FR2628205A1 - Enclosed corrosion resistant fibre=optic pressure gauge - has isotropic and weakly refringent optical fibre enclosed between ribbons made from corrosion resistant metal - Google Patents
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Abstract
Description
RÉPUBLIQUE FRAN AISE N0 de publication: 2 628 205 (à n'utiliser que pourFRENCH REPUBLIC Publication no .: 2,628,205 (to be used only for
les INSTITUT NATIONAL commandes de reproduction) the NATIONAL INSTITUTE reproduction orders)
DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLEINDUSTRIAL PROPERTY
D N0 d'enregistrement national 88 02765 PARIS D National registration number 88 02765 PARIS
IntCI: GO1 L 11/OO. IntCI: GO1 L 11 / OO.
Q DEMANDE DE BREVET D'INVENTION AiQ APPLICATION FOR A PATENT FOR INVENTION Ai
Date de dépôt 4 mars 1988. Demandeur(s): COMPAGNIE GENERALÈ D'ELECTRI- Filing date March 4, 1988. Applicant (s): COMPAGNIE GENERALÈ D'ELECTRI-
CITE, Société anonyme. - FR.CITE, Société anonyme. - FR.
( Priorité: ('Inventeur(s): André Tardy; Michel Jurczyszyn: Roger Boislaigue. N Date de la mise à disposition du public de la (Priority: ('Inventor (s): André Tardy; Michel Jurczyszyn: Roger Boislaigue. N Date of public availability of the
demande: BOPI " Brevets " n0 36 du 8 septembre 1989. application: BOPI "Patents" no 36 of September 8, 1989.
6 Références à d'autres documents nationaux appa- 6 References to other national documents appearing
rentés: rentés Titulaire(s):rentés: rentés Holder (s):
( Mandataire(s): Danièle Laroche, Sospi. (Agent (s): Danièle Laroche, Sospi.
Jauge de pression à fibre optique. Jauge de pression constituée par une fibre optique 1 2 coincée entre deux rubans métalliques 2, 3. Lorsqu'une force est appliquée suivant une direction de la fibre, on mesure le déphasage entre les vibrations lumineuses polarisées suivant cette direction et les vibrations lumineuses polarisées suivant la direction orthogonale. s d0 U r At fmHAI'ILI.EI NATIONALE. 27. rue de le Convention -- 75732 PARIS CEDEX 15 Jauge de pression à fibre optique La présente invention concerne une jauge de pression à fibre optique. On connait une jauge de pression o l'on mesure les variations de la phase de l'onde lumineuse propagée par une fibre optique placée dans un champ de pression isotrope, et dont l'indice est modifié par cette pression. Ce principe est décrit dans l'article de G.B. HOCKER "Fiber-optic acoustic-sensors with increased sensitivity by use of Fiber optic pressure gauge. Pressure gauge constituted by an optical fiber 1 2 wedged between two metal strips 2, 3. When a force is applied in a direction of the fiber, the phase difference between the light vibrations polarized in this direction and the light vibrations polarized according to the direction is measured. the orthogonal direction. s d0 U r At fmHAI'ILI.EI NATIONALE. 27. rue de le Convention - 75732 PARIS CEDEX 15 Fiber optic pressure gauge The present invention relates to a fiber optic pressure gauge. We know a pressure gauge where we measure the variations of the phase of the light wave propagated by an optical fiber placed in an isotropic pressure field, and whose index is modified by this pressure. This principle is described in the article by G.B. HOCKER "Fiber-optic acoustic-sensors with increased sensitivity by use of
composite structures" OPTICS LETTERS vol. 4, n 10/ Octobre 1979. composite structures "OPTICS LETTERS vol. 4, n 10 / October 1979.
Afin d'accroitre la sensibilité de la mesure, on enrobe la fibre de verre dans un élastomère silicone, ou tout matériau plastique très compressible. Pour une longueur d'onde égale à 1 micron, la variation de In order to increase the sensitivity of the measurement, the glass fiber is coated with a silicone elastomer, or any highly compressible plastic material. For a wavelength equal to 1 micron, the variation of
phase mesurée est égale à 660 radians/MégaPascal/mètre de fibre. measured phase is equal to 660 radians / MegaPascal / meter of fiber.
