Brevet FR2585849A1 — publié le 19870206

-1 - La présente invention se rapporte aux systèmes optiques de détection et/ou de mesure de la variation d'une grandeur physique ou chimique et con- cerne plus particulièrement les systèmes dans lesquels la variation de la grandeur à détecter et/ou à mesurer induit une variation de l'intensité de la lumière dans un guide d'ondes optiques. Les capteurs à fibres optiques à modulation d'intensité trouvent de nom- breuses applications pratiques. Lorsque les avantages inhérents à une détec- tion et une transmission optiques (comme par exemple l'immunité aux effets électromagnétiques, la sécurité en atmosphère explosive ou inflammable, la miniaturisation, la simplicité et le coût peu élevé, etc...), sont recherchés. Pourtant l'utilisation de ce type de capteurs se trouve limitée par leur fai- ble linéarité, leur manque de précision et surtout le fait que l'intensité lumineuse, qui constitue l'information du capteur, peut être perturbée tout au long du trajet entre le capteur et le détecteur. Par ailleurs le signal reçu, pour un capteur donné, dépend de la longueur de la ligne de transmis- sion entre l'émetteur et le capteur. D.E.N. Davies et al ont déjà proposé, dans un article intitulé "Displacement sensor using a compensated fibre link" et présenté à la seconde conférence internationale sur les capteurs à fibre optique de septembre 1984 à Stuttgart, un système incorporant un capteur de déplacement et dans lequel des moyens sont prévus pour compenser les effets d'une variation de la puissance de la source lumineuse, de la sensibilité du récepteur ou de l'atténuation de la fibre. Cette compensation est obtenue grâce au fait que la lumière incidente est répartie entre deux branches dont l'une incorpore le capteur lui-même et d'autre est utilisée comme branche de référence. Le système décrit nécessite une cellule captrice complexe compor- tant un coupleur, deux fibres et un jeu de lentilles. Une telle réalisation est donc coûteuse et se prête donc mal aux applications dans lesquelles un grand nombre de capteurs serait nécessaire. Un objet de la présente invention est un système de détection à fibre optique incorporant un capteur à modulation d'intensité et ne présentant pas les inconvénients mentionnés ci-dessus. Un autre objet de l'invention est un système de détection et/ou de me- sure assurant une autocalibration. Un autre objet de l'invention est un système permettant la détection et/ou la mesure de plusieurs grandeurs physiques ou chimiques à l'aide d'au- tant de capteurs connectés en série. -2- Un autre objet de l'invention est un système de détection et/ou de me- sure, à la fois simple, sensible et précis et peu coûteux. Les caractéristiques de l'invention apparaîtront dans les revendications. L'invention repose sur une modulation du signal lumineux liée à l'utili- sation d'une cavité résonnante dans laquelle est incorporé le capteur sensi- ble à la grandeur à détecter ou à mesurer. Cette cavité résonnante réalise la transformation de la modulation d'intensité engendrée par le capteur en une information de phase. Les avantages principaux du système sont la simplicité de la tête captrice, car la cavité résonnante peut être constituée par une unique fibre optique, et l'indépendance de l'information transmise aux varia- tions de la lumière émise par la source de même qu'aux phénomènes transitoi- res influençant le milieu de transmission de l'information. D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple d'application particulier, ladite description étant faite à titre pu- rement illustratif et en relation avec les dessins joints dans lesquels: la figure i est un schéma explicatif du système de l'invention; - la figure 2.a montre un capteur optique de déplacement pouvant être utilisé dans le système de l'invention; - la figure 2.b montre une des extrémités de la cavité résonnante; - les figures 3.a et 3.b sont des schémas vectoriels explicatifs du mode d'opération de la cavité résonnante; - la figure 4 est un schéma de modulateur d'amplitude du signal émis par une diode électroluminescente; et - la figure 5 est un schéma de détecteur utilisable avec le système