HAL Id: jpa-00249367
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Submitted on 1 Jan 1995
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Pyro-réflectomètre bicolore à fibres optiques pour mesures “in situ”
D. Hernandez, E. Milcent
To cite this version:
D. Hernandez, E. Milcent. Pyro-réflectomètre bicolore à fibres optiques pour mesures “in situ”. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1995, 5 (7), pp.999-1011. �10.1051/jp3:1995173�. �jpa-00249367�
Classification
Physics Abstracts 07.20K
Pyro-r4flectombtre bicolore h fibres optiques pour mesures
"in situ"
D. Hemandez et E. Milcent
Institut de Science et de G6nie des Mat6riaux et Proc6d6s, BP 5, Odeillo, 66125 Font-Romeu Cedex, France
(Regu le 5 avril 1994, rdvisd le 18 novembre 1994, accepts le 3 avril 1995)
R4sumd. Cet article est une synthbse de travaux conduits pour d6velopper des m4thodes et des systbmes radiom6triques utilisant des fibres optiques en vue de mesures in situ. Nous
pr6sentons un pyro-r6flectombtre associant des sondes I fibres optiques, un module d'6mission I diodes lasers et un module de d6tection h photodiodes. Le systbme est appliqu6 I la mesure de temp6rature, de r6flectivit6 et d'6missivit6 de surface Ies m6thodes sont valid6es sur des
6chantillons de propr16t6s connues.
Abstract. This paper is a review of studies devoted to the development of methods and radiometric devices in which optical fiber probes are used for in situ measurements. A pyro-
reflectometer which associates an optical fibers probe, a laser diodes emission system and a
photodiodes detection system is presented. The apparatus is used for temperature, reflectivity
and emissivity determination; the methods are field proven by a series of measurements.
Nomenclature
I : longueur d'onde, 16 " 1,3 ~tm, lr = 1, 55 ~tm
p(1) r6flectivit6 rnonochromatique, pm(1) : r6flectivitd monochromatique mesur4e
e(1) dmissivit6 monochromatique
@I angle d'incidence, @r angle de r6flexion, @a angle d'ouverture des fibres
Qi angle solide d'4clairement d'un d16ment de surface de la fibre d'illumination vers Sc fir angle solide d'injection dans la fibre d'observation depuis un 61dment de surface de Sc 4l(1) flux monochromatique d'illumination
r(I) : coefficient monochromatique de transmission du syst4me optique relatif aux propr16t6s optiques des di1f6rents composants (fibre optique, filtres, miroir, lame s6paratrice...
S(I) sensibilitd monochrornatique du ddtecteur
P(I) facteur de perte monochromatique de la fibre optique relatif aux att6nuations propres h la configuration : courbures des fibres, salissures de la face optique, connectique
L°(I,T) luminance monochrornatique du Corps Noir,
= Ci/(l~ exp (C2/(lT) I) loi de Planck (Ci et C2 constantes de Planck), m Ci/(l~ exp (C2/(lT)) approximation de Wien
L(I, T) : luminance monochromatique d'un corps rdel,
= e(I, T)L°(I, T)
© Les Editions de Physique 1995
L'(I) luminance directionnelle monochromatique de l'extr6mit6 de la fibre d'illumination
L"(I) luminance directionnelle du flux r6flechi par un 616ment de surface de SC et issu de la fibre d'illumination (directions d'incidence et de r6flexion ddfinies par
@I et @r)
T : temp6rature r6elle, To temp6rature ambiante, Ts temp6rature du support de chauife Tc teInpdrature de couleur ddfinie par la relation : L° (lr, Tc)/L°(16,Tc = L(lr, T)/L(16, T) SF surface de cceur des fibres optiques
SE surface totale 6dair6e par la fibre dans le plan de l'dchantillon
Sc surface correspondant it l'intersection des surfaces illulnin4e et observ6e dans le plan de l'6chantillon
D signal ddtect4
r rayon de cceur des fibres optiques
d : distance d'observation, dM i distance d'observation correspondant au signal optiInal
a 1/2 entre-axe des fibres optiques
e 4cartement des fibres optiques (e
= 2(a r))
k coefficient de proportionnalit6
Symboles
° d6signe une valeur de rdfdrence
' d6signe une valeur directionnelle
~ d6signe une valeur relative au mode d'6mission
~ d6signe une valeur relative au Inode de r6flexion.
