J'ai écrit ce rapport dans le cadre d'un module de maîtrise d'optique sur les capteurs. L'original était écrit en LaTeX et imprimé en PostScript. Ne disposant plus que de l'impression, je l'ai passé au scanner et à l'OCR. Je présente ici le resultat quelque peut remanié à la main.

J'espère que cela pourra être utile à quelqu'un. N'hesitez pas à m'écrire

Table des matières:

1 Introduction

    1.1 Une technologie récente

    1.2 Définition et classement des capteurs à fibres

    1.3 Avantages et inconvénients

2 Différents types de capteurs à fibres

    2.1 Architectures des capteurs

       2.1.1 Capteurs à modulation d'intensité

       2.1.2 Capteurs à modulation de phase

       2.1.3 Capteurs à modulation de polarisation

       2.1.4 Capteurs à modulation de longueur d'onde

       2.1.5 Capteurs à modulation de temps

    2.2 Produits industriels

       2.2.1 Mesure de température

       2.2.2 Mesure de pression

       2.2.3 Mesure de niveau de fluide

       2.2.4 Mesure de flux

       2.2.5 Mesure de position

       2.2.6 Mesure de vibrations

       2.2.7 Analyse chimique

    2.3 Produits de laboratoire

       2.3.1 Mesures simultanées de grandeurs physiques différentes

       2.3.2 Mesure de rayons-X

    2.4 Structures intelligentes

3 L'avenir des capteurs à fibres

    3.1 Technologie

    3.2 Économie

Bibliographie

Nous allons dans ce chapitre décrire sur quelles propriétés optiques sont basés les capteurs. Ensuite nous ferons un rapide tour des différentes possibilités de mesures. Nous n'avons, volontairement, écrit aucune formule, cela afin de garder un volume réduit. Nous invitons le lecteur curieux à consulter les références bilbiographiques en particulier "Fiber Optic Sensors, An Introduction for Engineers and Scientists" édité par Eric Udd [ 21 ] et le rapport des "Techniques de l'Ingénieur" [ 10 ]. On pourra aussi consulter les chapitres 5 et 6 de "Thèmes actuels en optique" de Maurice Françon [ 11 ].

L'architecture d'un capteur à fibres optiques comporte les sous-ensembles suivants : un émetteur de lumière cohérente ou non (DEL, diodes laser), un guide d'onde optique (fibre monomode ou multimode, guide d'onde intégré), l'élément sensible à la mesure, le transducteur ainsi qu'un recepteur, un démodulateur et des cicruits d'alimentation énergétique. Nous allons maintenant, nous intéresser au transducteur et à ses différentes possibilités de mesure. Suivant la grandeur physique à mesurer, on aura différents phénomèmes optiques de modulation [ 10 ].

La modulation de polarisation apparait lors de la propagation d'une onde dans un milieu biréfringent. La biréfringence dans une fibre optique peut étre attribuée à plusieurs causes : ellipticité de coeur, contrainte latérale interne, effort latéral externe, torsion, courbure, température, champ magnétique. Les effets physiques mis en oeuvre peuvent aussi être elctro-optique (effet Pockels), magnéto-optique (effet Kerr). Les effets couplés (Pockels et thermique) ont par exemple permis de mesurer avec une précision du dixième de degré Celsius la température dans des réservoirs géothermiques situés à 2 km de profondeur [ 10 ].

Ces dispositifs sont simples à mettre en oeuvre.

Initialement, les capteurs à fibres optiques étaient employés dans des environements hostiles oú il pouvait y avoir des hautes températures, des matériaux corrosifs, des interférences électromagnétiques intenses, des riques d'explosion et enfin où les capteurs et transducteurs traditionnels ne fonctionnaient pas bien. Nous allons maintenant présenter une liste non-hexaustive des possibilités de mesures actuellement utilisées en industrie.

      2.2.1 Mesure de température

De multiples procédés permettent de mesurer la température avec les capteurs à fibres optiques. Le capteur peut être ponctuel ou réparti, actif ou passif, extrinsèque ou intrinsèque [ 10 , 21 ].

Le plus ancien système est celui de la pyrométrie basé sur le principe du rayonnement du corps noir. Le spectre optique d'un corps noir varie suivant la température. Cette méthode permet de mesurer les hautes températures dans une gamme s'étendant de 300°C à 3000°C. D'un point de vue technologique cela nécessite des fibres résistant à la chaleur. Cela s'obtient en entourant la fibre d'une gaine d'un métal avec un haut point de fusion. Dès que les conditions thermiques le permettent, la fibre résistante est couplée à une fibre moins résistante mais aussi moins cher.

