FR2667163A1 - OPTICAL FIBER COIL ASSEMBLY. - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un ensemble de bobine de fibre optique destiné à être utilisé dans des systèmes de mesure de la pression acoustique, de la température, etc. Il comprend une bobine (1) de fibre optique portée par l'intermédiaire d'une structure d'encapsulage creuse (2) et un moyen (4, 5) d'ajustement de force servant à réduire sensiblement la force globale qui, sinon, s'exercerait sur la structure de bobine afin de produire un changement de longueur de la bobine lorsque la bobine est soumise à une pression acoustique. Le moyen d'ajustement de force ajuste les amplitudes relatives des forces s'exerçant sur la bobine dans des directions différentes, de façon que l'effet net de ces forces sur la longueur de la fibre optique soit sensiblement nul.An optical fiber coil assembly for use in sound pressure, temperature, etc. measurement systems is disclosed. It comprises an optical fiber coil (1) carried through a hollow encapsulating structure (2) and a force adjustment means (4, 5) serving to substantially reduce the overall force which, otherwise, would act on the coil structure to produce a change in coil length when the coil is subjected to sound pressure. The force adjusting means adjusts the relative magnitudes of the forces acting on the coil in different directions, so that the net effect of these forces along the length of the optical fiber is substantially zero.
Description
La présente invention concerne des ensembles de bobines de fibre optiqueThe present invention relates to fiber optic coil assemblies
et, plus spécialement, de semblables ensembles se présentant sous la forme de bobines de fibre optique offrant une and, more specifically, similar assemblies in the form of optical fiber reels offering a
faible sensibilité vis-à-vis de la pression acoustique. low sensitivity to sound pressure.
Dans de-nombreux systèmes de détection par fibre optique, on utilise une bobine de détection optique pour la détection et la mesure d'une grandeur particulière en provoquant dans la lumière qu'elle transmet un déphasage qui peut être détecté et mesuré La grandeur à mesurer peut être la pression acoustique, comme c'est le cas dans les systèmes d'hydrophones, tandis que, dans d'autres cas, le détecteur à fibre optique peut par exemple être conçu pour détecter l'accélération, la température ou des champs électriques ou magnétiques Dans le cas de semblables bobines détectrices ou bien lorsqu'on utilise des bobines de fibre optique comme bobines de référence ou de retard dans des interféromètres optiques par exemple, il est souvent nécessaire de rendre la bobine détectrice ou une autre bobine insensible à la pression acoustique Par exemple, si le détecteur n'est pas destiné à être utilisé comme détecteur de pression acoustique, la pression acoustique ambiante agissant sur la bobine peut alors produire dans la bobine des In many fiber optic detection systems, an optical detection coil is used for the detection and measurement of a particular quantity by causing in the light that it transmits a phase shift which can be detected and measured. The quantity to be measured may be sound pressure, as is the case with hydrophone systems, while in other cases the fiber optic detector may for example be designed to detect acceleration, temperature or electric fields or magnetic In the case of similar detection coils or when using optical fiber coils as reference or delay coils in optical interferometers for example, it is often necessary to make the detection coil or another coil insensitive to the sound pressure For example, if the detector is not intended to be used as a sound pressure detector, the sound pressure am biante acting on the reel can then produce in the reel
déphasages de lumière qui ne peuvent pas être distingués des dépha- light phase shifts which cannot be distinguished from the phase shifts
sages produits par l'effet (par exemple température, champ élec- wise effects (eg temperature, electric field
trique, champ magnétique) qu'il faut détecter et mesurer Pour que la bobine détectrice produise des signaux qui ne sont pas faussés par des déphasages induits par la pression acoustique, il faut rendre minimale la sensibilité de la bobine détectrice vis-à-vis de la pression acoustique Dans le cas de la bobine de référence ci-dessus indiquée, il est de la plus haute importance que la lumière traversant la bobine ne devienne pas modulée en phase, puisque ceci peut réduire la sensibilité du système et, ou bien, measurement, magnetic field) that must be detected and measured In order for the detection coil to produce signals that are not distorted by phase shifts induced by acoustic pressure, the sensitivity of the detection coil vis-à-vis sound pressure In the case of the above-mentioned reference coil, it is of the utmost importance that the light passing through the coil does not become phase-modulated, since this can reduce the sensitivity of the system and, or,
introduire du bruit dans Le signal de sortie. introduce noise into the output signal.
