FR2593913A1 - Capteur de pression a fibre optique et appareil de detection le comportant - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un capteur de pression à fibre optique. Elle se rapporte à un capteur de pression ayant une fibre optique comprenant une âme 11 et une gaine 13. Selon l'invention, la fibre est revêtue d'abord d'une couche dure 15 donnant des pertes optiques importantes, puis d'une couche souple 17 contenant des particules dures qui y sont dispersées, par exemple de fines particules de sable. Lorsqu'une force est appliquée latéralement, la fibre optique subit des microflexions et présente alors des pertes. La quantité de lumière sortant de la fibre est représentative de la pression appliquée. Application à la mesure des pressions. (CF DESSIN DANS BOPI)
Description
La présente invention concerne un capteur de pres-
sion comportant une fibre optique constituant l'élément
de détection, qui est très sensible à une pression appli-
quée latéralement, ainsi qu'un appareil de détection com-
portant une telle fibre.
On sait qu'un capteur manosensible peut être réali-
sé à l'aide d'une fibre optique qui est sensible A de très faibles flexions, couramment appelées "microflexions", appliquées à la fibre. Plus précisément, ces microflexions réagissent, à la suite d'une pression appliquée latéralement à la totalité ou à une partie de la fibre optique, par couplage de la totalité pratiquement de la lumière qui se propage dans la fibre optique d'un mode particulier qui se propage (dans l'âme) à un mode qui ne se propage pas (gaine). Un capteur acousto-optique qui met en oeuvre ce principe est décrit par exemple dans les articles de N. Lagakos et al., "Multimode Optical Fiber Displacement Sensor", Applied Optics, Vol. 20, n 2, 15 janvier 1981, pages 167-168 et surtout page 167; et de Hecht et al.,
"Fiber Optics Turns To Sensing", High Technology, juillet-
août 1982, pages 49-56, et surtout pages 51 et 53.
Une telle fibre optique comporte habituellement une âme centrale optiquement transparente, une couche formant une gaine optique, entourant concentriquement l'âme et ayant un indice de réfraction inférieur à l'âme, et éventuellement une couche optiquement opaque de revêtement entourant concentriquement la couche de gainage et ayant
un indice de réfraction supérieur à celui de cette der-
nière couche. Lorsqu'une microflexion est appliquée à la fibre, une partie de la lumière qui se propage dans l'âme centrale au voisinage de chaque microcourbure due à une microflexion est dirigée dans la couche de la gaine. Comme la couche de revêtement a un indice de réfraction supérieur à celui de la gaine, la lumière couplée est dirigée hors de la couche formant la gaine et est finalement absorbée par le revêtement opaque. Ceci réduit alors l'intensité de la lumière se propageant sur toute la longueur de la fibre optique. En conséquence, l'amplitude d'une pression appliquée latéralement peut être facilement détectée par simple contrôle de l'amplitude (ou puissance) de la lumière
sortant de l'âme de -la fibre optique.
Malheureusement, les capteurs manosensibles à fibre optique existant actuellement ont une sensibilité beaucoup trop faible à une pression appliquée latéralement. Ceci est dû au fait que presque toutes les fibres optiques sont destinées à des applications des communications qui est
la principale application des fibres optiques, et les carac-
téristiques de réalisation d'une fibre optique convenant à une transmission de signaux optiques avec de faibles
pertes (communications) sont en général opposées aux carac-
téristiques convenant à un capteur de pression. Ces der-
nières caractéristiques qui sont toutes destinées à être intentionnellement évitées, réduites au minimum ou limitées lors de la réalisation d'une fibre pour communication, comportent des pertes importantes aux microcourbures, un diamètre d'âme important par rapport à l'épaisseur de la couche de gainage, une faible ouverture numérique de la fibre, c'est-à-dire une différence relativement faible d'indice de réfraction entre l'âme et la couche de gainage,
et un revêtement opaque dur (ne se déformant pas).
