Capteurs à fibres optiques
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Capteurs à fibres optiques
ARCHIVES Capteurs à fibres optiques par Marc FERRETTI Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique (ENSEM) Docteur-Ingénieur 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 Définitions.................................................................................................. Les capteurs à fibres optiques.................................................................... Avantages des capteurs à fibres optiques................................................. Un marché potentiel important .................................................................. Un marché réel décevant pour l’instant .................................................... R 415 - 2 — 2 — 3 — 4 — 4 2. 2.1 2.2 Différents types de capteurs à fibres optiques............................... Architecture des capteurs ........................................................................... Modulateurs de lumière.............................................................................. — — — 5 5 6 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Mesures par fibres optiques ................................................................. Système de mesure..................................................................................... Mesures mécaniques .................................................................................. Mesures électriques, magnétiques et nucléaires...................................... Thermomètres à fibres optiques ................................................................ Capteurs chimiques..................................................................................... — — — — — — 14 14 14 26 28 32 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 Contrôles par fibres optiques............................................................... Détecteur de présence................................................................................. Endoscopie................................................................................................... Contrôles qualitatifs .................................................................................... Transmission de données par fibres optiques .......................................... Système optoélectronique parallèle .......................................................... — — — — — — 34 34 34 35 36 38 Pour en savoir plus........................................................................................... Doc. R 415 epuis leur invention voici plus d’un quart de siècle, les fibres optiques se sont imposées dans les communications. Elles se sont engagées sur d’autres voies comme celles des capteurs à fibres optiques. Équipement de communication, capteur à fibres optiques : ils se différencient par la nature du signal transmis. L’un est conçu de manière à véhiculer le signal avec le minimum de perturbations, tandis que l’autre doit délivrer le plus fort signal possible en réponse à une perturbation spécifiée. Le capteur à fibres optiques bénéficie néanmoins des qualités des fibres optiques de télécommunication (isolation électrique, immunité aux perturbations électromagnétiques, sécurité intrinsèque, résistance aux températures élevées et aux fortes irradiations). D Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 1 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ 1. Définitions 1.1 Les capteurs à fibres optiques Selon la définition normalisée [1], un capteur à fibre optique (ou à fibres optiques ) est : Un dispositif dans lequel l’information est créée dans le chemin optique par réaction de la lumière à la grandeur à mesurer, avant d’être acheminée vers le récepteur optique par l’intermédiaire d’une ou de plusieurs fibres optiques. Il permet de recueillir des informations représentatives des grandeurs mesurées sans autre apport d’énergie que celui des phénomènes observés et /ou des ondes lumineuses circulant dans la ou les fibres. Le chemin optique n’est donc pas passif, contrairement à une liaison optique où l’information est simplement transmise de l’entrée de l’émetteur vers la sortie du récepteur. Cette définition exclut du champ d’investigation des capteurs à fibres optiques, les assemblages comportant un capteur conventionnel et un système de transmission par fibres optiques. Toutefois, l’élément optique sensible à la grandeur à mesurer peut être la fibre elle-même ou bien un élément inséré dans le chemin optique. Une même fibre peut transporter plusieurs signaux de longueurs d’onde différentes : elle autorise à ce titre le multiplexage optique. Le multiplexage optique de plusieurs zones sensibles de la fibre est possible : il s’effectue en repérant ces zones au moyen d’un marquage optique (réseau d’indice) inscrit par exemple dans le cœur de la fibre par un procédé optique. Le démultiplexage et la démodulation se font par analyse simultanée des signaux d’interférences issus des différentes zones. Cette technologie rend possible la mise en œuvre de mesures réparties, ou encore la mesure simultanée de deux grandeurs différentes comme la température et la déformation. ■ Les capteurs extrinsèques mettent en jeu des fibres optiques pour transmettre la lumière entre une source optique et un instrument de mesure (tableau 1). (0) Tableau 1 – Exemples de grandeurs mesurables Grandeurs mesurables Résolution Gamme Déformations 10 –6 ±1% Températures 10 –1 oC – 70 oC à + 375 oC Vibrations ± 1 % d’allongement à 10 kHz (source : Bertin) 1.1.1 Fonctions 1.1.3 Constitution d’un capteur à fibres optiques Les capteurs peuvent assurer quatre fonctions différentes : — l’acquisition d’un paramètre externe au système (saisie externe d’informations pour un automatisme fonctionnant en boucle ouverte) ; — la surveillance du système par acquisition d’un paramètre interne (saisie interne, boucle ouverte) ; — la stabilisation de ce système (saisie interne, boucle fermée) ; — l’asservissement du système à un paramètre externe (saisie externe, boucle fermée). D’une façon générale, un capteur à fibres optiques est un dispositif comportant une ou plusieurs fibres permettant de recueillir des informations représentatives de grandeurs mesurées. La fibre optique est le plus souvent en silice, bien qu’elle puisse être en matière plastique. 1.1.2 Capteur intrinsèque, capteur extrinsèque Toujours selon la norme [1] [2] : Le capteur à fibres optiques sera dit intrinsèque lorsque l’élément sensible est constitué par une ou plusieurs fibre(s) optique(s) dont une ou plusieurs caractéristiques de transmission, de réflexion ou d’émission de la lumière sont fonction de la ou des fibre(s) optique(s). Le capteur à fibres optiques sera dit extrinsèque lorsque les caractéristiques de la lumière sont modifiées par la grandeur à mesurer à l’extérieur de la ou des fibre(s) optique(s). Le transducteur optique est un dispositif qui reçoit de l’information sous forme d’une grandeur physique et la transforme en information sous forme d’une grandeur optique, selon une loi définie. Cette classification peut être jugée incomplète dans la mesure où il existe des zones intermédiaires, par exemple celle où la mesure s’effectue à l’interface entre la fibre et le milieu externe (cas de l’Optoflow, § 3.2.5.2). ■ Dans les capteurs intrinsèques, c’est la fibre optique qui forme elle-même le transducteur : le phénomène à mesurer modifie une caractéristique de la propagation de la lumière (état de polarisation, biréfringence...). Ils permettent de réaliser des mesures dans les zones d’accès difficiles, en environnement très bruité [3]. Ils sont appréciés pour leur faible invasivité et la possibilité d’une mesure répartie. R 415 − 2 Les fibres couramment utilisées ont une enduction extérieure en époxyacrylate : la technologie relative à ce polymère est bien maîtrisée, de sorte que les fibres multimodes comme monomodes peuvent être obtenues avec une excellente précision sur le diamètre (valeur standard : 125 µm, à ± 0,5 µm), qualité essentielle dès lors que la fibre doit être introduite dans un dispositif de maintien (férules des connecteurs). Leur température d’emploi dépend essentiellement de leur conditionnement : la silice a un point de fusion à 1 850 oC, et peut transmettre la lumière sans problème jusqu’à 600 à 700 oC ; des problèmes d’atténuation forte, éventuellement de ramollissement apparaissent à plus haute température. Pratiquement, c’est l’époxyacrylate qui limite la température d’emploi de ces fibres entre – 30 oC et + 60 oC. D’autres enductions polymères permettent au capteur de fonctionner à des températures supérieures : le polyimide par exemple tient jusqu’à 400 oC environ. Des capteurs intrinsèques exploitent ces fibres préalablement bobinées sur un mandrin de diamètre relativement faible (25 à 30 mm) qui dépend de la tenue mécanique de la fibre (résistance à la traction : jusqu’à 4 à 5 GPa). Ils sont utilisés dans tous les milieux liquides, mais aussi les milieux solides à condition de disposer d’une bonne transduction entre la fibre et le solide par l’intermédiaire d’une pâte ou d’un liquide. Le bobinage de la fibre optique sur un faible diamètre engendre une contrainte de courbure, du fait de la différence de longueur de la circonférence entre la partie interne et la partie externe de la fibre. Cette contrainte se transmet en contrainte de traction sur la peau extérieure de la fibre, et en contrainte de compression sur la peau intérieure. Il en résulte des effets pervers : les microfissures présentes au sein de la fibre auront tendance à s’ouvrir. Si le milieu est poreux, les ions d’hydroxyle vont pénétrer dans les microfissures, les creuser par effet de potentiel chimique renforcé, et conduire à l’atténuation (fibres optiques multimodes) ou à la détérioration tant mécanique qu’optique (fibres monomodes). Les fibres optiques destinées à être utilisées en capteurs bobinés doivent par conséquent faire l’objet d’une enduction hermétique à base de carbone, de Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES céramique (carbures, nitrures) ou de métaux réfractaires (titane). Le recours aux capteurs extrinsèques permet dans certains cas de mettre en œuvre un capteur bobiné. Ajoutons que des fibres spéciales sont conçues pour répondre à des besoins particuliers. Par exemple, la société Optectron fabrique sous licences du Commissariat à l’énergie atomique : — une fibre fluorescente entre 0,45 et 0,65 µm, qui est utilisée dans un capteur de brouillard ; — une fibre scintillante qui réagit aux rayonnements β et γ ; elle est utilisée par le CEA et le CERN (Genève) pour la mesure des rayonnements nucléaires. Ces fibres en polymère reçoivent toutes les applications des fibres en silice entre – 40 oC et + 85 oC, ainsi que celles relatives à la détection de matières fissiles ou de gaz de combat. ■ Mesures ponctuelles ou réparties Les mesures réalisées au moyen du capteur à fibres optiques peuvent être ponctuelles ou réparties [4] : — ponctuelles : le phénomène détecté ou mesuré n’est disponible qu’en un seul point (obturation du faisceau lumineux par un diaphragme) ; — continues (intégrées, distribuées ou réparties) : la grandeur physique peut être décelée sur toute la longueur de la fibre optique (parfois plusieurs dizaines de kilomètres) avec une bonne précision et une haute résolution spatiale. ■ Capteur actif ou passif Le capteur peut encore être (figure 1) : — actif : la lumière est générée par une source optique. Une (éventuellement plusieurs) grandeur(s) caractéristique(s) de l’onde lumineuse est modifiée directement ou indirectement par la grandeur à mesurer sur son chemin optique. Dans le capteur à sortie optique, le convertisseur reçoit l’onde lumineuse affectée par la grandeur à mesurer et la transforme en une grandeur généralement électrique ; — passif : la lumière est générée par le phénomène physique lui-même (ou par l’élément sensible à la grandeur à mesurer). Une ou plusieurs grandeurs caractéristiques de l’onde lumineuse émise sont représentatives de la grandeur à mesurer. 1.2 Avantages des capteurs à fibres optiques ■ L’intérêt porté aux capteurs à fibres optiques est lié aux propriétés intrinsèques de ces fibres, ainsi qu’à l’architecture du capteur luimême. Ce capteur a des avantages décisifs : — il ne perturbe pas son environnement. Il peut notamment être employé en environnement explosif ; — son insensibilité électromagnétique est parfaite (très hautes tensions, parasites électromagnétiques) ; — sa dimension transversale est très faible, ce qui lui ouvre la voie aux applications en médecine humaine notamment ; — sa légèreté (associée à l’absence de conduction de la chaleur) constitue un atout supplémentaire ; — sa dimension axiale est grande : le capteur peut être positionné à grande distance, sans perte du signal. ■ À ces principaux atouts, uniques dans le domaine des capteurs, s’ajoutent d’autres avantages spécifiques à certains capteurs à fibres optiques : — plus grande sensibilité et plus grande dynamique que les capteurs traditionnels : les montages interférométriques permettent d’atteindre des résolutions relatives de 10 –6 de l’étendue de mesure ; — grande souplesse de configuration géométrique : le capteur autorise notamment des mesures sans contact sur des objets en mouvement, ou dans des milieux interdisant tout contact physique entre l’unité sous test et les sondes de mesure ; Figure 1 – Capteur actif et capteur passif — isolation électrique entre le processus et l’instrumentation : les matériels délicats sont protégés des risques électriques résultant de différences de potentiel ; — grande fiabilité : possibilité de fonctionner à hautes températures, bonne résistance aux rayonnements nucléaires ainsi qu’à l’impulsion électromagnétique qui serait due à une explosion nucléaire. La combinaison de la fiabilité et de la tenue à l’environnement justifie l’emploi du capteur à fibres optiques dans le domaine militaire ; — capacité de multiplexer les signaux dans un petit volume autorisant la mise en œuvre d’une technologie redondante : elle constitue un autre attrait pour certaines applications militaires critiques ; — sécurité intrinsèque généralement assurée par le faible niveau d’énergie lumineuse mise en jeu dans les capteurs à fibres optiques ; — bonne adaptation à toute mesure à distance : le capteur à fibres optiques se prête à la télétransmission pour le contrôle des processus industriels mettant en œuvre des matières toxiques ou dangereuses ou encore des mesures par des moyens optiques (colorimétrie, réfractométrie, spectrofluorimétrie) ; — capacité d’effectuer des mesures au moyen de capteurs répartis sur toute la longueur d’une même fibre optique : le développement des réseaux de communication de terrain ouvre la voie à l’exploitation cohérente de réseaux de capteurs chargés de la saisie de données dans les processus industriels ; — possibilité de fabriquer des capteurs à usage unique (capteurs à jeter) avec un bon rapport performances /prix : les capteurs à fibres optiques acquièrent une position intéressante dans le domaine médical. ■ La fibre présente bien entendu des inconvénients. Les plus fréquemment mentionnés sont : — la complexité de la connectique associée ; — la limitation en température (+ 85 oC pour les fibres en matière plastique) ; — la difficulté de détecter un défaut dans les fibres (épissure, cisaillement) ; Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 3 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ — le prix du capteur à fibre optique est plus élevé que celui d’un capteur traditionnel, sans pour autant être plus performant dans les applications usuelles ; — sa technologie n’a pas bénéficié des investissements réalisés par l’industrie des communications. Tableau 2 – Applications des capteurs à fibres optiques Domaine Aéronautique, spatial 1.3 Un marché potentiel important Le développement des capteurs à fibres optiques n’a véritablement démarré qu’en 1977 sous l’impulsion simultanée de plusieurs programmes militaires. Ce développement a été particulièrement important aux États-Unis. Les travaux de la marine américaine visaient à la satisfaction d’un double besoin : — la mise au point de systèmes de contrôle de l’état et des avaries des navires ; — la réalisation de systèmes de surveillance et de détection : flûte remorquée d’hydrophones pour la détection de sous-marins, bouées acoustiques remorquées ou larguées par des moyens aéroportés, détection magnétique de mines au moyen d’engins télécommandés. Sous l’initiative de la DARPA (Defense Advanced Research Project Agency), le programme de recherches FOSS (Fibre Optic Sensor Systems) dirigé par le Naval Research Laboratory (Washington), démarrait en 1978 en vue de la mise au point d’hydrophones et de magnétomètres à fibres optiques. Les besoins aéronautiques et spatiaux relevaient quant à eux essentiellement : — du contrôle actif des hélicoptères par des capteurs de déplacement et de position angulaire à fibres optiques ; — de systèmes de guidage par des capteurs inertiels (gyromètres et accéléromètres) ; Remarque : selon le cabinet Frost & Sullivan, le marché des gyromètres était encore faible en 1992 (estimation de 30 000 dollars en Europe). Leur croissance devrait toutefois être importante (+ 75,4 % par an, en moyenne), notamment dans les secteurs de la défense et de la robotique mobile. — surveillance de moteurs aéronautiques : mesures de températures, de contraintes dans les rotors, du jeu en bout d’aubes mobiles, du niveau de carburant. Les capteurs à fibres optiques (tableau 2) sont désormais aptes à répondre aussi aux besoins spécifiques exprimés par l’industrie nucléaire (ambiance radioactive) [5], les industries de l’énergie (prospection sismique), le secteur médical, la chimie (spectrométrie, contrôle de pollution à distance, mesure en ambiance corrosive ou explosible), l’automatique (automatisation des ateliers, contrôlecommande de machines-outils et de robots industriels, conduite de procédés). (0) En France, le ministère de la Recherche et de la Technologie, se référant aux conclusions du rapport ANRT : CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES (juin 1987), avait lancé à la fin des années 80 un projet pilote fédérateur sur le thème des capteurs à fibres optiques, qui n’a pas eu la suite espérée. Son objectif était ambitieux puisqu’il s’agissait de développer industriellement, de qualifier et d’intégrer dans un système de collecte et de traitement de données, une dizaine de types de capteurs à fibres optiques et de les expérimenter sur un site industriel susceptible d’assurer une promotion rapide. 1.4 Un marché réel décevant pour l’instant On peut évidemment s’interroger sur les raisons de l’échec du projet fédérateur français, que l’on dit probablement associer à une évolution décevante du marché des capteurs à fibres optiques. R 415 − 4 Mesures — position angulaire — détection de dommage dans des composites d’aéronefs — longueur et température de bras de télescopes — position angulaire lue à distance Militaire Caractéristiques — immunité aux perturbations électromagnétiques, faible poids — mesure intégrée (composite instrumenté) — contrôle et intégration de structures — résistance en soufflerie cryogénique — détection sous-marine — intégration dans un système hydrophonique — capteur de cap — détection électro— antennes réparties ou magnétique ponctuelles — intégrité de structures — mesure intégrée bras de télescopes Énergie — mesure de températures sur stators et rotors — immunité aux perturbations électromagnétiques, faible encombrement Transports — champ magnétique — mesure de courant — intégrité de structures — mesure de déforma(châssis, réservoirs de tion et acoustique gaz naturel, T.G.V.) Télécommunications — pression, hygrométrie — seuils lus en transmission ou par réflectométrie optique temporelle — fréquence — surveillance de réseaux arborescents (source : Bertin) ■ Une première étape d’observation Évolution qui s’est traduite par un premier flux de regroupements. Ainsi, Luxtron a-t-il acquis Accufiber pour assurer sa position sur le marché des capteurs de température, avant de se retrouver dans le giron du groupe britannique Fairey. De même, Ircon a-t-il été cédé par Square D à Fairey. Technology Dynamics s’est retrouvé dans le grion de Corning pour donner naissance à MetriCor. Il faut bien réaliser que le capteur à fibres optiques n’a pas connu l’adolescence attendue. La taille de son marché n’a guère dépassé le dixième de ce que les grands visionnaires prévoyaient à l’orée des années 80. Ceux-ci ont oublié que, même si le besoin potentiel existait, il faudrait de longues années avant que ces capteurs soient effectivement acceptés. Face à ce marché décevant, les sociétés ayant massivement investi se sont retrouvées en difficulté. Telle était la situation de petites ou moyennes entreprises, fort honorables au demeurant, réalisant des développements tout à fait intéressants, mais elles étaient trop vulnérables. ■ Une seconde étape de consolidation Le monde financier a finalement perçu la véritable nature de cette industrie des capteurs à fibres optiques, potentiellement prometteuse, mais à un terme lointain. Les entreprises ayant survécu au premier choc ont alors été cédées à des groupes ayant une vision stratégique à plus long terme : Luxtron a été cédé à Fairey, MetriCor à Photonetics. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ■ Y aura-t-il une troisième étape ? Aujourd’hui, aucune grande entreprise ne se distingue dans le paysage du capteur à fibres optiques. Il y a manifestement une opportunité à saisir pour les PME ambitieuses. En France, Photonetics construit un fonds technologique qui la rend difficile à contourner. Il lui est arrivé de déceler des technologies brillantes, mais difficiles à supporter par une PME. Ainsi en a-t-il été au début des années 90 avec le gyromètre à fibres optiques, qui offrait apparemment les meilleures performances annoncées jusqu’alors. C’est dans cet esprit que sa licence a été concédée à différentes sociétés (Northrop, Sfim Industries). De leur côté, les deux sociétés Thomson-CSF et Bertin ont signé au mois de mars 1994 un accord concernant la mise en commun de leurs savoir-faire respectifs dans le domaine des capteurs à fibres optiques : ● Bertin, première société européenne privée et indépendante de recherches sous contrat, a acquis l’activité amont de Thomson-CSF qui, au travers de son Laboratoire Central de Recherches, dispose d’une compétence reconnue dans les technologies de l’optoélectronique et de l’optronique. ● Thomson-CSF bénéficie du potentiel d’études de Bertin. ● Les deux entreprises se sont donné mutuellement accès à leurs connaissances antérieures et à leurs connaissances futures dans le domaine, en particulier au travers de leurs portefeuilles de brevets. 