Qu’est-ce qu’un capteur à fibre optique ?
Les capteurs à fibres utilisent l’intérieur d’une fine fibre optique en résine ou en verre de quartz comme guide d’onde optique, qui est utilisé pour diverses applications de détection sur les sites de production.
Les capteurs à fibre optique sont dotés d’un câble souple et fin et d’une petite tête de capteur qui permettent la détection dans des espaces confinés et de petits objets. Ils conviennent à la détection dans un large éventail d’environnements car ils ne sont pas affectés par les influences électromagnétiques, entre autres caractéristiques. En fonction du matériau du revêtement de la fibre optique, ils peuvent également être utilisés dans des environnements à haute température ou en présence d’huile ou de produits chimiques.
Utilisations des capteurs à fibre optique
La principale application des capteurs à fibre optique est la détection d’objets. Ils peuvent détecter la présence, le passage et la vitesse de déplacement d’objets dans la zone de détection où la lumière est irradiée.
La détection étant basée sur l’ombrage et la réflexion de la lumière, les capteurs à fibres peuvent détecter la présence ou l’absence et la couleur de solides généraux tels que le bois et la résine, ainsi que le métal, et peuvent également détecter le verre transparent, etc. Ils sont largement utilisés dans divers sites de fabrication, de la détection générale de produits sans contact à la détection et au positionnement de produits extrêmement petits dans des espaces étroits.
De plus, il est possible de détecter non seulement des solides mais aussi des liquides, de détecter la déformation et la température, et les capteurs de courant pour la mesure sans contact de la valeur du courant circulant dans les conducteurs sont également utilisés dans la pratique.
Structure des capteurs à fibre optique
Un capteurs à fibre optique se compose d’une partie émettrice de lumière, constituée d’une unité de fibre en forme de câble qui émet de la lumière tout en la faisant passer et d’un amplificateur de fibre qui possède une source de lumière et des fonctions d’amplification optique, et d’une partie réceptrice de lumière qui la reçoit.
La fibre optique au centre de l’unité de fibre est constituée d’un cœur à indice de réfraction élevé et d’une gaine à faible indice de réfraction, qui est formée en couche mince, principalement en verre de quartz ou en plastique, et qui est utilisée comme guide d’onde optique en utilisant le phénomène de réflexion totale de la lumière à l’intérieur de la fibre.
Les amplificateurs à fibres sont principalement structurés avec un amplificateur optique et un circuit de détection entre l’émetteur et le récepteur de lumière, les fibres dopées aux terres rares étant utilisées comme le principal moyen d’amplification optique, et la détection est réalisée en amplifiant la lumière incidente par l’émission induite d’une lumière d’excitation. En fonction de ces caractéristiques, certains produits sont équipés de fonctions de réglage de la sensibilité et de réglage et de modification du seuil.
Les capteurs à fibre optique peuvent être classés en deux grandes catégories : les capteurs à fibre et amplificateurs à fibre séparés et les capteurs à amplificateurs à fibre intégrée. Leurs méthodes de détection comprennent la transmission, la réflexion, la rétro-réflexion et la réflexion limitée.
Principe des capteurs à fibre optique
Les capteurs à fibre optique effectuent différents types de détection sur la base des informations (longueur d’onde, intensité lumineuse) de la lumière émise par la partie émettrice de la lumière et de la lumière reçue par la partie réceptrice de la lumière.
1. Détection générale d’objets
Le principe de détection le plus élémentaire consiste à détecter la présence ou l’absence d’un objet lorsque la lumière est interrompue entre la partie émettrice de la lumière et la partie réceptrice de la lumière. Il est possible de détecter le passage d’un objet en bloquant la lumière pendant un court laps de temps, ou de mesurer le temps de réflexion et la vitesse de déplacement de l’objet en prévoyant également un moyen de réception de la lumière sur la partie émettrice de la lumière.
Les objets transparents tels que le verre sont difficiles à détecter parce que la lumière les traverse, mais peuvent être détectés en mesurant précisément la variation de l’intensité lumineuse causée par le changement de l’indice de réfraction à la surface (air ⇔ verre).
2. Détection de liquides
Les capteurs à fibre optique sont utilisés pour détecter non seulement les solides mais aussi les liquides en utilisant les propriétés de réfraction de la lumière du liquide.
Les détecteurs montés sur tube projettent la lumière sur la paroi du tube. S’il n’y a pas de liquide dans le tube, la lumière va tout droit ; s’il y a du liquide, la lumière est réfractée et pénètre dans la partie réceptrice de la lumière. Cela permet de détecter la présence ou l’absence de liquide. Ce type de détecteur peut détecter les liquides transparents, mais pas les liquides opaques qui ne laissent pas passer la lumière.
