Brevet FR2673284A1 — publié le 19920828

La présente invention concerne un capteur à fibre optique pouvant être utilisé notamment comme jauge de contrainte optique ou comme microphone opto-acoustique. On connaît des capteurs à fibre optique. Dans le cas d'un capteur extrinsèque la fibre optique ne constitue pas ltorgane détecteur de contraintes ou de vibrations mais sert seulement à véhiculer un signal qui est modulé par un organe détecteur fixé à son extrémité. Ces dispositifs sont fragiles, principalement en raison du risque de désaccouplement de la fibre optique et de l'organe de détection, et généralement peu précis. De plus, leur réalisation implique une opération onéreuse de montage du capteur à l'extrémité de la fibre optique avec en outre les problèmes que posent généralement l'existence d'un interface entre deux pièces accolées. On connaît également des capteurs intrinsèques dans lesquels la fibre optique elle-même est utilisée comme organe de détection. Les dispositifs connus à ce jour utilisent dans leur grande majorité une fibre optique monomode qui est beaucoup plus onéreuse qu'une fibre multimodes et d'un emploi très délicat en particulier en ce qui concerne le raccordement à d'autres organes optiques ainsi que le traitement du signal émis. Un but de la présente invention est de proposer un capteur à fibre optique de coût réduit, simple à exploiter, et présentant néanmoins de très bonnes performances. En vue de la réalisation de ce but, on prévoit selon l'invention un capteur à fibre optique comportant une fibre optique multimodes ayant une partie courbée pour former un tronçon de couplage de modes, des moyens pour alimenter une extrémité de la fibre optique en lumière cohérente, des moyens pour recueillir une partie de la lumière transmise en aval du tronçon de couplage des modes par référence à un sens de transmission de la lumière dans la fibre optique, et des moyens de détection de variations de caractéristique de la partie de lumière recueillie. On a en effet observé qu'en courbant la fibre optique selon un rayon qui dépend de la fibre optique employée, on obtient un couplage de certains modes de transmission de la fibre optique c'est-à-dire que des modes qui suivaient des chemins optiques différents se mettent à suivre sensiblement le même chemin optique à l'intérieur de la fibre. Le couplage de modes est sensible aux contraintes qui sont imposées à la fibre optique en aval du tronçon de couplage de sorte que l'analyse de l'évolution des couplages en fonction du temps est représentative de l'évolution de la contrainte sur la partie sensible. Selon une version avantageuse de l'invention, le tronçon de couplage de modes comporte au moins une boucle fermée. On obtient alors un couplage effectif permettant une bonne analyse des contraintes quelle que soit la nature de la fibre. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, les moyens pour recueillir une partie de la lumière transmise comprennent une fenêtre disposée dans un faisceau de lumière issu d'une extrémité de la fibre optique opposée aux moyens pour alimenter la fibre optique en lumière cohérente, la fenêtre ayant une section inférieure au faisceau de lumière. La lumière recueillie est alors représentative du nombre et de la structure des modes en sortie de fibre et qui pénêtrent dans la section de la fenêtre, le nombre et les caractéristiques de ces modes de transmission étant fonction des couplages. Selon un second mode de réalisation de l'invention, les moyens pour recueillir une partie de la lumière transmise comprennent une partie courbée, de préférence selon au moins une boucle fermée, formant un tronçon d'analyse disposé en aval du tronçon de couplage par référence à un sens de transmission de la lumière et ayant une orientation différente de la portion de couplage de modes. L'intensité lumineuse recueillie est alors représentative des modes de transmission ayant une direction de polarisation correspondante à la direction du tronçon d'analyse, l'intensité lumineuse recueillie est donc fonction du nombre de modes de transmission couplés selon cette direction de polarisation. Le dispositif fonctionne alors par repeorage d'un positionnement angulaire des modes. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de deux modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention en référence aux figures ci-jointes parmi lesquelles - la figure 1 est une représentation schématique du premier mode de réalisation de l'invention. - la figure 2 est une représentation schématique du second mode de réalisation de l'invention. En référence à la figure 1, le capteur selon l'invention comporte une fibre optique multimodes 1 dont une partie 2 est formée selon une boucle fermée supportée par une membrane 3 à laquelle elle est fixée, par exemple par collage. La membrane 3 est portée par un cadre 4. La fibre multimodes 1 est une fibre à saut d'indice ou à gradient d'indice. A titre d'exemple, on a utilisé une fibre à saut d'indice ayant une ouverture numérique de 0,4, un indice de coeur de 1,456 et un diamètre de coeur de 200 microns, cette fibre a été formée selon une boucle de couplage 2 ayant un diamètre de 20 mm. A une première extrémité, la fibre optique multimodes est reliée à un organe d'émission de lumière cohérente 5, par exemple une diode luminescente. En aval de la boucle de couplage selon un sens de transmission de la lumière dans la fibre optique 1, le capteur comporte des moyens généralement désignés en 6 pour recueillir une partie de la lumière transmise en aval du tronçon de couplage de modes 2. Dans le mode de réalisation de la figure 1, les moyens pour recueillir une partie de la lumière comprennent une fenêtre 7 réalisée dans une plaque 8 disposée perpendiculairement au faisceau de lumière 9 issu d'une extrémité de la fibre optique opposée à l'organe d'émission de lumière 5. La fenêtre 7 a une section inférieure à la section du faisceau lumineux 9 à l'endroit où la plaque 8 intercepte ce faisceau. En aval de la fenêtre 7, le capteur comporte un organe de détection 10 de la partie de lumière recueillie. Cet organe de détection est par exemple une photodiode. Avec la bouche de couplage de mode qui a été décrite en détail ci-dessus on a ainsi obtenu un capteur de vibrations sensible dans une plage allant de quelques millihertzs jusquà plus de 150 kHz. Dans le mode de réalisation de la figure 2, la boucle de couplage de modes 2 est portée par une première plaque 11 et les moyens 6 pour recueillir une partie de la lumière transmise par la fibre optique 1 comprennent un tronçon d'analyse 12 formé selon une boucle portée par une plaque 13 et ayant une orientation différente du tronçon de couplage de modes 2, c'est-à-dire que les plaques 11 et 13 sont disposées dans des plans formant un angle. En aval du tronçon d'analyse 12, la fibre optique 1 est équipée d'un organe de détection 10 comme précédemment. On remarquera que les contraintes auxquelles la fibre est soumise en aval de la boucle de couplage de modes modifient le couplage entre les différents modes guidés, c'est-à-dire les modes qui restent à l'intérieur de la fibre mais ne modifient pas le nombre total de modes de transmission de sorte que l'intensité lumineuse globale transmise, qui est illustrée sur la figure 1 par les impacts des rayons lumineux transmis sur la plaque 8, reste constante. C'est la répartition de ces modes, et donc la répartition des points d'impact des rayons lumineux sur la plaque 8 dans le cas de la figure 1, qui va varier. Pour avoir une image représentative de cette variation il est donc nécessaire de détecter les variations de lumière recueillie sur une partie du faisceau seulement. A ce propos, on notera qu'il n'est pas nécessaire que la fenêtre 7 soit centrée sur le faisceau 9. On peut au contraire décentrer cette fenêtre en fonction du phénomène que l'on souhaite observer, le couplage entre différents modes pouvant être plus ou moins important en fonction de la longueur de la fibre, de l'angle d'injection de la lumière par rapport à l'axe de la fibre, ainsi que de la configuration géométrique de la déformation à laquelle elle est soumise, et bien entendu, le type de contraintes à laquelle elle est soumise. Dans le mode de réalisation de la figure 2, c'est l'angle de polarisation de la lumière qui est sélectionne. Les modes de transmission qui sont couplés entre eux ont un même angle de polarisation tandis que les autres modes ont un angle de polarisation différent de sorte que les variations d'intensité de la lumière recueillie vont une nouvelle fois être représentatives des variations de