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dernière mise à jour
22 mars 2013
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LES TENDANCES TECHNOLOGIQUES
quatrième partie (4/8) : fibres optiques

généralités sur ces capteurs
quelques idées
les effets physiques exploités
ils sont nombreux
capteurs à transmission de flux
l'endoscope
capteurs de température
sans contact?
capteurs à modulation d'amplitude
peser un camion?
capteurs à modulation de phase
un gyroscope
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Généralités.
Les fibres optiques sont appelées à jouer un rôle croissant en instrumentation. Leur emploi est lié à la disponibilité de plus en plus importante de ces matériaux et se développe dans plusieurs directions:
  • d'une part, la transmission des données (le réseau téléphonique en est le meilleur exemple)
  • mais aussi un emploi original en transmetteur d'énergie pour les dispositifs en sécurité intrinsèque
  • la transmission d'un flux lumineux émis par une substance (permettant les dosages par chimiluminescence)
  • le transfert d'énergie par couplage entre deux fibres accolées (anastomose) sous l'effet d'une perturbation extérieure suscite un grand intérêt dans l'optique du développement de capteurs distribués.
  • enfin la modification des propriétés de réflexion de l'extrémité d'une fibre optique sous l'effet d'une grandeur est mise à profit pour concevoir des capteurs très miniaturisés (ASEA) utiles en robotique ou en médecine, soit en raison de leur insensibilité aux perturbations électromagnétiques, soit en raison de leur faible dimension compatible avec celle des artères par exemple.
Pour connaitre les propriétés basiques des fibres optiques, exploitées dans les capteurs originaux présentés ci-dessous, se reporter au chapitre chap_fo1.htm

Avec les fibres optiques on peut réaliser de véritables capteurs dont les principaux avantages sont :
  • l'immunité aux champs électromagnétiques et l'absence de rayonnement du signal à l'extérieur de la fibre permettant au capteur de ne pas perturber son environnement
  • une large bande passante: la réponse est le plus souvent très rapide et les limitations ne proviennent que du système électronique
  • un poids faible et des dimensions réduites
  • la possibilité de fonctionner dans des milieux difficiles à haute température ou relativement corrosifs, voire explosifs, à très fortes pressions, dans des environnements électromagnétiques perturbés ainsi qu'en présence de rayonnements nucléaires.
  • la mesure peut-être effectuée sans contact.
  • et bien entendu leur adaptation pour les mesures à distance
  • fiabilité et durée de vie : l'absence de pièces mécaniques élimine souvent les problèmes d'usure.
Un capteur à fibre optique est donc un appareil de mesure dans lequel la fibre optique joue le rôle du détecteur ou celui de média servant à transporter le signal lumineux. Il est en général composé d'un émetteur de lumière, d'une fibre optique, d'un dispositif optique de détection, d'une ou plusieurs photodiodes chargées de recueillir le signal et bien évidemment le tout est suivi d'une chaîne d'acquisition et pourvu d'un circuit d'alimentation ad hoc.

Dans les paragraphes qui suivent on trouvera donc des dispositifs dans lesquels la fibre ne sert que de véhicule de la lumière (on parle de capteur passif), et d'autres où le transducteur sera la fibre elle-même (capteur actif) selon le schéma général ci-dessous.


3 types de mesures sont possibles: mesure ponctuelle en bout de fibre, intégrée le long de la fibre, répartie le long de la fibre.

fig: les principaux types de mesures

a) mesure localisée, b) mesure interférométrique, c) mesure polarimétrique,d) mesure répartie, e) mesure distribuée.

Enfin il conviendra de distinguer dans la catégorie des capteurs actifs ceux dits intrinsèques, où le trajet optique n'est pas interrompu, des capteurs extrinsèques où le mesurande agit en dehors de la fibre optique.


La figure ci-dessous illustre les principaux cas de figure que l'on va exploiter.


Enfin nous présenterons un tableau des principaux phénomènes exploitables pour moduler la lumière en agissant sur son amplitude, sa phase, sa polarisation, sa longueur d'onde, voire le temps de transmission.

Effets physiques exploités

Six effets peuvent être exploités dans des fibres optiques aux fins de mesure. Ce sont les effets Faraday, Sagnac, Doppler, Pockels, Raman et Rayleigh que nous allons brièvement présenter.

Faraday

Michael Faraday s'aperçut en 1845 qu'un morceau de verre placé dans un fort champ magnétique présente une activité optique. On observe la rotation d'angle q du plan de polarisation d'une onde lumineuse se propageant dans le milieu lorsqu'un champ magnétique H est appliqué parallèlement à la direction de propagation de la lumière. Cette rotation est proportionnelle au champ et à la longueur du trajet optique selon la relation =VeHL où Ve est la constante de Verdet du matériau.

