FR2826448A1

FR2826448A1 - Systeme de mesure differentielle fonde sur l'utilisation de paires de reseaux de bragg

Info

Publication number: FR2826448A1
Application number: FR0108166A
Authority: FR
Inventors: Christophe Martinez; Pierre Ferdinand
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2001-06-21
Filing date: 2001-06-21
Publication date: 2002-12-27
Anticipated expiration: 2021-06-21
Also published as: EP1405043A1; JP4064343B2; FR2826448B1; CN1253697C; WO2003001156A1; CA2450988A1; JP2004530899A; DE60214852T2; CN1547659A; ATE340352T1; US6878926B2; DE60214852D1; US20040206892A1; EP1405043B1

Abstract

Système de mesure différentielle fondé sur l'utilisation de paires de réseaux de Bragg.Ce système comprend au moins un capteur optique (C1, C2, C3) comprenant deux réseaux de Bragg (B11, B12; B21, B22; B31, B32) inscrits dans deux guides optiques et ayant des sensibilités ajustées de manière que les spectres respectifs des deux réseaux présentent un décalage spectral relatif fonction du ou des paramètres à mesurer. Le système comprend aussi une source optique (6) prévue pour fournir une lumière aux deux guides optiques afin d'interroger ceux-ci. L'invention s'applique en particulier au mesures de températures, de contraintes et de pressions.

Description

SYSTÈME DE MESURE DIFFÉRENTIELLE FONDÉ SUR
L'UTILISATION DE PAIRES DE RÉSEAUX DE BRAGG
DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un système de mesure qui utilise des réseaux de Bragg (en anglais "Bragg gratings").

Elle s'applique en particulier aux mesures de températures, de contraintes et de pressions.

ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
On se reportera aux documents suivants : [1] D. A. Jackson, A. B. Lobo Ribeiro, L. Reekie and J. L. Archambault,"Simple multiplexing scheme for a fiber-optic grating sensor network"Optics Letters, vol. 19 (14), 1993, pp
1192-1194 [2] R. W. Fallon, L. Zhang, A. Gloag and I.

Bennion,"Identical broadband chirped grating interrogation technique for temperature and strain sensing"Electronics Letters, vol.

33 (8), 1997, pp 705-707 [3] L. A. Ferreira, F. M. Araujo, J. L. Santos and
F. Farahi,"Temperature and strain insensitive bend measurements with D-type fibre Bragg gratings"Conférence OFS (Optical Fiber
Sensors) 14, WE 2-2, Venise, Octobre 2000.

Les documents [1] et [2] divulguent des techniques de mesure qui utilisent des réseaux de Bragg et sont fondées sur l'analyse du recouvrement de deux

spectres de tels réseaux c'est-à-dire sur l'intégrale de recouvrement d'une paire de réseaux de Bragg.

Notons que seul l'un des deux réseaux est un transducteur alors que le deuxième réseau permet l'analyse d'un signal spectral.

En outre, la technique décrite dans le document [2] utilise des réseaux chirpés (en anglais "chirped gratings") qui sont assez difficiles à fabriquer et susceptibles de se déformer à cause de leur longueur, induisant ainsi un bruit sur le signal mesuré.

Le document [3] divulgue une technique de mesure qui utilise un capteur comportant une paire de réseaux de Bragg qui forment des transducteurs. Cette technique utilise une analyse entièrement spectrale des décalages des signaux fournis par ces transducteurs et n'est donc pas fondée sur le principe de l'intégrale de recouvrement des spectres.

Il s'agit d'une technique complexe et coûteuse car elle nécessite l'utilisation d'un analyseur de spectres optique. Cette technique est en outre limitée en ce qui concerne les fréquences d'acquisition.

EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques connues, mentionnées plus haut.

La principale originalité du système objet de l'invention réside dans l'utilisation d'au moins une paire de réseaux de Bragg qui ont chacun une double fonction de transduction et d'analyse.

Ces deux réseaux sont globalement identiques excepté en ce qui concerne leurs sensibilités spectrales (relatives à la grandeur à mesurer) qui sont légèrement différentes l'une de l'autre. Une analyse conjointe des deux réseaux permet ainsi une mesure différentielle qui ne nécessite pas une analyse spectrale précise.

Le système objet de l'invention permet de mesurer indifféremment plusieurs sortes de grandeurs physiques, en particulier des températures, des contraintes et des pressions et ce, de façon moins coûteuse que les techniques connues, mentionnées plus haut.

En particulier, ce système est susceptible d'utiliser des réseaux apodisés, plus faciles à fabriquer que les réseaux chirpés, utilisés dans la technique divulguée par le document [2], et beaucoup moins sensibles que ces derniers à des déformations spectrales.

De façon précise, la présente invention a pour objet un système de mesure d'au moins un paramètre, ce système comprenant au moins un capteur optique, ce, système étant caractérisé en ce que chaque capteur comprend deux réseaux de Bragg, ces réseaux de Bragg ayant des sensibilités respectives qui sont ajustées de manière que les spectres respectifs des deux réseaux présentent un décalage spectral relatif qui est fonction du ou des paramètres à mesurer, ces réseaux de Bragg étant respectivement inscrits dans deux guides optiques, le système comprenant en outre

une source optique prévue pour fournir une lumière aux deux guides optiques afin d'interroger ceux-ci.

Les guides optiques peuvent être avantageusement les coeurs respectifs de fibres optiques ayant chacune un seul coeur ou les coeurs d'une fibre optique multicoeurs.

