Brevet FR2978547A1 — publié le 20130201

La présente invention concerne un capteur comportant une fibre optique permettant la propagation de la lumière infrarouge à au moins une longueur d'onde infrarouge et générant vers l'extérieur des ondes évanescentes pour détecter des signatures infrarouges d'un milieu extérieur. L'évolution, ces dernières années, des fibres optiques a permis le développement de capteurs utilisés pour mettre en oeuvre une technique de spectrométrie infrarouge particulière dont l'originalité est liée à l'existence d'une onde évanescente qui parcourt la surface extérieure de la fibre quand celle-ci est traversée par un flux de lumière infrarouge. Le principe de ces capteurs est d'émettre une onde infrarouge dans la fibre optique. Cette onde se propage à l'intérieur et le long de la fibre ; lorsqu'un milieu extérieur est mis en contact avec cette fibre, la propagation de l'onde est alors perturbée du fait que certaines longueurs d'onde de l'onde sont absorbées par le milieu extérieur. Il suffit alors de comparer le spectre infrarouge de l'onde émise avec celui de l'onde reçue pour déduire quelles sont les longueurs d'onde qui ont été absorbées et par suite quelles sont les substances qui sont contenues dans le milieu extérieur. Dans l'état de l'art, cette technique est connue sous l'appellation FEWS (Fiber Evanescent Wave Specrometry en anglais). Cette technique présente l'avantage de déporter le signal infrarouge du spectromètre vers le lieu de l'analyse et non l'inverse, permettant, d'une part, des analyses in-situ en temps réel et, d'autre part, évitant de fausser les résultats par prélèvement d'échantillons. La technique FEWS peut être utilisée dans des domaines variés tels que médical ou agro-alimentaire pour analyser des substances chimiques ou biologiques d'un milieu liquide, solide ou gazeux qui est extérieur à la fibre. La Fig. 1 représente un exemple d'un capteur à fibre optique à ondes évanescentes classiquement utilisé pour la mise en oeuvre de la technique FEWS. Le capteur CAP comporte une (voire plusieurs) fibre optique à ondes évanescentes. Par la suite, on considérera que le capteur n'en comporte qu'une seule sans pour autant limiter la portée de la présente invention. La fibre optique comporte deux tronçons Tl et T2 de fibre qui ont pour fonction de guider une onde infrarouge d'un point émetteur à un point récepteur et une partie courbe F qui relie les deux tronçons de fibre Tl et T2. La partie courbe F peut se présenter sous diverses formes. Elle peut, par exemple, être en forme de coude, de méandres, ou encore être en forme d'un quelconque enroulement ayant une ou plusieurs spires. La Fig. 1 montre très schématiquement que la partie courbe F a la forme d'un enroulement comprenant plusieurs spires. Cette partie courbe F peut être désolidarisée des deux tronçons Tl et T2 au niveau d'un connecteur L. La partie courbe F est alors en général montée sur un support pour former une tête du capteur CAP. Ce support comporte une partie du connecteur L qui est adapté pour s'embrocher sur la partie de ce connecteur alors présent sur le capteur CAP. Cette tête du capteur CAP peut alors être facilement remplacée en cas, par exemple d'endommagement de cette partie lors de l'utilisation du capteur CAP. Les deux tronçons de fibre Tl et T2 sont, parfois, logés dans une gaine de protection G tandis que la partie courbe F dépasse au moins partiellement de la gaine de protection G. Cette partie courbe F est alors destinée à venir en contact avec le milieu extérieur pour détecter les signatures infrarouges perturbant la propagation des ondes évanescentes se propageant le long de la fibre. Une fibre optique à ondes évanescentes peut être fabriquée à partir de divers matériaux, habituellement des verres, qui offrent une fenêtre spectrale dans le domaine de l'infrarouge, en particulier dans l'infrarouge moyen qui s'étale approximativement de 40 à 5000 cm-1, ou encore lointain qui s'étale approximativement de 10 à 400 cm-1. Cette fibre optique à ondes évanescentes a un diamètre de quelques centaines voire quelques dizaines de micromètres. Ce diamètre n'est pas forcément constant le long de la fibre et certaines parties de la fibre peuvent présenter un diamètre plus petit, en particulier au niveau de la partie courbe F. Les verres de chalcogénure sont l'un des matériaux utilisés pour fabriquer de telles fibres optiques. L'un des avantages de ces verres, à base notamment de Soufre, de Sélénium et/ou de Tellure, est qu'ils laissent passer la lumière sur une large gamme de longueur d'onde dans l'infrarouge ce