La température peut aussi agir par dilatation de la fibre, la faiblesse de l'effet est compensée par la longueur de fibre.

On peut aussi utiliser la modulation d'intensité. Par analyse spectrale, on peut déterminer les radiations émises par le coeur de la fibre à l'équilibre thermique avec son environnement. C'est un système passif trés attractif. De plus 1'absorption de la fibre due aux impuretés permet de localiser spatialement n'importe quel point chaud sur la fibre.

Une autre technique basée sur la modulation d'indice de réfraction de la gaine est aussi possible. Cela entraine une variation de l'ouverture numérique mesurable.

D'autres systèmes existent basés sur l'effet Raman, la variation de la biréfringence dans des capteurs intrinsèques ou sur les propriétés optiques des cristaux liquides dans des capteurs extrinsèques. En ce qui concerne les performances, les capteurs à fibres multimodes basées sur l'effet Raman offrent une résolution de 1 à 2°C sur une plage de mesure de -50°C à +125°C, une résolution spatiale de 1 à 2 m sur des distances de 5 à 10 km. Les thermomètres à, cristaux liquides ont une précision de quelques degrés dans une plage plus réduite qui s'étend entre 10 et 50°C.

II existe aussi des mesures par couplage d'ondes évanescentes. Entre deux fibres on dispose d'une région où se situe le liquide dont on veut mesurer la température. En entrée, une seule fibre est éclairée. Dans la zone de mesure la lumiére passe dans l'autre par couplage. Le rapport des intensités en sortie de chaque fibre permet de remonter à l'indice. Il est nécessaire d'étalonner le senseur avec des liquides d'indices connus.

Une technique extrinsèque consiste à mesurer la déformée d'une membrane sensible à la pression [ 10, 16 ]. De la lumière est envoyée sur la membrane par un réseau de fibres en anneaux et est récupérée par d'autres fibres également rangées de manière concentriques. L'analyse des différentes intensités de chaque fibre permet de reconstituer la forme de la membrane et de là de remonter à la pression. Une méthode avec contact consite à poser directement sur la membrane ou l'élément sensible à la pression. L'inconvénient pour ce dernier procédé est la sensibilité aux vibrations.

On peut aussi utiliser la modification de la biréfringence dans des fibres enroulées sur des cylindres creux qui font varier la courbure des fibres sous l'effet de la pression. La biréfringence peut également être induite dans des fibres partiellement évidées. Cette technique permet de déceler 10 mPa avec des bobines de 50 m de longueur et de 30 mm de diamètre. Un autres système existe pour lequel, la fibre est prise entre deux machoires une fixe et l'autre mobile suivant la pression. On mesure alors les pertes par microcourbures. Ce système nécessite une calibration en fonction de la température [ 21 ].

Il existe aussi des capteurs interférométriques [ 1 ] en particulier dans les applications liées au son : hydrophone, microphone [ 4 ].

Un autre système basé sur la déviation à travers un prisme [ 21 ] est également disponible. Des lampes munies de deux filtres superposés de couleurs différentes (vert et rouge par exemple) sont disposées d'un coté du contenant à faces transparentes et taillées en prismes. En l'abscence de fluide, la lumière n'est pas déviée et on obtient du rouge. En présence de fluide, la lumière est déviée suivant la loi de Fresnel et c'est le faisceau de l'autre couleur qui passe. L'avantage de ce système est de pouvoir relier dirrectement les fibres à une armoire de lecture de niveau sans besoin d'électronique supplémentaire. En revanche, il ne convient pas pour des fluides opaques.

Une troisième technique consiste à étudier l'absorption spectrale de la lumière d'une DEL. On peut ainsi distinguer difFérentes espèces chimiques. Cela est employé dans l'industrie des hydrocarbures pour lesquls on a un pic d'absorption en infrarouge à 0,92 µm alors que l'eau a un pic à 0,96 µm [ 10 ].

Plusieurs techniques sont également disponibles pour cette grandeur. L'une d'elles consiste à, placer une fibre monomode tendue à travers un tube de fluide [ 10 ]. La fibre engendre un tourbillon qui lui même induit des déformations alternatives de la fibre. L'analyse spectrale des oscillations permet alors de remonter au débit. Pour les fluides contenant des particules, il est possible d'utiliser la vélocimétrie laser à effet Doppler distant. Le système est constitué de trois fibres et d'un laser. Deux fibres reliées au laser sont focalisées de manière à interférer. La troisième fibre lie le signal. Celui-ci est constitué de l'intensité variable dans le temps due aux particules alternativement éclairées par le réseau d'interférence. Dans les écoulements diphasiques liquide-gaz, on peut utiliser la fibre à extrémité en forme de en prisme afin de détecter la rapport entre les deux phases.