Selon un mode de réalisation préféré du système objet de l'invention, ce système comprend en outre un circulateur qui relie la source optique aux deux guides optiques.

De préférence, le système comprend en outre un premier coupleur optique et des premier et deuxième dispositifs de séparation spectrale, le premier coupleur optique étant connecté entre le circulateur et l'un des deux guides optiques pour permettre l'analyse, respectivement par les premier et deuxième dispositifs de séparation spectrale, du signal réfléchi par l'un des deux réseaux de Bragg et du signal réfléchi par ces deux réseaux de Bragg.

Le système peut comprendre en outre un commutateur 2x2 qui est couplé, d'un côté, au premier coupleur optique et au circulateur et, de l'autre côté, aux deux guides optiques.

Le système peut comprendre aussi un deuxième coupleur optique et un troisième dispositif de séparation spectrale qui est relié à la source optique par l'intermédiaire de ce deuxième coupleur optique pour analyser la lumière émise par la source optique.

Les réseaux de Bragg sont de préférence des réseaux apodisés.

Selon un mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, le paramètre est une déformation et les axes longitudinaux respectifs des deux réseaux de Bragg forment des angles différents avec l'axe de la déformation.

Selon un autre mode de-réalisation particulier, le paramètre est une déformation et le système comprend en outre un support comportant deux parties dont les sections respectives sont différentes, les deux réseaux de Bragg étant respectivement disposés dans ces deux parties.

Selon un autre mode de réalisation particulier, les deux réseaux de Bragg sont respectivement inscrits dans les deux coeurs d'une fibre optique à deux coeurs, ces deux coeurs étant différents l'un de l'autre de façon à donner des sensibilités de mesure différentes aux réseaux de Bragg inscrits dans ces coeurs.

Dans ce cas, les deux coeurs peuvent avoir des dopages différents ou des diamètres différents.

Selon un autre mode de réalisation particulier, les deux réseaux de Bragg ont des revêtements différents permettant d'ajuster leur sensibilité par rapport à chaque paramètre à mesurer.

Chaque dispositif de séparation spectrale peut comprendre un élément dispersif, par exemple un réseau de diffraction ou un prisme, et des photodétecteurs qui forment éventuellement une matrice.

En variante, chaque dispositif de séparation spectrale peut comprendre un diviseur optique ainsi que des filtres interférentiels et des

photodétecteurs qui sont associés à ce diviseur optique.

BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : * la figure 1 illustre schématiquement un système de mesure conforme à l'invention, utilisant trois paires différentielles de réseaux de Bragg, . la figure 2 illustre schématiquement le principe d'une mesure conformément à l'invention, utilisant deux spectres de réflexion de réseaux de Bragg apodisés, * la figure 3 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, * la figure 4 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation particulier du système objet de l'invention, * la figure 5 montre les variations du coefficient de réflexion spectrale en fonction d'un décalage par rapport à une longueur d'onde centrale, pour trois types de réseaux utilisés pour modéliser une fonction d'auto-corrélation, * la figure 6 illustre schématiquement la modélisation de la fonction d'auto-corrélation dans le cas d'un réseau de Bragg uniforme, d'un réseau à

apodisation gaussienne et d'un réseau d'apodisation super-gaussienne, * la figure 7 illustre schématiquement un exemple d'évolution des réponses que font, à une contrainte, deux réseaux de Bragg formant un capteur, * la figure 8 est une vue schématique d'un capteur de déformation comprenant deux réseaux de Bragg formant des angles différents par rapport à l'axe de la déformation, * les figures 9A et 9B sont des vues schématiques- de capteurs de déformation, chaque capteur comprenant deux réseaux de Bragg placés dans un support ayant des parties dont les sections sont différentes, 'la figure 10 illustre schématiquement un exemple de conditionnement différentiel entre les deux réseaux de Bragg du capteur d'un système conforme à l'invention, * la figure 11 est une vue schématique d'une fibre optique multicoeur utilisable dans l'invention, 'la figure 12 illustre schématiquement le principe de la séparation spectrale sur une bande de largeur DÀ, dans le cas de l'utilisation de trois capteurs, 'la figure 13 illustre schématiquement un exemple de dispositif de séparation spectrale à prisme, utilisable dans un système conforme à l'invention qui comprend trois capteurs, et * la figure 14 illustre schématiquement un exemple de dispositif de séparation spectrale à diviseur optique et filtres interférentiels, utilisable dans

un système conforme à l'invention qui comprend trois capteurs.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Un exemple du système objet de l'invention est schématiquement représenté sur la figure 1. Dans cet exemple, on utilise trois capteurs Cl, C2 et C3. Le capteur Cl (respectivement C2 ou C3) comprend deux réseaux de Bragg Bll, B12 (respectivement B21, B22 ou B31, B32) formant chacun un transducteur.

Les réseaux de Bragg Bll, B21 et B31 (respectivement B12, B22 et B32) sont formés dans une fibre optique 2 (respectivement 4).

Les réseaux de Bragg B11 et B12 ont une longueur d'onde de résonance Ai, les réseaux de Bragg B21 et B22 une longueur d'onde de résonance ? et les réseaux de Bragg B31 et B32 une longueur d'onde de résonance 3.

A l'entrée de ce système on a tout d'abord une source optique 6 à large bande et fibrée, émettant dans l'infrarouge, typiquement autour de 1,5 um (mais toute autre bande spectrale pourrait être utilisée). La largeur spectrale de la source 6 dépend du nombre de capteurs à interroger.

