Brevet FR2683901A1 — publié le 19930521

- Capteur de température à fibre optique La présente invention concerne un capteur de température à fibre optique. Les capteurs les plus courants de ce genre 'sont des capteurs de type extrinsèque o l'élément sensible est distinct de la fibre optique proprement dite Schématiquement, ils comportent deux tronçons de fibre solidarisés par collage par l'intermédiaire d'un matériau polymère dont l'indice optique, proche de l'indice de coeur de la fibre, varie en fonction de la température Ce polymère a l'inconvénient de limiter la température d'utilisation du capteur à 1200 C environ. Par ailleurs, on distingue les capteurs de température de type intrinsèque, o l'élément sensible est la fibre elle-même Dans cette catégorie on connaît un capteur o est mis en oeuvre l'effet Raman dans la fibre; mais un tel capteur délivre un signal trop faible pour être exploité aisément. La présente invention a pour but de réaliser un capteur de température à fibre optique de type intrinsèque présentant une bonne sensibilité, susceptible de délivrer un signal de puissance beaucoup plus importante que le signal émis par les capteurs antérieurs, et pouvant supporter les mêmes conditions d'environnement que les fibres optiques classiques. La présente invention a pour objet un capteur de température à fibre optique comportant une fibre optique associée à un élément sensible à la température et munie d'un miroir en son extrémité, des moyens pour émettre un signal dans ladite fibre et des moyens pour recevoir le signal renvoyé par ledit miroir dans cette fibre, caractérisé par le fait que ledit élément sensible à la température est un tronçon de fibre optique amplificatrice dopée d'une terre rare choisie parmi l'erbium, l'ytterbium, le praséodyme, le thulium, l'holmium, coopérant avec une source de pompe optique, et soudé à ladite fibre optique. L'optimisation de la longueur et de la teneur en terre rare dudit tronçon de fibre amplificatrice permet de régler la sensibilité du capteur. -2- Selon que l'on souhaite réaliser un capteur d'alarme permettant de localiser un point susceptible de subir une variation importante de température, ou un capteur donnant la température moyenne sur une distance déterminée, on choisira la longueur correspondante pour le tronçon de fibre amplificatrice ainsi que la teneur en terre rare la plus appropriée Ladite longueur peut varier par exemple entre 10 cm et 1 Km. Dans le cas d'un tronçon de fibre amplificatrice dopée à l'erbium, le dopage pourra être compris entre 0,1 ppm et 5000 ppm. La matrice vitreuse est alors en silice dopée par des oxydes de germanium et d'aluminium. La longueur d'onde du signal se situe dans le domaine de 1,5 pm à 1,6 mm et la longueur d'onde de pompe se situe dans le domaine de 1,48 Pm ou de 0,98 Fm. Selon un mode de réalisation particulier, ledit miroir est situé à l'extrémité du tronçon de fibre amplificatrice non soudée à ladite fibre. 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. La figure 1 est un schéma très simplifié d'un capteur selon l'invention. La figure 2 est un schéma très simplifié d'un réseau de capteurs selon l'invention. On voit dans la figure 1 une fibre optique classique non dopée, un miroir de renvoi 3 et un dispositif électronique 2 pour émettre un signal dans cette fibre et traiter les signaux réfléchis par le miroir. On interpose sur cette ligne optique un tronçon 10 de fibre optique amplificatrice dopée à l'erbium, soudé à la fibre 1, et associé à une source de pompe à 1,48 Dm, telle qu'une diode non illustrée. Première hypothèse: la puissance de pompe du tronçon 10 est nulle. Si on appelle P(d Bm) la puissance d'un signal émis par le dispositif 2, la puissance Ps du signal détecté est telle que -3- Ps =P B o: > est la mesure (en d B) des pertes dans la fibre 1 sur le trajet aller-retour, B est la mesure (en d B) des pertes dans le tronçon 10 sur le trajet aller-retour. Seconde hypothèse: la puissance de pompe permet l'amplification dans le tronçon 10. On appelle P's la puissance du signal détecté avec la même puissance de signal émis P P' = P -d$ + G o: G est la mesure du gain (en d B) dans le tronçon 10 sur l'ensemble du trajet aller-retour. Le rapport des deux puissances P's et Ps (ou leur différence en log) est telle que P's Ps = G + B. Or G et B dépendent