Applications et avancées des capteurs à fibre optique
Contexte
Au cours des dernières décennies, la technologie de la fibre optique a révolutionné le secteur des télécommunications en permettant des communications et des réseaux à grande capacité et longue distance à des coûts extrêmement bas. Les fibres optiques ont également joué un rôle important dans de nombreuses autres applications: elles ont été utilisées pour fournir de la lumière pour le marquage et le découpage de précision; en tant que source laser pratique, de grande puissance et de grande cohérence; pour les systèmes d'imagerie; et comme moyen de fournir un éclairage dans des endroits inaccessibles, sans parler des sapins de Noël artificiels au goût discutable (qui sont certes apparus dans notre laboratoire pendant la période des fêtes).
Même avant que la fibre optique ne devienne importante dans l'industrie des télécommunications, la technologie de la fibre optique semblait prometteuse dans les domaines de la détection industrielle et environnementale. Des décennies de recherche sont maintenant traduites en instruments de mesure sûrs et précis à base de fibres, comprenant des gyroscopes, des sondes de température, des hydrophones et des moniteurs chimiques. En effet, les capteurs à fibres optiques trouvent des applications partout, des chemins de fer, des tunnels et des ponts aux fours industriels et aux systèmes d'élimination des déchets.
La détection par fibre optique - l'utilisation de la fibre optique pour les applications de détection industrielle et environnementale - constitue un autre domaine de croissance intéressant pour cette technologie polyvalente. C'est, par exemple, la seule discipline du domaine plus large de la détection qui possède sa propre série de conférences énergétiques. Lors de ces réunions, les chercheurs ont décrit des techniques potentielles pour tout mesurer, de la glycémie aux ondes gravitationnelles. Certaines idées ont fait le saut du laboratoire au marché hautement concurrentiel de la technologie des capteurs. L'utilisation de la fibre optique pour les applications de détection est antérieure à ses applications dans les réseaux de communication. Cela a commencé avec le développement, au milieu des années 1960, du capteur «Fotonic», un dispositif basé sur des faisceaux qui mesure la distance et le déplacement, en particulier dans le secteur des machines-outils. Bien que le Fotonic soit une technologie imparfaite avec une brève carrière, l’idée derrière le capteur a capturé l’imagination de la communauté des chercheurs.
Introduction des capteurs à fibre optique
Mécanisme
Le mécanisme de base est simple (illustré dans la figure ci-dessous): introduisez la lumière dans une fibre optique; faire en sorte que la lumière soit modulée en fonction de son interaction avec le paramètre d'intérêt; puis renvoyer la lumière modulée à un point de surveillance. Il existe différentes manières de procéder à chaque étape, en particulier l'approche utilisée pour moduler la lumière, mais c'est l'essence de la technologie.
Avantages
Les capteurs à fibre optique offrent de nombreux avantages par rapport aux autres techniques de détection. Le plus important est peut-être que ces capteurs sont insensibles au captage électromagnétique et qu’ils sont accessibles via les liaisons par fibre optique sur de très longues distances, parfois jusqu’à plusieurs dizaines de kilomètres. Les fibres sont également intrinsèquement sûres dans les environnements dangereux. En outre, ils sont chimiquement passifs, ont de petites dimensions physiques et sont mécaniquement compatibles avec une multitude d’environnements opérationnels.
Désavantages
Inévitablement, ces capteurs présentent également des inconvénients. L'interprétation des données est difficile avec certaines applications, par exemple, et le développement de la confiance des utilisateurs et de l'acceptation réglementaire peut être un processus long. Contrairement aux communications à large bande passante, où la fibre optique est la technologie de pointe incontestée, de nombreuses autres options sont disponibles dans le domaine de la détection; La fibre optique est rarement le choix évident - bien que ce puisse être un très bon choix.
Fonction et applications
Les capteurs à fibre optique sont particulièrement polyvalents lorsqu'ils sont basés sur des interféromètres sensibles à l'environnement utilisant une architecture à fibre ou lors de la surveillance d'un comportement de couleur ou de comportement sensible à la longueur d'onde. La première catégorie comprend les interféromètres pour mesurer les champs de pression dynamiques (hydrophones et géophones, par exemple) et l’interféromètre de Sagnac pour la rotation; ce dernier englobe presque tout ce qui est spectroscopique, y compris les capteurs basés sur des interactions avec des réactifs intermédiaires (par exemple, un indicateur acide / alcalin) - souvent appelé opopte - et les mesures spectroscopiques directes dans les gaz, les liquides et les solides. Cette catégorie comprend également les filtres spectraux sensibles à l'environnement, parmi lesquels le réseau à fibres de Bragg (FBG) est de loin le plus connu.
