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RÉSUMÉ
C'est en cherchant à immuniser les transmissions de données par fibres optiques de perturbateurs externes, tels que les changements de température, les champs électromagnétiques ou les vibrations, qu'est apparue l'idée d'utiliser les fibres optiques en tant que capteurs. Grâce à leurs très faibles dimensions, leur robustesse et leur versatilité ainsi qu'aux nombreux avantages inhérents à l'emploi de fibres optiques, ces capteurs ont été fortement développés au cours des trente dernières années. De nombreuses références bibliographiques sont donc disponibles. En apportant une vision actuelle du domaine, cet article a pour objectif de résumer l'essor de ces capteurs et de présenter le principe physique des configurations les plus répandues.
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Christophe CAUCHETEUR : Docteur en sciences de l’ingénieur - Chercheur qualifié du F.R.S.-FNRS à la Faculté Polytechnique de l’université de Mons
INTRODUCTION
Notre société est de plus en plus demandeuse d'instruments de mesure et de contrôle de tous types, que ce soit pour la sécurité, le confort ou le contrôle de la qualité de produits. Le développement de systèmes électroniques a permis de mettre au point des dispositifs de mesures fiables, lesquels sont maintenant très éprouvés et très perfectionnés. Leur miniaturisation rend possible leur utilisation en grande quantité et de façon de moins en moins intrusive.
À cette fin, les fibres optiques offrent d'excellentes propriétés, comme une très faible intrusivité, une insensibilité aux rayonnements électromagnétiques et un transfert rapide d'une grande quantité d'informations. Aussi, ses potentialités ne se réduisent-elles pas uniquement au remplacement des câbles électriques. Les capteurs à fibres optiques exploitent, pour la mesure, la sensibilité intrinsèque de la fibre optique en fonction des variations de son environnement (température, pression, contraintes mécaniques…). Ce type de capteurs remplace avantageusement l'instrumentation traditionnelle dans des environnements exigeants comme l'industrie nucléaire, les environnements humides ou à haute température. En règle générale, pour la plupart des applications, ils offrent des performances comparables à celles des capteurs électroniques en termes de précision ou de sensibilité, ces derniers conservant toutefois l'avantage d'être éprouvés depuis plus longtemps par les utilisateurs du métier. La véritable rupture technologique des capteurs à fibres optiques provient de la nature répartie (ou distribuée) de la mesure qu'ils fournissent. Grâce à une instrumentation dédiée qui localise la mesure le long de la fibre optique, une seule fibre optique peut ainsi être considérée comme un grand ensemble de capteurs cascadés.
Ce dossier a pour objectif de présenter les principes physiques des principales configurations de capteurs à fibres optiques et de résumer ensuite leurs performances.
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MOTS-CLÉS
article introductif capteurs interférométriques capteurs polarimétriques rétrodiffusion brillouin rétrodiffusion Raman rétrodiffusion de Rayleigh réseaux de Bragg Métrologie photonique capteur fibres optiques
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2. Principaux mécanismes exploités pour la réalisation de capteurs à fibres optiques
2.1 Capteurs interférométriques
Leur principe de fonctionnement se base sur l’interférence entre deux faisceaux cohérents ou partiellement cohérents qui se superposent. Le signal utile est alors l’intensité du signal d’interférence.
Plusieurs configurations basées sur ce principe ont été reportées.
HAUT DE PAGE2.1.1 Interféromètres de Sagnac
Il s’agit d’interféromètres en anneau non réciproques pour lesquels la lumière se propageant dans le sens horlogique de la boucle en rotation est déphasée de δϕs par rapport à la lumière se propageant en sens contraire. Les interférences du gyroscope ne sont mises en évidence que si la boucle de fibre optique est en rotation autour d’un axe perpendiculaire. En pratique, comme illustré à la figure 5, deux coupleurs et un polariseur sont utilisés. L’intensité détectée est donnée par la relation suivante :
où l 0 désigne l’intensité nominale. Portée en graphique, l’équation (1) donne l’évolution de la figure 6. On constate qu’autour de 0, la pente est minimale, si bien qu’il est impossible de déterminer la direction de rotation, d’une part, et que la sensibilité est très faible, d’autre part. Pour contrecarrer ces limitations, la solution consiste en l’utilisation d’un modulateur de phase placé devant la bobine de fibre dans le but d’introduire un saut de phase non réciproque et de biaiser ainsi le gyroscope dans la zone de sensibilité maximale.
Ces gyroscopes ont été très développés dans les années quatre-vingts,...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - MEUNIER (J.P.) - Physique et technologie des fibres optiques - Traité EGEM, série Optoélectronique, Hermès Science Publication, Paris (2003).
-
(2) - YU (F.T.S.), YIN (S.), YU (Y.T.S.) - Fiber Optic Sensors - Marcel Dekker Inc. USA (2002).
-
(3) - JONES (J.D.C.) - Handbook of Optical Fiber Sensing Technology – Chapitre 12 : Interferometry and polarimetry for optical sensing - John Wiley & Sons (2002).
-
(4) - ROGERS (A.) - Polarization in optical fibers – Chapitre 6 : Polarimetric optical-fiber sensing - Artech House (2008).
-
(5) - MICHIE (C.) - Fiber Optic Sensors – Chapitre 3 : Polarimetric optical fiber Sensors - CRC Press (2008).
-
(6) - WUILPART (M.) - Advanced Fiber Optics – Chapitre 8 : Rayleigh scattering in optical fibers and applications to distributed...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Portail dédié aux capteurs à fibres optiques :
http://www.opticalfibersensors.org
HAUT DE PAGE
Optical Fiber Sensors (OFS) conference : a lieu tous les dix-huit mois, alternativement en Europe, Asie/Océanie et Amérique.
IEEE Sensors conference : a lieu tous les ans.
European Workshop on Optical Fiber Sensors (EWOFS) : a lieu tous les deux ans en Europe.
HAUT DE PAGE3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
BaySpec :
Broptics Technology :
FBGS International :
FiberSensing :
Ibsen Photonics :
Luna...
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