FR2463917A1 - Capteur optique - Google Patents
Capteur optique Download PDFInfo
- Publication number
- 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
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- waveguides
- fringes
- optical sensor
- light
- beams
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 14
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 title description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 22
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 2
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N helium neon Chemical compound [He].[Ne] CPBQJMYROZQQJC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000002657 fibrous material Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical 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
- G01D5/26—Mechanical 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
- G01D5/32—Mechanical 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
- G01D5/34—Mechanical 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
- G01D5/353—Mechanical 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
- G01D5/35303—Mechanical 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
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
LA PRESENTE INVENTION CONCERNE UN CAPTEUR OPTIQUE. CE CAPTEUR OPTIQUE EST CARACTERISE EN CE QU'IL COMPREND UN LASER 1 EMETTANT UN FAISCEAU DE LUMIERE COHERENTE, DES MOYENS 3 POUR SEPARER CE FAISCEAU EN DEUX FAISCEAUX ELEMENTAIRES ET POUR LES APPLIQUER AUX ENTREES DE DEUX GUIDES D'ONDE LUMINEUSE 6, 7, DE MEME LONGUEUR, L'UN AU MOINS 6 DE CES GUIDES D'ONDE LUMINEUSE ETANT SUSCEPTIBLE DE SUBIR UNE VARIATION DE LONGUEUR SOUS L'INFLUENCE DE LA GRANDEUR PHYSIQUE A MESURER, UN INTERFEROMETRE 8 COMBINANT LES DEUX FAISCEAUX ELEMENTAIRES APPARAISSANT AUX SORTIES DES DEUX GUIDES D'ONDE LUMINEUSE ET PRODUISANT UN RESEAU DE FRANGES FONCTION DU DEPHASAGE ENTRE LES DEUX FAISCEAUX DE SORTIE, ET DES MOYENS 9, 10 POUR COMPTER LES FRANGES FORMEES PAR SUITE DE LA COMBINAISON DES DEUX FAISCEAUX ELEMENTAIRES DE SORTIE ET POUR DONNER, A PARTIR DU RESULTAT DU CALCUL, UNE VALEUR DE LA GRANDEUR MESUREE. APPLICABLE A LA MESURE DE GRANDEURS PHYSIQUES TELLES QUE FORCES, PRESSIONS, TEMPERATURES.
Description
La présente invention concerne un capteur optique pour la mesure de grandeurs physiques telles que forces, pressions, température, 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Le capteur optique représenté schématiquement sur le dessin comprend un laser 1 émettant un faisceau de lumière cohérente.
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).
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).
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.
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.
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.
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
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
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.
Le premier terme de ltéquation (1) représente un change ment physique de longueur provoqué par la contrainte et peut s'écrire simplement
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
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
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.
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.
Pour les verres type n = 1,5, = 0,25 et 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
# 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
<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> <SEP> ~~~~ <SEP> I'équation <SEP> QCp,,7. <SEP> a)
<tb> dans laquelle E est le module de Young.
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.
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
Dans le cas d'un laser du type hélium-néon et de fibres en silicate (# = 0, 633 micron et n = 1, 456) on obtient
= 107 rad/ C m
Autrement dit on obtient un déplacement de 17 franges par degré et par mètre de fibres.
= 107 rad/ C m
Autrement dit on obtient un déplacement de 17 franges par degré et par mètre de fibres.
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.
Claims (5)
1. Capteur optique pour la mesure de grandeurs physiques telles que
forces, pressions, température, caractérisé en ce qu'il comprend un
laser (1) émettant un faisceau de lumière cohérente, des moyens (3)
pour séparer ce faisceau en deux faisceaux élémentaires et pour les
appliquer aux entrées de deux guides d'onde lumineuse( 6, 7,) de meme
longueur, l'un au moins( 6)de ces guides d'onde lumineuse étant suseep
tible de subir une variation de longueur sous l'influence de la grandeur
physique à mesurer, un interféromètre(8) combinant les deux faisceaux
élémentaires apparaissant aux sorties des deux guides d'onde luminetise
et produisant un réseau de franges fonction du déphasage entre les deux
faisceaux de sortie, et des moyens(9, 10)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.
