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Un système de capteur à fibre optique est constitué d'un câble à fibre optique relié à un capteur distant, ou amplificateur.
Le capteur émet, reçoit et convertit l'énergie lumineuse en un signal électrique. Le câble est l'élément mécanique qui transporte la lumière vers et depuis les zones trop exiguës ou trop hostiles jusqu'au capteur.
Un câble à fibres optiques est constitué d'une âme en plastique ou en verre entourée d'une gaine (voir figure 2). La différence de densité entre ces deux composants permet aux câbles de fonctionner selon le principe de la réflexion totale interne, qui sera abordé plus loin.
Fibres de verre
Les fibres optiques peuvent être en verre ou en plastique. Les fibres optiques en verre sont constituées d'un faisceau de brins de verre très fins, d'un diamètre typique de 0,051 mm (0,002 pouce). Une gaine souple en acier inoxydable est généralement ajoutée pour protéger le faisceau de fibres gainées, mais pour certaines applications, une gaine en polychlorure de vinyle (PVC) est utilisée.
Le verre est par nature très résistant, une caractéristique qui lui permet de fonctionner de manière fiable dans des conditions extrêmes telles que les hautes températures ou les environnements corrosifs. Les faisceaux de fibres de verre standard peuvent supporter des températures de fonctionnement allant jusqu'à 232 °C (450 °F). Les clients dont les applications nécessitent des températures de fonctionnement supérieures à 232 °C (450 °F) peuvent commander des câbles spéciaux capables de résister à des températures de fonctionnement allant jusqu'à 650 °C (1200 °F).
Avec des angles à rayon raisonnable, les fibres de verre peuvent résister à des flexions cycliques illimitées. Partant de ce principe, on pourrait penser qu'elles résistent aux flexions brusques, aux étirements, aux vibrations extrêmes, aux tractions et autres traitements agressifs. Or, ce n'est pas le cas. En réalité, elles ont tendance à se rompre, et si quelques brins cassés dans un faisceau passent généralement inaperçus, la rupture d'un grand nombre d'entre eux entraîne une perte proportionnelle de la puissance du signal.
Pour obtenir une efficacité de couplage optique optimale, les fabricants de fibres optiques polissent optiquement la surface de détection afin de garantir une planéité parfaite de l'extrémité de chaque fibre. C'est pourquoi nous recommandons à nos clients de commander des câbles de longueurs non standard plutôt que de les couper eux-mêmes.
Fibres plastiques
Le câble à fibres optiques en plastique est généralement constitué d'un seul brin d'un diamètre typique de 0,254 à 1,52 mm. Ces fibres sont flexibles et parfaitement adaptées aux applications nécessitant des flexions répétées ainsi qu'à une utilisation dans des espaces extrêmement restreints. Elles sont généralement vendues avec un dispositif de coupe permettant aux clients de les ajuster à la longueur souhaitée.
Ces dernières années, Omron et d'autres fabricants ont commercialisé des fibres optiques multiconducteurs haute flexibilité. Celles-ci se distinguent des fibres optiques classiques par leurs multiples conducteurs indépendants, une configuration permettant un rayon de courbure minimal de 1 mm et offrant ainsi une flexibilité proche de celle d'un fil électrique. Elles peuvent être pliées à 90° sans perte de transmission lumineuse et épousent parfaitement les contours des machines, sans les problèmes liés aux vibrations extrêmes ou à la traction. Différents fournisseurs proposent également des versions enroulées de ces fibres optiques pour les applications nécessitant des mouvements articulés ou alternatifs.
Lorsque le capteur est exposé à des produits chimiques agressifs, à des solvants ou à des températures élevées, les fibres de verre sont préférables. Cependant, les fibres plastiques peuvent être gainées de téflon, de nylon ou de polypropylène pour une meilleure résistance aux environnements hostiles.
L'atténuation de l'énergie lumineuse lors de sa propagation dans une fibre optique dépend de trois facteurs : le matériau de la fibre, la distance parcourue et la longueur d'onde. Les fibres en verre offrent des performances relativement constantes quelle que soit la longueur d'onde. En revanche, les fibres en plastique ont tendance à absorber la lumière des LED infrarouges. Les LED visibles, comme les LED rouges, présentent une atténuation moindre dans les fibres optiques en plastique et sont donc plus largement utilisées.
Principe de réflexion interne totale
La transmission intégrale de la lumière par fibre optique repose sur le principe de la réflexion totale interne, qui stipule que toute la lumière frappant l'interface entre deux milieux est totalement réfléchie. Autrement dit, aucune énergie lumineuse n'est jamais perdue à travers cette interface. Ce principe n'est valable que si deux conditions sont réunies :
L'angle critique est inférieur à l'angle d'incidence pour cette combinaison de matériaux (voir figure 3). Ces matériaux sont ici le cœur et la gaine de la fibre optique.
La lumière se propage dans le milieu le plus dense et s'approche du milieu le moins dense. Le matériau de la gaine est moins dense que celui du cœur et, par conséquent, son indice de réfraction est plus faible.
