Capteurs en Optique Guidée Généralités

Capteurs en Optique Guidée
Généralités
Architecture générale
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Emetteur: Laser, DEL, diode superluminescente…
Fibre optique: mono/multi, saut/gradient,
verre/plastique/…
Transducteur: FO → intrinsèque.
Composants optiques: coupleur, polariseur,
interféromètre, …
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Récepteur: photodiodes, avalanches, PM, …
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Traitement: Ampli, filtres, démod, …
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Alimentation: Câble élec., batteries, alim optique .
Avantages
Performances:
Sensibilité (lim=Bruit quantique; phD:Poisson).
Dynamique (80dB).
Tps réponse (lim=ELN).
Portée (atténuation faible).
Dimensions:
Encombrement, masse, souplesse.
Mesure locale (100µm) ou répartie (qq km).
Fonctionnement:
Mesure sans contact.
Isolation galvanique.
Sécurité (perturbations, piratages) & sûreté (risques électriques, explosifs).
Champs EM faible.
Mesures déportées de l’électronique.
Environnement:
Hautes températures: jusqu’à 400°C voire 2000°C.
Haute pression.
Fortes perturbations EM.
Rayonnement nucléaire.
Fiabilité & durée de vie :
Pas d’usure mécanique.
Durée de vie optoélec ~ 100000h (10 ans).
Domaines d’application
Industrie électrique (insensibilité aux hte tension et CEM):
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Échauffement des composants d'un stator.
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Température d'un stator.
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Vibration de têtes de bobines.
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Température/gaz (transformateur).
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Surveillance des câbles sous-terrains, réacteurs (gamma),
Industrie gazière (isolation galvanique & explosivité):
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Puits de pétrole.
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Gazoducs/oléoducs.
Prévention, surveillance des fuites.
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Aéronautique (+ d’informatique embarqué, encombrement et masse
limitée, CEM altitude):
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Monitoring des réacteurs.
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Mesures de pression, température, vibration, position, …
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Gyroscope.
Médical:
- Mesure en environnement perturbé (traitement
µonde des tumeurs).
- Thermomètre fin (facilité d’insertion).
- Endoscopie.
Bâtiment & Domotique:
- Sécurité des bâtiment
- incendie (flamme, fumée, température).
- Structure (traction pont, déformations).
Fibres télécoms
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Fibres télécoms:
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Avantages: bas coût, disponibilité, performances
standard.
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Inconvénients: maintient polar, insensibles.
Fibres télécom modifiées:
→ Contraintes:
Maintient polar. circulaire, augmente sensibilité.
Mais dégradent fibre (durée de vie). (torsadées, hélico)
Fibres à maintien de polarisation
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Fibres à maintient de polarisation (MP):
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Fibres à faible biréfringence (rotation préforme durant fibrage).
Fibres à MP linéaire:
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Forte dissymétrie (dopage crée des contraintes en x et y lors du
refroidissement).
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Forte biréfringence pour limiter la dégénérescence des modes de polar.
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Longueur de battement LB quantifie la biréfringence B: LB = 2π / ∆β = λ / B
Fibres spéciales 1
Fibres dopées (Nd, Er, Yt, …)
- lasers, amplis (lasers à fibre : kW → usinage)
- Capteurs de température.
Verre fluoré (→ 5µm) ou chalcogénure (→ 20µm) : (cher)
- Pyromètre à l'ambiante.
- Observations spatiales.
- Détection de gaz.
Fibres fluorescentes : (λfluo modifiée)
- Détection de présence.
- Mesure d'énergie de particules élémentaires.
- Fumée
- Biologie (marquage).
Fibres à cristaux de verre : 20x plus sensible au champ magnétique que silice.
- capteur de champ magnétique.
- capteur de courant.
- isolateurs.
Fibres spéciales 2
Fibres à revêtement métallique ou polyimide :
Résistent à haute température (-65°C à 350°C) → mesure de courants forts.
Le carbone rend la gaine hermétique pour protection humidité ou chimique.
Fibres à section non circulaire :
Abrasion de la gaine pour atteindre le champ évanescent.
