Soufiane BENHAMIDA - Manifestations Univ Ouargla

5ème Séminaire National sur le Laser et ses Applications – UKM Ouargla – 16 et 17 Décembre 2009
301
ÉTUDE THÉORIQUE SUR LES
PARAMÈTRES
LES PLUS INFLUENTS D’UN CAPTEUR ULTRASONIQUE
EN UTILISANT L’INTERFÉROMÈTRE FABRY-PEROT
pC10
Soufiane BENHAMIDA1, Ferhat REHOUMA2 et Kamel-Eddine AÏADI
1
1Laboratoire de Développement des Énergies Nouvelles et
Renouvelables
dans les Zones Arides et Sahariennes, Université Kasdi Merbah – Ouargla, 30000 Ouargla, Algérie
2Département de Physique, Institut des Sciences et Technologie, Centre Universitaire
d’El-Oued
E-mail : benham i [e-mail]
RÉSUMÉ : Dans cette étude, un capteur interférométrique de type Fabry-Pérot est proposé pour la détection des
ondes ultrasoniques en s’appuyant sur la technique du laser. Une modélisation et un programme informatique
sont réalisés pour effectuer une série de calculs. Cette simulation permet d’avoir les spectres des fréquences, de
déterminer les régions où la stabilité est linéaire et d’améliorer la réponse dans le domaine des ultrasons. Le
programme a été validé par comparaison avec des travaux publiés et les résultats obtenus sont satisfaisants.
Notre programme de calcul est indispensable pour déterminer les paramètres les plus influents sur le
fonctionnement du système.
MOTS-CLÉS : capteur optique, interféromètre Fabry-Pérot, capteur ultrasonique, diode laser
1. Introduction
Avec le développement des recherches actuelles dans tous les secteurs industriels, la
technologie des capteurs trouve sa place privilégiée, ce qui conduit aux multitudes types et
séries des capteurs. Pratiquement, les capteurs ont un large domaine d’utilisations dans notre
vie, tel que l'utilisation dans la transmission des informations; l'émission, la réception et la
détection. Les techniques de détection ultrasonores ont depuis longtemps fait preuve de leurs
remarquables aptitudes dans le domaine du contrôle industriel et sont susceptibles d’assurer,
avec une très haute précision, des mesures sans contact dans les domaines de
l’instrumentation, de la mécanique, de l’électronique et bien d’autres encore, ces techniques
ouvrent des voies nouvelles au développement des applications dans touts les secteurs de
recherche.
A l’heur actuel l’interférométrie optique est une technique incontournable aussi bien
dans l’industrie que le domaine de la recherche. Elle permet de mesurer des distances avec
une très haute précision, ses champs d’application sont donc nombreux : astrophysique,
physique des solides, biophysique, etc. L’interféromètre spectral de type Fabry Pérot occupe
une place importante dans des différents domaines industriels, car il marque une étape
décisive dans l’ébranlement de la spectroscopie, l’astrophysique l’instrumentation optique et
la détection. Les systèmes interféromètriques de type Fabry Pérot présentent des avantages
spécifiques parmi ces avantages, le pouvoir de résolution de l'image observer par
l'interféromètre Fabry Pérot capable d'atteint des valeurs de résolution extrêmement élevé,
Ils présentent en effet des avantages significatifs de qualité et de fiabilité : une précision
excellente d’effectuer en temps réel des mesures de déformations ou de vibrations mécanique.
Dans le but d’amélioration des performances de fonctionnement de ces capteurs, avoir
une bonne sensibilité et de bonne réponse dans le domaine d’ultrason. Dans cette étude nous
basons sur l'interféromètre de Fabry Pérot (FP) à cause de ces avantages spécifiques [3] tels
que son bon pouvoir de résolution [4] et ses mesures sans contact.