Introduction
La1nesure de la temp6rature par voie optique ndcessite la connaissance de l'dmissivitd de la surface observde. Diverses mdthodes et bancs de mesures ont 6t6 d4veloppds pour d6terminer
ce paramAtre fondamental ill analyse bichromatique [2] et polychromatique du rayonnement (3-5], d6termination indirecte de l'dmissivit6 par mesure en rdflexion [6,7] ou en absorbtion [8], analyse de la polarisation du rayonnement 6mis ou r6fl6chi [9,lo], utilisation de modules
r6flecteurs augmentant les 41nissivit6s apparentes ill,12].
Toutefois, le problAme de la ddtermination simultande de la ternpdrature et de l'dmissivitd
en condition in situ reste trks souvent entier.
Pour notre part, nous nous sommes attachds it ddvelopper un systAme et des mdthodes pou-
vant rdpondre it ce besoin en conditions extrAmes( haute tempdrature, accAs difficile ...).
Le pj,ro-rdflectomAtre Iris au point associe de fa&on modulaire une sonde Inunie de liaisons it fibres optiques, un module d'dmission et un module de ddtection de rayonnement.
Les mdthodes sont basdes sur des mesures bichromatiques de flux radiatifs drnis et rdfl6chis.
Dans le cas g6n6ral, elles permettent la d6terlnination de la temp6rature de couleur, de la r6flectivit6 Inonochromatique directionnelle et, pour des corps opaques et diifusants, la ddter- mination de l'6missivit6 monochromatique (m6thode indirecte) et la temp6rature r6elle.
1. Description du Pyro-Rdflectomktre bicolore h fibres optiques
L'appareil d6velopp6 est schdmatis6 sur la figure I. On y distingue trois sous ensembles une sonde de mesure avec ses liaisons h fibres optiques, un stage d'6mission et un stage de d6tection.
La sonde de mesure est constitu6e de deux fibres optiques plac6es h l'int4rieur d'une protec- tion mdcanique et thermique de dimensions r6duites (longueur 60 mm, diamAtre 4 mm).
Les fibres utilis4es sont en silice de type multimode et it saut d'indice (diamAtres du cceur
ENV,
5
7
~
p
T,
Fig. 1. Sch6ma du pyro-r6flectombre P-M-T- Protection m6canique et thermique B-E- : Etage
d'6mission MES. Zone mesure F-O- Sonde fibres optiques ENV. Environnement s6vbre
B-D- Etage de d6tection P.
: Plan 6chantillon. 1) Coupleur Y k fibre optique diodes lasers-fibre d'illumination 2) S6parateur optique L lentilles de collimation
ou de focalisation S lame s6paratrice dichroique M miroir de renvoi F filtres monochromatiques (b 1,3 ~m et r : 1,55 ~m) 3) Diodes lasers (a
: 1,3 pm et b 1,55 pm) 4) Photodiodes (InGaAs) 5) Commutateurs "tout ou rien"
command6s par la base de temps 6) Commutateurs de tri command6s par la base de temps 7)
Base de temps 8) M6moires analogiques (6chantilloneurs bloqueurs) a ~(Ab) flux d'6clairement I 1,3 pm, b ~(Ar) flux d'6clairement k 1,55 pm, c D~(Ar,T) mesure 6mission propre h 1,55 pm, d
D~+~(Ar,T)
mesure 6mission propre + r6flexion k1,55 pm, e: D~(Ab,T)
mesure 6mission propre k
1,3 pm, f: D~+~(Ab,T) mesure 6mission propre + r6flexion I 1,3 pm 9) Connecteurs fibres optiques.
