Brevet FR2683906A1 — publié le 19930521

Capteur d'humidité relative à fibre optique La présente invention concerne un capteur d'humidité relative à fibre optique. On connait un capteur d'humidité incorporant une fibre optique dont la gaine est poreuse et dont l'atténuation varie en fonction de l'humidité relative. Un tel capteur ne donne pas de résultats satisfaisants car il n'est pas réversible. La présente invention a pour but de réaliser un capteur d'humidité relative qui soit réversible, avec tous les avantages des capteurs à base de fibre optique : isolation galvanique entre la source à mesurer et le dispositif de mesure, poids et encombrement réduits, immunité vis-à-vis des perturbations électromagnétiques de l'environnement. La présente invention a pour objet un capteur d'humidité relative à fibre optique, caractérisé par le fait - qu'il comporte deux tronçons de fibre optique ayant un indice de coeur nl et dont les faces d'extrémités en regard sont solidarisées entre elles par une colle polymère, l'une desdites faces ayant une coupe telle que la réflexion sur cette face ne soit pas recouplée dans ladite fibre optique, - que ladite colle polymère est transparente dans la gamme de longueurs d'onde comprises entre 0,4 gm et 1,6 rm, et que son indice n, voisin de nl et compris entre 1,45 et 1,55, varie de manière réversible et reproductible avec l'humidité relative pour une température donnée, - et qu'il est associé à des moyens pour émettre un signal optique dans lesdits tronçons et des moyens pour traiter le signal rétrodiffusé correspondant. Selon un mode de réalisation préférentiel on met en oeuvre le long d'une même fibre de mesure plusieurs capteurs d'humidité relative, autrement dit plusieurs points sensibles correspondant au raccordement selon l'invention de deux tronçons de cette fibre par ledit polymère. Ledit signal optique est de préférence généré par un laser émetteur couplé à la fibre de mesure. Les signaux rétrodiffusés sont traités par les techniques connues de réflectométrie optique appelée également "Optical Time Domain Reflectometry". Le traitement dudit signal doit tenir compte de la valeur de la température dudit capteur. Aussi il est avantageux de coupler un capteur selon l'invention à un second capteur de même type que lui, mais protégé de l'humidité, et qui est alors susceptible d'émettre un signal de rétrodiffusion représentatif uniquement de la température. Ledit polymère peut être un olygoacrylate ayant notamment les caractéristiques suivantes - Viscosité à la température ambiante comprise entre 200 et 6000 mPa.s, - Résistance à la traction comprise entre 5 et 20 N/mm2, - Dureté Shore D comprise entre 60 et 100. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation d'un capteur d'humidité relative selon l'invention. Dans le dessin annexé - La figure 1 montre très schématiquement en coupe l'élément sensible d'un capteur selon l'invention. - La figure 2 montre l'énergie lumineuse E rétrodiffusée par une série de capteurs selon l'invention situés sur une même fibre optique. - La figure 3 montre des courbes de réponse d'un capteur selon l'invention en fonction de l'humidité relative pour diverses températures. - La figure 4 est une vue partielle très schématique d'une fibre de mesure comportant des capteurs selon l'invention associés par deux. - La figure 5 montre une courbe de réponse en fonction de la température d'un capteur selon l'invention protégé vis-à-vis de l'humidité. L'élément sensible d'un capteur d'humidité relative selon l'invention (figure 1) comprend deux tronçons 1 et 2 d'une même fibre dont on a référencé le coeur 3 et la gaine 4. La gaine 4 en silice non dopée présente un diamètre extérieur de 140 Mm et un indice de 1,452 pour une longueur d'onde de 904 nm ; le coeur 3 en silice dopée présente un diamètre de 100 gm et un gradient d'indice avec une valeur maximale de 1,485 pour une longueur d'onde de 904 nm ; l'ouverture numérique de la fibre est de 0,3. Les faces extrêmes 5 et 6 des deux tronçons sont solidarisées par une colle polymère 10 de type olygoacrylate polymérisable sous l'action d'un rayonnement ultraviolet (longueur d'onde comprise entre 320 et 380 nm) ; son indice de réfraction après polymérisation est de 1,505 pour une température de 200C et