Sagnac

Le principe repose sur le déphasage, sous l'effet d'un champ magnétique, de deux ondes à polarisation circulaire se propageant en sens inverse dans une fibre formant un anneau dit "anneau de Sagnac". Une source de lumière polarisée linéairement délivre un faisceau lumineux traversant une première puis une seconde lame semi transparente. Cette dernière va transmettre et réfléchir 50% de l'intensité lumineuse vers deux lames quart d'onde orientées de telle manière qu'elles rendent circulaires les polarisations des ondes incidentes. Ensuite deux lentilles sont chargées de focaliser les deux faisceaux sur les deux extrémités de la fibre optique. Après avoir parcouru les N spires de la fibre les deux faisceaux quittent l'anneau et vont se recombiner via la même lame semi transparente L2 en donnant un phénomène d'interférence dont l'intensité va être mesurée par un photodétecteur.


Doppler

Cet effet découvert en 1842 pour les sources sonores, puis étendu en 1848 par H. Fizeau pour les ondes lumineuses, précise la modification apparente de la fréquence d'une onde lorsque source et observateur sont en mouvement relatif. Cet effet est exploité dans de nombreux vélocimètres.

Pockels

Cet effet induit une modification des indices proportionnelle au champ électrique dans certains cristaux. Une onde lumineuse polarisée linéairement qui est soumise à l'effet Pockels devient elliptique du fait de la biréfringence induite avec des composantes déphasées de 2n/l.

Raman

L'effet Raman est un effet non linéaire consistant en l'échange d'énergie entre l'onde optique et les vibrations du matériau. Ainsi dans le spectre de la lumière, diffusée par un corps solide ou liquide, des fréquences décalées inférieures (raies Stockes) ou supérieures (raies anti Stockes) sont observées à côté des fréquences d'émission de la source de lumière.La température joue sur la fréquence de la raie anti-Stockes mais non sur celle de la raie Stockes d'où une possibilité d'exploitation en métrologie.

Rayleigh

La diffusion Rayleigh est une atténuation de l'onde avec la matière qui diffuse d'une manière relativement isotrope. Elle est présente dans tous les milieux désordonnés (verres, liquides) à cause des fluctuations de densité sur des distances très courtes et est proportionnelle à-4. Ainsi, pour une fibre de silice à coeur dopé au germanium, on aura aD=(dB/km)=(0.75+66n+)-4 avec n+ étant la différence absolue entre les indices du coeur dopé et de la silice pure.

exploitation des procédés de modulation

6 voies de modulation de l'onde sont exploitables : intensité, phase, polarisation, longueur d'onde, temps, fréquence.

Les capteurs d'intensité sont les plus immédiats, mais ils sont très sensibles à toutes les pertes non contrôlées intervenant dans le dispositif (instabilité de la source, variation des coefficients de couplage entre divers éléments optiques).

Les capteurs de polarisation servent à mesurer le courant électrique via le champ magnétique en résultant.

Le procédé de modulation de longueur d'onde est très performant, l'une servant à la mesure proprement dite et l'autre à la calibration des variations parasites d'intensité.

La réflectométrie optique temporelle consiste en une analyse de la lumière rétrodiffusée par une fibre dans laquelle une impulsion optique est injectée répétitivement. Technique utilisée initialement pour la localisation de défauts sur les câbles optiques, puis appliquée pour la mesure de l'atténuation répartie dans les fibres multimodes et monomodes.

Les paragraphes suivants vont donner des exemples concrets de certaines de ces possibilités. Précisons qu'il ne s'agit pas ici d'être exaustif mais d'illustrer certaines avancées technologiques.

transmission de flux

Nous retiendrons deux exemples typiques. L'un concerne le domaine biomédical, il s'agit de l'endoscope, l'autre le domaine de l'analyse chimique, c'est le fluorimètre.
. endoscope médical
Il s'agit d'une application très ancienne puisque la première réalisation date de 1927. L'endoscopie est une méthode d'investigation paraclinique exploratrice d'une cavité ou d'un conduit naturel (larynx, oesophage, estomac, vaisseau sanguin, coelioscopie, etc.). L'endoscope moderne, souvent appelé fibroscope, comporte deux faisceaux de fibres optiques : l'un, le faisceau incident éclairant, transmet la lumière au tissu à examiner, et l'autre, le faisceau image transmet l'image à l'observateur. Le faisceau éclairant est couplé à une source lumineuse très intense (lampe à arc au xénon), tandis que l'autre comporte à ses extrémités un objectif et un oculaire. Chaque fibre ne transmet qu'une petite partie de l'image, mais le faisceau ne comporte pas moins de 10000 fibres pour un diamètre global de moins de 1mm. L'ensemble reste souple et peut aisément être déplacé et orienté grâce à un manipulateur.