Etant donné que très peu de fibres optiques du
commerce si même il en existe sont destinées à des appli-
cations autres que les communications, les spécialistes
ont recherché des solutions visant à augmenter la sensi-
bilité relativement faible des fibres pour communications
à une pression appliquée latéralement. Ces solutions com-
prennent toutes plus ou moins l'incorporation de la fibre dans un dispositif externe qui déforme physiquement la fibre et provoque un nombre important de microflexions lorsqu'une pression est appliquée latéralement. Par exemple, on peut citer l'appareil décrit dans l'article précité de Lagakos et dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique
n 4 342 907. Malheureusement, l'utilisation de ces dispo-
sitifs extérieurs introduit plusieurs inconvénients qui sont notamment l'augmentation de l'encombrement, du coût et de la complexité mécanique, dans un capteur manosensible
à fibre optique.
L'invention concerne un capteur de pression à fibre optique qui présente avantageusement une sensibilité élevée
aux pressions appliquées latéralement au capteur.
Elle concerne aussi un capteur ayant des pertes
très élevées en présence de microflexions, lorsqu'une pres-
sion est appliquée latéralement en un point quelconque
de sa longueur.
Elle concerne aussi un tel capteur qui ne nécessite pas d'organe externe de déformation pour la réalisation
des microcourbures.
Plus précisément, l'invention concerne un capteur ayant deux couches de revêtement gainant concentriquement une fibre transparente optiquement et orientées coaxialement par rapport à cette fibre, la première couche de revêtement étant formée d'un matériau dur ayant des pertes optiques et la seconde couche de revêtement, recouvrant la première, est formée d'un matériau souple contenant une dispersion de particules granulaires. La fibre optique est formée d'une âme centrale transparente présentant de faibles pertes
et d'au moins une couche de gainage optique.
Lors de l'utilisation, la couche souple de revête-
ment, grâce aux particules qu'elle contient, répartit la pression appliquée latéralement au capteur sur une longueur prédéterminée de la fibre et donne un nombre important de microflexions lorsqu'une pression est appliquée. Ces
microflexions couplent avantageusement une quantité impor-
tante de lumière d'un mode qui se propage (dans l'âme) à un mode qui ne se propage pas (dans la gaine). Lorsque la lumière est couplée à la couche de gainage, cette couche transmet la lumière à la couche de revêtement ayant des pertes qui absorbe à son tour cette lumière. En conséquence, la puissance (amplitude) de la lumière sortant du capteur diminue de manière importante. Etant donné qu'un nombre
important de microflexions est créé par une pression appli-
quée latéralement, le capteur de pression à fibre optique
selon l'invention possède une sensibilité élevée.
D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-
tion seront mieux compris à la lecture de la description
qui suit d'exemples de réalisation et en se référant aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale d'une partie
d'un capteur 10 de pression à fibre optique selon l'inven-
tion; la figure 2 est une coupe agrandie du capteur de pression à fibre optique suivant la ligne 2-2 de la figure 1;
la figure 3 est une coupe longitudinale très agran-
die de la partie du capteur à fibre optique de la figure I qui se trouve au voisinage de la microflexion; et
la figure 4 est un diagramme synoptique représen-
tant un détecteur d'intrusion comprenant le capteur de
pression à fibre optique des figures 1 à 3.
Sur les diverses figures, les références identiques
désignent des éléments analogues.
La coupe longitudinale de la figure 1 et la coupe axiale de la figure 2, suivant la ligne 2-2 de la figure 1, représentent un mode de réalisation préféré de capteur
de pression à fibre optique réalisé selon l'invention.
Plus précisément, le capteur 10 de pression à fibre optique comporte une fibre optique ayant une âme centrale 11 transparente optiquement et une couche 13 de gainage optique appliquée coaxialement à l'âme centrale et orientée concentriquement à celle-ci. L'âme et la gaine sont de préférence formées de verre. Les indices de réfraction de l'âme 11 et de la couche 13 de gainage sont choisis convenablement de manière que la lumière qui se propage dans l'âme en l'absence de microflexions et parvient à la limite 12 formée entre l'âme 11 et la gaine 13, est réfléchie vers l'intérieur, dans l'âme. En conséquence, en l'absence de microflexions de l'âme, toute la lumière pratiquement qui pénètre dans l'âme se propage sur toute la longueur de la fibre optique et, si l'on néglige les pertes normales par atténuation, la lumière sort de la
fibre ensuite.