couplage des différents modes de transmission et donc des contraintes auxquelles la fibre est soumise en aval du tronçon de couplage de mode 2. Le capteur ainsi obtenu peut servir soit à mesurer des contraintes statiques, la mesure de la contrainte étant alors effectuée par référence à un couplage de base des modes de transmission et étalonnage des variations de couplage en fonction de la contrainte soit pour la mesure de contraintes dynamiques telles que des vibrations, le capteur pouvant alors être utilisé comme microphone. La sensibilité du capteur tant en ce qui concerne les fréquences détectées que l'orientation des contraintes peut être modifiée à volonté en agissant sur la forme du tronçon de couplage de mode, en particulier sur le diamètre de la boucle ou le nombre de tours de boucle dans le cas dsune boucle fermée, ou sur la nature de la fibre. On peut également modifier les performances du capteur en sélectionnant le support du tronçon de couplage de mode, la nature de ce support ayant une influence sur l'impédance acoustique du capteur résultant du contact entre les matériaux, ce contact pouvant introduire une distorsion, une atténuation ou au contraire une amplification du phénomène mesuré. En raison du faible coût des fibres multimodes, l'invention permet de réaliser un capteur particulièrement économique d'autant plus qu'il n'est pas nécessaire que la source de lumière 5 soit très cohérente surtout lorsque la fibre utilisée est très courte. Au sens de l'invention, le terme de lumière cohérente recouvre donc aussi la lumière pseudo cohérente telle qu'obtenue en particulier par des diodes luminescentes. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, bien que les tronçons de couplage de modes illustrés soient formés selon une boucle fermée, on peut réaliser des tronçons de couplage par fixation d'une fibre optique sur une surface rainurée pour réaliser des microondulations. De même, lors de la réalisation d'un capteur industriel, les différents éléments composant le capteur sont de préférence intégrés à un bloc unique contenant tous les composants, le support du tronçon de couplage de modes étant adapté à la contrainte à mesurer.En outre, bien que l inven- tion ait été illustrée avec une détection d'une variation de couplage selon la position de sortie des rayons correspondant à des modes de transmission couplés ou selon une direction de polarisation des modes de transmission, le capteur selon l'invention peut également être utilisé en analysant les variations de fréquence ou de phase de la lumière transmise, les couplages en fréquence ou en phase des modes de transmission étant eux aussi sensibles aux vibrations auxquelles la fibre est soumise. REVENDICATIONS 1. Capteur à fibre optique caractérisé en ce qu'il comporte une fibre optique multimodes (1) ayant une partie courbée pour former un tronçon de couplage de modes (2), des moyens (5) pour alimenter une extrémité de la fibre optique en lumière cohérente, des moyens (6) pour recueillir une partie de la lumière transmise en aval du tronçon de couplage de modes par référence à un sens de transmission de la lumière dans la fibre optique, et des moyens de détection (10) de variations de caractéristique de la partie de lumière recueillie. 2. Capteur à fibre optique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le tronçon de couplage de modes (2) comporte au moins une boucle fermée. 3. Capteur à fibre optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour recueillir une partie de la lumière transmise comprennent une fenêtre (7) disposée dans un faisceau de lumière (9) issu d'une extrémité de la fibre optique opposée au moyen pour alimenter la fibre optique en lumière cohérente, cette fenêtre ayant une section inférieure au faisceau de lumière. 4. Capteur à fibre optique selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens pour recueillir une partie de la lumière transmise comprennent une partie courbée (12) formant un tronçon d'analyse disposé en aval du tronçon de couplage de modes par référence à un sens de transmission de la lumière, ce tronçon d'analyse ayant une orientation différente du tronçon de couplage de modes. 5. Capteur à fibre optique selon la revendication 4 caractérisé en ce que le tronçon d'analyse (12) comporte au moins une boucle fermée.