Une telle structure souffre des phénomènes de non-linéarité et d'incapacité à.fonctionner sous une haute charge statique, du fait du Such a structure suffers from phenomena of non-linearity and inability to operate under a high static load, due to the
comportement inélastique des élastomères. inelastic behavior of elastomers.
On connait également une jauge comportant une fibre complexe en verre présentant un coeur en verre et deux canaux parallèles, situés de We also know a gauge comprising a complex glass fiber having a glass core and two parallel channels, located
part et d'autre du coeur et remplis d'un gaz ou d'un liquide. on either side of the heart and filled with a gas or liquid.
Une telle fibre est décrite dans l'article de H.M. XIE et al "Side-hole fiber for fiber-optic pressure sensing" OPTICS LETTERS, vol 11, n 5/ Such a fiber is described in the article by H.M. XIE et al "Side-hole fiber for fiber-optic pressure sensing" OPTICS LETTERS, vol 11, n 5 /
Mai 1986.May 1986.
Lorsque le gaz ou le liquide est à une pression P, des contraintes anisotropes se développent dans le coeur de la fibre et induisent une biréfringence par effet élasto-optique. Cette biréfringence conduit à un déphasage entre les vibrations lumineuses polarisées orthogonalement qui se propagent dans la fibre. Pour une longueur d'onde de 1 micron, le déphasage est égal à 60 radians/Megapascal/mètre de fibre. La sensibilité de cette jauge est insuffisante. En outre sa fabrication When the gas or the liquid is at a pressure P, anisotropic stresses develop in the core of the fiber and induce a birefringence by elasto-optical effect. This birefringence leads to a phase shift between the orthogonally polarized light vibrations which propagate in the fiber. For a wavelength of 1 micron, the phase shift is equal to 60 radians / Megapascal / meter of fiber. The sensitivity of this gauge is insufficient. Furthermore its manufacture
implique la réalisation d'une fibre spéciale extrêmement coûteuse. involves the production of an extremely expensive special fiber.
On connait un troisième type de jauge de pression à fibre optique décrit par A. BERTHOLDS et R. DANDLIKER "High resolution photoelastic pressure sensor using low birefringence fiber" APPLIED OPTICS/Vol 25, n A third type of fiber optic pressure gauge is known, described by A. BERTHOLDS and R. DANDLIKER "High resolution photoelastic pressure sensor using low birefringence fiber" APPLIED OPTICS / Vol 25, n
3/ler février 1986.February 3/1986.
Selon ce principe, une fibre optique à faible biréfringence intrinsèque According to this principle, an optical fiber with low intrinsic birefringence
: 2628205: 2628205
- 2 - est disposée entre deux plateaux parallèles entre eux, sur lesquels sont appliquées des contraintes 'de pression. On étudie le déphasage entre la vibration lumineuse située dans le plan d'application de la force et une - 2 - is arranged between two plates parallel to each other, on which pressure constraints are applied. We study the phase shift between the light vibration located in the plane of application of the force and a
vibration lumineuse située dans le plan orthogonal. light vibration located in the orthogonal plane.
Une telle disposition présente de grosses difficultés d'utilisation pratique. La présente invention a pour but d'éviter ces inconvénients et de réaliser une jauge de pression plus sensible que les jauges précédentes Such an arrangement presents great difficulties of practical use. The object of the present invention is to avoid these drawbacks and to produce a more sensitive pressure gauge than the preceding gauges.
et de mise en oeuvre plus aisée dans des milieux très variés. and easier to implement in a wide variety of environments.
