Brevet FR2667163A1 — publié le 19920327

La présente invention concerne des ensembles de bobines de fibre optique et, plus spécialement, de semblables ensembles se présentant sous la forme de bobines de fibre optique offrant une faible sensibilité vis-à-vis de la pression acoustique. Dans de-nombreux systèmes de détection par fibre optique, on utilise une bobine de détection optique pour la détection et la mesure d'une grandeur particulière en provoquant dans la lumière qu'elle transmet un déphasage qui peut être détecté et mesuré La grandeur à mesurer peut être la pression acoustique, comme c'est le cas dans les systèmes d'hydrophones, tandis que, dans d'autres cas, le détecteur à fibre optique peut par exemple être conçu pour détecter l'accélération, la température ou des champs électriques ou magnétiques Dans le cas de semblables bobines détectrices ou bien lorsqu'on utilise des bobines de fibre optique comme bobines de référence ou de retard dans des interféromètres optiques par exemple, il est souvent nécessaire de rendre la bobine détectrice ou une autre bobine insensible à la pression acoustique Par exemple, si le détecteur n'est pas destiné à être utilisé comme détecteur de pression acoustique, la pression acoustique ambiante agissant sur la bobine peut alors produire dans la bobine des déphasages de lumière qui ne peuvent pas être distingués des dépha- sages produits par l'effet (par exemple température, champ élec- trique, champ magnétique) qu'il faut détecter et mesurer Pour que la bobine détectrice produise des signaux qui ne sont pas faussés par des déphasages induits par la pression acoustique, il faut rendre minimale la sensibilité de la bobine détectrice vis-à-vis de la pression acoustique Dans le cas de la bobine de référence ci-dessus indiquée, il est de la plus haute importance que la lumière traversant la bobine ne devienne pas modulée en phase, puisque ceci peut réduire la sensibilité du système et, ou bien, introduire du bruit dans Le signal de sortie. Selon la présente invention, il est produit un ensemble de bobine de fibre optique comprenant une bobine de fibre optique portée par l'intermédiaire d'une structure d'encapsulage creuse, ou d'une structure analogue, et un moyen d'ajustement de force ayant pour effet de réduire sensiblement la force globale qui, sinon, s'exercerait sur la structure de bobine encapsulée pour produire un changement de longueur de la bobine de fibre optique lorsque la bobine est soumise à la pression acoustique ou à une force analogue, par un ajustement des amplitudes relatives des forces agissant sur la bobine dans les différentes directions tel que l'effet net de ces forces sur la longueur de fibre optique soit sensiblement nul. Dans la mise en oeuvre de l'invention, le moyen d'ajus- tement de force peut comprendre des plaques rigides qui sont fixées aux extrémités de la structure de bobine encapsulée creuse et qui agissent comme amplificateurs de pression permettant d'amplifier les forces externes agissant sur les extrémités de la structure de bobine encapsulée suivant sa direction axiale, de sorte que les forces transversales agissant vers l'intérieur qui s'exercent sur la bobine de fibre optique sont sensiblement annulées. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une représentation simplifiée d'un ensemble de bobine de fibre optique classique; la figure 2 est une représentation simplifiée analogue à celle de la figure 1, mais montrant un ensemble de bobine de fibre optique selon l'invention; et la figure 3 est un graphe indiquant la sensibilité d'ensembles de bobines de fibre optique construits selon l'inven- tion. Sur la figure 1, est représentée schématiquement une bobine de fibre optique cylindrique creuse 1 encastrée dans une structure d'encapsulage cylindrique 2 qui possède un trou central 3, de manière que soit produite une bobine détectrice de fibre optique La bobine détectrice destinée à être utilisée par exemple comme hydrophone peut être soumise à des pressions terminales indiquées respectivement par la pression Pe s'exerçant dans la direction axiale de la bobine, des pressions Pl radiales s'exer- çant vers l'extérieur et des pressions Po radiales s'exerçant vers L'intérieur Ces pressions exercent sur La fibre optique des forces de déformation qui produisent un changement de Longueur de La bobine, de sorte que La Lumière qui est transmise dans La bobine détectrice dans un but de mesure subit un déphasage De p Lus, Le changement, induit par La contrainte, de L'indice de réfraction de La fibre optique, que provoque La pression, produira également un déphasage dans La Lumière transmise. Comme on peut Le voir sur Le dessin, La pression Po agit de façon à comprimer La bobine de fibre 1 et à produire un dépha- sage négatif, tandis que La pression Pl agit de façon à di Later La bobine, et, ainsi