Capteurs à fibres optiques pour la mesure à haute résolution de déplacements linéaires et angulaires sur une grande étendue PDF Download
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La demande croissante de systèmes mécaniques et mécatroniques miniatures exige la miniaturisation des composants ayant une fonction d'actionnement ou de mesure dans ces systèmes. Des capteurs miniatures, privilégiant un rapport entre la limite de résolution et l'étendue de la mesure de l'ordre de 10-5 à 10-6, s'avèrent alors des éléments incontournables. Ce mémoire présente la conception et la réalisation de deux capteurs à fibres optiques pour la mesure à haute résolution de déplacements linéaires et angulaires sur de grandes étendues utilisant un même principe. Après une étude bibliographique portant sur les capteurs optiques, une modélisation géométrique de la mesure de déplacements linéaires sur une grande étendue par l'utilisation de deux sondes et d'un réseau a été réalisée. Un premier réseau optique en alliage d'aluminium a été obtenu par Usinage Haute Précision. Puis, grâce à la micro fabrication du silicium, un second réseau a été réalisé dans le but d'améliorer les performances du capteur. Il a ainsi été permis de l'intégrer dans un système mécanique miniature avec une limite de résolution de 27,4 nm sur une étendue linéaire de 9 mm. En dupliquant ce principe, des mesures dans un plan ont été réalisées. Le deuxième capteur développé mesure des déplacements angulaires au moyen d'une sonde, contenant deux détecteurs et d'un miroir non structuré. Une modélisation a été réalisée et une bonne corrélation a été observée entre les résultats numériques et expérimentaux sur une étendue comprise entre -23,44° et +23,44° avec une limite de résolution optimale de 0,48xI0-3o. Enfin, après duplication de ce dernier principe, un inclinomètre bidimensionnel miniature a été réalisé.
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La demande croissante de systèmes mécaniques et mécatroniques miniatures exige la miniaturisation des composants ayant une fonction d'actionnement ou de mesure dans ces systèmes. Des capteurs miniatures, privilégiant un rapport entre la limite de résolution et l'étendue de la mesure de l'ordre de 10-5 à 10-6, s'avèrent alors des éléments incontournables. Ce mémoire présente la conception et la réalisation de deux capteurs à fibres optiques pour la mesure à haute résolution de déplacements linéaires et angulaires sur de grandes étendues utilisant un même principe. Après une étude bibliographique portant sur les capteurs optiques, une modélisation géométrique de la mesure de déplacements linéaires sur une grande étendue par l'utilisation de deux sondes et d'un réseau a été réalisée. Un premier réseau optique en alliage d'aluminium a été obtenu par Usinage Haute Précision. Puis, grâce à la micro fabrication du silicium, un second réseau a été réalisé dans le but d'améliorer les performances du capteur. Il a ainsi été permis de l'intégrer dans un système mécanique miniature avec une limite de résolution de 27,4 nm sur une étendue linéaire de 9 mm. En dupliquant ce principe, des mesures dans un plan ont été réalisées. Le deuxième capteur développé mesure des déplacements angulaires au moyen d'une sonde, contenant deux détecteurs et d'un miroir non structuré. Une modélisation a été réalisée et une bonne corrélation a été observée entre les résultats numériques et expérimentaux sur une étendue comprise entre -23,44° et +23,44° avec une limite de résolution optimale de 0,48xI0-3o. Enfin, après duplication de ce dernier principe, un inclinomètre bidimensionnel miniature a été réalisé.
Author: Vincent Trudel (Auteur de Capteurs de déplacement à fibre optique à modulation d'intensité basée sur la présence de désalignements entre fibres monomodes) Publisher: ISBN: Category : Displacement transducers Languages : fr Pages : 0
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Ces présents travaux de recherche portent sur le développement de nouveaux capteurs de déplacements à fibre optique monomode a modulation d'intensité causée par la présence de désalignements entre les fibres. À partir d'un fondement théorique rigoureux, des nouveaux principes de fonctionnement de capteurs sont développes. Des modèles analytiques d'efficacité de couplage optique entre faisceaux gaussiens sont utilisés. Un modèle basé sur une expression plus juste du mode de propagation fondamental de la fibre monomode et sur le phénomène de propagation d'un champ optique dans l'air libre est aussi développé à l'aide de la méthode de l'intégrale de recouvrement. Les performances expérimentales de deux capteurs sont évaluées et des directives de conception sont proposées. Ces capteurs sont caractérisés par un comportement linéaire, des possibilités de mesure multidimensionnelle, des performances adaptables a différentes applications et l'évitement des désavantages classiques des capteurs à modulation d'intensité. Une étude principalement théorique de quelques autres solutions est également réalisée.