Si l'on compte, à titre d'exemple, une variation spectrale de 10 nm sur chaque transducteur (ce qui correspond à 1% d'allongement sur une fibre), on peut prendre dans le cas de l'exemple de la figure 1 une largeur spectrale totale supérieure à 30 nm. En pratique ce sont la largeur spectrale utile de la

source et les dynamiques de mesure respectivement associées aux réseaux qui fixent le nombre de capteurs.

Le signal lumineux S issu de la source 6 parvient ensuite à un circulateur à fibre optique 8, à trois voies I, II et III. Le signal S y pénètre par la voie I et en sort par la voie II.

L'onde lumineuse guidée dans la fibre 2 (connectée à la voie II) rencontre alors les différents réseaux de Bragg constituant les premiers transducteurs associés aux différents capteurs. Une partie du signal est donc réfléchie aux longueurs d'onde de résonance des différents réseaux i, 2 et 3.

Le circulateur dirige alors le signal réfléchi R vers la voie III et donc vers un coupleur optique 10 de type 50/50 qui est connecté à cette voie III.

Une première moitié Rl de R est guidée vers un dispositif de séparation spectrale 12 et l'autre moitié R2 est dirigée vers la fibre 4.

Rl est séparé spectralement en trois domaines sur les trois photodétecteurs d'un ensemble de photodétection 14 que comporte le dispositif 12. Les niveaux de puissance issus de ces trois photodétecteurs sont respectivement notés vl, vs et v3. Ces trois photodétecteurs correspondent respectivement aux plages de variation de #1, dz et #3.

En pratique tout moyen de séparation spectrale 16 peut être utilisé (par exemple réseau de dispersion, filtre massif, réseau de Bragg ou couches minces) pour réaliser cette séparation en amont des

photodétecteurs. On reviendra ultérieurement sur cette question.

R2 est transmis à la fibre complémentaire 4 et rencontre donc la seconde série de réseaux de Bragg inclus dans les trois capteurs. Ce signal est donc réfléchi par chacun des réseaux (formant des filtres) sous forme d'un signal R'et redirigé en sens opposé vers le coupleur 10.

Une moitié de R'est perdue dans ce coupleur tandis que l'autre moitié Ri est dirigée vers un dispositif de séparation spectrale 18 identique au dispositif 12 et comprenant donc un moyen de séparation spectrale 20 et un ensemble 22 de trois photodétecteurs. On mesure ainsi trois niveaux de puissance Wi, W2 et W3 issus de ces trois photodétecteurs.

Le système de la figure 1 comprend aussi des moyens 24 de traitement des niveaux de puissance mesurés V, V2, V3 et Wj, w, W3. Ces moyens de traitement 24 sont prévus pour fournir les valeurs du ou des paramètres mesurés grâce aux capteurs Cl, C2 et

C3.

Dans le système de la figure 1, on utilise le fait que le signal est successivement réfléchi par chacun des deux réseaux transducteurs constituant chaque capteur. Le signal R'intègre donc l'intersection des spectres de réflexion de ces deux réseaux. Si les deux spectres sont superposés, on obtient un signal maximum. Si les deux spectres sont disjoints, le signal devient nul. Toutes les positions

intermédiaires entre ces deux extrêmes définissent la zone de mesure.

Ainsi, les deux réseaux, initialement centrés en #i (1#i#3), sont conditionnés ou fabriqués de manière à ce que l'intégrale de recouvrement de leurs spectres de réflexion soit fonction du paramètre à mesurer (par exemple une température, une contrainte ou une pression).

La figure 2 montre le principe de la mesure utilisant'deux spectres de réflexion SP1 et SP2 de réseaux de Bragg. La contrainte # va de 0 # à ; en passant par El,
Comme le montre à titre d'exemple la figure 2, quand la contrainte s augmente sur le capteur, un décalage spectral relatif est introduit. De ce fait, l'intégrale de recouvrement des deux spectres diminue. Si l'on mesure le niveau de puissance correspondant à cette aire d'intersection R'on est ainsi capable de calculer la contrainte E correspondante.

Par ailleurs, comme nous le verrons dans le suite, les réseaux de Bragg sont préférentiellement apodisés pour éviter les fluctuations de puissance provoquées par d'éventuels lobes secondaires.

La zone de la figure 2, qui est délimitée par le rectangle pointillé RP représente la largeur spectrale D de la fenêtre d'intégration (décalage total des réseaux) correspondant à chaque photodétecteur du dispositif de séparation spectrale.

On explique ci-après le principe de la mesure.

Le signal S, qui est issu de la source large 6 de la figure 1, dépend de la longueur d'onde #

et on le note donc S (k) dans ce qui suit. On appelle : ri (À) et ri () les coefficients de réflexion des deux réseaux de Bragg du capteur Cl, - a,, le coefficient de perte du circulateur 8 de la voie i à la voie j, avec

- γ le taux de séparation du coupleur 10 (y=0, 5 dans l'exemple de la figure 1).

Le signal RI (À) est réfléchi uniquement par le premier réseau Bll puis tombe sur le dispositif de séparation spectrale 12. Il s'écrit :

Le signal R'i ( ) réfléchi par les deux réseaux Bll et B12 du capteur Cl et tombant sur le second dispositif de séparation spectrale 18 s'écrit :

La séparation spectrale des deux faisceaux de sortie permet d'intégrer le signal sur une bande spectrale [## ; AO + DA] dont la largeur vaut DL Les puissances mesurées vl et wi s'écrivent donc :

Si l'intégration se fait sur DÀ, en réalité seule une faible bande spectrale ##r doit être prise en compte dans le calcul des intégrales. Il s'agit de la largeur de bande sur laquelle ri (À) x r'1 (À) est différent de zéro. Cette bande 6ìcr reste inférieure à deux fois la largeur du filtre que forme le réseau de Bragg.

