Optical Rotary Sensors for Avionic Applications

Cette thèse concerne des nouveaux capteurs optiques dédiés aux systèmes de contrôle de vol d'avions «fly-by-wire (FBW)». Les capteurs de déplacement sont utilisés dans les systèmes de contrôle de vol pour détecter la distraction du pilote, les déplacements de l'actionneur et ceux de la surface de vol. Actuellement, les capteurs « Rotary variable displacement transducers - RVDTs» utilisés dans les systèmes de contrôle de vol d'avions FBW sont les capteurs basés sur des circuits magnétiques et électroniques analogiques. Donc, une interface électronique est nécessaire pour la démodulation et numérisation des signaux reçus. Par conséquent, des paires de fils longs torsadés sont utilisés pour connecter le RVDT à l'ordinateur installé à bord de l'avion. Les paires de fils torsadés sont lourds et sensibles aux interférences électromagnétiques (IEM) et aux coups de foudre qui peuvent se produire pendant le vol. Nous proposons des capteurs optiques intelligents pour réduire le poids de l'avion, la consommation du carburant pour un environnement vert, l'IEM et pour utiliser moins de pièces métalliques afin de protéger davantage l'avion contre les coups de foudre. La conception des encodeurs de capteurs optiques rotatifs (Optical rotation sensors - ORSs) est basée sur trois exigences importantes, soient la fiabilité, la linéarité, et l'exactitude de mesures. Ces capteurs intégrés dans le système de vol doivent être intelligents. Pour la fiabilité, la réponse du capteur est calculée à partir du ratio des deux puissances optiques ou celui de la différence divisée par la somme de ces deux puissances optiques. Cependant, pour la linéarité, la réponse du capteur consiste en une relation linéaire avec le paramètre à mesurer qui est l'angle de rotation. Quant à l'exactitude, l'erreur doit être moins de 1% sur toute la gamme de mesures. De plus, pour un capteur intelligent, le capteur basé sur des circuits analogiques, les convertisseurs au monde numérique et l'étape de démodulation doivent être emballés dans un boîtier commun. Dans un premier prototype, un capteur de déplacement ratio-métrique, auto-référant, analogique et optique a été proposé pour les applications avioniques. La position de rotation est déterminée par le ratio de deux puissances lumineuses réfléchie et transmise qui rendent le capteur indépendant de fluctuations de puissance. L'encodeur multi-gradient original proposé compense pour l'usage d'une source non-uniforme.

Abstract

This thesis is on novel optical sensors for smart sensor system needed in flight control system (FCS) of fly-by-wire (FBW) aircraft. Displacement sensors are needed in FBW-FCS to detect pilot inceptors, actuator displacements, and flight control surface movement. Currently, the sensors used for rotary variable displacement transducers (RVDTs) are analog electronic sensors, hence an electronic interface is needed for demodulation and digitization of analog signals. As a result, long twisted wires are drawn from the sensor to the flight control computer (FCC) interface which are heavy and susceptible to electromagnetic interference (EMI) and lightning strike. By proposing smart optical sensors, we aim to reduce the aircraft weight to decrease the fuel usage towards a greener environment, reduce EMI, and protect the aircraft against a lightning strike by using fewer metallic parts. The encoders of the optical rotation sensors (ORS) are designed based on three important requirements of reliability, linearity, and accuracy. In addition, they must be smart sensors to be integrated into the smart sensor system needed in FBW aircraft. For reliability requirements, the designed sensor response is the ratio of two optical powers or the ratio of the difference to the sum of two optical powers. For linearity requirement, the sensor response must be a linear relation with the measurand which is the rotation angle. For accuracy requirement, the error should be less than 1% over the full range. In addition, for a smart sensor, the analog sensor and the electronics for digitization and demodulation have to be packaged into a single housing.In the first design, an optical, analog, self-referencing, ratio-metric, smart displacement sensor is proposed for avionic applications. The position of rotation is determined by an encoder by the ratio of the transmitted and reflected light powers, which makes the sensor independent of power fluctuations. A single multi-gradient encoder design compensates for the use of a non-uniform source. An anti-reflection coated glass window with the outer diameter of 27mm is used with an encoder pattern mapped on it using aluminum deposition. The experimental results show that the ratio of the transmitted and reflected powers has an accuracy of 0.53% over the full range, matching the specifications for avionic applications.