2. Capteur optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'un seul
des guides d'onde lumineuse(6), constituant un guide d'onde de mesure,
est soumis à l'influence de la grandeur physique à mesurer, l'autre
guide d'onde de référence(7)n'étant pas soumis à cette influence et ayant
une longueur invariable.
3. Capteur optique suivant la revendication 1 caractérisé en ce que les
deux guides d'onde(6, 7) sont disposés de telle façon que sous l'influence
de la grandeur physique à mesurer, ils se déforment de façon opposée.
4. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3
caractérisé en ce que les guides d'onde lumineuse sont constitués par
des réseaux de fibres optiques monomode, le ou les guides d'onde de
mesure étant disposés de façon que l'allongement dans une direction du
réseau se caractérise par le maximum d'allongement des fibres.
5. Capteur optique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3
caractérisé en ce que les guides d'onde lumineuse sont constitués par
des couches conductrices de lumière formées sur ou dans un substrat,
en utilisant les techniques de l'optique intégrée.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7920835A FR2463917A1 (fr) | 1979-08-17 | 1979-08-17 | Capteur optique |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
FR7920835A FR2463917A1 (fr) | 1979-08-17 | 1979-08-17 | Capteur optique |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
FR2463917A1 true FR2463917A1 (fr) | 1981-02-27 |
FR2463917B1 FR2463917B1 (fr) | 1982-07-02 |
Family
ID=9228898
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
FR7920835A Granted FR2463917A1 (fr) | 1979-08-17 | 1979-08-17 | Capteur optique |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
FR (1) | FR2463917A1 (fr) |
Cited By (1)
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 |
-
1979
- 1979-08-17 FR FR7920835A patent/FR2463917A1/fr active Granted
Cited By (1)
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 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR2463917B1 (fr) | 1982-07-02 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP0326475B1 (fr) | Capteur de température multipoints à fibre optique | |
Davis | Fiber optic sensors: an overview | |
EP0434504A1 (fr) | Capteur à fibre optique | |
EP0079268B1 (fr) | Interferomètre de type Michelson à miroir photoréfractif | |
EP0120737B1 (fr) | Hydrophone à fibre optique | |
EP1803004A1 (fr) | Capteur optique utilisant une interferometrie a basse coherence | |
EP0326476B1 (fr) | Hydrophone à fibre optique et antenne associant une série d'hydrophones | |
FR2613826A1 (fr) | Capteur de deplacement en optique integree | |
FR2542868A1 (fr) | Capteur a cavites de fabry-perot | |
WO2006123068A1 (fr) | Procede et appareil pour la determination d’un allongement, et capteur d’extensometrie mis en oeuvre pour ce procede | |
FR2826448A1 (fr) | Systeme de mesure differentielle fonde sur l'utilisation de paires de reseaux de bragg | |
EP0971203B1 (fr) | Procédé et dispositif pour la mesure de l'épaisseur d'un matériau transparent | |
FR2942049A1 (fr) | Microscope de plasmon de surface a haute resolution comportant un interferometre heterodyne fibre | |
JP5156291B2 (ja) | フローセル中を流れるサンプルの光学的特性計測装置 | |
Mariller et al. | Fiber-Optic" White-Light" Birefringent Temperature Sensor | |
FR2463917A1 (fr) | Capteur optique | |
Chyad et al. | Acoustic fiber sensors by Fabry-Perot interferometer technology | |
FR2547049A1 (fr) | Dispositif de telemesure par polarimetrie | |
EP0591912B1 (fr) | Interféromètre, comprenant un ensemble intégré et un miroir séparés l'un de l'autre par une région de mesure | |
Pelayo et al. | Chromatic dispersion characterization in short single-mode fibers by spectral scanning of phase difference in a Michelson interferometer | |
EP0754955A1 (fr) | Procédé de mesure différentielle de l'angle d'incidence d'un faisceau lumineux et dispositif de mesure pour la mise en oeuvre du procédé | |
EP0450244B1 (fr) | Dispositif de lecture de capteurs à fibres optiques | |
Todd | Optical‐Based Sensing | |
Kang et al. | Temperature-independent demodulation technique for fiber Bragg grating strain sensors using a tilted fiber Bragg grating | |
RU2568072C1 (ru) | Оптоволоконный интерферометрический датчик статического и динамического давления |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
TP | Transmission of property | ||
TP | Transmission of property | ||
ST | Notification of lapse |