FR2463917A1 - Physical parameter optical measuring instrument - measures phase shift of fringes from interferometer connected to outputs of two identical optical fibres - Google Patents

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FR2463917A1
FR2463917A1 FR7920835A FR7920835A FR2463917A1 FR 2463917 A1 FR2463917 A1 FR 2463917A1 FR 7920835 A FR7920835 A FR 7920835A FR 7920835 A FR7920835 A FR 7920835A FR 2463917 A1 FR2463917 A1 FR 2463917A1
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    • G01D5/35303Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using a reference fibre, e.g. interferometric devices

Abstract

The measuring instrument uses a laser (1) beam which is filtered (2) and separated (3) to provide two elementary beams (f1,f2) which are introduced via microscope objectives (4,5) to two optical fibres (6,7) of the same length (L). The input ends are located side by side in a parallel position while the remote ends are applied to an interferometer (8) to measure interference fringes as one optical fibre is subjected to a parameter under measurement. The fringes are counted (9) and processed (10) for display (11) of the parameter value. The difference in phase determines the parameter value and the measurement is free from electromagnetic disturbances.

Description

La présente invention concerne un capteur optique pour la mesure de grandeurs physiques telles que forces, pressions, température, etc. The present invention relates to an optical sensor for measuring physical quantities such as forces, pressures, temperature, etc.

On connaît déjà des appareils de mesure optique, tels que des capteurs de rotation, dans lesquels on utilise des réseaux de fibres optiques et un laser émettant un faisceau de lumière cohérente. On détecte les flux lumineux apparaissant à la sortie des réseaux de fibres pour en déduire la valeur de la grandeur physique mesurée. Tel est notamment le cas des interféromètres appliquant l'effet SAGNAC dans lesquels on utilise deux enroulements de fibres entrains en rotation sur eux-memes, ces deux enroulements étant respectivement parcourus en sens inverses par des ondes lumineuses séparées à partir du faisceau émis par le laser et qui sont recombinees à leur sortie pour tomber sur un détecteur commun. Optical measuring devices, such as rotation sensors, in which fiber optic networks and a laser emitting a coherent light beam are already known. The luminous flux appearing at the output of the fiber gratings is detected in order to deduce therefrom the value of the measured physical quantity. This is particularly the case with interferometers applying the SAGNAC effect in which two fiber windings are used to rotate on themselves, these two windings being respectively traversed in opposite directions by separate light waves from the beam emitted by the laser. and which are recombined at their output to fall on a common detector.

Les ddveloppements de la technologie actuelle font clairement apparaître les besoins de capteurs de forces, pressions, tempéra tures,ec offrant une grande précision et insensibles aux perturbations électromagnétiques et thermiques. Developments in current technology clearly reveal the need for force, pressure, temperature and ecc sensors that are highly accurate and insensitive to electromagnetic and thermal disturbances.

La présente invention a pour but de fournir un capteur répondant à ces besoins en tirant parti des propriétés caractéristique6 des guides d'onde alumineuse. It is an object of the present invention to provide a sensor meeting these needs by taking advantage of the characteristic properties of aluminous waveguides.

A cet effet ce capteur optique pour- la mesure de grandeurs physiques telles que forces, pressions, température, est caractérisé en ce qu'il comprend un laser émettant un faisceau de lumière cohérente, des moyens pour séparer ce faisceau en deux faisceaux élémentaires et pour les appliquer aurrentraesde deux guides d'onde lumineuse de meme longueur, l'un au moins de ces guides d'onde lumineu étant susceptible de subir une variation de longueur sous l'influence de la grandeur physique à mesurer, un interféromètre combinant les deux faisceaux élémentaires apparaissant
aux sorties des deux guides d'onde lumineuse et produisant un réseau de
franges fonction du déphasage entre les deux faisceaux de sortie, et des
moyens pour compter les franges formées par suite de la combinaison
des deux faisceaux élémentaires de sortie et pour donner, à partir du
résultat du calcul, une valeur de la grandeur mesurée.
For this purpose, this optical sensor for measuring physical quantities such as forces, pressures, temperature, is characterized in that it comprises a laser emitting a coherent light beam, means for separating this beam into two elementary beams and for applying them aurrentraesde two light waveguides of the same length, at least one of these light waveguides being able to undergo a variation in length under the influence of the physical quantity to be measured, an interferometer combining the two beams elementary appearing
at the outputs of the two light waveguides and producing a network of
fringes function of the phase shift between the two output beams, and
means for counting the fringes formed as a result of the combination
of the two elementary output beams and to give, from the
result of the calculation, a value of the quantity measured.