ÉTUDE THÉORIQUE SUR LES PARAMÈTRES LES PLUS INFLUENTS D’UN CAPTEUR ULTRASONIQUE EN UTILISANT
L’INTERFÉROMÈTRE FABRY-PEROT BENHAMIDA S.et al – Poster C10
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2
0
r
2. Mécanisme de fonctionnement
Le fonctionnement du capteur se déroule de la façon suivante: en éclairant le capteur
sous incidence normale par une source lumineuse cohérente et continue (diode laser), une
partie du faisceau traverse le verre vers le centre de la membrane, le reste sera réfléchi. Des
réflexions seront reproduites entre la membrane et le verre. A chaque passage, une partie du
faisceau s'échappe et donne naissance à des faisceaux secondaires. Ce retard va se traduire par
un décalage des maxima des deux ondes, en fonction de la distance parcourue qui dépend de
l'épaisseur séparant la membrane et le verre.
Toute déformation ou déplacement de la membrane, provoquée par l’effet de la
pression acoustique, introduit un changement de la cavité d'air qui se traduit par une
changement de la différence de phase
ϕ
et une variation d'intensité réfléchie
I r , par la suite.
Dans le cas d'incidence normale (i
≈ 0) , ou la lame à un indice de réfraction n. On
obtient la relation de L'intensité totale réfléchie qui s'écrit de la façon suivante :
4R 2
⎛
ϕ
⎞
.sin
⎜ ⎜
I = I . (1
− R)
⎝
2
⎠
(1)
4R 2
⎛
ϕ
⎞
1 + .sin
⎜ ⎜
Avec : (1
− R) 2
⎝
2
⎠
I 0 : Représente l'intensité initiale, R : le coefficient e réflexion
ϕ
le déphasage qui s'écrit
:
ϕ =
2π
.2.n.e =
4 π .n.e (2)
λ
λ
Ou :
n: l'indice de réfraction du verre,
λ
: la longueur d'onde du faisceau laser, e : la distance
entre la membrane et le verre.
3. Modélisation du capteur
Dans un modèle choisi [5] ou la membrane est circulaire, l’amortissement de
l’amplitude est assuré par une cavité, une plaque arrière, des trous et une chambre arrière, voir
le modèle (Fig.1.). L'équation du déplacement de la membrane au centre (r =0) dépend du :
nombre d’onde sonore sur la membrane, la pulsation, la pression incidente, la tension de
fixation de la membrane et la réaction de pression sur la membrane.
a
Cavité Fabry Pérot Trou et
ouvertures
Membrane
Verre
Chambre
arrière
Figure1: Coupe longitudinale du capteur

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rapport Intensité( I / I )
r
i
Pour étudier la sensibilité du système et l'intensité réfléchie par ce capteur, le
programme de calcul ont été exploités. Après avoir comparé les résultats obtenus par notre
programme avec les résultats du modèle de base et les résultats d’autres modèle pratique [6],
[7], [8] on a trouvé une bonne convergence pour la plupart des paramètres calculés.
Généralement, l'accord des résultats montre que le programme est fiable, et on peut l'utiliser
comme un moyen d'obtention des résultats.
4. Résultats
Des résultats sont obtenus à partir de plusieurs graphes, nos observations montrent
qu’il y on a trois régions principales dans tous les graphes, la première région montre une
stabilité de fonctionnement du capteur où la réponse est linéaire, élargir cette région est
l’objectif de cette étude, la deuxième région représente une variation de la sensibilité (bruit),
cette variation est en fonction de tous les paramètres les plus influents sur le fonctionnement
du capteur, dans la dernière région, toute variation des paramètres de capteur ne change pas
la réponse de celui-ci qui conduit à une intensité constante.
On s’intéresse à l’influence de chaque paramètre sur l’élargissement de la bande de
fréquence du capteur et la sensibilité de ce dernier à l'ultrason.
Le rayon, de la membrane, a un effet considérable sur la sensibilité du capteur Fig. 2.
nos résultats montrent une influence importante de ce dernier, d’une part sur la détection des
ondes ultrasoniques, à partir de 20 KHz et de rayon 3.175×10-5m, et d’autre part sur
l’amélioration de sensibilité.
8.2x10
-4
8x10
-4
7.8x10
-4
7.6x10
-4
7.4x10
-4
7.2x10
-4
7x10
-4
a=3,175 ∗ 10-3m
a=3,175 ∗ 10-4 m
a=3,175 ∗ 10-5 m
a=3,175 ∗ 10-6 m
10 100 1k 10k 100k
Fréquence (Hz)
Figure2: L’intensité de sortie en fonction de la fréquence,
pour différent rayons
Tout changement d’épaisseur entre la membrane et le verre h cause une déformation
de la membrane qui se traduit par la modification ou la variation de déphasage φ dans la
cavité d’air qui consiste à enregistrer périodiquement une séquence d'interférences ce qui
permet de modifier la réponse du capteur, les résultats obtenus (Figure 3) décrivent une
influence importante sur la bande de fréquence dans le domaine d’ultrason et aussi sur
l’intensité d’onde réfléchi.