Cette bande étant assez étroite (##r < 1 nm), on peut donc raisonnablement prendre comme hypothèse que S (A) ainsi que les différents coefficients aij et y sont constants sur le domaine d'intégration. Les équations se simplifient donc de la façon suivante :

Si l'on calcule les rapport de ces différentes grandeurs, la dépendance vis-à-vis de la valeur du signal source S (À1) est éliminée. De ce fait, la réponse du système est indépendante des fluctuations de puissance de la source optique et des variations éventuelles de la sensibilité du photodétecteur. On trouve :

Les deux réseaux constituant le capteur sont supposés identiques (ils sont fabriqués dans les mêmes conditions). Leur coefficient de réflexion

spectrale peut donc être exprimé en fonction d'un coefficient de réflexion normalisé r ; (X).

Du fait de leur utilisation en milieu extérieur, des pertes peuvent éventuellement apparaître d'une fibre à l'autre. Elles sont prise en compte dans cette relation grâce à des facteurs pi et p'i tels que :

Le rapport précédent peut donc s'écrire de la façon suivante, 8À étant le décalage spectral relatif mentionné plus haut :-

L'inconnue principale de l'équation (1) est :

L'équation (1) donne donc le résultat de la mesure pour la voie I du circulateur. Si l'on suppose que le terme de pertes est dû à la connexion (soudure le long des fibres par exemple), on peut supposer qu'il est identique pour l'ensemble des réseaux d'une même fibre, le résultat total sur les trois voies (cas de la figure 1) s'écrit donc :

Le système des équations (2a), (2b) et (2c) montre que l'on n'a pas directement accès aux valeurs de ri (1 < i < 3) à cause du terme de pertes p'i.

Plusieurs solutions peuvent être considérées pour s'affranchir de ce terme. Nous en décrivons quelques une dans ce qui suit.

Une première solution consiste à modifier le système de la figure 1 en plaçant un commutateur optique 2x2 référencé 26 à l'entrée des deux fibres 2 et 4 comme le montre la figure 3.

Ce commutateur 26 est relié, d'un côté, au coupleur 10 et à la voie II du circulateur 8 et, de l'autre côté, aux fibres 2 et 4.

Dans ce cas, la commutation permet de remplacer, dans les équations (2a) à (2c), le coefficient P'l de la seconde fibre par le coefficient pi de la première. Un coefficient de perte ss, provenant du commutateur 26 est aussi introduit. Les équations (2a) à (2c) deviennent alors :

Dans ces équations, les puissances fournies par les trois photodétecteurs de l'ensemble 14 (respectivement 22) sont maintenant notées v'l, v'2 et v'3 (respectivement w'l, W'2 et w'3).

On peut ainsi choisir la configuration qui donne le résultat avec la plus grande dynamique (coefficient de perte le plus petit).

Cette configuration est aussi un moyen de repérer et de corriger d'éventuelles pertes ponctuelles sur l'une des fibres.

Si une fibre est abîmée entre les deux premiers réseaux de cette fibre, par exemple les réseaux B11 et B21 de la fibre 2, à cause d'une forte courbure locale par exemple, l'un des coefficients p (par exemple p'l) change d'une mesure sur un réseau à l'autre (et prend alors des valeurs p'la et p'lb). On a ainsi :

Comme par définition P'a est supérieur à p'ib, la valeur correcte entre les deux rapports précédents est celle qui est la plus faible.

Une deuxième solution consiste à sacrifier un capteur.

Si l'on suppose que l'un des couples de réseaux est placé dans un environnement protégé, la fonction r (six) sera toujours égale à r (0). Le rapport w/v nous permet donc la mesure du coefficient de perte p'1. Les deux autres rapports nous donnent alors les mesures recherchées. Notons que cela nécessite de sacrifier une paire de réseaux de Bragg.

Une troisième solution consiste à faire des mesures différentielles.

Les trois équations (2a), (2b) et (2c) permettent la mesure de #1(##) /#2(##),#1(##) /#3(##) et F2 zu (871.). On a donc accès, par exemple, à la répartition relative des contraintes en trois points.

La mesure reste donc différentielle et l'on est incapable de donner une valeur absolue de la déformation.

L'intérêt de cette solution est bien sûr de ne pas nécessiter le sacrifice d'une paire de réseaux. Elle peut montrer tout son potentiel si l'on considère conjointement un grand nombre de capteurs, ces derniers permettant une cartographie précise des déformations, et une jauge électrique, placée à côté de l'un des capteurs, cette jauge permettant une référence absolue de la mesure globale.

Le rapport des signaux entre deux couples de capteurs suffisamment proches permet, en outre, de s'affranchir des fluctuations sur le facteur de perte p à l'intérieur des fibres. C'est d'autant plus vrai si l'on considère une configuration incluant un commutateur optique.

Une quatrième solution consiste à normaliser la source.

Si la présence du terme de perte est vraiment rédhibitoire pour le fonctionnement du système, une voie de normalisation supplémentaire peut être ajoutée au système.

Cela concerne des applications dans lesquelles les liaisons par fibres entre les capteurs ne sont pas protégées (ce qui est le cas de la surveillance de structures de très grande taille comme

les ouvrages d'art et de l'inclusion des capteurs dans des matériaux composites).