2. Différents types de capteurs à fibres optiques 2.1 Architecture des capteurs 2.1.1 Constituants d’un système de mesure à fibres optiques L’architecture d’un capteur à fibres optiques comporte les sous-ensembles suivants (figure 2) : — un émetteur de lumière, constitué d’une ou de plusieurs sources lumineuses monochromatiques, cohérentes ou non, continues ou impulsionnelles : les sources les plus employées sont les diodes électroluminescentes, les diodes lasers et les diodes superluminescentes ; — un guide d’onde optique : la fibre optique (monomode ou multimode) qui peut être soit standard, soit spécialement réalisée pour effectuer une mesure dans un contexte particulier, ou un guide d’onde intégré sur un substrat en semiconducteur. Des équipements annexes (coupleurs et connecteurs optiques) doivent lui être adjoints ; — un élément sensible à la grandeur physique à mesurer : c’est le transducteur qui donne la correspondance entre la valeur de cette grandeur et la valeur prise par l’une des grandeurs caractéristiques de la lumière ; — éventuellement, des fonctions complémentaires de modulation de lumière, de polarisation... ; — un récepteur de lumière : photodiode(s) suivie(s) d’un étage électronique d’amplification ; — un démodulateur, chargé d’extraire les informations sur la grandeur mesurée ; — des circuits d’alimentation en énergie. 2.1.1.1 Sources optiques De nombreux développements ont été réalisés initialement à 0,632 µm, longueur d’onde du laser à hélium-néon, puis dans l’infrarouge à 0,840 µm. D’autres sources à 1,3 µm et 1,55 µm permettent la mise en valeur d’atténuations beaucoup plus faibles. D’autres part, il est possible de parvenir à une amplification optique par pompage Figure 2 – Principe de conception d’un capteur à fibres optiques sur l’erbium à la longueur d’onde de 1,3 µm ; ceci ouvre des perspectives extrêmement intéressantes de développement : on peut en effet envisager de régénérer le signal optique directement, sans avoir à passer par des dispositifs électroniques. Des sources apparaissent à la longueur d’onde de 1,54 µm, là où les fibres de silice présentent l’atténuation minimale. C’est également dans cette région du spectre optique que se situe la bande spectrale de sécurité oculaire, qui se caractérise par un risque bien moindre de dommages à la rétine. En effet, le rayonnement est absorbé à cette longueur d’onde par l’humeur vitreuse, protégeant la vision. Une génération particulière de capteurs à fibres optiques, de type grand public, pourrait naître de ces considérations. 2.1.1.2 Composants d’extrémité Les composants d’extrémité ont bénéficié de nombreux autres progrès. Les méthodes de pompage optique et de changement de fréquences exploitant des effets non linéaires, ouvrent la voie à l’élargissement de la gamme de fréquences et aux sources adaptables tant en puissance qu’en longueur d’onde par accord de la cavité. Les récepteurs en AsGa, AIGaAs ou en InP sont quant à eux susceptibles de fonctionner aussi bien à 1,3 µm qu’à 1,55 µm. Des composants en optique intégrée et en technologie hybride optique/électronique ont fait leur apparition. L’intégration dans un même volume des parties sensibles des moyens de mesure laisse présager le développement de systèmes complets, incorporant sources, capteurs, éléments extrinsèques éventuels et récepteurs. Ils seront capables, en outre, de réaliser le traitement optique des signaux. 2.1.1.3 Optique intégrée La technologie d’optique intégrée sur verre développée par la société GeeO constitue une voie privilégiée vers des composants pour réseaux de communication optique, ainsi que vers une nouvelle génération de capteurs optiques précis, miniaturisés et très proches des capteurs à fibres optiques. Ces capteurs optiques sont reliés au monde extérieur par des fibres optiques le plus souvent. La connectique constitue un important programme d’études. Cette technologie consiste à réaliser par photolithographie des guides d’ondes optiques monomodes sur un substrat en verre, donnant naissance à une génération nouvelle de capteurs interférométriques (capteurs de déplacement, capteurs chimiques) [6]. La technologie de l’échange d’ions permet de réaliser des guides enfouis dans le matériau et d’éviter les effets parasites à la surface du verre. D’autres guides très proches de la surface sont également nécessaires pour l’élaboration de capteurs à ondes évanescentes afin de créer l’interaction avec d’autres matériaux et assurer l’effet de transduction. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 5 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ Ces capteurs sont associés à des multiplexeurs de fréquence et de longueur d’onde et à des amplificateurs optiques. Remarque : le GeeO est un GIE fondé en 1989 par l’INPG et la société Merlin Gerin (groupe Schneider). Structure positionnée à l’interface entre la recherche universitaire et la production industrielle, il a pour vocation d’assurer le transfert de technologie en vue de la pré-industrialisation de produits que les industriels pourront ensuite porter sur le marché. À l’origine de son savoir-faire, se trouve le LEMO, pionnier européen de l’optique intégrée sur verre. GeeO INPG LEMO GIE Groupement d’électromagnétisme expérimental & d’optoélectronique Institut national polytechnique de Grenoble Laboratoire d’électromagnétisme, micro-ondes et optoélectronique Groupement d’intérêt économique 2.1.2 Conception d’un système de mesure à fibres optiques Les fibres optiques utilisées éventuellement dans le sous-système de transmission ne doivent pas introduire de perturbations au signal véhiculé. En revanche, les fibres optiques de l’élément sensible (le modulateur) offrent nécessairement la sensibilité maximale aux variations de la grandeur mesurée. Certains auteurs suggèrent d’employer une fibre sensible de forte atténuation, afin d’augmenter la sensibilité du capteur et d’améliorer sa résolution spatiale. 2.1.1.4 Système de mesure ■ Ce sont les propriétés mécaniques et thermiques de la gaine qui déterminent les diverses fonctions des fibres optiques : selon les caractéristiques thermomécaniques du matériau constitutif de cette gaine, principalement son module d’Young et son coefficient de Poisson, la fibre est plus ou moins bien protégée de l’extérieur. La conception d’un capteur à fibres optiques peut finalement être considérée comme un problème d’élaboration d’un système de mesure (figures 3 et 4), avec un élément capteur sur lequel la grandeur à mesurer est directement appliquée, et un dispositif de transmission (éventuellement à fibres optiques) qui doit être aussi insensible et isolé que possible des perturbations de l’environnement. Ainsi, les fibres optiques peuvent-elles être choisies de manière à optimiser une fonction. Ainsi, dans un système de transmission, la gaine présente une forte résistance thermique et mécanique. En revanche, la gaine des fibres du modulateur se caractérise par une très faible résistance thermique ou une très faible résistance mécanique selon la nature des mesures à réaliser. On quantifie souvent la résistance mécanique par deux critères : le rayon minimal de courbure (entre 1 cm et 1 mm) et la résistance à la torsion avant rupture (de 30 tr/m pour une fibre à faible résistance, à plus de 200 tr/m). D’autres capteurs (température, courant) fondés sur les mêmes principes de l’optique intégrée sur verre sont également développés. ■ Les fibres optiques se scindent elles-mêmes en deux catégories : les fibres multimodes laissent se propager plusieurs modes électromagnétiques, alors que les fibres monomodes (ou unimodales) n’en acceptent qu’un seul. Or, certains capteurs mettent en jeu un phénomène d’interférences entre deux ondes se propageant dans la fibre optique ; celle-ci doit être capable de conserver la phase de chaque onde pendant toute la propagation du faisceau lumineux ; de plus, pour que les effets de biréfringence réciproque soient éliminés, il importe que les trajets optiques suivis par les deux ondes qui interfèrent, ainsi que leur état de polarisation, soient identiques afin de rendre le montage parfaitement non réciproque. Une fibre monomode peut tout à la fois conserver un mode de propagation sans déformer son état de polarisation (conservation de la phase) et rendre les deux trajets optiques identiques. Figure 3 – Réseau de capteurs tout ou rien « tout optique » 2.2 Modulateurs de lumière Un vaste domaine de phénomènes optiques existe pour mesurer de nombreuses grandeurs physiques (tableau 3) ; la sensibilité de chaque dispositif dépend du matériau de la fibre et de la structure de l’instrumentation associée. Les dispositifs de mesure (figure 5) se répartissent en cinq catégories suivant la manière dont la lumière est modulée par la fibre : les capteurs peuvent être à modulation d’amplitude, de phase, de polarisation, de longueur d’onde, de temps (variation temporelle d’intensité, de phase, de polarisation ou de spectre). (0) 2.2.1 Capteurs à modulation d’intensité ou d’amplitude Figure 4 – Système de mesure à fibres optiques R 415 − 6 La grandeur physique à mesurer module directement l’intensité de la lumière traversant la fibre optique (souvent multimode). L’onde incidente subit une atténuation (présence d’un milieu absorbant ou diffusant) ou une exaltation (phénomènes de luminescence, fluorescence, phosphorescence) au cours de sa propagation. Cette modulation est la plus simple à réaliser. La mesure est limitée par les fluctuations de puissance de la source ; elle est sensible à l’affaiblissement par la ligne optique. Elle est souvent réservée aux mesures tout ou rien : de nombreux capteurs utilisent l’interruption d’un faisceau lumineux. On peut aussi mesurer l’absorption de la lumière ou la déflexion d’un faisceau lumineux. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES Tableau 3 – Phénomènes optiques de modulation de lumière dans une fibre optique Grandeur physique force mécanique pression Effet optique déformation densité biréfringence effet piézo-optique sur l’indice de réfraction piézo-absorption triboluminescence champ électrique polarisation électrique courant électrique effet électro-optique électrochromisme électroluminescence champ magnétique polarisation magnétique effet magnéto-optique effet Faraday, magnétoabsorption flux photonique rayons X et γ, flux nucléaire production de défauts luminescence induite par rayonnements changement de composition chimique transition de phase changement d’absorption et d’indice chimiluminescence température effets thermiques, thermoluminescence L’intensité lumineuse ainsi modulée est mesurée par un photodétecteur linéaire. Il est possible d’utiliser la variation de couplage de deux fibres dont les extrémités se font face et de déterminer la loi de variation de la transmission de lumière en fonction de l’excentrement des fibres optiques, pour mesurer un déplacement transversal ; l’étendue de mesure est de quelques dizaines de micromètres pour les fibres multimodes, contre quelques micromètres pour les fibres monomodes. On atteint des sensibilités de 0,1 nm ou moins pour des fibres de faible diamètre. Dans les dispositifs à réflexion optique (figure 6), la lumière s’échappe d’une ou de plusieurs fibres placées perpendiculairement à une surface réfléchissante proche. Des fibres optiques captent la lumière réfléchie ; le signal de retour dépend de la distance entre fibre(s) et réflecteur. Le flux lumineux maximal s’obtient lorsque cette distance est égale au diamètre de fibre, tandis que la sensibilité est maximale pour des distances supérieures. ■ L’interruption mécanique (figure 7) du chemin optique au moyen d’un diaphragme mobile se prête bien à l’encodage numérique d’un faisceau lumineux. ■ Les pertes mécaniques dues aux microcourbures le long d’une fibre optique (multimode en général) sont exploitées dans des capteurs (figure 8) où des microcourbures sont créées artificiellement en déformant très localement la fibre au moyen d’un peigne et en déviant vers la gaine extérieure la lumière se propageant dans le cœur. Certains rayons optiques parviennent sur l’interface entre gaine et cœur avec un angle d’incidence supérieur à l’angle limite, et sont en partie réfractés dans la gaine. Pour de petites déformations, les fluctuations lumineuses dans la gaine ou dans le cœur sont proportionnelles au signal qui en est la cause. Des sensibilités d’environ 0,1 nm ont été relevées avec des fibres à gradient d’indice. D’autres techniques ont été mises en œuvre pour la modulation d’amplitude en exploitant, par exemple, des effets électro-optiques, piézo-optiques ou encore la magnéto-absorption. ■ Tous ces capteurs présentent de multiples avantages : simplicité de construction, compatibilité avec la technologie des fibres Figure 5 – Capteurs intrinsèques et extrinsèques optiques, prix de revient modéré. Ils se prêtent particulièrement bien à la télémétrie à faible et moyenne sensibilité. Ils servent à la mesure magnétique, acoustique, à la détermination de valeurs d’accélérations, de températures, de déplacements, de couples, de contraintes, de niveau. Ils peuvent résister à des environnements sévères. 2.2.2 Capteurs à modulation de phase La modulation de phase d’une onde optique peut être due à une élévation de la température, à l’effet de la pression ou de la modification d’une surface optique. Cette variation de phase de l’onde lumineuse est mise en évidence et mesurée de manière indirecte après transformation en variation d’intensité, de spectre ou de polarisation. Les capteurs optiques fondés sur ce principe se révèlent être particulièrement sensibles : la mesure peut donc être très précise. 2.2.2.1 Capteurs interférométriques L’intérféromètre peut faire usage de fibres multimodes. Chaque mode de la lumière réagit alors de manière spécifique aux effets externes. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 7 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ Figure 7 – Modulation d’amplitude par obturateur mécanique Figure 8 – Modulation d’amplitude par modulation des pertes dues aux microcourbures des fibres multimodes Figure 6 – Modulation d’amplitude : dispositif à réflexion optique ■ Un interféromètre en anneau à fibre optique multimode dédié aux mesures gyroscopiques et pouvant opérer sans laser a été présenté par l’ARUFOG(1). Doté de performances certes dix fois moins élevées que celles des gyromètres à fibre monomode, cet interféromètre se distingue cependant par un prix dix fois plus faible (§ 3.2.6). (1) L’ARUFOG (Association pour la Recherche et l’Utilisation des Fibres Optiques et de l’optique Guidée, Saint-Étienne) est une association loi 1901 créée le 6 février 1986. Elle compte une cinquantaine d’adhérents. Elle assure la promotion des fibres optiques, de l’optique guidée et des capteurs par son rôle de plate-forme technologique. Elle assure aussi des formations, réalise des mesures optiques, met à la disposition des entreprises R 415 − 8 du matériel de haute technologie, réalise des expertises et joue le rôle de consultant, contribue enfin à la signature de contrats de recherche régionaux, nationaux et européens. ■ Les interféromètres, pour la plupart, mettent toutefois en œuvre des fibres monomodes dans lesquelles l’onde optique conserve à la fois sa phase et son état de polarisation sur de grandes distances. Dans les capteurs à modulation de phase, on agit sur les propriétés de la fibre pour modifier la phase de l’onde en appliquant des charges externes : champ de pressions statiques ou dynamiques, gradients thermiques, efforts mécaniques. À chacune de ces charges, correspond un capteur spécifique : piézomètre, thermomètre, gyromètre, hydrophone, ampèremètre... Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ 2.2.2.1.1 Principe des capteurs interférométriques La phase Φ de l’onde qui se propage dans la fibre est le rapport de la longueur L de celle-ci à la longueur d’onde de la lumière. Elle s’exprime également par : Φ = knL avec k constante de propagation, n indice de réfraction du milieu. Toute variation de n ou de L conduit à une altération de la valeur de la phase. La fréquence optique est néanmoins d’environ 1012 Hz ; les photodétecteurs ne sont pas capables de capter la forme de l’onde, donc sa phase. Une conversion de la modulation de phase en modulation d’amplitude est par conséquent nécessaire, ce que l’on réalise avec des montages interférométriques. Quatre types d’interféromètres à fibres optiques sont généralement utilisés : Mach-Zehnder, Michelson, Fabry-Perot (figure 9), et Sagnac (figure 22). Le faisceau optique d’une source cohérente monomode est injecté dans une fibre optique (figure 10). Un coupleur jouant le rôle de lame séparatrice envoie la lumière dans les deux bras de l’interféromètre : l’un d’eux est le bras de référence, l’autre le bras de mesure ou de détection. La comparaison des ondes de référence et de mesure fournit une information sur les variations de chemin optique induites par les phénomènes extérieurs (déformations, contraintes, températures...). Dans les interféromètres de Fabry-Perot et de Sagnac, ces deux bras sont matérialisés par la même fibre optique. CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES Dans l’interféromètre de Fabry-Perot, les bras de mesure et de référence sont colinéaires, et l’on obtient une figure d’interférences à ondes multiples. Dans l’interféromètre de Sagnac, les deux ondes lumineuses de polarisation circulaire identique se propagent en sens inverse l’une de l’autre : toute perturbation externe engendre un déphasage relatif entre elles. La superposition cohérente des deux ondes au moyen d’une lame séparatrice ou d’un coupleur engendre un phénomène d’interférences, dont on extrait les caractéristiques par un photodétecteur. La performance des instruments est liée à celle du traitement du signal, souvent analogique. Photonetics préconise les traitements numériques du signal : — les performances de ses gyroscopes destinés aux applications tactiques se situent entre 0,1 et 1 degré par heure ; — celle du gyroscope pour applications stratégiques atteint le centième de degré par heure. 2.2.2.1.2 Capteurs extrinsèques La ligne MetriCor de Photonetics est constituée de capteurs extrinsèques reposant sur un principe commun pour la mesure de la pression, de la température, de l’indice de réfraction, ou du champ électrique : on réalise un micro-interféromètre par usinage sélectif du silicium (photolithographie). Le capteur est formé sur une pastille d’une centaine de micromètres de diamètre. La lecture est réalisée en lumière blanche au moyen d’un micro-interféromètre fixé à l’extrémité d’une fibre optique : il permet de mesurer la valeur absolue de la longueur optique. Compte tenu de la complexité du système d’analyse, ces capteurs extrinsèques sont associés à un dispositif de multiplexage : le système de base dispose de quatre canaux permettant de mesurer tous les paramètres physiques. D’autres systèmes de la même ligne offrent davantage de canaux pour alimenter une seule unité de traitement. Figure 9 – Interféromètres Figure 10 – Interféromètres à fibres optiques Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 9 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ 2.2.2.1.3 Jauge optique L’utilisation des interféromètres a été étendue sous la forme d’une rosette comportant un bras de référence et trois bras de mesure orientés différemment (par exemple, – 45o, 0o, + 45o) de façon à obtenir des informations sur l’évolution des sollicitations suivant ces directions particulières. Ce type de jauge optique pour la mesure de contraintes mécaniques a été utilisé pour détecter les dommages aux impacts sur une aile d’avion. 