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Capteurs à fibre optique pour les applications environnementales.

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Esmaeelzadeh Limodehi, Hamid (2018). Capteurs à fibre optique pour les applications environnementales. Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en sciences de l'énergie et des matériaux, 160 p.

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Résumé

De nos jours, le rôle des capteurs électroniques est comparable au système nerveux du corps humain. Impossible d’imaginer sa survie sans système nerveux. Dans le but de contrôler l’état de santé de notre corps, des données biologiques sont à tout moment collectées dans toutes les parties de notre corps pour être envoyées au cerveau via notre système nerveux. La technologie des capteurs actuels repose principalement sur des systèmes électroniques, qui, dans de nombreux cas, ne sont pas assez rapides et précis et ont des limitations physiques les empêchant de fonctionner correctement en milieux non-contrôlés. A l’inverse, les capteurs à base de fibre optique sont plus rapides, plus précis et ont peu de limitations ce qui leur permet de fonctionner dans des milieux non-contrôlés ou difficiles d’accès. Si les fibres optiques ont pu révolutionner le domaine des télécommunications, pourquoi ne le feraient-elles pas dans le domaine des capteurs, en permettant la création de réseaux interconnectés planétairement, permettant de surveiller des écosystèmes complets ou même les changements climatiques? Pour pouvoir parvenir à cet objectif, les systèmes actuels devraient être remplacés par la technologique optique. Durant les 25 dernières années, le remplacement des capteurs électroniques par leurs équivalents optiques n’a été que très partiel en raison de limitations technologiques et surtout de prix prohibitifs. Le principal objectif de cette thèse est d'élaborer un système de capteurs environnementaux, principalement pour mesurer l’humidité, basé sur une technologie à fibre optique qui soit économiquement viable. Les facteurs qui motivent l'auteur à adopter cette approche dans le cadre de ce projet de doctorat sont décrits ci-dessous. La première motivation est la migration des plates-formes électroniques actuelles vers des technologies photoniques, à l’image du rôle que la fibre optique a joué dans les télécommunications. Depuis l'invention des «guides d'ondes diélectriques» en 1966, les systèmes de communication à fibres optiques ont utilisé les ondes lumineuses comme porteuses pour transmettre des informations d'un endroit à un autre. De distances de quelques mètres obtenues en laboratoire, on est passé à des milliers de kilomètres dans la première décennie du XXIe siècle, avec des débits qui sont passés de quelques dizaines de Mbit/s à la fin des années 1960 à des dizaines de Tbit/s à l’heure actuelle. Grâce à cette énorme capacité de transmission, les systèmes d'émetteurs radio ont été largement remplacés par des systèmes à fibres optiques pour la transmission de données de télécommunications sur longues distances depuis le début du siècle. Par conséquent, la mise en place des réseaux à fibres optiques a conduit à des moyens de communications déployés mondialement pour l'ensemble du spectre des données, à savoir la voix et la vidéo, aussi bien en temps réel qu’en temps différé. Une partie de ces contenus pourrait être attribuée aux données collectées à partir de systèmes de détection environnementaux ou industriels connectés au réseau. Ces données de détection, acquises par des systèmes de transducteurs, pourraient contenir les informations de paramètres physico-chimiques pour être traitées puis envoyées via le réseau. Étant donné que les systèmes de communication sont à présent basés sur la photonique, les systèmes de détection peuvent être intégrés directement dans les réseaux actuels de télécommunications. Pour cela, les systèmes actuels de détection devraient migrés vers des techniques optiques afin d’être intégrés dans l’actuelle infrastructure de télécommunications. La deuxième motivation est liée au fait que les capteurs électriques d'humidité actuellement commercialisés ne conviennent pas, en raison de la géométrie et de la construction de la sonde, à des environnements ayant des limitations