Cette normalisation est schématiquement illustrée sur la figure 4. Un coupleur supplémentaire 28 est placé à la sortie de la source 6. Une voie de ce coupleur 28 est connectée à la voie I du circulateur 8 pour lui envoyer une fraction l-v de la lumière émise par la source 6. L'autre voie de ce coupleur envoie une fraction v de cette lumière à un dispositif supplémentaire de séparation spectrale 30.

Le dispositif 30 est identique aux dispositifs 12 et 18 et l'on note si, S2 et S3 les puissances respectivement fournies par les trois photodétecteurs de ce dispositifs 30. Notons que les puissances si, S2 et S3 sont alors également envoyées aux moyens de traitement 24 pour la normalisation.

On acquière donc par exemple un signal Si donné ci-après (en supposant que la source a une puissance constante S (Ai) le long du domaine d'intégration DÀ) :

On obtient :

On voit donc que la dépendance vis-à-vis des pertes des fibres est supprimée, de même que la dépendance envers les fluctuations de la source 6. La mesure se fait autour du terme précédent

Dans l'équation le domaine d'intégration D intervient dans un rapport où apparaît la largeur du réseau de Bragg et doit donc être connu avec précision, notamment grâce à une caractérisation préalable du système.

Cette solution permet une caractérisation du système de capteurs entièrement normalisée. Par contre elle nécessite d'avoir une source stable sur les domaines d'intégration des dispositifs de séparation spectrale.

Etudions maintenant la fonction Elle peut être considérée comme une auto-corrélation "semi-normalisée". Pour des besoins métrologiques, elle s'exprimerait de façon idéale sous la forme d'une application linéaire normalisée telle que :

Ce serait effectivement le cas si la réponse spectrale des réseaux avait la forme d'une fonction"porte".

Les figures 5 et 6 donnent des exemples de fonctions d'auto-corrélation suivant les réseaux de Bragg utilisés. On a envisagé les cas suivants : - réseau uniforme (I) L=6 mm ; 6n=8xl0-4 - réseau d'apodisation gaussienne (II) L=6 nm ; G=2 ; p=2 ; 6n=8xl - réseau d'apodisation super-gaussienne (III) L=6 nm ; G=4 ; p=l, 5 et An=8xl0
Les apodisations ont été calculées d'après la fonction :

On a tracé sur la figure 5 les coefficients de réflexion R de ces trois types de réseaux. On remarque que l'apodisation gaussienne permet une bonne ressemblance avec une fonction porte. On remarque aussi la présence de lobes secondaires très importants dans le cas du réseau uniforme.

On précise que les courbes sont tracées par rapport au décalage AS avec la longueur d'onde centrale.-
La figure 6 donne le résultat de la

modélisation de la fonction d'auto-corrélation, prise pour un décalage spectral relatif maximum 8Àx de 1 nm. Les deux réseaux formant le capteur sont supposés être conditionnés de manière à donner une bonne dynamique de mesure. Dans cet exemple ils sont inclinés de 13, 2 , chose sur laquelle on reviendra.

On remarque que la courbe qui offre la plus grande dynamique et qui se rapproche le plus de la ligne droite correspond au cas de l'apodisation supergaussienne. Au contraire, le cas du réseau de Bragg uniforme montre une faible dynamique et des fluctuations importantes. Il est donc nécessaire de bien choisir l'apodisation à donner aux réseaux utilisés dans le système.

Une part importante de la conception du système de mesure, objet de l'invention, concerne les moyens d'obtenir une différenciation dans la réponse du couple de réseaux de Bragg d'un même capteur. Dans un

premier temps on présente en détail le principe de ce décalage relatif.

Comme on l'a vu, la réponse spectrale d'un réseau de Bragg est la réflexion d'une bande fine (ayant une largeur de l'ordre de 100 pm) du signal optique incident. Cette bande est centrée sur une longueur d'onde de résonance xi, la longueur d'onde de Bragg, qui est donnée par la relation suivante :

où A est la période du réseau et neff l'indice effectif du mode qui se propage dans la fibre où est formé le réseau.

Lors d'une modification d'une grandeur physique au voisinage du réseau, les paramètres A et Ue ; f varient, ce qui provoque un décalage AAg sur la longueur d'onde de Bragg. La mesure de ce décalage est le principe de base de la métrologie à réseau de Bragg.

La relation qui lie le décalage spectral aux grandeurs physiques constituées par une contrainte longitudinale Ez, une température AT et une pression AP est la suivante :

où

ne est l'indice optique du coeur de la fibre, Pu et P12 sont les coefficients élasto-optiques, v est le coefficient de Poisson (v=0, 17), a est le coefficient de dilatation thermique (azol 45xlO-'K-'),

est le coefficient thermo-optique, et E est le module d'Young (E=7xl0 N/m2).

La méthode utilisée ici suppose que l'on connaisse a priori la plage de variation de la grandeur à étudier. Prenons l'exemple des contraintes.

Comme le montre la figure 2, lorsque la déformation maximale est atteinte, les deux réseaux doivent être séparés de leur largeur spectrale (quelques centaines de picomètres).

Sur la figure 7 on montre quelle doit être l'évolution des réponses à l'allongement de deux réseaux d'un capteur dans le cas d'un décalage total de 10 nm et d'un décalage différentiel final de 500 pm. La contrainte Ez est portée en abscisses et le décalage B est porté en ordonnées. Les courbes l et II correspondent respectivement aux deux réseaux du capteur.