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L’INTERFÉROMÈTRE FABRY-PEROT BENHAMIDA S.et al – Poster C10
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h=65 10-3 m
h=65 10-4 m
-5
h=65 10 m
h=65 10-6 m
rapport Intensité( I / I )
r i
rapport Intensité( I / I )
r
i
8.5x10
-4
8x10
-4
7.5x10
-4
7x10
-4
6.5x10
-4
6x10
-4
5.5x10
-4
5x10
-4
10 100 1k 10k 100k
Fréquence (Hz)
Figure3: L’intensité de sortie en fonction de la fréquence,
pour différentes distances h
Les résultats établis montrent que l’indice de réfraction n est un facteur important dans
le fonctionnement de celui-ci, sa variation est liée directement avec le coefficient de réflexion
R, donc chaque changement de ce dernier influe sur l’intensité totale de l’onde réfléchi, la
figure 4 illustre l’influence de n sur la réponse du capteur.
On a introduit des déférents d’indices de réfraction n pour différents verres
transparents utiliser dans le domaine industriel tableau 1 [1].
Type de verr e
Indice de réfraction n
Crystal
1.329
Pyrex
1.470
Crown
1.520
Flint, lourd
1.655
Flint, lanthamun
1.800
Tableau 1: Indice de réfraction de différent type de verre
8.1x 10 -4
8x 10 -4
7.9x 10 -4
7.8x 10 -4
7.7x 10 -4
7.6x 10 -4
10 1 00 1 k 10 k 100 k
F r éq ue nc e ( H z )
n = 1,32 9
n = 1,4 70
n = 1,5 20
n = 1,6 55
n = 1,8 00
Figure 4:L’intensité de sortie en fonction de la fréquence,
pour différents indices de réfraction n

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rapport Intensité( I / I )
r
i
La sensibilité du capteur varie fortement avec la longueur d'onde λ de la source
lumineux ce dernier est relier avec le déphasage φ ce qui permet de modifier l'intensité de
l'onde réfléchie. La figure 5 montre cette influence sur la bande de fréquence.
8.1 x10 -4
8x10 -4
7.9 x10 -4
7.8 x10 -4
7.7 x10 -4
7.6 x10 -4
10 100 1k 10k 100k
F réque nc e (H z )
n = 1,329
n = 1,470
n = 1,520
n = 1,655
n = 1,800
Figure5: L’intensité de sortie en fonction de la fréquence,
pour différentes longueurs d'onde λ
5. Conclusion
Notre étude d’un capteur interférométrique de type Fabry Pérot pour la détection des
ondes ultrasoniques montre l’existence d’une région de stabilité où la réponse est linéaire et la
possibilité d’élargissement de cette région. Tous les paramètres influents sur le
fonctionnement du capteur sont recensés. Les résultats obtenus à partir de notre programme
informatique, montrent que certains paramètres ont une influence sur la bande de fréquence et
sur la sensibilité du système, ces paramètres peuvent être les clés d'amélioration de modèle.
Nos résultats obtenus sont comparés avec d’autres résultats pratiques, L'accord des résultats
montre que le programme est fiable.
6. Références
[1] Edward Z. Zhang and Paul Beard Ultra high sensitivity, wideband Fabry Perot ultrasound
sensors as an alternative to piezoelectric PVDF transducers for biomedical photoacoustic
detection Proc. SPIE 5320, pp 222-229, 2004 SPIE BIOS 2004, 25-26 January 2004, San
Jose, USA.
[2] E. Jesper Eklund and Andrei M. Shkel , Performance Tradeoffs in MEMS Sensors with
High-Finesse Fabry-Perot Interferometry Detection NSTI-Nanotech 2005, www.nsti.org,
ISBN 0-9767985-2-2 Vol. 3, 2005.
[3] E. Ouisse, V. Métivier, H. C. Seat, N. Servagent, Ch. Boisrobert, « Capteur
interférométrique extrinsèque de Fabry Pérot à fibre optique (EFFPI) adapté à la vélocimétrie
», Journée Nationales de l’Optique Guidée, pp. 343-345 , Valence, nov. 2003.