Pr´esentation de la partie ´electronique du capteur d´evelopp´e

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Mesurandes a caracteriser

Le capteur a developper doit permettre la mesure de diverses mesurandes. Nous souhaitons concevoir une architecture, aussi bien optique qu’electronique, qui nous autorise la mesure de grandeurs telles que la temperature, la con-trainte, le champ electrique, l’humidite, etc. Ces grandeurs induisent par di erents e ets physiques, des changements d’indice de refraction des materiaux sur lesquels elles sont appliquees.

Mesure de temperature

De multiples procedes permettent de mesurer la temperature avec les cap-teurs a bres optiques. Le capteur peut ^etre ponctuel (en un seul point de la bre) ou reparti (sur toute ou partie de la bre), actif (lumiere generee par une source optique) ou passif (lumiere generee par le phenomene physique lui-m^eme), extrinseque (la bre sert de support a l’information issu du capteur) ou intrinseque (la bre est le transducteur) [1].
Qu’ils soient bres ou non, les capteurs optiques de temperature utilisant la variation de birefringence, sont bases sur le principe suivant : une lumiere de polarisation rectiligne, est injectee dans le cristal (ou dans la bre) a 45 de ses axes neutres. Elle se propage suivant les deux modes de polarisation orthog-onaux, chacun d’eux, presentant des constantes di erentes. La birefringence induit alors un dephasage entre les deux modes de propagation. Les variations s’observent a l’aide d’un analyseur place a 45 des axes a la sortie du cristal.
Dans le cas d’une bre optique, le capteur est intriseque et reparti.
Cette methode permet de mesurer de hautes temperatures dans une gamme s’etendant de 300 C a 3000 C. D’un point de vue technologique cela necessite des bres resistant a la chaleur [2]. Cela s’obtient en entourant la bre d’une gaine d’un metal avec un haut point de fusion. Des que les conditions ther-miques le permettent, la bre resistante est couplee a une bre moins resistante mais aussi moins chere.

Mesure de champ electrique

Les capteurs a bre optique, sont un choix judicieux pour la mesure de champs electrique et magnetique, a cause de la nature dielectrique de la bre. Ils fournissent une isolation galvanique de la sonde et sont peu sensibles aux perturbations electromagnetiques [1]. La sonde peut aussi ^etre positionnee en bout de bre ; elle est alors utilisee comme support de transport de l’infor-mation. Ce principe n’est pas reserv aux capteurs de champs electriques. Concernant les champs haute-frequence, la metrologie dans le domaine de la caracterisation de champs electriques micro-ondes est un theme mal maitrise aujourd’hui. En e et, lorsque la mesure a pour objet de realiser une cartogra-phie d’un champ rayonne, des contraintes supplementaires apparaissent telles que la capacite a mesurer une des composantes du champ ou une perturbation induite sur le capteur [3].

Mesure de pression

Ces capteurs exploitent di erents principes : modulation de phase, pertes par microcourbures, couplages d’ondes evanescentes… Les applications possi-bles vont du contr^ole de reacteurs chimiques aux moteurs en passant par le corps humain [1]. Une technique extrinseque consiste a mesurer la deformee d’une membrane sensible a la pression. De la lumiere est envoyee sur la mem-brane par un reseau de bres en anneaux et est recuperee par d’autres bres egalement rangees de maniere concentriques [4]. L’analyse des di erentes in-tensites de chaque bre permet de reconstituer la forme de la membrane et de la de remonter a la pression. Une methode avec contact consiste a poser directement sur la membrane l’element sensible a la pression. L’inconvenient de ce dernier proced est la sensibilit aux vibrations. On peut aussi utiliser la modi cation de la birefringence dans des bres enroulees sur des cylindres creux qui font varier la courbure des bres sous l’e et de la pression. La birefringence peut egalement ^etre induite dans des bres partiellement evidees. Cette technique permet de deceler 10mP a avec des bobines de 50m de longueur et de 30mm de diametre. Un autre systeme existe pour lequel, la bre est prise entre deux machoires une xe et l’autre mobile suivant la pression. On mesure alors les pertes par microcourbures. Ce systeme necessite une calibration en fonction de la temperature.