2.2.2.1.4 Intégration monolithique Les capteurs interférométriques déterminent des variations de phase. Ils sont bien adaptés à la mesure de phénomènes alternatifs. Ils se prêtent à l’intégration monolithique (figure 12). La technologie de l’optique intégrée sur substrat de silicium a permis à la Compagnie des Senseurs Optiques (CSO) de graver un double interféromètre de Michelson sur une puce carrée de 7 mm de côté (figure 11) : du fait de sa petite taille, ce capteur s’intègre très facilement dans les ensembles mécaniques ; l’alignement avec l’objet en mouvement est aisé à réaliser. Une diode laser émet dans le proche infrarouge un faisceau qui est couplé dans la couche guidante du circuit, séparé en deux parties pour constituer les bras de référence et de mesure. Après réflexion sur l’objet en mouvement, le faisceau du bras de mesure interfère avec celui du bras de référence. Quand l’objet se déplace, les franges d’interférence défilent devant les photo-détecteurs : leur comptage mesure le déplacement ; le déphasage optique de π /2 d’une partie du bras de référence, associé aux deux photodétecteurs détermine le sens du déplacement. La plage de mesure de ce capteur est de 250 mm. La précision de la mesure de déplacement est fonction de la distance entre l’interféromètre et l’objet en mouvement : pour la plage d’utilisation 0-250 mm, elle varie de 0,01 à 0,25 µm. La résolution est de 0,01 µm. Ce micro-interféromètre à laser peut servir à la métrologie des tables de déplacement, de mouvement d’objet de microscopie ou de micro-lithographie, au suivi de micro-usinage, ainsi qu’à de multiples analyses vibratoires (bâtis de machines, membranes, machines tournantes), essais de fatigue, sismologie, études acoustiques, calibrage d’accéléromètres, tarage de micro-ressorts, caractérisation d’éléments piézo-électriques, analyse de la croissance de dépôts, etc. Figure 11 – Double interféromètre de Michelson intégré Figure 12 – Capteur interférométrique à optique intégrée R 415 − 10 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES 2.2.2.2 Détection La faible valeur du déphasage à mesurer (quelques dizaines de degrés) oblige les utilisateurs à raffiner la technique de mesure. Deux méthodes de détection ont été envisagées : la détection homodyne, et la détection hétérodyne, chacune d’elles comptant de nombreuses variantes. ■ Dans un circuit de détection homodyne avec modulation de phase (figure 13), le détecteur délivre un courant I d proportionnel à l’expression : θ1 + θ2 θ1 – θ2 1 + cos 2 ϕ F + 2 ϕ 0 cos ω t – ------------------- ⋅ sin ω ------------------ 2 2 avec θ1 et θ2 temps de propagation des ondes 1 et 2 entre le modulateur de phase et le premier cube séparateur, différence de phases à mesurer, pulsation. ϕF ω Après développement en fonctions de Bessel et filtrage, on dispose de la première harmonique : θ1 – θ2 θ1 + θ2 (I) I d ( t ) ~ 2J 1 2 ϕ 0 sin ω ------------------ ⋅ sin ω t – ------------------- sin 2 ϕ F 2 2 (~ proportionnel à) avec J1 fonction de Bessel d’ordre 1. Ce terme est proportionnel à sin 2ϕ F ; la sensibilité de l’appareil pour les faibles valeurs de phase ϕ F est grande puisque proportionnelle à la dérivée ∂ Id /∂ ϕ F qui est maximale lorsque ϕ F = 0. ■ La mise en œuvre de la détection homodyne nécessite en général le recours à des procédés de mesure relativement sophistiqués. Une détection hétérodyne, pour la détection directe de la phase induite par la grandeur à mesurer, apparaît comme plus aisée à réaliser. Un montage simple a été proposé à la Direction des Études et Recherches d’Électricité de France pour un ampèremètre à fibres optiques exploitant l’effet Faraday : une seule source délivre les deux fréquences nécessaires à l’hétérodynage ; cette source est un laser bifréquence émettant colinéairement deux ondes à polarisations linéaires orthogonales, à des fréquences très légèrement différentes l’une de l’autre. Principe du laser bifréquence : c’est un laser à hélium-néon émettant dans le rouge à 632,8 nm, auquel on applique un champ magnétique transverse. On lève ainsi la dégénérescence des nombres quantiques magnétiques. Par effet Zeeman, ceci engendre la levée de dégénérescence de deux niveaux énergétiques des atomes du néon. Une possibilité de transition entre deux niveaux apparaît alors entre un niveau et chacun des deux sous-niveaux, ce qui se traduit par deux raies légèrement séparées. L’effet se traduit par une biréfringence dans le tube laser ; les indices de réfraction associés aux directions parallèle et perpendiculaire au champ deviennent légèrement différents. Cette anisotropie provoque la séparation des fréquences. Grâce à ce laser, on peut faire circuler dans l’interféromètre de Sagnac (figure 14) deux ondes contrapropagatives à polarisations circulaires de pulsations ω 1 et ω 2 très légèrement différentes. Le signal détecté sur la photodiode possède une composante alternative proportionnelle à : cos [ ( ω 1 – ω 2 ) t – ∆ ϕ ] le déphasage valant, après un trajet de longueur L dans la fibre (à la célérité c ) : L ∆ ϕ = --- ( n 1 ω 1 – n 2 ω 2 ) c avec n 1 = n (ω 1) et n 2 = n (ω 2), indices de réfraction associés à chaque onde, eux-mêmes très peu différents l’un de l’autre. En posant : n 1 = n + (∆n/2) n 2 = n – (∆n/2) ∆ω = ω 1 – ω 2 Figure 13 – Détecteur homodyne avec modulation de phase la différence de phase s’écrit : L ∆ ϕ = --- ( ω 1 ∆n + n∆ ω ) = ∆ ϕ F + ∆ ϕ p c ∆ϕ p représente le déphasage dû à la propagation des deux ondes de fréquences (légèrement) différentes (environ 0,23 degré par mètre de fibre). ∆ϕ F est dû au phénomène induit par l’application de la grandeur à mesurer, par exemple la biréfringence magnétique dans le cas d’un ampèremètre à fibre optique : pour un courant de 2 000 A, la phase à mesurer est d’environ un degré par tour de fibre. Il existe une valeur optimale de longueur de fibre pour laquelle la sensibilité (rapport signal sur bruit) est maximale : elle est de 260 m pour une fibre dont l’atténuation vaut 23,5 dB/km, traversée par le faisceau d’un laser à hélium-néon (longueur d’onde de 0,632 8 µm) ; avec un phasemètre de 0,1 degré de résolution, on mesure alors un courant de 0,5 A lorsque les 260 m de fibre sont enroulés sur un touret de 10 cm de rayon. 2.2.2.3 Diode laser à cavité externe Au début des années 80, les National Research Laboratories britanniques ont développé une architecture de capteurs à modulation de phase, de performances inférieures à celle des interféromètres, mais plus simples à réaliser. Dans leurs montage, une diode laser monomode en AIGaAs envoie son faisceau sur un miroir à réflexion totale situé à quelques longueurs d’onde de la cavité laser ; la position de ce miroir est modulée par la grandeur à mesurer, ce qui induit une modulation de la phase de la lumière réfléchie. Sur ce principe, ont été élaborés différents instruments : hydrophones, magnétomètres, accéléromètres, ampèremètres. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 11 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ Figure 14 – Détection hétérodyne adoptée pour l’ampèremètre interférométrique de P. Ferdinand 2.2.3 Capteurs à modulation de polarisation Le lecteur pourra se reporter aux références [7] [8] de la bibliographie. La modulation de polarisation apparaît lors de la propagation d’une onde dans un milieu biréfringent. Contrairement à l’interféromètrie qui s’intéresse au déphasage entre deux ondes ayant parcouru des chemins différents, la polarimétrie concerne le déphasage de deux ondes polarisées s’étant propagées suivant les axes neutres de ce milieu biréfringent, en l’occurrence une fibre monomode à conservation de polarisation linéaire. La polarisation de la lumière est caractérisée par un vecteur. Sa détermination s’effectue par la mesure de deux intensités lumineuses au moyen d’un analyseur. La mesure est sensible à la qualité de la ligne optique. Les dispositifs à modulation de polarisation sont simples à mettre en œuvre. Lorsqu’une perturbation est appliquée à une fibre unimodale, sa biréfringence se trouve modifiée, donc les constantes R 415 − 12 Figure 15 – Capteurs utilisant l’effet de biréfringence dans les fibres optiques des deux modes qui s’y propagent. Il en résulte une variation de l’état de polarisation de la lumière à la sortie de la fibre, liée à l’intensité de la perturbation. De tels capteurs polarimétriques ont servi à mesurer le champ magnétique, les vibrations acoustiques, la pression, des forces ou des contraintes, des variations de température. 2.2.3.1 Biréfringence La biréfringence dans une fibre optique peut être attribuée à plusieurs causes : ellipticité de cœur, contrainte latérale interne, effort latéral externe, torsion, courbure, température, champ magnétique (figure 15). Bertin utilise des fibres monomodes à maintien de polarisation : la polarisation de la lumière est transmise quasiment sans changement, avec des intermodulations faibles, de l’ordre de 50 ou 60 dB Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ entre deux polarisations. Les deux ondes polarisées orthogonalement voyagent avec des vitesses de phases différentes le long de la fibre. Cette différence est fonction de la température. Après étalonnage, il est possible de retrouver la valeur de la température correspondant à un déphasage mesuré. Divers effets physiques (magnéto-optique, acousto-optique, élasto-optique) ont été exploités par les chercheurs pour moduler la lumière et contrôler l’état de polarisation dans une fibre optique. Ces effets donnent lieu à la conception de multiples dispositifs, notamment des capteurs à fibres optiques. 2.2.3.2 Effet magnéto-optique (effet Faraday) ■ L’effet Faraday a été découvert au siècle dernier et étudié par de nombreux chercheurs, en particulier Verdet entre 1854 et 1863. Celui-ci a observé la rotation d’un angle θ du plan de polarisation d’une onde lumineuse se propageant dans un milieu optique, lorsqu’un champ magnétique H est appliqué parallèlement à la direction de propagation de la lumière : θ = VH ⋅ L CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ■ Le montage optique le plus simple pour la mesure du courant est de type polarimétrique : la polarisation de la lumière issue de la fibre plongée dans le champ magnétique est analysée par un système optique séparateur de polarisation. On a obtenu de la sorte des mesures d’intensité électrique entre 50 et 1 200 A à 0,24 % près, avec un rapport signal sur bruit de 85 dB à 1 000 A. Toutefois, si cette technique d’analyse par polarimétrie donne satisfaction lorsque le milieu soumis à l’effet Faraday est un cristal de quelques centimètres, il n’en va pas de même pour les fibres monomodes pour lesquelles les imperfections intrinsèques limitent fortement la sensibilité de la mesure ; même si certains artifices comme la torsion de la fibre permettent de surmonter les défauts inhérents à ce milieu, l’importante sensibilité de la biréfringence aux perturbations extérieures (température, vibrations) provoque une dérive diminuant nettement les performances attendues d’un tel système. ■ Les montages interférométriques ont l’avantage de mettre en évidence l’effet Faraday et d’éliminer les phénomènes perturbateurs gênants dans le montage polarimétrique. 2.2.3.3 Effet électro-optique où L est un vecteur représentant le trajet optique sur lequel se déroule l’interaction magnéto-optique, et V la constante de proportionnalité, dite constante de Verdet caractérisant le milieu. Cette constante vaut : V = 4,5 · 10 –6 rad/A L’effet électro-optique linéaire est exploité depuis de nombreuses années dans les modulateurs à effet Pockels travaillant dans un large domaine de fréquences (jusqu’au gigahertz). Les capteurs électro-optiques devraient couvrir la même largeur de bande ; on a néanmoins débuté par des basses fréquences (50 Hz) pour gravir petit à petit l’échelle ascendante des fréquences. pour la silice [31]. L’une des caractéristiques les plus remarquables de l’effet Faraday est sa non-réciprocité par rapport au sens de propagation de la lumière : lors d’une première traversée du matériau magnétique, le plan de polarisation d’une onde linéaire tourne d’un angle θ ; si cette même onde retraverse le milieu en sens inverse, le plan de polarisation tourne une nouvelle fois de cet angle θ, dans le même sens que précédemment. Dans une boucle contenant N spires soumises au champ magnétique, l’angle de rotation total est donc égal à N fois la rotation élémentaire dans chaque spire (figure 16). La rotation du plan de polarisation s’effectue au sein d’un cristal électro-optique tel que le niobate de lithium (LiNbO3 ), l’oxyde de bismuth-silicium (Bi12SiO20 ) ou le tellurure de cadmium (CdTe) : en sortie du cristal, la lumière possède une polarisation elliptique. La linéarité de certains de ces dispositifs a été démontrée pour des champs compris entre 0,2 et 2 kV/cm, et l’influence de la température évaluée à 0,1 %/ K. On s’est servi de cet effet pour moduler périodiquement l’intensité d’un faisceau lumineux de longueur d’onde variable. De la sorte, des températures ont été mesurées avec une précision de quelques dixièmes de degré Celsius, entre 0 et 500 oC dans des réservoirs géothermiques, à 2 km de profondeur. 2.2.4 Capteurs à modulation de longueur d’onde Ces capteurs exploitent les composantes spectrales de la lumière : la mesure révèle des variations de positions spectrales ou de largeurs spectrales, corrélativement avec la valeur du paramètre mesuré. Il est ici fait appel au spectrophotomètre à système dispersif ou à des filtres optiques. La mesure peut être très précise (± 1 %). ■ L’Optopac de Photonetics mesure l’absorption d’un milieu souvent liquide avec une, deux ou plusieurs longueurs d’onde. La sonde à fibre optique est couplée à une ou plusieurs sources de lumière, un ou plusieurs filtres, et un ou plusieurs détecteurs. C’est un opacimètre basé sur la technique de spectrophotométrie à deux longueurs d’onde. Il se distingue du Spectrofi, capteur spectrophotométrique qui analyse l’absorption de la lumière sur l’ensemble du spectre. ■ Dans des capteurs de vibrations, deux filtres colorés se déplacent devant des diodes électroluminescentes jouant le rôle d’obturateurs. Figure 16 – Effet Faraday ■ L’absorption optique des semi-conducteurs varie avec la température ambiante. Un système de mesure thermométrique est constitué d’une source dont la lumière se propage dans les fibres optiques et traverse le semi-conducteur qui agit en modulateur. L’intensité lumineuse sur le récepteur dépend de la température au niveau du capteur. Toutefois, celle-ci n’est pas seule responsable des variations d’absorption : l’atténuation intrinsèque de la fibre, ainsi que les pertes dues aux câbles et aux connexions ont des effets non négligeables qu’il convient de différencier de ceux de la température. Un système de référence permet de pratiquer cette distinction. Il est constitué d’un coupleur optique qui émet deux Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 13 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ impulsions lumineuses de longueurs d’onde différentes ; l’une d’elles possède une bande spectrale absorbée par le semi-conducteur, l’autre un spectre de référence qui n’est modulé que par les autres causes d’atténuation. Sur ce même principe, fonctionne un modulateur fondé sur les variations d’absorption optique d’une fibre optique dopée aux terres rares (europium). On pourrait aussi jouer sur la fluorescence des ions d’europium : ceux-ci émettent sur des longueurs d’onde variables avec la température. Les réactions chimiques sont enfin, elles aussi, susceptibles d’offrir de nombreux phénomènes colorés exploitables dans des instruments de mesure. 3. Mesures par fibres optiques 3.1 Système de mesure Un système de mesures par fibres optiques comporte plusieurs constituants : la partie active est constituée de la source et du détecteur ; la partie électriquement passive est formée du soussystème de transmission par fibres optiques et du capteur à fibres optiques. Le capteur module le signal émis par la source, le sous-système de transmission véhicule la lumière vers la zone sensible, puis l’information vers le détecteur. 2.2.5 Capteurs à modulation de temps 3.2 Mesures mécaniques La source de lumière est pulsée. L’impulsion traverse la zone sensible où elle est transformée, ou retardée. La mesure s’effectue par comparaison de l’impulsion de sortie à celle d’entrée. On peut, par exemple, faire circuler une impulsion optique dans une fibre optique et, à partir de la mesure de son temps de propagation, déterminer la longueur de la fibre qui elle-même possède un coefficient de dilatation linéaire d’environ 10 –5 K –1 : on a alors le moyen d’en déduire une valeur de température. La sensibilité de cet instrument est toutefois plus faible que celle de l’interféromètre. La fluorescence du séléniure de zinc ou du sulfure de zinccadmium donne lieu à une émission qui décroît avec le temps, et la vitesse de décroissance est variable avec la température. Voilà un autre moyen de mesure de température. Il suffit d’exciter un luminophore par une impulsion ultraviolette (figure 17) : la largeur de l’impulsion de retour est proportionnelle au temps de décroissance de l’émission fluorescente. Les capteurs de déplacement, de position et de proximité constituent un marché important pour les capteurs à fibres optiques. Ils servent notamment dans des applications industrielles, dans le domaine du conditionnement et de l’emballage. On apprécie particulièrement leur faible encombrement, leur sécurité intrinsèque, et leur compatibilité avec les autres systèmes électroniques de mesure. 3.2.1 Distances et déplacements 3.2.1.1 Micro-rupteurs optiques Des capteurs à modulation d’amplitude simples et bon marché sont utilisés depuis les années 60 pour les mesures de position, de distance et de déplacement. Dans le micro-rupteur optique, une fibre amène le faisceau lumineux (pas nécessairement cohérent) vers la surface (écran diffusant, miroir) dont on veut connaître la position ; la lumière réfléchie ou diffusée est captée par cette même fibre optique, ou par une fibre dédiée au retour lumineux. Elle est conduite vers une cellule photosensible (figure 18a et 18b). Le jeu entre l’extrémité des fibres optiques et la surface éclairée (figure 18c) est un paramètre essentiel du système de mesure. Si le jeu est trop petit, la lumière est réfléchie directement dans la fibre qui l’a amenée et la fibre de retour ne perçoit (quasiment) rien. À l’inverse, si le jeu est trop important, la lumière renvoyée par la surface éclairée n’est plus perçue, du fait de la trop forte divergence du faisceau réfléchi. Entre ces deux situations extrêmes, il existe une valeur optimale du jeu, pour laquelle la réponse de l’instrument est maximale (figure 18d ). De nombreuses configurations existent. On a utilisé par exemple des fibres à saut d’indice de diamètre de cœur égal à 63,5 µm, de diamètre de gaine extérieur égal à 68,5 µm, et d’ouverture numérique égale à 0,63. L’ouverture numérique est définie par : sin θ m = R 415 − 14 2 θm n1 et n2 angle limite à l’extérieur de la fibre, indices respectifs du cœur et de la gaine de la fibre optique. Environ 900 fibres sont insérées dans un même câble de mesure, avec un fil métallique central conférant la rigidité souhaitée à ce câble. Ses diamètres intérieur et extérieur sont respectivement de 2,2 mm et de 3,2 mm ; les fibres d’émission et de réception y sont positionnées de manière régulière ou aléatoire, selon la forme souhaitée de la courbe de réponse (figure 18e ). Cette courbe évolue peu avec la rugosité de la surface quand les jeux sont faibles (de l’ordre du millimètre). Néanmoins, elle se trouve altérée quand on mesure la position d’objets en verre, en matière plastique, en céramique, ou de surfaces liquides (en raison de l’absorption de la lumière, ou de sa réfraction), et quand le milieu ambiant est autre que l’air. avec Figure 17 – Capteur à modulation de temps pour la mesure thermométrique 2 (n 2 – n 1 ) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES Figure 20 – Capteur à compensation de réflectance (source : MTI Instruments) Figure 18 – Capteurs de position Le jeu entre l’extrémité de la fibre et la surface peut être étendu par adjonction d’une lentille optique à l’extrémité de la fibre (figure 19). Si le coefficient de réflexion de la surface varie au cours de la mesure, du fait d’une élévation de température superficielle par exemple, il n’est plus possible de se servir des courbes d’étalonnage préétablies en laboratoire ; le phénomène est d’autant plus gênant que le site de mesure est éloigné ou difficilement accessible. Une compensation de réflectance est alors indispensable : elle s’obtient en associant deux câbles de mesure avec des dispositions différentes des fibres optiques (figure 20). Comme ces deux capteurs « voient » simultanément les mêmes modifications de la surface observée, il est possible d’éliminer l’effet de la réflectivité par un traitement de signal approprié. 3.2.1.2 Capteur extrinsèque à interféromètre Figure 19 – Influence de la présence d’une lentille optique sur la courbe de réponse d’un câble de 3 mm avec des fibres optiques disposées de manière aléatoire (source : MTI Instruments) Ce capteur permet de mesurer la position avec une bonne précision et une excellente dynamique, mais aussi la pression, la température, les niveaux. Son élément sensible est un interféromètre composé de deux lames partiellement réfléchissantes, l’une fixe, l’autre mobile (figure 21a ). Lorsqu’il est éclairé par la lumière à large spectre issue de la fibre à émission, cet interféromètre renvoie dans la fibre de retour une lumière dont le spectre comporte des cannelures régulièrement espacées (figure 21b ). L’espacement en fréquence optique est directement proportionnel à la distance optique entre les deux miroirs constituant l’interféromètre. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 15 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ Figure 23 – Capteur thermométrique (source :Litton Fiber Optic Products ) Figure 21 – Capteur interférométrique extrinsèque Figure 22 – Interféromètre de Sagnac en anneau L’analyse du spectre optique cannelé au moyen d’un interféromètre ou d’un spectrophotomètre permet de mesurer l’épaisseur optique séparant les lames, et d’en déduire la position de la lame mobile. b) mouvements relatifs de composants mécaniques par rapport à une structure fixe de supportage (roulements à billes) ; c) détermination de la forme de profils complexes (section droite d’aubes de turbines) ; d) déformations très rapides de membranes sous l’effet de la pression ou d’ondes de pression (décharge électrique dans une cavité laser) ; e) déplacements biomécaniques d’organes humains (mécanisme auditif, réponse musculaire à des stimuli) ; f) température d’une éprouvette, à travers l’observation de sa dilatation thermique (figure 23) ; g) dimensions de trous, ou d’autres discontinuités, par déplacement du capteur au-dessus de la surface plane analysée (figure 24) ; h) rugosité superficielle par un éclairage presque rasant de la surface analysée (figure 25) ; i) proximité : la saisie d’informations au moyen de capteurs proximétriques répartis sur les effecteurs (pinces, ventouses) de robots, relève de la perception de leur environnement local. Ils complètent les systèmes de vision chargés des fonctions de perception globale par analyse de scènes. De nombreux domaines sont concernés : robotique (manutention, guidage, assemblage), médecine (prothèse, orthèse, téléthèse), intervention en milieux hostiles ou isolés (domaines nucléaires, sous-marins, spatiaux) ; j) angles : des codeurs angulaires à fibres optiques de moyenne résolution (360 à 1 000 points par tour) et de haute résolution (10 000 points par tour) ont été développés pour les applications en milieux perturbés ou dangereux (avionique, armement, énergie), ils exigent une totale immunité aux parasites électromagnétiques, une bonne tenue thermique et un excellent isolement galvanique ; k) forces : un fil vibrant est plus ou moins tendu par la force à mesurer. Sa fréquence propre est proportionnelle à la racine carrée de la tension que l’on peut donc déterminer par modulation d’intensité de la lumière circulant dans une fibre optique. 3.2.1.3 Gyromètre à fibre optique Pour être complet, mentionnons ce capteur à modulation de phase basé sur l’interféromètre de Sagnac (figure 22). Il fera l’objet d’un développement dans le paragraphe 3.2.6. 