[Pyro-r6flectometer diagram P-M-T-: Thermomecanical protection, B-E- Emitting device, MES.: Mea-
surement area, F-O-: Optical fibers probe, ENV.: Rough environment, B-D-: Detection device, P.:
Sample plane. 1) Laser diodes to lighting fiber injection; 2) Optical separator: L collimation or foca- lization lenses, S dichroic beam separator, M miror, F monochromatic filters (b: 1.3 pm and
r: 1.55
pm); 3) Lasers diodes (a: 1.3 pm and b: 1.55 pm); 4) Photodiodes (InGaAs); 5) Laser diode drivers connected to time base; 6) Selection commutator drived by the time base; 7) Time base; 8) Analogic memories; a: ~(Ab) laser lighting flux at 1.3 pm, b: ~(Ar) laser lighting flux at 1.55 pm, c: D~(Ar,T)
sample emitted flux at 1.55 pm, d: D~+~(Ar,T) sample emitted and reflected flux at 1.55 pm, e:
D~(Ab,T) sample emitted flux at 1.3 pm, f: D~+~(Ab,T) sample emitted and reflected flux at 1.3 pm;
9) Optical fibers connections.]
et de la gaine optiques 200 et 280 ~tm). Leurs propridtds intrinsAques (tenue en terl~p6rature, flexibilitd, faibles dimensions, insensibilitd aux perturbations dlectromagndtiques) en font un composant de choix pour la r6alisation de capteurs d6port6s adapt6s aux environnements sd- vAres et l'implantation de liaisons souples. Afin de conserver ces avantages et de s'aifranchir des op6rations de mise au point, elles sont utilisdes nues, c'est h dire sans optique sur leur face
d'observation.
Les deux fibres optiques de la sonde sont g4n6ralement dispos6es parallAlement et en vis6es normale it la surface de l'6chantillon. Dons le cas des mesures directionnelles, elles sont s4par6es
et disposdes avec un 6cartement angulaire r6glable.
L'une des fibres est coup16e it l'6tage d'6mission et joue le r61e de source d'illumination de l'6chantillon la seconde est rel16e it l'6tage de d6tection, elle observe la surface en regard et
joue le r61e de capteur et de guide de rayonnement dmis et r4fl6chi.
L'6tage d'61nission utilise deux diodes laser pulsdes centrdes respectivement it 16 et lr. Elles sont, d'une part, coupldes h la fibre d'illulnination par un composant h fibre ofitique de type
Y qui assure l'injection de deux flux monochromatiques et, d'autre part, command4es par une
base de temps qui fixe la fr4quence (1 Hz) et la durde du pulse d'illumination (I ~ts).
L'6tage de d6tection comprend un bloc optique et un module 61ectronique. Le premier assure la s6paration et la s61ection spectrale (lame s6paratrice dichroique, filtres interf6rentiels centr6s h 16 et lr) des flux radiatifs vdhicu16s par la fibre d'observation le second, leur d4tection
(photodiodes InGaAs) et le traitement des signaux.
Les 4tages d'6mission et de ddtection sont relids par la mime base de temps. Lorsque les me-
sures sont eifectu4es pendant le pulse d'6mission des diodes laser, elles sont sp6cifiques du
rayonnernent 4mis et r6fl6chi lorsqu'elles sont r6alisdes hors de cette phase, elles sont uni- quement rel16es au rayonnement 6mis. Les signaux d6tect6s sont tr16s en fonction de cette classification et des longueurs d'ondes (D~+~(lb)> D~+~(lr), D~(16), D~(lr)) puis trait6s 61ectroniquernent ou numdriquement pour la d6termination de la temp6rature de couleur (Tc)
et des r6flectivit6s monochromatiques directionnelles (p$(16), p$(lr)). Dans le cas des corps opaques et diifusants, le traitement aboutit it la d6termination des 6missivitds monochroma- tiques (e(16), e(lr)) et de la temp6rature rdelle (T).
2. M4tl~odes de mesures : reflectivitd, tempdrature de couleur
Depuis les travaux respectifs de Dills [13] et Traverse [6], les fibres optiques et le principe de l'illulnination ont 6t6 largement utilis6s pour, d'une part, la mesure de la temp6rature et,
d'autre part, la ddtermination simultan6e de l'4missivit4 et de la tempdrature.
