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Auteur(s)
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Pierre FERDINAND : Docteur d’État ès sciences - Chef de laboratoire au Leti (CEA-Technologies Avancées) - Centre d’études de Saclay
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La silice, de par de son exceptionnelle résistance à la cristallisation et à la corrosion, présente toutes les vertus pour remplir bon nombre de fonctions optiques du visible au proche IR. De nos jours, les fibres optiques en silice sont largement utilisées dans le domaine des télécommunications et il est devenu presque banal de rappeler l’utilisation massive de ce support de transmission, depuis le réseau local jusqu’aux liaisons intercontinentales. Or, depuis plus de vingt ans, on sait que les fibres optiques peuvent également jouer le rôle d’excellents transducteurs de mesure.
En fait, c’est en cherchant à immuniser les transmissions de données de l’influence de l’environnement qu’apparut l’idée d’employer les fibres optiques comme éléments transducteurs. En effet, si l’environnement (champs électromagnétiques, contraintes...) ne perturbe pas ou peu l’information codée en intensité que la fibre transmet (cas des transmissions numériques codées en 0 ou 1), par contre, celui-ci influe sur d’autres paramètres de l’onde optique tels que de la phase, l’Etat de Polarisation (EdP), etc. Après cette constatation, les développements consacrés aux capteurs à fibres optiques (CFO) débutèrent.
Cependant, bien que les premiers CFO soient apparus au cours des années 70, la prise de conscience de toutes leurs potentialités ne date réellement que du début de la décennie suivante. A cette époque, après des efforts de recherche et développement (R&D) majoritairement consacrés au gyroscope jusque vers 1985, on a pu observer un partage des activités entre plusieurs types de grandeurs (température, pression, rotation, intensité et tension électrique, dose de rayonnements, déplacements/déformations...).
Après vingt ans de recherche et développement, les CFO offrent désormais les mêmes fonctions que les capteurs classiques : mesure, contrôle, détection-alarme, surveillance, tout en présentant des spécificités liées à celles des fibres : faible encombrement et masse réduite, grande bande passante et faible atténuation, immunité aux parasites électromagnétiques, bonne résistance aux effets des rayonnements ionisants, possibilité de multiplexage de nombreux capteurs et de déport important des points de mesure...
Tout cela confère à cette instrumentation des avantages déterminants vis-à-vis des autres technologies de capteurs : faible intrusivité, possibilité d’utilisation en environnements sévères... et bien sûr d’excellentes performances métrologiques en termes de sensibilité, temps de réponse, plage d’utilisation... Par ailleurs – et c’est sans doute leur intérêt majeur –, ces capteurs offrent de nouvelles fonctionnalités sans équivalent : mesure intégrée, différentielle, distribuée, répartie, en réseau. Il faut savoir que la mise en réseau de nombreux CFO (les RCFO –réseaux de capteurs à fibres optiques –) permet, d’une part, de réduire le coût du point de mesure par la mise en commun du système d’interrogation, et d’autre part de fournir, à l’utilisateur, les données relatives à chaque capteur sous une forme homogène.
Les différentes topologies d’interconnexion des points de mesure incluent les capteurs « répartis » où la fibre joue le rôle d’élément « continûment » sensible, les capteurs « distribués » formés de points de mesures le long de la fibre et les structures de réseaux RCFO dont les architectures sont multiples. Les systèmes d’interrogation et de démultiplexage (partie optoélectronique de gestion du réseau de mesure) de ces différentes approches ont fait l’objet de développements croissants ces dernières années et certains produits sont déjà commercialisés.
Aujourd’hui, les projets tant de développement qu’applicatifs sont tirés par les besoins utilisateurs : mesures de température, de pression, et de plus en plus de déformations, du fait des demandes croissantes en surveillance des structures, avec un très fort engouement pour les capteurs et les réseaux de mesure fondés sur les transducteurs à « réseaux de Bragg », objet de cette présentation. Il faut dire que les enjeux économiques (gains de maintenance, sécurité des biens et des personnes...) des applications (ouvrages d’art, matériaux composites, structures métalliques, en béton, sous-sols, terrains...) justifient les efforts qui leur sont consacrés.