de l'invention. Le système de détection et/ou de mesure de la variation d'une grandeur montré à la figure 1 comprend une source de lumière l, couplée à une fibre optique 2 elle-même connectée à une cavité résonnante 4 qui incorpore un élé- ment transducteur. La lumière émise par la source I est modulée en amplitude par un circuit modulateur 5. L'utilisation d'une cavité résonnante, telle une cavité Fabry-Perrot, dans laquelle est incorporée un transducteur permet de -3- réaliser la transformation de l'information de variation de l'intensité lumi- neuse, engendrée par l'élément transducteur en réponse à la variation de la grandeur à mesurer, en une information de phase. Cette information de phase est extraite à l'aide d'un détecteur 6 qui est couplé à la fibre optique 2 par la liaison optique 8 et le coupleur 3. Un voltmètre vectoriel ou phase- mètre 7 compare l'information de phase fournie par le détecteur 6 à la phase du signal de modulation délivré par le circuit modulateur 5. La cavité réson- nante 4 est constituée par une fibre 42 dont les extrémités présentent des surfaces partiellement réfléchissantes. La cavité est couplée à la fibre 2 par un connecteur 43 et est terminée par un élément terminal 44. Cette cavité incorpore, selon l'invention, un transducteur réagissant à la variation de la grandeur à mesurer en modifiant l'intensité du signal circulant dans la fibre 42. A titre d'exemple de transducteur, la figure 2.a montre schématiquement un capteur de position incorporé dans la cavité constituée par la fibre 42. Le transducteur, proprement dit, est réalisé à l'aide d'un miroir 50 situé à une distance D de l'extrémité de la fibre 42. La quantité de lumière, réin- jectée dans le coeur 420 de la fibre 42 dépend directement de la distance D et, par suite, l'intensité du signal lumineux parcourant la fibre 42 est une mesure de la position du miroir 50. La cavité résonnante Fabry- Perrot est, comme on l'a vu précédemment, réalisée à l'aide d'une fibre optique 42 com- portant à une extrémité le transducteur décrit ci-dessus et connecté, à l'au- tre extrémité, à la fibre 2 au moyen d'une ferrule 43. La face extrême 421 de la fibre 42 de même que l'interface 422 entre la fibre 2, constituant le moyen de transmission, et la fibre 42, constituant la cavité résonnante, peuvent être revêtues par un dépôt d'oxyde de silicium (SiO) ou de titane (TiO2) de manière à être partiellement réfléchissantes. Bien que décrite dans le cadre d'une application dans laquelle la cavité résonnante est utilisée en réflexion, la présente invention est également ap- plicable au cas o cette cavité est utilisée en transmission. La fibre de liaison 2 de la figure est alors prolongée au-delà de la cavité 4 jusqu'au dé- tecteur 6. Le choix entre l'un et l'autre système sera dicté par l'application envisagée. Les figures 3.a et 3.b montrent l'effet d'un changement d'état (fig. 3.a) ou d'une absence de changement d'état (fig. 3.b) du capteur sur la phase I du signal circulant dans la cavité 4. La phase I signal périodique, de fréquence égale à la fréquence de modulation et circulant dans la cavité 42, peut être -4- considérée comme la somme de plusieurs déphasages élémentaires produits lors des aller-retours successifs de la lumière dans la cavité après réflexion par- tielle.sur les miroirs semi-réfléchissants 421 et 422. La cavité étant tou- jours la même, les directions respectives des phaseurs élémentaires restent les mêmes. Par contre, les longueurs respectives des phaseurs élémentaires sont affectées par une variation de l'intensité du signal lumineux engendrée par un changement d'état du transducteur. Cet effet se traduit par un change- ment dans la phase 4 du signal résultant R (fig. 3.a). Cette variation de la phase p.est indépendante des fluctuations d'intensité du signal, que celles- ci soient dues à la source lumineuse 1 ou à la ligne de transmission 2. On peut caractériser la cavité résonnante 4 par sa longueur électrique: 4 icf n P; o f est la fréquence du signal de modulation, n est p= c l'indice moyen de la fibre 42, I est la longueur de la cavité et c est la vitesse de la lumière. La sensibilité du système de la figure 