qui n'est pas le cas, par exemple, des verres d'oxydes classiques. De plus la nature vitreuse du matériau permet de le mettre en forme pour fabriquer des fibres optiques. Enfin, la nature des liaisons chimiques de ce matériau le rend hydrophobe ce qui est avantageux lors de son utilisation comme capteur dans les milieux riches en eau tels que les échantillons biologiques. Toutefois, les capteurs à fibre optique à ondes évanescentes présentent l'inconvénient d'utiliser une fibre optique en verre d'un diamètre relativement petit. La partie sensible du capteur devant entrer en contact direct avec le milieu étudié, celle-ci doit donc être laissée nue et exposée aux éléments extérieurs. La partie courbe F est donc sujette à se briser de par la relative fragilité du matériau utilisé et du faible diamètre de ces fibres. La solution actuelle est alors de remplacer la partie courbe F en cas d'endommagement ce qui implique un coût d'entretien à longs termes de ces capteurs qui est élevé. Le problème résolu par la présente invention est d'augmenter la robustesse mécanique des capteurs à fibre optique à ondes évanescentes. A cet effet, la présente invention concerne un capteur tel que décrit ci-dessus qui comporte des moyens pour protéger contre des agressions mécaniques extérieures la partie courbe de la fibre, tout en garantissant une zone de contact entre le milieu extérieur et ladite partie courbe de la fibre. Selon un mode de réalisation, le capteur comporte également des moyens pour appliquer une force de ladite partie courbe de la fibre sur le milieu extérieur alors 15 solide au niveau de la zone de contact. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux lorsque le milieu extérieur est solide, tel qu'un tissu humain par exemple, car il permet d'augmenter l'absorption de longueurs d'onde par des substances du flux lumineux circulant dans la fibre, la zone d'ondes évanescentes se situant dans un périmètre de quelques 20 microns à l'extérieur de la fibre. Selon un mode de réalisation, la partie courbe de la fibre comporte une spire et les moyens pour appliquer une force sont un axe glissé dans cette spire. L'enroulement en spire de la partie courbe de la fibre permet d'augmenter la surface de la fibre en contact avec le milieu extérieur. 25 Selon un mode de réalisation, le rayon de courbure de l'axe est de 10% inférieur à celui de la spire et ce rayon de courbure est prévu pour éviter tout cisaillement de la fibre. Ce mode est avantageux car il permet de s'affranchir des problèmes de dilatation différentielle. 30 Selon un mode de réalisation, les moyens pour protéger la partie courbe de la fibre est une chape à axe traversant, ledit axe traversant (A) étant glissé à l'intérieur de la spire. Selon un mode de réalisation, le capteur comporte également des moyens pour assurer un contact de la partie courbe de la fibre avec l'écoulement du milieu extérieur alors liquide. Ce mode est particulièrement avantageux car l'écoulement du milieu extérieur sur la partie courbe de la fibre permet une meilleure imprégnation de la fibre avec les substances de ce milieu comparée à ce qu'elle est habituellement lorsque la fibre est trempée dans ce milieu. Selon un mode de réalisation, la partie courbe de la fibre comporte une spire enroulée autour d'un plot maintenu en position fixe par rapport à l'écoulement du 10 liquide. Selon un mode de réalisation, les moyens pour protéger la partie courbe de la fibre sont deux flasques, l'un de ces flasques comportant un conduit d'écoulement du liquide, l'autre flasque comportant ledit plot et les deux flasques sont maintenus en position l'un par rapport à l'autre de manière à ce que le plot se trouve en face de 15 l'embouchure du conduit d'écoulement. L'invention concerne également un système de spectroscopie infrarouge qui comporte un tel capteur. Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessus, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un exemple de 20 réalisation, ladite description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: La Fig. 1 représente un exemple d'un capteur à fibre optique à ondes évanescentes. La Fig. 2 représente schématiquement un système de spectrométrie déportée 25 utilisant une fibre optique à ondes évanescentes. Les Figs. 3 et 4 représentent un mode de réalisation des moyens pour protéger la partie courbe de la fibre qui est destinée à être en contact avec le milieu extérieur. Les Figs. 5 et 6 représentent un autre mode de réalisation des moyens pour protéger la partie courbe de la fibre qui est destinée à être en contact avec le milieu 30 