Dispositivo de medición óptica de un parámetro físico.

Dispositivo de medición óptica (10) de un parámetro físico que comprende:

- una fuente luminosa láser

(11) para generar un haz de medición en dirección a un blanco (20) y para recibir el haz de medición reflejado por el citado blanco, recorriendo el citado haz de medición un camino óptico cuya variación es función del parámetro físico que hay que determinar, comprendiendo la citada fuente luminosa láser una cavidad óptica (111) y medios de medición del haz de medición reflejado por el blanco,

- un sensor de movimiento (14) de la fuente luminosa láser (11),

- medios de cálculo (15) del parámetro físico a partir de una señal de medición a nivel de la fuente luminosa láser (11) y de una señal medida por el sensor de movimiento (14),

caracterizado por que los medios de cálculo (15) comprenden un medio de calibración (153) del sensor de movimiento (14) con respecto a la fuente luminosa láser (11), el citado medio de calibración comprende un sistema de ganancia variable (154) y un desfasador (155).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/057559.

Solicitante: Institut National Polytechnique de Toulouse.

Nacionalidad solicitante: Francia.

Dirección: Zone d'Activités du Palays, 6, allée Emile Monso, BP 34038 31029 Toulouse Cedex 4 FRANCIA.

Inventor/es: BERNAL,OLIVIER, BONY,FRANCIS, BOSCH,THIERRY, ZABIT,USMAN.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Sistemas que utilizan la reflexión o rerradiación... > G01S17/58 (Sistemas de determinación de la velocidad o la trayectoria; Sistemas de determinación del sentido del movimiento)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE LA LONGITUD, ESPESOR O DIMENSIONES LINEALES... > Instrumentos según se especifica en los subgrupos... > G01B9/02 (Interferómetros)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Sistemas que utilizan la reflexión o rerradiación... > G01S17/32 (que utilizan la transmisión de ondas continuas no moduladas, ondas moduladas en amplitud, en frecuencia o en fase)

PDF original: ES-2531317_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Dispositivo de medición óptica de un parámetro físico La presente invención es relativa al ámbito de los dispositivos optoelectrónicos. De modo más particular, la invención concierne a un dispositivo de medición óptica de desplazamiento de un blanco.

Existen numerosos tipos de dispositivos de medición de desplazamiento, de vibración, de distancia, â?, de un blanco que permiten mediciones denominadas no destructivas, es decir que no deterioran el blanco sobre el cual se efectúan éstas.

Se utilizan frecuentemente métodos ópticos porque estos presentan la ventaja de ser sin contacto con el blanco y no intrusivos. Estos están basados en la transmisión de un haz luminoso por una fuente luminosa láser hacia un blanco y la medición de los cambios de las propiedades ópticas del haz luminoso reenviado desde el blanco por medios de detección y de medición adaptados.

Entre los dispositivos ópticos existentes, pueden citarse entre otros los interferómetros de Michelson, los interferómetros de fibra óptica, los sensores por triangulación. Sin embargo, en estos tipos de dispositivos, es necesaria la utilización de numerosos componentes ópticos, lo que hace difícil la realización de sensores compactos, simples de utilización y de bajo coste. Estos dispositivos presentan además, en algunos, un intervalo de medición limitado a algunos centímetros, incluso a milímetros.

Los dispositivos basados en el fenómeno de retroinyección óptica, conocido generalmente con el nombre anglosajón de self-mixing, ofrecen en comparación un sistema de realización compacto y flexible, de bajo coste.

Estos dispositivos son simples de realizar y solamente necesitan una fuente luminosa láser que emita un haz luminoso de medición sobre el blanco cuyo desplazamiento hay que medir por ejemplo. Una porción del haz de medición es reflejada por el blanco y reinyectada en una cavidad activa de la fuente láser, produciendo interferencias en la cavidad activa de la fuente láser.