Suivant une première forme d'exécution de l'invention un seul des guides d'onde lumineuse constituant un guide d'onde de mesure est soumis à l'influence de la grandeur physique à mesurer, l'autre guide d'onde ou guide d'onde de référence n'étant pas soumis à cette influence et ayant donc une longueur invariable. According to a first embodiment of the invention, only one of the light waveguides constituting a measurement waveguide is subject to the influence of the physical quantity to be measured, the other waveguide or waveguide to be measured. the reference wave is not subject to this influence and therefore having an invariable length.

Suivant une variante d'exécution de l'invention les deux guides d'onde sont disposés de telle façon que sous l'influence de la grandeur physique à mesurer ils se déforment de façon opposée. According to an alternative embodiment of the invention, the two waveguides are arranged in such a way that, under the influence of the physical quantity to be measured, they deform in an opposite manner.

Les guides d'onde lumineu. du capteur suivant l'invention peuvent être constitués par des réseaux de fibres optiques monanode. Les réseaux de fibres sont disposés de façon que l'allongement dans une direction du réseau se caractérise par le maximum d'allongement des fibres elles -memes. Le réseau de fibres peut etre constitué par un enroulement helicotdal, un nappage en lacet ou encore par une fibre simple. Light waveguides. of the sensor according to the invention may consist of monofilament optical fiber networks. The fiber gratings are arranged so that the elongation in one direction of the grating is characterized by the maximum elongation of the fibers themselves. The fiber network can be constituted by a spiral winding, a yarn topping or by a single fiber.

Suivant une variant d'exécution les guides d'onde lumineuse peuvent etre constitués par des couches conductrices de lumières formées sur ou dans un substrat, en utilisant les techniques de l'optique intégrée. According to a variant embodiment, the light waveguides may consist of light-conducting layers formed on or in a substrate, using the techniques of integrated optics.

On décrira ci-après, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention en référence au dessin annexé qui est un schéma synoptique d'un capteur optique à guides d'onde lumineux suivant l'invention.  One embodiment of the present invention will be described hereinafter by way of non-limiting example with reference to the appended drawing which is a block diagram of an optical waveguide sensor according to the invention.

Le capteur optique représenté schématiquement sur le dessin comprend un laser 1 émettant un faisceau de lumière cohérente. The optical sensor shown schematically in the drawing comprises a laser 1 emitting a coherent light beam.

Ce laser peut etre par exemple du type hélium-néon, la longueur d'onde du faisceau émis étant = 0, 633 micron. Le faisceau de lumière cohérente émis par le laser 1 est appliqué à un filtre 2 puis à un séparateur de faisceaux 3 qui divise le faisceau incident en deux faisceaux élémentaires f1 et f2
Les faisceaux élémentaires fl et f2 sont respectivement introduits, par l'intermédiaire d'objectifs de microscopes 4 et 5, dans deux réseaux de fibres optiques 6 et 7 de meme longueur L. Cette longueur peut etre de 1, 5 mètre avec une précision de l'ordre du centimètre.Les extrémités d'entrées respectives 6a et 7a des deux réseaux de fibres sont placées cote à côte en parallèle, en étant séparées d'une distance égale au diamètre D du réseau de fibres (ce diamètre peut aller de 2 à 5 microns).
This laser may for example be of the helium-neon type, the wavelength of the beam emitted being = 0.633 micron. The coherent light beam emitted by the laser 1 is applied to a filter 2 and then to a beam splitter 3 which divides the incident beam into two elementary beams f1 and f2
The elementary beams f 1 and f 2 are respectively introduced, by means of microscope objectives 4 and 5, into two fiber optic networks 6 and 7 of the same length L. This length can be 1.5 meters with a precision of centimeter.The respective inlet ends 6a and 7a of the two fiber networks are placed side by side in parallel, being separated by a distance equal to the diameter D of the fiber network (this diameter can range from 2 at 5 microns).

Les deux faisceaux élémentaires issus des extrémités de sortie 6b, 7b des réseaux de fibres optiques 6, 7 sont appliqués à un dispositif interféromètrique 8 de tout type connu, dans lequel ils sont superposés. Ce dispositif produit des franges d'interférence qui sont comptées par un dispositif de comptage 9 auquel est relié un dispositif de traitement de donnés 10. Un dispositif d'affichage 1 1 donne le résultat du comptage
Dans une première forme d'exécution de l'invention un des réseaux de fibres 6 est soumis à l'influence d'une grandeur physique à mesurer telle qu'une force, une pression, une température etc. L'autre réseau de fibres optiques 7 n'est pas soumis à cette influence et constitue un réseau de références.
The two elementary beams coming from the output ends 6b, 7b of the optical fiber networks 6, 7 are applied to an interferometric device 8 of any known type, in which they are superimposed. This device produces interference fringes which are counted by a counting device 9 to which is connected a data processing device 10. A display device 1 1 gives the result of the counting
In a first embodiment of the invention, one of the fiber networks 6 is subjected to the influence of a physical quantity to be measured such as a force, a pressure, a temperature, etc. The other optical fiber network 7 is not subject to this influence and constitutes a reference network.