1 est maximum lorsque p est voisin de i, mais cette valeur correspond également à une in- tensité très faible du signal à mesurer de sorte qu'un compromis doit être fait pour que l'intensité du signal reçu par le détecteur soit suffisante tout en ayant la meilleure sensibilité possible. La figure 4 montre le schéma d'un modulateur d'amplitude pour une source lumineuse constituée par une diode électroluminescente. Le montage de la fi- gure 4 est celui d'un amplificateur différentiel à transistors bipolaires. Les émetteurs des transistors 100 et 101 sont reliés à une source de courant ajustable 102. La base du transistor 101 est reliée à une tension fixe Vp, tandis que son collecteur est relié à une tension d'alimentation V à travers une résistance de polarisation 103. Le transistor 100 reçoit sur sa base le signal de modulation Em, ce qui entraîne une modulation du courant d'émetteur traversant la diode 1. Le signal de modulation peut être un signal périodique de type sinusoidal ou impulsionnel. La figure 5 montre le schéma du détecteur. Le courant produit par la photodiode 601 (diode PIN ou photodiode à avalanche) est appliqué à l'entrée d'un amplificateur à transconductance 602. L'amplificateur 602 réalise la transformation du courant produit par la diode 601 en une tension qui est ap- pliquée à un amplificateur 603 dont la sortie S est reliée à une entrée du phasemètre 7 (fig. 1). -5- L'un des avantages du système de l'invention, dans lequel la modulation d'intensité est transformée en une information de phase, réside dans le fait que la. détection peut se faire à bande très étroite avec un très bon rapport signal sur bruit. Bien que l'invention ait été décrite dans le cadre d'un exemple particulier de réalisation, il est clair qu'elle est susceptible de modifications ou variantes sans sortir de son domaine. En particulier, d'autres types de cap- teurs peuvent être utilisés dès lors qu'ils sont capables d'engendrer une mo- dulation du signal lumineux traversant la cavité résonnante. Des capteurs de pression, de température, etc, font partie des capteurs utilisables. Il est clair également que le système de l'invention peut incorporer plusieurs cap- teurs distribués sur la ligne optique. -6- REVENDICATIONS 1. Système optique de détection et/ou de mesure de la variation d'une grandeur physique ou chimique comportant une source d'énergie lumineu- se (1), modulée en amplitude, une fibre optique (2) reliée à ladite source lumineuse, au moins un capteur capable d'engendrer une modulation de l'inten- sité du signal lumineux circulant dans la fibre en réponse à une variation de ladite grandeur physique ou chimique, ledit système étant caractérisé en ce que ledit capteur est incorporé dans une cavité (4) résonnante à la fréquence de modulation et en ce qu'il est prévu des moyens (6,7) pour détecter, à l'extérieur de ladite cavité, la variation de la phase du signal à ladite fréquence de modulation. 2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité résonnante est constituée par une fibre optique (42) dont les ex- trémités sont revêtues d'un matériau semi-réfléchissant. 3. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour détecter la phase du signal comprennent un détecteur de phase (6) recevant le signal extrait de ladite cavité et un phasemètre (7) pour comparer l'information de sortie dudit détecteur de phase et la phase du signal de modulation. 4. Système optique selon la ledit détecteur de phase est couplé à re d'un coupleur (3), ladite cavité él 5. Système optique selon la ladite cavité est utilisée en mode de phase est disposé après ladite cavité optique de liaison. 6. Système optique selon la ladite fibre optique et ladite cavité fibres monomodes. revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre optique par l'intermédiai- tant utilisée en mode de réflexion. revendication 3, caractérisé en transmission et ledit détecteur à laquelle il est relié par une ce que de fibre revendication 1, caractérisé en ce que résonnante sont constituées par des 7. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite fibre optique et ladite cavité résonnante sont constituées par des fibres multimodes.