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1 - GÉNÉRALITÉS

2 - PRINCIPAUX MÉCANISMES EXPLOITÉS POUR LA RÉALISATION DE CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES

3 - UTILISATIONS ET CONSTRUCTEURS PRINCIPAUX DE CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : R2390 v1

Principaux mécanismes exploités pour la réalisation de capteurs à fibres optiques
Introduction aux capteurs à fibre optique

Auteur(s) : Christophe CAUCHETEUR

Relu et validé le 01 juin 2021

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Sommaire

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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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ABSTRACT

An introduction to fiber optic sensors

The idea of using optical fibers as sensing elements has arisen from the need to immunize data optical fiber transmissions from external perturbations such as a temperature changes or mechanical vibrations. Due to their miniaturized dimensions, their robustness, their versatility and their numerous advantages inherent to the use of optical fibers, these sensors have highly developed over the past thirty years. Numerous bibliographic references are therefore available. Bringing a contemporary vision to this field, the main objective of this document is to summarize the development of these sensors and to present the physical principle of the most popular configurations. It is complementary to other documents published in ‘Techniques de l'Ingénieur’ concerning optical fiber sensors.

Auteur(s)

  • 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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KEYWORDS

Introductory article   |   interferometric sensors   |   polarimetric sensors   |   Brillouin backscattering   |   Raman backscattering   |   Rayleigh backscattering   |   Bragg gratings   |   Metrology   |   photonics   |   sensor   |   optical fibres

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r2390


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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 PAGE

2.1.1 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 :

( 1 )

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, notamment pour répondre aux besoins militaires. Ils ont donc été parmi les premiers capteurs à fibres optiques à être commercialisés.

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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...

1 Sites Internet

Portail dédié aux capteurs à fibres optiques :

http://www.opticalfibersensors.org

HAUT DE PAGE

2 Événements

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 PAGE

3 Annuaire

HAUT DE PAGE

3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

BaySpec :

http://www.bayspec.com

Broptics Technology :

http://www.broptics.com

FBGS International :

http://www.fbgs.com

FiberSensing :

http://www.fibersensing.com

Ibsen Photonics :

http://www.ibsen.dk

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Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.

Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.


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