Selon la présente invention, il est produit un ensemble de bobine de fibre optique comprenant une bobine de fibre optique portée par l'intermédiaire d'une structure d'encapsulage creuse, ou d'une structure analogue, et un moyen d'ajustement de force ayant pour effet de réduire sensiblement la force globale qui, sinon, s'exercerait sur la structure de bobine encapsulée pour produire un changement de longueur de la bobine de fibre optique lorsque la bobine est soumise à la pression acoustique ou à une force analogue, par un ajustement des amplitudes relatives des forces agissant sur la bobine dans les différentes directions tel que l'effet net de ces forces sur la longueur de fibre optique soit According to the present invention, there is provided an optical fiber coil assembly comprising an optical fiber coil carried by a hollow encapsulating structure, or the like, and a force adjusting means. having the effect of substantially reducing the overall force which would otherwise be exerted on the encapsulated coil structure to produce a change in length of the fiber optic coil when the coil is subjected to sound pressure or the like, by an adjustment of the relative amplitudes of the forces acting on the coil in the different directions such that the net effect of these forces on the length of optical fiber is
sensiblement nul.substantially zero.
Dans la mise en oeuvre de l'invention, le moyen d'ajus- In the implementation of the invention, the means of adjus-
tement de force peut comprendre des plaques rigides qui sont fixées aux extrémités de la structure de bobine encapsulée creuse et qui agissent comme amplificateurs de pression permettant d'amplifier les forces externes agissant sur les extrémités de la structure de bobine encapsulée suivant sa direction axiale, de sorte que les forces transversales agissant vers l'intérieur qui s'exercent sur Strength may include rigid plates which are attached to the ends of the hollow encapsulated coil structure and which act as pressure amplifiers to amplify the external forces acting on the ends of the encapsulated coil structure in its axial direction, from so that the inward transverse forces acting on
la bobine de fibre optique sont sensiblement annulées. the fiber optic coil are substantially canceled.
La description suivante, conçue à titre d'illustration The following description, intended for illustration
de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est une représentation simplifiée d'un ensemble de bobine de fibre optique classique; la figure 2 est une représentation simplifiée analogue à celle de la figure 1, mais montrant un ensemble de bobine de fibre optique selon l'invention; et la figure 3 est un graphe indiquant la sensibilité of the invention, aims to give a better understanding of its characteristics and advantages; it is based on the appended drawings, among which: FIG. 1 is a simplified representation of a conventional optical fiber coil assembly; Figure 2 is a simplified representation similar to that of Figure 1, but showing an optical fiber coil assembly according to the invention; and Figure 3 is a graph showing the sensitivity
d'ensembles de bobines de fibre optique construits selon l'inven- sets of fiber optic coils constructed according to the invention
tion. Sur la figure 1, est représentée schématiquement une bobine de fibre optique cylindrique creuse 1 encastrée dans une structure d'encapsulage cylindrique 2 qui possède un trou central 3, de manière que soit produite une bobine détectrice de fibre optique La bobine détectrice destinée à être utilisée par exemple comme hydrophone peut être soumise à des pressions terminales indiquées respectivement par la pression Pe s'exerçant dans la tion. In Figure 1 is shown schematically a spindle of hollow cylindrical optical fiber 1 embedded in a cylindrical encapsulating structure 2 which has a central hole 3, so that a sensing spool of optical fiber is produced The sensing spool for use for example as a hydrophone can be subjected to terminal pressures indicated respectively by the pressure Pe exerted in the
direction axiale de la bobine, des pressions Pl radiales s'exer- axial direction of the coil, radial pressures Pl are exerted
çant vers l'extérieur et des pressions Po radiales s'exerçant vers L'intérieur Ces pressions exercent sur La fibre optique des forces de déformation qui produisent un changement de Longueur de La bobine, de sorte que La Lumière qui est transmise dans La bobine détectrice dans un but de mesure subit un déphasage De p Lus, Le changement, induit par La contrainte, de L'indice de réfraction de La fibre optique, que provoque La pression, produira également un outward and radial pressures Po exerting inward These pressures exert on the optical fiber deformation forces which produce a change in length of the coil, so that the light which is transmitted in the sensor coil for a measurement purpose undergoes a phase shift of p plus, the change, induced by the stress, of the refractive index of the optical fiber, which causes the pressure, will also produce a
déphasage dans La Lumière transmise. phase shift in transmitted light.