La technique des micro-rupteurs est utilisée depuis les années 1960. Dans les micro-rupteurs, la fibre amène un faisceau lumineux, pas forcément cohérent, qui se réfléchi sur la surface dont on veut connaitre la distance. La lumière réfléchie ou diffusée est captée par une fibre identique à la première ou non, puis dirigée vers une cellule photosensible. Diverses configurations avec des faisceaux de fibres permettent d'obtenir une précision de 0,1 nm ou moins sur une échelle de quelques millimètres [ 10 ]. Une autre technique consiste à intercaler entre un réseau 1D ou 2D une plaque perforée. Ce système est plus utilisé pour connaître la position absolue de pistons ou de vannes [ 21 ].

Un autre moyen extrinsèque celui-là consiste à envoyer un faisceau laser (He-Ne) par une fibre et à récuperer le signal réfléchi décallé en fréquence par effet Doppler. Ensuite, le signal est analysé. On atteint une erreur de 0,12% sur des ailettes de turbines à gaz tournant à 1000 tr/min excitées par un haut-parleur à 163 Hz [ 10 ].

En ce qui concerne les capteurs en environnements pollués, on peut citer les capteurs d'hydrocarbures [ 20 ] très utiles pour détecter la contamination du sol située près des réservoirs qui présentent de faibles pertes invibles au niveau du volume du produit mais qu on retrouve dans l'eau de table. Les capteurs à fibres sont en effet très avantageux par rapport aux capteurs conventionnels dans ce cas car ils sont capables de détecter de faibles concentrations (quelques ppm), ne nécessitant pas la prise d'échantillons puis analyses en laboratoire, de plus les mesures peuvent être faites en temps-réel et de manière continue. Toujours dans le domaine industriel, ce type de capteur permet de diminuer le gaspillage et d'augmenter la sécurité dans les usines produisant beaucoup de déchets toxiques [ 17 ].

Dans le domaine agroalimentaire, ces capteurs permettent de quantifier la quantité de gras, d'humidité ou de protéines dans les poissons par exemple [ 15 ]. Des capteurs d'alcool existent également [ 8 ].

Dans le domaine médical, les capteurs à fibres optiques permettent des mesures in-vivo en temps réel de la pression partiel de C02, du pH ou encore du glucose, du lactose [ 10 ]. Cela peut s'avérer très utile pendant des opérations chirurgicales délicates. Les laboratoires d'analyses peuvent aussi mesurer le cholesterol [ 18 ] ou bien d'autres substances chimique. La liste est longue et il serait fastidieux de citer toutes les possibilités. C'est un secteur en pleine expansion promis à un bel avenir.

• Courant-tension

Profitons de ce système bi-mesure [ 19 ] pour discuter des mesures électromagnétiques dont nous n'avons pas parlé dans le chapitre précédent.

Le champ magnétique peut être mesuré par différents moyens. Il peut s'agir de rotation magnétooptique (effet Faraday), magnétoconstriction, effet de biréfringence magnétique linéaire ou encore de l'effet Kerr magnétooptique.

Le champ électrique peut aussi être mesuré de plusieurs façons: par effet piezoelectrique, par effet Kerr électrooptique, par effet Pockels ou par électrostriction.

Certains de ces effets sont linéaires d'autres non. Toute la technique pour mettre au point un détecteur multimesure consiste à trouver la combinaison de deux effets de type différent. Ainsi après traitement convenable du signal obtenu, on remonte aux mesures de chaque grandeur. Le multiplexage qui consite à faire se propager de manière indépendante plusieurs signaux comme sur les lignes téléphoniques n'est pas ici nécessaire. En effet l'information des deux grandeurs est contenue dans un unique signal.

Il a été montré [ 19 ] qu'un système possible était d'utiliser le stress magnétique (non linéaire) pour la mesure du courant et l'effet piezoélectrtique (linéraire) pour la mesure de la tension. Chaque type de mesure a été testé seul de 400 à 1100 A pour le courant et entre 10 et 310 V pour la tension. Des mesures simultannées ont été effectuées à tension constante 150 V en faisant varier le courant dans toute la gamme testée plus haut. Cette configuration tension constante et courant variable est la plus fréquemment rencontrée dans la pratique.

• Vibration-température

Ce système a été étudié pour être utilisé dans les générateurs électriques [ 6 ]. Il est basé sur la modulation d'intensité de la lumière. Il exploite, lui aussi, un effet non linéaire qui peut être un avantage ou un inconvénient suivant qu'on peut distinguer son signal du signal de l'autre grandeur initialement seule mesurée qui elle est linéaire. Ce capteur nécessite un traitement électronique et informatique en aval.