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LE TRAVAIL DECRIT DANS CE MEMOIRE ANALYSE CERTAINES PERSPECTIVES OFFERTES PAR LES FIBRES OPTIQUES POUR LE CONTROLE DE DEFORMATIONS DE STRUCTURES. LE CONCEPT DE STRUCTURE INSTRUMENTEE EST ETUDIE, NOTAMMENT A TRAVERS LES NOTIONS DE CONDITIONNEMENT DU CAPTEUR PAR RAPPORT A LA STRUCTURE, DE TRANSFERT DES CONTRAINTES DE LA STRUCTURE AU CAPTEUR, ET DE MESURE SIMULTANEE DE PLUSIEURS PARAMETRES EXTERIEURS (CONTRAINTES, TEMPERATURE). PARALLELEMENT, LES POTENTIALITES DE DIFFERENTES METHODES INTERFEROMETRIQUES APPLIQUEES AUX CAPTEURS A FIBRES OPTIQUES SONT COMPAREES, OFFRANT UN EVENTAIL DE TECHNIQUES DISPONIBLES AUX SENSIBILITES OPTIMISEES POUR DIVERSES APPLICATIONS. POUR REPONDRE A UN REEL BESOIN DE L'INDUSTRIE AERONAUTIQUE, UN SYSTEME DE DETECTION D'IMPACTS SUR DES STRUCTURES COMPOSITES MULTICOUCHES EST PRESENTE, BASE SUR L'UTILISATION CONJOINTE DE L'INTERFEROMETRIE EN LUMIERE BLANCHE ET DE FIBRES OPTIQUES BIREGRIGENTES POUR LA MESURE DE CONTRAINTES RESIDUELLES INDUITES APRES IMPACT. LA REALISATION D'UN IMPACT SUR UNE STRUCTURE COMPOSITE PRODUIT UN COUPLAGE D'ENERGIE ENTRE LES MODES PROPRES DE POLARISATION DE LA FIBRE OPTIQUE INSEREE DANS LA STRUCTURE. LA LOCALISATION ET L'INTENSITE DU COUPLAGE SONT MESUREES A L'AIDE D'UN INTERFEROMETRE DE LECTURE PLACE EN SERIE. UNE ETUDE THEORIQUE ET EXPERIMENTALE DU PHENOMENE DE TRANSDUCTION PERMET D'APPREHENDER LES LIMITATIONS DU SYSTEME, DE COMPARER LES PERFORMANCES DE PLUSIEURS FIBRES BIREFRIGENTES ET D'ORIENTER LE CHOIX DE FIBRE OPTIQUE VERS LA FIBRE FASE (FIBRE A STRUCTURES EVIDEES). LES PERFORMANCES EXPERIMENTALES OBTENUES POUR LA DETECTION D'IMPACTS SUR PLUSIEURS STRUCTURES INSTRUMENTEES CONFIRMENT LES POTENTIALITES DE CE TYPE DE CAPTEUR POUR LA DETECTION D'ENDOMMAGEMENTS INDUITS SUR DES STRUCTURES COMPOSITES PAR L'OCCURENCE D'IMPACTS. UN DEUXIEME SYSTEME CAPTEUR, APPLIQUE A LA MESURE DE DEFORMATIONS LONGITUDINALES DE STRUCTURES LINEAIRES DU GENIE CIVIL (BARRES D'ANCRAGE ET CABLES DE SUSPENSION), EST PROPOSE A PARTIR DE LA METHODE DE MODULATION DE SOUS-PORTEUSE OPTIQUE. L'ELONGATION D'UNE STRUCTURE INSTRUMENTEE PAR UNE FIBRE MONOMODE PROTEGEE PAR UN REVETEMENT COMPOSITE ROBUSTE EST CONTROLEE A PARTIR DE LA MESURE DU DEPHASAGE D'UN SIGNAL MICRO-ONDE DE MODULATION DE L'ONDE OPTIQUE GUIDEE PAR LA FIBRE OPTIQUE. LA FREQUENCE DE MODULATION (ICI 1 GHZ) EST CHOISIE EN FONCTION DE LA RESOLUTION ET DE L'ETENDUE DE MESURE SOUHAITEES. LA PROTECTION COMPOSITE DE LA FIBRE OPTIQUE, OBTENUE PAR PULTRUSION, FACILITE LA MANIPULATION DU CAPTEUR ET PERMET SON UTILISATION EN MILIEU SEVERE, TOUT EN N'ALTERANT PAS LA SENSIBILITE DE LA FIBRE OPTIQUE A UNE ELONGATION. L'INFLUENCE DES VARIATIONS DE TEMPERATURE EST MINIMISEE PAR L'EMPLOI D'UNE DEUXIEME FIBRE OPTIQUE LAISSEE LIBRE DANS LA PROTECTION COMPOSITE. UN SYSTEME COMPACT DE MESURE (RACK 19'') EST EVALUE DANS UN ENVIRONNEMENT DE LABORATOIRE AINSI QUE SUR SITE INDUSTRIEL OU LE CAPTEUR INSTRUMENTE DES CABLES SOUMIS A DES CONTRAINTES REPRESENTATIVES DE LEURS CONDITIONS NORMALES D'UTILISATION. LES RESULTATS EXPERIMENTAUX DEMONTRENT L'INTERET DE LA PROTECTION COMPOSITE ET DE LA METHODE DE MESURE POUR PLUSIEURS APPLICATIONS DU GENIE CIVIL
