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Development of an Extrinsic dual-cavity Fiber Fabry-Perot interferometer : Applications to periodic and non-periodic vibration measurements

Pullteap, Saroj (2008) Development of an Extrinsic dual-cavity Fiber Fabry-Perot interferometer : Applications to periodic and non-periodic vibration measurements. (Développement d'un interféromètre extrinsèque à double cavités de type Fabry-Perot : Applications à la mesure de vibrations périodiques et non périodiques.)

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Abstract

Le travail présenté dans cette thèse concerne le développement et la caractérisation d'un interféromètre extrinsèque à double cavités de type Fabry-Perot (EFFPI) en vue de l'analyse de vibrations périodiques et non périodiques. Cette thèse est divisée en 5 chapitres. Dans le chapitre I, nous donnons un panorama des mesures de vibration et de leurs techniques associées de type optique ou non-optique. Nous fournissons une description générale des caractéristiques des interféromètres à fibre optique. Nous justifions le choix du système de type Fabry-Perot par ses propriétés de mesure sans contact, sa flexibilité géométrique, ainsi que sa facilité d'utilisation. Le chapitre II présente le principe de fonctionnement du EFFPI. Le système comprend une cavité virtuelle pseudo-duale obtenue par l'introduction d'une optique de polarisation dans le chemin optique de la cavité de mesure. Cette configuration permet d'obtenir deux signaux d'interférence en quadrature, ce qui élimine l'ambiguïté de direction. Les propriétés générales de l'interféromètre telles que la réflectance et la visibilité de franges ont été caractérisées expérimentalement. En particulier, les états de polarisation des faisceaux d'entrée et de sortie ont été étudiés pour mieux comprendre l'atténuation induite dans les signaux d'interférence afin de pouvoir minimiser ce phénomène. Dans le chapitre III, nous proposons une technique de démodulation de franges de type passage à zéro modifiée pour obtenir l'information de déplacement. La résolution obtenue dans cette technique de démodulation est déterminée par le nombre de sous-niveaux de décomposition des signaux d'interférence. Dans ce travail, une résolution de λ/64 s'est avérée suffisante pour des applications à des vibrations périodiques de relativement grande amplitude. Différentes excitations de type sinusoïdal, carré et triangulaire ont été testées. Les erreurs provoquées par la variation de température de la source laser ainsi que celles apportées par la variation d'orientation de la cible durant la mesure de déplacement ont été étudiées. Dans le chapitre IV, nous décrivons une technique de démodulation à poursuite de phase pouvant opérer sur une cible soumise à un déplacement non-périodique. Le développement d'un programme de simulation et de démodulation a permis l'analyse des erreurs de phase, l'effet du bruit aléatoire et du bruit de quantification, etc. Les erreurs de phase peuvent être corrigées par le démodulateur alors que les erreurs dues au bruit peuvent être réduites par une méthode de correction d'amplitude. Des tests expérimentaux réalisés à partir d'excitations de type carré avec un transducteur piézo-électrique (PZT) muni d'un capteur capacitif ont montré un très bon accord sur les mesures (différence de quelques nanomètres seulement). Nous avons utilisé le EFFPI pour deux applications spécifiques. En sismométrie, nous avons montré son aptitude à la mesure d'amplitude et de vitesse des vibrations. Dans une seconde application, le système a permis de mesurer de façon précise les variations de niveau d'un liquide dans un système d'inclinomètrie optique basée sur le principe des vases communicants. Le dernier chapitre donne les conclusions sur le travail réalisé et propose des perspectives afin d'améliorer les performances du capteur développé. ABSTRACT : The work involved in this thesis principally concerns the development and characterization of a dual-cavity Extrinsic Fiber Fabry-Perot Interferometer (EFFPI), with the specific aims of analyzing both periodic and non-periodic vibrations. This thesis is divided into five chapters. In chapter I, we provide a brief overview of vibration measurements and their associated techniques, both optical and non-optical. A general description of the characteristics of fiber optic interferometers most suited for this application is next included. The emphasis on non-contact measurement, geometrical flexibility, accessibility to the mesurand in question and the ease of deployment orientates our choice towards the fiber Fabry-Perot device. Chapter II presents the operating principles of the EFFPI. The device contains a “virtual” pseudo-dual-cavity which is generated due to the introduction of polarization-controlling optics into the optical path of the sensing cavity. This configuration enables two sets of “quadrature phase-shifted” interference signals to be obtained, hence eliminating the problem of directional ambiguity. The general properties of the interferometer, such as its reflectance and fringe visibility, have been characterized. More importantly, the polarization states of the injected and output lightwaves have been studied to further understand polarization-induced signal attenuation with the aim of reducing this parasitic effect. A modified zero-crossing fringe demodulation technique is described in chapter III for processing the interference signals from the dual-cavity EFFPI sensor into useful displacement information. The resolution of the demodulation scheme is determined by the number of sub-levels into which the interference fringes can be divided. In this work, a λ/64 resolution is deemed sufficient for application in periodic vibrations with relatively large amplitudes. Various signal types, such as sinusoidal, square, and triangular excitations have been applied and experimentally verified. Possible errors due to temperature variation of the laser source as well as the target orientation during displacement measurements are also investigated. In chapter IV, a phase-tracking technique is described for demodulating the interference signals into the required/desired displacement of a target subjected to non-periodic vibration. The development of a simulation and demodulation program enables the analysis of out-of-quadrature phase errors, random noise effects, quantization noise, etc. The detected phase errors can subsequently be corrected by the demodulator while the noise can be reduced via an amplitude correction method. Experimental tests under squarewave excitation carried out with a PieZo-electric Transducer (PZT) incorporating a capacitive sensor demonstrated excellent agreement (difference of only a few nanometers). The EFFPI sensor is next employed for two specific applications. In seismometry, the possibility of our sensor for detecting both vibration amplitudes and velocities is aptly demonstrated. In addition, the fiber sensor is also shown to be relatively accurate in measuring liquid level variation in an optical inclinometry set-up based on two communicating short-base vases. The final chapter concludes the work carried out in this thesis and proposes perspectives for further enhancing the performance of the developed sensor

Department:Laboratoire d'Optoélectronique pour les Systèmes Embarqués - LOSE (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Seat, Han Cheng
Uncontrolled Keywords:Double cavités optiques - Interféromètre Fabry-Perot - Quadrature - Etats de polarisation - Vibrations périodiques et non périodiques - Démodulation par passage à zéro - Démodulation par poursuite de phase - Sismométrie - Inclinométrie. KEYWORDS : Dual optical cavity - Fabry-Perot interferometer - Quadrature - Polarization states - Periodic and non-periodic vibrations - Zero-crossing demodulation - Phase-tracking demodulation - Seismometry - Inclinometry
Subjects:Electronics > Microwaves and optical transmissions
Deposited On:20 February 2009

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