Comme on peut Le voir sur Le dessin, La pression Po agit As can be seen in the drawing, The pressure Po acts
de façon à comprimer La bobine de fibre 1 et à produire un dépha- so as to compress the fiber coil 1 and produce a depha-
sage négatif, tandis que La pression Pl agit de façon à di Later La wise negative, while The pressure Pl acts in such a way that Later La
bobine, et, ainsi à produire un déphasage positif. coil, and thus to produce a positive phase shift.
La pression axia Le Pe agit perpendiculairement aux pres- The axia Le Pe pressure acts perpendicular to the pres-
sions Po et Pi, mais, en raison de L'effet du coefficient de sions Po and Pi, but, due to the effect of the coefficient of
Poisson, La pression Pe produit en outre une composante de con- Poisson, The pressure Pe also produces a component of con-
trainte qui agit vers L'extérieur dans Le même p Lan que Les pressions Po et Pi Ce Lui-ci est décrit comme Le p Lan X du schéma drag that acts outward in the same p Lan as the pressures Po and Pi This is described as Le p Lan X in the diagram
de contrainte indiqué L'amp Litude de cette composante de con- of indicated stress The amp Litude of this component of con-
trainte dans Le p Lan X est proportionne L Le au coefficient de Poisson et s'exerce en opposition à La pression Pi, c'est-à-dire de façon à réduire La sensibilité de La bobine, ce qui, dans une drag in Le p Lan X is proportional L Le to the Poisson coefficient and is exerted in opposition to the pressure Pi, that is to say so as to reduce the sensitivity of the coil, which, in a
application de mesure de pression acoustique (par exemp Le hydro- sound pressure measurement application (e.g. Hydro-
phone), constitue un inconvénient Dans Le cas d'une pression hydrostatique pour Laque L Le La Longueur d'onde du son venant frapper L'ensemb Le de bobine est beaucoup p Lus grande que Le diamètre de La bobine de fibre optique 1, et si Le trou centra L 3 de La structure encapsu Lante 2 ouvre sur Le mi Lieu environnant, Les pressions Po, Pe et Pl sont d'amplitudes éga Les et, dans ce cas, La composante de contrainte, ci-dessus indiquée, de La pression Pe suivant La direction X, qui est due à L'effet du coefficient de Poisson, possède une amplitude inférieure à Po/2 L'effet net de ces pressions est de comprimer La bobine et de produire un phone), is a disadvantage In the case of hydrostatic pressure for Lacquer L Le The wavelength of sound coming to strike the coil assembly is much greater than the diameter of the fiber optic coil 1, and if the central hole L 3 of the encapsulated structure Lante 2 opens onto the surrounding mid-place, the pressures Po, Pe and Pl are of equal amplitudes and, in this case, the stress component, indicated above, of La pressure Pe along direction X, which is due to the effect of the Poisson's ratio, has an amplitude less than Po / 2 The net effect of these pressures is to compress the coil and to produce a
déphasage négatif.negative phase shift.
On peut mentionner ici que L'on a, à ce jour, déjà acoustiquement désensibilisé de te L Les bobines acoustiquement It can be mentioned here that, to date, the acoustic coils have been acoustically desensitized.
sensibles en Les enfermant dans des couches de matériaux d'amortis- sensitive by enclosing them in layers of cushioning material
sement ou à pertes, contenant éventue L Lement des couches d'air. or lossy, possibly containing L layers of air.