Notre apport a consistd h valider ces techniques assoc16es h des Indthodes de mesures adapt6es
aux conditions op4ratoires induites par un environnement s6vAre (haute temp6rature, accAs
difficile) et l'utilisation de fibres optiques "nues".
2.I. MESURE DE LA TEMPLRATURE DE couLEuR. Le pyre-r4flectomktre mesure le flux
therrnique 4mis par l'4chantillon pour deux longueurs d'ondes (16 et lr) et, aprAs traitement, d61ivre la temp6rature de couleur correspondante Tc.
Ce choix de technique bichrornatique est lid it l'expression g6n6rale du flux monochromatique
d6tect6
D~(I,T)
= kL(I, T)r(I)S(I)[I P(1)] (1)
En eifet, pour des environnements sdvAres, le facteur de perte P pr6sente un caractAre va- riable en fonction de l'implantation (courbures, connectiques) et parfois dvolutif (salissure, vieillissement). Ces conditions rendent les procddures d'6talonnages particul14rement lourdes
en mode monochromatique alors qu'elles ne les aifectent pas en mode bichromatique dans la
mesure oh les pertes restent relativement constantes pour les deux longueurs d'ondes [14].
Le module 61ectronique de traitement est con&u pour que ses fonctions (diviseur, amplifica-
teur logarithmique, gain : A, offset B) traduisent la relation luminance-temp4rature correspon-
dant it l'approximation de Wien. Le systAme d61ivre la telnp6rature de couleur de l'dchantillon selon l'expression
Tc = A/lLog(D~(>r>T)/D~(>b,T)) Bl (2)
avec : A et B paramAtres d'6talonnage rdglables, Tc
= T pour e(16)
" e(lr)
2.2. MESURE DE R#FLECTIVIT#. La rdflectivitd est ddterminde par comparaison des flux mesur4s r6fldchis par l'4chantillon et une rdfdrence de propridtds connues, tout deux 4tant pla- c6s dans les mimes conditions d'illumination et d'observation.
L'utilisation de fibres optiques "nues" pose le prob14me de la d6finition de la r6flectivitd mesu- r6e leur emploi en conditions in situ, celui du contr61e des conditions g60rndtriques.
~j~ §~~j~~~a
3
4 3
s
~
' ' j
' ,' j
' j
Fig. 2. Sch6ma du montage pour la mesure de r6flectivit6 directionnelle I) Diode laser, 2) Photo- diode, 3) Filtre monochromatique, 4) Angle d'incidence 6,, 5) Angle de r6flexion 6r, 6) Fibre d'illumi-
nation, 7) Fibre d'observation.
[Directional reflectance device diagram: 1) Laser diode, 2) Photodiode, 3) Monochromatic filter, 4) Incident angle 6,, 5) Reflectance angle 6r, 6) Lighting fiber, 7) Receiving fiber.]
2.2.1. MesI~res directionnefles. Les mesures directionnelles ont 4t4 r4alisdes it ternp4rature
arnbiante dans les conditions pr6sentdes sur le schdma de la figure 2.
La r4flectivit6 monochromatique directionnelle ainsi mesur6e peut se d6finir comme le rapport du flux r6fl6chi par la surface Sc et injects darts la fibre d'observation sur le flux incident issu de la fibre d'illumination (surface de cceur SF et illuminant Sc.
p$(I, To)
"
/ / L"(I)cos@rdordsc/ / / L'(I)cos@idojdsf (3)
Sc Q~(d,SF,ba) SF Q,(d,Sc,bo)
Le facteur mesur4 sera d'autant plus proche de la rdflectivit6 monochromatique bidirectionnelle que la surface de cceur des fibres SF et leur angle d'ouverture @a seront foibles et que les propr16t6s de l'6chantillon seront Lambertiennes.
Afin d'appr4cier la r4solution directionnelle du dispositif, nous avons proc4d6 it des mesures
sur des 6chantillons de propr16t4s connues et caract6ristiques de plusieurs types de rdflexion
une surface sp4culaire (or poli)
une surface diifusante (rdfdrence commerciale Spectralon de la Soc16t6 LabsphAre)
une surface orient6e (dchantillon dont la surface pr6sente une microstructure orientde de ZrB2 r6alisde par D6p6t en Phase Vapeur)
Les r4sultats obtenus sont rassernb16s sur la figure 3.