3.2.1.4 Applications Tous ces capteurs présentent les avantages d’être simples, solides, compacts, et d’offrir une large bande passante (celle des fibres optiques). Ils servent à la mesure de positions, déplacements, vibrations : a) amplitude et phase de vibrations, même à haute fréquence et faible amplitude (soudage par ultrasons, transducteurs de sonars) ; mesure de fréquences de résonance d’un montage à fibres optiques en vue de déterminer les caractéristiques mécaniques telles que le module de Young [9] ; R 415 − 16 3.2.2 Déformations et contraintes 3.2.2.1 Capteur de déformation Les techniques de mesure des déformations et des contraintes sont multiples [10]. Citons, par exemple, la mesure d’allongement de câbles de renfort, technique qui pourrait servir à l’établissement de l’état de santé de ponts ou de tout autre ouvrage d’art. Dans le cadre du programme européen Brite Euram OSMOS, une fibre optique est incorporée au centre d’un câble fabriqué selon une technique bien maîtrisée, la pultrusion. Le câble est constitué de fibres de carbone ou de silice de faible diamètre (1 à 10 µm) enrobées d’un liant polymère (époxy, polyimide) ; l’ensemble est passé au travers d’une filière, puis polymérisé en sortie. On obtient de la sorte un jonc pultrudé. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES piézo-électrique M à la fréquence f r (figure 26c). L’oreille est excitée à la fréquence f 0 par une onde sonore produite par un haut-parleur HP. L’analyse fréquentielle du signal issu du photomultiplicateur permet de connaître le rapport de l’amplitude du mouvement de la membrane basilaire à celui du miroir piézo-électrique. Les diagrammes des déplacements de la membrane en fonction de la fréquence d’excitation s’en déduisent (figure 26d ). 3.2.2.3 Capteur de vibrations à effet Doppler Au Cranfield Institute of Technology (Grande-Bretagne), l’effet Doppler a été mis en œuvre pour l’analyse vibratoire d’ailettes de turbines à gaz tournant à 1 000 tr/min. Une monofibre de 1 mm de diamètre véhicule la lumière d’un laser à hélium-néon vers le disque à ailettes ; la lumière réfléchie par ce disque, décalée en fréquence par l’effet Doppler, est renvoyée par cette même fibre vers l’instrumentation de mesure (figure 27). L’erreur annoncée sur la mesure de fréquence des vibrations d’ailettes est de 0,12 %. 3.2.2.4 Méthode des microcourbures Figure 24 – Mesure dimensionnelle par balayage de la surface à l’aide du capteur à fibre optique (source : Litton Fiber Optic Products ) Les capteurs de déformation exploitant les pertes dans les fibres par microcourbures ont été employés pour la mesure de pression (résolution de 3,1 µPa) et de déplacement (résolution de 0,08 nm). Divers montages sont possibles (figure 28) pour mesurer les déformations dans les directions longitudinales ε et transversales ε t par des modifications dimensionnelles ∆d et de périodicité ∆ Ω d’une fibre régulièrement courbée. Une fibre optique solidaire au substrat de manière rigide (figure 28a ) est sensible à la fois aux déformations ε et ε t : cette solution n’est pratiquement pas employée. Par contre, si la fibre n’est attachée au substrat qu’en certains points alignés (figure 28b), elle ne répondra qu’à l’une ou l’autre des sollicitations de déformation du fait de la variation de périodicité des boucles ; les effets thermiques ne sont toutefois pas compensés. Enfin, la fibre peut être contrainte de ne répondre qu’à la déformation longitudinale (figure 28c) : la compensation thermique est ici assurée par le choix judicieux des matériaux de la fibre et du substrat. Le facteur de jauge (figure 29) est élevé : il vaut au moins 250 pour une fibre multimode à saut d’indice. Pour une fibre à gradient d’indice (diamètre de cœur : 60 µm, diamètre de gaine : 25 µm, ouverture numérique : 0,20), ce facteur varie avec la périodicité : la sensibilité limite correspond à une déformation relative de 0,01 µm/m. 3.2.2.5 Couplage de fibres Figure 25 – Rugosimètre à fibre optique (source : Litton Fiber Optic Products ) Deux fibres optiques monomodes de même indice de réfraction (n1 = 1,62), de faible diamètre (1 µm) sont insérées dans une même gaine optique (diamètre externe : 250 µm, n 2 = 1,52). Elles sont faiblement espacées l’une de l’autre (par exemple : 2 µm). On observe un couplage optique entre les deux fibres : une fraction de la lumière injectée dans l’une des fibres se retrouve dans l’autre fibre. Le couplage est sensible aux déformations longitudinales et radiales de l’ensemble, tout comme aux variations thermométriques (figure 30). 3.2.2.6 Interférométrie holographique 3.2.2.2 Capteur interférométrique L’interféromètre à fibres optiques a été utilisé à l’ISL (Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis) pour l’étude des mouvements de la membrane basilaire située à l’intérieur de la cochlée. La lumière pénètre dans une fibre optique à gradient d’indice (diamètre externe : 100 µm, diamètre de cœur : 60 µm), et éclaire la membrane basilaire (figure 26a et 26b). La lumière rétrodiffusée, modulée par le mouvement de la membrane, est récoltée par une seconde fibre est interfère, sur la fenêtre d’entrée d’un photomultiplicateur PM, avec la lumière de référence modulée par un miroir Principe : cette technique consiste à enregistrer sur une même plaque photosensible deux hologrammes différents d’un même objet en cours de déformation. Les écarts entre les deux hologrammes génèrent des interférences, et les franges caractérisent l’amplitude de ces déformations. L’interférométrie holographique est notamment utilisée pour contrôler les pales d’hélicoptères et les propulseurs à poudre des fusées. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 17 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ 3.2.2.6.1 Holographie par fibres optiques (figure 31) C’est une extension de l’interférométrie par fibres optiques. Elle consiste à réaliser l’hologramme avec, pour faisceau objet, celui ayant traversé la fibre optique. La séparatrice du montage holographique classique est remplacée par un coupleur optique C : les autres composants optiques (miroir, filtre spatial) sont remplacés par des fibres optiques monomodes. L’un des faisceaux sert de référence, l’autre éclaire un objet ; la lumière diffusée F2 interfère avec le faisceau de référence F1 sur une plaque photographique, donnant l’hologramme H. Le montage ainsi réalisé est beaucoup plus simple qu’un montage classique, car tous les composants lourds (table rigide, dispositif d’alignement des composants optiques) sont éliminés. La reconstruction de l’hologramme peut également se faire à l’aide d’une fibre monomode véhiculant le faisceau laser de référence. Si l’on superpose deux hologrammes d’un même objet lors de cette reconstruction, une seule image tridimensionnelle de l’objet apparaît à l’observateur. Mais, si au cours de la réalisation du second hologramme, l’objet holographié a un tant soit peu bougé, ou s’est déformé, des franges d’interférences apparaissent sur l’image tridimensionnelle. Tel est le principe de l’interférométrie holographique. La position spatiale des franges et l’interfrange sont caractéristiques du mouvement ou de la déformation de l’objet entre les deux prises de vues holographiques. Lorsque l’objet holographié est formé dans une zone difficilement accessible (même sous l’eau), on peut toujours transmettre son image ou son hologramme à l’aide d’un faisceau cohérent (diamètre : 4 mm) de fibres optiques multimodes à saut d’indice (cœur : 12 µm) de large diamètre. Dans ce faisceau cohérent, les positions respectives des fibres sont identiques à l’entrée et à la sortie du faisceau de fibres optiques qui transporte des images. La téléholographie consiste à positionner in situ l’extrémité d’entrée de ce faisceau cohérent, dans la portion d’espace où interfèrent l’onde de référence et l’onde objet, puis à transmettre le réseau d’interférences par le faisceau cohérent, et à n’enregistrer l’hologramme sur un support argentique qu’après la transmission optique. 3.2.2.6.2 Specklegraphie Définition : lorsqu’une surface rugueuse est éclairée par un faisceau laser, l’observateur voit une multitude de grains sur la surface : c’est le phénomène de granularité (ou de speckle) qui est dû à une multitude de micro-interférences entre chacune des ondes renvoyées par les micro-aspérités de la surface rugueuse. L’enregistrement de cette granularité sur papier argentique donne un speckle-gramme. La comparaison optique de deux specklegrammes obtenus sur un même objet en cours de déformation ou de petit mouvement conduit, ici encore, à l’obtention de franges caractéristiques des évolutions géométriques, comme en interférométrie holographique. La granularité se prête bien à la transmission par fibres optiques, dans la mesure où sa dimension est notablement (trois fois) plus grande que le diamètre (12 µm) de chacune des fibres multimodes constitutives du faisceau cohérent. Les fibres optiques s’adaptent à tous les modes opératoires. Elles permettent de simplifier les montages et d’aller chercher des informations dans les zones inaccessibles à l’holographie conventionnelle. 3.2.2.6.3 Montages d’interférométrie holographique L’étude des applications des techniques précédentes à la mesure fine des déplacements (quelques millimètres) a été réalisée dans différents laboratoires, dont l’ISL (Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis). De nombreux montages y ont été mis en œuvre par le professeur Paul Smigielski depuis 1965 avec divers types de lasers. R 415 − 18 Figure 26 – Étude des mouvements de la membrane basilaire par un capteur interférométrique à fibres optiques (source : Institut franco-allemand de Recherches de Saint-Louis ) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES Figure 27 – Capteur de vibration à effet Doppler (source : Cranfield Institute of Technology ) ■ L’interférométrie holographique en temps réel (ou à une exposition) consiste à préparer un hologramme de référence de l’objet à l’état initial, et de lui superposer le front d’onde cohérente produit par cet objet en cours de mouvement ou de déformation. L’observateur perçoit en temps réel les franges d’interférences caractéristiques du mouvement ou de la déformation. ■ Au contraire, en interférométrie holographique à double exposition, les hologrammes du même objet sont enregistrés sur une même plaque photosensible à deux instants différents. Les franges ne sont représentatives que de différences de position ou de forme de l’objet à ces deux instants. ■ Dans la technique dite à moyenne temporelle, l’enregistrement holographique se fait sur un laps de temps relativement long, correspondant par exemple à un grand nombre de périodes (1 000 par exemple) d’un mouvement vibratoire. ■ La technique cinématographique exige d’enregistrer à haute cadence les deux hologrammes. Elle fait usage d’un système laser à double impulsion fonctionnant à la cadence cinéma (25 Hz) mis au point à partir de 1990, dans le cadre d’un projet européen BRITE, en partenariat avec d’autres établissements scientifiques français (Quantel, Sopra), allemands, espagnols. Le système est constitué de deux lasers YAG doublés en fréquence ; ceux-ci délivrent pour chaque vue deux impulsions de 100 mJ, avec un décalage temporel réglable entre une microseconde et la seconde, et une fréquence de répétition de 25 Hz. Figure 28 – Montages de capteurs de déformation avec effet de microcourbures (source : Battelle ) ■ Il est dorénavant possible d’enregistrer les mouvements d’objets dont la surface apparente égale un demi-mètre carré. De plus, chaque image est susceptible d’être traitée par un système informatique mettant à l’ouvrage la technique de double référence qui permet de quantifier les déplacements. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 19 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ Figure 30 – Mesure de déformation par couplage de fibres monomodes (sources : United Technologies Research Center ) Figure 31 – Holographie par fibres optiques (source : Bell Laboratories ) Figure 29 – Montage expérimental du capteur de déformation avec effet de microcourbures (source : Battelle ) ■ L’interférométrie holographique à double exposition fait usage d’un seul faisceau optique de référence pour obtenir des franges d’interférences figées ; l’interfrange correspond à une déformation d’amplitude égale à une demi-longueur d’onde, mais le sens de cette déformation n’est pas restitué. La mise en œuvre de la double référence permet de lever la difficulté : la prise de vues s’effectue avec R 415 − 20 deux faisceaux de référence dont le déphasage est réglable ; au moment de la restitution, on procède en éclairant l’hologramme avec les deux faisceaux de référence simultanément : chacun d’eux restitue l’image de l’objet au moment précis de l’enregistrement de l’hologramme ; en agissant sur la phase, il est possible de décaler les images, faire varier les franges, et donc de disposer de suffisamment d’informations pour connaître complètement le déplacement. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES 3.2.2.6.4 Méthodes d’enregistrement Trois méthodes d’enregistrement sont disponibles. ■ L’enregistrement traditionnel à 25 Hz sur un film de 35 mm est réalisé au moyen d’une caméra spéciale : celle-ci parvient à stabiliser parfaitement la surface photosensible pendant le temps que dure chaque prise de vue, afin d’éliminer tout risque d’apparition de franges due aux vibrations du film. Cette méthode qui donne de bons résultats (résolution du centième de micron), est trop lente pour les problèmes industriels exigeant des contrôles en temps quasi-réel. ■ Cette dernière exigence est satisfaite avec le film thermoplastique qui élimine la phase de développement photographique. La technique consiste à chauffer la surface du film puis à l’exposer. Les franges sont figées au moment du refroidissement. En quelques secondes, l’image holographique est utilisable. Mais la technique est complexe, et les fournisseurs de caméras n’ont pas développé d’équipement dédié au cinéma holographique. ■ La troisième méthode, celle de la téléholographie, consiste à éliminer tout support d’enregistrement optique (film argentique ou thermoplastique) et à faire usage d’une caméra CCD. Sa résolution relativement faible (10 µm) lui permet de ne voir que les franges macroscopiques de l’interférogramme. Cette technique véritablement en temps réel, ne fournit cependant pas directement le déphasage entre les ondes optiques. La caméra CCD mesure des intensités lumineuses. La téléholographie exige d’importants traitements d’images : c’est en fait une technique interférométrique pour mesurer des déformations comme en holographie, mais avec une résolution moindre (0,1 µm). La technique pourrait être généralisée. Il suffirait d’une caméra CCD matricielle de 500 × 500 points (l’équivalent de 250 000 accéléromètres !) pour déterminer sur toute surface de grande dimension, simultanément, et quasiment instantanément, l’amplitude et la phase de chacun des modes de vibration de pièces complexes. 3.2.3 Capteurs de pression et hydrophones Ces capteurs exploitent différents principes : modulation de phase, pertes par microcourbures, modulation de polarisation, couplage d’ondes évanescentes... Appliqués aux mesures acoustiques, ils explorent le plus souvent les domaines infrasoniques et soniques, où la longueur d’onde acoustique est plus grande que le diamètre de la fibre. Élaborés fréquemment au moyen de fibres optiques monomodes, ils en viennent toutefois à mettre en œuvre des fibres multimodes, la modulation d’intensité résultant alors du couplage des modes dans la fibre optique soumise aux effets acoustiques : de telles études ont été menées au Laboratoire des systèmes photoniques de l’Université Louis Pasteur, à Strasbourg. 3.2.3.1 Mesure de la déformée d’une membrane Les déformations de membranes et de diaphragmes sont couramment exploitées pour la détermination de pression. Les techniques optiques sont souvent basées sur la modulation d’intensité lumineuse provoquée par la déformation ou par le déplacement de ces membranes. ■ Des capteurs à fibres optiques mettent ainsi en évidence la variation des caractéristiques de la lumière renvoyée par le diaphragme, le déplacement de repères situés au centre d’une membrane (capteurs extrinsèques), ou la variation de transmission optique d’une fibre plus ou moins comprimée (capteurs intrinsèques). Dans cette dernière méthode (figure 32), l’effet de la pression exercée sur une membrane en Téflon se répercute sur la fibre en silice ; les contraintes mécaniques qui s’y développent provoquent une augmentation d’atténuation, de 4 dB/km initialement, jusqu’à 17 dB/km sous 10 bar, pour une fibre longue de 16 m, caractérisée par un diamètre de cœur de 50 µm, un diamètre de gaine de 125 µm, et une ouverture numérique de 0,2. Figure 32 – Capteur de pression ■ Pour minimiser l’influence des vibrations et celle de la température, c’est la courbure de la fibre optique qui a été exploitée au Gould Research Center. La lumière est émise en direction du diaphragme par un ensemble de fibres optiques multimodes dont les extrémités sont disposées en anneau. Deux autres anneaux de fibres optiques multimodes, identiques aux précédentes et situées de part et d’autre des fibres émettrices, récupèrent la lumière réfléchie (figure 33). La mesure de déformation de la membrane, et par suite de la pression, se déduit du rapport entre la lumière reçue par les fibres externes et celle captée par les fibres internes. ■ La technique des microcourbures a été appliquée par Optofra : l’intensité de la lumière est modulée dans une fibre soumise aux microcourbures par l’intermédiaire de peignes. La pression exercée par l’intermédiaire d’une membrane et d’une bille, déforme une poutre en flexion, entraînant ainsi le mouvement des peignes (figure 34). Les gammes de mesure s’étendent de 0 à 180 bar, et la précision est de ± 1 % de la plage de mesure. Le temps de réponse relevé avec une fibre 100/140 µm est inférieur à 10 ms. 3.2.3.2 Capteur polarimétrique de pression Un effet de biréfringence a été observé dans une fibre optique monomode courbée. Cet effet est susceptible d’être relié au rayon de courbure : toute variation de courbure entraîne une modification de la biréfringence dont l’analyse permet d’atteindre l’origine du phénomène. Le principe a été mis en œuvre pour l’étude d’un capteur de pression acoustique (ou hydrophone) constitué d’une seule fibre monomode bobinée sur un cylindre creux. La variation de la pression à l’intérieur du cylindre provoque une modification de son diamètre, donc de la biréfringence de la fibre. Pour fixer les idées, citons les travaux de G.B. Hocker qui a démontré qu’une variation P de pression sur une fibre nue en silice fondue engendre un déphasage ∆Φ, tel que : ∆ Φ/∆P = 2,6 · 10–11 L/ λ (en rad/Pa). Pour un mètre de fibre (L = 1 m), avec un laser à hélium-néon (λ = 0,632 8 nm), et une variation de pression égale à ∆P = 1 Pa, on trouve un déphasage de 4 · 10 –5 rad. 3.2.3.3 Capteur intrinsèque Thomson-CSF a développé des capteurs de pression faisant largement appel à des effets intrinsèques. Des fibres sélectivement sensibles à la pression ont été réalisées suivant une structure particulière, évidée. Ce sont des fibres monomodes de diamètre extérieur compris entre 100 et 125 µm, comportant de part et d’autre du cœur optique (diamètre : 4 à 6 µm) des évidements de grande dimension (30 à 50 µm) fabriqués concomitamment à la fibre optique. Pour ce faire, le procédé MCVD (Modified Chemical Vapour Deposition) sert à élaborer une préforme de 12,5 mm de diamètre à partir d’un cube Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 21 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ Figure 33 – Mesure de la courbure d’un diaphragme sous pression 3.2.3.4 Capteur interférométrique de pression Les capteurs interférométriques de pression à fibre optique viennent lire les interférences entre la lumière réfléchie par l’extrémité de la fibre et la lumière réfléchie sur une membrane. ■ Un montage à deux bras de mesure, de type Mach-Zehnder, a été proposé dès 1977 par J.A. Bucaro. L’une des voies sert de référence, l’autre constitue le bras de mesure. La grandeur à mesurer perturbe localement le chemin optique sur ce bras, et modifie la différence de marche entre les deux bras. Ce capteur possède une grande sensibilité (2 franges par bar et par mètre de fibre), mais il est aussi sensible à d’autres perturbations induisant des différences de marche parasites. Figure 34 – Modulation d’intensité de la lumière par atténuation induite dans une fibre soumise à des microcourbures par l’intermédiaire de peignes. La pression, transmise par une membrane et une bille, déforme la poutre en flexion, entraînant ainsi un mouvement des peignes. en silice pure dans lequel se trouvent déposés les matériaux du cœur. La préforme est rétreinte afin d’en faire un barreau dont on tire enfin une fibre de 125 µm de diamètre. Les évidements sont formés soit en perçant la préforme, soit en l’usinant de manière à créer des rainures de part et d’autre, puis en la positionnant dans un manchon (tube de silice). Une pression hydrostatique uniforme s’exerçant sur le pourtour externe de cette fibre spéciale est transmise de manière anisotrope vers le cœur. La fibre est alors rendue localement biréfringente. On mesure par conséquent la variation de biréfringence due à la pression. Cette technique a permis de déceler 10 mPa avec des bobines de 50 m de longueur, et 30 mm de diamètre environ. R 415 − 22 ■ D’autres capteurs interférométriques à fibres optiques, un peu moins sensibles à la pression, mais également moins sensibles aux perturbations parasites, ont été réalisés dès 1980 par S.C. Rashleigh. Ils sont constitués d’une seule fibre monomode, donc d’un seul bras. Deux modes orthogonaux dégénérés se propagent dans la fibre ; l’application d’une contrainte extérieure lève la dégénérescence des modes, qui présentent alors une différence de marche dépendant de la perturbation appliquée. Ce genre de capteurs a été employé par Plessey Marine Ltd. pour la conception d’hydrophones interférométriques. 