Toutefois, ces bobines tendent à être plutôt encombrantes, et, ce qui est plus important, il est très difficile de rendre ces bobines However, these coils tend to be rather bulky, and, more importantly, it is very difficult to make these coils
insensibles aux basses fréquences sonores. insensitive to low sound frequencies.
Selon un mode de réalisation de l'invention, on rend According to one embodiment of the invention, we make
extrêmement peu sensible, même à des sons de la plus basse fré- extremely insensitive, even to sounds of the lowest frequency
quence, un ensemble de bobine de fibre optique ayant la forme présentée sur la figure 1 en fixant, par exemple par collage, des plaques 4 et 5, formant des couvercles terminaux rigides, sur les extrémités de la structure 2 d'encapsulage de bobine Ces plaques terminales 4 et 5 servent d'amplificateurs de pression pour la pression Pe qui frappe les extrémités de la structure des bobines de fibre optique, le facteur d'amplification des amplificateurs augmentant avec la taille du trou central 3 Les plaques terminales 4 et 5 éliminent également la pression Pl qui agit sur la bobine depuis l'intérieur du trou central 3 de la structure d'encapsulage, de sorte que seules les pressions Pe et Po s'exercent sur la quence, a fiber optic coil assembly having the form shown in FIG. 1 by fixing, for example by gluing, plates 4 and 5, forming rigid terminal covers, on the ends of the coil encapsulation structure 2 Ces end plates 4 and 5 serve as pressure amplifiers for the pressure Pe hitting the ends of the fiber optic coil structure, the amplification factor of the amplifiers increasing with the size of the central hole 3 Terminal plates 4 and 5 eliminate also the pressure Pl which acts on the coil from inside the central hole 3 of the encapsulation structure, so that only the pressures Pe and Po are exerted on the
structure de bobine.coil structure.
S'il est possible de rendre la pression Pe, en l'amplifiant, beaucoup plus grande que la pression Pe de l'ensemble de bobine de la figure 1, on peut, pour un coefficient de Poisson donné, prévoir un trou central ayant des dimensions telles que la If it is possible to make the pressure Pe, by amplifying it, much greater than the pressure Pe of the coil assembly of FIG. 1, one can, for a given Poisson's ratio, provide a central hole having dimensions such as the
composante de la contrainte dans la direction, ou le plan, X résul- component of the stress in the direction, or the plane, X results
tant de la pression Pe soit de même amplitude que la pression Po, mais de sens opposé Par conséquent, la contrainte longitudinale s'exerçant sur la fibre optique sera nulle et ne produira donc as long as the pressure Pe is of the same amplitude as the pressure Po, but in the opposite direction Consequently, the longitudinal stress exerted on the optical fiber will be zero and will therefore not produce
aucun déphasage dans la lumière transmise le long de la fibre. no phase shift in the light transmitted along the fiber.
On se reporte maintenant à la figure 3, qui représente la sensibilité d'un ensemble de bobine de fibre optique selon la figure 2 en fonction de E (module d'Young) et de C-(coefficient de Poisson) La bobine est formée par une bobine de fibre optique cylindrique d'un diamètre d'environ 6 cm, encastrée dans un cylindre d'encapsulage d'environ 7,5 cm de diamètre qui possède un trou central d'une taille d'environ 1 cm La figure montre que, lorsque le coefficient de Poisson approche de la valeur qui donne We now refer to FIG. 3, which represents the sensitivity of an optical fiber coil assembly according to FIG. 2 as a function of E (Young's modulus) and of C- (Poisson's ratio) The coil is formed by a reel of cylindrical optical fiber with a diameter of approximately 6 cm, embedded in an encapsulation cylinder of approximately 7.5 cm in diameter which has a central hole with a size of approximately 1 cm The figure shows that , when the Poisson's ratio approaches the value which gives
une contrainte longitudinale nulle pour la fibre optique, la sensi- a zero longitudinal stress for the optical fiber, the sensi-
bilité de l'ensemble diminue très rapidement Bien que le point de sensibilité minimale soit situé plus bas que le bord inférieur du overall bility decreases very quickly Although the point of minimum sensitivity is located lower than the lower edge of the
graphe de la figure 3, il est clair que l'on peut obtenir une iso- graph of figure 3, it is clear that one can obtain an iso-
lation acoustique d'au moins 70 d B, par comparaison avec la sensi- acoustic lation of at least 70 d B, in comparison with the sensi-
bilité d'hydrophones typiques.bility of typical hydrophones.
