Brevet FR2615284A1 — publié le 19881118

"Dilpositil pour la détection de vibrations comportant une fibre optique multimode comme élément sensible" La présente invention a pour objet un dispositif pour la détection de vibrations comportant une fibre opti- que multimode comme élément sensible, destiné particuliè- rement & l'analyse des vibrations de machines (telles que moteurs et autres machines tournantes) et de structures (telles que transformateurs électriques et structures mé- caniques), & la détection d'intrusions (notamment d'intru- sions périmétriques), à la détection d'enlèvement d'ob- jets, à la surveillance respiratoire de malades, à la réalisation de déclencheurs d'éclairage et/ou d'alarmes en réponse à l'apparition, ou la variation de la fréquence, de vibrations. Le dispositif selon l'invention met en oeuvre, comme élément sensible détectant des vibrations ou la mo- dification de la fréquence de vibrations, une fibre opti- que multimode dont l'une de ses extrémités est éclairée par une source de lumière cohérente et dont l'éclairement de l'autre extrémité est observé au moyen d'un photo- détecteur. On sait en effet, par exemple d'après le livre intitulé "Optical Fibre Communication Systems", de C.P. Sandbank, édité par John Wiley and Sons, New York, 1980, pages 249 à 265, que dans une fibre optique multimode, éclairée à une première extrémité, constituant face d'en- trée, par une lumière cohérente, la lumière suit diffé- rents chemins optiques et que dans chaque chemin optique la lumière est modulée d'une manière différente par des perturbations externes, telles que des vibrations, des variations de température et/ou de pression. Il en résulte donc à l'autre extrémité, constituant face de sortie, de la fibre optique que les modes de la fibre optique multi- mode se combinent pour former une figure d'interférences prenant l'aspect d'une tacheture granulaire, appelée "speckle". Ce phénomène de speckle est considéré comme défa- vorable dans les systèmes de transmissions optiques car il produit ce que l'on appelle un "bruit modal" qui est nui- sible à la performance de tels systèmes de transmission. Par contre on a pensé à utiliser le speckle induit par des vibrations pour constituer des capteurs à fibre optique multimode - soit pour mesurer un débit de fluide en plaçant une fibre optique multimode dans le courant fluide dont on veut mesurer le débit, l'écoulement fluide engendrant des vibrations qui produisent, à la sortie de la fibre optique multimode, lorsqu'elle est éclairée à son entrée par une lumière cohérente, un speckle qui est observé et analysé; en particulier J.H. Lyle et C.W. Pitt ont décrit dans "Electronics Letters" du 19 mars 1981, volume 17, n' 6, pages 244 et 245, un débitmètre qui comporte un laser hélium-néon émettant une lumière cohérente qui excite l'extrémité d'entrée d'une fibre optique multimode traver- sant une conduite dans laquelle se déplace le fluide dont on veut mesurer le débit; le speckle, formé à l'extrémité de sortie de la fibre optique multimode par les vibrations produites au voisinage de la fibre par l'écoulement du fluide dans la conduite, est observé par un photodétecteur disposé à 15 cm de cette extrémité de sortie, le signal de sortie du photodétecteur étant affiché sur un analyseur de spectre audiofréquence; soit pour détecter une intrusion dans une zone à protéger, en disposant une fibre optique multimode en bou- cle presque fermée autour de cette zone; ainsi Chung-yee Leung, I-fan Chang et Si-Hsu ont décrit, dans les "Procee- dings of the 4th International Conference on Optical Fiber Sensors (Tokyo 7-9 octobre 1986), un dispositif de détec- tion d'intrusion comportant un laser dont la lumière est focalisée sur la face d'entrée de la fibre optique multi- mode disposée en boucle presque fermée et dont le speckle apparaissant sur la face de sortie de cette fibre est détecté par plusieurs photodétecteurs de petite dimension disposés au voisinage du centre du speckle, les signaux de sortie des photodétecteurs étant amplifiés, filtrés (par des filtres passe-bande de 10 à 2000 Hz), rectifiés, addi- tionnés et bloqués. L'invention vise à réaliser un dispositif pour la détection des vibrations, mettant en oeuvre, comme ceux décrits précédemment, une fibre optique multimode, mais il se distingue de ceux-ci par le fait qu'on prévoit, d'une part, une fibre optique monomode entre la source de lu- mière cohérente et la face d'entrée de ia fibre optique multimode et, d'autre part, au moins une