Brevet FR2628205A1 — publié le 19890908

RÉPUBLIQUE FRAN AISE N0 de publication: 2 628 205 (à n'utiliser que pour les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE D N0 d'enregistrement national 88 02765 PARIS IntCI: GO1 L 11/OO. Q DEMANDE DE BREVET D'INVENTION Ai Date de dépôt 4 mars 1988. Demandeur(s): COMPAGNIE GENERALÈ D'ELECTRI- CITE, Société anonyme. - FR. ( Priorité: ('Inventeur(s): André Tardy; Michel Jurczyszyn: Roger Boislaigue. N Date de la mise à disposition du public de la demande: BOPI " Brevets " n0 36 du 8 septembre 1989. 6 Références à d'autres documents nationaux appa- rentés: rentés Titulaire(s): ( Mandataire(s): Danièle Laroche, Sospi. Jauge de pression à fibre optique. Jauge de pression constituée par une fibre optique 1 2 coincée entre deux rubans métalliques 2, 3. Lorsqu'une force est appliquée suivant une direction de la fibre, on mesure le déphasage entre les vibrations lumineuses polarisées suivant cette direction et les vibrations lumineuses polarisées suivant la direction orthogonale. s d0 U r At fmHAI'ILI.EI NATIONALE. 27. rue de le Convention -- 75732 PARIS CEDEX 15 Jauge de pression à fibre optique La présente invention concerne une jauge de pression à fibre optique. On connait une jauge de pression o l'on mesure les variations de la phase de l'onde lumineuse propagée par une fibre optique placée dans un champ de pression isotrope, et dont l'indice est modifié par cette pression. Ce principe est décrit dans l'article de G.B. HOCKER "Fiber-optic acoustic-sensors with increased sensitivity by use of composite structures" OPTICS LETTERS vol. 4, n 10/ Octobre 1979. Afin d'accroitre la sensibilité de la mesure, on enrobe la fibre de verre dans un élastomère silicone, ou tout matériau plastique très compressible. Pour une longueur d'onde égale à 1 micron, la variation de phase mesurée est égale à 660 radians/MégaPascal/mètre de fibre. Une telle structure souffre des phénomènes de non-linéarité et d'incapacité à.fonctionner sous une haute charge statique, du fait du comportement inélastique des élastomères. On connait également une jauge comportant une fibre complexe en verre présentant un coeur en verre et deux canaux parallèles, situés de part et d'autre du coeur et remplis d'un gaz ou d'un liquide. Une telle fibre est décrite dans l'article de H.M. XIE et al "Side-hole fiber for fiber-optic pressure sensing" OPTICS LETTERS, vol 11, n 5/ Mai 1986. Lorsque le gaz ou le liquide est à une pression P, des contraintes anisotropes se développent dans le coeur de la fibre et induisent une biréfringence par effet élasto-optique. Cette biréfringence conduit à un déphasage entre les vibrations lumineuses polarisées orthogonalement qui se propagent dans la fibre. Pour une longueur d'onde de 1 micron, le déphasage est égal à 60 radians/Megapascal/mètre de fibre. La sensibilité de cette jauge est insuffisante. En outre sa fabrication implique la réalisation d'une fibre spéciale extrêmement coûteuse. On connait un troisième type de jauge de pression à fibre optique décrit par A. BERTHOLDS et R. DANDLIKER "High resolution photoelastic pressure sensor using low birefringence fiber" APPLIED OPTICS/Vol 25, n 3/ler février 1986. Selon ce principe, une fibre optique à faible biréfringence intrinsèque : 2628205 - 2 - est disposée entre deux plateaux parallèles entre eux, sur lesquels sont appliquées des contraintes 'de pression. On étudie le déphasage entre la vibration lumineuse située dans le plan d'application de la force et une vibration lumineuse située dans le plan orthogonal. Une telle disposition présente de grosses difficultés d'utilisation pratique. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients et de réaliser une jauge de pression plus sensible que les jauges précédentes et de mise en oeuvre plus aisée dans des milieux très variés. La présente invention a pour objet une jauge de pression à fibre optique à faible biréfringence intrinsèque, comportant des moyens pour mesurer le déphasage entre des premières vibrations lumineuses polarisées parallèlement à la direction d'une force appliquée sur la fibre et des secondes vibrations lumineuses polarisées orthogonalement à cette direction, caractérisée par le fait que ladite fibre est enserrée, de manière à être coincée, entre deux rubans en un matériau élastique dont la largeur est de l'ordre de 0,5 à 2 centimètres et dont les bords sont solidarisés deux à deux. Le matériau des rubans