Dès que le point de sensibilité minimale a été atteint, l'effet de la pression Pe dans le plan X devient plus grand que celui de la pression Po et commence à dilater la bobine de fibre optique, si bien que la sensibilité de l'ensemble augmente de As soon as the point of minimum sensitivity has been reached, the effect of the pressure Pe in the X plane becomes greater than that of the pressure Po and begins to dilate the optical fiber coil, so that the sensitivity of the whole increases by
nouveau rapidement.again quickly.
Pour les courbes de la figure 3, les données expérimen- For the curves in Figure 3, the experimental data
tales précises relatives à l'ensemble de bobine en fibre optique choisi à titre d'exemple sont les suivantes: Extrémités libres avec pression (Pa) = 1,00 Intérieur creux avec pression (Pa) = 1,00 Pression externe (Pa) = 0,50 Diamètre externe (mm) = 76,00 3 e diamètre (mm) = 68,00 2 e diamètre (mm) = 58,00 Diamètre interne (mm) = 11,00 Diamètre de fibre (mm) = 60,50 Proportion de fibre (en milieu de couche) = 10,00 % Longueur d'onde (nm) = 1150,00 Fraction volumétrique d'air = 0,00 % E min (G Pa) = 0,05 E max (G Pa) = 5,00 Coefficient de Poisson minimal = 0,20 Coefficient de Poisson maximal = 0,45 Programme COMPO En pratique, le module d'Young et le coefficient de Poisson doivent être constants pour une structure d'encapsulage donnée, et on fait varier la taille du trou dans la structure d'encapsulage pour obtenir la sensibilité voulue Les courbes apparaissant sur la figure 3 suggèrent que l'on peut obtenir de manière très simple une isolation acoustique allant jusqu'à 70 d B. Cet effet repose sur l'existence d'un champ de pression qui est uniforme sur chaque face de l'ensemble de bobine, ce qui est généralement vrai si le diamètre de l'hydrophone est très inférieur The precise tales relating to the fiber optic coil assembly chosen by way of example are as follows: Free ends with pressure (Pa) = 1.00 Hollow interior with pressure (Pa) = 1.00 External pressure (Pa) = 0.50 External diameter (mm) = 76.00 3rd diameter (mm) = 68.00 2nd diameter (mm) = 58.00 Internal diameter (mm) = 11.00 Fiber diameter (mm) = 60, 50 Proportion of fiber (mid-layer) = 10.00% Wavelength (nm) = 1150.00 Volumetric fraction of air = 0.00% E min (G Pa) = 0.05 E max (G Pa) = 5.00 Minimum Poisson's ratio = 0.20 Maximum Poisson's ratio = 0.45 COMPO program In practice, the Young's modulus and the Poisson's ratio must be constant for a given encapsulation structure, and we varies the size of the hole in the encapsulation structure to obtain the desired sensitivity The curves appearing in FIG. 3 suggest that it is possible to very simply obtain an acoustic insulation going up to 70 of B. This effect is based on the existence of a pressure field which is uniform on each face of the spool assembly, which is usually true if the diameter of the hydrophone is well below
à la moitié des longueurs d'ondes (c'est-à-dire 75 cm à 1 k Hz). at half the wavelengths (i.e. 75 cm at 1 k Hz).
En réduisant l'effet de la pression extérieure Po exercée sur la structure de bobine, on pourrait obtenir le même effet que celui réalisé à l'aide des plaques terminales rigides 4 et 5 de l'ensemble de bobine de la figure 2 On peut réaliser cela en relâchant partiellement la pression s'exerçant sur la surface périphérique incurvée externe de la bobine cylindrique 1, même s'il peut être difficile de trouver un matériau de relâchement de By reducing the effect of the external pressure Po exerted on the coil structure, we could obtain the same effect as that produced using the rigid end plates 4 and 5 of the coil assembly of FIG. 2 We can achieve this by partially releasing the pressure exerted on the outer curved peripheral surface of the cylindrical coil 1, although it may be difficult to find a release material of
pression approprié fonctionnant bien aux basses fréquences. suitable pressure working well at low frequencies.