Fibres revêtues d'un matériau sensible :
Piezoélec, magnétorestrictif (modification dimensionnelle)
Fibres à cœur liquide :
Mesures chimiques, composés chimiques sensibles.
Fibres poreuses :
Humidité, mesures chimiques.
Fibres à double cœur :
Interférométrie, haute précision (bras accordés)
Fibres à réseaux de diffraction :
Mesure de pression, température, déformation. Haute précision.
Fibres microstructurées.
Classification Critères : type de mesure, localisation élément sensible, mode d'interaction, effet physique, modulation.
1 - Type de mesure
2 – Type d'interaction
3 - Mode d'interaction
Nul : Fibre = transport info.
En extrémité : Réflexion, couplage FO/FO, …
Avec la structure guidante : Modification de l'indice effectif via les paramètres optogéométrique.
Avec le matériau : indice, absorption, luminescence, …
Avec la lumière : Effets relativistes (effet Sagnac, Fresnel-Fizeau)
4 - Modulation
(Intensité, phase, polarisation, longueur d'onde, temps, fréquence)
Intensité :
Facile mais sensible à de nombreux paramètres
(alignement, sélectivité).
Doit être calibré.
Phase :
Plus sélectif car la mesure est différentielle.
Polarisation : Analyse de l'angle de rotation de la polarisation.
Sensible aux vibration et température.
Longueur d'onde : bonne résolution et dynamique mais système complexe.
5 - Effets physiques
Effet Faraday :
Rotation de polarisation VS champ magnétique.
Effet Sagnac :
Déphasage d'une onde lumineuse VS rotation spatiale.
Effet Doppler-Fizeau :
Décalage fréquentiel apparent VS mouvement de la cible.
Effet Fresnel-Fizeau :
Déphasage VS milieu (de propagation lumineuse) en mouvement.
Rayonnement thermique :
Emission lumineuse VS température.
Luminescence :
Emission lumineuse VS énergie apportée.
Absorption :
Atténuation d'intensité VS matière.
Diffusion :
Déviation de l'onde avec/sans changement d'énergie VS matière
(Types : Rayleigh, Raman, Brillouin).
Effet Faraday
H
Polar rectiligne =
Polar droite + polar gauche
H → Biréfringence circulaire
∆t = (NG-ND) . d / c
∆φ = ω . ∆t = 2π . d . ∆N / λ
Effet Sagnac
∆φ = 4π ². R . ∆N / λ = 0
∆φ = 4π ². R . ∆N / λ  0
Effet Doppler-Fizeau
q
f 0 . √ 1−v² /c²
f=
v
1+ . cos(q)
c
Effet Fresnel-Fizeau
∆f = 4π . L . v . (n²-1) / ( c . λ )
(cas longitudinal)
Rayonnement thermique
Luminescence
Délai d'émission ? Oui : fluorescence ; NON : phosphorescence.
Excitation :
chimique (lucioles), électrique (LED), mécanique (frottement...),
Radioactive, lumineuse (photoluminescence),
Absorption
Diffusion
Pour les grosses particules (  λ ) : diffusion de Mie
Pour les petites particules (  λ / 10 )
Rayleigh : diffusion élastique (pas d'échange d'énergie)
Raman : diffusion inélastique (échange d'énergie – thermique, magnétique...)
Brillouin : diffusion inélastique (échange d'énergie avec onde acoustique)
Diffusion Rayleigh
Répartition angulaire
Modèle du dipôle oscillant
Ciel bleu, soleil jaune, parfois rouge
Atténuation fibre optique en silice
( due to refractive index
inhomogeneities )
impurities
Diffusion Raman
Energie thermique.
Amplification Raman.
Spectroscopie Raman.
Composition moléculaire.
Mesure thermique,
Diffusion Brillouin
Déplacement des masses, charges
et spins magnétiques,
Dépend de la fréquence acoustique.
Influence à plus grande échelle que
Raman,
Mesure de propriétés mécaniques.
Spectroscopie Brillouin.
Effet elasto-optique
(variation d'indice)
Effet acousto-optique
(variation d'indice périodique)