Un mécanisme de modulation très important, mais beaucoup moins évident, intègre des interactions inélastiques entre la lumière incidente, le matériau de la fibre elle-même et l'environnement qui l'entoure. Ces interactions, dont les plus importantes sont la diffusion de Raman et de Brillouin, produisent des modifications non linéaires caractéristiques du spectre de la lumière se propageant le long de la fibre dans les directions avant et arrière. En effet, la capacité des fibres optiques à produire une rétrodiffusion prévisible ouvre de nouvelles perspectives pour les applications de détection. Les systèmes de capteurs capables de mesurer le délai entre le lancement et le retour du rayonnement rétrodiffusé peuvent être utilisés pour sonder l'environnement le long de la fibre. Ces techniques de capteurs distribués sont uniques à la technologie des fibres optiques.
Les capteurs distribués facilitent les mesures de déformation et de température sur de très longues longueurs d’interaction, pouvant atteindre plusieurs dizaines de kilomètres. De plus, en fonction de la modulation du traitement temporel sur la lumière lancée, le champ de déformation ou de température peut être résolu avec une précision plus que suffisante sur des longueurs de jauge de l'ordre de 1 mètre, voire moins dans certains systèmes. De même, les capteurs à fibres optiques peuvent être facilement configurés en configurations multiplexées de réseaux de dispositifs de mesure ponctuelle. Chaque périphérique nécessite une seule source optique pour alimenter le réseau. Cette capacité à multiplexer typiquement jusqu'à quelques centaines de points d'interrogation est une autre caractéristique déterminante des capteurs à fibre optique.
Les capteurs à fibres optiques en pratique
Le domaine de la détection regorge de technologies idiosyncratiques qui s'adressent à des applications spécialisées, et la détection de fibre ne fait pas exception. Même si le même type de technologie peut être utilisé pour répondre à une gamme de besoins, les périphériques individuels peuvent varier considérablement en fonction de l'application spécifique et de ses exigences de précision, de stabilité, de résolution, de volume de fabrication et de nombreux autres paramètres interdépendants.
Détection de température distribuée
Il y a bien des décennies, la sonde Raman de détection de température distribuée (DTS) Raman est apparue comme un système prototype basé sur la détection de fibre (le concept DTS est présenté dans la figure ci-dessous). Cette sonde est capable de mesurer des profils de température avec une précision et une répétabilité de 1 sur des longueurs de jauge d'environ 1 mètre et des longueurs d'interrogation totales de plusieurs dizaines de kilomètres en temps de mesure de l'ordre de la minute. Le DTS est un outil puissant pour mesurer les changements de température dans les tunnels et les conduites. De nombreux systèmes sont maintenant installés dans les chemins de fer souterrains, les tunnels routiers et les grands fours industriels. D'autres systèmes ont été installés dans de grosses machines électriques, susceptibles de surchauffer en cas de défaillance.
Le principal avantage du DTS est que cette technologie équivaut à plusieurs milliers de thermocouples, espacés de 1 m le long d'une structure de mesure étendue. Avec d'autres systèmes de détection de température, le câblage électrique, la mise en réseau et l'alimentation peuvent s'avérer peu pratiques, en particulier dans les zones où la sécurité intrinsèque peut être importante. Toutefois, avec DTS, les utilisateurs peuvent simplement dérouler la fibre et l’attacher dans un endroit sûr. Les réseaux multiplexés sont également potentiellement très importants, même s’ils n’ont pas encore créé le créneau commercial dont jouit le DTS. Les réseaux de FBG écrits dans une seule longueur de fibre ont été largement évalués en tant que réseaux de capteurs de contrainte et / ou de température pour la surveillance de la charge et de l'état, en particulier dans les structures composites en fibres de carbone. Souvent qualifiés de «structures intelligentes», ces réseaux de capteurs facilitent la collecte de données opérationnelles provenant de structures telles que des avions et des ponts.
En principe, ces données peuvent être utilisées pour déterminer l'intégrité de la structure d'intérêt. Mais dans la pratique, cela reste semé d'embûches. Les chercheurs et les ingénieurs peuvent certes collecter des données détaillées, mais la manière de les interpréter fait l’objet de débats considérables. L'objectif est de dénoter des indicateurs fiables d'intégrité structurelle. Cependant, développer la confiance des utilisateurs et l'acceptation réglementaire est un processus prolongé. La surveillance de l'environnement est une autre application potentielle pour les systèmes multiplexés. La génération de méthane dans un site d'enfouissement est un indicateur important de la sécurité du site et de l'évolution des processus de décomposition anaérobie qui s'y déroulent. Un système de mesure qui surveille les concentrations de méthane sur un site mesurant environ 10 km offre l'avantage d'une évaluation continue et donc d'un meilleur fonctionnement, en particulier lorsque le méthane - un gaz à effet de serre extrêmement actif - peut être utilisé pour générer plusieurs mégawatts d'électricité Puissance.
Les systèmes à fibres optiques qui ciblent cette application sont extrêmement prometteurs. ils sont basés sur de petites cellules d'absorption interrogées à l'aide de liaisons de fibres monomodes. À mesure que les réglementations environnementales se resserrent, ces systèmes offrent une technologie potentiellement décisive pour la surveillance des opérations d'élimination des déchets. En utilisant cette approche, des systèmes multiplexés qui adressent plus de 200 capteurs à partir d'une seule source laser sont réalisables. Cependant, un peu comme les matrices de capteurs de contrainte FBG, la question de savoir quoi faire avec toutes les données que ces systèmes acquièrent est complexe. En outre, l'intégration de ce potentiel de système dans la législation environnementale et les normes réglementaires est un processus fastidieux.