fibre optique, ayant un diamètre de coeur plus petit que celui de la fibre optique multimode, entre la face de sortie de cette fibre optique multimode, sur laquelle apparaît le speckle, et au moins un photodétecteur associé. L'invention a donc pour objet un dispositif pour la détection de vibrations comportant une fibre optique multimode comme élément sensible, une source de lumière cohérente, des moyens photodétecteurs et des moyens d'ana- lyse de la sortie des moyens photodétecteurs, caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, d'une part, une fibre optique monomode disposée entre la source de lumière cohé- rente et une première extrémité de la fibre optique multi- mode, constituant face d'entrée de celle-ci, et, d'autre part, au moins une fibre optique, dont le diamètre de coeur est plus petit que celui de la fibre optique multi- mode, disposée entre l'autre extrémité de la fibre optique multimode, constituant face de sortlie de celle-ci et sur laquelle apparaît un speckle, et les moyens photodétec- teurs. De préférence: - la source de lumière cohérente est une diode laser; - les moyens photodétecteurs comportent au moins un photodétecteur constitué par une diode photodétectrice à semi-conducteur; - la fibre optique multimode comporte trois modes guidés; - le dispositif comporte plusieurs fibres optiques à diamètre de coeur plus petit que celui de la fibre opti- que multimode,les moyens photodétecteurs comportant un photodétecteur disposé en regard de l'extrémité de chacune de ces fibres optiques à diamètre de coeur réduit opposée à celle en regard de la face de sortie de la fibre optique multimode; - le photodétecteur unique ou chaque photodétec- teur est suivi par un préamplificateur et unfiltre cou- pant les basses fréquences, constitué avantageusement par un filtre passehaut, le filtre unique ou les filtres débitant dans un analyseur de fréquence. L'invention pourra, de toute façon, être bien comprise à l'aide du complément de description qui suit, ainsi que des dessins ci-annexés, lesquels complément et dessins sont, bien entendu, donnés surtout à titre d'indi- cation. La figure 1 est une vue d'ensemble d'un dispositif selon l'invention comportant trois fibres optiques à diamètre de coeur réduit. La figure 2 est une coupe par II-II, à plus grande échelle, de la figure 1. La figure 3, enfin, illustre une variante du cou- plage entre la fibre optique multimode constituant l'élé- ment sensible du dispositif et une fibre optique à dia- mètre de coeur réduit. Selon l'invention et plus spécialement selon celui de ses modes d'application, ainsi que selon ceux des modes de réalisation de ses diverses parties, auxquels il semble qu'il y ait lieu d'accorder la préférence, se proposant, par exemple, de réaliser un dispositif pour la détection des vibrations comportant une fibre optique multimode comme élément sensible, on s'y prend comme suit ou d'une manière analogue En se référant tout d'abord à la figure 1 et accessoirement à la figure 2, on voit qu'un dispositif selon l'invention comprend d'abord une source 1 de lumière cohérente, constituée avantageusement, comme illustré, par une diode laser du type monomode transversal et monomode longitudinal. En regard de la zone émettrice de la source 1 de lumière cohérente est disposée une première extrémité 2a d'une fibre optique monomode 2 dont la seconde extrémité 2b est disposée en regard d'une extrémité ou face d'entrée 3a d'une fibre optique multimode 3 qui constitue l'élément sensible du dispositif et qui est disposée dans la zone 4 o se trouve la machine, la structure, le malade ou la zone à surveiller. Une microlentille (non représentée) sert à focaliser la lumière émise par la source 1 sur l'extrémité 2a, tandis qu'un connecteur ou une épissure (non représenté) de type connu peut avantageusement être disposé entre les extrémités 2b et 3a. La lumière cohérente, émise par la diode laser ou source i et transmise par la fibre optique monomode 2 à l'extrémité 3a de la fibre optique multimode 3, engendre à l'autre extrémité ou face de sortie 3b de la fibre 3 un speckle ou tacheture granulaire comportant une mosaique de grains ou zones clairs et sombres, l'aspect du speckle, c'est-à-dire la luminosité de chaque grain ou zone, étant modifié par toute vibration dans la zone 4 et qui agit sur la fibre optique multimode 3. En principe il suffirait d'observer un seul grain du speckle, mais il est avantageux, pour augmenter le rap- port signal/bruit, d'observer plusieurs grains de