de la température Ainsi, quand la température augmente B et G diminuent ensemble Le traitement de P's Ps permet donc d'atteindre une bonne sensibilité du capteur en température. A titre d'exemple les caractéristiques du tronçon 10 de fibre dopée sont les suivantes: matrice vitreuse: silice codopée par des oxydes de germanium et d'aluminium différence d'indice entre le coeur et la gaine: 28,5 x 10 03 rayon de coeur: 1,34 am longueur: 10 mètres. Pour un signal voisin de 1,53 om, B varie entre 3,6 d B/m à -40 C et 2,8 d B/m à + 2400 C. Pour un signal à 1,533 am et une puissance de pompe d'environ 22 m W dans le domaine de 1,48 am, le gain G net varie entre 29 d B à -600 C et 8 d B à + 2400 C pour une puissance P du signal de l'ordre de -35 d Bm. La structure d'un capteur intrinsèque selon l'invention lui permet de véhiculer des signaux ayant une puissance élevée par rapport aux capteurs existants. La tenue en température du capteur n'est limitée que par la tenue du revêtement des fibres qui le compose; si ce revêtement est du carbone cette température limite peut atteindre 600 C. -4 - Un tel capteur a les dimensions d'une fibre optique et peut supporter les mêmes conditions d'environnement très perturbé que les fibres classiques. Comme cela apparaît dans la figure 2, un capteur selon l'invention permet la réalisation simple d'un réseau de capteurs On en a représenté trois, avec des fibres classiques 21, 31, 41 connectées respectivement à des tronçons de fibre amplificatrice 20, , 40. Ces capteurs sont tous connectés au dispositif électronique 2 d'émission de signal et de réception des données. Les capteurs sont interrogés simultanément, mais les fibres 21, 31, 41 constituent des lignes à retard de façon que les réponses des capteurs soient décalées temporellement. Le traitement des informations peut se faire, à titre d'exemple, suivant le procédé utilisé pour les mesures de rétrodiffusion (OTDR). Dans ce qui précède, le signal reçu est interprété pour mesurer une température locale ou moyenne. Selon un autre mode d'interprétation adapté à un capteur à tronçon de fibre amplificatrice de grande longueur et faiblement dopée, on peut localiser un point subissant une forte variation de température Pour cela on fait l'analyse de la courbe de rétrodiffusion du signal amplifié et on peut détecter les fortes variations d'un gain local dans la fibre amplificatrice, c'est-à-dire les fortes variations d'une température locale. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux capteurs munis d'un tronçon de fibre amplificatrice dopée à l'erbium Toute autre terre rare permettant une telle amplification peut être envisagée. REVENDICATIONS l/ Capteur de température à fibre optique comportant une fibre optique associée à un élément sensible à la température et munie d'un miroir en son extrémité, des moyens pour émettre un signal dans ladite fibre et des moyens pour recevoir le signal renvoyé par ledit miroir dans cette fibre, caractérisé par le fait que ledit élément sensible à la température est un tronçon de fibre optique amplificatrice dopée d'une terre rare choisie parmi l'erbium, l'ytterbium, le praséodyme, le thulium, l'holmium, coopérant avec une source de pompe optique, et soudé à ladite fibre optique. 2/ Capteur de température selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ledit tronçon de fibre amplificatrice est dopée à l'erbium, que la longueur d'onde dudit signal se situe dans le domaine de 1,5 pm à 1,6 gm et que la longueur d'onde de pompe se situe dans le domaine de 1,48 om ou de 0,98 dam. 3/ Capteur de température selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la longueur dudit tronçon de fibre amplificatrice est comprise entre 10 cm et 1 km. 4/ Capteur de température selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la concentration en erbium dans ledit tronçon de fibre amplificatrice est comprise entre 0,1 ppm et 5000 ppm. / Capteur de température selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé par le fait que la matrice vitreuse dudit tronçon de fibre amplificatrice est en silice dopée par des oxydes de germanium et d'aluminium. 6/ Capteur de température selon l'une des revendications précédentes, caractérisé par le fait que ledit miroir est situé à l'extrémité dudit tronçon de fibre amplificatrice non soudée à ladite fibre.