Brevet FR2618549A1 — publié le 19890127

La présente invention se rapporte à un capteur optique de grandeurs physiques utilisant la modulation de la polarisation de la lumière dans une fibre optique. Bien que nullement limitative dans ses applications, la présente invention vise plus particulièrement les variations de pression dans un milieu quelconque, telles par exemple les vibrations sonores et ultrasonores. Les microphones sont des capteurs qui uti I i- sent généralement la variation d'un élément sensible à la pression du milieu ambiant prévu pour moduler le courant dans un circuit électrique. Ils peuvent généralement être constitués par un élément émetteur générant un courant variable fonction des modifications de pression du milieu ambiant. Ces capteurs agissant dans le domaine des fréquences audibles sont appelés microphones ou hydrophones selon la nature du milieu qui les entoure : fluide gazeux ou liquide. Leur constitution varie fortement en raison de la pression statique importante à laquelle doivent résister les hydrophones. On connaît déjà un type de capteur optique de grandeur physique utilisant les fibres optiques et la modulation par variation de phase. Ce capteur se compose d'un émetteur de lumière cohérente, de moyens pour séparer le faisceau émis en deux faisceaux élémentaires, de moyens pour les appliquer aux entrées de deux fibres optiques de même longueur dont l'une au moins est susceptible de subir une variation de longueur sous l'influence d'une grandeur physique. Un interféromètre combine les deux faisceaux sortant et produit un réseau de franges fonction du déphasage. Des moyens appropriés mesurent et exploitent le déphasage. Utilisé comme microphone ou hydrophone, le capteur ci-dessus offre une grande sensibilité. Toute fois, cette sensibilité est affectée par les variationsparasites liées aux modifications de température qui changent les conditions de propagation à l'intérieur de la fibre optique. Ainsi, cette réalisation s'applique difficilement au domaine microphonique en raison des multip!es inconvénients représentés par la détection interférométrique connue pour son utilisation lourde, consécutive aux réglages longs et délicats propres à cette technique. Par ailleurs, le coût de la fabrication et de la mise en oeuvre s' avère important, voire prohibitif pour la grande série. Les ondes acoustiques se manifestent par des vibrations de pression se propageant à des vitesses différentes, fonction du milieu qu'elles traversent. Une onde arrivant sur un matériau se décompose selon les différentes formes d'ondes suivantes les ondes longitudinales L'oscillation engendre une vibration des particules dont le déplacement élémentaire est parallèle à la di rection de propagation. La vitesse de propagation de ces ondes longitudinales répond à la formule suivante où E = module d'éiasticité ou module de Young p = masse spécifique = = coefficient de rigidification ou coefficient de Poisson. Ces ondes se propagent indifféremment dans tous les milieux. . les ondes transversales la vibration des particules s'effectue perpendiculai rement à la direction de propagation. La vitesse de propagation de ces ondes transversales est influencée directement par le module G de rigidité ou de cisaillement Ces ondes ne se propagent que dans les solides car les liquides ne présentent pas de module de rigidité. . les ondes de surface ou de Rayleigh Elles se propagent en surface sur une profondeur égale à environ une longueur d'onde à une vitesse égale à VS = 0,9 VT Elles ne se propagent pas dans les liquides. . les ondes de Lamb ou ondes de plaques Elles apparaissent lorsque l'épaisseur du matériau est-de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde. Le capteur que l'on va décrire ci-dessous est sensible à toutes ces formes d'ondes selon des degrés différents. Ainsi, on peut contrôler sa sensibilité à telle ou telle forme d'ondes par des modifications de conformation et/ou de nature de ses composants ou de proximité de la fibre optique dans sa zone sensible par rapport au transmetteur. Le but de la présente invention est de réaliser un capteur de grandeurs physiques notamment capteur de force et de pression à usage microphonique de grande sensibilité, de fabrication simple et peu onéreuse, insensible aux perturbations extérieures parasites. A cet effet, le capteur selon l'invention est caractérisé en ce qu'il se compose d'un émetteur de lumière cohérente, d'un polariseur, d'un injecteur1 d'une fibre optique présentant sur une fraction de sa longueur une zone soumise à la grandeur physique par I'intermédiaire d'un transmetteur avec lequel elle est en contact pour se poursuivre par un récepteur optoélectronique en vue de son