Gyroscope à fibre optique
Il existe des domaines dans lesquels les capteurs à fibre optique ont commencé à s'imposer comme un choix naturel. Ils sont extrêmement compétitifs comme hydrophones et géophones, là encore dans des réseaux multiplexés. En tant qu’élément capteur individuel, le gyroscope à fibre optique est sans doute le plus performant. (Un gyroscope à fibre optique est présenté dans la figure ci-dessous.)
Les gyroscopes mesurent la rotation dans l'inertie. Ce sont des instruments essentiels dans les systèmes de navigation et de positionnement, ainsi que dans les équipements de stabilisation largement utilisés dans les aéronefs et les navires. Le gyroscope à fibre optique est basé sur une réalisation en fibre optique de l'interféromètre de Sagnac, qui a été présentée pour la première fois il y a près d'un siècle. L’idée de l’interféromètre de Sagnac est simple. La lumière est lancée par un diviseur de faisceau dans deux directions autour d'une boucle et celle-ci est pivotée. Alors que la lumière est dans la boucle en route vers le séparateur de faisceau, la lumière tournant dans le même sens que le séparateur de faisceau a un peu plus de distance à parcourir que la lumière tournant dans le sens opposé du séparateur de faisceau. Par conséquent, il y a un léger retard entre les faisceaux lumineux en rotation dans les deux sens à leur retour au répartiteur de faisceau. Ce délai peut être mesuré de manière interférométrique en tant que phase optique.
La réalisation de ce concept sous forme de fibre optique nécessite des optiques élégantes et une ingénierie minutieuse. Environ une décennie d’efforts a permis d’obtenir des instruments de mesure de rotation extrêmement précis et extrêmement fiables. Cette fiabilité réside dans le fait que, contrairement aux gyroscopes mécaniques (ou même au système laser en anneau, qui repose également sur l'effet Sagnac), les gyroscopes à fibres optiques ne comportent aucune pièce mécanique en mouvement. De plus, le facteur d'échelle du gyroscope à fibre optique est indépendant de l'accélération mécanique, contrairement à la technologie plus traditionnelle de la roue à filer mécanique. En outre, le gyroscope à fibre optique peut être configuré dans une multitude de versions répondant à divers besoins en termes de précision, de durée de vie et de tolérance environnementale. Plusieurs centaines de milliers de gyroscopes à fibres optiques sont fabriqués et vendus chaque année.
Un autre capteur à fibre optique qui a fait ses preuves et qui trouve de nombreuses applications en génie civil est le système SOFO (système de surveillance des structures utilisant des fibres optiques ). Cet interféromètre de Michelson en fibre de lumière blanche agit comme un extensomètre de précision sur des longueurs de jauge allant jusqu'à quelques dizaines de mètres, avec une stabilité à long terme et une lecture mécanique de précision mesurée en microns.
La diffusion de Brillouin stimulée a été utilisée pour la mesure de contrainte répartie, notamment sur des câbles de communication à fibres optiques installés dans des zones sujettes aux tremblements de terre. En biomédecine, des systèmes in vivo performants - pour évaluer les sucs gastriques chez l'homme, par exemple - se sont imposés comme des outils de diagnostic utiles. Il y en a beaucoup d'autres.
L'avenir des capteurs à fibre optique
Les capteurs à fibres optiques continuent de fasciner. Comme dans d'autres domaines de la photonique, les chercheurs sont enthousiastes à l'idée d'intégrer de nouvelles technologies dans le contexte de la détection et de l'instrumentation. Les cristaux photoniques et les fibres de cristaux photoniques semblent intéressants, même si les chercheurs ont à peine commencé à comprendre comment interpréter ces perspectives dans un environnement de système de capteurs quelque peu orthogonal. Les lasers à haute puissance basés sur la technologie des fibres optiques permettent une caractérisation non linéaire particulièrement innovante des matériaux. La conicité de la fibre optique réapparaîtra sans doute comme une sonde pour examiner les structures à l'échelle microscopique, voire nanoscopique.
Les innovations informatiques et la disponibilité de capacités de traitement de données étendues contribueront également à améliorer notre capacité à interpréter les données de vastes matrices de capteurs similaires et à aboutir à des combinaisons utiles de capteurs complémentaires. Les systèmes micro-électromécaniques optiques offrent également des possibilités, bien qu’ils n’aient pas encore fait leur marque en tant que technologies de capteurs à base de fibres. L'exploitation de la technologie des capteurs à fibre optique continuera à se développer, lentement mais sûrement. En parallèle, la communauté des chercheurs continuera à rechercher de nouveaux outils et à rechercher des opportunités pour les appliquer.