Dans le type humide, le projecteur et le récepteur sont installés parallèlement l’un à l’autre dans un tube conique en résine à l’extrémité et, lorsqu’ils ne sont pas en contact avec le liquide, la lumière est réfractée par le cône et retourne au récepteur. Lorsqu’un liquide est mouillé, l’indice de réfraction change et la lumière ne revient pas. C’est ainsi que le liquide mouillé est détecté.
Les capteurs à fibre optique sont ainsi utilisés pour détecter la présence de liquide, le niveau de liquide et les fuites. Pour la détection des liquides, les tubes en résine sont souvent en téflon, qui peut être utilisé pour les produits chimiques et l’eau à haute température, et s’applique à un large éventail d’applications.
3. Détection de la couleur
La couleur d’un objet est déterminée par la distribution des longueurs d’onde de la lumière réfléchie en fonction de la réflectance ou de l’indice de réfraction par rapport à la longueur d’onde (couleur) de la lumière irradiée. Ceci peut être utilisé pour détecter la couleur avec des capteurs à fibres optiques.
4. Détection de la température et de la déformation
Les fibres optiques ont une structure double avec un cœur et une gaine dans la direction radiale, mais en irradiant une lumière ultraviolette spéciale dans le processus de fabrication, des régions avec des indices de réfraction partiellement différents peuvent être générées à intervalles réguliers dans la direction axiale, qui sont appelées réseaux de Bragg de fibres (FBG). Dans ce cas, l’image d’une fibre optique est une série de cylindres avec des FBG aux deux extrémités.
Les FBG ne réfléchissent que des longueurs d’onde spécifiques en fonction de l’espacement et de l’indice de réfraction générés. Ainsi, lorsque la fibre optique se dilate ou se contracte en raison de changements de température, la longueur d’onde de la lumière réfléchie et le temps nécessaire pour que la lumière réfléchie soit renvoyée changent. Cela permet de les utiliser comme capteurs de température.
Lorsqu’elle est installée dans une structure, la longueur de la fibre varie en fonction de la déformation de la structure et peut donc également être utilisée comme capteur de déformation. Elle est appliquée aux structures qui sont constamment soumises à des forces externes, telles que les grands bâtiments, les tunnels et les pipelines, ainsi que les éoliennes en mer, qui sont une forme d’énergie renouvelable. Lorsqu’un poids est connecté, la longueur de la fibre optique change en fonction de la force d’accélération appliquée lorsque le poids se déplace, de sorte qu’elle peut également être utilisée comme capteur d’accélération.
5. Détection de la valeur actuelle
L’effet Faraday est utilisé pour la détection de la valeur du courant par les capteurs à fibre optique. Lorsqu’un courant circule dans un conducteur, un champ magnétique concentrique est généré selon la loi du fil de droite. L’effet Faraday est un phénomène par lequel le plan de polarisation de la lumière traversant une fibre optique le long de ce champ magnétique tourne en fonction de l’intensité du champ magnétique. La valeur du courant est détectée en mesurant l’angle de rotation de ce plan de polarisation.
Autres informations sur les capteurs à fibre optique
À propos des amplificateurs à fibre optique
Les capteurs à fibre optique utilisent généralement une lumière LED, qui est transportée par une fibre optique jusqu’à l’unité de détection et irradiée à l’aide d’une lentille ou d’un dispositif similaire. Les problèmes les plus courants de ces capteurs sont la détérioration de la lumière LED liée à l’âge et l’adhésion de saletés à la lentille. Dans ces conditions, l’intensité de la lumière irradiée diminue, ce qui provoque des fausses détections et des problèmes d’équipement, d’où l’utilisation d’amplificateurs de fibre.
La fonction de l’amplificateur à fibre est de détecter et de compenser automatiquement une diminution de l’intensité lumineuse, en détectant les changements dans la lumière de la LED au fil du temps et en augmentant la sortie en conséquence pour maintenir l’intensité lumineuse constante. Il règle également la détection des objets en fonction du taux de diminution plutôt que de l’importance de la diminution de l’intensité lumineuse, et compense automatiquement en évaluant le rapport d’intensité lumineuse relative entre la lumière émise et la lumière reçue.
Ainsi, des produits et des fonctions sont développés les uns après les autres pour compenser les lacunes des capteurs à fibre optique, et leur bonne utilisation permet d’éviter les problèmes.