Brevet FR2570833A1 — publié le 19860328

La présente invention concerne les détecteurs de champ magnétique. Récemment, on a mis au point un certain nombre de détecteurs de champ magnétique dits à "fibre optique". Des exemples de tels détecteurs sont décrits dans l'article "Optical Fiber Sensor Technology", pages 626-665, the IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18 n 4, avril 1982. Chaque détecteur comporte un élément à magnétostriction, une fibre optique monomode étant collée le long de cet él1- ment. Toute modification du champ magnétique provoque une variation de dimension de l'élément à magnétostriction et, étant donné son collage à la fibre optique, applique une contrainte à la fibre. Celle-ci provoque un changement de la phase optique qui peut être mesuré par exemple dans un interféromètre dont la fibre fait partie. Dans le premier détecteur particulier décrit dans l'article, l'élément à magnétostriction est sous forme d'un mandrin autour duquel la fibre est enroulée; dans le second détecteur, l'élément est un revêtement de la fibre alors que, dans le troisième détecteur, l'élément est une bande allongée le long de laquel- le est disposée la fibre. Dans les arrangements comprenant un revêtement et une bande allongée, la sensibilité du détecteur est déter- minée par la longueur du revêtement ou de la bande auquel est fixée la fibre, si bien que la longueur minimale du dispositif est limitée. Bien que, dans l'arrangement à mandrin, ce problèmesoit résolu, la forme de l'élément à magnétostric- tion indiquc qu'il ne possède aucune sensibilité direction- nelle dans son plan de sensibilité. En cutJbr, dans tous ces arrangements, la fibre doit etre fixe sur sa longueur à l'élément à magnétostric- tion. La,,:unsvte invention a pour objet ui nouveau dé:ec- teur dcie}haî,p n}agnétLie à fibre optique qui supprime ces inconvénients. Selon l'invention un détecteur de champ-magnétique comporte un élément couxbe qui a deux Landes allongées et superposées de matériaux, la constante de magnétostriction suivant l'axe longitudinal de l'une des bandes étant supé- rieure à celle de l'autre bande, et un dispositif destiné à fixer une fibre optique le long d'une corde de l'élément afin qu'une variation du champ magnétique appliqué dans le plan contenant l'arc de l'élément provoque une variation de courbure de l'élément et une variation de la contrainte de la fibre. Le dispositif destiné à fixer comprend avantageu- sement deux plots, placés chacun à une extrémité de la corde. Ces plots dépassent de préférence de l'autre bande. La fibre fait avantageusement partie d'un interféro- mètre de Maeh-Zehnder, destiné à contrôler les variations de la phase optique de la lumière passant dans la fibre. Le matériau de la première bande est avantageusement un verre métallique. D'autres caractéristiques et avantages d'un détecteur particulier de champ magnétique selon l'invention, et d'un interféromètre le comprenant, ressortiront mieux de la des- cription qui va suivre, faite en référence aux dessins an- nexés sur lesquels: la figure 1 est une élévation latérale schématique du détecteur selon l'invention; la figure 2 est une coupe suivant la ligne II-II de la figure 1; et: - la figure 3 est un schéma d'un interféromètre com- prenant le détecteur selon l'invention. On se réfère d'abord aux figures 1 et 2; le détec- teur comporte un élément métallique courbe, sous forme d'une bande 1 d'un métal possédant une faible constante de magné- tostriction, à laquelle est fixée une bande 3 d'un verre métallique, par exemple de FeBSi. Les extrémités de la bande 1 dépassent de la bande 3, un plot 5a ou 5b étant monté à chaque extrémité. Une fibre optique monomode 7 est fixée à l'élément bimétallique, en étant enroulée et collée sur chaque plot, si bien que la partie de fibre comprise entre les plots 5a et 5b est tendue et forme une corde de larc délimité par l'élément bimétallique. On se réfère maintenant à la figure 3; le détec- teur est incorporé à un incerféromètre de Mach-Zehnder, Il comporte un laser monomode 9 qui forme un faisceau qui est dévié par un arrangement répartiteur de faisceau 1l1 placé entre la fibre 7 et une fibre 13 de référence. Une partie de la fibre 13 de référence est enroulée sur un cy- lindre piézoélectrique et y est collée. Les faisceaux pas. sant dans les fibres 7 et 13 sont combinés dans un combina- teur 17 et forment deux faisceaux complémentaires qui sont détectés par des détecteurs respectifs 19, 21 dont les si- gnaux de sortie sont transmis à un circuit électronique 24 de détection de phase qui est lui-même relié à un arran- gement 25 destiné à former une tension appliquée au cylindre piézoélectrique 15. Lors de l'utilisation de l'interféromètre, pour le contrôle des variations d'un champ magnétique continu appliqué dans le plan contenant l'arc délimité par l'élément bimétallique, un champ magnétique alternatif de polarisation est appliqué dans ce plan.' Le champ magnétique variable résultant provoque des variations de longueur de la bande 3 par rapport à celle de la bande 1. Ceci provoque des va- riations de courbure de l'élément, avec des variations cor- respondantes de la contrainte dans la partie de fibre 7 comprise entre les plots 5a et 5b. La