strictes d’encombrement ou des conditions chimiques agressives. En revanche, les capteurs optiques ont certains avantages intrinsèques, tels que des temps de réponse rapide, une immunité au bruit électromagnétique et à la détection croisée, et fonctionnent en toute sécurité dans des endroits présentant des risques de déflagration et d’inflammabilité. En outre, les capteurs à fibre optique offrent des fonctionnalités supplémentaires telles que des capacités de détection ultra-rapides, leur légèreté, leur non-intrusivité et leur flexibilité. Par conséquent, de nombreuses études ont été menées sur l'utilisation de technologies optiques ou à fibres optiques pour des applications de détection. Il est souvent avancé que les capteurs optiques devraient largement se développer en raison de leurs nombreux avantages. Néanmoins, malgré tous les efforts déployés au cours du dernier quart de siècle, cet objectif n'a pas encore été atteint et les capteurs électriques/électroniques dominent toujours le marché des détecteurs. L'un des principaux obstacles à cette substitution est qu’actuellement le prix des capteurs optiques n’est pas concurrentiel par rapport au prix des détecteurs électriques. Par exemple, les capteurs basés sur les réseaux de fibre de Bragg (FBG) sont relativement coûteux en raison de l'utilisation de composants, tels que des sondes, des sources lumineuses et des détecteurs. À moins de réussir à réduire les coûts de ces composants, il semble fort probable que les capteurs électroniques resteront probablement la technologie de choix pour la grande majorité des applications de détection. Pour réduire le prix, il est impératif d’utiliser des composants à bas prix, notamment pour la source de lumière, le transducteur et le détecteur. L’objectif principal des travaux présentés dans cette thèse a été de développer un capteur optique d'humidité capable de concurrencer les technologies électroniques existantes. Dans les chapitres 3 et 4, j’expose les travaux théoriques et les expériences associées, effectuées dans le but d’introduire une plate-forme optique efficace pour la détection de l'humidité. Dans la section théorique, j'ai créé une relation entre la résonance des plasmons de surface dans le guide d'ondes à fibre optique et le phénomène de condensation/évaporation des molécules d'eau, ce qui a permis d’élaborer une nouvelle méthode pour mesurer l'humidité ambiante et la température du point de rosée. Il y est également détaillé les activités expérimentales, en particulier, le processus de fabrication des capteurs et les mesures, afin de valider de la théorie mentionnée précédemment. Le chapitre 5 de cette thèse décrit la mise en oeuvre d’une solution optique efficace et peu onéreuse, un prototype de capteur optique multicanal de rosée et d'humidité (MODHS – “Multi-channel Optical Dew & Humidity Sensor”). Le MODHS développé permet de surveiller simultanément le point de rosée et l'humidité d'une série de systèmes de microclimat dans des bâtiments industriels pour des endroits difficiles d’accès, des musées, des salles d'archives, des bibliothèques, des laboratoires, etc. Ce résultat a été obtenu grâce à un design innovant, à la fois dans ses aspects techniques et conceptuels. Un avantage notable des MODHS est qu’ils utilisent des cellules photoconductives ou des photodiodes pour la détection, au lieu d'utiliser des spectromètres coûteux. Le MODHS utilise également une simple diode électroluminescente (DEL) en tant que source lumineuse, pour fournir la lumière à plusieurs canaux de fibres optiques, de façon simultanée. De plus, il ne nécessite pas l’utilisation d’une couche absorbant l'humidité, contrairement aux autres capteurs d'humidité, la nouvelle méthode de détection étant basée sur la résonance des plasmons de surface et la condensation de la vapeur d'eau. La plateforme actuelle du MODHS permet également d'intégrer d’autres transducteurs à fibre optique dans le système de capteur pour mesurer d'autres paramètres environnementaux. Cette recherche pourrait conduire à de nouvelles et importantes perspectives pour la mise en oeuvre de nouveaux systèmes de capteurs optiques avec une efficacité sans précédent, un prix compétitif et la suppression des limites imposées par les technologies électriques/électroniques actuelles.

