Brevet FR2658291A1 — publié le 19910816

CAPTEUR DE PRESSION INTERFEROMETRIQUE L'invention concerne un capteur de pression qui est plus particulièrement destiné à la réalisation de mesures dans des endroits difficiles d'accès ou dans un environnement à hauts risques. On connaît déjà des capteurs de pression interférométriques à fibre optique monomode. Ces capteurs sont fondés sur la propriété des fibres optiques monomodes qui, lorsqu'elles sont pressées entre deux plans parallèles, présentent une biréfringence due à une distribution asymétrique des contraintes transverses dans la région du coeur. La mesure de cette biréfringence permet d'accéder à la mesure de la pression à laquelle est soumise la fibre monomode par l'intermédiaire de deux plaques parallèles entre lesquelles elle est pressée. De tels capteurs de pression interférométriques sont connus dans lesquels une fibre optique biréfringente constitue l'élément biréfringent placé entre polariseur et analyseur d'un interféromètre polarimétrique. I1 est connu que la biréfringence induite par une force transverse a son axe rapide parallèle à la direction de la force. Lorsque les axes du polariseur d'entrée sont orientés à 450 par rapport aux axes de biréfringence, celle-ci introduit une différence de marche entre les deux modes polarisés respectivement parallèle et perpendiculaire à la direction de la force. La lumière incidente est décomposée en deux modes de polarisation entre lesquels la fibre optique introduit une différence de marche fonction de la pression à laquelle elle est soumise. Lorsque le flux lumineux est monochromatique, on observe alors des franges d'interférence sinusoïdales qui permettent de mesurer les variations de la différence de marche (et donc de la pression) mais ne permettent pas de faire des mesures absolues. Par ailleurs, il est connu que lorsqu'un interféromètre polarimétrique est éclairé en lumière blanche, le flux lumineux sortant de cet interféromètre polarimétrique peut être analysé à distance par un interféromètre de lecture qui produit un système de franges lorsqu'il introduit une différence de marche égale en valeur absolue à celle introduite par la fibre optique. I1 est ainsi possible de mesurer à distance la différence de marche introduite par fibre optique et donc la pression à laquelle elle est soumise. Lorsque la source a une faible longueur de cohérence et que la différence de marche introduite dans l'interféromètre polarimétrique est petite par rapport à la longueur de cohérence de la source, la mesure de cette différence de marche n'est pas possible. La présente invention a pour but la réalisation d'un capteur de pression interférométrique qui permette des mesures absolues de pression de bonne précision. L'objectif de la présente invention est de proposer un capteur de pression interférométrique comprenant une fibre optique biréfringente monomode de mesure, dont la biréfringence est fonction de la pression mesurée, une source lumineuse émettant un faisceau lumineux, un interféromètre polarimétrique comportant un polariseur et un analyseur d'axes parallèles entre eux, et un élément biréfringent, un interféromètre de lecture recevant le flux lumineux sortant de l'interféromètre polarimétrique, un récepteur recevant le flux sortant de l'interféromètre de lecture et permettant la mesure de la différence de marche introduite par l'élément biréfringent de l'interféromètre polarimétrique, une unité de traitement électronique fournissant le résultat de la mesure de pression. Selon l'invention, la source lumineuse a une faible longueur de cohérence et l'élément biréfringent comporte une fibre optique fortement biréfringente introduisant une différence de marche supérieure à la longueur de cohérence de la source lumineuse et la fibre de mesure, les axes de la fibre optique fortement biréfringents étant orientés à 450 de ceux de la fibre de mesure. Dans un mode de réalisation préféré, la fibre de mesure est faiblement biréfringente. L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels - La figure 1 est un schéma représentant globalement le capteur de pression interférométrique. - La figure 2 est une représentation de l'orientation du polariseur de l'interféromètre polarimétrique, des axes de la fibre optique de mesure et des axes de la fibre fortement biréfringente. - La figure 3 est une représentation de l'interférogramme produit par l'interféromètre de lecture. - La figure 4 est un schéma d'un réseau de capteurs en étoile selon l'invention. - La figure 5 est une représentation de l'interférogramme produit lors de la mise en oeuvre d'un réseau de capteurs. Le capteur