On sait que les pertes dues aux microflexions ou aux microcourbures augmentent lorsque la fibre optique est obligée de se conformer à une irrégularité physique croissante (rugosité de surface) imposée à sa surface externe. En outre, ces pertes sont proportionnelles à la fois au rayon et à la rigidité à la flexion de la fibre, et elles sont inversement proportionnelles à la différence entre les indices de réfraction de l'âme et de la gaine formant la fibre optique. On peut par exemple consulter les équations générales 28 et 29 de la page 252 de l'ouvrage de D. Gloge, "Optical-Fiber Packaging and Its Influence on Fiber Straightness and Loss", The Bell System Technical Journal, vol. 54, n 2, février 1975, pages 245-262. La validité de ces équations a été confirmée expérimentalement par W.B. Gardner dans "Microbending Loss in Optical Fibers", The Bell System Technical Journal, vol. 54, n 2, février
1975, pages 457-465.
On s'est rendu compte selon l'invention qu'un cap-
teur de pression à fibre optique efficace et très sensible pouvait être fabriqué par utilisation d'une fibre destinée à accentuer, au lieu de réduire au minimum, les pertes par les microflexions, des irrégularités superficielles étant imposées non par un dispositif de déformation externe mais
par une couche séparée de revêtement contenant une disper-
sion d'un matériau particulaire, cette couche étant placée
concentriquement à la fibre optique et étant orientée coa-
xialement à celle-ci.
Lors de la fabrication d'un tel capteur, deux cou-
ches supplémentaires de revêtement telles qu'indiquées sur les figures 1 et 2, sont disposées concentriquement
à la fibre optique et sont orientées coaxialement par rap-
port à celle-ci. La première couche de revêtement, c'est-
à-dire la couche 15, est formée d'une matière dure présen-
tant des pertes optiques, ayant de préférence un indice de réfraction supérieur à celui de la couche formant la gaine, et elle est disposée sur la couche 13 formant la gaine par des techniques bien connues. Une seconde couche
de revêtement, c'est-à-dire la couche 17, est formée con-
centriquement à la couche 15 par des techniques connues. Sous l'action d'une pression appliquée latéralement, la couche 17 de revêtement crée à la fois des irrégularités
importantes de la surface externe de la couche 15 de revê-
tement et un nombre important de microflexions de la fibre
optique. La couche 17 de revêtement est formée d'un maté-
riau très souple, dans lequel un grand nombre de fines
particules granulaires dures ont été réparties uniformément.
Des exemples de telles particules sont du sable fin, de
l'émeri ou une matière particulaire dure analogue.
Grâce à cette structure selon l'invention, les
pertes dues à des microflexions sont accentuées par sélec-
tion d'une fibre optique ayant un diamètre externe relati-
vement petit mais une âme centrale 11 bien plus épaisse que la gaine 13, par utilisation d'un matériau présentant des pertes optiques pour la couche 15 de revêtement, ayant une rigidité élevée à la flexion (un module d'Young élevé), par utilisation de matériaux optiques convenables pour
l'âme 11 et la gaine 13 d'une manière telle que la diffé-
rence entre les indices de réfraction est très faible (donnant une faible ouverture numérique à la fibre), et par sélection d'un matériau très souple pour la couche
17 de revêtement. La couche 15 de revêtement est de préfé-
rence formée d'un polyacrylate ou d'un polyimide ayant un module élastique élevé, ou en un matériau analogue, et la couche 17 de revêtement est formée d'un caoutchouc
(par exemple un caoutchouc de silicone du type RTV, fabri-
qué par General Electric) ou un polyacrylate ayant un faible
module d'élasticité ou un matériau analogue.
Le fonctionnement du capteur de pression à fibre optique selon l'invention est maintenant illustré dans deux exemples décrits en référence à la figure 3, l'absence d'une pression appliquée latéralement, et la présence d'une telle pression qui provoque l'application d'une force F
au capteur 10. D'abord, lorsqu'aucune pression n'est appli-
quée latéralement au capteur, par exemple dans le tronçon 21, la matière particulaire, contenant des particules 31, 32, 33 et 34 notamment, dispersées dans le tronçon de couche souple 17, reste uniformément dispersée si bien que les
particules ne sont pas comprimées les unes contre les autres.