est de préférence choisi parmi les métaux tels que l'acier, et des alliages de différentes nuances résistant à la corrosion, à la chaleur ou de dilatation contr8lée; le choix dépend notamment des milieux et des fluides o doit se trouver la jauge et dont les caractéristiques physiques et chimiques sont très variées. On obtient ainsi une jauge dont tous les matériaux présentent un comportement élastique dans un large domaine de charges. L'épaisseur de chaque ruban peut être de l'ordre de 25 à 250 m. Selon un mode de réalisation, lesdits rubans sont bobinés de manière à former une hélice. Eventuellement les conduits définis à l'intérieur des rubans peuvent être remplis de liquide ou-de gaz sous pression. En particulier, la création d'un vide à l'intérieur du tube conduit à un capteur de pression absolue (pression extérieure au tube). Plus généralement la pression mesurée, soit intérieure, soit extérieure, peut représenter une différence, de valeur quelconque, entre les deux pressions intérieure et extérieure. -3 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. Dans le dessin annexé: - La figure 1 montre très schématiquement en coupe une jauge de pression selon l'invention. - La figure 2 est un schéma servant de base au calcul du déphasage optique inhérent à la force exercée par les rubans sur la fibre coincée. - La figure 3 illustre schématiquement une variante de réalisation de jauge selon l'invention. On voit dans la figure 1 une fibre optique en verre isotrope 1, de rayon r égal par exemple à 50 microns, enserrée entre deux rubans métalliques 2 et 3, par exemple en acier. Ces rubans sont soudés bord à. bord en 5 et 6. Leur largeur est de préférence de 1 centimètre, mais peut aller de 0,5 à 2 cm. La fibre 1 doit être coincée entre les deux rubans qui créent donc sur elle deux forces diamétralement opposées dont la valeur est fonction de la flexion des rubans. Afin de définir ces forces initiales, on utilise le schéma de la figure 2 o l'on a illustré une lame 10 considérée comme une poutre fléchie par une force F concentrée, appliquée au centre de la lame. La flèche au centre est équivalente au rayon r de la fibre. La lame 10 est fixée en 11 et 12. La longueur 1, correspondant à la distance entre les deux soudures des rubans excluant les portions soudées, est visible sur la figure 1 et reportée sur la figure 2. Il est d'usage de considérer dans ce cas que les conditions aux appuis sont intermédiaires entre celles de l'encastrement simple et celles de l'appui simple. Le rapport entre la force F et la longueur de la fibre L est donc défini par la double inégalité: 4E. r (h/1)3 longueur unitaire. La valeur de la précharge par unité de longueur, obtenue expérimentale- ment, se situe sensiblement au-dessus de la valeur médiane, soit: F/L * 13 Er (h/l)3 (1- 2) Exemple numérique: Pour l'acier: E = 2.10 MPa = 0,3 Avec 1 = 10 mm, r = 50 m, la précharge se situe à h = 100 m F/L = 143 N/m h = 50 m F/L = 18 N/m. La précharge appliquée à la fibre conduit donc à un déphasage entre les vibrations lumineuses orthogonales qui se propagent dans la fibre, de: A: =o104. C E (h/l)3. (L/>)/(1- 2) qui ne dépend pas du diamètre de la fibre. Avec les valeurs numériques de l'exemple précédent et pour = lm: Si h = 100 1m LÄ /L = 69 rads/m Si h = 50 m d /L = 8 rads/m. En présence d'une pression extérieure Pe' la fibre est sollicitée en compression par des forces supplémentaires concentrées au milieu des rubans. Si on appelle X ces forces et si l'on utilise l'hypothèse des appuis encastrés: X/L = 0,5 P 1 e Dans le cas de l'hypothèse des appuis simples, le résultat est peu différent: X/L = 0,62 P 1 e La lame 10 est considérée comme une poutre subissant une charge uniformément répartie P L. A cette charge uniforme correspond une e - nouvelle réaction X à l'appui constitué par la fibre. Le déphasage optique lié à la pression P est alors: = 4 C Pe L l/ ( r)e Celui-ci ne dépend pas de l'épaisseur des lames. C est la constante photoélastique relative du verre de silice. Si on repasse du modèle schématique de la figure 2 à la réalisation de la figure 1, on peut dire que la sensibilité par unité de longueur de la jauge selon l'invention est de: 1/LA /A Pe = 4 C 1/ (Nr) La sensibilité est d'autant plus importante que le rapport 1/r est grand. A la longueur d'onde de 1 m, une-largeur de jauge 1 = 10 mm et un rayon de fibre de 50 m, conduisent à une sensibilité de 2640 rads.m NMPa-1 ou 264 rads.m -1 bar - Cette sensibilité est très supérieure à celle qui était obtenue par la mise en oeuvre des jauges de l'art antérieur. Si l'on a une jauge de 1 mètre de long on peut détecter: pour 1 milliradian: 0,4 Pa = 0,004 mbar pour 1 microradian: 0,4 mPa. Les dispositifs de mesure de déphasage sont analogues à ceux qui sont décrits dans les articles précités utilisant les propriétés de biréfringence de la fibre. La variation de la biréfringence suite à la pression appliquée à la jauge est mesurée en observant les interférences qui ont lieu entre les composantes parallèles transmises par un analyseur de polarisation. En présence d'une pression intérieure créée par un liquide ou un gaz, la sensibilité obtenue est la même, à condition que la pression n'annule pas la précharge appliquée à la fibre. Lorsque l'on a besoin d'une longueur de rubans assez longue, l'encombrement de la jauge peut poser un problème. La compacité peut être améliorée par la réalisation d'un bobinage hélicoidal à spires 20 visible dans la figure 3. Le pas des spires est noté p, et le rayon du - 6 bobinage est R. La courbure de la fibre lie et la longueur de fibre par tour S, sont: /e = 42R/ (p2 +4 2R2 S =(4I2R2 + p2) 1/2 Si les spires sont jointives, p est de l'ordre de 1, largeur des rubans. Avec 1 = 10 mm et R = 27 mm, la longueur par tour est de 17 cm et six tours sont nécessaires pour avoir 1 mètre de longueur d'interaction. L'encombrement du capteur est alors de l'ordre de x 6 cm La courbure de la fibre induit une biréfringence linéaire de valeur 2 2 An = 0,5 C E r:9 C: constante photoélastique relative du verre de silice E: module d'élasticité du verre de silice:7.10 MPa Le déphasage correspondant 2e An.L/X est, dans l'exemple considéré, de 2,5 rads/m pour une fibre de rayon r = 50 m. Le bobinage hélicoidal implique, outre la courbure de la fibre, une rotation W du plan de courbure par unité de Iongueur de fibre égale à 2 22 1/2 W = 2 M/S.p/ (p 2 + 41 2R2) 1/2 Cette activité optique peut cependant être ignorée si le système fonctionne dans le mode réflexion. Dans ce mode une extrémité de la fibre est traitée de manière à réfléchir la lumière. La rotation qui résulte de la propagation aller est annulée du fait d'une rotation égale mais de sens opposé de l'onde se propageant en sens inverse. Ce mode de fonctionnement conduit, par ailleurs, à doubler la sensibilité ou, pour une sensibilité identique, à diminuer de moitié le volume du capteur. La jauge de pression selon l'invention, outre sa sensibilité supérieure, présente d'autres avantages vis-à-vis des capteurs de l'art 7- antérieur. Ainsi, elle n'est pas perturbée par les phénomènes thermiques comme les jauges composites fibre-élastomère. De plus, dans la structure selon l'invention, la fibre est très bien protégée contre les milieux extérieurs agressifs. E La jauge de pression selon l'invention trouve des applications multiples: détection de pressions hydrostatiques, de contraintes unidirectionnelles à l'intérieur de matériaux comme le béton par exemple, détection des ondes sonores basses fréquences dans l'air ou dans l'eau.... Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. -8- REVENDICATIONS 1/ Jauge de pression à fibre optique à faible biréfringence intrinsèque comportant des moyens pour mesurer le déphasage entre des premières vibrations lumineuses-polarisées parallèlement à la direction d'une force appliquée sur la fibre et des secondes vibrations lumineuses polarisées orthogonalement à cette direction, caractérisée par-le fait que ladite fibre est enserrée, de manière à être coincée, entre deux rubans en un matériau élastique dont la largeur est de l'ordre de 0,5 à 2 centimètres et dont les bords sont solidarisés deux à deux. 2/ Jauge de pression selon la revendication 1, caractérisée par le fait que ledit matériau élastique est choisi parmi les métaux et leurs alliages. 3/ Jauge de pression selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait que l'épaisseur de chaque ruban est comprise entre 25 et 250 m. 4/ Jauge de pression selon l'une des revendications précédentes caractérisé par le fait que lesdits rubans sont bobinés de manière à réaliser une hélice. / Jauge de pression selon l'une des revendications précédentes, caractérisée par le fait qu'elle est remplie de liquide ou de gaz sous une pression telle que ne soit pas annulée la précharge appliquée à la fibre par lesdits rubans. 1/1 FIG.1 ',: FIG.2 Il10_ FI..3..