Remerciez-le!

Remerciez @Admin pour avoir partagé cet document gratuitement, de la manière la plus simple, en partageant sur les réseaux sociaux.

Les capteurs à fibres optiques Sommaire Sommaire...............................

Les capteurs à fibres optiques Sommaire Sommaire.........................................................................................................................................1 Introduction.....................................................................................................................................2 1. Définition et classification des capteurs à fibres optiques......................................................3 2. Avantages des capteurs à fibres optiques..............................................................................3 3. Principe de la fibre optique....................................................................................................4 3.1. Les différentes fibres......................................................................................................4 4. Les différents capteurs à fibre optique...................................................................................5 4.1. Capteurs à modulation d'intensité..................................................................................5 4.2. Capteurs à modulation de phase....................................................................................7 4.3. Capteurs chimiques........................................................................................................8 4.3.1. Capteurs à modulation d’intensité:............................................................................9 4.3.2. Capteurs à modulation de phase:...............................................................................9 4.3.3. Capteurs extrinsèques:...............................................................................................9 5. Evolution et tendances.........................................................................................................10 Conclusion.....................................................................................................................................10 Rédigé par NYANTCHA Philippe Page 1 Les capteurs à fibres optiques Introduction Un capteur optique est un dispositif capable de détecter l'intensité ou la longueur d'onde des photons. On les utilise pour détecter un grand nombre de phénomènes:  L’intensité lumineuse  la chaleur (capteur pyrométrique) :  la présence  la couleur (et donc certains gaz ou produits chimiques) Mais aussi pour :  acquérir des informations numériques transmises par des conducteurs (fibres) optiques  des images La mesure (grandeur de sortie) des capteurs optiques est généralement un courant. C’est à partir des variations de ce courant en fonction de différents paramètres que l’on définit les performances du capteur. Les constructeurs énoncent ces paramètres à l’aide de quelques quantités qu’il est important de définir :  Courant d’obscurité : En absence de tout flux lumineux, les capteurs optiques délivrent presque toujours un courant appelé courant d’obscurité I0. Ce courant résulte des effets des grandeurs d’influence et notamment de la température.  Sensibilité spectrale : Lorsque le capteur reçoit un flux φ, il délivre un courant I qui est la somme du courant d’obscurité I0 et du courant de lumière IP, I = Io+Ip. La sensibilité S ne dépend que du courant de lumière et est défini comme étant la dérivée d’un flux lumineux monochromatique par rapport au flux: S= ∂Ip ∂φ .  Détectivité spécifique : En sortie du capteur, on observe toujours des signaux aléatoires d’origines externes ou internes au capteur qui se superposent à la mesure. La détectivité spécifique est l’inverse de la puissance de ces signaux aléatoires. Dans le cadre de notre travail, nous nous attarderons sur les capteurs à fibre optiques. Ils se présentent dans une large mesure comme une retombée des recherches en télécommunications optiques. Rédigé par NYANTCHA Philippe Page 2 Les capteurs à fibres optiques 1. Définition et classification des capteurs à fibres optiques Un capteur à fibres optiques est défini comme un système à une ou plusieurs fibres capable soit de transporter reformation recueillie entre l'extrémité des fibres et le milieu extérieur, soit de coder optiquement l'information liée à la grandeur à mesurer, l'influence de celle-ci se réalisant sur une grande longueur. Dans le premier cas, les fibres sont passives : elles ne servent qu’à amener la lumière et/ou à retransmettre le signal fourni par un dispositif de mesure basé sur un autre phénomène physique (capteurs extrinsèques). Dans le second cas, elles seront actives : la grandeur à mesurer agit directement ou indirectement grâce à un revêtement spécial entourant le conducteur de lumière (capteurs intrinsèques) Les capteurs colorimétriques, les détecteurs de passage affectés au tri, les prosimètres, les capteurs d'identités, de phénomènes diphasiques, les pH mètres sont des capteurs à fibre passive. Par contre dans le cas du gyroscope, de I ‘ampèremètre, de l'hydrophone, du thermomètre, de l'hygromètre, les fibres sont actives. La figure ci-dessous illustre les différents types de capteurs à fibres. Figure 1 : Différents types de capteurs 2. Avantages des capteurs à fibres optiques Les capteurs à fibres optiques présentent des qualités remarquables et certains avantages sur les capteurs traditionnels : immunité aux champs électromagnétiques, insensibilité électrique Rédigé par NYANTCHA Philippe Page 3 Les capteurs à fibres optiques (haute tension, parasites électriques), large bande passante (400 Mhz, 1.5 Ghz), absence de rayonnement du signal à l'extérieur de la fibre, faible poids, dimensions réduites et grande souplesse de configuration géométrique, possibilité de fonctionner à haute température, en milieu corrosif ou explosif, grande sensibilité. Inertie chimique. On réalise des capteurs qui, dans certaines applications, sont plus performants que ceux issus des composants traditionnels. 