En conséquence, aucune particule de ce tronçon n'exerce de force contre d'autres particules et aucune particule de ce tronçon telle que la particule 35 n'applique une
force à la surface externe de la couche dure 15 de revê-
tement qui présente des pertes. Ainsi, aucune irrégularité de surface n'est créée dans le tronçon 21 de fibre optique
et des microflexions n'apparaissent pas le long de ce tron-
çon dans la fibre optique. En conséquence,tout rayon lumi-
rneux tel que le rayon 2 qui, dans le tronçon 21, vient frapper la limite 12 entre l'âme 11 et la gaine 13 est
simplement réfléchi dans l'âme et se propage dans ce tron-
çon de la fibre. Lorsqu'aucune microflexion n'existe dans le reste de la fibre optique le rayon 2 se propage dans le reste de la fibre puis sort à l'extrémité du capteur
de pression.
Au contraire, lorsqu'une force localisée F est appliquée latéralement à la surface du tronçon 27 de la
couche souple 17 de revêtement, cette force provoque ini-
tialement une déformation (compression) de cette couche et déplace les particules de ce tronçon de couche souple afin qu'elles se rapprochent. La réponse de la couche souple à une déformation initiale est déterminée directement par
la relation contrainte-déformation du matériau souple.
Lorsque l'amplitude de cette force continue à croître, les particules continuent à se rapprocher jusqu'à ce que
le matériau souple intermédiaire soit comprimé à sa limite.
A ce moment, la réponse du matériau à l'augmentation de
la déformation est déterminée essentiellement par la rela-
tion contrainte-déformation de la matière particulaire e]lle-même. Lorsque la force et la déformation augmentent, diverses particules telles que les particules 41, 42 et 43, sont repoussées contre la face externe de la couche dure 15 et créent alors une microflexion dans la fibre dans le tronçon 27. Du fait de cette microflexion, des rayons lumineux tels que 4, 6 et 8 qui viennent frapper la limite 12 le long de la microflexion, entre l'âme 11 et la gaine 13, sont renvoyés dans la couche formant la gaine par réfraction. Ensuite, ces rayons se déplacent dans la gaine et viennent frapper la couche 15 de revêtement
qui crée des pertes et absorbe donc ces rayons. En consé-
quence, ceux-ci ne se propagent plus le long de la fibre optique si bien que l'amplitude (ou la puissance) de la lumière sortant de la fibre optique diminue. Lorsque la
pression appliquée latéralement augmente et/ou est appli-
quée sur un plus grand tronçon du capteur, un plus grand nombre de microflexions existe dans la fibre optique si bien que l'amplitude (et la puissance) de la lumière sortant
du capteur diminue encore.
La pression minimale appliquée latéralement néces-
saire à la création d'une microflexion et qui provoque une réduction de l'amplitude de la lumière qui sort peut être avantageusement réglée pendant la fabrication du capteur par sélection convenable du nombre et de la taille des particules à disperser uniformément dans la couche souple 17. Manifestement lorsque le nombre de particules
augmente, la pression minimale diminue.