Cuando un camino óptico recorrido por el haz de medición procedente de la fuente luminosa láser y que encuentra el blanco varía, por ejemplo en función del desplazamiento del blanco o de la variación del índice de refracción del medio en el cual se encuentra el blanco, se producen fluctuaciones especialmente de la potencia óptica emitida, causadas por estas interferencias. Estas fluctuaciones son detectadas por un fotodetector, tal como por ejemplo un fotodiodo situado en una cara trasera de la fuente láser, o bien directamente a través de una tensión de unión de la fuente luminosa láser. Las señales procedentes del fotodiodo o de la tensión de unión de la fuente luminosa láser son tratadas por medios de tratamiento adaptados y de ellas se deduce la información relativa al desplazamiento del blanco o a la variación del índice de refracción del medio. Así, la fuente láser desempeña a la vez la función de una fuente luminosa y de un microinterferómetro, sin necesitar componentes ópticos externos. Sin embargo, cuando el blanco está colocado más allá de algunos centímetros, puede ser intercalada una lente entre la fuente luminosa láser y el blanco.

Estos dispositivos de retroinyección óptica presentan así la ventaja de ser autoalineados, compactos y menos caros que por interferometría tradicional.

Sin embargo, estos dispositivos son especialmente sensibles a las vibraciones parásitas. Estos, por consiguiente, necesitan ser colocados sobre un soporte estable e inmóvil con respecto al blanco, tal como por ejemplo una mesa óptica, para garantizar la precisión de la medición efectuada. Esta condición, por una parte, implica un coste suplementario importante y, por otra, es inadecuada para una utilización de estos dispositivos en condiciones reales, tales como por ejemplo la instalación en sitios industriales.

El documento US4928152 describe un diodo láser de retroinyección que comprende un acelerómetro como medio de corrección para las vibraciones mecánicas del detector. El documento US6233045 describe un diodo de retroinyección que comprende acelerómetros o inclinómetros para corregir las mediciones de las vibraciones del detector.

La invención tiene por objetivo proponer un dispositivo de medición basado en el fenómeno de retroinyección óptica que responda a requisitos de tensión, de rendimiento y de coste que hagan su utilización realista en un medio industrial.

A tal efecto, la invención tiene por objeto un dispositivo de medición óptica de un parámetro físico. El dispositivo de medición comprende:

- una fuente luminosa láser para generar un haz de medición en dirección a un blanco y para recibir el haz de medición reflejado por el citado blanco, recorriendo el citado haz de medición un camino óptico cuya variación es función del parámetro físico que hay que determinar, comprendiendo la citada fuente luminosa láser una cavidad óptica, -un sensor de movimiento de la fuente luminosa láser,

- medios de cálculo del parámetro físico a partir de una señal de medición a nivel de la fuente luminosa láser y de una señal medida por el sensor de movimiento, -medios de cálculo que comprenden un medio de calibración del sensor de movimiento con respecto a la fuente luminosa láser, comprendiendo el citado medio de calibración un sistema de ganancia variable y un desfasador.

El camino óptico se define como una distancia geométrica recorrida por el haz luminoso relacionada con las propiedades refringentes del medio que atraviesa el haz luminoso, es decir multiplicando esta distancia geométrica por el índice de refracción del medio.

El parámetro físico que hay que determinar, que modifica el camino óptico del haz de medición es por ejemplo una variación de índice de refracción del medio en el cual se encuentra el blanco, una tensión (mecánica, térmica, â?) aplicada a una fibra óptica situada enfrente de la fuente luminosa láser, y preferentemente un desplazamiento del blanco en movimiento según un eje óptico que pasa por la fuente luminosa láser.

La fuente luminosa láser emite el haz de medición en dirección al blanco, el cual refleja una fracción del mismo. El haz de medición reflejado es reinyectado, totalmente o en parte, en la cavidad óptica de la fuente luminosa láser, produciendo con el haz de medición emitido interferencias en la citada cavidad.

Preferentemente, la fuente luminosa láser es un diodo láser pero es posible la utilización de cualquier otro tipo de fuente luminosa láser, tal como por ejemplo un láser de gas.

Cuando el camino óptico recorrido por el haz de medición varía, las interferencias inducidas generan especialmente una variación de la potencia óptica del haz incidente emitido por el diodo láser.

La señal medida a nivel de la fuente luminosa láser es función de esta variación de potencia óptica del haz de medición. Esta variación es función de la variación de camino óptico. La señal medida es por ejemplo una tensión, una corriente o una señal digital.