Abstract

Present day sensing systems can draw the analogy to the central nervous system of living beings. In order to monitor the health of the system, biological data is instantly collected from all parts of the organism and sent to the brain via the nervous system. Current sensor technologies are primarily based on electronics which are not fast or accurate enough in many cases. Moreover they often can have physical limitations that prevent them from properly functioning in uncontrolled environments. As an alternative solution optical fiber-based sensors can be fast and accurate with fewer limitations, allowing them to operate in uncontrolled or difficult-to-access environments. Fiber optics have already revolutionized telecommunications, why would not they do the same with sensor technology? This technology could allow the creation of an interconnected planetary network that can control an entire ecosystem, or even climate change. To achieve this goal, current sensor systems would need to be replaced by optical technology. Over the last 25 years this has not been feasible due to technological and economic difficulties. The main objective of this thesis is to introduce a robust and cost-effective environmental sensor based on fiber optic technologies. Motivating factors are discussed below; First consider the migration of current electronic platforms towards photonics. Since the invention of “dielectric waveguides” in 1966 optical fiber communication systems have used light waves as carriers to transmit information from one place to the other. The distance of a few meters in laboratory was increased to thousands of kilometers in the first decade of this century with bit rates reaching from few tens of Mbit/s in late 1960s to tens of Tbit/s at present. Due to such enormous transmission capacity, radio transmitter systems have largely been replaced by fiber optic systems for long-haul telecommunication data transmission since beginning of this century. Establishment of the fiber-optic based networks has brought worldwide communications medium for the entire spectrum of data including of voice, video, and both real- time and non-real-time content. Part of this content could be used for sensing data gathered from environmental or industrial systems connected to the network. This sensing data acquired by transducers system could contain information from physical/chemical parameters to be processed and transmitted in the network. Hence, sensing systems can be integrated directly into today’s communications networks since the current network technology is primarily based on photonics. This requires current sensing systems migrate toward optical techniques in order to integrate with existing telecom infrastructure. The next motivating point is related to the fact that the current electrical based humidity sensors on the market are not suitable for use under environments with stringent limitations on physical space, and chemical conditions due to probe geometry and construction. Conversely, optical based sensors have some intrinsic advantages such as fast response, immunity to electromagnetic noise and related cross-sensing, and safe operation in explosive and flammable environments. In addition, fiber optic based sensors offer features such as ultra-fast response, lightweight, non-intrusive, and flexible. Numerous investigations have been conducted on the use of optical and fiber optic based technologies for sensing applications and it is argued that optical sensors will be widely deployed because of these advantageous properties. However, despite these efforts over the past quarter century optical based sensing technology has not yet been extensively realized and electrical based sensors still dominate the market. One of main obstacles is that the prices of optical based sensors are not competitive when compared to their electronic counterparts. For example Fiber Bragg Grating (FBG) based sensors are relatively expensive due to use of components such as their probes, light sources and detectors. Unless the price point of optical sensing systems can be greatly reduced, it seems likely that electronic solutions will continue to dominate. To meet this competitive price point we must use cost-effective components including light source, transducer, and detector. The primary goal of the work presented in this thesis was to develop an optical humidity sensor capable of competing with existing electronic technologies. Chapters 3 and 4 demonstrate the theoretical background and related experiments performed to develop an efficient platform for optical humidity sensing. In theoretical section a relationship between surface plasmon resonance in fiber optic waveguide and water molecules condensation/evaporation phenomenon was developed. This lead a novel method for measuring ambient humidity and dew point temperature. This was also demonstrated the experimentally, including sensor fabrication and measurement to examine the proposed theory. The results achieved through chapters 3 & 4 demonstrate the initial theory was valid encouraging the realization of a cost-effective optical-based environmental sensor, using a fiber optic approach. Chapter 5 reports the work on the realization an efficient and cost-effective optical solution, a prototype Multi-channel Optical Dew & Humidity Sensor (MODHS). The developed MODHS enables simultaneous monitoring of dew point and humidity on a suite of microclimate systems in hard-to-access industrial locations, museums, archive rooms, libraries, laboratories, and etc. This achievement was thanks to the innovative design both conceptually and technologically. Notable advantages of the MODHS are that it employs simple photoconductive cells or photodiodes for detection, instead to use expensive spectrometers. Moreover the MODHS employs a simple LED as the light source to supply required measuring light on several fiber optic channels. It is also exempt from any moisture absorbent layer (in contrast with other humidity sensors) due to its novel sensing method based on surface plasmon resonance and water vapor condensation. The present platform of our introduced MODHS also allows further fiber optic transducer of other parameters to be incorporated in the sensor system. This research may open new and important perspectives for implementing other optical sensor systems with unprecedented efficiency, competitive price, and overcoming limitations of present electrical technologies.

Type de document: Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse: Légaré, François
Mots-clés libres: énergie matériaux
Centre: Centre Énergie Matériaux Télécommunications
Date de dépôt: 09 avr. 2019 21:12
Dernière modification: 09 avr. 2019 21:12
URI: http://espace.inrs.ca/id/eprint/8022

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