La présente invention a pour objet une jauge de pression à fibre optique à faible biréfringence intrinsèque, comportant des moyens pour mesurer le déphasage entre des premières vibrations lumineuses polarisées parallèlement à la direction d'une force appliquée sur la fibre et des secondes vibrations lumineuses polarisées orthogonalement à cette direction, caractérisée par le fait que ladite fibre est enserrée, de manière à être coincée, entre deux rubans en un matériau élastique dont la largeur est de l'ordre de 0,5 à 2 centimètres et dont les bords The subject of the present invention is a fiber optic pressure gauge with low intrinsic birefringence, comprising means for measuring the phase shift between first polarized light vibrations parallel to the direction of a force applied to the fiber and second orthogonally polarized light vibrations. to this direction, characterized in that said fiber is clamped, so as to be wedged, between two ribbons of an elastic material whose width is of the order of 0.5 to 2 centimeters and whose edges
sont solidarisés deux à deux.are joined together two by two.
Le matériau des rubans est de préférence choisi parmi les métaux tels que l'acier, et des alliages de différentes nuances résistant à la corrosion, à la chaleur ou de dilatation contr8lée; le choix dépend notamment des milieux et des fluides o doit se trouver la jauge et dont The material of the ribbons is preferably chosen from metals such as steel, and alloys of different grades resistant to corrosion, to heat or to controlled expansion; the choice depends in particular on the media and the fluids where the gauge must be located and whose
les caractéristiques physiques et chimiques sont très variées. the physical and chemical characteristics are very varied.
On obtient ainsi une jauge dont tous les matériaux présentent un A gauge is thus obtained in which all the materials have a
comportement élastique dans un large domaine de charges. elastic behavior in a wide range of loads.
L'épaisseur de chaque ruban peut être de l'ordre de 25 à 250 m. The thickness of each ribbon can be of the order of 25 to 250 m.
Selon un mode de réalisation, lesdits rubans sont bobinés de According to one embodiment, said ribbons are wound with
manière à former une hélice.so as to form a helix.
Eventuellement les conduits définis à l'intérieur des rubans peuvent être remplis de liquide ou-de gaz sous pression. En particulier, la création d'un vide à l'intérieur du tube conduit à un capteur de pression absolue (pression extérieure au tube). Plus généralement la pression mesurée, soit intérieure, soit extérieure, peut représenter une différence, de valeur quelconque, entre les deux pressions intérieure et Optionally the conduits defined inside the ribbons can be filled with liquid or gas under pressure. In particular, the creation of a vacuum inside the tube leads to an absolute pressure sensor (pressure outside the tube). More generally, the pressure measured, either internal or external, can represent a difference, of any value, between the two internal pressures and
extérieure.outside.
-3 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention Other characteristics and advantages of the present invention
apparaîtront au cours de la description suivante de modes de réalisation will appear during the following description of embodiments
donnés à titre illustratif mais nullement limitatif. given by way of illustration but in no way limitative.
Dans le dessin annexé: - La figure 1 montre très schématiquement en coupe une jauge de pression In the attached drawing: - Figure 1 very schematically shows in section a pressure gauge
selon l'invention.according to the invention.
- La figure 2 est un schéma servant de base au calcul du déphasage - Figure 2 is a diagram used as a basis for calculating the phase shift
optique inhérent à la force exercée par les rubans sur la fibre coincée. optics inherent in the force exerted by the ribbons on the stuck fiber.
- La figure 3 illustre schématiquement une variante de réalisation de - Figure 3 schematically illustrates an alternative embodiment of
jauge selon l'invention.gauge according to the invention.
On voit dans la figure 1 une fibre optique en verre isotrope 1, de rayon r égal par exemple à 50 microns, enserrée entre deux rubans We see in Figure 1 an isotropic glass optical fiber 1, of radius r equal for example to 50 microns, sandwiched between two ribbons
métalliques 2 et 3, par exemple en acier. Ces rubans sont soudés bord à. metallic 2 and 3, for example steel. These ribbons are welded edge to edge.
bord en 5 et 6. Leur largeur est de préférence de 1 centimètre, mais edge in 5 and 6. Their width is preferably 1 centimeter, but
peut aller de 0,5 à 2 cm.can range from 0.5 to 2 cm.
La fibre 1 doit être coincée entre les deux rubans qui créent donc sur elle deux forces diamétralement opposées dont la valeur est fonction The fiber 1 must be wedged between the two ribbons which therefore create on it two diametrically opposite forces whose value is a function
de la flexion des rubans.of the bending of the ribbons.