celui- ci. Cette observation est effectuée, conformément à une caractéristique de l'invention, non pas directement à l'extrémité 3b mais à distance en utilisant, pour la transmission à distance, une ou de préférence plusieurs fibres optiques constituées par une ou des fibres optiques monomodes et/ou par une ou des fibres optiques multimodes ayant un diamètre de coeur plus petit que le diamètre de coeur de la fibre optique multimode 3. Dans le mode de réalisation de la figure 1, on a prévu trois fibres optiques monomodes 51,'5253 et sur la figure 2 on aperçoit, d'une part, la section de coeur au niveau de la face de sortie 3b de la fibre optique multi- mode 3 et, d'autre part, les sections de coeur des trois extrémités ou faces d'entrée 51a,52a,53a des fibres optiques 51',52'53 respectivement. L'autre extrémité ou face de sortie 51b,52b,53b de la fibre 51',52'53 respectivement se trouve en regard d'un photodétecteur 61,62,63 constitué par une photodiode du type PIN ou à avalanche. Les photodiodes 61,62,63 débitent dans des préamplificateurs 71',72'73 respectivement dont les sorties sont filtrées par des filtres passe-haut 81,82,83 respectivement, qui suppriment par exemple les fréquences inférieures à 10 Hz. Enfin les sorties 91',92'93 des filtres passe-haut 81,82,83 sont analysées dans un analyseur de spectre (non représenté). Dans le mode de réalisation partiellement illustré sur la figure 3, la fibre optique multimode 3 est couplée à une seule fibre optique monomode 54, non pas par son ex- trémité (comme dans le cas du mode de réalisation des fi- gures 1 et 2), mais par l'intermédiaire d'un coupleur- séparateur latéral, le diamètre de coeur de la fibre opti- que monomode 54 étant plus petit que le diamètre de coeur de la fibre optique multimode 3. Sur la figure 3, qui est à plus grande échelle que la portion correspondante de la figure 1 dans la zone de la coupe II-II, on aperçoit en coupe les gaines polies 10 entourant le coeur de chacune des fibres 3 et 54. A l'autre extrémité (non visible sur la figure 3) de la fibre optique 54 on prévoit les mêmes types d'é- léments que ceux illustrés sur la figure 1, à savoir un photodétecteur, un préamplificateur et un filtre passe-haut dont la sortie est analysée par un analyseur de spectre. On peut évidemment prévoir, entre la fibre multi- mode 3 et les fibres à diamètre de coeur réduit, telles que 51,552' 3,5 4 des systèmes de couplage autres qu'un connecteur ou épissure du type illustré sur la figure 1 ou qu'un coupleur-séparateur latéral à fibres polies du type illustré sur la figure 2, par exemple un coupleur multi- modes vers une ou plusieurs fibres monomodes, par fusion étirage. Dans un dispositif selon l'invention, la fibre multimode 3 est de préférence du type à gradient d'indice, - bien que l'on puisse également utiliser des fibres multi- modes à saut d'indice. Avantageusement, la fibre multimode 3 est consti- tuée par une fibre du type utilisé en télécommunications de 50 microns de diamètre de coeur et de 0,2 d'ouverture numérique, ou de préférence par une fibre comportant trois modes guidés à la longueur d'onde de travail. Le fonctionnement du dispositif de la figure 1 est le' suivant. La lumière produite par la diode laser ou source 1 est transmise par la fibre optique monomode 2 à l'extrémi- té ou face d'entrée 3a de la fibre optique multimode 3. Cette lumière cohérente est modulée en phase, pendant sa propagation dans la fibre 3, par toute perturbation exter- ne, notamment par toute vibration, se produisant dans la zone 4, et on notera que le dispositif selon l'invention présente l'avantage de permettre une détection non pas ponctuelle mais dans toute une zone, qui peut être relati- vement étendue. Cette modulation de phase produit, du fait que la lumière suit plusieurs chemins optiques dans une fibre optique multimode, une figure d'interférences sur l'autre extrémité ou face de sortie 3b de la fibre optique multimode 3, sous la forme d'un speckle. Les variations de luminosité de trois zones ou grains du speckle sur la face de sortie 3b sont observées par les photodétecteurs à diodes 61,62, 63, à travers les fibres optiques 51,52 et 53 qui transmettent les varia- tions de luminosité de ces trois zones ou grains. Les sorties des photodétecteurs 61,62,63 sont amplifiées par les préamplificateurs 71,72,73; les filtres passe-haut 81,82,83 ont pour effet d'éliminer les basses fréquences qui correspondent à des variations relativement lentes de température et de pression dans la