviter une dispersion de la lumière entre les extrémités des guides d'ondes 19 et 20 et améliore donc le rendement du capteur. En outre la face de la membrane 6 qui porte le guide d'onde 21 est légèrement creusée de sorte que pour une position de repos de la membrane le guide d'onde 21 est décalé par rapport aux extrémités des guides d'ondes 19 et 20.
Bien entendu 1 ' invention n ' est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de 1 ' invention tel que défini par les revendications.
En particulier, on peut remplacer la partie centrale conique 16 du premier mode de réalisation par une partie en relief ne présentant pas une symétrie axiale, par exemple par un relief en V dont l'arête s'étend transversale- ment à l'axe longitudinal du faisceau lumineux 12.
Par ailleurs, la fibre optique d'entrée 9 et la fibre optique de sortie 14 sont de préférence accolées au boîtier et regroupées selon un câble optique relié à un poste comportant l'organe d'émission de lumière 10 et l'organe récepteur 15.
Bien entendu le boîtier 1 peut également avoir toute forme appropriée à l'usage que l'on souhaite faire du capteur selon l'invention.
Dans le second mode de réalisation on peut suppri- mer le quide d'onde 21 en particulier dans le cas où la membrane 6 a une largeur très faible et ou les guides d'ondes 19-et 20 ont une très faible ouverture numérique. Dans ce cas la partie en saillie est simplement constituée par le bord de la membrane qui vient, interférer avec le faisceau. On peut par ailleurs prévoir une membrane qui n 'interfère pas avec le faisceau en position de repos. Dans le cas de la figure 2 on peut également prévoir de réaliser la membrane 6 en découpant la plaque sur trois côtés et de charger la lame ainsi réalisée en fonction de l'utilisation prévue pour le capteur.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur optique de vibrations caractérisé en ce- qu'il comporte un support (1) pour un organe d'entrée (9, 19) de lumière et un organe de sortie (14, 20) de lumière disposés en regard l'un de l'autre et définissant un faisceau lumineux (12), et une membrane (6) disposée de façon adja¬ cente au faisceau lumineux (12) et comprenant une partie en relief (16) tournée vers le faisceau lumineux.
2. Capteur optique de vibrations selon la revendi- cation 1, caractérisé en ce que la partie en relief (16) est conique et comporte un axe de symétrie perpendiculaire à une direction longitudinale du trajet lumineux (12).
3. Capteur optique de vibrations selon la revendi¬ cation 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la partie en relief (16) s'étend dans le faisceau lumineux (12) sur environ la moitié de la section de celui-ci pour une position au repos de la membrane (6).
4. Capteur optique de vibrations selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la partie en relief (16) de la membrane comporte une surface absorbante de la lumière utilisée.
5. Capteur optique de vibrations selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'organe d'entrée de lumière et 1 ' organe de sortie de lumière comprennent des fibres optiques (9, 14).
6. Capteur optique de vibrations selon la revendi¬ cation 5, caractérisé en ce qu'il comporte des lentilles (11,13) disposées en regard d'une extrémité des fibres optiques .
7. Capteur optique de vibrations selon la revendi¬ cation 6, caractérisé en ce que les lentilles ont une forme sphérique.
8. Capteur optique de vibrations selon la revendi¬ cation 1, caractérisé en ce que le support (1) est une plaque sur laquelle sont fixés l'organe d'entrée de lumière (19) et l'organe de sortie de lumière (20) et en ce que la membrane (6) est formée par une partie du support délimitée par des fentes (18).
9. Capteur optique de vibrations selon la revendi- cation 8, caractérisé en ce que les organes d'entrée de' lumière (19) et de sortie de lumière (20) sont des guides d'onde ayant des extrémités en regard.
10. Capteur optique de vibrations selon la revendi¬ cation 9, caractérisé en ce que la membrane (6) porte un guide d'onde (21) ayant des extrémités en regard des extrémi¬ tés de l'organe d'entrée de lumière (19) et de l'organe de sortie de lumière (20).
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