FR2664695A1

FR2664695A1 - Optical-fibre temperature sensor

Info

Publication number: FR2664695A1
Application number: FR9009075A
Authority: FR
Inventors: Meyrueis Patrick; Chakari Ayoub; Aka Tomann
Original assignee: Universite Louis Pasteur Strasbourg I
Current assignee: Universite Louis Pasteur Strasbourg I
Priority date: 1990-07-12
Filing date: 1990-07-12
Publication date: 1992-01-17
Anticipated expiration: 2010-07-12
Also published as: FR2664695B1

Abstract

Optical-fibre temperature sensor characterised in that a multimode optical fibre is used in mode modulation, and in that the sensitive part of the sensor consists of a winding, through several turns, of the said optical fibre immersed in the medium to be monitored. This invention applies to all industrial environment, building, agricultural sectors and the like.

Description

La présente invention se rapporte à un capteur de température à fibre optique multimode utilisant la modulation de modes. The present invention relates to a multimode fiber optic temperature sensor using mode modulation.

Dans l'industrie ainsi que dans divers domaines professionnels particuliers tels que le bâtiment, l'agriculture et pour diverses autres applications professionnelles et domestiques, on souhaite pouvoir disposer d'un capteur de température simple et fiable, indépendant des autres grandeurs physiques du milieu dans lequel il est plongé. In industry as well as in various specific professional fields such as construction, agriculture and for various other professional and domestic applications, it is desired to be able to have a simple and reliable temperature sensor, independent of the other physical quantities of the medium in which it is immersed.

On connaît de très nombreux capteurs de température depuis les tubes capillaires toujours utilisés dans les appareils électrodomestiques (chauffeeau, chaudières, réfrigérateurs...) jusqu'aux transducteurs et sondes de mesure de température, et les thermocouples. Many temperature sensors are known from the capillary tubes still used in household electrical appliances (water heaters, boilers, refrigerators, etc.) to transducers and temperature measurement probes, and thermocouples.

Tous ces capteurs présentent divers inconvénients simultanés qui se situent souvent dans le domaine du coût, de la fragilité, du manque de sensibilité et, pour certains, d'autres inconvénients qui se traduisent par une réponse simultanée à plusieurs grandeurs physiques ou par une sensibilité excessive aux perturbations du milieu ambiant. Il s'agit souvent, pour ce dernier point, de perturbations de type électromagnétique ou radioélectrique. All these sensors have various simultaneous drawbacks which are often found in the area of cost, fragility, lack of sensitivity and, for some, other drawbacks which result in a simultaneous response to several physical quantities or in excessive sensitivity. environmental disturbances. For this last point, it is often a matter of electromagnetic or radioelectric disturbances.

La présente invention a pour but de proposer un capteur de température qui remédie à tous ces inconvénients. The object of the present invention is to propose a temperature sensor which overcomes all these drawbacks.

A cet effet, elle se rapporte à un capteur de température à fibre optique caractérisé en ce que l'on utilise une fibre optique multimode en modulation de modes, la partie sensible du capteur étant constituée par un enroulement de plusieurs tours de ladite fibre optique. To this end, it relates to a fiber optic temperature sensor characterized in that a multimode optical fiber is used in mode modulation, the sensitive part of the sensor being constituted by a winding of several turns of said optical fiber.

Le capteur de température selon la présente invention s'applique à une très grande diversité de domaines et présente de nombreux et multiples avantages. The temperature sensor according to the present invention applies to a very wide variety of fields and has many and multiple advantages.

Ne pouvant les indiquer tous, on se contentera d'en indiquer ci-après les principaux. Not being able to indicate them all, we will content ourselves with indicating the main ones below.

En ce qui concerne les domaines et les applications diverses, on peut supposer dès maintenant que le capteur selon l'invention peut remplacer pratiquement tous les capteurs existants sauf ceux spécialement conçus et réalisés pour les hautes températures. With regard to various fields and applications, it can be assumed right now that the sensor according to the invention can replace practically all existing sensors except those specially designed and produced for high temperatures.

Les principaux domaines suivants sont particulièrement visés appareils électrodomestiques et électroménagers véhicules automobiles et de transport industrie nucléaire industrie lourde industrie agro-alimentaire le bâtiment et, d'une façon générale, toutes les utilisations d'un capteur en détecteur, c' est-à-dire, par exemple, indiquant une variation de température suite à une manoeuvre fortuite ou accidentelle, par exemple l'ouverture d'une porte de four ou d'une chambre frigorifique. The following main areas are particularly targeted household electrical appliances and vehicles motor vehicles and transport nuclear industry heavy industry food industry building and, in general, all uses of a sensor detector, that is to say say, for example, indicating a change in temperature following a fortuitous or accidental operation, for example the opening of an oven door or a cold room.