Comme l'indique la figure 4, l'amplitude (ou la puissance) de la lumière créée initialement et injectée
à une première extrémité de la fibre optique par un photo-
émetteur 40 et qui sort ensuite du capteur, est détectée à l'extrémité de sortie de la fibre par un circuit bien
connu de détection (non représenté), tel que des photo-
détecteurs à semi-conducteur et des amplificateurs associés, tous contenus dans le détecteur 30. Le circuit constituant l'émetteur 20 est de type classique et la longueur d'onde de la lumière émise est déterminée essentiellement par les caractéristiques de transmission optique de la fibre optique. Cette lumière n'est pas obligatoirement comprise dans le spectre visible, mais elle peut sortir de ce spectre, par exemple vers l'infrarouge le cas échéant. Le circuit réel utilisé dans le photodetecteur 30 dépend aussi de l'application particulière du capteur de pression à fibre
optique. Ainsi, lorsque le capteur est utilisé dans l'exem-
ple indiqué sur la figure 4, comme capteur d'intrusion, le détecteur doit être sensible à des variations rapides
et brutales (par exemple une diminution rapide) de l'ampli-
tude (ou de la puissance) de la lumière détectée et, en conséquence, il doit transmettre un signal convenable,
par un fil 35, afin qu'une alarme telle que 40 soit déclen-
chée. Evidemment, les hommes du métier peuvent noter que la sensibilité du capteur de pression à fibre optique à une pression exercée latéralement peut être modifiée par modification de la dimension des particules et de leur
dispersion dans la couche souple de revêtement. Plus préci-
sément, lorsqu'un même nombre de particules par unité de volume est dispersé uniformément dans la couche souple
de revêtement, la sensibilité peut être accrue par utilisa-
tion de particules de plus grosses dimensions. De même,
la sensibilité peut être réduite par utilisation de parti-
cules de plus grande dimension. De même, la sensibilité peut être accrue par utilisation de particules de plus petite dimension. Dans une variante, pour une dimension donnée de particules, la sensibilité peut être accrue ou réduite lorsque la densité des particules dispersées est accrue ou réduite respectivement. Toute combinaison de ces effets peut être utilisée évidemment pour le réglage de la sensibilité à la valeur voulue. En outre, les régions localisées de sensibilité élevée ou faible peuvent être réalisées par augmentation ou réduction de la dimension
des particules et/ou de la densité des particules disper-
sées dans chacune de ces régions.
Claims (13)
1. Capteur de pression à fibre optique, caractérisé en ce qu'il comprend une fibre transparente optiquement (11,13), une couche (15) d'un matériau dur présentant des
pertes optiques, disposée concentriquement à la fibre opti-
que et orientée coaxialement à celle-ci, et une couche souple (17) ayant une dispersion de particules granulaires et disposée concentriquement à la couche dure présentant des pertes avec une orientation
coaxiale à la fibre optique.
2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche (15) présentant des pertes optiques est formée d'un matériau qui est nettement plus dur que
celui de la couche souple (17).
3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé
en ce que les particules sont formées d'une matière parti-
culaire dure relativement fine.
4. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules granulaires sont uniformément
dispersées dans la couche souple (17).
5. Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la matière particulaire est formée de sable fin
ou d'émeri.
6. Capteur selon la revendication 3, caractérisé
en ce que la fibre optique comporte une âme (11) transpa-
rente optiquement et au moins une couche (13) formant une
gaine, entourant concentriquement l'âme et orientée coaxia-
lement par rapport à celle-ci, la gaine ayant un indice
de réfraction différent de celui de l'âme.
7. Appareil de détection de pression, caractérisé en ce qu'il comprend
(a) un capteur de pression à fibre optique compre-
nant (1) une fibre transparente optiquement (11,13), (2) une couche (15) d'un matériau dur présentant des pertes optiques, disposée concentriquement à la fibre optique et orientée coaxialement par rapport à celle-ci, et (3) une couche souple (17) ayant une dispersion de particules granulaires à l'intérieur, la couche étant revêtue sur la couche dure présentant des pertes et étant orientée coaxialement à la fibre optique,
(b) un dispositif (20) générateur de lumière, des-
tiné à injecter la lumière à une première extrémité de la fibre optique, et (c) un dispositif (30) de détection de la lumière
sortant par l'autre extrémité de la fibre optique et desti-
né à donner une indication de l'application d'une pression au capteur à fibre optique lors d'un changement prédéterminé
de la lumière qui sort.
8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la couche dure (15) ayant des pertes est formée d'un matériau nettement plus dur que le matériau de la
couche souple.
9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que les particules sont sensiblement formées par
une matière particulaire dure relativement fine.
10. Appareil selon la revendication 7, caractérisé
en ce que les particules granulaires sont dispersées uni-
formément dans la couche souple (17).
11. Appareil selon la revendication 10, caractérisé en ce que la matière particulaire est formée de sable fin
ou d'émeri.
12. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que la fibre optique comporte une âme optiquement transparente (11) et au moins une couche formant une gaine
(13) entourant concentriquement l'âme et orientée coaxiale-
ment par rapport à celle-ci, la gaine ayant un indice de
réfraction différent de celui de l'âme.
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