Sous l'effet de la variation de la grandeur physique à mesurer, la longueur L du réseau de fibres optiques de mesure 6 varie, alors que celle du réseau de référence 7 demeure invariable. As a result of the variation of the physical quantity to be measured, the length L of the measurement optical fiber network 6 varies, while that of the reference network 7 remains invariable.

La phase de la lumière, après avoir par couru la distance
L, estf =|3L,{6étant la constante de propagation de mode. Si le réseau de fibres subit, sous l'influence de la grandeur physique à mesurer, un étire ment en direction axiale d'une valeur ,6, la phase de la lumière varie d'une valeur

Figure img00030001
The phase of the light, after having run the distance
L, estf = | 3L, {6 being the mode propagation constant. If the fiber network undergoes, under the influence of the physical quantity to be measured, an axial stretching of a value, 6, the phase of the light varies by one value.
Figure img00030001

Un changement de phase de entre les faisceaux élémentaires f1 et f2 traversant les deux réseaux de fibres 6 et 7 entraîne le défilement d'une frange qui est totalisée par le compteur 9.A phase change of between the elementary beams f1 and f2 crossing the two fiber networks 6 and 7 causes the scrolling of a fringe which is totalized by the counter 9.

Le premier terme de ltéquation (1) représente un change ment physique de longueur provoqué par la contrainte et peut s'écrire simplement

Figure img00030002
The first term of equation (1) represents a physical change of length caused by the constraint and can be written simply
Figure img00030002

Le second terme représente le changement de phase provenant du changement de la constante de propagation . Ce changement peut avoir deux provenances à savoir le changement de l'indice n du composant de la fibre dû à la contrainte ou bien un changement de la dispersion de mode causé par un changement du diamètre D de la fibre produit par la contrainte.On a en effet

Figure img00030003
The second term represents the phase change resulting from the change in the propagation constant. This change may have two origins namely the change of the fiber component n index due to stress or a change in the mode dispersion caused by a change in the diameter D of the fiber produced by the stress. indeed
Figure img00030003

te calcul montre que le changement de phase (p par unité de contrainte E et par unité de longueur L de la fibre est donné par l'expres- sion simplifiée

Figure img00030004

dans laquelle sr est la constante de Poisson pour le matériau de la fibre et P11 et P12 sont les valeurs numériques du tenseur "contrainte optique" Pij dans le cas d'un milieu homogène et isotropique.The calculation shows that the phase change (p per unit stress E and per unit length L of the fiber is given by the simplified expression
Figure img00030004

in which sr is the Poisson constant for the fiber material and P11 and P12 are the numerical values of the "optical stress" tensor Pij in the case of a homogeneous and isotropic medium.

Pour les verres type n = 1,5, = 0,25 et p11 #p12#0,3.  For glasses type n = 1.5, = 0.25 and p11 # p12 # 0.3.

On voit d'après l'expression qui précède que l'on peut déterminer la valeur
# à partir du changement de phase
Le calcul montre également que le changement de phase
par unité de pression P et unité de longueur est donné sensiblement

Figure img00040001
We can see from the expression above that we can determine the value
# from the phase change
The calculation also shows that the phase change
per unit pressure P and unit length is given substantially
Figure img00040001

<tb> par <SEP> l'équation
<tb> <SEP> ~~~~ <SEP> I'équation <SEP> QCp,,7. <SEP> a)
<tb> dans laquelle E est le module de Young.
<tb> by <SEP> the equation
<tb><SEP> ~~~~ <SEP> the equation <SEP> QCp ,, 7. <SEP> a)
<tb> where E is the Young's modulus.

Une variation de pression isotropique P appliquée au réseau de fibres 6 se traduit par conséquent par un changement de phase a déterminé par l'équation ci-dessus. An isotropic pressure variation P applied to the fiber network 6 therefore results in a phase change a determined by the equation above.