de pression interférométrique comporte une fibre optique 1 de mesure biréfringente dont la biréfringence dépend de la pression. C'est de préférence une fibre monomode faiblement biréfringente qui ne comporte pas de contrainte interne. Elle ne présente donc pas de biréfringence en l'absence d'action extérieure et la biréfringence induite par l'effet d'une pression extérieure ne dépend pas ou dépend peu de la température. Cette fibre est placée entre deux plaques rigides 2, 3, par exemple des plaques de verre, par l'intermédiaire desquelles lui est transmise une pression P. Cette pression engendre des contraintes transverses dans la région du coeur de la fibre lui donnant une biréfringence, fonction de la pression et pratiquement indépendante de la température ambiante. La fibre de mesure 1 peut être de nature différente. Il peut par exemple s'agir d'une fibre optique fortement biréfringente dont la biréfringence dépend à la fois de la pression et de la température, ou encore d'une fibre optique qui comporte des dissymétries internes telles que l'application d'une pression hydrostatique externe fait varier sa biréfringence, par exemple d'une fibre à structure évidée dite "FASE". Sa biréfringence dépend de la pression et de la température. Il comporte également une fibre à haute biréfringence 12 qui, n'étant soumise à aucune contrainte particulière, a une biréfringence indépendante de la pression mesurée mais dépendant fortement de la température. C'est, par exemple, une fibre dite à conservation de polarisation. Ces deux fibres 1, 12 sont placées sur le trajet d'un faisceau lumineux 5 traversant un interféromètre polarimétrique 6. Les lignes neutres des deux fibres 1, 12 sont croisées à 450 les unes des autres. Cet interféromètre comporte un polariseur 7 et un analyseur 8. La source de courte longueur de cohérence 4 est utilisée pour éclairer l'interféromètre polarimétrique 6. La biréfringence des fibres optiques 12 et 1 placées dans l'interféromètre polarimétrique 6 introduit une différence de marche entre les modes de polarisation transmis par cet interféromètre. La mesure de cette différence de marche est lue par un deuxième interféromètre dit interféromètre de lecture 9 qui fait apparaître des franges dites "franges de lumière blanche" lorsqu'il introduit une différence de marche égale à celle introduite par les fibres biréfringentes dans l'interféromètre polarimétrique 6. Les positions respectives des fibres 1 et 12 peuvent être échangées : dans le sens de propagation de la lumière la fibre de mesure 1 peut précéder la fibre fortement biréfringente 12 ou inversement. La ou les différences de marches singulières lues par l'interféromètre de lecture 9 correspondant à la position des franges sont traduites en signaux électriques par le détecteur 10 qui les transmet à l'unité de traitement 11. L'un des avantages significatifs de cette technique de mesure est de permettre de placer la source, l'interféromètre de lecture et l'unité de traitement à une grande distance de l'interféromètre polarimétrique et donc du point de mesure. La liaison entre ces différents éléments peut être réalisée par des fibres optiques monomodes 12, 13 qui permettent la transmission des flux lumineux sur une grande distance sans être sensibles aux risques d'inductions électromagnétiques. Dans ce cas, la source lumineuse 4 est couplée à la fibre optique 13. A la sortie de cette fibre, un système optique 15 forme un faisceau lumineux parallèle qui traverse le polariseur 7 puis est couplé à la fibre hautement biréfringente 12 par le système optique 16. La fibre optique de mesure 1 est elle-même couplée a la fibre fortement biréfringente 12 et à sa sortie, un système optique 17 transforme à nouveau le flux lumineux en faisceau parallèle pour traverser l'analyseur 8. A la sortie de l'analyseur, un nouveau système optique 18 assure le couplage du flux lumineux avec la fibre optique 14 et un système optique 19 à l'autre extrémité de cette fibre transforme à nouveau le faisceau lumineux en un faisceau parallèle pour l'adresser dans l'interféromètre 9 qui est de préférence un interféromètre de MICHELSON. A la sortie de l'interféromètre, un système optique 20 assure le couplage avec la fibre 21 qui transmet le flux lumineux sortant de l'interféromètre de lecture 9 au détecteur 10 qui est de préférence une photodiode à avalanche. Le signal électrique produit par le détecteur 10 est fourni à l'unité de traitement 11. Afin d'améliorer la précision de la mesure, un système de détection synchrone est utilisé. De préférence, un modulateur 22 module en amplitude l'émission de la source lumineuse 4 