Architectures optiques utilisables

Nous presentons ici, les techniques les plus usuelles de l’appareillage op-tique, en particulier, les montages a une onde et les montages a deux ondes. Ces techniques nous guideront pour le choix de l’instrumentation optique.

Montage a une onde

Montage de base
Lorqu’une onde lumineuse traverse un cristal, sa polarisation est en general modi ee et depend du retard de phase induit entre les deux composantes de la polarisation. Ce dephasage peut ^etre compens par un montage optique a l’aide d’un compensateur. Henri Huraud de Senarmont a demontr cela en 1853 dans son memoire pour l’ecole polytechnique [18, 19]. Le montage comporte un polariseur, 2 lames a retard (dont une lame quart-onde) et un analyseur (cf gure1.6). La lame quart-onde compense le retard de la premiere lame [20]. Dans une con guration capteur, un cristal, dont la birefringence varie avec un parametre physique, est inser dans le montage a la place de C1 ( gure 1.7). D’une con guration simple, ce montage est employ par de nomlame quart-onde, A : Analyseur et D : Detecteur (Photodiode) breux auteurs pour determiner les parametres electro-optiques de materiaux, [21, 22, 23, 24, 25]. Ce montage est aussi utilise pour calibrer les lames quart-ondes [26].

Systemes de detection et electronique associee

D’un point de vue electrique, on peut voir un banc optique comme la trans-mission d’une information electrique et sa reception. Dans le cas d’une trans-mission modulee (soit par la commande, soit par le mesurande), le recepteur utilise des techniques de demodulation. Nous allons decrire, les methodes usuelles de detection du signal en sortie du montage optique. Il existe 4 prin-cipales techniques de mesure :
{ Mesure directe
{ Mesure des composantes harmoniques { Mesure par des techniques adaptees { Mesure par detection synchrone

Correction des non-linearites par methode optique

Nous nous sommes aussi interesses a la correction des non-linearites car elles in uencent la mesure. Lorsque l’on parle de non-linearite, on fait reference a deux types de non-linearites. En premier, celles dues a une distorsion de phase et qui donc modi ent l’information d^ue a une variation de birefringence par exemple et en second celles dues a la fonction de transfert en sin2(x) qui caracterisent les modulateurs electro-optiques par exemple.
Nous n’avons pas trouve de methodes simples et transferables au capteur que nous souhaitons developper. Cependant, nous indiquons en annexe A-3, quelques techniques utilisees.

Architecture choisie

Nous venons de detailler le fonctionnement des capteurs electro-optiques utilises couramment. A la vue des di erentes techniques, il apparait que la plus simple a mettre en uvre est la technique polarimetrique dans laquelle un cristal dont l’indice de refraction varie avec un mesurande, peut servir de sonde. En particulier, le montage de Senarmont nous appara^t tout a fait convenir du fait de la simplicite de mise en uvre. Par contre, pour la cha^ne electronique, aucune technique particuliere n’a retenu notre preference, nous nous focaliserons donc sur la cha^ne electronique en cherchant une structure adaptee a n d’obtenir des performances comparables a celles publiees.

Apport de la modulation electro-optique

Considerons d’abord, la cas ou le cristal sonde est remplac par un mod-ulateur electro-optique. Celui-ci est un cristal pourvu de deux electrodes, sur deux faces opposees du cristal, le long du chemin optique.