L'idée de base est récuperer le signal complet puis de le traiter pour séparer partie linéaire et non-linéaire et obtenir les deux mesures. Pratiquement, les mesures de vibration sont faites dans la partie linéaire alors que pour la température c'est la partie non linéaire qui est exploitée. Utilisé à une fréquence fixe (celle du générateur), le capteur mesure l'amplitude des vibrations d'une lame qui ne doit pas être à la résonance à la fréquence du générateur. La précision obtenue est de +-2,5µm dans une plage de température de 20 à 75°C. La précision sur la température est de +-2,5°C.

Ce capteur est trés avantageux car il fournit deux paramètres importants pour la surveillance des générateurs de grande puissance. On le préfera aux capteurs classiques pour sa résistance aux conditions sévères rencontrées dans cet environement.

Avec cet exemple, nous voyons bien la diversité des fibres optiques en tant que capteurs. Ce système de mesure [ 2 ] est basé sur l'effet photothermique généralisé qui est le réchauffement d'un matériau sous l'interaction d'une onde électromagnétique ou d'un flux de particules. Ce réchauffement provoque une dilatation de la fibre qui induit une modulation de phase qui est elle-même mesurée par un procédé interférométrique. La variation de température est directement proportionnel à la densité de flux reçu. Ce procédé intrinsèque utilise une fibre monomode en silice à maintient de polarisation. La partie soumise au rayonnement est placé devant un obturateur à pales métalliques modulées à une fréquence de 9 Hz. On peut ainsi mesurer des flux intenses de rayons-x (photons de 17 keV environ). Par contre il n'est pas possible de détecter les photons un par un ou des densités de flux faibles. Le détecteur opérant dans l'air pourrait voir sa sensibilté augmenter d'un ou deux ordres de grandeur sa sensibilité si il était dans un environnement sous-vide. Néanmoins il montre déjà une sensibilité plus grande que les dosimètres déja existant utlisant des thermocouples ou des thermistors. On peut aussi obtenir de l'information spatiale 1D ou 2D en utilisant un réseau de fibre. Un inconvénient possible est la dégradation de la fibre aprés une exposition prolongée.

Nous avons réservé une partie spéciale aux détecteurs à fibres optiques dédiés aux structures intelligentes (smart structures en anglais). En effet avec ce type de détecteur, on franchit une étape conceptuelle importante. On ne se contente plus de prendre une mesure en un unique endroit mais sur une structure géométriquement étendue. De plus, ce type de capteur est intégré dans l'élément que l'on surveille et sur lequel on peut agir en retour de manière automatique ou non. Ces systèmes peuvent étre employés pour les structures spatiales [ 7 ], les bâtiments, les ponts, les transports en géneral. On peut aussi penser à des capteurs de masse ou de vitesse intégré dans la chaussée. Les fibres se pretent bien à l'intégration dans les matériaux nouveaux comme les composites [ 21 ]. En particulier leur présence n'influe pas sur l'intégrité des matériaux.

D'un point de vue technologique il y aura des améliorations au niveau de la miniaturisation [ 9 ] et de la complexité. Les recherches en laboratoires sont nombreuses et variées. Les traitements des informations, de plus en plus nombreuses (surveillance industrielle, batiments intelligents, ...), et les composants annexes (connectique, multiplexeur, ...) entrainent des développements de capteurs de plus en plus complexes. La possiblité de pouvoir mesurer des grandeurs physiques différentes de manière simultannée contrebalanceront quelque peu son prix parfois élevé.

On peut citer comme applications prometteuses les spectrophotomètres portables [ 3 , 12 ] qui permettent de déterminer la contenance de substance emballées sans manipulation ou attente indésirable. La gamme de ces spectrophotomètres va de l'UV à l'infrarouge suivant le type de fibres utiliseées. Il y a aussi les renifleurs chimiques pour surveiller les environnements pollué [ 20 , 17 ] et l'intégration de toute sorte de structure mécanique [ 21 , 7 ] batiment, avion, fusée, automobile, route, pont... D'autres applications sont également envisageables comme l'intrégration de tels capteurs dans des tissus pour favoriser les stimulis de personnes handicapées, avoir des rideaux actifs ou des vétements de sécurité pour environnements dangereux [ 5 ]. Notons aussi qu'il est possible de faire de l'holographie par fibres optiques [ 10 ] ou du guidage avec des gyroscopes optiques de plus en plus perfectionnés [ 13 , 14 ].