Une variation #T de température du réseau de fibres 6 entraîne également une modification de phase du faisceau lumineux fl l'ayant traversé, d'une valeurs . Ce changement de phase est dû à deux effets à savoir d'une part un changement de longueur du réseau de fibres 6 da à l'expansion thermique (positive ou négative) et d'autre part un changement d'indice induit par la température. On peut donc écrire,puisque

Figure img00040002
A temperature variation #T of the fiber network 6 also causes a phase change of the light beam fl through which it passes, by a value. This phase change is due to two effects namely on the one hand a change in the length of the fiber network 6 da to the thermal expansion (positive or negative) and on the other hand a change of index induced by the temperature. So we can write, since
Figure img00040002

Dans le cas d'un laser du type hélium-néon et de fibres en silicate (# = 0, 633 micron et n = 1, 456) on obtient

Figure img00040003

= 107 rad/ C m
Autrement dit on obtient un déplacement de 17 franges par degré et par mètre de fibres.In the case of a helium-neon laser and silicate fibers (# = 0, 633 micron and n = 1.456) we obtain
Figure img00040003

= 107 rad / C m
In other words, we obtain a displacement of 17 fringes per degree and per meter of fibers.

La valeur du coefficient d'expansion thermique et de la relation entre l'indice et la température peut varier fortement pour des verres à plusieurs composants.  The value of the coefficient of thermal expansion and the relationship between index and temperature can vary greatly for multicomponent glasses.

Claims (5)

REVENDICATIONS 1. Capteur optique pour la mesure de grandeurs physiques telles que1. Optical sensor for measuring physical quantities such as forces, pressions, température, caractérisé en ce qu'il comprend un forces, pressures, temperature, characterized in that it comprises a laser (1) émettant un faisceau de lumière cohérente, des moyens (3) laser (1) emitting a coherent light beam, means (3) pour séparer ce faisceau en deux faisceaux élémentaires et pour les to separate this beam into two elementary beams and for appliquer aux entrées de deux guides d'onde lumineuse( 6, 7,) de meme  apply to the inputs of two light waveguides (6, 7,) of the same longueur, l'un au moins( 6)de ces guides d'onde lumineuse étant suseep length, at least one (6) of these light waveguides being suseep tible de subir une variation de longueur sous l'influence de la grandeur tible to undergo a variation in length under the influence of physique à mesurer, un interféromètre(8) combinant les deux faisceaux to measure, an interferometer (8) combining the two beams élémentaires apparaissant aux sorties des deux guides d'onde luminetise  elements appearing at the outputs of the two luminous waveguides et produisant un réseau de franges fonction du déphasage entre les deux and producing a network of fringes function of the phase difference between the two faisceaux de sortie, et des moyens(9, 10)pour compter les franges output beams, and means (9, 10) for counting the fringes formées par suite de la combinaison des deux faisceaux élémentaires formed as a result of the combination of the two elemental beams de sortie et pour donner, à partir du résultat du calcul, une valeur de of output and to give, from the result of the calculation, a value of la grandeur mesurée. the measured quantity. 2. Capteur optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'un seulOptical sensor according to Claim 1, characterized in that only one des guides d'onde lumineuse(6), constituant un guide d'onde de mesure, light waveguides (6) constituting a measurement waveguide, est soumis à l'influence de la grandeur physique à mesurer, l'autre is influenced by the physical quantity to be measured, the other guide d'onde de référence(7)n'étant pas soumis à cette influence et ayant reference waveguide (7) not being subject to this influence and having une longueur invariable. an invariable length. 3. Capteur optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que lesOptical sensor according to Claim 1, characterized in that the deux guides d'onde(6, 7) sont disposés de telle façon que sous l'influence  two waveguides (6, 7) are arranged in such a way that under the influence de la grandeur physique à mesurer, ils se déforment de façon opposée. of the physical magnitude to be measured, they deform in an opposite way. 4. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3Optical sensor according to one of Claims 1 to 3 caractérisé en ce que les guides d'onde lumineuse sont constitués par characterized in that the light waveguides are constituted by des réseaux de fibres optiques monomode, le ou les guides d'onde de single-mode optical fiber networks, the waveguide (s) of mesure étant disposés de façon que l'allongement dans une direction du measurement being arranged so that the elongation in one direction of the réseau se caractérise par le maximum d'allongement des fibres. network is characterized by the maximum elongation of the fibers. 5. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3Optical sensor according to one of Claims 1 to 3 caractérisé en ce que les guides d'onde lumineuse sont constitués par characterized in that the light waveguides are constituted by des couches conductrices de lumière formées sur ou dans un substrat, light-conducting layers formed on or in a substrate, en utilisant les techniques de l'optique intégrée.  using the techniques of integrated optics.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9255876B2 (en) 2012-03-30 2016-02-09 Carl Zeiss Sms Gmbh Temperature sensor and method for measuring a temperature change

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