à produire un déphasage positif. La pression axia Le Pe agit perpendiculairement aux pres- sions Po et Pi, mais, en raison de L'effet du coefficient de Poisson, La pression Pe produit en outre une composante de con- trainte qui agit vers L'extérieur dans Le même p Lan que Les pressions Po et Pi Ce Lui-ci est décrit comme Le p Lan X du schéma de contrainte indiqué L'amp Litude de cette composante de con- trainte dans Le p Lan X est proportionne L Le au coefficient de Poisson et s'exerce en opposition à La pression Pi, c'est-à-dire de façon à réduire La sensibilité de La bobine, ce qui, dans une application de mesure de pression acoustique (par exemp Le hydro- phone), constitue un inconvénient Dans Le cas d'une pression hydrostatique pour Laque L Le La Longueur d'onde du son venant frapper L'ensemb Le de bobine est beaucoup p Lus grande que Le diamètre de La bobine de fibre optique 1, et si Le trou centra L 3 de La structure encapsu Lante 2 ouvre sur Le mi Lieu environnant, Les pressions Po, Pe et Pl sont d'amplitudes éga Les et, dans ce cas, La composante de contrainte, ci-dessus indiquée, de La pression Pe suivant La direction X, qui est due à L'effet du coefficient de Poisson, possède une amplitude inférieure à Po/2 L'effet net de ces pressions est de comprimer La bobine et de produire un déphasage négatif. On peut mentionner ici que L'on a, à ce jour, déjà acoustiquement désensibilisé de te L Les bobines acoustiquement sensibles en Les enfermant dans des couches de matériaux d'amortis- sement ou à pertes, contenant éventue L Lement des couches d'air. Toutefois, ces bobines tendent à être plutôt encombrantes, et, ce qui est plus important, il est très difficile de rendre ces bobines insensibles aux basses fréquences sonores. Selon un mode de réalisation de l'invention, on rend extrêmement peu sensible, même à des sons de la plus basse fré- quence, un ensemble de bobine de fibre optique ayant la forme présentée sur la figure 1 en fixant, par exemple par collage, des plaques 4 et 5, formant des couvercles terminaux rigides, sur les extrémités de la structure 2 d'encapsulage de bobine Ces plaques terminales 4 et 5 servent d'amplificateurs de pression pour la pression Pe qui frappe les extrémités de la structure des bobines de fibre optique, le facteur d'amplification des amplificateurs augmentant avec la taille du trou central 3 Les plaques terminales 4 et 5 éliminent également la pression Pl qui agit sur la bobine depuis l'intérieur du trou central 3 de la structure d'encapsulage, de sorte que seules les pressions Pe et Po s'exercent sur la structure de bobine. S'il est possible de rendre la pression Pe, en l'amplifiant, beaucoup plus grande que la pression Pe de l'ensemble de bobine de la figure 1, on peut, pour un coefficient de Poisson donné, prévoir un trou central ayant des dimensions telles que la composante de la contrainte dans la direction, ou le plan, X résul- tant de la pression Pe soit de même amplitude que la pression Po, mais de sens opposé Par conséquent, la contrainte longitudinale s'exerçant sur la fibre optique sera nulle et ne produira donc aucun déphasage dans la lumière transmise le long de la fibre. On se reporte maintenant à la figure 3, qui représente la sensibilité d'un ensemble de bobine de fibre optique selon la figure 2 en fonction de E (module d'Young) et de C-(coefficient de Poisson) La bobine est formée par une bobine de fibre optique cylindrique d'un diamètre d'environ 6 cm, encastrée dans un cylindre d'encapsulage d'environ 7,5 cm de diamètre qui possède un trou central d'une taille d'environ 1 cm La figure montre que, lorsque le coefficient de Poisson approche de la valeur qui donne une contrainte longitudinale nulle pour la fibre optique, la sensi- bilité de l'ensemble diminue très rapidement Bien que le point de sensibilité minimale soit situé plus bas que le bord inférieur du graphe de la figure 3, il est clair que l'on peut obtenir une iso- lation acoustique d'au moins 70 d B, par comparaison avec la sensi- bilité d'hydrophones typiques. Dès que le point de sensibilité minimale a été atteint, l'effet de la pression Pe dans le plan X devient plus grand que celui de la pression Po et commence à dilater la bobine de fibre optique, si bien que la sensibilité de l'ensemble augmente de nouveau rapidement. Pour les courbes de la figure 3, les données expérimen- tales précises relatives à l'ensemble de bobine en fibre optique choisi à titre d'exemple sont les suivantes: Extrémités libres avec pression (Pa) = 1,00 Intérieur creux avec pression (Pa) = 1,00 Pression externe (Pa) = 0,50 Diamètre externe (mm) = 76,00 3 e diamètre (mm) = 68,00 2 e diamètre (mm) = 58,00 Diamètre interne (mm) = 11,00 Diamètre de fibre (mm) = 60,50 Proportion de fibre (en milieu de couche) = 10,00 % Longueur d'onde (nm) = 1150,00 Fraction