Tant que ces deux conditions sont satisfaites, le principe de réflexion totale interne s'applique que le câble à fibres optiques soit courbé ou droit (dans un rayon de courbure minimal défini).
Modes de détection et assemblages de fibres optiques
Les systèmes de capteurs à fibre optique étant dérivés de la technologie de détection photoélectrique, les modes de détection photoélectrique (réflexion diffuse, faisceau traversant, rétro-réflexion) sont également disponibles pour la fibre optique. Deux types d'assemblages de fibres optiques permettent de gérer ces modes de détection : les fibres individuelles et les fibres bifurquées.
Le mode de détection par fibre optique à faisceau traversant, illustré sur la figure 1, nécessite deux câbles. Le premier, relié à l'émetteur du capteur distant, achemine l'énergie lumineuse vers le point de détection. Le second, relié au récepteur du capteur distant, achemine l'énergie lumineuse du point de détection vers le capteur distant. Comme pour la détection photoélectrique à faisceau traversant classique, les câbles de l'émetteur et du récepteur sont positionnés face à face. La détection est réalisée lorsque le faisceau lumineux reliant l'émetteur au récepteur par fibre optique est interrompu.
Un assemblage de fibres optiques bifurquées est utilisé pour la détection par réflexion diffuse et par rétro-réflexion. Contrairement à un câble individuel, un câble bifurqué combine les faisceaux émetteur et récepteur en un seul ensemble. Les brins émetteur et récepteur sont disposés côte à côte sur toute la longueur du câble (voir figure 4) et leur orientation est aléatoire au niveau du point de détection ; cette configuration est idéale pour les applications nécessitant une pointe de détection compacte. Lorsqu'un objet se trouve devant cette pointe, la lumière émise par le câble émetteur est réfléchie par l'objet et renvoyée vers le récepteur du capteur distant via le câble récepteur, permettant ainsi la détection.
Avantages de la fibre optique
La fibre optique étant un composant mécanique passif d'un système de détection par fibre optique, elle ne comporte ni pièces mobiles ni circuits électriques et est donc totalement insensible à toute forme d'interférence électrique. Cette caractéristique en fait un moyen idéal d'isoler l'électronique du système de détection (ici, le capteur distant auquel elle est connectée) des sources connues d'interférences électriques.
De plus, l'absence de risque d'étincelles permet une utilisation en toute sécurité même dans les environnements de détection les plus dangereux, tels que les raffineries de pétrole, les silos à grains, les mines, l'industrie pharmaceutique et les procédés chimiques. Le personnel effectuant la réparation des fibres endommagées ne court aucun risque d'électrocution.
Dernières évolutions
Face à la complexification croissante des applications d'automatisation industrielle et à la raréfaction de l'espace, on observe une demande accrue de capteurs plus sophistiqués et plus compacts. Omron, Keyence Corp. of America (Woodcliff Lake, NJ), Banner Engineering Corp. (Minneapolis, MN) et SUNX Sensors (West Des Moines, IA), entre autres, ont commencé à répondre à cette demande en lançant de nouvelles générations de capteurs à fibre optique.
Ces entreprises proposent désormais des amplificateurs à fibre optique (capteurs distants) dotés d'affichages numériques à LED faciles à lire. Les valeurs numériques et les pourcentages affichés permettent aux utilisateurs de surveiller et de paramétrer précisément leurs applications. L'affichage numérique fournit un retour d'information en temps réel, signalant le moindre désalignement ou l'accumulation de poussière à l'extrémité du câble, susceptible de dégrader les performances du capteur.
Certains de ces nouveaux capteurs nécessitent également beaucoup moins de câblage. Par exemple, il existe des configurations où 16 capteurs sont connectés et partagent une seule ligne d'alimentation. Comment ? Un connecteur maître (provenant du capteur maître) distribue l'alimentation aux capteurs esclaves, éliminant ainsi les lignes d'alimentation normalement nécessaires à chaque capteur esclave (voir photo 1). Les capteurs esclaves n'ont besoin que du câblage de sortie. Certains de ces connecteurs offrent également une installation et une maintenance simplifiées. D'autres présentent des conceptions uniques permettant à l'utilisateur de détacher facilement le capteur sans toucher au câblage.
Les nouveaux capteurs à fibre optique à double sortie offrent les performances de deux capteurs en un seul. Certains modèles proposent deux sorties numériques indépendantes ou une combinaison de sorties analogiques et numériques. D'autres modèles sont dotés d'une fonction de verrouillage empêchant toute modification ou manipulation non désirée des paramètres du capteur. Cette fonction permet aux clients d'accorder une certaine autonomie à leurs employés en atelier sans compromettre leurs objectifs de performance.
La plupart de ces capteurs intègrent désormais un processeur 12 ou 16 bits ainsi qu'un convertisseur analogique-numérique 12 bits, offrant une résolution plus élevée et un temps de réponse plus rapide, pouvant atteindre 20 µs. Jusqu'à quatre fonctions d'apprentissage automatique permettent une configuration rapide du capteur et offrent à l'utilisateur la possibilité de sélectionner la méthode d'apprentissage la plus adaptée à l'application.
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