El sensor de movimiento permite ventajosamente medir el desplazamiento relativo a los movimientos de la fuente luminosa láser en modo de funcionamiento. Estos movimientos pueden ser por ejemplo desplazamientos de la fuente luminosa láser inherentes a las necesidades de la aplicación o desplazamientos parásitos debidos a las vibraciones experimentadas por la fuente luminosa láser.

El sensor de movimiento es un dispositivo apto par medir el desplazamiento de la fuente luminosa láser en funcionamiento, tales como por ejemplo un acelerómetro, un giróscopo o un sensor óptico.

Cuando el sensor de movimiento es por ejemplo un acelerómetro, éste se sitúa preferentemente lo más... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Dispositivo de medición óptica (10) de un parámetro físico que comprende:

- una fuente luminosa láser (11) para generar un haz de medición en dirección a un blanco (20) y para recibir el haz de medición reflejado por el citado blanco, recorriendo el citado haz de medición un camino óptico cuya variación es función del parámetro físico que hay que determinar, comprendiendo la citada fuente luminosa láser una cavidad óptica (111) y medios de medición del haz de medición reflejado por el blanco, -un sensor de movimiento (14) de la fuente luminosa láser (11) , -medios de cálculo (15) del parámetro físico a partir de una señal de medición a nivel de la fuente luminosa láser (11) y de una señal medida por el sensor de movimiento (14) , caracterizado por que los medios de cálculo (15) comprenden un medio de calibración (153) del sensor de movimiento (14) con respecto a la fuente luminosa láser (11) , el citado medio de calibración comprende un sistema de ganancia variable (154) y un desfasador (155) .

2. Dispositivo de medición de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual los medios de cálculo (15) comprenden un primer medio de conversión (151) de la señal medida a nivel de la fuente luminosa láser (11) en una medición de variación de camino óptico total y un segundo medio de conversión (152) de la señal medida por el sensor de movimiento (14) en una medición de desplazamiento de la fuente luminosa láser.

3. Dispositivo de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual el sensor de movimiento (14) es un acelerómetro.

4. Dispositivo de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones 2 a 3 que comprende un fotodiodo (13) a la salida de la fuente luminosa láser (11) , aguas arriba del primer medio de conversión (151) .

5. Dispositivo de medición de acuerdo con una de las reivindicaciones precedentes, en el cual la fuente luminosa láser (11) es un diodo láser.

6. Procedimiento de medición de un parámetro físico a partir del dispositivo de medición óptica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 que comprende las etapas de:

- emisión de un haz de medición por la fuente luminosa láser (11) en dirección al blanco (20) , -medición a nivel de la fuente luminosa láser (11) de una señal representativa de la variación de camino óptico total, -medición por el sensor de movimiento (14) de un señal representativa del desplazamiento de la fuente luminosa láser (11) , durante la medición a nivel de la fuente luminosa láser, -determinación de la variación de camino óptico total por el primer medio de conversión (151) , a partir de la señal medida por la fuente luminosa láser (11) , -determinación del desplazamiento de la fuente luminosa láser por el segundo medio de conversión (152) , a partir de la señal medida por el sensor de movimiento (14) , -determinación del parámetro físico a partir de la variación de camino óptico total y del desplazamiento de la fuente luminosa láser, caracterizado por que el procedimiento comprende una etapa de calibración realizada por los medios de calibración (153) , comprendiendo la citada etapa de calibración una corrección de fase y ganancia entre la señal medida por el sensor de movimiento (14) y la señal representativa de la variación de camino óptico total.

7. Utilización del dispositivo de medición óptica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 para la inspección y el control no destructivo de materiales y piezas manufacturadas.

8. Utilización del dispositivo de medición óptica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 para la medición de desplazamientos y de vibraciones de un blanco.

9. Utilización del dispositivo de medición óptica de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5 para la detección de variación de una mezcla gaseosa y/o líquida.

10. Sistema embarcado que comprende un dispositivo de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5.

11. Dispositivo de medición (10) de acuerdo con la reivindicación 1, en el cual el parámetro físico medio es el desplazamiento del blanco según un eje XXâ?.

12. Sistema para la medición de desplazamientos de un blanco según N ejes, N superior o igual a dos, que comprende N dispositivos de medición óptica de acuerdo con la reivindicación 11.