VERSIONS
- Version courante de juil. 2018 par Pierre FERDINAND
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1. Principales caractéristiques des fibres optiques
On connaît de longue date la faculté du verre (et de la silice) à être étiré en fils minces et homogènes. Afin de guider convenablement la lumière, la fibre optique se compose en réalité d’un cœur entouré d’une gaine optique dont les indices de réfraction sont légèrement différents (Δn = nc – ng représente la différence d’indice cœur/gaine et est l’indice moyen dans le guide), le tout étant entouré d’une ou plusieurs gaines de protection lui conférant de bonnes propriétés mécaniques. Le guidage de la lumière dans ce milieu cylindrique fonctionne sur le principe de la propagation par réflexions totales successives le long de l’interface cœur/gaine optique, et ce en vertu de la loi de Descartes sur la réflexion totale. Cependant, tous les rayons parvenant à l’entrée de la fibre ne peuvent y pénétrer. Seuls ceux qui sont assez proches de son axe y parviennent. En fait, on détermine un cône d’acceptance, par symétrie autour de cet axe, et les seuls rayons qui y sont inclus peuvent se propager dans la fibre (figure 1). On définit ainsi l’ouverture numérique ON comme l’arc sinus du demi-angle de ce cône, soit :
On distingue deux grands types de fibres optiques : les monomodes (ou unimodales) et les multimodes (ou multimodales). Dans la première catégorie, le rayon « a » du cœur est de l’ordre de 5 µm et l’énergie est transportée par un seul mode de propagation (le mode fondamental). En revanche, pour le second type de fibre, le rayon du cœur vaut typiquement dix fois plus (il est donc beaucoup plus grand que les longueurs d’onde dans le visible - proche IR) et l’énergie s’y répartit entre de nombreux modes. Pour distinguer ces deux types de guide, on introduit le paramètre V, appelé fréquence normalisée défini par :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FERDINAND (P.) - Capteurs à fibres optiques et réseaux associés. - 251 pages, ISBN 2-85206-781-1, 1992, Techniques et Documentation Lavoisier, Paris.
-
(2) - FERDINAND (P.) - Réseaux et Capteurs à fibres optiques : la situation après 15 ans de Recherche et Développement. - Journées CEA d’électronique 93, chap. 1, pp. 19-50, 2, 3 et 4 février 1993, Saclay. CEA/DEIN.
-
(3) - FERDINAND (P.) - Les capteurs de températures à fibres optiques. - Techniques de l’Ingénieur, R 2 800, 1-1989.
-
(4) - FERDINAND (P.), DENAYROLLES (Y.) et Col - Potentialités des capteurs distribués et des réseaux de capteurs à fibres optiques à électricité de France. - Congrès Mesucora 88, Paris, session n 13, jeudi 17 nov. 1988, pp. 45-78.
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(5) - FERDINAND (P.), DENAYROLLES (Y.) - Les réseaux de capteurs à fibres optiques : principes et applications. - Congrès Mesucora 91, session n 2, Paris, lundi 18 nov....
ANNEXES
1 Principaux concepteurs et fabricants de réseaux de Bragg et dispositifs
HAUT DE PAGE
2 Principaux projets européens cités
Projet Européen Brite EuRam : STABILOS (Accurate STABILity Control in Mining with Fiber Optic Sensing Technology. Référence : BE 5553. Contact : Identity I.E.E.G., Mol - Belgique.
Projet Européen Brite EuRam : COSMUS (Real-Time Modelling and Compensation Of Soil Movements on Underground Sites. Référence : BRPR960235 ; Contact : Solétanche - Bachy, Rueil-Malmaison - France.
Projet Européen Brite EuRam : MONITOR (Monitoring On-line Technologies for Operational Reliability). Référence : BRPR960181. Contact : British Aerospace, Farnborough - Grande-Bretagne.
Projet Européen JOULE III : SMART BLADES. Contact : Laboratoire Aéronautique ETSI Aeronauticos de Madrid - Espagne.
Pour en savoir plus sur les projets européens, se connecter au site Internet : http://www.cordis.lu
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