Le principal avantage concerne sa totale indépendance par rapport aux autres grandeurs physiques ou perturbations du milieu ambiant telles que, par exemple, les parasites radioelectriques, les vibrations, le champ électromagnétique, les dilatations... The main advantage concerns its total independence from other physical quantities or disturbances of the ambient environment such as, for example, radio interference, vibrations, electromagnetic field, expansions ...

Divers avantages intéressants peuvent également être cités. Il s'agit, de façon nullement limitative, des avantages suivants capteur parfaitement inerte et passif pouvant être
utilisé dans les ambiances les plus dangereuses car
ne presentant aucun risque de type électrique, de
type explosif réponse garantie du capteur quels que soient le degré
d'humidite et les vibrations ambiantes.Various interesting advantages can also be mentioned. These are, in no way limiting, the following advantages: a perfectly inert and passive sensor which can be
used in the most dangerous environments because
presenting no risk of an electrical type,
explosive type guaranteed response of the sensor whatever the degree
humidity and ambient vibrations.

implantation particulièrement facile et rapide sur
les supports les plus divers simplicité de mise en oeuvre coût réduit de fabrication et de montage grande précision et grande sensibilité.particularly easy and quick installation on
the most diverse supports simplicity of implementation reduced cost of manufacture and assembly great precision and great sensitivity.

séparation de la grandeur physique mesurée: le
capteur peut ne répondre qu'aux variations de
températures ; forte insensibilité aux pertubations diverses du
milieu ambiant.separation of the physical quantity measured: the
sensor may respond only to variations in
temperatures; high insensitivity to various disturbances of the
ambient.

L'invention sera bien comprise à la lecture de la description qui suit, effectuée à titre d'exemple non limitatif sur un mode d'exécution en reference au dessin dans lequel la figure unique est une vue schématique du capteur et de son montage d'exploitation. The invention will be clearly understood on reading the description which follows, carried out by way of nonlimiting example on an embodiment with reference to the drawing in which the single figure is a schematic view of the sensor and of its mounting. exploitation.

Diverses études sur les propriétés de birefringence dans une fibre optique multimode courbee ont montre que les pertes de propagation de la lumière liées à la courbure dans une même fibre dépendent fortement de la température du milieu ambiant et de la pression locale exercée sur la fibre. Various studies on the birefringence properties in a bent multimode optical fiber have shown that the losses of light propagation linked to the curvature in the same fiber strongly depend on the temperature of the ambient medium and the local pressure exerted on the fiber.

La présente invention a pour but d'utiliser dans une application industrielle les propriétés de biréfringence d'une fibre optique courbee en vue de realiser un capteur de température de grande sensibilité et de haute fiabilité utilisable dans de nombreuses applications. The present invention aims to use in an industrial application the birefringence properties of a curved optical fiber in order to achieve a temperature sensor of high sensitivity and high reliability usable in many applications.

On sait que la perte de l'intensité lumineuse le long d'une ou à travers une fibre optique dépend des facteurs suivants caractéristique du matériau . pression à laquelle elle est soumise température du milieu ambiant ouverture numérique. It is known that the loss of light intensity along or through an optical fiber depends on the following factors characteristic of the material. pressure to which it is subjected ambient temperature digital opening.

Pour une même fibre, l'ouverture numérique dépend du rayon du courbure. For the same fiber, the numerical aperture depends on the radius of the curvature.

Si celui-ci est constant comme dans le cas d'un bobinage, à pression constante, dans le milieu ambiant la perte de propagation lumineuse ne dependra, aux approximations d'ordre éloigné près, que de la température de ce milieu. If the latter is constant as in the case of a winding, at constant pressure, in the ambient medium the loss of light propagation will depend, to the nearest approximations, only on the temperature of this medium.

En choisissant convenablement les caractéristiques de la fibre optique, le rayon de courbure et le nombre de tours de l'enroulement par rapport à la sensibilité souhaitée et à la gamme de températures à couvrir, une fibre optique conformée selon un enroulement de diamètre approprié permettra de constituer un capteur de température de grande sensibilité et de grande précision. By appropriately choosing the characteristics of the optical fiber, the radius of curvature and the number of turns of the winding in relation to the desired sensitivity and the range of temperatures to be covered, an optical fiber shaped according to a winding of appropriate diameter will allow constitute a temperature sensor of high sensitivity and high precision.

Le capteur selon la présente invention comprend une fibre optique multimode de préférence à saut d'indice du type, par exemple, connu sous la denomination "PCS 200" réalisée en silice et silicone. The sensor according to the present invention comprises a multimode optical fiber preferably with index jump of the type, for example, known under the name "PCS 200" made of silica and silicone.