En outre il est possible d'intégrer dans l'instrument un laser chirurgical pouvant disposer d'une très grande puissance (100 watts), dont les impulsions seront transmises par des fibres polycristallines d'halogénures métalliques. On dispose alors d'un bistouri à laserà l'extrémité de l'endoscope. Cependant l'utilisation d'un faisceau de fibres produit un pixellisation de l'image parfois génante c'est pourquoi on développe aussi des endoscopes dans lequel l'image se forme sur un capteur d'image CMOS associé à une électronique adéquate (cf chap biomédical) et où la fibre optique ne sert plus qu'à transmettre le flux d'éclairage de la scène à examiner.

Notons que l'endoscopie est aussi employée en milieu industriel à risque, telles certaines zones irradiées dans les centrales nucléaires, ou le contrôle de défauts à l'intérieur de tubes ou de réservoirs sous hautes pressions.
. Exemple de fluorimètre à fibres optiques pour le dosage de NADH dans un bioréacteur.

fluorimètre : utilisation en brasserie

Le NADH qui est un constituant des micro-organismes que l'on trouve par exemple dans la bière et qui est l'une des composantes de sa saveur, émet un rayonnement caractéristique à 460nm lorsqu'il est excité avec une longueur d'onde de 340nm. Le dispositif ci-dessus comporte 3 fibres optiques, l'une pour l'excitation, une autre pour la récupération du rayonnement diffus, résultant du fait que l'on est en milieu vivant (cellules) et que l'on va analyser, ce qui permettra une calibration plus aisée du détecteur de fluorescence associé à une troisième fibre optique.

Quelques exemples de capteurs de température
La fibre optique peut être à la fois capteur et transmetteur de l'information : si en extrémité de la fibre on réalise un micro corps noir, on peut capter le rayonnement émis par le corps dont on veut connaître la température.

On peut aussi utiliser la photoluminescence, c'est à dire envoyer un rayonnement au bout de la fibre équipé d'une pastille luminescente qui émet en retour des raies caractéristiques de sa température.


(courtesy GEEO)

Enfin on peut utiliser une variation du guidage: localement on met à nu le coeur de la fibre optique dans une microcapsule contenant un liquide d'indice de réfraction voisin de celui du coeur, mais variant avec la température. La plage d'utilisation est de quelques degrés. Ce dispositif trouve un débouché en médecine où il permet la connaissance de la température au sein d'un vaisseau et dans une certaine mesure permet d'apprécier le débit sanguin.

capteurs à modulation d'amplitude
La grandeur à mesurer va directement moduler l'intensité de la lumière traversant la fibre. Deux techniques sont principalement utilisées: soit des variations de couplage, soit la création de pertes optiques par modification de microcourbures de la fibre sous l'effet de contrainte.


fig. pesage dynamique de camions

Dans l'exemple ci-dessus on a réalisé un "tapis" de fibres croisées au pas de 2 par 4 centimètres, enrobé d'un matériau de protection transmettant les contraintes, et bien évidemment équipé d'un ensemble d'émetteurs récepteurs de lumière. Lorsqu'une pression est exercée sur un croisement de deux fibres il y a modification de la courbure de la fibre et atténuation de la puissance optique transmise.

On peut à l'aide d'un tel dispositif mesurer la masse d'un camion jusqu'à 45 tonnes, alors qu'il roule à une vitesse maximale de 45km/h, avec une précision de 3% et une répétabilité de 0.5% et dans un environnement dont la température peut varier de -30 à +80°C.

En outre la mesure de pression par fibre optique via modification de microcourbure s'accompagne de la mesure de la position de la contrainte. En effet le temps de réponse inférieur à la nanoseconde permet une analyse temporelle des signaux dont on déduit la localisation des contraintes le long de la fibre-capteur, réalisant ainsi un véritable capteur distribué.