Author: Danping Wang Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 128
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L'objectif de cette thèse est de concevoir et de réaliser des capteurs de déplacement à fibres optiques, extrinsèques, à modulation d'intensité et de résolution nana étrique. Deux capteurs à fibres optiques ont été conçus, réalisés et étalonnés. Le premier a une résolution de 1,6 ns sur me étendu de mesure de 80 nm avec une bande passante de 10 Hz, il a été étalonné au Laboratoire National d'Essais (Bureau National de Métrologie), les résultats expérimentaux confirme le modèle opto-géométrique basé sur la variation du flux lumineux. Le second a une résolution de 0,6 nm rms sur une étendu de mesure de 120 nm avec une bande passante de 5 z. L'influence de l'angle d'inclinaison du capteur par rapport à la surface du réflecteur ainsi que la sensibilité à la dérive thermique entre 5°C et 40°C ont été modélisées et confirmées pm l'expérience. Pm la suite, un capteur à fibres optiques avec un bras de référence a été conçu pour minimiser l'influence de la dérive thermique et les fluctuations de la puissance optique de l'émetteur. Des mesures d'amplitude de vibration due à un défaut de précession d'un tour d'usinage à paliers magnétiques, de déplacement par effet magnétostrictif et de profil de surfaces usinées à l'outil diamant ont été réalisées et comparées aux résultats obtenus par un microscope interférentiel.
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LES LIMITATIONS DES CODEURS OPTIQUES CLASSIQUES PROVIENNENT DES PERTURBATIONS ELECTROMAGNETIQUES AGISSANT SUR LA CHAINE DE MESURE. NOUS PROPOSONS DANS CETTE THESE 2 DISPOSITIFS DE CAPTEURS ROTATIFS A FIBRES OPTIQUES POUR REMEDIER A CE PROBLEME. UNE LENTILLE CYLINDRIQUE EST UTILISEE DANS UN PREMIER DISPOSITIF DE PAIR AVEC UN RESEAU DE DIFFRACTION PLAN POUR GENERER UN SPECTRE DE RAYONS OPTIQUES UTILISES EN POSITION QUASI-LITTROW POUR LIRE LE CODE BINAIRE REPRESENTANT LA POSITION ANGULAIRE D'UN DISQUE CODEUR GRAY. LA RESOLUTION DU CAPTEUR EST DE 0,7 (9 BITS) SANS INTERPOLATION DANS UNE PLAGE DE MESURE DE 360. LE CONTRASTE DES SIGNAUX OPTIQUES EST 10 DB MAXIMAL ET LA DIAPHOTIE ENTRE BANDES SPECTRALES VOISINES EST REDUITE A -17 DB POUR LE MSB ET -23 DB POUR LE LSB. LA PUISSANCE DELIVREE TYPIQUEMENT EST DE -41 DBM. LE DEUXIEME DISPOSITIF, REALISE EN TROIS VERSIONS, EST BASE SUR L'UTILISATION D'UNE LENTILLE ASPHERIQUE TRAVAILLANT AVEC UN RESEAU DE DIFFRACTION PLAN POUR JOUER LE ROLE D'UN RESEAU EQUIVALENT DE 9 PHOTOCOUPLEURS, CHACUN TRAVAILLANT DANS UNE BANDE SPECTRALE DIFFERENTE. IL A LES MEMES CARACTERISTIQUES DE RESOLUTION, ETENDUE DE MESURE ET CONTRASTE QUE LE CAPTEUR PRECEDENT. TOUTEFOIS LA PUISSANCE DELIVREE TYPIQUEMENT DEPASSE -30 DBM. CE CAPTEUR EST DESTINE A TRAVAILLER DANS UNE CHAINE DE MESURE DE BANDE PASSANTE ELEVEE
Author: VALERIE.. LOUIS Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages :
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CERTAINES PATHOLOGIES FONCTIONNELLES REQUIERENT UNE REEDUCATION ARTICULAIRE SPECIFIQUE. POUR CE FAIRE, IL EST NECESSAIRE DE QUANTIFIER LA CINEMATIQUE ANGULAIRE DES MOUVEMENTS IMPOSES AU PATIENT; CELLE-CI A DEUX BUTS PRINCIPAUX: PERMETTRE UNE REEDUCATION LA PLUS ADAPTEE POSSIBLE ET UN SUIVI CLINIQUE. LA RECHERCHE DANS CE DOMAINE EST MOTIVEE PAR L'ABSENCE SUR LE MARCHE DE DISPOSITIFS CONVIVIAUX, POLYVALENTS ET PEU COUTEUX. UNE ETUDE EST DONC MENEE SUR LA REALISATION D'UN CAPTEUR POLYVALENT DE MESURE ANGULAIRE A FIBRES OPTIQUES: L'ORIGINALITE DE CETTE ETUDE FAIT APPEL A DIFFERENTS CONCEPTS DE TECHNIQUES EVOLUEES. APRES UNE IMPORTANTE RECHERCHE BIBLIOGRAPHIQUE, UNE APPROCHE GEOMETRIQUE EST ADOPTEE POUR ANALYSER L'ATTENUATION LUMINEUSE PROVOQUEE PAR LA COURBURE DANS UNE FIBRE. UN BANC DE TESTS AUTOMATISE EST CONCU POUR ETUDIER LE COMPORTEMENT DE L'ONDE LUMINEUSE EN FONCTION DU RAYON ET DE L'ANGLE DANS UNE FIBRE OPTIQUE COURBEE. A LA SUITE D'UN TRAITEMENT ELECTRONIQUE DU SIGNAL DETECTE, UNE MESURE INDIRECTE DE L'ANGLE DE COURBURE EST DEDUITE. ENFIN, L'EVALUATION DES PERFORMANCES DU CAPTEUR EST DISCUTEE A PARTIR DES RESULTATS OBTENUS
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Dans ce travail de thèse, nous avons développé et testé deux capteurs à fibres optiques intrinsèques et à modulation d'intensité, pour la mesure des contraintes mécaniques de compression et la détection des perturbations (vibrations, impacts et ondes acoustiques). Le capteur de contraintes est ponctuel. Il est basé sur le couplage de la lumière entre deux fibres optiques multimodes, faiblement fusionnées par la tranche et intégrées dans la résine époxyde. Les contraintes de compression appliquées sur le capteur induisent une augmentation de l'indice de réfraction des fibres optiques et notamment dans la zone de fusion. Ceci a pour effet le couplage de la lumière de la première fibre guidant la lumière a la seconde et qui est proportionnel à la contrainte extérieure appliquée sur le capteur. Ce capteur est dédié à la mesure des fortes valeurs de contraintes, pour les applications dans le domaine du génie civil. Le capteur de perturbations à fibre optique exploite le phénomène des interférences intermodales (bruit modal) dans les fibres optiques multimodes, guidant une lumière cohérente. C'est un capteur distribué et la fibre optique est sensible sur toute sa longueur. En effet, une fibre optique multimode guidant une lumière cohérente présente des fluctuations du déphasage entre les modes, en cas de perturbations. Afin de convertir les fluctuations de phase en une variation d'intensité, nous avons effectué un filtrage spatial, par le raccordement d'une seconde fibre ayant un diamètre du cœur plus petit que celui de la fibre sensible. Ce capteur à été intégré dans les matériaux composites utilisés en construction aéronautique et aérospatiale
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Author: Vincent Trudel (Auteur de Capteurs de déplacement à fibre optique à modulation d'intensité basée sur la présence de désalignements entre fibres monomodes)
Author: BERTRAND.. NOHARET
Author: Danping Wang
Author: Mamad Maghoo
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Author: VALERIE.. LOUIS
Author: Jacques Aulit
Author: Rachid Gafsi