3. Principe de la fibre optique Une fibre optique est constituée d’un cœur d'indice de réfraction n1 et de forme cylindrique, entouré par une seconde partie, la gaine optique, d'indice de réfraction n2 plus faible. La différence d'indice permet ainsi un guidage de lumière malgré les courbes de la fibre [voir fig. 2]. Figure 2 : Fibre optique L'épaisseur de la gaine est très faible par rapport au diamètre du cœur et les matériaux utilisés sont soit le plastique soit des matériaux organiques à base de silice. 3.1. Les différentes fibres  Fibre à saut d’indice: Seuls deux indices sont utilisés (comme dans la figure ci-dessus) celui du cœur et celui de la gaine. Les rayons lumineux sont réfléchis et effectuent donc des sauts. Ces fibres sont le plus souvent réalisées en plastique et leurs performances sont faibles. Leur diamètre varie de 50 microns à 1mm.  Fibres multimodes ou multimodales ou à gradient d'indice : L'indice de réfraction du cœur n'est pas constant, il décroît du centre vers le bord. de ce fait les rayons lumineux sont Rédigé par NYANTCHA Philippe Page 4 Les capteurs à fibres optiques réfléchis de façon plus amortie au niveau de la surface de séparation. Leurs bonnes performances expliquent l'utilisation massive dans les transmissions de données. Elles sont réalisées en Silice et leur diamètre varie de 50 à 200 microns. Leur diamètre de cœur est grand (50-100 microns ou plus pour les fibres silice ou plastique). Elles laissent passer une grande quantité d'énergie et présentent une connectique moins délicate. Figure 3 : Fibre multimodale  Fibres monomodes ou unimodales : Le cœur de cette fibre a un diamètre très petit (5-7 microns pour les fibres silice), afin d'être le plus près possible de la longueur d'onde. Les émetteurs doivent être des diodes laser. Elles présentent un intérêt pour les capteurs car elles permettent de travailler sur la phase de l'onde ainsi que sur la polarisation. Figure 4 : fibre unimodale 4. Les différents capteurs à fibre optique 4.1. Capteurs à modulation d'intensité On utilise principalement la modulation par pertes dues aux micro-courbures et la modulation par réflecteur et par masque en mouvement. Dans le premier cas, des micros courbures sont créées artificiellement en déformant localement la fibre. Une partie de la lumière est transférée dans la gaine : certains rayons parviennent sur l'interface entre la gaine et le cœur avec un angle d'incidence supérieur à l’angle critique et sont en partie réfractés dans la gaine. Le capteur décrit dans la figure 5 est un capteur de Rédigé par NYANTCHA Philippe Page 5 Les capteurs à fibres optiques pression ou de déplacement. L'intensité détectée est fonction de la pression exercée. La périodicité de la perturbation est choisie pour un couplage maximum entre les modes radiés. Figure 5 : capteur à modulation par pertes Dans le cas de la modulation externe, on réalise un couplage entre des fibres d'ouverture numérique sinθ. Une fibre amène la lumière, la seconde en récupère une partie. Un interrupteur optique est constitué par deux fibres couplées avec ou sans optiques. Un masque lié à une pièce mobile coupe une partie du faisceau, [fig. 6]. L'un des plus anciens capteurs à fibres optiques mis au point fut le capteur réflecteur (proximètre) qui peut prendre plusieurs formes, fibre à cœur multiple, à cœur double, une seule fibre munie d'un coupleur. Le paramètre mesuré est le déplacement. Figure 6 : modulation par réflecteur Rédigé par NYANTCHA Philippe Page 6 Les capteurs à fibres optiques Figure 7 : modulation par masque en mouvement Les capteurs à modulation d'intensité ont été développés très tôt. Ils offrent les avantages de la simplicité, de la sureté, du moindre coût. Cependant pour obtenir une bonne stabilité, il faut s'affranchir des problèmes de variation d'intensité de la source, des pertes variables des fibres. 4.2. Capteurs à modulation de phase En général, la phase φ(τ) d'une onde lumineuse se propageant dans une fibre optique est plus sensible à des influences extérieures que n'importe quel autre paramètre de propagation. Ainsi les capteurs à fibres optiques qui utilisent la variation de phase sont capables des plus hautes sensibilités. Dans cette catégorie de capteurs, nous trouvons ceux qui reflètent la perturbation de la phase absolue et qui sont appelés capteurs interférométriques aussi bien que ceux qui reflètent le déplacement relatif de la phase de deux modes polarises et qui sont appelés capteurs polarimétriques. Comme chaque mode de propagation permis dans une fibre possède sa propre phase et ses propriétés de polarisation, c'est uniquement avec une fibre monomode qu'une phase définie et des états de polarisation existent en chaque point le long de la fibre (quoiqu'ils puissent varier d'un point à un autre) et que l’on peut s'attendre à extraire de manière optimale, à partir de chaque sorte d'état, l'information imposée sur la lumière propagée par les champs que l’on essaie de mesurer. Les capteurs interférométriques et polarométriques de cette classe sont essentiellement basés sur un interféromètre Mach-Zehnder, c'est-a-dire sur des "ponts" de phase optique permettant la détection de uploads/Litterature/ capteurs-optiques-welo.pdf