3.2.4 Vélocimètre à fibre optique La vélocimétrie laser à effet Doppler est une méthode de mesure de la vitesse d’objets tant par transmission (écoulement d’un fluide) que par réflexion (solide mobile sous la tête laser). La plage dynamique est très large puisqu’elle s’étend de 10 –6 à 105 m/s. De plus, la mesure est non perturbante. ■ Le principe de la vélocimétrie consiste à éclairer l’objet dont on veut mesurer la vitesse par un réseau de franges claires. La lumière diffusée par l’objet est sujette à l’effet Doppler : sa fréquence est légèrement différente de la lumière d’éclairage. Le décalage de fréquences caractérise la vitesse de l’objet. Dans le cas d’un objet fluide, il convient d’effectuer un ensemencement par des particules de dimen- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES sions suffisamment faibles afin qu’elles soient entraînées à la vitesse de l’écoulement fluide : ces particules diffusent la lumière lorsqu’elles traversent les franges claires. Le signal optique émis par chaque particule est modulé en intensité par les franges sombres, avec une fréquence proportionnelle à sa vitesse. La fréquence de modulation de la lumière diffusée par une particule vaut : f = |V |/y avec |V | y composante de la vitesse V de la particule perpendiculaire aux franges, interfrange. ■ Dans une autre méthode, la particule traverse chacun des deux faisceaux optiques (non parallèles) provenant d’un même laser à hélium-néon. On obtient alors deux faisceaux diffusés par la particule, chacun d’eux étant caractérisé par une fréquence Doppler particulière. L’interférence des deux faisceaux génère un battement de la fréquence f qui conduit à l’amplitude de la vitesse de la particule, mais pas à la direction de son mouvement. Une méthode peu élégante pour lever cette difficulté consiste à faire usage de deux vélocimètres perpendiculaires : on connaît ainsi deux composantes de la vitesse, ce qui permet de reconstituer le vecteur vitesse V. On peut également moduler la phase Φ de l’un des faisceaux à la vitesse dΦ/dt à l’aide d’une cellule de Bragg ; les franges se déplacent à la vitesse V0 : y dΦ V 0 = ------- ⋅ --------2π dt et la lumière diffusée est modulée à la fréquence : f = |V – V0 |/y On choisit dΦ/dt pour que V0 soit toujours supérieure à l’amplitude de la vitesse V des particules. De la sorte, il sera possible de connaître cette vitesse tant en amplitude qu’en direction. Une diode laser peut enfin servir en lieu et place de l’ensemble laser-cellule de Bragg : il suffit de moduler le courant d’injection. Les fibres optiques s’associent bien avec une telle diode pour constituer des appareillages compacts de vélocimétrie (figure 35). 3.2.5 Mesures dans les écoulements 3.2.5.1 Débitmètre à fibre optique Dans un montage conçu à l’université du Kent, une fibre optique monomode est tendue au travers d’un tube fluide. Elle engendre un tourbillon qui lui-même induit des déformations alternatives de la fibre. La fréquence f des oscillations est déterminée à l’aide d’un montage interférométrique. Le débit s’en déduit à partir de paramètres caractérisant l’écoulement fluide (nombre de Reynolds Re et nombre de Strouhal S ) : f = Sv /d avec d diamètre de la fibre, v vitesse de l’écoulement. Le nombre de Strouhal S dépend du nombre de Reynolds Re, sauf lorsque celui-ci est grand : S est alors constant. 3.2.5.2 Contrôle d’écoulements multiphasiques Plusieurs procédés existent pour ce contrôle : — la diffusion de la lumière par les particules et les inhomogénéités. L’intensité et la distribution spatiale de la lumière diffusée dépendent à la fois de la taille et de la nature des particules. On collecte la lumière diffusée dans une ou plusieurs fibres réceptrices pour disposer d’informations sur le flux multiphasique (figure 36a). Des systèmes ont été mis à bord de pétroliers pour contrôler la concentration résiduelle de gouttelettes de pétrole dans l’eau de ballast avant son rejet à la mer. Des systèmes similaires servent à la mesure de concentration des boues de forage injectées dans les puits de pétrole ; Figure 35 – Vélocimètre Doppler à diode laser et fibres optiques — la réflexion interne totale de la lumière sur une extrémité de fibre en forme de cône est appliquée pour les flux liquides/gaz. Toute bulle de gaz passant par l’extrémité de la fibre provoque la réflexion de la lumière ; celle-ci disparaît quand la bulle est remplacée par du liquide (figure 36b ). Ce principe est à la base du capteur Optoflow de Photonetics, il est exploité pour les mesures dans les écoulements diphasiques, renfermant un mélange d’un liquide et d’un gaz, ou de plusieurs liquides non miscibles : les échangeurs de chaleur, les lits fluidisés, les réacteurs de craquage du polyéthylène, les fermenteurs biologiques. Il fournit une mesure précise du taux de vide, c’est-à-dire du rapport en volume entre les deux phases. Il permet de détecter des bulles de diamètre minimal égal à 0,05 mm. 3.2.5.3 Anémomètre-girouette à fibre optique Au cœur de cet instrument qui mesure à la fois la vitesse du vent et sa direction, se trouve un capteur de déplacement vectoriel dans le plan (§ 3.2.1). Son principe de fonctionnement a été développé par GeeO (Groupement d’électromagnétisme expérimental et d’optoélectronique, § 2.1.1.3) : le déplacement planaire est mesuré au moyen d’un faisceau de fibres optiques. Par l’exploitation de la modulation de l’intensité lumineuse obtenue, on détermine la grandeur et la direction angulaire de ce déplacement par rapport à son origine. Le dispositif est constitué d’un faisceau de 7 fibres optiques multimodes. La fibre centrale émet un cône de lumière vers un miroir circulaire qui la renvoie vers 6 fibres réceptrices. En position origine (figure 37a), les signaux recueillis par ces fibres sont identiques. Lors d’un déplacement du miroir (figure 37b), la répartition des signaux est modifiée proportionnellement au déplacement. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 23 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ d’une fibre optique multimode traversée par le faisceau d’une diode laser pour détecter des variations de l’indice de réfraction jusqu’à 1,7, avec une précision de 10–4 [11] [12]. Sa bonne sensibilité lui ouvre les portes de la détection de gaz [18]. ■ Le réfractomètre GeeO est fondé sur une fibre optique monomode plongée dans le liquide dont on veut mesurer l’indice de réfraction. L’onde envoyée par une diode luminescente est réfractée à l’interface avec le liquide. Le signal permet de connaître l’indice de réfraction avec une précision de 0,01 % et une résolution de 0,005 %. 3.2.6 Gyromètre à fibre optique Le gyromètre mesure les mouvements de rotation. De nombreux auteurs parlent aussi de gyroscope, appareil fournissant une direction invariable. Sagnac en avait indiqué le principe dès 1913. La mise en œuvre du gyromètre à fibre optique n’a été effective qu’à partir de 1976 avec les recherches de V. Vali et R.W. Shorthill à l’université de l’Utah. De grands programmes ont été lancés aux États-Unis, en Grande-Bretagne, au Japon et en France. Ils devraient se traduire par une croissance notable du marché de ces capteurs dans les domaines militaires et de l’avionique. Le produit est déjà commercialisé aux États-Unis par Honeywell et par Northrop Electronics qui ont acquis les licences des technologies développées respectivement par Thomson-CSF et par Photonetics. Figure 36 – Contrôle d’écoulements multiphasiques L’automobile constitue un second marché potentiel. Le gyromètre à fibre optique permettrait, par exemple, de modifier la suspension dans les virages et de repérer le trajet parcouru. Le gyromètre à fibre optique monomode exploite l’interféromètre de Sagnac (figure 38). Pour une fibre de longueur L, disposée dans une boucle de rayon R, tournant à la vitesse Ω, la différence de phase ∆ Φs entre les faisceaux contrapropagatifs issus de l’interféromètre vaut : ∆Φs = 4πRL Ω / λ0 c avec λ0 longueur d’onde du faisceau laser, c célérité de la lumière. Exemple : pour L = 500 m, R = 100 mm, λ0 = 1 µm, et Ω = 0,1o/ h, le déphasage vaut 1 µrad. En général, les vitesses de rotation auxquelles s’adresse le gyromètre à laser sont comprises entre moins de 0,1 et 400o/h. La plage de phases à mesurer est située entre 10 –7 et 10 rad (figure 39). Diverses techniques de détection, hétérodynes ou homodynes, sont mises en œuvre à cette fin. Figure 37 – Anémomètre - girouette à fibres optiques Le dispositif est constitué d’un faisceau de sept fibres optiques multimodes. La fibre centrale émet un cône de lumière vers un miroir circulaire qui la renvoie vers six fibres réceptrices. En position origine, les signaux recueillis par les six fibres sont identiques. Lors d’un déplacement du miroir, la répartition des signaux est modifiée proportionnellement au déplacement. Un tel montage présente de nombreux avantages sur les anémomètres classiques à coupelles : fonctionnement sans pièce en mouvement, utilisation de fibres optiques multimodes. 3.2.5.4 Réfractomètre à fibre optique ■ L’énergie lumineuse transmise par un guide d’onde cylindrique dépend de la différence entre l’indice de réfraction du cœur et celui du milieu diélectrique qui l’entoure. Celui construit au Laboratoire de traitement du signal et instrumentation (Saint-Étienne) fait usage R 415 − 24 Ce gyromètre bénéficie d’une qualité essentielle : les perturbations s’appliquent de manière identique sur les deux chemins opposés de l’interféromètre de Sagnac (principe de réciprocité). Seule la rotation génère un déphasage dont la mesure est ainsi rendue possible. Des progrès conceptuels et technologiques ont permis d’aboutir à une architecture optimale conduisant aux meilleures sensibilités, comprises entre 10 –6 et 10 –7 rad de déphasage (figure 40a) : — configuration réciproque (figure 40b) : une fibre monomode et un polariseur filtrent l’entrée/sortie de l’interféromètre. Ils permettent de s’affranchir des non-réciprocités du séparateur et d’éliminer l’effet de biréfringence résiduelle de la fibre ; — mise en œuvre d’une modulation-démodulation de phase ; — une source de faible cohérence temporelle, telle qu’une diode superluminescente, permet d’éliminer le contraste des ondes ayant suivi des chemins parasites, notamment la rétrodiffusion : cette diode offre la cohérence spatiale nécessaire au couplage efficace dans la fibre monomode de l’interféromètre ; — les fibres à conservation de polarisation éliminent toutes nonréciprocités de biréfringence ; Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES — un traitement de signal en boucle fermée est mis en œuvre pour linéariser et stabiliser le facteur d’échelle ; — le contrôle de la longueur d’onde moyenne de la source permet de s’assurer de sa stabilité. Les principes précédents sont susceptibles d’être appliqués avec des fibres multimodes pour des applications civiles n’exigeant pas de performances techniques aussi élevées, mais par contre de faibles prix de revient. Les gyromètres à fibres multimodes sont susceptibles de répondre à cette attente. Ils doivent toutefois s’affranchir des effets de couplage entre modes. C’est notamment ce à quoi tendent les recherches menées au Laboratoire des Systèmes Photoniques (Université Louis Pasteur) de Strasbourg. La technique se prête à l’intégration : les fibres de l’interféromètre de Sagnac sont couplées au laser et au détecteur par des jonctions à guides d’ondes monomodes fabriquées sur un substrat tel que le niobate de lithium. Figure 38 – Gyromètre à fibre optique Figure 40 – Architecture optimale du gyromètre à fibre optique 3.2.7 Accéléromètre à fibre optique L’accéléromètre est un instrument largement utilisé pour la surveillance vibratoire des machines tournantes. Il constitue en général la première source d’information permettant de prédire un mauvais équilibrage et de prendre les dispositions correctives ou préventives qui s’imposent pour éviter tout risque de dysfonctionnement. ■ Les plus sensibles de tous les accéléromètres sont ceux fondés sur l’interféromètre à fibre optique. L’accélération à mesurer est appliquée sur un système linéaire constitué d’une masse de l’ordre du gramme, et d’un élément élastique suspendu entre deux fibres optiques longues de 1 cm environ, et formant les deux bras d’un interféromètre de Michelson ou de Mach-Zehnder (figure 41). Si l’accélération s’applique dans l’axe des fibres, les forces d’inertie induisent une différence de marche entre les deux fibres. ■ Une seconde conception est celle de l’accéléromètre à deux bobines de fibre optiques (figure 42) séparées par une chambre pleine d’un liquide. Chacune de ces bobines est l’un des bras d’un interféromètre. Lorsque la chambre est accélérée le long de son axe de symétrie, la pression différentielle qui prend naissance au sein du fluide est transmise aux fibres et engendre des différences de marche susceptibles d’être exploitées pour la mesure. Figure 39 – Déphasage dans un interféromètre de Sagnac dû à sa rotation ■ Un accéléromètre à fibres optiques à modulation d’intensité a été étudié à l’École Centrale de Paris et à l’ESIEE (École supérieure d’ingénieurs en électrotechnique et électronique) avec Optofra et EDF. Il utilise une fibre optique multimode dont l’extrémité est positionnée au centre de courbure d’un miroir sphérique. L’intensité du Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 25 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ faisceau réfléchi par le miroir est modulée par une poutre vibrante en silicium micro-usiné placée devant la fibre. La linéarité de cet accéléromètre est de ± 1,2 % dans le domaine des accélérations s’étendant de 0,1 g à 22 g, sa linéarité en fréquence est de ± 1 % dans la gamme de 0 à 100 Hz, et sa sensibilité à la température inférieure à 0,2 % par degré. Ce capteur peut être exploité pour la surveillance vibratoire de machines tournantes, dans un réseau à multiplexage en longueur d’onde. sur un polariseur optique suivi d’un barreau de cristal électro-optique (BSO, BGO, LiNbO3 ). La direction de polarisation de la lumière tourne au sein du cristal d’un angle proportionnel au champ électrique appliqué. Un analyseur transforme ensuite cette rotation en une modulation d’intensité lumineuse. Le même principe s’applique à la mesure du courant, avec des barreaux de verre flint ou des cristaux magnéto-optiques : le champ magnétique créé par le courant induit une rotation de la polarisation par effet Faraday. 3.2.8 Capteurs de niveau 3.3.1 Ampèremètre à fibres optiques Plusieurs technologies sont utilisées pour mesurer la position du niveau libre d’un liquide, déceler l’absence ou la présence du liquide. Les capteurs de niveau classiques font usage de la réflexion de la lumière sur la surface du liquide. La relation proposée par Verdet (§ 2.2.3.2) indique que la rotation du plan de polarisation d’une onde est proportionnelle au champ magnétique dans lequel elle se propage (figure 44). La valeur du champ magnétique H créé par un élément conducteur d parcouru par un courant I est : ■ Il suffit d’installer un mini-prisme à l’extrémité d’une fibre pour réaliser un détecteur de niveau liquide fonctionnant par réflexion interne totale (figure 43). ■ La sonde de niveau Plessey est capable de détecter la présence d’eau ou d’hydrocarbures en analysant l’absorption par le fluide de la lumière émise par une diode électroluminescente. L’eau absorbe fortement le rayonnement infrarouge à 0,98 µm, tandis qu’on trouve dans les hydrocarbures en pic d’absorption vers 0,92 µm. L’analyseur spectral est donc à même de les discriminer. ■ Une autre technique étudiée à l’université du Kent est dérivée du radar optique, dans lequel la phase d’une onde modulée en amplitude est comparée, après réflexion sur une cible éloignée (la surface d’un fluide par exemple), à sa phase initiale. La portée de l’instrument est de 0,1 à 5 m, et sa précision de 0,001 m environ. Les fibres optiques ne servent ici qu’à véhiculer la lumière. Le déphasage ∆ Φ dû à la propagation du faisceau optique à la longueur d’onde λ a pour expression : ∆ Φ = 2πL/ λ La comparaison des signaux sur les détecteurs fournit la différence de phases entre faisceau objet et faisceau de référence, et, par conséquent, la différence entre longueurs de marche de ces deux faisceaux. ■ Toutes ces techniques sont susceptibles de trouver d’autres applications, comme la mesure de la concentration de gaz. Par exemple, des chercheurs japonais de l’université de Tohoku ont décelé du propane sous une pression partielle de 2,4 Torr (320 Pa) en analysant l’absorption de la lumière émise par une diode au phosphure de gallium-induim, sur la longueur d’onde de 1,68 µm. Ils ont utilisé une fibre 50 /125 (diamètre de cœur : 50 µm, et de gaine : 125 µm) en silice à gradient d’indice, longue de 5 km, et d’atténuation égale à 1 dB/km. Ils ont également relevé des faibles concentrations de méthane par analyse de l’absorption sur les longueurs d’onde de 1,33 µm et de 1,66 µm. Ces instruments pourraient servir dans des applications délicates de télésurveillance d’atmosphères dangereuses, explosibles ou toxiques (réservoirs de gaz liquéfiés, de produits pétroliers) ou dans des milieux difficiles d’accès (centrales nucléaires). H = 1 d ∧ r - I ------------------ dH = ------4π r 3 Le vecteur d est porté par cet élément conducteur, et orienté dans le sens du courant. Le rayon vecteur r conducteur au point courant du champ. relie cet élément Le champ magnétique à une distance R du conducteur rectiligne a pour expression : H = I/2πR et la rotation θ du plan de polarisation de l’onde par effet de Faraday s’écrit selon la relation de Verdet : I θ = V H ⋅ L = V L -----------2πR avec V constante de Verdet, L longueur du milieu soumis au champ. Si l’onde se propage dans une fibre entourant N fois le conducteur parcouru par un courant, la rotation élémentaire créée par effet Faraday du plan de polarisation de l’onde par un seul des N tours a pour expression : θ = V H ⋅L le long de la boucle Le théorème d’Ampère affirme que la circulation du vecteur champ magnétique le long d’un circuit fermé est proportionnelle à la somme algébrique I des courants embrassés par ce circuit, soit : θi = V I. La fibre entourant N fois le conducteur, on a : θ = N θi = NV I. Le montage optique le plus simple pour la mesure du courant est de type polarimétrique (figure 15a ) ; les signaux I1 et I2 issus des deux photodétecteurs sont amplifiés de manière différentielle pour fournir une quantité S caractérisant la rotation : S = (I1 – I2 )/(I1 + I2 ) = sin θ 3.3 Mesures électriques, magnétiques et nucléaires Du fait de leurs propriétés isolantes et de leur immunité aux perturbations électromagnétiques, les capteurs à fibres optiques sont particulièrement adaptés à la mesure des grandeurs électriques. Pour la mesure de tension, une fibre multimodale amène la lumière R 415 − 26 Cette technique a été inventée voici une vingtaine d’années, et mise en œuvre au LETI pour mesurer des courants de 7 à 2 000 A crête à crête ; sa bande passante s’étend de 0 à 10 kHz. Le capteur ampèremétrique réalisé à la Direction des Études et Recherches d’Électricité de France comporte un interféromètre en anneau de Sagnac, avec détection hétérodyne à l’aide d’un laser bifréquence. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES Figure 42 – Accéléromètre à bobines de fibres optiques Figure 43 – Extrémité conique de fibre pour la détection de niveau liquide par réflexion interne totale Figure 44 – Principe de l’ampèremètre à fibres optiques 3.3.2 Capteur de champ électrique Figure 41 – Accéléromètre à fibres optiques linéaires dans un interféromètre de Mach-Zehnder (source : Optical Technologies Inc ) La société Tracor a étudié, à la demande de la Marine Américaine, la mise en œuvre de fibres optiques pour la mesure de champs électriques. Le principe retenu repose sur l’emploi d’une fibre monomode enrobée dans une matière plastique piézo-électrique (polyfluorure de vinylidène et tétrafluoroéthylène). Sous l’effet du champ électrique, ce matériau est soumis à une contrainte piézo-électrique qu’il transmet mécaniquement à la fibre optique. Le faisceau lumineux véhiculé subit des changements de phase que l’on détecte par un montage interférométrique. Le capteur Tracor fait usage d’une fibre de 4 µm de diamètre de cœur, et de 100 µm de diamètre de gaine. La zone active du capteur Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 27 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ a une longueur de 12 cm de long, et une épaisseur de 212 µm. Les essais de laboratoire ont démontré une très bonne linéarité entre 0,1 et 2 kV/cm à la fréquence de 5 kHz. Son domaine d’utilisation se situe entre 1 et 100 kHz. 3.3.3 Capteur de champ magnétique On transforme l’interféromètre de Mach-Zehnder en capteur magnétique en y insérant une fibre monomode recouverte d’un matériau magnétostrictif : avec une couche de nickel d’épaisseur optimale (30 µm environ), ont été prédites des étendues de mesure allant de 10 –6 à 1 000 A/m, pour des fibres longues de 1 m. ■ Thermomètres actifs La température du capteur est responsable des variations de paramètres optiques (absorption, indice de réfraction, biréfringence). Ces variations sont exploitées dans une multitude de thermomètres actifs qui modulent : — l’intensité de la lumière (pyrométrie, thermodilatation, etc.) ; — sa longueur d’onde (cavité de Fabry-Perot, pertes spectrales variables, émission due aux luminophores) ; — son état de polarisation ; — sa phase (interférométrie). Leur principe peut aussi être fondé sur la modulation de temps (luminescence, thermochromisme). ■ Pyrométrie 3.3.4 Mesures nucléaires Les fibres optiques peuvent être rendues très sensibles au rayonnement nucléaire. Des matrices à fibres courtes sont d’ailleurs employées dans des scintillateurs afin de visualiser les rayonnements. On a également suggéré l’utilisation de grandes longueurs de fibres pour former des dosimètres. L’effet Cerenkov pourrait servir dans un système de contrôle des explosions nucléaires avec des fibres longues de 100 m. Un scintillateur en semi-conducteur soumis à un bombardement de particules ionisantes engendre en son sein des transitions radiatives ainsi que des mécanismes de recombinaisons non radiatives par effet Auger. Le nombre de transitions dépend du dopage du semi-conducteur. On utilise ainsi de l’arséniophosphure d’indiumgallium fortement dopé au zinc. La lumière générée au cours de transitions entre niveaux d’énergie quantique est envoyée dans une fibre optique : on a obtenu de la sorte des signaux ayant des temps de montée de 1,8 ns, à la longueur d’onde de 1,3 µm, avec des fibres optiques présentant une faible atténuation et une faible dispersion. Des fibres à cœur de polystyrène dopé et à gaine de polyacétate de vinyle permettent de détecter et de mesurer des rayonnements ionisants. Sous l’effet de ces rayonnements, les dopants inclus dans le cœur émettent de la lumière visible bleue (430 nm) ou verte (500 nm), d’intensité proportionnelle à l’énergie du rayonnement incident. 