et un démodulateur 22 synchronisé sur le modulateur 21 assure la démodulation du signal électrique fourni par le détecteur 10 avant de l'adresser à l'unité de traitement 11. La modulation peut également être obtenue en faisant varier périodiquement la différence de marche de l'interféromètre de lecture 9. Le dispositif que nous avons décrit jusqu'à présent permet de mesurer la différence de marche introduite par les fibres 1 et 12. Afin de réaliser la mesure de pression, les axes 30 et 31 de biréfringence de la fibre 12 à forte biréfringence sont placés à 450 des axes 32, 33 du polariseur 7 de l'interféromètre polarimétrique, les axes 34, 35 de la fibre faiblement biréfringente sont eux-mêmes orientés à 450 des axes 30, 31 de la fibre 12, l'analyseur a également ses axes 36 et 37 orientés à 450 par rapport à ceux de la fibre de mesure 1. Le fonctionnement de ce dispositif peut être représenté de la manière suivante : la lumière polarisée par le polariseur 7 étant orientée à 45" des axes lents et rapides de la fibre optique à forte biréfringence 12 est décomposée en deux modes entre lesquels la fibre optique hautement biréfringente 12 introduit une différence de marche 6 fonction de la température. Les deux modes étant eux-mêmes à 450 des axes de biréfringence de la fibre 1, chacun d'eux est décomposé en deux sous-modes entre lesquels la fibre optique 1 introduit une différence de marche S' fonction de la pression. Le flux lumineux a la sortie de l'interféromètre polarimétrique 6, après la traversée de l'analyseur 8, correspond à celui qui aurait été fourni par deux interféromètres ce qui se traduit par un double système de franges. Les différences de marches respectives correspondant à ces deux systèmes de franges sont S + El et S - d'. Recevant ce flux lumineux, l'interféromètre de lecture 9 permet la mesure, d'une part, de s qui permet d'obtenir la mesure de la température et, d'autre part, de 6' qui donne une mesure de la pression. De préférence, l'interféromètre de lecture 9 est un interféromètre de MICHELSON. Une source monochromatique, par exemple un laser, produisant un signal périodique en fonction de la différence de marche introduite par cet interféromètre, permet la mesure précise de la différence de marche introduite par l'interféromètre de lecture "de lumière blanche". L'unité de calcul 11 assure la conversion du signal fonction de la différence de marche, produit par l'interféromètre, en un signal fonction de la pression et visualise la valeur de la pression. Dans un mode de réalisation préféré, il est également possible de visualiser simultanément la température. De manière préférée, la source utilisée est une diode à émission latérale émettant un faisceau lumineux à la longueur d'onde de 1 300 nanomètres avec une largeur spectrale de 90 nanomètres. On peut également utiliser une diode superradiante. L'utilisation d'un flux lumineux à 800 nanomètres permet également d'obtenir un bon fonctionnement du dispositif. L'interféromètre polarimétrique 6 peut être distant des autres composants auxquels il est relié par les fibres optiques 13 et 14 de plusieurs kilomètres. La fibre a forte biréfringence peut avoir une longueur d'environ 15cm et avoir par exemple les propriétés de la fibre commercialisée sous la référence "YORK HB 1250". La fibre de mesure 1 à faible biréfringence a une longueur de l'ordre de 2m et est de la même nature que la fibre commercialisée sous la référence "YORK LB 1230". La biréfringence induite dans la fibre de mesure 1 a un axe rapide parallèle à la direction de la force. Son amplitude est donnée par la formule B = 8CF & r où F est la force appliquée par unité de longueur, i est la longueur d'onde, r le rayon de la fibre et C le coefficient de contrainte optique de la fibre. Afin de rester dans le domaine d'élasticité de la silice, une charge de 10N par centimètre de fibre ne doit pas être dépassée. On réalise ainsi un capteur dont la sensibilité dans une mesure par comptage de franges est de Fmax/100, toujours pour une longueur de fibre de 2m. Dans les conditions indiquées plus haut, la sensibilité en température est de l'ordre de 150C par frange. Le croisement à 450 des lignes neutres de la fibre à forte biréfringence, utilisée pour la mesure de la température, et de la fibre à faible biréfringence permet la réalisation simple de deux mesures distinctes. La mesure de la température réalisée à l'aide de la fibre à forte biréfringence 12 indépendamment de tout autre paramètre peut être efficacement utilisée pour dissocier, à l'aide de l'unité de traitement 11 l'influence de la température de celle de la pression dans la