exploitation. Outre la simplicité de réalisation et ses qualités techniques, le capteur optique selon l'invention présente de nombreux avantages complémentaires grande dynamique et large bande passante prix de revient modéré en considération des perfor mances techniques . résistance aux chocs insensibilité au vent . le diagramme de sensibilité peut être conformé au besoin par l'architecture du capteur . robustesse mécanique . très grande résistance à la surcharge en puissance acoustique . groupements ou associations multiples de capteurs élémentaires facilement réalisable . tous les avantages liés à l'emploi des fibres optiques. Les caractéristiques techniques et d'autres avantages sont consignés dans la description qui suit effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode d'exécution en se référant aux dessins accompagnant dans lesquels . la figure 1 est le schéma fonctionnel de base du cap teur selon l'invention selon une zone sensible linéaire ; . la figure 2 est le schéma fonctionnel de base du capteur selon l'invention selon une zone sensible circulaire. On décrira ci-après la structure de base en référence aux figures 1 et 2. 11 est bien entendu que diverses variantes et variations s'averent possibles sans pour autant sortir du cadre de la présente invention. A titre illustratif, il sera question ci-après plus particulièrement du domaine acoustique. Bien entendu, le capteur selon l'invention pourra trouver son application dans d'autres domaines sans pour autant modifier l'invention. La lumière existe dans les trois états de polarisation suivants : linéaire, circulaire et elliptique. Toute lumière se propageant dans une fibre optique se caractérise par un certain pourcentage de ces polarisations. Selon l'invention, on fixe un état de polarisation en injectant dans la fibre une lumière polarisée, de préférence linéairement, et en configurant la fibre de manière à maintenir cet état de polarisation à partir de l'injection tout au long de la zone sensible jusqu'à la détection optoélectronique. L'idée générale inventive consiste à moduler la polarisation de la lumière dans une fibre optique en soumettant une fraction de sa longueur rendue apte à opérer en tant que transducteur à une variation d'une contrainte mécanique extérieure . force, pression etc... et plus généralement d'une contrainte quelconque, pour réaliser un capteur de grandeurs physiques et plus particulièrement un capteur destiné à générer un signal à partir d'une onde acoustique. On décrira ci-après deux exemples d'application dans le domaine microphonique c'est-à-dire celui de la détection acoustique en référence aux figures 1 et 2. Il est bien entendu que non seulement le capteur selon l'invention s'applique à tous les types de détection de variations de pression jusqu'à leur niveau statique, mais aussi de forces et de contraintes mécaniques diverses : pincement, couples, etc... Ainsi, des applications en matière de pesage, de jauges de contraintes, de systèmes tactiles artificiels de haute performance pour robots, de capteurs bio-médicaux, de contrôles de contraintes internes dans les matériaux composites sont tout à fait envisageables. En référence à la figure 1, une source de lumière cohérente opérant dans l'infrarouge ou le domaine visible, par exemple une diode laser 1, émet un faisceau 2 qui, convenablement polarisé par un polarisateur 3, est introduit dans une fibre optique 4 par un injecteur 5. La fibre optique 4 de préférence, mais non exclusivement, monomode comporte une zone sensible 6 de longueur L séparée de part et d'autre par une boucle de filtrage et de sélection 7 et 8 permettant de privilégier l'état de polarisation sélectionné par le polarisateur 3. Le diamètre limite de chaque boucle se calcule par la modélisation de l'équation de propagation. Dans la pratique, en utilisant les fibres courantes disponibles -actuellement les dimensions de ce diamètre sont de l'ordre de quelques centimètres. Selon un premier mode de réalisation (figure 1) la zone sensible 6 est rectiligne. Sur toute sa longueur L, la fibre optique est rendue apte à jouer le rôle de transducteur par contact étroit avec un transmetteur par exemple une plaque 9 d'un matériau dur, de préférence métallique, par exemple de l'aluminium, jouant le rôle d'adaptateur d i impédance acoustique avec la fibre. La fibre est fixée ou solidarisée à cette plaque par tous moyens appropriés. Le choix du matériau variera en fonction des applications et des performances souhaitées. Selon une variante, on pourra prévoir deux plaques prenant la fibre en sandwich. Dans un mode de réalisation dérivé, le transmetteur en forme de plaque métallique 9 sera remplacé par un transmetteur conformé en gaine métallique