3.4 Thermomètres à fibres optiques 3.4.1 Principe Le capteur de température peut être : — localisé (ou ponctuel) : sondes à cristaux liquides, capteur ponctuel de température par fluorescence d’un corps positionné à l’extrémité d’une fibre et excité dans l’ultraviolet, capteur interférométrique ; — délocalisé (ou encore appelé : distribué, réparti ou continûment sensible) : capteurs à diffusion Raman spontanée, capteurs à effet Brillouin (modulation d’intensité lumineuse due à des variations de température de la fibre), capteurs à variation d’ouverture numérique sous forte courbure... Ces capteurs devraient connaître une croissance significative pour la surveillance de points chauds dans des applications industrielles, et pour le contrôle des liaisons souterraines de transport d’énergie. Basés sur l’utilisation de fibres multimodes, les capteurs à effet Raman offrent une résolution de 1 à 2 oC, une résolution spatiale de 1 à 2 m sur des distances de 5 à 10 km [13]. Par ailleurs, un thermomètre à effet Brillouin a permis d’atteindre une résolution thermométrique de 1 oC et une résolution spatiale de 5 m sur une distance de 50 km [4]. R 415 − 28 Le principe le plus ancien est celui de la pyrométrie : tout corps chaud rayonne avec une intensité et une distribution spectrale influencée par sa température. C’est le principe du corps noir. La fibre optique sert à collecter le rayonnement et à guider la lumière vers un récepteur qui en mesure l’intensité ou analyse sa distribution spectrale. Les pyromètres à fibres optiques de haut de gamme mesurent les hautes températures dans une gamme s’étendant de + 300 à + 3 000 oC. ■ Dilatation thermique La détermination de l’allongement de la fibre optique est susceptible d’être appliquée à la mesure de la température qui en est la cause. Pour ce faire, on détermine le temps de propagation d’une impulsion optique ou le déphasage entre deux ondes dans une fibre monomode à maintien de polarisation. Cette mesure s’effectue également au moyen de marqueurs [14]. La fibre peut être marquée selon différentes techniques : par des effets photoréfractifs, ou par irradiation ultraviolette. Il est fait dans ce cas usage d’un laser à excimère émettant à la longueur d’onde de 257 nm (ou toute lampe ultraviolette de haute puissance) ; les centres atomiques inclus dans le pseudo-réseau de la silice sont alors légèrement déplacés ; l’indice de réfraction de la silice s’en trouve modifié. Une variation périodique de l’indice de réfraction s’obtient en déposant un masque sur la silice. Ce marquage sert à la réalisation de points de couplage entre des modes de propagation orthogonaux (§ 3.4.4.1) pour localiser des zones sur la fibre optique ou mesurer de manière sélective un phénomène agissant sur un tronçon précis de la fibre (allongement de la fibre) : dans le cadre du programme européen Brite Euram OSTIC, Optical Sensing Technique for Intelligent Composites (§ 4.3.1), la société Bertin a utilisé cette technologie, et exploité une méthode interférométrique basée sur les fibres optiques monomodes à maintien de polarisation, pour la lecture simultanée de la température de plusieurs tronçons dans un matériau composite. Le marquage s’effectue également avec un laser à excimère dans un montage d’optique cohérente, afin de créer au sein de la fibre, grâce à des interférences optiques, un réseau de Bragg dont le pas est extrêmement fin (fraction du micromètre). Ce réseau engendre un effet de rétrodiffusion ou de miroir, particulièrement intense pour une longueur d’onde sélective. Il suffit alors d’adapter le pas du réseau à cette longueur d’onde. Une variation de température engendre une variation du pas de ce réseau, donc une variation de la sélectivité de la réponse en longueur d’onde. Ce capteur doit être associé à : — une source à large spectre : • source blanche, à condition que sa puissance spectrale soit suffisante, • diode électroluminescente dont la largeur spectrale est d’environ 40 nm, • source à balayage de longueur d’onde ; — un analyseur (spectromètre) pour la détermination de la longueur d’onde. Tel est le principe d’un thermomètre sophistiqué étudié par la société Bertin. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ 3.4.2 Thermomètre à modulation d’intensité 3.4.2.1 Fibre recouverte d’un film thermosensible Une fine baguette en saphir monocristallin (largeur : 1,25 mm, longueur : 30 cm) est revêtue à l’une de ses extrémités d’un film de métal précieux (iridium, platine) jouant le rôle d’un corps noir émettant dans l’infrarouge. L’autre extrémité est raccordée à une fibre transmettant le rayonnement vers un radiomètre. La plage de fonctionnement s’étend jusqu’à 2 000 oC. La précision est de ± 0,005 % ; elle peut atteindre ± 0,000 5 % dans certaines situations favorables. Le temps de réponse est 50 000 fois plus faible que celui d’un couple thermoélectrique conventionnel pour hautes températures. 3.4.2.2 Analyse spectrale Autre technique, celle de la détection des radiations émises par le cœur de la fibre en équilibre thermique avec son environnement. Les matières constitutives des fibres optiques, bien que très pures, présentent une perte par absorption facilement mesurable. La fibre peut s’inscrire dans un système de métrologie sans source optique auxiliaire, puisque c’est elle-même qui émet le spectre à détecter. L’analyse spectrale fournit la température recherchée. Différents détecteurs sont associés à ce capteur selon l’intervalle de mesure. Cette technique permet de localiser et de mesurer la température de n’importe quel point chaud le long de la fibre. 3.4.2.3 Rétrodiffusion Le contrôle non destructif des fibres optiques peut faire appel à la rétrodiffusion d’impulsions brèves (de l’ordre de la picoseconde, ou moins), de forte énergie. Les défauts au sein de la fibre sont autant de points susceptibles de diffuser en retour la puissance optique injectée au cœur de la fibre. Il suffit ensuite de mesurer l’atténuation de la lumière sur une distance suffisamment grande de fibre, puis d’en déduire le comportement optique de l’élément diffusant [32]. 3.4.2.4 Variation d’atténuation Les perturbations thermiques sur une fibre altèrent ses propriétés optiques et introduisent des variations de transmission susceptibles d’être décelées selon différents principes. La mesure de l’atténuation due à la rétrodiffusion est un moyen de mesurer la température. La sensibilité de ce capteur est limitée par la longueur des impulsions optiques (ou pulses ) et par la bande spectrale des photodétecteurs. Les impulsions de l’ordre de la picoseconde permettraient d’atteindre une résolution spatiale d’environ ± 1 cm sur une longueur d’interaction de 10 m. 3.4.2.5 Modulation d’indice de réfraction CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES d’atténuation α qui a été mise en œuvre en provoquant des pertes par courbures. Les pertes par rayonnement diminuent très vite avec la différence d’indice de réfraction, donc de la température. Pour une fibre à saut d’indice : 2 2A ⋅ n 1 α ( dB ) = 10 lg 1 – --------------------- 2 R ⋅ ON avec R rayon de courbure de la fibre, A ON n 1 et n 2 rayon de la fibre, ouverture numérique : n 21 – n 22 , indices de réfraction du cœur de la fibre et de la gaine optique. C’est une méthode simple, sensible, la température de sensibilité maximale pouvant s’ajuster suivant les applications. 3.4.2.6 Capteur de température à microcourbures La modulation d’intensité lumineuse peut être obtenue par l’application de peignes générant des microcourbures, qui induisent à leur tour une atténuation (figure 45). Les coefficients de dilatation des peignes et de leur embase étant différents, toute évolution de température est la cause d’un mouvement des peignes. Les gammes de mesure des capteurs bâtis sur ce principe s’étendent de – 20 à + 150 oC ; leur précision est de ± 1 % de la gamme de mesure. Avec une fibre 100/140 µm, ils se caractérisent par un temps de réponse de 6 s (capteurs Optofra). 3.4.3 Thermomètre à modulation de longueur d’onde 3.4.3.1 Thermomètre Fabry-Perot Le résonateur Fabry-Perot est une cavité optique fermée par des miroirs, dans laquelle est injecté un faisceau laser. Un cylindre thermosensible contrôle la distance entre miroirs, c’est-à-dire la longueur de la cavité, et l’intensité lumineuse renvoyée à travers l’un des miroirs semi-transparents. L’intensité est maximale lorsque cette distance est proportionnelle à la demi-longueur d’onde du faisceau. Ce capteur a été construit par Opcoa Inc. (Anaheim, Californie) sous contrat NASA et testé jusqu’à 1 000 oC. Un instrument similaire a été élaboré au Fraunhofer Institute für Messtechnik (Fribourg, Allemagne) au moyen d’une fibre optique monomode (diamètre de cœur : 3,5 µm, longueur : 0,3 m) associée à une diode laser en AlGaAs dont le courant continu d’injection est modulé par un signal à 455 MHz : la longueur d’onde du faisceau laser est modulée en jouant sur l’intensité du courant. Le brevet PERENA LE CORDON 65 06192 du 22 juillet 1985 décrit un capteur optique à gaine différentielle. Il s’agit d’un capteur de température monofibre fonctionnant selon le principe de la synthèse locale de l’ouverture numérique de la fibre par gaine différentielle. L’ouverture numérique locale de la fibre est modulée par la température. Cette modulation se traduit par la modification, due à la variation de température T, de l’indice de réfraction local de la gaine optique : ON ( T ) = 2 2 n 1 – n 2 (T ) Les principales caractéristiques de ce capteur dépendent de la nature du matériau de gaine et de la loi de variation n 2 (T ) de l’indice de réfraction n 2 avec la température T. Des gaines thermosensibles sont obtenues par substitution locale ou par dopage du matériau de la gaine. L’étude menée à l’École Centrale de Paris sur une fibre de type PCS a montré que la différence d’indice est fortement dépendante de la température. Comme cette différence d’indice n’est pas mesurable directement à partir d’une extrémité de fibre, c’est la variation Figure 45 – Capteur de températures à microcourbures (Optofra) Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 29 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ 3.4.3.2 Thermomètre fluoroptique L’excitation par un rayonnement ultraviolet de particules de terres rares phosphoriques provoque une fluorescence dont le spectre est fonction de la température. Cette excitation traverse la fibre optique qui canalise également la lumière émise par fluorescence, vers l’analyseur spectral. L’information concernant la température est contenue dans l’intensité relative de certaines raies d’émission. Le thermomètre fluoroptique Luxtron (figure 46) exploite la fluorescence de l’oxysulfure de gadolinium dopé à l’europium (Gd0,99 Eu0,01 )2O2S. Cette substance est placée à l’extrémité d’une monofibre en silice gainée de plastique, ayant un grand diamètre de cœur (400 µm). Sa plage de température s’étend de – 50 oC à + 200 oC, et sa sensibilité vaut ± 0,1 oC. Le thermomètre est insensible aux champs électromagnétiques et possède un temps de réponse court (1 s). Il a trouvé ses applications en thermométrie et thermographie en champ à haute fréquence ou micro-onde, dans les transformateurs, générateurs, équipements pour lignes à très haute tension. Les paraffines à chaîne non ramifiée permettent également de réaliser des bilames optiques en jouant sur la température de liquéfaction du matériau. Leur gamme de températures est comprise entre 30 et 95 oC. Ces sondes tout ou rien pourraient trouver des applications de régulation thermique (domotique) ou de détection des points chauds, dès lors que la connaissance précise de la température n’est pas nécessaire, et qu’il suffit de positionner son niveau par rapport à un ou plusieurs points de consigne (détection de points chauds en sécurité contre l’incendie) : le capteur à fibre optique peut résoudre des problèmes de fausses alarmes et apporter des qualités de fiabilité et de sécurité intrinsèque que ne possèdent pas les détecteurs classiques. 3.4.3.5 Thermomètre à sites colorés Dans le même registre, la thermométrie pourrait exploiter la présence de sites colorés au sein des cristaux, afin de constituer des thermomètres photochromes ou thermochromes. 3.4.3.6 Thermomètre à effet Raman 3.4.3.3 Thermomètre à photoluminescence Lorsque l’arséniure de gallium est éclairé par un faisceau à faible longueur d’onde, il réémet par photoluminescence de la lumière à plus grande longueur d’onde. Celle-ci dépend de la température de la pastille d’AsGa fixée à l’extrémité de la fibre optique. La fibre transmet le retour de photoluminescence au récepteur qui analyse le spectre lumineux et détermine la température dans une plage allant de 0 à 200 oC. 3.4.3.4 Thermomètre à cristaux liquides Cette architecture de capteur extrinsèque s’adapte à d’autres techniques. On pourrait placer à l’extrémité de la fibre une couche de cristaux liquides [33]. En particulier, certaines substances cholestériques décrivent toutes les couleurs de l’arc-en-ciel pour une variation de quelques degrés entre 10 et 50 oC. Dans des sondes thermiques tout ou rien, c’est le changement d’état physique de cristaux liquides nématiques qui est utilisé : ces bilames optiques basculent pour certaines valeurs bien définies de la température. Fortement diffusants dans la phase liquide, ils deviennent quasiment transparents en phase liquide isotrope, au-delà de la température de clarification T c (20 à 60 oC). L’état du matériau est interrogé par des diodes électroluminescentes continues ou modulées en intensité : le niveau de puissance du faisceau transmis par la couche thermosensible varie brutalement à la température de transition. Une autre technique, celle de l’échométrie optique (détection des échos liés à l’état passant ou bloqué de la sonde), fait usage de lasers émettant des impulsions de faible largeur temporelle (la nanoseconde). Figure 46 – Thermomètre fluoroptique (Luxtron) R 415 − 30 Une impulsion laser de forte intensité est injectée dans une fibre. La lumière s’en échappe suivant deux longueurs d’onde différentes par effet Raman. Cet effet est dû à l’interaction des phonons et des photons, donnant naissance à deux raies : l’une résulte de l’effet additif en fréquence d’un photon et d’un phonon (raie anti-Stokes), l’autre de leur effet soustractif (raie Stokes). La raie anti-Stokes varie fortement avec la température, contrairement à la seconde raie. Le rapport d’intensité entre ces deux ondes dépend de la température locale de la fibre (figure 47) en s’affranchissant au premier ordre de la variabilité du système. L’analyse dans le temps par réflectométrie fournit la température en tous les points de cette fibre. La plage de mesure s’étend de – 50 à + 125 oC, et les performances annoncées sont les suivantes : — résolution en température de ± 1 oC pour une précision de ± 0,3 oC ; — résolution spatiale de 1 m ; — portée pouvant atteindre 10 km. Cette technique trouve deux grandes applications générales : — le contrôle permanent des câbles électriques souterrains à haute tension en enterrant une fibre optique à proximité ; — la détermination de la carte de température de réservoirs (stockage cryogénique, réacteur de polymérisation). Figure 47 – Mesure de la distribution de température le long d’une fibre optique par réflectométrie Raman résolue dans le temps Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES 3.4.4 Thermométrie par biréfringence 3.4.4.1 Capteur de température monofibre multipoints Ce capteur a été étudié au Laboratoire Central de Recherche de Thomson-CSF, en collaboration avec l’École Nationale Supérieure de Physique de Marseille. Il est constitué d’une fibre optique monomode biréfringente à maintien (ou conservation) de polarisation linéaire. La conservation de polarisation s’obtient en créant une forte biréfringence interne, par exemple par une répartition anisotrope des contraintes exercées par la gaine optique sur le cœur (biréfringence de contrainte). La structure de la fibre renferme à cet effet des barreaux dopés à fort coefficient de dilatation thermique. La répartition des contraintes dépend de la température ; cette dépendance est fidèle et réversible sur un domaine étendu de plusieurs centaines de degrés. La mesure distribuée de température n’est possible que si l’on parvient à identifier le tronçon dans lequel est intervenu le déphasage entre les ondes polarisées orthogonalement. À cet effet, chaque tronçon est marqué. Plusieurs techniques sont disponibles (§ 3.4.1) : celle choisie par Thomson-CSF est la rotation des axes de polarisation par une fusion localisée et temporaire de la fibre optique. On réalise de la sorte un point de couplage entre les deux ondes à polarisation orthogonale ; une fraction de l’énergie (typiquement : 0,01 %) de la première onde passe ainsi dans l’autre onde. Cette énergie transférée en polarisation 2 voyage avec la vitesse de phase de cette polarisation 2. L’onde correspondante véhicule par conséquent un signal principal, celui injecté à l’entrée de la fibre à l’aide d’un séparateur de polarisation ou un polariseur à 45o, superposé à un signal légèrement déphasé. Un pic temporel est formé au point de couplage, qui pourra être analysé à l’extrémité de la fibre. Des points de couplage sont créés le long de la fibre afin de discrétiser celle-ci en tronçons élémentaires, leur biréfringence étant liée à la température locale. Une lumière de polarisation rectiligne injectée dans cette fibre, à 45o de ses axes neutres, s’y propage suivant les deux modes de polarisation orthogonaux, chacun d’eux présentant des constantes de propagation différentes. La biréfringence de la fibre induit un déphasage entre les deux modes de propagation. Les variations de ce déphasage s’observent en plaçant un analyseur à 45o des axes de polarisation à la sortie de la fibre (figure 48a). À l’extrémité de sortie, l’analyseur voit le signal d’entrée, auquel se trouve superposé le signal du dernier tronçon. En retardant ces deux signaux par une compensation de différence de phase (donc de différence de marche introduite dans chaque tronçon), il est possible de les amener à interférer. On parvient à réaliser un homodynage des signaux avec un interféromètre de lecture, et à lire sélectivement chacun des tronçons. Deux caractéristiques importantes de la fibre biréfringente interviennent dans le principe de fonctionnement du capteur : — la longueur de battement L B représente la longueur de fibre pour laquelle le déphasage entre les deux modes propres vaut 2π ; — la longueur de dépolarisation L D est la longueur de fibre pour laquelle la lumière est totalement dépolarisée ; au-delà de cette longueur, la lumière ne donne plus lieu à des interférences constructives entre les deux trains d’onde orthogonaux après passage dans l’analyseur à 45o des axes de polarisation ; cette longueur L D dépend à la fois de la longueur de cohérence L C de la source et de la longueur de battement L B de la fibre. Quand la fibre est soumise à des variations de température, le déphasage différentiel induit entre les deux modes est déterminé par recombinaison, au moyen d’un analyseur à 45o : polariseur ou fibre à conservation de polarisation autorisant le déport du système de mesure. Un interféromètre sert finalement à la mesure des modulations qui en découlent. Figure 48 – Capteur de température monofibre multipoints ■ Pour élaborer un réseau de capteurs, il suffit de réaliser des points de couplage tout le long de cette fibre optique biréfringente : chaque tronçon de fibre entre deux points de couplage constitue un capteur élémentaire. Pour reconnaître les signaux issus de chacun de ces capteurs, on effectue un adressage par multiplexage en cohérence exploitant les propriétés de l’interférométrie en lumière blanche. Une source optique de faible cohérence est utilisée pour faciliter la séparation des informations de phase apportées par chaque capteur. La longueur de cohérence L C , inversement proportionnelle à la largeur spectral ∆ λ, vaut une vingtaine de longueurs d’onde. Le choix d’une diode superluminescente permet d’obtenir une longueur de cohérence L C relativement faible. Plus cette longueur L C est importante, plus le bruit de phase est grand et plus la sensibilité des capteurs est limitée. La lumière issue de la diode superluminescente est polarisée rectilignement et injectée dans la fibre selon l’un des deux axes neutres (axe rapide) de couplage (figure 48b). Les points de couplage correspondent à une rotation locale et contrôlée des axes de polarisation. En sortie de fibre, un séparateur de polarisation, orienté à 45o par rapport aux axes propres, permet d’analyser le signal. Si la distance entre deux points de couplage consécutifs est supérieure à la longueur de dépolarisation L D , soit une vingtaine de longueurs de battement L B , pour un train d’onde couplé dans Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 31 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ le mode rapide en entrée de la fibre, on obtient en sortie un train d’onde principal resté dans le mode rapide et une série de N trains d’onde secondaires suivant le mode lent, provenant des N points de couplage. Le retard entre le train d’onde principal et le i ème train d’onde secondaire est proportionnel à la biréfringence du tronçon de fibre compris entre le i ème point de couplage et l’analyseur. Il ne dépend ni de la biréfringence entre l’entrée de la fibre et le point de couplage, ni de l’intensité de couplage. Pratiquement, pour éviter que la lumière couplée en un point suivant l’axe lent subisse des couplages multiples, on choisit de faibles angles de rotation des axes propres aux points de couplage, de manière à avoir des coefficients de couplage faibles. On peut alors négliger les termes croisés d’ordre supérieur. La distance entre le train d’onde principal et le i ème train d’onde secondaire est déterminée à l’aide d’un interféromètre de Michelson à lecture de différence de marche variable : par translation d’un de ses miroirs, le train d’onde principal coïncide avec chacun des trains d’onde secondaires. La mesure des distances séparant les différentes remontées de cohérence permet de déterminer la biréfringence de chaque tronçon de fibre ; après calibrage, on obtient la grandeur d’influence à laquelle est soumis le tronçon considéré. La biréfringence B est directement proportionnelle à la différence ∆T entre la température de transition T g du matériau et la température ambiante T 0 . Pour ∆T = 1 000 oC, on a : 1 dB –3 ----- ⋅ --------- = 10 /°C B dT La sensibilité thermique, mesurée en déphasage, vaut alors, pour une fibre de longueur de battement L B = 1 mm et de biréfringence B = 10 –3 : 1 dΦ St = ---- ⋅ -------- = – 6 rad/ ° C ⋅ m L dT 3.4.4.2 Thermomètre au LiNbO3 Les variations de biréfringence du niobate de lithium à différentes températures ont été exploitées en thermométrie, pour les mesures de températures dans les forages géothermiques, jusqu’à 2 km de profondeur. La plage de mesure s’étend de 0 à 500 oC, et la précision est de quelques dixièmes de degré. La lecture de l’état de biréfringence (figure 15) s’effectue à l’aide d’une source optique à longueur d’onde variable. L’analyse de la lumière issue d’une cavité Fabry-Perot permet d’évaluer quantitativement l’état de biréfringence. 