Conception and optimization of a piezo-optic pressure transducer : Application to high hydrostatic pressures sensing

par Mathieu Guilhem

Thèse de doctorat en Électronique, électrotechnique, automatique. Photonique

Sous la direction de Patrick Meyrueis.

Soutenue en 2010

à Strasbourg .

  • Titre traduit

    Conception et optimisation d'un capteur piezo-optique de pression : Application à la mesure de hautes pressions hydrostatiques


  • Résumé

    La mesure de pression est un domaine vieux de plusieurs siècles, dont le développement a été motivé par l’importance de ses applications technologiques. Le but de ce travail est de proposer une technique de mesure de fortes pression hydrostatiques par capteur optique à bas coût. De nombreux types de capteurs de pression ont été développés au cours du temps, et la première partie de ce document présente une vue d’ensemble du domaine. Nous nous concentrons ensuite sur les techniques optiques et présentons leurs avantages et inconvénients. Au vu de notre cahier des charges, nous choisissons de développer un capteur de pression basé sur l’effet piezo-optique, c’est à dire l’apparition d’une biréfringence dans un matériau diélectrique soumis à une force extérieure. La Partie II du mémoire présente les différents outils qui seront par la suite utilisés pour modéliser le capteur proposé : tout d’abord nous rappelons les détails de la théorie de la polarisation, son origine physique ainsi que le formalisme de Mueller-Stokes. Nous nous intéressons ensuite aux interactions entre une lumière polarisée et un milieu diélectrique, en présentant l’effet piezo-optique ainsi que les effets polarisant des réflexions à une interface. Les effets présentés sont modélisés par leur matrice de Mueller afin de simplifier l’étude à suivre. Dans la Partie III nous proposons un concept original de capteur de pression, utilisant une approche novatrice par rapport à celle usuellement mise en œuvre. Le capteur proposé est basé sur l’analyse d’une lumière dont la polarisation est modifiée par la traversée d’un milieu diélectrique rendu biréfringent par la pression à mesurer. Certains aspects du capteur sont optimisés, et ses inconvénients discutés. Cette étude aboutit à la proposition d’un capteur dans lequel les éléments polarisant discrets ont été remplacés par des réflexions successives. Ce nouveau concept est modélisé, puis nous présentons les différentes sources potentielles d’erreur de mesure et proposons des solutions pour compenser celles qui prédominent. La Partie IV présente la validation expérimentale des concepts précédents. Nous décrivons la conception, la calibration et la validation d’un polarimètre de Mueller par Transformée de Fourier, conçu dans le but d’étudier la dépendance de l’effet piezo-optique à la température. Ensuite nous présentons la réalisation d’un démonstrateur de capteur piezo-optique de pression. Les essais effectués sont en accord avec les prédictions théoriques et valident donc le principe du capteur développé au cours de ce travail.


  • Résumé

    The measurement of pressure is a field that has been studied for centuries due to its important technological implications. Our goal is to propose an original method to measure high hydrostatic pressures using a low cost optical sensor. A number of pressure sensors have been developed over the years, and the first part of this work presents an overview of the main ones. We then focus on optical pressure sensors, discuss the advantages and inconveniences of each method with regards to our constraints, and decide to develop the concept of a sensor based on the piezo-optic effect, i. E. The stress-induced birefringence in a transparent dielectric subjected to a force. We presents the tools that will be used to modelize the piezo-optic pressure sensor: we first review the theory of polarization of light, from its physical origin to the Mueller-Stokes formalism; we then focus on the interaction of polarized light with matter: we discuss the theory of the piezooptic effect and the polarization effects of total and partial reflections at an interface. Both effects are modelized in terms of their Mueller matrices. We then propose an original concept for a pressure sensor, using an approach different from the one usually seen in polarimetric sensors. First the concept of a piezo-optic pressure sensor is presented where polarized light interacts with a dielectric material subjected to a pressure; the resulting state of polarization is analyzed by a second polarizer and a photodetector. Some aspects of the sensor are optimized while its shortcomings are listed. In light of this analysis we propose a revised concept to addresses these issues. The new proposal uses carefully oriented reflections to replace all polarizing elements, enabling simpler and cheaper production. We modelize this device, analyze its optical behavior, and then present the different sources of measurement error. Most of them are negligible, and we present methods to mitigate the influence of these that are not. Part IV focuses on the experimental validation of the concepts presented so far. We describe the conception, calibration and validation of a Fourier Transform Mueller polarimeter that we intend to use to study the temperature dependence of the piezo-optic effect. We build a prototype based on the initial concept of the piezo-optic pressure sensor presented in Part III, and test its response to pressure. Its behaviour is found to be coherent with theoretical predictions, and these measurement serve to validate the concept of the sensor that was developed during this work.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (Pagination multiple)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 155-163

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  • Bibliothèque : Université de Strasbourg. Service commun de la documentation. Bibliothèque Danièle Huet-Weiller.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : Th.Strbg.Sc.2010;0713
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