Signalons, avant de passer au coté économique du sujet, un moyen moderne mais (perfectible surtout en ce qui concerne le débit) pour obtenir des renseignements sur les techniques et les produits disponibles: internet. Voici plusieurs adresses de serveurs en partie dédiés aux capteurs à fibres optiques:

• Fiber Optic Marketplace : http://fiberoptic.com/
• The Bleue Road Reaserch : http://www.igigroup.com/
• Dinel fibres optiques plastiques : http://www.cpi.fr/dinel/plastic.htm

On peut y trouver des renseignements d'ordres techniques ainsi que des entreprises qui proposent des produits finis ou des éléments suseptibles d'étre intégrés dans les capteurs à fibres optiques. On trouve également des sociétés de services ou d'étude de conception de capteurs spécifiques.

   3.2 Économie

[1] R. A. Atkins, J. H. Gardner, W. N. Gibler, C. E. Lee, M. D. Oakland, M. O. Spears, V. P. Swenson, H. F. Taylor, J. J. McCoy, and G. Beshouri. Fiberoptic pressure sensors for internal combustion engines. Applied Optics, 33(7), March 1994.

[2] F. Barone, U. Bernini, M. Conti, A. Del Guerra, L. Di Fiore, M. Gambaccini, R. Liuzzi, L. Milano, G. Russo, P. Russo, and M. Salvato. Detection of x-rays with a fiber-optic interferometric sensor. Applied optics, 32(7), March 1993.

[3] L. J. Bean. Advances in notebook computer, optics and optical fibers boost viability for environmental and consumer applications. Photonics Spectra, January 1996.

[4] J. Bell. Light senses sounds of crime, war and oil-wells. Opto & Laser Europe, 35, November 1996.

[5] J. Bell. Optical fabrics look good, feel great and save lives. Opto & Laser Europe, 35, November 1996.

[6] M. Brenci, A. Mencaglia, and A. G. Mignani. Fiberoptic sensor for simultaneous and independent mesurement of vibration and temperature in electric generators. Applied Optics, 30(21), July 1991.

[7] K. E. Brudin. Fiber optic sensors: Smart technology dor safety. Photonics Spectra, January 1996.

[8] A. G. Coventry. In line measurement of alcohol and original gravity unsing fiberoptic sensor. Cerevisia and Biothechnologg, 19(4), 1994.

[9] K. R. Farmer and T. G. Digges Jr. A miniature fiber sensor keeps pressure under control. Photonics Spectra, August 1996.

[10] M. Ferreti. Capteurs à fibres optiques. Technical Report 1 II, 415, Techniques de l'ingénieur, 1994.

[11] Maurice Françon. Thèmes actuels en optique, chapter 5 et 6. Collection Physique fondamentale et appliquée. Masson, 1986.

[l2] K. Grim. Several fibers and analysis techniques offer options for laboratories and industrial process control. Photonics Spectra, December 1996.

[l3] Un groupe d'ingénieur de chez Thomson. L'optique guidée monomode et ses applications, chapter Gyromètre à fibre optique : principes et technologies. Masson, 1985.

[14] K. Hotate. Fiber optic gyros put a new spin on navigation. Photonics Spectra, April 1997.

[15] T. Isaksson, G. Togersen, A. Iversen, and KI. Hildrum. Non-destructive determination of fat, moisture and protein fillets by use of near-infrared diffuse spectroscopy. Journal of the Science of Food and Agriculture, 69(1), 1995.

[16] K. Iwamoto and I. Kamata. Pressure sensor using optical fibers. Applied Optics, 29(3), January 1990.

[17] R. Kronquist. Optical cable sensors improve waste management. Photonics Spectra, February 1996.

[18] A. Krugg, A. A. Suleiman, G. G. Guibault, and R. Kellner. Colorimetric determination of free and total cholesterol by flow injection analys with a fiberoptic. Enzyme and Microbial Technology, 14(4), 1992.

[19] N. Rajkumar, V. Jagadeesh Kumar, and P. Sankaran. Fiber sensor for the simultaneous measurement of current and voltage in highvoltage system. Applied Optics, 32(7), March 1993.

[20] D. P. Saini and S. L. Coulter. Fiber sensors sniff out enviromental pollutants. Photonics Spectra, March 1996.

[21] Eric Udd, editor. Fiber Optic Sensors, an Introduction for Engineers and Scientists. Wiley Series in Pures and Applied Optics. Wiley & Sons, 1991.

[22] Chai Yeh, Handbook of Fiber Optics Theory and Application. Academic Press 1990. chap. 11 Opticial Fiber Sensors.