Afin de définir ces forces initiales, on utilise le schéma de la figure 2 o l'on a illustré une lame 10 considérée comme une poutre fléchie par une force F concentrée, appliquée au centre de la lame. La flèche au centre est équivalente au rayon r de la fibre. La lame 10 est fixée en 11 et 12. La longueur 1, correspondant à la distance entre les deux soudures des rubans excluant les portions soudées, est visible sur la In order to define these initial forces, the diagram in FIG. 2 is used, where a blade 10 is considered to be a beam bent by a concentrated force F, applied to the center of the blade. The arrow in the center is equivalent to the radius r of the fiber. The blade 10 is fixed at 11 and 12. The length 1, corresponding to the distance between the two welds of the tapes excluding the welded portions, is visible on the
figure 1 et reportée sur la figure 2. Figure 1 and shown in Figure 2.
Il est d'usage de considérer dans ce cas que les conditions aux appuis sont intermédiaires entre celles de l'encastrement simple et It is customary to consider in this case that the support conditions are intermediate between those of simple installation and
celles de l'appui simple.those of simple support.
Le rapport entre la force F et la longueur de la fibre L est donc défini par la double inégalité: 4E. r (h/1)3 < F/L < 16 E r (h/l) avec (l- é) (1 -_F) h: épaisseur de la lame 10 E: module d'élasticité du matériau de la lame 10 -4- : coefficient de Poisson du matériau de la lame 10 E h /12 (1 -ô) représente la rigidité de flexion d'une lame de The relationship between the force F and the length of the fiber L is therefore defined by the double inequality: 4E. r (h / 1) 3 <F / L <16 E r (h / l) with (l- é) (1 -_F) h: thickness of the blade 10 E: modulus of elasticity of the material of the blade 10 -4-: Poisson's ratio of the material of the blade 10 E h / 12 (1 -ô) represents the bending stiffness of a blade of
longueur unitaire.unit length.
La valeur de la précharge par unité de longueur, obtenue expérimentale- The value of the preload per unit of length, obtained experimentally-
ment, se situe sensiblement au-dessus de la valeur médiane, soit: F/L * 13 Er (h/l)3 ment, is significantly above the median value, i.e.: F / L * 13 Er (h / l) 3
(1- 2)(1- 2)
Exemple numérique: Pour l'acier: E = 2.10 MPa = 0,3 Avec 1 = 10 mm, r = 50 m, la précharge se situe à h = 100 m F/L = 143 N/m Numerical example: For steel: E = 2.10 MPa = 0.3 With 1 = 10 mm, r = 50 m, the preload is at h = 100 m F / L = 143 N / m
h = 50 m F/L = 18 N/m.h = 50 m F / L = 18 N / m.
La précharge appliquée à la fibre conduit donc à un déphasage entre les vibrations lumineuses orthogonales qui se propagent dans la fibre, de: A: =o104. C E (h/l)3. (L/>)/(1- 2) The preload applied to the fiber therefore leads to a phase shift between the orthogonal light vibrations which propagate in the fiber, by: A: = o104. C E (h / l) 3. (L />) / (1- 2)
qui ne dépend pas du diamètre de la fibre. which does not depend on the diameter of the fiber.
Avec les valeurs numériques de l'exemple précédent et pour = lm: Si h = 100 1m LÄ /L = 69 rads/m With the numerical values of the previous example and for = lm: If h = 100 1m LÄ / L = 69 rads / m
Si h = 50 m d /L = 8 rads/m.If h = 50 m d / L = 8 rads / m.
En présence d'une pression extérieure Pe' la fibre est sollicitée en compression par des forces supplémentaires concentrées au milieu des rubans. Si on appelle X ces forces et si l'on utilise l'hypothèse des appuis encastrés: In the presence of an external pressure Pe 'the fiber is stressed in compression by additional forces concentrated in the middle of the ribbons. If we call X these forces and if we use the hypothesis of built-in supports:
X/L = 0,5 P 1X / L = 0.5 P 1
e Dans le cas de l'hypothèse des appuis simples, le résultat est peu différent: e In the case of the simple support hypothesis, the result is little different:
X/L = 0,62 P 1X / L = 0.62 P 1
e La lame 10 est considérée comme une poutre subissant une charge uniformément répartie P L. A cette charge uniforme correspond une e - e The blade 10 is considered as a beam undergoing a uniformly distributed load P L. To this uniform load corresponds an e -
nouvelle réaction X à l'appui constitué par la fibre. new reaction X to the support constituted by the fiber.