Le conditionnement des deux réseaux formant un capteur unique dépend donc principalement : - de la largeur spectrale des réseaux utilisés, et - de la gamme de mesure désirée (#max, #Tmax

ou APIlial" ou APax par exemple).

Nous proposons dans la suite différentes solutions qui mettent en oeuvre un conditionnement particulier des deux réseaux de Bragg ou qui tirent profit des propriétés physiques du décalage en longueur d'onde de ces réseaux.

Une première solution consiste à décaler angulairement les deux réseaux de Bragg comme le montre la figure 8.

Dans l'exemple de la figure 8, on considère les deux réseaux de Bragg Bll et B12 du capteur C1, qui sont respectivement formés dans les coeurs des fibres 2 et 4. Dans cet exemple, les portions de fibres, dans lesquelles sont formés les réseaux, sont rendues rigidement solidaires d'un support déformable 32.

On a défini un repère orthonormé (0, i, j) sur ce support.

Considérons une déformation F suivant i. Le tenseur des déformations du support des réseaux s'écrit :-

Le réseau Bll est parallèle à i et donc

colinéaire à l'axe de la déformation, d'où : Si = Si Le réseau 812 fait un angle 8 avec le réseau Bll. Ce réseau B12 est donc colinéaire au vecteur (cos (O), sin (8)) et les déformations qui s'appliquent à lui, sont données par la relation :

On en déduit :

Es-Si x [cos (6)-vsin (6)] F
Les décalages en longueur d'onde pour les deux réseaux Bll et B12 valent donc respectivement :

On en tire l'expression du décalage différentiel des deux réseaux : ###B = (1-Pe) xBXSlXsin (0) x (1+v)
Si l'on note Smax la valeur de la déformation maximale et L1Àr la largeur spectrale des réseaux, on en déduit la valeur de l'angle 8 :

A titre d'exemple, on prend 1-pe=0, 78,

. B=1550 nm et v=0, 17.

0
Pour #max=0,01 et ##r=500 pm on a 8=0, 19 radian = 10 degrés
On remarque que dans cette configuration, le capteur est insensible à la température puisque celle-ci n'est pas directionnelle. Les spectres des deux réseaux se décalent parallèlement dans le domaine spectral pour un changement de température mais sans décalage relatif. Seule la variation d'allongement affranchie de l'influence thermique est mesurée.

Une deuxième solution consiste à exploiter la relation qui lie la déformation d'un solide à sa section.

Un solide de section S soumis à une force F subit un allongement E donné par la loi de Hooke, où E est le module d'Young du solide :

La deuxième solution consiste alors à conditionner les deux réseaux Bll et B12 dans un support 34 par exemple en polymère, comme le montrent les figures 9A et 9B. La différenciation entre les

réseaux se fait par un changement de section du support.

Plus précisément, le support 34 comporte deux parties 36 et 38 dont les sections respectives SI et S2 sont différentes et qui contiennent respectivement les réseaux Bll et B12. Ces réseaux sont parallèles et la déformation F a lieu parallèlement à ces réseaux. Dans le cas de la figure 9A (respectivement 9B) la partie 38 est plus haute (respectivement plus large) que la partie 36.

On procède de la même façon pour les capteurs C2 et C3 de la figure 1.

Chaque support est placé sur une structure non représentée, dont on veut mesurer les déformations, et fixé en ses deux extrémités sur cette structure. En revenant aux figures 9A et 9B, la déformation F génère une force qui se traduit par deux déformations distinctes sur les réseaux. Si l'on note L, et L les longueurs respectives des parties 36 er. 38 et L la longueur totale du support 34, on peut trouver une relation entre les allongements de la structure et des deux parties du support 34 :

Finalement avec a = L1/L :

A titre d'exemple, on prend 1 - pue =0, 78, B = 1550 nm et a = 0, 5.

Pour gma = 0,01 et l'1Àr = 500 pm on a : Si/Sz = 0,96
On peut prendre, par exemple, dans le cas de la géométrie de la figure 9A, un support 34 dont la partie 36 (respectivement 38) a pour dimensions 1 mm x 5 mm (respectivement 1,04 mm x 5 mm).

Dans cette configuration également, seules les déformations sont prises en compte. Les changements de température n'influent donc sur le signal que dans le cas où ils provoquent une déformation de la structure. Mais ceci est tout à fait normal car une jauge de déformation ne fait pas la différence entre les origines des déformations qu'elle mesure. Celles-ci peuvent être d'origine thermo-mécanique.

Une troisième solution consiste à conditionner différemment les deux fibres 2 et 4 de manière à rendre légèrement différentes leurs réponses par rapport à une grandeur extérieure.

Un exemple simple consiste à déposer sur l'une des fibres, au niveau du réseau qu'elle contient, une couche d'un matériau, comme le montre la figure 10 où la portion de la fibre optique 2, dans laquelle est photo-inscrit le réseau Bll, est recouverte d'une couche 40 d'un matériau.

On remarquera, sur la figure 10, le coeur 3 (respectivement 5) de la fibre 2 (respectivement 4), dans lequel on a photo-inscrit les réseaux de Bragg tels que le réseau B11 (respectivement B12).

Dans le cas d'un capteur de température on peut utiliser un dépôt métallique qui accentue l'effet de dilatation sur l'un des réseaux. Dans le cas de

capteurs noyés dans une structure on peut utiliser un matériau ayant des propriétés différentes de celui de la structure. Un matériau de module d'Young plus faible permet ainsi une réduction du niveau des déformations subies par l'un des deux réseaux et donc une différenciation dans la réponse spectrale aux déformations.