Pour chacun des cas d'espAces, les indicatrices de r6flexions sont en accord avec la particularit4
de la surface ainsi qu'avec des mesures de vdrifications r6alis6es it l'aide d'un montage dassique :
source laser collirnat6e et ddtecteur muni d'un diaphragme en lieu et place, respecti,,ement, de
la fibre d'illumination et de la fibre d'observation.
L'analyse de ces rdsultats montre que, bien qu'utilisdes "nues", les fibres optiques restent
appropr14es aux mesures directionnelles.
° to
~ to
ao aa
so so
40 4a
so
~ to
a) so b)
so
C)
Fig. 3. Indicatrices de r6flexion des 6chantillons de r6f6rences : (.) : Points mesures h A
= 0, 81 pm
a) R6f6rence diffusante, b) R6f6rence sp6culaire, c) R6f6rence orient6e.
[Directional reflectance results for particular samples: (m): Measures at
= 0.81 pm a) Diffuse refe- rence, b) Specular reference, c) Oriented reference.]
2.2.2. MesI~res de rdflectivitd et de distance. La ddterInination de la rdflectivitd par Inesure comparative n6cessite la maitrise des conditions g60m6triques. Cette obligation peut Atre cri- tique en environnement s6vAre. Or, de par son principe [15], la sonde bifibre permet le contr61e du paramAtre fondamental, la distance d'observation.
La m6thode de mesure a 6td valid6e it temp6rature ambiante (absence de rayonnement ther- mique 4mis) et it l'aide du dispositif sch6matis6 sur la figure 4. Les fibres d'illumination et
d'observation sont dispos6es parallAlement et en vis6e norrnale. Les 6chantillons choisis sont des r4f4rences diifusantes et oifrent plusieurs niveaux de r6flectivit6 (rdf6rences commerciales
Spectralon de la Socidtd LabsphAre).
La rdflectivit4 monochromatique mesur4e n'est pas fonction de la direction et correspond au
calcul
pm(>,To)
= lD~(>,To)/D°(>,To)lp°(>,To) (4)
Avec un signal d4tect4 de la forme
D~(I,To)
= kr(>)s(>)(i P(>))pm(>,To)~(>)r~/(2d~) (5)
Le coefficient de proportionnalit4 k peut Atre approchd par le calcul du rapport de surfaces
mw m~mm d
a 3~ - ')j ==j"
j~aa$ '$'
'I '/~' .=" ."
~ ).
Sc
Fig. 4. Sch6ma du montage pour la mesure de r6flectivit6 en vis6e normale I) Emission 2) D6tection 3) Angle d'ouverture Ho, d Distance d'observation, a 1/2 entre
axe F-O- e dcartement F-O-
[Normal reflectance device diagram: 1) Emission, 2) Detection, 3) Aperture angle Ho, d: Observation distance, a: 1/2 O-F- inter axis, e: O-F- inter distance.]
Sc/SE et, en assiInilant l'extr61nit6 des fibres it un point, on a
k = 2 arctan
((dtan@a)~ a2)la (dtan@o)~ a~/(dtan@o)~ a2 / ix (dtan@o)~j (6)
Pour une configuration de sonde donn6e (a,go et r fix6s), la d6riv4e de l'6quation (5) en
fonction de d montre qu'il existe une distance d'observation pour laquelle le signal d6tect6 sera Inaxilnum
dM " 1, 714a/ tango (7)
Dans ces conditions, la m£trise des conditions g60m6triques est tide au seul contr61e de la distance d'observation qui est obtenu par l'analyse de la variation du signal en fonction de d.
La figure 5 perInet de coInparer les r6sultats exp4rilnentaux correspondant h la d6termination de dM et h la variation relative du signal d4tect6 aux calculs obtenus h partir des 6quations (5), (6) et (7) pour plusieurs configurations de sondes. On constate que, bien que l'approche
th60rique soit simplifi6e, les r6sultats sont en accord.