Alors que, dans le mode de réalisation décrit en relation avec les dessins, la structure de bobine encapsu Lée a une forme cylindrique, on comprendra naturellement que le principe de l'invention est également applicable à des ensembles de bobines While, in the embodiment described in relation to the drawings, the encapsulated coil structure has a cylindrical shape, it will naturally be understood that the principle of the invention is also applicable to sets of coils
ayant des configurations différentes. having different configurations.
En ce qui concerne les applications de l'invention, on peut ici mentionner qu'un ensemble de bobine construit selon l'invention peut être appliqué à des accéLéromètres dans lesquels la bobine de détection doit être sensible aux forces appliquées dans un certain plan, mais non à celles appliquées de façon égale dans les trois plans De plus, l'invention peut être appliquée à n'importe quel ensemble de bobine de fibre optique qui doit mesurer un effet, tel que la température ou le champ magnétique, autre que les variations de la pression acoustique ou de la pression statique La bobine selon l'invention peut également être appliquée comme bobine de retard destinée à offrir un trajet d'équilibrage With regard to the applications of the invention, it can be mentioned here that a coil assembly constructed according to the invention can be applied to accelerometers in which the detection coil must be sensitive to the forces applied in a certain plane, but no to those applied equally in the three planes In addition, the invention can be applied to any assembly of optical fiber coil which must measure an effect, such as temperature or magnetic field, other than variations acoustic pressure or static pressure The coil according to the invention can also be applied as a delay coil intended to provide a balancing path
dans un interféromètre optique équilibré ou comme bobine de réfé- in a balanced optical interferometer or as a reference coil
rence du type employé dans des systèmes de détection optique pour réduire le bruit de phase optique produit dans des bobines of the type used in optical detection systems to reduce the optical phase noise produced in coils
détectrices associées.associated detectors.
Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, Of course, the skilled person will be able to imagine,
à partir du dispositif dont la description vient d'être donnée à from the device whose description has just been given to
titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses title merely illustrative and not limiting, various
variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. variants and modifications not departing from the scope of the invention.
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| FR9111661A Pending FR2667163A1 (en) | 1990-09-22 | 1991-09-20 | OPTICAL FIBER COIL ASSEMBLY. |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR2667163A1 (en) |
| GB (1) | GB2248295A (en) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2715730B1 (en) * | 1994-02-01 | 1996-03-01 | Thomson Csf | Coiled fiber optic pressure sensor. |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2566907A1 (en) * | 1984-06-28 | 1986-01-03 | Flonic Sa | Pressure sensor. |
| US4850098A (en) * | 1988-04-15 | 1989-07-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus to enhance the sensitivity of cylindrical magnetostrictive transducer to magnetic fields |
| EP0357253A2 (en) * | 1988-08-16 | 1990-03-07 | Gec-Marconi Limited | Fibre optic sensor |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CA1219633A (en) * | 1984-11-13 | 1987-03-24 | Her Majesty The Queen, In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence | Magnetic transducer |
-
1990
- 1990-09-22 GB GB9020713A patent/GB2248295A/en not_active Withdrawn
-
1991
- 1991-09-20 FR FR9111661A patent/FR2667163A1/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2566907A1 (en) * | 1984-06-28 | 1986-01-03 | Flonic Sa | Pressure sensor. |
| US4850098A (en) * | 1988-04-15 | 1989-07-25 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | Method and apparatus to enhance the sensitivity of cylindrical magnetostrictive transducer to magnetic fields |
| EP0357253A2 (en) * | 1988-08-16 | 1990-03-07 | Gec-Marconi Limited | Fibre optic sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB2248295A (en) | 1992-04-01 |
| GB9020713D0 (en) | 1991-06-12 |
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