3.4.5 Thermomètre à modulation de temps L’analyse de la décroissance temporelle de la fluorescence émise par certains luminophores (sulfure de zinc-cadmium, séléniure de zinc) positionnés à l’extrémité d’une fibre optique constitue une méthode de métrologie de la température. Une lampe éclair à ultraviolet excite le luminophore ; l’impulsion de retour a une durée proportionnelle au temps de décroissance, donc à la température (figure 17). 3.4.6 Thermomètre interférométrique La variation dimensionnelle d’une fibre monomode placée dans un interféromètre de Michelson, si elle est causée par une variation δT de température, donne naissance à une variation de phase δΦ : 2π n dL dn δΦ = -------- ⋅ ---- ⋅ -------- + -------- ⋅ L δ T λ L dT dT R 415 − 32 où 1/L · (dL /dT ) est la dilatation linéaire de la fibre, et dn /dT la variation de l’indice de réfraction sous l’effet d’une variation de température. Le signal optique traverse deux fois l’élément sensible dans un interféromètre de Michelson, et sa sensibilité est par conséquent double de celle de l’interféromètre de Mach-Zehnder. Dans les fibres de silice non gainées, le terme prépondérant est dn /dT qui compte pour 95 % de la variation de phase. Les extrémités des bras de l’accéléromètre sont revêtues d’une couche d’argent qui fait office de miroir. Le comptage de franges d’interférences fournit alors une mesure de température. Le thermomètre de l’université de Kent (GrandeBretagne) possède une sensibilité évaluée à 1,54 frange entre 50 et 240 oC. 3.5 Capteurs chimiques 3.5.1 Généralités Les capteurs à fibres optiques destinés au monde de la physique font l’objet de recherches et de développements depuis une vingtaine d’années. Les chercheurs ont découvert récemment un nouveau monde, celui de la chimie ; les nouveaux capteurs à fibres optiques autorisent la détermination des caractéristiques de substances et de composés chimiques dans les domaines industriels et surtout biomédicaux [15]. La vente de capteurs chimiques, notamment à fibres en plastique, est en forte progression, en particulier dans le génie médical, où l’on souhaite procéder à des analyses du sang au moyen de capteurs jetables. Les microcapteurs à fibres optiques permettent de réaliser des mesures in vivo et d’analyser les informations recueillies en temps réel : les unités de soin intensif sont très concernées tout comme les laboratoires de médecine expérimentale [16], avec un intérêt particulier pour la mesure de la pression partielle d’oxygène, de la pression partielle de dioxyde de carbone ou du pH du sang, mais aussi des paramètres propres à la biologie : glucose, lactose, électrolytes... Ces capteurs trouvent d’autres applications dans le secteur biomédical, pour la surveillance en ligne, tant interne qu’externe de patients gravement malades. En particulier, la surveillance du sang dans les artères pulmonaires par des techniques d’absorption et de fluorescence. Les capteurs intrinsèques susceptibles d’être employés mettent en œuvre les techniques suivantes (tableau 4) : — la réflectance : la lumière est réfléchie par un liquide ou une surface ; — la fluorescence (ou fluorimétrie distante) : émission de lumière après une excitation lumineuse sur une longueur d’onde plus courte. On étudie par exemple la décroissance ou la croissance de la fluorescence en présence de réactions chimiques ; — la chimiluminescence, ou émission de lumière sous l’effet d’une réaction chimique ; — l’absorption de certaines longueurs d’ondes ; — la diffusion de Raman (spectre décalé en fréquence). (0) Tableau 4 – Comparaison de techniques spectroscopiques [17] Sensibilité (mole) Colorimétrie absorption Spectrofluorimétrie Chimiluminescence, bioluminescence 10 –10 10 –14 10 –16 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ La fibre est souvent dénudée localement, et l’enduction classique est remplacée par une enduction de polymère sélectivement poreux à l’espèce chimique à détecter. L’indice de réfraction du polymère est sensible à la présence de certains gaz : la perturbation des conditions de propagation de la lumière à l’interface entre le cœur de la fibre et la gaine optique à indice localement variable est décelée en extrémité. Le capteur est susceptible d’être interrogé à distance par un procédé réflectométrique associé. Il s’agit de créer localement la fuite qui mettra au contact la plus grande quantité de cette espèce chimique avec la gaine optique poreuse. Cette voie est suivie par l’Ircom à Limoges. Avec les capteurs extrinsèques, la lumière traverse d’abord les substances chimiques à caractériser, puis elle est analysée. De nombreuses applications existent, notamment là où l’optique est d’ores et déjà présente (turbidimètres, colorimètres, spectrocolorimètres, spectrophotomètres, détecteurs de particules...). Quelques exemples sont donnés dans les paragraphes suivants. 3.5.2 Capteur de vapeurs d’alcanes de l’université de Saint-Étienne Parmi les capteurs chimiques et biochimiques étudiés, citons [17] [21] : — les capteurs de pH utilisant les phénomènes d’absorption, de réflectance ou de fluorescence ; — les capteurs d’oxygène, par la fixation de molécules émissives permettant de mesurer la concentration en oxygène ; — les capteurs de méthane réalisés selon différents principes spectroscopiques ou physiques ; — les capteurs bioluminescents associant des systèmes enzymatiques de bio- ou chimiluminescence. La luciférase bactérienne qui permet de détecter l’ATP (adénosine triphosphate), et le système oxydoréductase-luciférase bactérienne qui permet de doser le NADH (Nicotinamide Adénine Dinucléotide réduit) sont greffés chimiquement sur des membranes en polyamide préactivées. Ces membranes bioactives sont maintenues au contact étroit de l’extrémité d’un faisceau de fibres optiques connecté au photomultiplicateur d’un luminomètre modifié. Les réactions de bioluminescence s’avèrent extrêmement sensibles car l’émission de lumière est observée même à de très faibles concentrations des composés recherchés. L’un des axes de recherche du Laboratoire TRAITEMENT DU SIGNAL ET INSTRUMENTATION du CNRS ( Université de SaintÉtienne ) correspond aux capteurs intrinsèques à fibres optiques en silice [18] utilisant des revêtements spécifiques sur la gaine de la fibre : — capteur de détection de gaz méthane, réalisé en collaboration avec Gaz de France [19] ; — capteur de gaz présentant un intérêt industriel tel que l’oxygène ; — capteur portatif de vapeurs d’alcanes à fibre optique multimode intrinsèque : l’indice de la gaine sensible varie au contact de l’espèce à détecter. Ce capteur, peu sensible aux perturbations thermiques ou magnétiques, intègre un système différentiel constitué d’une fibre sensible et d’une fibre de référence ; — capteurs militaires (détecteurs de gaz de combat) avec le Centre d’Étude du Bouchet. Parallèlement, des recherches de base sont menées sur des capteurs destinés aux applications biologiques : en particulier a été mis au point avec l’aide de médecins, un capteur permettant de mesurer le taux d’oxygénation du cerveau. Des fibres optiques sont positionnées dans le cerveau de rats pour effectuer des mesures de fluorescence résolues dans le temps. CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES 3.5.3 Optrodes de l’IROE L’IROE (Istituto di Ricerca sulle Onde Elettromagnetiche, Florence, Italie) étudie des capteurs optiques pour la mesure de paramètres physico-chimiques tels que le pH [21] : baptisés optodes ou optrodes (OPTical electRODE transducer ), ils sont constitués d’un indicateur réactif du produit recherché déposé à l’extrémité de la fibre et d’un dispositif optoélectronique. En plongeant cette extrémité dans le milieu à analyser, une réaction chimique se déclenche qui change l’indice de réaction de la gaine ou du cœur, et génère une perte de l’intensité du signal lumineux. Le premier capteur ainsi élaboré pour des applications biomédicales assure la surveillance continue de la bile dans l’œsophage. Les données livrées par ce capteur optique sont saisies à distance par un petit collecteur portable et léger disposé à la ceinture du patient. Les chercheurs italiens ont démarré également des recherches visant à mesurer le niveau d’acidité de l’estomac, le pH du sang, le taux d’oxygène dans des écoulements gazeux ou liquides. Les optrodes intrinsèques renferment des chromophores , c’est-à-dire des substances présentant des réactions spécifiques à différentes longueurs d’ondes de la lumière : leur spectre d’absorption dépend des composés chimiques en présence. Les chromophores sont immobilisés dans les microsphères de verre placées dans un tube en acier inoxydable comportant des perforations ou des fentes. À titre d’exemple, l’optrode pour la mesure de l’acidité de l’estomac est constituée de microsphères renfermant du bleu de thymol (phénol de l’essence de thym) dans un tube de 15 mm de long, 0,8 mm de diamètre, avec des perforations de 70 µm : ce capteur sert aux mesures de pH compris entre 2 et 4, avec une sensibilité de 0,007. Son temps de réponse est de quelques minutes. L’acidité du sang (pH compris entre 6,8 et 8) a été mesurée avec une optrode fendue plutôt que perforée et pour chromophore, du phénol rouge immobilisé dans des sphères en polymère, offrant une sensibilité en pH de 0,02, et un temps de réponse plus acceptable : une minute par incrément de pH de 0,25. La mesure du taux d’oxygène fait appel à une optrode constituée d’un composé organo-métallique à base de cobalt adsorbé sur une plaque. Le spectre d’absorption de ce composé change en présence d’oxygène. La précision est de 0,3 % pour des mélanges d’oxygène et d’argon comportant moins de 10 % en volume d’oxygène, et le temps de réponse de 2 mn environ. Quant aux capteurs extrinsèques, ils reposent sur la recherche du spectre d’absorption de substances telles que la bilirubine : le pic d’absorption de ce pigment de la bile se situe à la longueur d’onde de 452 nm. 3.5.4 Capteurs optiques pour les interactions biomoléculaires Comme on vient de le voir, la détection de substances biologiques et chimiques au moyen de réactifs sélectifs requiert souvent des temps de réaction importants. D’autre part, l’interaction chimique ou biochimique peut être indirecte, et nécessiter une mise en œuvre en plusieurs étapes. La méthode proposée par Yves Levy (Institut d’Optique Théorique et Appliquée) évite ces inconvénients et permet d’analyser de façon directe, en temps réel, les interactions biomoléculaires [21] [22]. Elle est fondée sur la réflexion totale atténuée due au phénomène de résonance de plasmons de surface. Cette technique permet de mesurer l’épaisseur optique de couches ultra-minces déposées sur les surfaces métalliques. La méthode de réflexion totale atténuée a été utilisée pour réaliser un immunosenseur : le guide d’ondes est fabriqué à partir d’un polymère, le polyvinyl imidazole [23]. Ce guide d’ondes polymère est sensible aux conditions de pH et de charge ionique de la solution tampon. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 33 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ Un appareil connu sous le nom de BlAcore a été présenté par la société Pharmacia dans lequel les interactions biospécifiques sont observées en temps réel au travers du déplacement du minimum de réflectivité. Les molécules biologiques constituant le récepteur sont fixées au préalable sur une couche d’or d’épaisseur voisine de 50 nm, recouverte d’un hydrogel (dextan carboxyméthylé), tandis que les molécules à détecter circulent en solution sur cette surface réceptrice. Leur interaction se traduit par une variation de l’indice de réfraction superficiel. 3.5.5 Capteurs chimiques en optique intégrée Le GeeO a développé un détecteur de gaz méthane dans lequel un interféromètre de Mach-Zehnder ou de Michelson est intégré sur un substrat en verre [24]. Sur l’un des bras se trouve déposé un polymère dont l’indice de réfraction change avec la présence du gaz, notamment lorsque des molécules chimiques sont absorbées par la couche mince. Ces recherches se poursuivent à l’École Nationale Supérieure d’Électronique et de Radioélectricité (Grenoble) et à l’École Centrale de Lyon sur des capteurs de gaz par onde évanescente, faisant usage des techniques de l’optique intégrée. Un guide de surface est en contact avec un superstrat (dépôt d’un polymère) dont l’indice varie avec la présence d’hydrocarbures. La modification résultante de l’indice effectif du mode guidé entraîne un changement de la phase de l’onde. L’effet est cumulatif : plus la longueur d’interaction est grande, plus le déphasage est important. La mesure de ce déphasage s’effectue à l’aide d’un système interférométrique en comparant deux guides excités par une même source cohérente. Figure 49 – Capteur de pression à fibres optiques tissées 4. Contrôles par fibres optiques la mesure analogique (pèse-personnes, mesure des efforts de préhension en robotique, comportement aéro- ou hydrodynamique d’une forme (aile, voile, coque...). 4.1 Détecteur de présence La sécurité d’accès et de présence sur des zones dangereuses fait appel à de tels dispositifs sensibles. Ceux-ci sont systématiquement utilisés dans l’industrie sous forme de barrages et de barrières immatérielles pour protéger les opérateurs de machines dangereuses (presses, massicots, poinçonneuses...) contre les fausses manœuvres. Ils se généralisent dans les lieux publics et dans les appareils automatiques (ascenseurs, portes...). Pour ces applications grand public, les fibres ne sont pas nécessairement en verre de silice ; les fibres multimodes à saut d’indice en matière plastique, moins chères, peuvent aussi convenir, et ce, malgré une atténuation relativement élevée (théoriquement : 0,2 dB/m à 0,65 µm, pratiquement : autour du décibel par kilomètre). Les fibres en silice sont réservées aux applications plus élaborées (robotique, contrôle industriel) pour lesquelles les critères de choix sont la fiabilité des mesures, la tenue en température, l’hystérésis, la reproductibilité. Dans un grand nombre de capteurs incorporant une fibre optique, celle-ci n’est en fait utilisée que pour véhiculer la lumière entre un capteur et l’endroit où le signal lumineux est traité. ■ L’exemple le plus simple est le détecteur de passage qui n’est autre que la classique barrière photoélectrique dans laquelle la source optique et le détecteur sont déportés aussi loin que nécessaire de la zone d’utilisation. Son application au comptage ou au contrôle de la sécurité auprès des machines dangereuses paraît immédiate. Il s’intègre dans un système d’alarme à fibres optiques : la clôture protégée est constituée d’une bande de métal barbelé portant, au centre, une rainure longitudinale dans laquelle vient se loger la fibre optique. Des émetteurs-récepteurs à diodes électroluminescentes sont placés tous les 200 m environ le long de la clôture. Toute tentative d’effraction conduit nécessairement à la rupture de la fibre optique et au déclenchement d’une alarme. ■ Dans le même ordre d’idée, des fibres, combinées avec une structure ondulée, ont été insérées à l’intérieur de tapis de sécurité. À l’École Central de Paris a été étudié un capteur de pression à fibres optiques tissées : les microcourbures sont générées par la structure du capteur qui est un tissage de fibres optiques. Lorsqu’une pression est appliquée sur le tapis, la fibre se déforme en plusieurs petites courbures engendrées par la structure ondulée. La lumière véhiculée s’en trouve atténuée. Plusieurs configurations peuvent être envisagées : boucle élémentaire (figure 49 a ), réseau à une seule fibre optique tissée (figure 49b ) pour la mesure d’un effort surfacique, réseau tissé multifibres pour la mesure de répartition de pression. Ces capteurs permettent de détecter une présence en tout ou rien (tapis sensible de sécurité, claviers programmables, comptage de véhicules sur autoroutes), et servent aussi dans le domaine de R 415 − 34 4.2 Endoscopie Le contrôle non destructif révèle les défauts superficiels ou internes, tout en préservant l’intégrité des structures contrôlées. Son objectif est de qualifier l’état de santé d’un produit, sans nécessairement le quantifier, avec l’intention de l’accepter ou de le rejeter selon les normes de recette. L’endoscopie constitue aujourd’hui la méthode moderne de contrôle visuel des zones à contrôler peu accessibles. Elle est utilisée pour le contrôle de routine des ailettes de moteurs d’avions. Elle se pratique couramment en médecine pour l’exploration in situ des régions intracorporelles : diverses sondes endoscopiques sont commercialisées pour la laryngoscopie, la bronchoscopie, la cœlioscopie... Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES Pour véhiculer des images, les fibres optiques sont nécessairement disposées en faisceau cohérent, c’est-à-dire de manière identique à l’entrée et à la sortie du faisceau. L’observateur regarde les images transmises à travers un oculaire fixé à l’une des extrémités de l’endoscope, ou sur un écran de télévision, l’oculaire étant alors remplacé par une caméra de télévision. Dans certaines applications, le faisceau cohérent est associé à un faisceau incohérent qui sert à transmettre la lumière et à éclairer la zone de contrôle. 4.3 Contrôles qualitatifs Les fibres optiques sont également utilisées dans la surveillance de l’intégrité des structures [25] [26] (figure 50), et notamment celle des structures composites (aéronautiques, génie civil) sujettes à des effets de délaminage. Les techniques s’étendent aux structures de grande dimension : voiles de béton, ou barrages qui exigent une surveillance permanente distribuée sur de grandes longueurs. 4.3.1 Méthodes de contrôle La conception du dispositif de contrôle à fibres optiques dépend de la nature de la surface support, de ses caractéristiques mécaniques et de sa rugosité. La source optique est une diode électroluminescente de 100 µW à la longueur d’onde de 0,85 µm. Le récepteur est une diode PIN ou à avalanche. Une fibre est fixée sur la structure à surveiller. Elle est traversée en permanence par le faisceau lumineux et l’on surveille l’allongement de la fibre par des méthodes intrinsèques : détermination de la variation de longueur de la fibre entre points de couplage par exemple, avec des résolutions de l’ordre du pour-cent. Le trajet optique est altéré si une crique se développe dans la structure à proximité de la fibre. Il faut bien entendu que la ductilité de la fibre et celle de l’adhésif soient adaptées au substrat. De tels capteurs peuvent être : — ponctuels et mettre en œuvre l’effet des microcourbures agissant dans les fibres (application à la surveillance de grandes structures telles que les ouvrages d’art) ; — linéiques : un câble optique renferme une fibre autour de laquelle est enroulé en spirale un fil métallique générant des contraintes lors d’une traction de l’ensemble (application à la surveillance de réservoirs en composites utilisés pour le stockage de gaz sous pression) ; — en nappe par maillage de fibres sensibles aux microcourbures (détection de chocs sur les matériaux composites) ; — distribués, à réseaux de Bragg, formant des réflecteurs sélectifs en longueur d’onde et localisés à même le cœur de la fibre. On crée localement, en plusieurs points de la fibre, des zones qui réfléchissent vers la source la partie spectrale correspondant à la longueur d’onde caractéristique du réseau de Bragg local. Ce réseau est caractérisé par son pas et l’indice de réfraction de la fibre à l’endroit où il est inscrit : toute modification de l’un ou l’autre de ces paramètres a des répercussions sur la longueur d’onde réfléchie. L’analyse des dérives induites de la longueur d’onde permet de remonter au phénomène inducteur. De tels capteurs servent à la surveillance de l’intégrité des matériaux composites en cours de fabrication. ■ Les recherches menées parallèlement tant chez Bertin que chez Thomson-CSF portent sur la mise en œuvre d’un capteur polarimétrique incorporé au matériau composite. Il s’agit de mesurer la contrainte engendrée sur la fibre optique par les déformations du matériau composite dans lequel elle se trouve noyée. La technique permet de déceler la variation de forme ou des perturbations agissant sur le matériau. Figure 50 – Contrôle d’intégrité de structure par fibre optique ■ Un projet européen Brite Euram baptisé OSTIC a eu pour objectif la surveillance de matériaux composites. Un démonstrateur a été réalisé avec un réseau de capteurs polarimétriques monofibres, et validé sur des matériaux composites à matrice thermoplastique ou thermodurcissable contenant des fibres de renforcement en carbone ou en verre. Ce démonstrateur a permis de mesurer des allongements jusqu’à 2 à 3 % avec une précision de 1 %, ainsi que des températures avec une précision de 5 oC. 4.3.2 Applications ■ Dans une réalisation du National Maritime Institute, des déformations importantes (0,8 %) et la formation de criques entre 0,025 et 0,1 mm ont été observées dans des matériaux composites, avec des fibres à gradient d’indice de type 50/125 (diamètre de cœur : 50 µm, diamètre de gaine : 125 µm). La position de la crique est déterminée par réflectométrie (ou OTDR) : elle consiste à mesurer le temps qui sépare l’injection d’une courte impulsion optique dans la fibre, et la réception de l’écho dû à la réflexion de la lumière sur la discontinuité au niveau de la crique. La lumière s’échappant par diffusion à l’endroit de cette discontinuité crée un point brillant permettant de repérer la position de la crique. Si celle-ci se situe dans une zone inaccessible, la détection doit alors faire appel à l’endoscope. ■ L’aéronautique fait de plus en plus usage de matériaux composites dans le avions modernes. Au Canada, Boeing-De Havilland a développé, en collaboration avec l’université de Toronto, la première aile d’avion en matériaux composites comportant un système intégré de 250 capteurs à fibres optiques pour la détection de dommages. ■ Une matrice de fibres optiques fixée sur la structure des ouvrages d’art permet de surveiller des zones critiques. L’ensemble est contrôlé continûment ou interrogé périodiquement par un microprocesseur. Par cette technologie, il est possible de surveiller en temps réel des structures de toute nature (ouvrages d’art, navires et aéronefs, plates-formes offshore, installations nucléaires, réservoirs sous pression...), et de multiples supports (métaux, béton, polymères, céramiques). Elle ouvre la voie à la maintenance conditionnelle , en lieu et place de la maintenance corrective ou systématique. Remarque : le Laboratoire Central des Ponts et Chaussées a proposé dès 1986 une méthode rudimentaire, mais efficace, de surveillance de l’état de fissuration des ouvrages en béton armé ou précontraint au moyen de capteurs tout ou rien. Ceux-ci détectent la rupture de fibres optiques noyées en phase de fabrication, lors de l’apparition d’une fissure à leur proximité. Cette méthode a ensuite été validée par une campagne de mesures sur des caissons en béton du tunnel sous-fluvial de l’autoroute A86. Cependant, la difficulté de mise en place des fibres, et surtout l’impossibilité de prévoir l’apparition d’une fissure, ont conduit le laboratoire à étudier un procédé de mesure analogique fondé sur la mesure de biréfringence induite par les déformations d’une fibre monomode placée dans un revêtement métallique. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 35 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ ■ À la fin de l’année 1992 a été engagé le projet communautaire Brite Euram II baptisé STABILOS (STABility control in mining with fiber Optic Sensing technology). Il vise à mettre au point un procédé innovant à base de capteurs à fibres optiques pour la surveillance de la stabilité des mines souterraines. 4.4 Transmission de données par fibres optiques 4.4.1 Introduction Les progrès dans la fabrication de fibres optiques de faible atténuation (moins de 2,5 dB/km) et de composants optoélectroniques rapides (diodes électroluminescentes et diodes lasers pour les émetteurs, photodiodes à avalanches pour les récepteurs), ont permis de développer des systèmes de transmission numérique sur fibres à haut débit et à longue portée. N’importe quelle grandeur mesurée est susceptible d’être véhiculée par une fibre optique, à condition d’associer au capteur un module de conditionnement qui transforme les signaux issus du capteur en signaux optiques. Figure 51 – Bus industriel à fibres optiques : il se compose d’un coupleur en étoile, ainsi que d’émetteurs et de récepteurs optoélectroniques interconnectés par des fibres optiques La transmission n’est pas nécessairement numérique : les liaisons optiques analogiques transmettent des données analogiques sur des distances de quelques mètres à plusieurs kilomètres ; elles présentent des avantages certains : immunité aux parasites électromagnétiques, facilité d’exploitation, fort isolement électrique des composants interconnectés, transmission à large bande (10 MHz). Une liaison se compose d’un ou de plusieurs modules émetteurs sur lesquels se connectent n’importe quelle source de signaux analogiques (même une caméra de télévision), un câble optique équipé de connecteurs multifibres pour constituer un système multiliaisons, et un ou plusieurs modules récepteurs reliés à des moniteurs, des enregistreurs, des calculateurs. Les applications sont multiples : liaisons vidéo de surveillance et de sécurité sur autoroutes, gares et aérogares, surveillance industrielle (particulièrement en ambiance perturbée, sous très haute tension), contrôles de processus industriels dans les industries alimentaires, chimiques, pétrochimiques, métallurgiques (figure 51). La régulation des moteurs d’avions au moyen de FADEC (Full Authority Digital Engine Control) se tourne vers des soussystèmes (capteurs bloc de commande, bloc de dosage) intelligents : le traitement des capteurs, les boucles d’asservissement, les systèmes de calibrage et de surveillance sont réalisés en local sous le contrôle d’un calculateur central ; les communications entre ces constituants intelligents distribués sont appelées à être assurées par des fibres optiques. 4.4.2 Multiplexage spectral 4.4.2.1 Principes La lumière issue d’une diode électroluminescente à large bande est injectée dans la fibre principale jusqu’à un démultiplexeur passif situé à proximité du groupe de capteurs à multiplexer (figure 52). Ce démultiplexeur découpe des bandes spectrales de même largeur à l’intérieur du spectre initial, et alloue chaque bande spectrale à un capteur. La lumière issue de chaque capteur est recombinée à distance par le multiplexeur et acheminée jusqu’à l’instrumentation d’extrémité en utilisant la fibre optique principale. Un démultiplexeur optique passif, identique à celui utilisé sur le terrain, peut alors rediviser le spectre total en bandes spectrales, chacune d’elles étant détectée par un photodétecteur. R 415 − 36 Figure 52 – Multiplexage spectral Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES __________________________________________________________________________________________________________ CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES 4.4.2.2 Le codage de modulation spectrale La centrale Accord développée par Bertin sur ce principe général permet de constituer des réseaux de capteurs à fibres optiques. Cette centrale, en l’occurrence une carte optoélectronique, émet dans la fibre optique un signal lumineux que le capteur optique module en fréquence sous l’action du paramètre à mesurer (technique du codage de modulation spectrale). Lorsque la grandeur évolue, la fréquence change. Ce signal modulé revient à la centrale qui réalise l’opération inverse. En affectant une bande de modulation différente à chaque capteur, il est possible de multiplexer les signaux transmis par plusieurs capteurs optiques à codage de modulation spectrale placés en réseau. La même centrale assure alors le démultiplexage des différents signaux. 4.4.2.3 Le multiplexage en longueur d’onde (ou chromatique) Le département Optofra de Framatome développe et commercialise de son côté des systèmes d’acquisition de mesures et de transmission par le réseau Frascan de 128 (voire plus) capteurs tout-ourien à fibres optiques [27] [28]. Il est appliqué chez Elf-Aquitaine et chez EDF. À chaque capteur est affectée une longueur d’onde spécifique. Pour cela, le signal issu d’une source à large spectre est transmis via une fibre jusqu’à polychromateur (multiplexeur en longueur d’onde), qui délivre à chacun des capteurs une portion du spectre à une longueur d’onde particulière. La source lumineuse est constituée de diodes électroluminescentes à spectres légèrement décalés, de façon à obtenir un spectre global suffisamment large (80 nm). Les signaux aux différentes longueurs d’onde sont réfléchis au niveau des capteurs – l’amplitude de chaque signal réfléchi dépend de la grandeur à mesurer – et retournent vers le polychromateur de réception au travers de la même fibre. Chaque récepteur optique reçoit un signal à une longueur d’onde relative à chaque capteur : on utilise ainsi autant de récepteurs qu’il y a de capteurs. Un second réseau à fibres optiques raccorde des capteurs analogiques de pression et de température fonctionnant selon la technique des microcourbures induites dans des fibres optiques à gradient d’indice (diamètre de cœur : 100 µm, diamètre externe : 140 µm). Elles sont positionnées entre deux mâchoires sur une surface approximativement égale à 5 mm × 5 mm. Ici, la grandeur à mesurer module l’intensité d’un canal spectral fourni par le réseau à multiplexage chromatique. 4.4.3 Multiplexage temporel Une diode laser pulsée injecte des impulsions courtes (20 ns) à cadence élevée (10 kHz) dans la fibre optique principale par l’intermédiaire d’un coupleur (figure 53). Cette impulsion est acheminée jusqu’à un coupleur optique passif qui divise l’impulsion optique et la répartit entre les voies de sortie. Sur chacune de ces voies est insérée une bobine de fibre chargée de retarder l’impulsion qui se dirige vers un capteur tout-ou-rien (TOR). Le sous-système de détection observe en retour un train d’impulsions représentatif de l’état des différents capteurs. La comparaison entre réseaux à multiplexage spectral et ceux à multiplexage temporel fait apparaître des avantages pour ces derniers qui offriraient une portée supérieure, une moindre sensibilité à la température et à l’insertion de connecteurs en ligne. 4.4.4 Les réseaux de terrain raccordent les capteurs et les actionneurs intelligents Les réseaux de terrain ont été développés pour raccorder les capteurs et les actionneurs de marques différentes. Les capteurs à fibres optiques sont appelés à s’y relier. Figure 53 – Réseau de capteurs à multiplexage temporel Les Comités nationaux du CENELEC ont exprimé au début 1996 un vote permettant l’adoption de la norme européenne des réseaux de terrain EN 50170, qui réunit Profibus, P-Net et WorldFIP. Ce vote confirme le poids que représente l’Europe dans le domaine des réseaux industriels et la volonté des constructeurs et des utilisateurs d’exploiter ceux-ci pour développer les techniques numériques de contrôle commande distribué. Le remplacement des connexions traditionnelles fil à fil par une simple paire de fils offre à l’automaticien la capacité de réduire ses dépenses de développement d’interfaces spécifiques car une grande partie du protocole de communication est figée dans le silicium. Autre atout offert par la normalisation : l’interopérabilité, voire même l’interchangeabilité des produits d’automatisme des différents constructeurs peut être assurée. Enfin, capteurs et actionneurs seront en mesure de communiquer des informations sur leur calibrage, la valeur de seuil, la validité d’une mesure, des grandeurs d’influence... ; toutes choses indispensables pour garantir la maintenabilité des systèmes automatisés de production. C’est en fait en 1983 que Dominique Galara (EDF) et Jean-Pierre Thomesse (Université de Nancy) publièrent leur livre blanc donnant naissance au premier système de communication entre capteurs, actionneurs et automates programmables : FIP développé par Télémécanique et Cegelec. Ce réseau est adapté aux applications où le temps est critique : il permet d’anticiper les problèmes survenant dès l’apparition d’une cascade d’alarmes. Il a aussi pour vocation de synchroniser différents équipements en quelques dizaines de microsecondes, capacité exploitée par le Grenoblois Incom : à la suite du projet européen Esprit OLCHFA de bus de terrain capable d’assurer, avec ou sans fil, la synchronisation poussée des fonctions de différents nœuds du réseau, celui-ci développe une carte FIP associée à une antenne, testée sur les laminoirs de British Steel (Swansea) et de Cockeril Sambre (Liège). Un développement qui vise à fournir une infrastructure à des applications de maintenance ou de diagnostic réparti, de dater au plus tôt les variables mesurées afin de mettre en évidence des causes premières de défaut. L’application permettra d’anticiper les problèmes de cascade d’alarmes dans les laminoirs à rouleaux, en présence d’un phénomène de vibrations. En Allemagne et en Europe du Nord, c’est un protocole concurrent, Profibus, qui a pris une avance commerciale. Du fait des enjeux économiques en présence, il n’y aura probablement pas un unique réseau de terrain. Rien qu’en Allemagne, Profibus rencontre les bus Interbus-S, Sensoplex, Seriplex, ASInterface. Pour la connexion de boutons poussoirs, détecteurs de position ou de proximité, lecteurs de codes à barres et autres composants électriques simples et bon marché, Allen-Bradley propose DeviceNET, réseau de terrain bâti sur la technologie des circuits CAN (Controller Area Network) originellement voués à l’automobile : DeviceNET doit bénéficier de l’effet de masse, puisque Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle R 415 − 37 ARCHIVES CAPTEURS À FIBRES OPTIQUES ___________________________________________________________________________________________________________ le nombre de circuits CAN vendus en 1993 s’est élevé à plus de 3 millions d’unités. De plus, CAN est disponible auprès de nombreux fournisseurs (Philips, Motorola, Intel, Hitachi, NEC) ce qui assoit sa pérennité. Avec le renouveau de CAN, c’est aussi la technologie du LON d’Echelon qui pourrait être mise sur la sellette. Ses composants de base sont bon marché et disponibles (Motorola, Toshiba). Des développeurs s’en servent pour des cartes d’entrées/sorties destinées aux intégrateurs industriels. 4.4.5 Opto-alimentation de capteurs L’alimentation de certains dispositifs et composants apparaît dans la conception de réseaux. Deux solutions sont possibles : électrique (alimentation par secteur ou par pile) et optique (opto-alimentation). On a recours à l’opto-alimentation dès qu’il n’est pas souhaitable de relier les différents organes d’un système à une alimentation électrique. Elle consiste à alimenter les systèmes électroniques en véhiculant l’énergie requise au travers des fibres optiques. L’opto-alimentation a longtemps été réservée aux équipements ne consommant que peu d’énergie, du fait des faibles puissances injectables dans une fibre optique et du faible rendement énergétique des convertisseurs photovoltaïques disponibles : cellules en silicium amorphe (rendement de 8 %) et cellules en silicium cristallin (15 à 20 %). La réalisation industrielle de réseaux performants de capteurs et sous-systèmes électriques opto-alimentés par fibres est envisageable en raison : — des progrès substantiels dans le développement des diodes laser de puissance ; — des perspectives offertes par les convertisseurs photovoltaïques en arséniure de gallium. Une source laser est utilisée pour opto-alimenter un coupleur en étoile chargé de répartir la puissance optique dans les diverses voies (figure 54). Le flux lumineux reçu par le convertisseur photovoltaïque est quasiment monochromatique : il est alors possible d’améliorer le rendement de conversion opto-électrique par la réalisation de cellules spécifiquement adaptées à la longueur d’onde du rayonnement. Pour des cellules en AsGa, ce rendement de conversion théorique est de 59 % à la longueur d’onde de 860 nm. Cette réflexion est abordée depuis plusieurs années par le groupe PHYSIQUE DES IMAGES de l’Institut d’optique théorique et appliquée (IOTA). Sa collaboration avec divers organismes publics et privés tels que l’Institut d’électronique fondamentale d’Orsay, le LAAS de Toulouse, le CNET (Bagneux) et le Laboratoire central de Corbeville (Thomson-CSF), lui a permis de développer le principe d’une architecture optoélectronique qui consiste à fournir au circuit intégré classique un moyen de communiquer avec l’extérieur au travers d’un réseau dense de connexions optiques. Celles-ci ne sont pas localisées sur la périphérie du circuit intégré, mais directement sur une fraction de sa surface par l’intermédiaire de photodiodes et de modulateurs. Pour tester les différentes fonctionnalités de cette architecture, les chercheurs ont associé au silicium, abritant la partie logique du circuit, les propriétés modulantes d’un réseau de Bragg à puits quantiques en GaAs développé dans le cadre du programme national MOTS (Matrice Optoélectronique pour le Traitement du Signal), programme fédérateur en optique, soutenu par le ministère de la Recherche. Cette technologie permet d’avoir recours à deux longueurs d’onde ; la première (en l’occurrence 860 nm) pour l’écriture au travers du composant en GaAs des instructions et des données sur le circuit en silicium, l’autre longueur d’onde (999 nm) est accordée sur celle du modulateur pour la sortie en parallèle des résultats. Les signaux communs aux unités logiques du réseau implanté sur le circuit en silicium sont distribués en parallèle par l’hologramme d’une matrice de micro-lentilles : cet hologramme forme autant d’images d’une source ponctuelle (diodes lasers) qu’il y a d’unités logiques dans le circuit. Cette architecture offre l’avantage essentiel d’augmenter notablement le nombre de connexions vers le mode extérieur, et donc la possibilité de traiter un ensemble de données en parallèle. Mais les difficultés technologiques rencontrées la rendent difficilement adaptable au monde industriel d’aujourd’hui. 4.5 Système optoélectronique parallèle Le développement des circuits intégrés et des circuits imprimés ou hybrides impose l’intégration d’un grand nombre de connexions électriques qu’il est difficile à satisfaire lorsque l’on cherche à mettre en œuvre sous une forme réellement optimale et efficace des algorithmes de traitement parallèles. Par ailleurs, l’industrie électronique spécialisée dans la fabrication et l’intégration de systèmes électroniques de pointe, de type avionique, recherche de plus en plus une alternative optique pour résoudre d’inextricables problèmes de compacité. R 415 − 38 Figure 54 – Opto-alimentation de cinq éléments Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle ARCHIVES P O U R Capteurs à fibres optiques par E N Marc FERRETTI Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique (ENSEM) Docteur-Ingénieur S A V O I R Le développement des capteurs à fibres optiques se heurte à un facteur psychologique. Trop souvent, les acheteurs estiment à tort que les composants optiques sont fragiles, qu’ils doivent travailler en environnement propre. Il en résulte que le marché est restreint, limité à quelques niches technologiques, en raison notamment d’un manque d’information des utilisateurs potentiels [29]. On observe toutefois une certaine ouverture dans le secteur des gyromètres à fibres optiques pour le guidage des fusées. Les Japonais proposent des produits de guidage pour l’automobile. Les nombreux projets industriels en cours pourraient faire évoluer le marché. Plusieurs cabinets d’études ont tenté de donner des évaluations quantitatives du marché des capteurs à fibres optiques. Cependant, les estimations qui en résultent apparaissent souvent contradictoires. Ainsi, SRI International estimait le marché mondial en 1991 entre 60 et 85 millions de dollars, alors que Market Intelligence Research Corp. l’évaluait à 165 millions de dollars. Études Frost & Sullivan Le lecteur pourra se reporter à la référence [30] de la bibliographie. ■ Résultats globaux Selon le cabinet Frost & Sullivan, le marché européen des capteurs à fibres optiques a été de 49,2 millions de dollars en 1992, pour un marché mondial de 126 millions de dollars. Il devait atteindre 54,8 millions, fin 1994. Selon d’autres sources (privées), ce marché mondial serait de 200 millions de dollars en 1994, la part de la France se situant au-dessous de 10 %, c’est-à-dire entre 60 et 100 millions de francs (et plus probablement entre 70 et 80 millions de francs). La moitié du marché mondial (entre 80 et 100 millions de dollars) appartiendrait aux États-Unis. En Europe, les britanniques détiendrait 12 à 15 % du marché mondial, l’Allemagne environ 10 %, la Suède et l’Italie également quelques pour cent. Le marché mondial des capteurs à fibres optiques devrait croître au rythme annuel moyen de 36,6 % pour atteindre 1,12 milliard de dollars en 1999. Le marché européen a connu une relativement forte croissance à la fin des années 80 : les ventes ont augmenté de 8,7 % en 1990, tandis que le nombre d’unités livré a crû de 8,1 %. Ces résultats ont toutefois été tempérés à partir de 1991, en raison de la crise économique qui a frappé le monde industriel : 6,4 % et 5,9 % respectivement pour les ventes en valeur et en nombre en 1991. L’année 1992 a vu le chiffre d’affaire croître de 5,1 % seulement (figure A). ■ Résultats sectoriels Deux secteurs détiennent à eux seuls près des trois-quarts de ce marché. En effet, les capteurs de déplacement, de position et de proximité comptent pour 55 %, tandis que les capteurs destinés à la mesure dans les fluides représentent 20 %. Leur position pourrait toutefois évoluer au cours de la décennie 1990 avec l’arrivée des capteurs chimiques. Aux dires du cabinet Frost & Sullivan, en 1999, le premier segment (déplacement, position, proximité) bien qu’en croissance au rythme annuel moyen de 5,8 %, verrait sa part chuter à 41,5 % du marché total, tandis que le marché des capteurs destinés à la mesure des écoulements (croissance annuelle de 5,3 %) se situerait probablement autour de 14,8 %. Figure A – Marché des capteurs à fibres optiques Le troisième marché serait celui des capteurs de pression et de température, chacun de ces deux secteurs comptant pour 8,3 % du total en 1992. Leur évolution est jugée relativement lente (croissance annuelle moyenne : pression : + 8,7 %, température : + 10,6 %, la part des capteurs de pression tombant en 1999 à 7,5 %, celle des capteurs de température s’élevant jusqu’à 9 % en 1994/1995, pour redescendre au niveau de 8,4 % à la fin du siècle). Le marché européen des accéléromètres à fibres optiques, estimé à 180 000 dollars en 1992, devrait croître au rythme annuel moyen de 36,2 %, et atteindre 1,54 milliard de dollars en 1999. L’envolée des capteurs chimiques se manifesterait par une croissance de leur part de marché européen de 6,3 % en 1992, à 24 % en 1999. Le rythme annuel moyen de croissance est estimé à 33,4 %. Au niveau mondial, Frost & Sullivan prédit que plus de 61 % des ventes de capteurs à fibres optiques seraient concernés par ce segment. Ce développement spectaculaire du capteur chimique pourrait être lié aux exigences de contrôle de l’environnement, et des promesses faites par le secteur médical (dispositif jetable d’analyse du sang). La fin de la guerre froide devrait en outre conduire au ralentissement des secteurs de la défense et de l’industrie aérospatiale. Le secteur médical quant à lui va bénéficier de l’émergence de nouveaux capteurs miniaturisés, plus précis. C’est là un marché qui devrait connaître une forte croissance au cours de cette fin de siècle. Il en résulte une croissance du marché à un rythme moyen de 10,9 % par an entre 1992 et 1999, avec deux secteurs en forte croissance : capteurs chimiques (33,4 % par an) et capteurs de température (10,6 %). (0) Part du marché mondial acquise en 1999 par les différents capteurs à fibres optiques Accéléromètres Chimiques Déplacement position proximité Écoulements Gyromètres Niveaux de fluide Pression Température 10,7 % 61,3 % 6,6 % 0,7 % 6,4 % 0,4 % 8,3 % 5,6 % Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. − © Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle Doc. 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