un taux d'humidité relative de 50 %. Alors que la face 5 est orthogonale à l'axe optique commun aux deux tronçons 1 et 2, la face 6 est inclinée par rapport à cet axe. On munit une même fibre de mesure de plusieurs capteurs du type de celui de la figure 1, et on envoie dans cette fibre une impulsion lumineuse, par exemple issue d'un laser, à la longueur d'onde de 904 nm. Le signal de rétrodiffusion E est schématisé dans la figure 2 en fonction du temps t ; pour une température donnée, l'amplitude des échos Epl, Ep2, Ep est fonction du taux d'humidité relative de chaque capteur. Le temps séparant deux échos correspond au temps de propagation d'aller-retour de l'impulsion réfléchie entre deux capteurs successifs. Les caractéristiques optiques des tronçons de fibre 1 et 2 et de la colle 10 sont telles que la réflexion d'une impulsion lumineuse de largeur 12 nanosecondes sur la face 5 se traduit par un écho dont l'amplitude est égale à dix fois le niveau de rétrodiffusion pour une température de 200C et un taux d'humidité relative de 50 %. Afin d'améliorer la précision on effectue une mesure différentielle et on analyse le signal pour chaque capteur. Comme cela apparat dans la figure 2, la valeur E d correspond à l'amplitude du signal précédant l'apparition d'un écho d'amplitude E p E est le niveau de référence. o La figure 3 montre les variations du taux d'humidité relative (en %) en fonction du rapport R précédemment défini, et ceci pour diverses températures (200C ; 4006 ; 600C ; 700C ; 800C ; 1000C). Ainsi à 800C, une variation de 100 grammes d'eau par kilogramme d'air sec provoque une variation du rapport R de 1,5. Comme il est indispensable de tenir compte de la température du capteur selon l'invention, il est très avantageux de lui associer un capteur de même nature que lui, mais isolé de l'humidité grâce à un enrobage en résine imperméable, comme schématisé dans la figure 4. Chaque point sensible de la fibre de mesure 100 comporte alors - un capteur (20 ou 30) analogue au capteur de la figure 1, muni d'un enrobage (21 ou 31) poreux à l'humidité - un capteur (22 ou 32) analogue au capteur de la figure 1, muni d'un enrobage (23 ou 33) l'isolant complètement de l'humidité, par exemple en résine polyuréthane nO 13 521 vendue par la Société GEC ALSTHOM. La figure 6 représente le rapport R d'un capteur (22, 32) en fonction de la température. La ligne de mesure peut comporter un nombre quelconque de points sensibles 100. Une ligne de mesure "multipoints" selon l'invention peut être utilisée en des lieux perturbés, éloignés du point de centralisation et de traitement des informations. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un moyen équivalent. REVENDICATIONS 1/ Capteur d'humidité relative à fibre optique caractérisé par le fait - qu'il comporte deux tronçons de fibre optique ayant un indice de coeur nl et dont les faces d'extrémités en regard sont solidarisées entre elles par une colle polymère, l'une desdites faces ayant une coupe telle que la réflexion sur cette face ne soit pas recouplée dans ladite fibre optique, - que ladite colle polymère est transparente dans la gamme de longueurs d'onde comprises entre 0,4 Mm et 1,6 Mm, et que son indice n, voisin de nl et compris entre 1,45 et 1,55, varie de manière réversible et reproductible avec l'humidité relative pour une température donnée, - et qu'il est associé à des moyens pour émettre un signal optique dans lesdits tronçons et des moyens pour traiter le signal rétrodiffusé correspondant. 2/ Capteur d'humidité relative selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il est couplé à un second capteur de même type que lui, mais protégé de l'humidité, et susceptible d'émettre un signal de rétrodiffusion représentatif uniquement de la température. 3/ Capteur d'humidité relative selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que ledit polymère est un polymère olygoacrylate polymérisable sous l'action d'un rayonnement ultra-violet. 4/ Capteur d'humidité relative selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit polymère présente les caractéristiques suivantes - Viscosité à la température ambiante comprise entre 200 et 6000 m Pa.s - Résistance à la traction comprise entre 5 et 20 N/mm2 - Dureté Shore D comprise entre 60 et 100.