phase de la lumière circulant dans la fibre 7 varie donc par rapport à celle de la lumière circulant dans la fibre 13, et ce déphasage est détecté par les détecteurs 19, 21. L'utilisation de l'arrangement électronique 23 de détection de phase et-de l'arrangcment 25 destiné à appliquer une tension de réaction au cylindi:e piézoélectrhque 15 permet l'utilisation du dépha- sage produit par la contrainte créée dans la fibre 13 de ré fére nce par son montage au cylindre piézoélectrique de manière que les deux signaux de sortie des détecteurs 19 et 21 restent en quadrature, c'est-à-dire pour que le sys- tème soit verrouillé,en phase. Cette détection "thomodyne active" permet une compensation des fluctuations d'azrplitude de la lumière provenant du laser coimnun aux deux braraches de l' interféromètre. Toute variation ultérieure du champ continu contrôlé produit une variation correspondante du signal de sortie de l'interféromètre, cette variation étant ainsi représentative de l'intensité du champ magnétique continu. Lorsque l'arc est un demi-cercle, la sensibilité du détecteur au champ magnétique est. à peu près uniforme dans le plan de l'arc et diminue suivant-une fonction cosinus en dehors de ce plan. Cependant, lorsque l'élément bimétal- lique est bombé, la sensiblité dans le plan de l'arc est directionnelle. La réalisation du capteur réel, mis à- part les considérations de résistance mécanique, est focalisée sur deux critères principaux. L'un est le gain "mécanique" K qui est défini comme l'allongement relatif de la corde déli- mitée par la partie de fibre optique 7 comprise entre les plots, sans application d'une force, divisé par la différence. d'allongementsrelatifs des constituants de l'élément bimétal- lique. La théorie des bandes bimétalliques, figurant par exemple dans l'ouvrage "Eingineering" publié en Septembre 1961 pages 1 à 12, indique que, dans le cas d'une bande bimétallique en demi-cercle, ce rapport K est donné approxi- mativement par la formule suivante 3R K = - - - 2t R étant le rayon-du demi-cercle et t l'épaisseur des bandes. Lorsque Rest gal à 25 mm et t à 1 m'n, le coeffi- cient K a une valeur de 37,5. Ainsi, le dispcsitif obtenu peut être bien plus sensible que les détecteurs de champ magnétique connus à fibre optique. Le sccond critère de réalisation est une préférence pour t'exciLtaLi.rn du d-i'ecteur à une fréquence élevée, par exemple voisine de 1 kIIz, par sélection d'un champ magnétique lternatif convenable de polarisation afin que la suscepti- bilité aux vibrations du capteur soit réduite. La possibilité ?0833 de la réalisation d,. capteur avec une sensibilité convenabJ,I, par mise en oeuvre d'un court tronçon de fibre opLiquu, permet une augmentation importante de sa fréquence ócc Ae de résonance. Lorsque la fréquence de résonance mécanique et la fréquence du champ magnétique appliqué sont en outre semblables, on constate que la sensibilité du détecteur est accrue. Comme les fibres sont normalement protégées par un mince revêtement créant des pertes mécaniques, réd-uii- sant le couplage mécanique de la fibre et-de l'élément courbe et ainsi la sensibilité maximale possible, cette caractéris- tique présente un-avantage particulier. Il faut noter que, bien que, dans le détecteur et l'interféromètre décrits précédemment à titre illustratif, le détecteur soit destiné à contrôler les variations d'un champ magnétique continu en présence d'un champ alternatif de polarisation, donnant une sensiblité optimale, un détec- teur selon l'invention peut être sensible de façon générale à toute variation d'un champ magnétique appliqué. Il faut aussi noter que, dans certaines applications, un magnétographe à gradient ayant deux triades parallèles de trois détecteurs orthogonaux selon l'invention, peut être utile. Les détecteurs de chaque paire, dans des plans parallèles, sont séparés par une distance connue, le gradient du champ magnétique en direction perpendiculaire aux plans étant obtenu d'après la différence entre les signaux de sortie des détecteurs de chaque paire. REVENDICATIONS 1. Détecteur de champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte un élément courbe ayant deux bandes allon- gées superposées d'un matériau (1, 3), la constante de,a gnétostriction, suivant l'axe longitudinal de l'une des bandes (3) étant supérieure à celle de l'autre bande (1), et un dispositif de fixation d'une fibre optique (7) le long d'une corde de l'élément de manière qu'une variation du champ magnétique appliqué dans le plan contenant l'arc de l'élément provoque une variation de courbure de l'élément et ainsi une variation de la contrainte créée dans la fibre (7). 2. Détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de fixation comporte deux plots (5a, 5b), un à chaque extrémité de la corde. 3. Détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plots (5a, 5b) dépassent de l'autre bande (1). 4. Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que le matériau d'une première bande (3) est un verre métallique. 5. Détecteur selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la fibre (7) fait partie d'un interféromètre de Mach-Zehnder destiné à contrô- ler les variations de la phase optique de la lumière circu- lant dans la fibre (7).