volumétrique d'air = 0,00 % E min (G Pa) = 0,05 E max (G Pa) = 5,00 Coefficient de Poisson minimal = 0,20 Coefficient de Poisson maximal = 0,45 Programme COMPO En pratique, le module d'Young et le coefficient de Poisson doivent être constants pour une structure d'encapsulage donnée, et on fait varier la taille du trou dans la structure d'encapsulage pour obtenir la sensibilité voulue Les courbes apparaissant sur la figure 3 suggèrent que l'on peut obtenir de manière très simple une isolation acoustique allant jusqu'à 70 d B. Cet effet repose sur l'existence d'un champ de pression qui est uniforme sur chaque face de l'ensemble de bobine, ce qui est généralement vrai si le diamètre de l'hydrophone est très inférieur à la moitié des longueurs d'ondes (c'est-à-dire 75 cm à 1 k Hz). En réduisant l'effet de la pression extérieure Po exercée sur la structure de bobine, on pourrait obtenir le même effet que celui réalisé à l'aide des plaques terminales rigides 4 et 5 de l'ensemble de bobine de la figure 2 On peut réaliser cela en relâchant partiellement la pression s'exerçant sur la surface périphérique incurvée externe de la bobine cylindrique 1, même s'il peut être difficile de trouver un matériau de relâchement de pression approprié fonctionnant bien aux basses fréquences. Alors que, dans le mode de réalisation décrit en relation avec les dessins, la structure de bobine encapsu Lée a une forme cylindrique, on comprendra naturellement que le principe de l'invention est également applicable à des ensembles de bobines ayant des configurations différentes. En ce qui concerne les applications de l'invention, on peut ici mentionner qu'un ensemble de bobine construit selon l'invention peut être appliqué à des accéLéromètres dans lesquels la bobine de détection doit être sensible aux forces appliquées dans un certain plan, mais non à celles appliquées de façon égale dans les trois plans De plus, l'invention peut être appliquée à n'importe quel ensemble de bobine de fibre optique qui doit mesurer un effet, tel que la température ou le champ magnétique, autre que les variations de la pression acoustique ou de la pression statique La bobine selon l'invention peut également être appliquée comme bobine de retard destinée à offrir un trajet d'équilibrage dans un interféromètre optique équilibré ou comme bobine de réfé- rence du type employé dans des systèmes de détection optique pour réduire le bruit de phase optique produit dans des bobines détectrices associées. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Ensemble de bobine de fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend une bobine ( 1) de fibre optique portée par l'inter- médiaire d'une structure d'encapsulage creuse ( 2), ou une structure analogue, et un moyen ( 4, 5) d'ajustement de force ayant pour effet de réduire sensiblement la force globale qui, sinon, s'exercerait sur la structure de bobine encapsulée, ou la structure analogue, pour produire un changement de longueur de la fibre optique de la bobine lorsque la bobine est soumise à une pression acoustique ou à à une pression analogue, par un ajustement des amplitudes relatives des forces s'exerçant sur la bobine dans les différentes directions tel que l'effet net de ces forces sur la longueur de la fibre optique soit sensiblement nul. 2 Ensemble de bobine de fibre optique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le moyen d'ajustement de force com- prend des plaques rigides ( 4, 5) fixées aux extrémités ouvertes de la structure encapsulée creuse afin d'amplifier les forces venant frapper sur les extrémités de la structure bobine/support et d'éliminer la force agissant sur la bobine depuis l'intérieur de la structure d'encapsulage. 3 Ensemble de bobine de fibre optique selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que la structure bobine/support possède une configuration cylindrique. 4 Ensemble de bobine de fibre optique selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que la surface périphérique externe de la bobine possède un matériau de relâchement de pression qui lui est appliqué afin de réduire l'effet de la pression radiale externe sur la bobine ou de réaliser au moins partiellement une égalisation des forces s'exerçant sur la structure bobine/support qui, sinon, produiraient un changement de longueur de la fibre optique. Ensemble de bobine de fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un accéléromètre. 6 Ensemble de bobine de fibre optique selon l'une quel- conque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il fait partie d'un système de détection servant à mesurer un paramètre autre que la pression acoustique ou la pression statique. 7 Bobine de retard ou de référence caractérisée en ce qu'elle est destinée à un ensemble de bobine de fibre optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.