Le déphasage optique lié à la pression P est alors: = 4 C Pe L l/ ( r)e Celui-ci ne dépend pas de l'épaisseur des lames. The optical phase shift linked to the pressure P is then: = 4 C Pe L l / (r) e This does not depend on the thickness of the blades.
C est la constante photoélastique relative du verre de silice. C is the relative photoelastic constant of silica glass.
Si on repasse du modèle schématique de la figure 2 à la réalisation de la figure 1, on peut dire que la sensibilité par unité de longueur de la jauge selon l'invention est de: 1/LA /A Pe = 4 C 1/ (Nr) La sensibilité est d'autant plus importante que le rapport 1/r est grand. A la longueur d'onde de 1 m, une-largeur de jauge 1 = 10 mm et un rayon de fibre de 50 m, conduisent à une sensibilité de If we return from the schematic model of Figure 2 to the embodiment of Figure 1, we can say that the sensitivity per unit length of the gauge according to the invention is: 1 / LA / A Pe = 4 C 1 / ( Nr) The sensitivity is all the more important as the ratio 1 / r is large. At the wavelength of 1 m, a gauge width 1 = 10 mm and a fiber radius of 50 m, lead to a sensitivity of
2640 rads.m NMPa-1 ou 264 rads.m -1 bar - 2640 rads.m NMPa-1 or 264 rads.m -1 bar -
Cette sensibilité est très supérieure à celle qui était obtenue par la This sensitivity is much higher than that obtained by the
mise en oeuvre des jauges de l'art antérieur. implementation of the gauges of the prior art.
Si l'on a une jauge de 1 mètre de long on peut détecter: pour 1 milliradian: 0,4 Pa = 0,004 mbar If we have a gauge of 1 meter long we can detect: for 1 milliradian: 0.4 Pa = 0.004 mbar
pour 1 microradian: 0,4 mPa.for 1 microradian: 0.4 mPa.
Les dispositifs de mesure de déphasage sont analogues à ceux qui sont décrits dans les articles précités utilisant les propriétés de The phase shift measurement devices are similar to those described in the aforementioned articles using the properties of
biréfringence de la fibre.birefringence of the fiber.
La variation de la biréfringence suite à la pression appliquée à la jauge est mesurée en observant les interférences qui ont lieu entre les The variation of the birefringence following the pressure applied to the gauge is measured by observing the interference which takes place between the
composantes parallèles transmises par un analyseur de polarisation. parallel components transmitted by a polarization analyzer.
En présence d'une pression intérieure créée par un liquide ou un gaz, la sensibilité obtenue est la même, à condition que la pression In the presence of an internal pressure created by a liquid or a gas, the sensitivity obtained is the same, provided that the pressure
n'annule pas la précharge appliquée à la fibre. does not cancel the preload applied to the fiber.