Une quatrième solution consiste à employer deux fibres de constitutions distinctes pour l'inscription des réseaux de Bragg. La différenciation se fait alors au niveau des coefficients thermooptiques et élasto-optiques des fibres. Cette solution présente l'avantage de ne nécessiter aucun conditionnement particulier lors de l'intégration des capteurs sur la structure à instrumenter.

A titre d'exemple, on utilise des fibres optiques 2 et 4 dont les coeurs sont dopés différemment l'un de l'autre ou ont des diamètres différents.

Une cinquième solution consiste à utiliser une fibre optique multicoeur c'est-à-dire une fibre optique comprenant une pluralité de coeurs, au lieu d'une pluralité de fibres optiques ayant chacune un seul coeur. Les réseaux de Bragg sont alors inscrits dans une pluralité de coeurs de la fibre multicoeur et cette pluralité de coeurs est réalisée de façon que ces réseaux de Bragg aient une sensibilité différente aux paramètres extérieurs.

L'exemple d'une fibre bicoeur 42 est schématiquement représenté sur la figure 11. Cette fibre 42 contient deux coeurs 44 et 46 qui correspondent respectivement aux coeurs des fibres 2 et 4, un avantage

étant alors que l'on utilise une fibre unique au lieu de deux.

Dans le cas de la figure 11, les réseaux de

Bragg Bll, B21, B31 (respectivement B12, B22, B32) sont photo-inscrits dans le coeur 44 (respectivement 46) de la fibre 42 pour obtenir les capteurs Cl, C2 et C3 (seuls les réseaux Bll et B12 étant représentés sur la figure 11). A titre d'exemple, les deux coeurs 44 et 46 ont des dopages différents ou des diamètres différents.

Considérons maintenant diverses solutions pour la séparation spectrale des différents capteurs d'un système conforme à l'invention.

La figure 2 montre que, pour la gamme de mesure considérée, le signal de réflexion d'un réseau ou de "l'intersection" des deux réseaux se déplace spectralement sur une bande large de DA. Les détecteurs de la figure 1, qui fournissent les niveaux de puissance Vl et Wl (l < i < 3), doivent donc mesurer l'évolution de la puissance sur cette bande et ce de manière exclusive pour ne pas intégrer le signal de capteurs adjacents.

En ce sens, une séparation spectrale est nécessaire sur les deux voies de sortie du système.

La conception de cette séparation spectrale est l'un des points clefs du système objet de l'invention. Du fait de la faible performance requise par le dispositif de séparation, on peut utiliser une détection simple, peu coûteuse et peu volumineuse.

Ce dispositif doit en effet, comme le montre la figure 12, séparer des bandes spectrale assez larges (DA, de l'ordre de 10 nm) espacées les une des

autres d'une distance supérieure à DÀ. On a noté Àl les longueurs d'onde centrales de ces différentes bandes (1i3), l'exemple de la figure 12 étant relatif à trois capteurs.

Dans la suite nous donnons des exemples d'un dispositif de séparation spectrale.

Ce dispositif peut comprendre un élément dispersif angulairement.

Dans l'exemple de la figure 13, cet élément est un prisme 48. Cette figure 13 est relative aux trois capteurs Cl, C2 et C3 de la figure 1 et concerne la lumière provenant de la fibre 2 de cette figure 1 après avoir traversé le circulateur 8 et le coupleur 10. On voit une portion de la fibre optique 50 qui relie ce coupleur 10 au dispositif de séparation spectrale 12.

La fibre 50 est tout d'abord couplée à un collimateur 52 de manière à fournir, à l'entrée du dispositif de séparation spectrale 12, un faisceau optique parallèle 53.

Ce faisceau tombe sur le prisme 48 qui sépare angulairement les trois longueurs d'onde et #3. Les photodétecteurs 141, 142 et 143 de la figure 13 forment l'ensemble de photodétection 14 qui, dans cet exemple, est une barrette 14 de trois détecteurs CCD permettant de recueillir les puissances distribuées dans les trois longueurs d'onde. On a ainsi les signaux Vj. (l < i < 3). Quand les longueurs d'onde de résonance varient, les faisceaux se décalent à l'intérieur de la surface de détection de chacun des éléments de la barrette.

Le même dispositif peut être utilisé pour l'autre voie de sortie du coupleur 10 de la figure 1.

En variante, les dispositifs 12 et 18 de la figure 1 peuvent partager le même prisme 48.

Un réseau de diffraction peut aussi être utilisé à la place du prisme. Le principe est alors le même : on engendre un signal optique collimaté qui est dispersé par ce réseau et mesuré par une barrette CCD.

Un autre exemple de dispositif de séparation spectrale intégré 12 est schématiquement représenté sur la figure 14. Il utilise un diviseur optique 54 et des filtres interférentiels 561, 562 et 563.

On peut en effet trouver dans le commerce des filtres interférentiels passe-bande, ayant une largeur spectrale de l'ordre de 10 nm, ou des filtres passe-bas à front de descente raide.

Comme le montre la figure 14, la fibre 50 est placée à l'entrée du diviseur optique 54. Le signal est donc réparti en trois voies. Au bout de chacune des voies on place un filtre interférentiel 561 ou 562 ou 563 que l'on fait suivre d'un photodétecteur 141 ou 142 ou 143. Si les filtres 561, 562 et 563 sont des filtres passe-bande sur l'intervalle DÀ on récupère directement les signaux vi recherchés. Si l'on utilise des filtres passe-bas (ou passe-haut), une soustraction sur les différentes voies est nécessaire pour obtenir la bonne mesure.