Le dephasage entre les composantes de la polarisation d’un faisceau lu-mineux, provoque par la birefringence naturelle et par la birefringence induite par application du champ electrique sur le cristal s’exprime par : jk = Link3r Ep (2.29)

est la longueur d’onde du faisceau lumineux, Li la dimension du cristal dans la direction de propagation du faisceau, nk, l’indice de refraction du cristal et r le coe cient electro-optique e ectif du cristal : nj3 r = rjk;p = rkp rjp (2.30)

ou p = i; j; k. Dans le cas general, la tension Vp appliquee au cristal est constituee d’une composante continue VDC et d’une composante alternative VAC = Vm sin !mt, soit en considerant la distance inter-electrodes Dp : Vp = EpDp = VDC + Vm sin !mt (2.31)

En supposant que la reponse electro-optique soit purement lineaire, l’appli-cation de cette tension provoque dans le cristal, un dephasage entre les com-posantes principales de la polarisation du faisceau lumineux de la forme : = DC + m sin !mt (2.32) (2.33)

DC represente le dephasage du a l’application d’un champ electrique constant et m est le dephasage maximum porte par la pulsation !m.

A n de completer l’etude de la transmittance dynamique, nous remplacons dans l’equation 2.25 par son expression donnee par l’equation 2.32. On obtient alors : » 1 T = 2 1 sin( DC 2 ) cos( m sin(!mt))+cos( DC 2 )

Fonctionnement en transmission avec bre optique

A n de valider une solution ou le cristal sonde serait deporte, nous avons adapte le montage de Senarmont en ajoutant une bre optique. Le dispositif en transmission precedent est modi e pour permettre l’insertion d’une lame demi-onde et d’une bre optique. La lame demi-onde nous permet d’ajuster, apres la lame =4, la polarisation de l’onde lumineuse qui est couplee dans la bre. Cette polarisation qui est lineaire doit en e et ^etre orientee suivant l’axe preferentiel de la bre. La bre optique est une bre a maintien de polarisation fabriquee par Newport et referencee S-SFV. Son c ur fait moins de 3 m de diametre. Nous pouvons observer sur la gure 2.17, la forme du c ur de ce type de bre, contrainte a n de permettre a l’onde de se propager suivant une seule polarisation.

Mesure par des techniques adaptees

Ces techniques sont souvent un « melange » des techniques directes et par detection synchrone vues au chapitre 2. Apres l’ampli cateur et le ltre, on trouve des montages multiplieurs dont le r^ole est soit de discriminer plusieurs signaux entre-eux [42], soit de lineariser le signal issu de la photodiode. On peut citer, l’article de Minoni [43] dans lequel, via 2 multiplications ( g-ure 3.1), il extrait le fondamental et le premier harmonique du signal a n de compter les franges d’interferences. Un autre systeme a 2 multiplieurs a et propose par Link [44] a n de quanti er le retard de phase h(t) = (t) (t). Ceci est realis a partir de la recomposition du signal h(t) = arctan xy((tt)) , ou x(t) et y(t) sont les composantes en sinus et en cosinus respectivement. Le calcul aboutit a l’expression suivante : (t) 0:5 sin 2 (t) sin 2 (t) + 1 54 (3.1)

L’alimentation sinuso dale

Generateur de signaux

Le generateur est constitue par un circuit integr classique : le XR2206 de EXAR Industries. Nous avons xe par un circuit RC, sa frequence d’oscilla-tion a 20; 7kHz. Ce circuit possede 3 sorties, sinuso dale, triangulaire et carre. Le signal sinuso dal gener presente un peu de distorsion comme on peut le constater sur la gure 3.6 ou nous pouvons observer deux harmoniques a 41; 4kHz et a 62; 1kHz. Ces harmoniques possedent des amplitudes attenuees de pres de 30dB et 40dB respectivement. Cette distorsion ne constitue pas un inconvenient pour deux raisons, le transformateur Tr, possede comme on le verra, une frequence de coupure haute proche de 25kHz et de ce fait, les har-moniques double et triple seront tres attenuees. De plus, puisque l’asservisse-ment se fait sur le fondamental du signal uniquement, les autres harmoniques n’ont aucune in uence sur la mesure.

Ampli cation du signal sinuso dal

L’ampli cation est realisee par un transformateur Tr de rapport 10. Nous avons mesur en sortie du transformateur, la valeur e cace du signal ampli e sur une duree de 15min. Nous pouvons deduire de la gure 3.7 que la stabilite est de 0; 8%. De m^eme, la derive en frequence ( gure 3.8 est tres faible et egale a 0:8%. En tout etat de cause, une quelconque derive frequentielle n’aurait eu aucune repercution sur la qualite de l’asservissement puisque la detection du fondamental se fait de facon synchrone sur cette m^eme frequence.