autour de la fibre ou microstructure d'habillage ou d'entourage coulée ou rapportée sur la fibre ou autres matériaux à impédance adaptée à l'utilisation du capteur. La longueur L de la zone sensible est soumise aux variations de la grandeur physique et plus particulièrement aux variations de pression de l'onde acoustique ou aux variations des forces de pression et de contrainte convenablement sélectionnées par le capteur selon l'invention, dans le milieu ambiant. Dans le cas d'une longueur plus importante de liaison avec le détecteur, la fibre se poursuit par un conformateur de polarisation 10 opérant la mise en forme et l'amplification de la polarisation. Ce conformateur est constitué par deux boucles 11 et 12 montées sur- deux supports plans articulés inclinables, qui permettront de rattraper par ajustage calibrage le bruit de rotation de polarisation. Le diamètre de ces boucles est de l'ordre de celui des boucles de sélection. Pour des raisons de miniaturisation, on peut se passe de ces boucles, notamment si on utilise des fibres optiques à maintien de polarisation. au prix d'une légère dégradation des performances. Le circuit se termine par un analyseur 13 qui transforme la modulation de polarisation de la lumière en modulation d'intensité lumineuse. II suffit alors de transformer les variations de l'intensité lumineuse en variations électriques par un détecteur optoélectronique adapté, par exemple une photodiode 14 et traiter le signal électrique par un dispositif, matériel ou appareillage approprié 15. Une deuxième forme de réalisation est représentée sur la figure 2. Selon cette variante, on utilise également un émetteur de lumière cohérente, par exemple une diode laser 16 polarisée par un polarisateur 17 injecté par un injecteur 18 dans une fibre optique 19 se poursuivant sur une certaine longueur dans un étui 20 jusqu'à un capteur 21 formé d'une plaque 22 d'un matériau dur, par exemple de l'aluminium sur lequel elle est en contact sous la forme d'une boucle 23 par exemple circulaire, d'où elle repart à l'intérieur du même étui 20 pour la détection de la polarisation par un coupleur optique 24 relié à un analyseur 25 connecté à un élément détecteur, par exemple une photodiode 26, relié à un appareillage d'exploitation approprié 27. Toutes les variantes prévues ci-dessus s'appliquent à ce deuxième mode. A des fins illustratives, on a représenté sur les figures 1 et 2 un flux sonore 28 visualisé par les fronts d'une onde sonore. II faut mentionner la possibilité de doubler, de juxtaposer, et d'associer les zones sensibles linéaires ou circulaires en réseaux ou en groupements de type antennes afin de modifier ou de conformer le diagramme de sensibilité du capteur selon l'invention. Il est bien entendu que l'invention ne saurait se limiter aux seuls moyens décrits ci-dessus mais qu'au contraire toutes les variantes directes et modifications sans apport inventif entrent parfaitement dans son cadre. REVENDICATIONS 1. Capteur optique caractérisé en ce qu'il se compose d'un émetteur de lumière cohérente (I), d'un polarisateur (3), d'un injecteur (5) d'une fibre optique (4) présentant sur une fraction de sa longueur une zone sensible soumise à l'influence de la grandeur physique par l'intermédiaire d'un transmetteur avec lequel elle est en contact pour se poursuivre par un détecteur optoélectronique (14) ou (28) raccordé à un appareillage d'exploitation du signal (15) ou (27). 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transmetteur est une plaque d'un matériau dur. 3. Capteur selon la revendication 2 caractérisé en ce que la plaque est double, prenant la gaine en sandwich. 4. Capteur selon les revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la plaque est métallique. 5. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le transmetteur est une gaine ou une microstructure- d'habillage ou d'entourage de la gaine. 6. Capteur selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone sensible est linéaire en contact aec la ou les plaques précédentes ou habillée par le transmetteur. 7. Capteur optique selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone sensible est délimitée de part et d'autre par une boucle (7) et (8). 8. Capteur optique selon les revendications de 1 à 5, caractérisé en ce que la zone sensible est circulaire en contact avec la ou les plaques ou habillée par le transmetteur. 9. Capteur selon les revendications précédentes, caractérisé en ce que la fibre est solidarisée sur la longueur de la zone sensible au transmetteur par soudage, collage, fixation, pincement. 10. Capteur selon les revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est associé en réseau avec des capteurs identiques ou analogues.