Le dispositif 18 de la figure 1 et le dispositif 30 de la figure 4 sont réalisables de la même façon que le dispositif 12.

Dans l'invention, le nombre de capteurs susceptibles d'être multiplexés dépend de nombreux paramètres mais n'est théoriquement pas limité. Ces paramètres sont en particulier : - la largeur spectrale de la source optique d'interrogation, - le domaine de variation spectrale DX. des réseaux correspondant aux variations des grandeurs physiques à mesurer, et - la capacité du dispositif de séparation spectrale.

Les largeurs spectrales des sources que l'on trouve dans le commerce vont de 40 nr à 80 nm. Par ailleurs la limite de déformation que peut subir raisonnablement un réseau correspond typiquement à un décalage spectral total de 10 nm. On peut donc considérer qu'un nombre de huit capteurs par ligne est un ordre de grandeur raisonnable. Cette valeur peut être augmentée suivant le type de grandeur à mesurer.

Compte tenu des performances des photodétecteurs commercialement disponibles le système objet de l'invention peut avoir une fréquence d'acquisition élevée, de l'ordre de quelques MHz, voire plus.

Outre les caractéristiques précédentes, le système objet de l'invention a les divers avantages suivants : - Suivant son conditionnement, chaque capteur peut être rendu insensible à la température.

- Les faibles performances requises par la séparation spectrale des canaux font de l'ensemble un système compact et peu coûteux.

- Grâce à l'ajout d'un commutateur optique 2 x 2, le système peut être rendu quasiment indépendant de pertes ponctuelles intervenant dans les fibres.

- Ce système peut être interrogé, de manière indépendante, à l'une ou l'autre extrémité de l'ensemble des deux fibres, ce qui permet de poursuivre la mesure en cas de rupture d'une fibre.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système de mesure d'au moins un paramètre, ce système comprenant au moins un capteur optique (Cl, C2, C3), ce système étant caractérisé en ce que chaque capteur comprend deux réseaux de Bragg, ces réseaux de Bragg (B11-B12, B21-B22, B31-B32) ayant des sensibilités respectives qui sont ajustées de manière que les spectres respectifs des deux réseaux présentent un décalage spectral relatif qui est fonction du ou des paramètres à mesurer, ces réseaux de Bragg étant respectivement inscrits dans deux guides optiques (3,5 ; 44,46), le système comprenant en outre une source optique (6) prévue pour fournir une lumière aux deux guides optiques afin d'interroger ceux-ci.

2. Système selon la revendication 1, dans lequel les guides optiques (3,5) sont les coeurs respectifs de fibres optiques (2,4) ayant chacune un seul coeur.

3. Système selon la revendication 1, dans lequel les guides optiques sont les coeurs (44,46) d'une fibre optique multicoeur (42).

4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en outre un circulateur (8) qui relie la source optique (6) aux deux guides optiques.

5. Système selon la revendication 4, comprenant en outre un premier coupleur optique (10) et des premier et deuxième dispositifs de séparation spectrale (12,18), le premier coupleur optique étant connecté entre le circulateur (8) et l'un des deux

guides optiques pour permettre l'analyse, respectivement par les premier et deuxième dispositifs de séparation spectrale, du signal réfléchi par l'un des deux réseaux de Bragg et du signal réfléchi par ces deux réseaux de Bragg.

6. Système selon la revendication 5, comprenant en outre un commutateur 2x2 (26) qui est couplé, d'un côté, au premier coupleur optique (10) et au circulateur (8) et, de l'autre côté, aux deux guides optiques.

7. Système selon l'une quelconque des revendications 5 et 6, comprenant en outre un deuxième coupleur optique (28) et un troisième dispositif de séparation spectrale (30) qui est relié à la source optique par l'intermédiaire de ce deuxième coupleur optique pour analyser la lumière émise par la source optique.

8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les réseaux de Bragg (B11, B12 ; B21, B22 ; B31, B32) sont apodisés.

9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le paramètre est une déformation et les axes longitudinaux respectifs des deux réseaux de Bragg forment des angles différents avec l'axe de la déformation.

10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le paramètre est une déformation et le système comprend en outre un support (34) comportant deux parties (36,38) dont les sections respectives sont différentes, les deux réseaux de Bragg étant respectivement disposés dans ces deux parties.

11. Système selon l'une quelconque des revendications 1 et 3 à 7, dans lequel les deux réseaux de Bragg sont respectivement inscrits dans les deux coeurs (44,46) d'une fibre optique à deux coeurs, ces deux coeurs étant différents l'un de l'autre de façon à donner des sensibilités de mesure différentes aux réseaux de Bragg inscrits dans ces coeurs.

12. Système selon la revendication 11, dans lequel les deux coeurs (44,46) ont des dopages différents.

13. Système selon la revendication 11, dans lequel les deux coeurs (44,46) ont des diamètres différents.

14. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel les deux réseaux de Bragg ont des revêtements différents permettant d'ajuster leur sensibilité par rapport à chaque paramètre à mesurer.

15. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel chaque dispositif de séparation spectrale (12,18, 30) comprend un élément dispersif (48), par exemple un réseau de diffraction ou un prisme, et des photodétecteurs (141, 142, 143) qui forment éventuellement une matrice.

16. Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel chaque dispositif de séparation spectrale (12,18, 30) comprend un diviseur optique (54) ainsi que des filtres interférentiels (561, 56 ; :, 563) et des photodétecteurs (14l, 142, 143) qui sont associés à ce diviseur optique.