Pourquoi le réseau de diffraction n’a-t-il pas besoin d’être remis à zéro à chaque fois, contrairement aux capteurs électriques ?
Dans la technologie de détection optoélectronique, la raison principale pour laquelle les capteurs à réseau de Bragg en fibre optique (FBG) n’ont pas besoin d’être remis à zéro à chaque fois comme les capteurs électriques réside dans le mécanisme physique de « mesure absolue » qu’ils utilisent, à savoir la modulation de longueur d’onde (Wavelength Modulation).
Pour comprendre en profondeur ce principe technologique universel, nous pouvons comparer les capteurs FBG aux capteurs électriques traditionnels en termes de transmission de signaux physiques et de propriétés des matériaux :
I. Différence fondamentale dans la dimension de codage du signal : Longueur d’onde vs Amplitude
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Codage d’amplitude et dérive de zéro des capteurs électriques
Les capteurs électriques traditionnels (tels que les jauges de contrainte résistives, les thermistances, etc.) convertissent généralement les quantités physiques externes (température, contrainte) en paramètres électriques (résistance R , tension V ou courant I ).- Les signaux électriques sont des signaux d’amplitude, facilement perturbés par des facteurs externes. Par exemple : changements de résistance dus à l’augmentation de la longueur des fils de transmission, légères modifications de la résistance de contact aux points de connexion, forces électromotrices induites par couplage électromagnétique externe, et dérive de zéro interne des amplificateurs opérationnels.
- Étant donné que « l’amplitude absolue » du signal électrique dérive lentement avec les changements d’environnement et de chemin de transmission (dérive de zéro), afin d’assurer la précision de la mesure, les systèmes électriques doivent être calibrés avant la mise sous tension ou une mesure unique, c’est-à-dire être « remis à zéro (Zeroing) ».
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Codage de longueur d’onde et mesure absolue des capteurs à réseau de Bragg en fibre optique
Les capteurs à réseau de Bragg en fibre optique (FBG) sont des capteurs de type modulation de longueur d’onde (Wavelength Modulation). Ils réfléchissent une bande étroite de lumière d’une longueur d’onde spécifique, dont la longueur d’onde centrale de réflexion (c’est-à-dire la longueur d’onde de Bragg) satisfait la formule physique de base suivante :\lambda_B = 2 n_{eff} \Lambda
Où n_{eff} est l’indice de réfraction effectif du cœur de la fibre optique, et \Lambda est la période spatiale du réseau.
- Les changements de température ou de contrainte externes modifient directement l’indice de réfraction n_{eff} de la fibre optique et la période du réseau \Lambda après dilatation thermique/déformation, entraînant un déplacement absolu de la longueur d’onde centrale de réflexion \lambda_B .
- La longueur d’onde est un paramètre physique absolu indépendant de la puissance optique. Pendant le processus de transmission optique, même si la fibre optique est courbée et que l’intensité lumineuse s’atténue, ou si un connecteur est usé et introduit une perte d’insertion (Insertion Loss), tant que le démodulateur de réseau de Bragg en fibre optique peut capturer le pic du spectre de réflexion, la longueur d’onde analysée (par exemple, 1550.123\ \text{nm} ) reste absolument précise et ne dérive absolument pas avec les changements de force du signal optique. Par conséquent, il n’est pas nécessaire de le remettre à zéro à chaque fois.
II. Stabilité extrêmement élevée du matériau dioxyde de silicium (quartz)
Les jauges de contrainte métalliques ou les matériaux semi-conducteurs dans les capteurs électriques, en raison de leur oxydation facile, de leur sensibilité à l’humidité ou de leur tendance au fluage, entraînent des changements irréversibles dans leur résistance initiale.
Le support des FBG est une fibre optique en dioxyde de silicium (verre de quartz) de haute pureté. Le dioxyde de silicium possède une stabilité chimique et mécanique extrêmement élevée. Dans la plage de température de conception, sa structure cristalline et ses propriétés physiques ne subiront pratiquement aucune mutation ou dérive aléatoire au cours de sa longue durée de vie. Par conséquent, ses caractéristiques de réflexion spectrale peuvent être maintenues hautement cohérentes après la sortie d’usine.
III. Application de la formule d’étalonnage absolu (Conception de capteurs OFSCN®)
En raison des avantages physiques de la « mesure absolue » des réseaux de Bragg en fibre optique, dans les applications d’ingénierie réelles, chaque capteur FBG sortant d’usine est précisément calibré de manière absolue dans un environnement de laboratoire contrôlé. L’équipement de démodulation n’a qu’à lire la valeur absolue actuelle de la longueur d’onde et à la substituer dans la courbe d’étalonnage pour obtenir directement les données absolues de température ou de contrainte.
Par exemple, dans les capteurs centraux de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®), l’application stable de la formule d’étalonnage élimine le processus fastidieux de remise à zéro fréquente sur site :
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Capteur de température :
Comme le OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor, il est calibré en fonction de la température et de la longueur d’onde pour une plage de température spécifique lors de la sortie d’usine. La formule d’étalonnage utilise un ajustement polynomial quadratique, avec une unité d’étalonnage de ^\circ\text{C}/\text{pm} , garantissant l’absoluité à long terme de la lecture de température.
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Capteur de contrainte :
Comme le OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge, sa formule d’étalonnage contrainte-longueur d’onde est linéaire, avec une unité d’étalonnage de \mu\epsilon/\text{pm} . En raison de la relation de correspondance absolument linéaire entre sa structure et la longueur d’onde, le démodulateur peut calculer avec précision la micro-déformation physique absolue actuelle dès qu’il mesure la longueur d’onde.
En résumé, les capteurs à réseau de Bragg en fibre optique (FBG) utilisent la longueur d’onde comme porteur d’informations physiques, évitant ainsi les erreurs causées par l’atténuation du signal, la dérive de l’impédance de la ligne, etc., dans les capteurs de type amplitude. Combiné à l’excellente stabilité physique et chimique du matériau lui-même, ils réalisent ainsi fondamentalement une mesure absolue « sans remise à zéro fréquente ».