Notons une application plus ludique du tapis de fibres optiques : en plaçant un tel tapis dans la partie haute du filet ou sous les bandes blanches des courts de tennis on a totalement éliminé les contestations de certains joueurs. Si la balle touche le haut du filet le signal optique est perturbé et un voyant s'allume sur le pupitre du juge-arbitre, si elle le frôle sans le toucher (à près de 200km/h) mais en provoquant cependant une légère vibration, en raison du déplacement d'air, pouvant être visuellement mal interprétée, le voyant ne s'allumant pas il n'y a plus d'erreur d'arbitrage et donc plus de contestation..

Notons que la température, en modifiant l'indice de réfraction, conduit à des effets dispersifs semblables dans les fibres à coeur de silice et gaine plastique et permet ainsi de détecter des anomalies thermiques le long de la fibre.
Alors que nombre de capteurs vus ci-avant n'ont d'intérêt que d'être une application technologique des fibres optiques, apportant certes un plus par rapport à d'autres technologies, mais correspondant cependant à des mesures envisageables autrement, les capteurs distribués sont, au contraire, une véritable application spécifique des fibres optiques à laquelle on ne peut pas trouver de substitut dans d'autres technologies.
Une application de ce principe consiste à enrouler la fibre autour d'une âme centrale, en choisissant correctement le rayon de courbure, de telle sorte qu'il corresponde à la limite de réflexion. L'âme centrale peut être typiquement une canalisation sous pression, dès qu'une fuite va se produire elle se traduira par une variation localisée de pression et donc des contraintes et de la transmission du signal optique dont l'analyse permettra d'identifier instantanément l'endroit exact de la fuite. On imagine sans peine l'intérêt d'un tel système pour le réseau de distribution de gaz de GdF.

capteurs à modulation de phase

Dans une fibre monomode l'onde optique conserve à la fois sa phase et son état de polarisation sur de longues distances. En fait la fibre introduit un déphasage entre l'onde incidente et l'onde émergente égal à knL où k est la constante de propagation, n l'indice du coeur et L la longueur de la fibre. Toute variation de n ou de L va donc conduire à une altération de la phase, mais comme les détecteurs ne sont pas capables de déterminer la phase on procédera à une conversion de la modulation de phase en modulation d'amplitude par interférométrie.

On peut citer dans cette catégorie le gyroscope qui permet aux navires et aux avions de garder leur cap. Il existe des gyroscopes mécaniques, à lasers et à fibres optiques. Ces derniers présentent par rapport aux autres l'avantage prépondérant de ne posséder quasiment aucune pièce mobile. Un gyroscope à fibre optique est constitué d'un émetteur laser, d'un détecteur, d'une lame semi-transparente et d'une bobine de 1km environ de fibre optique.


décomposition des deux trajectoires inverses des deux demi-faisceaux

La lame semi transparente crée deux rayons, dont l'un déphasé d'un quart de longueur d'onde, transmis en sens opposés dans la fibre. Si l'ensemble est immobile, après traversée de la lame quart d'onde conduisant à deux déphasages de même amplitude sur l'un des faisceaux soit une demie longueur d'onde, la somme des amplitudes des deux rayons à la sortie, en opposition de phase, est nulle. Si l'ensemble tourne chaque faisceau ne mettra donc pas exactement le même temps pour parcourir la longueur de la fibre. Celui qui tourne dans le même sens que la fibre verra son parcours allongé tandis que l'autre le verra réduit de la même quantité. Après recombinaison à travers la lame semi transparente le détecteur reçevra donc un faisceau d'amplitude sensiblement proportionnelle à la vitesse de rotation. Afin d'obtenir une meilleure précision et d'identifier le sens de rotation le détecteur interférométrique exploite le phénomène de franges d'interférences très facile à réaliser en utilisant un faisceau modulé en amplitude, sur un réseau de photodiodes, franges dont le déplacement peut être alors aisément comptabilisé, ce qui conduit à la connaissance simultanée de la vitesse et du sens de rotation. Eu égard à la sensibilité du dispositif (proportionnelle à la longueur de la fibre) et à son temps de réponse extrêmement faible (temps de parcours du faisceau le long de la fibre d'un kilomètre!) toute déviation de cap d'un navire sera immédiatement détectée (et corrigée).

Précisons que le gyroscope indiquant le cap doit avoir sa bobine dans un plan horizontal. Une bobine verticale, perpendiculaire à l'axe du navire, permettrait d'identifier le roulis tandis qu'une bobine placée dans un plan vertical, dans l'axe du navire, mesurera le tangage. Le navire étant en permanence soumis au roulis et au tangage il est évident que l'information générée par le gyroscope de cap doit être corrigée à partir de celles de roulis et de tangage ce qui s'effectue via un algorithme ad hoc dans le calculateur de bord.