extérieur. Le système de la Fig. 2 est destiné à mettre en oeuvre une technique FEWS telle que décrite dans la partie introductive. Ce système comporte un capteur CAP comportant une fibre optique à ondes évanescentes tel que décrit en relation avec la Fig. 1. En particulier, ce capteur CAP comporte au moins une fibre optique permettant la propagation de la lumière infrarouge à au moins une longueur d'onde infrarouge et générant vers l'extérieur des ondes évanescentes pour détecter des signatures infrarouges d'un milieu extérieur. La fibre comporte sur sa longueur deux tronçons de fibre Tl et T2 pour le guidage d'une onde infrarouge, et une partie courbe F qui relie les deux tronçons de fibre. Cette partie courbe F est destinée à venir en contact avec le milieu extérieur pour détecter les signatures infrarouges perturbant la propagation des ondes évanescentes se propageant le long de la fibre. A cet effet, la partie courbe F est par exemple plongée dans une éprouvette contenant un échantillon d'un liquide à analyser. Le système comporte également un spectromètre SPEC relié à une première extrémité E 1 de la fibre optique du capteur CAP via un concentrateur pour émettre un signal de longueur d'onde infrarouge. La deuxième extrémité E2 de la fibre optique du capteur CAP est reliée à un détecteur infrarouge DET via un concentrateur pour recevoir le signal infrarouge émis de la première extrémité E 1 à cette deuxième extrémité E2 via les tronçons T 1 et T2 et la partie courbe F. Le détecteur DET est relié à un amplificateur AMP du signal reçu par le détecteur DET. Le signal amplifié est alors envoyé au spectromètre SPEC qui comporte (ou est en relation avec) une unité UT de traitement de signal permettant de comparer le spectre du signal infrarouge reçu sur l'extrémité E2 au spectre du signal infrarouge émis sur l'extrémité El. Cette comparaison permet d'évaluer la perturbation apportée par l'échantillon ou plus généralement par le milieu extérieur sur la partie courbe F du capteur CAP. Selon la présente invention, le capteur CAP est caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour protéger contre des agressions mécaniques extérieures la partie courbe F de la fibre, tout en garantissant une zone de contact Z entre le milieu extérieur et ladite partie courbe F de la fibre. Selon un mode de réalisation illustré aux Figs. 3 et 4, le capteur CAP comporte des moyens pour appliquer une force de ladite partie courbe F sur le milieu extérieur S, alors solide, au niveau de la zone de contact Z. La Fig. 3 représente le principe de ces moyens qui sont ici matérialisés par un axe A. Lorsqu'un opérateur tient en main le capteur et qu'il met la partie courbe F de la fibre en contact sur le milieu extérieur en exerçant une légère force de pression, l'axe A transmet cette force à la partie courbe F de la fibre, représentée ici par une flèche verticale. Cette partie courbe F de la fibre se trouve alors en pression entre l'axe A et le milieu S augmentant ainsi l'absorption de certaines longueurs d'onde du flux circulant dans la fibre par des substances de ce milieu S. Des assemblages mécaniques, autres qu'un axe, peuvent être utilisés sans pour autant sortir de la portée de la présente invention tant que ces moyens permettent de transmettre la force exercée, par un opérateur, à la partie courbe F de la fibre, alors en contact avec le milieu extérieur. Avantageusement, la partie courbe F de la fibre comporte une spire et l'axe A est glissé à l'intérieur de cette spire. De préférence, le rayon Rl de courbure de l'axe A est de 10% inférieur au rayon 10 R2 de la spire et ce rayon Rl de courbure est prévu pour éviter tout cisaillement de la fibre. Selon la Fig. 4, les moyens pour protéger la partie courbe F de la fibre est une chape C à axe traversant A. Cet axe A est glissé à l'intérieur de la spire. La Fig. 4 représente une vue en perspective de ces moyens pour protéger la partie courbe F de la 15 fibre, mais également une vue de face, de côté et de dessus. D'autres formes de chape à axe traversant peuvent bien évidemment être utilisées sans pour autant sortir de la portée de la présente invention. La chape C peut comporter également une partie d'un connecteur L. L'autre partie de ce connecteur étant alors solidaire, par exemple de la gaine G dans laquelle sont logés les tronçons Tl et T2 de la fibre. Ainsi, cette chape C 20 est une tête du capteur CAP qui peut être reliée à la gaine G de manière amovible pour que cette tête de capteur soit remplacée en cas de défaillance. Selon un mode de réalisation illustré aux Figs. 5 et 6, le capteur CAP comporte des moyens pour assurer un contact de la partie courbe F de la fibre avec l'écoulement du milieu extérieur alors liquide. 