La figure 6 permet de comparer [es valeurs exp6rimentales et th60riques (5) relatives it la variation du flux r6fl6chi ddtect6 en fonction de la distance. Elles sont en accord entre elles et avec la courbe de r6ponse caract6ristique des capteurs bifibres [15] une partie lin4aire it
gauche du maximuIn et en (I/d~) h droite.
Il taut toutefois remarquer que trAs prAs de la surface, alors que Sc tend vers z4ro, le signal
lui n'y tend pas. On peut penser que les ph6nomAnes de diffusions en surface viennent 61argir
la surface illulnin6e et "bruiter" la r6flexion pure.
Enfin, la figure 7 rend compte des Inesures par coInparaison eifectu6es sur les r6f6rences commerciales en fonction de la distance. Les r4flectivit4s monochromatiques d4termin4es selon l'dquation (4) sont en trAs bon accord avec les valeurs relatives h chaque 4chantillon, except4
tout prAs de la surface oh le phdnomAne observd sur la figure 6 vient invalider la m4thode. Pour
pallier h cet inconvdnient, il suffit de se placer au dell de dM.
L'enselnble des r4sultats obtenus nous permet de condure que la sonde bifibre est adapt4e h
la mesure de rdflectivit4 par comparaison.
~~~~~~~'~~) ~~
fill
o. o
o. i
o
o.
o
2 o
o o
0.2
o. i o
0.1 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 fin
e
Fig. 5. Evolutions du flux maximum d6tect6 et de la distance optimale d'observation
en fonction de I'6cartement e pour des fibres optiques de 200 pm de cceur (x) Flux maximum mesur6, (+) Distance
optimale mesur6e, 1) Courbe de flux maximum calcuI6, 2) Courbe de distance optimale calcuI6e.
[Optimal observation distance and maximum flux versus optical fibers probe inter distance (O.F.
diameter = 200 pm) (x) Measured maximum flux, (+) Measured optimal distance, 1) Calculated
maximum flux Curve, 2) Calculated optimal distance Curve.]
3, Mesures simultan4es de l'4missivitd et de la tempdrature
De fa&on g4n6rale, la d6termination de l'6missivit6 des corps opaques par voie indirecte n4cessite
la mesure de la r6flectivit6 directionnelle h6misph4rique et se limite it une seule direction
d'observation pour le cas particulier des surfaces Lambertiennes. Bien que la sonde it fibres optiques soit adaptable aux deux types de mesures, nous pr6sentons uniquement des r6sultats
relatifs it des 6chantillons de la seconde famille.
Les conditions op6ratoires correspondent it celles de la figure 4, l'6chantillon 6tant cette fois ci it une temp6rature T > 500 °C.
La m6thode est bas6e sur un cycle de trois mesures eifectudes par le pyro-r6flectomAtre pour
chacune des deux longueurs d'onde 16 et lr
D~+~(l,T) mesure du flux 6mis et r6fl6chi par l'dchantillon.
D~ ii, T) : mesure du flux 6mis par l'6chantillon.
D°(I, To) mesure du flux rdfl6chi par une r6fdrence de propr16tds Lambertiennes, h
temp4rature ambiante, plac6e dans les mAmes conditions g60mdtriques que l'6chantillon et de r6flectivit6 monochrornatique p°(I, To)-
,y ~R 200 180
160 ~
140 + 120
+
+
20
0 2 3 4 5 d nn
Fig. 6. Evolution du flux r6fl6chi mesur6
en fonction de la distance d'observation : (+) Mesures Modkle.
[Reflected flux versus observation distance: (+) Measures, Calculated results Curve.]
I loo
x ao REF. 7e
.
"
W "
~ ~
. .
"
REF. eo
"
x x
U ~ x
x
~
~ x
REF. ~o
~ X
~~~~
REF. ~
O
O O.E I I-E ~ ~.E B
d en mm
Fig. 7. Mesures de r6flectivit6 normale en fonction de la distance Valeur du standard, (I),
(x), (A), (+) : Mesures.
[Normal reflectivity measurement versus observation distance: Standard value, (I), (x), (A), (+): Measures.]
