Capteurs à fibres optiques

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ARCHIVES
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 ....................................................
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2
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4
2.
2.1
2.2
Différents types de capteurs à fibres optiques...............................
Architecture des capteurs ...........................................................................
Modulateurs de lumière..............................................................................
—
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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.....................................................................................
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14
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26
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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 ..........................................................
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38
Pour en savoir plus...........................................................................................
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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
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© Techniques de l’Ingénieur, traité Mesures et Contrôle
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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.
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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
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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) ;
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— 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.
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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.
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■ 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.
R 415 − 5
ARCHIVES
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.
ARCHIVES
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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.
R 415 − 7
ARCHIVES
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...
ARCHIVES
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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.
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
R 415 − 9
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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
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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.
R 415 − 11
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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
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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
■ 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
R 415 − 13
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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 )
ARCHIVES
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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.
R 415 − 15
ARCHIVES
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.
ARCHIVES
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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.
R 415 − 17
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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 )
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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.
R 415 − 19
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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.
ARCHIVES
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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
R 415 − 21
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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-
ARCHIVES
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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.
R 415 − 23
ARCHIVES
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 ;
ARCHIVES
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— 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
R 415 − 25
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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.
ARCHIVES
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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
R 415 − 27
ARCHIVES
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.
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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
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)
R 415 − 29
ARCHIVES
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
ARCHIVES
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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
R 415 − 31
ARCHIVES
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
ARCHIVES
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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.
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.
R 415 − 33
ARCHIVES
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...
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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.
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■ 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.
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Figure 52 – Multiplexage spectral
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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
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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.
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Figure 54 – Opto-alimentation de cinq éléments
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Marc FERRETTI
Ingénieur de l’École Nationale Supérieure d’Électricité et de Mécanique (ENSEM)
Docteur-Ingénieur
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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
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Références bibliographiques
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Spécification générique pour les capteurs à
fibres optiques. Norme NF C 93-800. Association Française de Normalisation (AFNOR).
GOURE (J.P.). – Capteurs optiques-capteurs à
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Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
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Capteurs à fibres optiques

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