En référence à la figure, le capteur selon l'invention se compose d'une fibre optique 1 qui présente une longueur de liaison aller 2 avec un circuit d'exploitation 3 puis est conformée dans la partie sensible 4 du capteur selon un enroulement 5, de préférence circulaire, de plusieurs tours et revient par une autre longueur de liaison retour 6 vers le circuit d'exploitation. With reference to the figure, the sensor according to the invention consists of an optical fiber 1 which has a forward link length 2 with an operating circuit 3 then is shaped in the sensitive part 4 of the sensor according to a winding 5, preferably circular, of several turns and returns by another length of return link 6 to the operating circuit.

La sensibilité dépendra du nombre de tours de même que l'étendue de la gamme des mesures. The sensitivity will depend on the number of turns as well as the extent of the range of measurements.

L'enroulement 5 est plongé ou situé dans le milieu à surveiller. Il peut être fixé sur un support ou une paroi ou tenir par lui-même. dans le premier cas, on peut coller l'enroulement sur la face d'une paroi quelconque. Dans le deuxième cas, la fibre peut être rigidifiée et protégée par un revêtement approprié ou gainée ou enfilé dans un étui rigide. The winding 5 is immersed or located in the medium to be monitored. It can be fixed on a support or a wall or hold by itself. in the first case, the winding can be glued to the face of any wall. In the second case, the fiber can be stiffened and protected by an appropriate coating or sheathed or threaded in a rigid case.

Pour certaines applications, les caractéristiques du milieu ne permettent pas un contact direct de celui-ci avec la fibre. On prévoit alors d'enfiler la fibre dans un étui rigide de protection conformé en enroulement, par exemple un tube fin de cuivre convenablement cintré en plusieurs spires. For certain applications, the characteristics of the medium do not allow direct contact of the latter with the fiber. It is then planned to thread the fiber in a rigid protective case shaped as a winding, for example a thin copper tube suitably bent in several turns.

On examinera maintenant le circuit d'exploitation 3 dans lequel est monté le capteur décrit ci-dessus. We will now examine the operating circuit 3 in which the sensor described above is mounted.

A l'une des extrémités de la fibre, on injecte un faisceau de lumière émise par une source lumineuse quelconque 6, par exemple une diode électroluminescente 7, par l'intermédiaire d'un coupleur optique 8. A son autre extrémité, on recueille la quantité de lumière transmise par la fibre optique par l'intermédiaire d'un deuxième coupleur optique 9 lié à un photodétecteur 10 ou un coupleur optoélectronique qui en constitue un équivalent. Celui-ci est incorpore dans le montage électronique d'exploitation 3 permettant de déterminer et d'indiquer une correspondance entre la quantité de lumière transmise et la température au niveau de la partie sensible du capteur et de commander tout dispositif approprié. At one end of the fiber, a beam of light emitted by any light source 6 is injected, for example a light-emitting diode 7, by means of an optical coupler 8. At its other end, the quantity of light transmitted by the optical fiber via a second optical coupler 9 linked to a photodetector 10 or an optoelectronic coupler which constitutes an equivalent thereof. This is incorporated in the electronic operating assembly 3 making it possible to determine and indicate a correspondence between the quantity of light transmitted and the temperature at the sensitive part of the sensor and to control any appropriate device.

Ce circuit d'exploitation commande divers dispositifs d'actionnement ou d'avertissement référencés 11. This operating circuit controls various actuation or warning devices referenced 11.

I1 est bien entendu qu'au-delà des moyens décrits, diverses modifications évidentes et variantes simples entrent dans le cadre de la présente invention. It is understood that beyond the means described, various obvious modifications and simple variants fall within the scope of the present invention.

Claims

1. Optical fiber temperature sensor, characterized in that a multimode optical fiber is used in mode modulation and in that the sensitive part of the sensor consists of a winding of several turns of said optical fiber immersed in the medium to monitor.

2. Sensor according to claim 1, characterized in that the optical fiber is index-jump.

3. Sensor according to claims 1 and 2, characterized in that the winding of the sensitive part is circular.

4. Sensor according to the preceding claims, characterized in that a beam of light emitted by any light source (6) is injected, for example an electroluminescent diode (7), via an optical coupler (8), the quantity of light propagated by the optical fiber is collected by means of a second optical coupler (9) linked to a photodetector (10) or an optoelectronic coupler incorporated in an electronic operating assembly (3) making it possible to determine and indicate a correspondence between the quantity of light transmitted and the temperature at the level of the sensor winding (5) in order to control various actuation or warning reference devices (11).