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Table des matières

1 Capteurs optiques
1.1 Introduction
1.2 Mesurandes `a caract´eriser
1.2.1 Mesure de temp´erature
1.2.2 Mesure de champ ´electrique
1.2.3 Mesure de pression
1.3 Effets et mat´eriaux mis en jeu
1.3.1 Mesurandes actifs
1.3.2 Effet ´electro-optique
1.3.3 Effet ´elasto-optique
1.3.4 Effet thermo-optique
1.3.5 Autres mat´eriaux utilis´es
1.4 Architectures optiques utilisables
1.4.1 Montage `a une onde
1.4.2 G´eometrie de la sonde
1.4.3 Montages `a deux ondes et plus
1.5 Syst`emes de d´etection et ´electronique associ´ee
1.5.1 Alimentation du modulateur
1.5.2 Mesure directe
1.5.3 D´etection synchrone
1.5.4 Correction des non-lin´earit´es par m´ethode optique
1.6 Architecture choisie
1.7 Conclusion
2 Instrumentation optique
2.1 Introduction
2.2 Montage optique `a polarisation lin´eaire
2.2.1 Equation caract´eristique ´
2.2.2 Caract´eristique de transfert
2.3 Le montage de S´enarmont en transmission
2.3.1 Fonction de transfert
2.3.2 Compensation lin´eaire
2.4 Apport de la modulation ´electro-optique
2.5 Montage de S´enarmont en modulation : ajout de la sonde
2.6 Fonctionnement en reflexion
2.6.1 Fonction de transfert
2.6.2 Fonction de transfert en temp´erature
2.6.3 Caract´eristique temp´erature – tension de commande
2.7 Fonctionnement en transmission avec fibre optique
2.7.1 Fonction de transfert
2.7.2 Caract´eristique temp´erature – tension de commande
2.8 Fonctionnement en r´eflexion avec fibre optique et cristal sonde
2.9 Conclusion
3 Instrumentation ´electronique
3.1 Introduction
3.1.1 Mesure par des techniques adapt´ees
3.1.2 Mesure des composantes harmoniques
3.2 Pr´esentation de la partie ´electronique du capteur d´evelopp´e
3.3 L’alimentation sinuso¨ıdale
3.3.1 G´en´erateur de signaux
3.3.2 Amplification du signal sinuso¨ıdal
3.4 L’amplificateur continu
3.4.1 Structure retenue
3.4.2 Conclusion
3.5 La d´etection synchrone
3.5.1 R´ealisation pratique
3.5.2 Caract´eristique statique
3.5.3 Caract´eristique dynamique
3.6 Le comparateur
3.7 Le correcteur PID
3.7.1 Effet particulier de l’action int´egrale
3.8 Fonctionnement en boucle ferm´ee
3.9 Conclusion
4 Performances du capteur
4.1 Introduction
4.2 Configuration
4.3 Caract´eristiques du montage asservi
4.3.1 Temps de r´eponse
4.3.2 Stabilit´e
4.4 Montage capteur
4.4.1 Sensibilit´e
4.4.2 R´esolution
4.4.3 Pr´ecision
4.4.4 Erreur de lin´earit´e
4.4.5 Erreur de Gain
4.4.6 Incertitude relative due au filtrage
4.4.7 Bilan des incertitudes
4.4.8 Consommation
4.4.9 Encombrement
4.5 Insensibilit´e `a la d´erive du laser
4.6 Limites de l’instrumentation
4.7 Conclusion
A-1 : Matrices de Jones
A-2 : Capteur de pr´esence de glace
A-3 : Correction des non-lin´earit´es
A-4 : M´ethode d’identification de Strejc
A-5 : M´ethode de Ziegler-Nichols
A-6 : Incertitudes de mesures