25 D'une part, la partie courbe F de la fibre comporte une spire enroulée autour d'un plot P maintenu en position fixe par rapport à l'écoulement du liquide. Les moyens pour protéger la partie courbe F de la fibre se matérialisent, selon un mode de réalisation, par deux flasques Cl et C2. Le flasque Cl comporte un conduit d'écoulement CO du liquide (les deux flèches courbes matérialisent cet 30 écoulement), et l'autre flasque C2 comporte le plot P. Les deux flasques sont maintenus en position l'un par rapport à l'autre de manière à ce que le plot P se trouve en face de l'embouchure du conduit d'écoulement CO. La Fig. 6 représente un exemple de réalisation des flasques Cl et C2 mais ces flasques peuvent bien évidemment avoir d'autres formes que celles représentées sur cette Fig. sans pour autant sortir de la portée de la présente invention. Les flasques Cl et C2 peuvent comporter également une partie d'un connecteur 5 L. L'autre partie de ce connecteur étant alors solidaire de la gaine G. Ainsi, ces flasques forment une tête du capteur CAP qui peut être amovible. Les modes de réalisation des moyens pour protéger la partie courbe de la fibre qui est destinée à être en contact avec le milieu extérieur n'ont été donnés ici qu'à titre d'exemple et ne limitent en rien la portée de la présente invention. Toute autre 10 variante de forme de ces moyens peut être envisagée mais également tout autre assemblage mécanique tant que ces assemblages permettent de protéger cette partie courbe de la fibre comme des agressions mécaniques extérieures tout en garantissant une zone de contact entre le milieu extérieur et ladite partie courbe de la fibre. En particulier, lorsque le milieu extérieur est gazeux, ces moyens peuvent se matérialiser 15 par un tube percé de trous débouchant sur cette partie courbe de fibre. REVENDICATIONS1) Capteur comportant une fibre optique permettant la propagation de la lumière infrarouge à au moins une longueur d'onde infrarouge et générant vers l'extérieur des ondes évanescentes pour détecter des signatures infrarouges d'un milieu extérieur, chaque fibre comportant sur sa longueur - deux tronçons de fibre pour le guidage d'une onde infrarouge, et - une partie courbe (F) qui relie les deux tronçons de fibre qui est destinée à venir en contact avec le milieu extérieur pour détecter les signatures infrarouges perturbant la propagation des ondes évanescentes se propageant le long de la fibre, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (C, A, Cl, C2, P) pour protéger contre des agressions mécaniques extérieures la partie courbe (F) de la fibre, tout en garantissant une zone de contact (Z) entre le milieu extérieur et ladite partie courbe (F) de la fibre. 2) Capteur selon la revendication 1, qui comporte également des moyens (A) 15 pour appliquer une force de ladite partie courbe (F) sur le milieu extérieur alors solide au niveau de la zone de contact (Z). 3) Capteur selon la revendication 2, dans lequel la partie courbe (F) de la fibre comporte une spire et les moyens pour appliquer une force sont un axe (A) glissé dans 20 cette spire. 4) Capteur selon la revendication 3, dans lequel le rayon (Rl) de courbure de l'axe (A) est de 10% inférieur à celui (R2) de la spire et ce rayon (Rl) de courbure est prévu pour éviter tout cisaillement de la fibre. 5) Capteur selon la revendication 3, dans lequel les moyens pour protéger la partie courbe de la fibre est une chape (C) à axe traversant (A), ledit axe traversant (A) étant glissé à l'intérieur de la spire. 30 6) Capteur selon la revendication 1, qui comporte également des moyens (CO, P) pour assurer un contact de la partie courbe (F) de la fibre avec l'écoulement du milieu extérieur alors liquide. 25 7) Capteur selon la revendication 6, dans lequel la partie courbe (F) de la fibre comporte une spire enroulée autour d'un plot (P) maintenu en position fixe par rapport à l'écoulement du liquide. 8) Capteur selon la revendication 7, dans lequel les moyens pour protéger la partie courbe (F) de la fibre sont deux flasques (Cl, C2), l'un de ces flasques (Cl) comportant un conduit d'écoulement (CO) du liquide, l'autre flasque (C2) comportant ledit plot (P) et les deux flasques sont maintenus en position l'un par rapport à l'autre de manière à ce que le plot (P) se trouve en face de l'embouchure du conduit d'écoulement (CO). 9) Système de spectrométrie, caractérisé en ce qu'il comporte un capteur selon l'une des revendications 1 à 8.