Lorsque l'on a besoin d'une longueur de rubans assez longue, l'encombrement de la jauge peut poser un problème. La compacité peut être améliorée par la réalisation d'un bobinage hélicoidal à spires 20 visible dans la figure 3. Le pas des spires est noté p, et le rayon du - 6 bobinage est R. La courbure de la fibre lie et la longueur de fibre par tour S, sont: /e = 42R/ (p2 +4 2R2 S =(4I2R2 + p2) 1/2 Si les spires sont jointives, p est de l'ordre de 1, largeur des rubans. Avec 1 = 10 mm et R = 27 mm, la longueur par tour est de 17 cm et six tours sont nécessaires pour avoir 1 mètre de longueur d'interaction. L'encombrement du capteur est alors de l'ordre de x 6 cm La courbure de la fibre induit une biréfringence linéaire de valeur When you need a fairly long length of tape, the size of the gauge can be a problem. The compactness can be improved by making a helical winding with turns 20 visible in FIG. 3. The pitch of the turns is noted p, and the radius of the winding - 6 is R. The curvature of the bonded fiber and the length of fiber per revolution S, are: / e = 42R / (p2 +4 2R2 S = (4I2R2 + p2) 1/2 If the turns are contiguous, p is about 1, width of the ribbons. With 1 = 10 mm and R = 27 mm, the length per revolution is 17 cm and six turns are necessary to have 1 meter of interaction length. The size of the sensor is then of the order of x 6 cm The curvature of the fiber induces a linear birefringence of value
2 22 2
An = 0,5 C E r:9 C: constante photoélastique relative du verre de silice E: module d'élasticité du verre de silice:7.10 MPa Le déphasage correspondant 2e An.L/X est, dans l'exemple considéré, de An = 0.5 C E r: 9 C: relative photoelastic constant of the silica glass E: elastic modulus of the silica glass: 7.10 MPa The corresponding phase shift 2e An.L / X is, in the example considered, of
2,5 rads/m pour une fibre de rayon r = 50 m. 2.5 rads / m for a fiber of radius r = 50 m.
Le bobinage hélicoidal implique, outre la courbure de la fibre, une rotation W du plan de courbure par unité de Iongueur de fibre égale à The helical winding implies, in addition to the curvature of the fiber, a rotation W of the plane of curvature per unit of fiber length equal to
2 22 1/22 22 1/2
W = 2 M/S.p/ (p 2 + 41 2R2) 1/2 Cette activité optique peut cependant être ignorée si le système fonctionne dans le mode réflexion. Dans ce mode une extrémité de la fibre est traitée de manière à réfléchir la lumière. La rotation qui résulte de la propagation aller est annulée du fait d'une rotation égale W = 2 M / S.p / (p 2 + 41 2R2) 1/2 This optical activity can however be ignored if the system is operating in the reflection mode. In this mode one end of the fiber is treated so as to reflect light. The rotation resulting from the forward propagation is canceled due to an equal rotation
mais de sens opposé de l'onde se propageant en sens inverse. but in the opposite direction of the wave propagating in the opposite direction.
Ce mode de fonctionnement conduit, par ailleurs, à doubler la sensibilité ou, pour une sensibilité identique, à diminuer de moitié le This operating mode also leads to doubling the sensitivity or, for an identical sensitivity, to halving the
volume du capteur.sensor volume.
La jauge de pression selon l'invention, outre sa sensibilité supérieure, présente d'autres avantages vis-à-vis des capteurs de l'art 7- antérieur. Ainsi, elle n'est pas perturbée par les phénomènes thermiques comme les jauges composites fibre-élastomère. De plus, dans la structure selon l'invention, la fibre est très bien protégée contre les milieux The pressure gauge according to the invention, in addition to its superior sensitivity, has other advantages with respect to the sensors of the prior art. Thus, it is not disturbed by thermal phenomena such as fiber-elastomer composite gauges. In addition, in the structure according to the invention, the fiber is very well protected against the media.
extérieurs agressifs.aggressive exteriors.
E La jauge de pression selon l'invention trouve des applications multiples: détection de pressions hydrostatiques, de contraintes unidirectionnelles à l'intérieur de matériaux comme le béton par exemple, détection des ondes sonores basses fréquences dans l'air ou E The pressure gauge according to the invention finds multiple applications: detection of hydrostatic pressures, unidirectional stresses inside materials such as concrete for example, detection of low frequency sound waves in the air or
dans l'eau....in water....
Bien entendu l'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit. On pourra, sans sortir du cadre de l'invention, remplacer tout moyen par un Of course, the invention is not limited to the example described. Without departing from the scope of the invention, any means may be replaced by a
moyen équivalent.equivalent means.
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Claims (1)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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Applications Claiming Priority (1)
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FR2628205B1 FR2628205B1 (en) | 1990-07-13 |
Family
ID=9363916
Family Applications (1)
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FR8802765A Expired - Lifetime FR2628205B1 (en) | 1988-03-04 | 1988-03-04 | FIBER OPTIC PRESSURE GAUGE |
Country Status (1)
Country | Link |
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