différence de marche introduite par la fibre de mesure 1, lorsqu'une grande précision de mesure de la pression est recherchée, et qu'il est nécessaire de s'affranchir de l'effet, même secondaire, de cette température. De manière analogue, lorsque la fibre de mesure 1 utilisée est telle que sa biréfringence dépend fortement de la température, l'unité de traitement 11 utilise les informations provenant de la mesure de la température par la fibre à forte biréfringence 12 et fournit des mesures indépendantes de la température et de la pression. Sans sortir du cadre de l'invention, l'interféromètre polarimétrique 6 peut également fonctionner par réflexion. Dans ce cas, l'élément biréfringent 1, 12 est suivi d'un miroir 41 et est donc traversé deux fois par le flux lumineux. Un coupleur 42 placé sur la fibre de liaison 13 permet de séparer le flux réfléchi et de l'adresser vers l'interféromètre de lecture 9. Ce fonctionnement en réflexion permet la mise en oeuvre d'un réseau de capteurs 43, 44, 45 en étoile. Les fibres fortement biréfringentes 12 associées à chaque capteur ont des biréfringences différentes 46, 47, 48 introduisent respectivement des différence de marche 621 63, qui permettent de reconnaître le signal provenant de chacun des capteurs. Les fibres 49, 50, 51, faiblement biréfringentes associées produisent des différences de marche S'1,6'2,S'3, fonction des pressions respectivement mesurées par chacune d'elles. La description détaillée faite jusqu'à présent se réfère à l'utilisation de composants traditionnels discrets. Toutefois, l'invention peut également être mise en oeuvre en utilisant des fibres biréfringentes comme polariseur et analyseur. Les différentes fibres étant directement couplées les unes aux autres. Le dispositif de l'invention peut aussi être réalisé en optique intégré. REVENDICATIONS 1. Capteur de pression interférométrique comprenant: une fibre optique biréfringente monomode de mesure (1), dont la biréfringence est fonction de la pression mesurée, une source lumineuse émettant un faisceau lumineux (5), un interféromètre polarimétrique (6) comportant un polariseur (7) et un analyseur (8) d'axes parallèles entre eux, et un élément biréfringent, un interféromètre de lecture (9) recevant le flux lumineux sortant de l'interféromètre polarimétrique (6), un récepteur (10) recevant le flux sortant de l'interféromètre de lecture (9) et permettant la mesure de la différence de marche introduite par l'élément biréfringent de l'interféromètre polarimétrique, une unité de traitement électronique (11) fournissant le résultat de la mesure de pression, caractérisé en ce que la source lumineuse a une faible longueur de cohérence, l'élément biréfringent comporte une fibre optique fortement biréfringente (12) introduisant une différence de marche supérieure à la longueur de cohérence de la source lumineuse,et la fibre de mesure (1), les axes de la fibre optique fortement biréfringents (12) étant orientés à 450 de ceux de la fibre de mesure (1). 2. Capteur de pression selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fibre de mesure (1) est faiblement biréfringente. 3. Capteur de pression selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux plaques rigides (2, 3), la fibre optique de mesure (1) étant placée entre les deux plaques (2, 3) et soumises par leur intermédiaire à la pression à mesurer qui fait varier sa biréfringence. 4. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la biréfringence de la fibre fortement biréfringente (12) est fonction de la température et que l'unité de traitement électronique fournit également une mesure de la température. 5. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les liaisons entre la source et l'interféromètre polarimétrique, d'une part, et entre l'interféromètre polarimétrique et l'interféromètre de mesure, d'autre part, sont réalisés avec des fibres optiques (12, 13). 6. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'interféromètre de lecture (9) est un interféromètre de MICHELSON. 7. Capteur de pression selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte une deuxième source lumineuse, cohérente, permettant la mesure de la différence de marche introduite par l'interféromètre de MICHELSON. 8. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode à émission latérale. 9. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la source lumineuse est une diode superradiante. 10. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un système de détection synchrone. 11. Capteur de pression selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le détecteur est une photodiode à avalanche.