zone 4; de ce fait les sorties 91',92,93 ne sont fonction que des vibra- tions qui se produisent dans la zone 4 et l'analyseur de spectre qui reçoit les sorties 91,92,93 permet d'analyser ces vibrations. Ces vibrations peuvent être observées et/ou provo- quer un signal réalisant une alarme et/ou un éclairage, par exemple en cas de défaut respiratoire d'un malade sur- veillé, d'enlèvement d'objets dans un musée ou dans une collection privée, ou d'une intrusion (la fibre optique multimode 3 étant dans ce dernier cas soit enterrée pour une protection extérieure, soit disposée sous un tapis ou dans une porte pour une surveillance de pénétration dans un appartement ou un immeuble). L'invention est essentiellement caractérisée par la présence des fibres optiques 2, d'une part, et 51,52,53 ou 54, d'autre part. La présence de la fibre optique monomode 2 entre la source de lumière cohérente 1 et la face d'entrée 3a de la fibre optique multimode 3 présente l'avantage d'éviter que des perturbations qui pourraient se produire en dehors de la zone 4 à surveiller modifient le speckle sur la face de sortie 3b de la fibre 3, étant donné que la fibre mono- mode 2 n'est pas influencée par des perturbations et qu'- elle transmet directement la lumière émise par la source 1 sur la face d'entrée 3a de la fibre 3 à l'intérieur de la zone 4. La présence d'une ou plusieurs fibres optiques, telles que 51',52,53 ou 54, à diamètre de coeur plus petit que celui -de la fibre multimode 3, entre la sortie de la face 3b de la fibre 3 sur laquelle apparait le speckle et le ou les photodétecteurs, tels que 61,62,63, permet d'é- loigner le ou les photodétecteurs de la zone à surveiller 4 sans perturber le résultat de l'analyse de spectre portant sur les signaux de sortie, tels que 91,92, 93, sous l'effet de vibrations ou d'autres perturbations se produisant entre la zone de mesure 4 et le ou les phot- odétecteurs. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la détection de vibrations comportant une fibre optique multimode (3) comme élément sensible, une source (1) de lumière cohérente, des moyens photodétecteurs (61,62,63; 71,72,73; 81,82,83) et des moyens d'analyse de la sortie (91'92'93) des moyens photo- détecteurs,caractérisé par le fait qu'il comporte en outre, d'une part, une fibre optique monomode (2) disposée entre la source (1) de lumière cohérente et une première extrémité (3a) de la fibre optique multimode (3), consti- tuant face d'entrée de celle-ci, et, d'autre part, au moins une fibre optique (51,52,53; 54), dont le'diamètre de coeur est plus petit que celui de la fibre optique multimode (3), disposée entre l'autre extrémité (3b) de la fibre optique multimode (3), constituant face de sortie de celle-ci et sur laquelle apparaît un speckle, et les moyens photodétecteurs (61,62,63; 71',72',73; 81,82,83). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé par le fait que la source (1) de lumière cohérente est une diode laser. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, ca- ractérisé par le fait que les moyens photodétecteurs com- portent au moins un photodétecteur (61,62,63) constitué par une diode photodétectrice à semi-conducteur. 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé par le fait que le dispo- sitif comporte plusieurs fibres optiques (51,52,53; 54), à diamètre de coeur plus petit que celui de la fibre optique multimode (3), les moyens photodétecteurs comportant un photodétecteur (61,62,63) disposé en regard de l'extrémité de chacune de ces fibres optiques à diamètre de coeur réduit opposée à celle en regard de la face de sortie (3b) de la fibre optique multimode (3). 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, ca- ractérisé par le fait que le photodétecteur unique ou chaque photodétecteur (61,62,63) est suivi par un préam- 1 1 plificateur (71,72,73) et un filtre (81,82,83) coupant les basses fréquences, le filtre unique ou les filtres débi- tant dans un analyseur de fréquence. 6. Dispositif selon la revendication 5, caractéri- sé par le fait que le filtre unique ou chaque filtre est constitué par un filtre passe-haut. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé par le fait que la fibre opti- que de diamètre de coeur réduit ou au moins une partie des fibres optiques de diamètre de coeur réduit est constituée par une ou des fibres monomodes (51,52,53; 55). 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 6, caractérisé par le fait que la fibre opti- que multimode (3) comporte trois modes guidés.