Soutenance mémoire
Quelques définitions métrologiques nécessaires à l’étude des capteurs
Le capteur Il s’agit un dispositif transformant l’état d’une grandeur physique observée dans une certaine zone, en une grandeur manipulable par un utilisateur : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d’une aiguille, etc.. Il est au minimum composé d’un transducteur dont le rôle est de transformer la grandeur à mesurer en information interprétable. Il peut en plus être constitué d’un système de transport de l’information : fil électrique ou fibre optique. Il convient en général de distinguer le capteur de l’instrument de mesure, qui comporte en plus un affichage et un traitement informatique des données. En effet, le capteur n’est que l’interface entre un phénomène physique et une grandeur qui pourra être manipulée et traitée par la suite.
La métrologie Quelques notions de métrologie (science de la mesure) sont bien entendu nécessaires pour comprendre les enjeux concernant les capteurs et la qualité du mesurage d’une grandeur (ensemble d’opérations visant à déterminer sa valeur). La grandeur à mesurer est parfois qualifiée de mesurande. Ainsi on distinguera bien la répétabilité de la reproductibilité. La répétabilité qualifie l’étroitesse de l’accord entre les résultats de mesurages successifs du même mesurande, effectués exactement dans les mêmes conditions de mesure. La reproductibilité décrit l’étroitesse de l’accord des mesurages, en faisant varier les conditions de mesure. L’incertitude, quant à elle, caractérise la dispersion des valeurs qui pourraient raisonnablement être attribuées au mesurande, alors que l’exactitude caractérise l’étroitesse de l’accord entre le résultat d’un mesurage et une valeur vraie du mesurande. Enfin, l’erreur de mesure est égale à la valeur de mesure de la grandeur fibre optique moins sa valeur vraie. Cette dernière n’est jamais connue, mais elle est peut être estimée par un système de mesure dont l’erreur est connue et beaucoup plus faible que celle du système à caractériser. Les principales caractéristiques d’un système de mesure sont :
– son (ou ses) mesurande(s),
– sa sensibilité, i.e. la variation du signal de sortie d’un appareil de mesure en fonction de la variation du signal d’entrée,
– son étendue de mesure,
– son seuil de discrimination, i.e. plus petite variation de mesure qu’il peut déceler,ou encore la plus grande variation du mesurande n’entraînant pas de changement dans la réponse du capteur (souvent appelé résolution du capteur par abus),
– sa linéarité, i.e. réponse linéaire à une variation linéaire du signal d’entrée (on donne en général un domaine de linéarité et un écart par rapport à la linéarité sur ce domaine : voir figure I.3),
– sa précision (ou exactitude), qualifiée par la justesse i.e. l’écart entre le résultat moyen et la valeur vraie, et la fidélité i.e. l’aptitude à donner des mesures exemptes d’erreurs accidentelles (voir figure I.4),
– son hystérésis, i.e. l’écart entre la variation du signal de sortie entraînée par l’augmentation du signal d’entrée d’une part, et sa diminution d’autre part,
– son temps de réponse,
– sa bande passante.
Les LVDT
Le principe des jauges extensométriques de type LVDT (Linear Variable Differential Transformer) est simple : elles sont composées d’un transformateur (lui-même composé de trois bobines) et d’un noyau. Le transfert du courant entre la bobine primaire A et les bobines secondaires B est contrôlé par la position d’un noyau magnétique, appelé aussi armature, comme on peut le voir sur la figure I.8. En position centrale de la course de l’armature, les tensions des deux bobines secondaires du capteur de déplacement sont égales. Lors d’un déplacement du noyau, la différence de ces deux tensions est proportionnelle au déplacement. La supériorité du principe du LVDT est qu’il n’y a pas de contact électrique avec l’élément sensible (le noyau), ce confère à cette technologie une répétabilité très grande (de l’ordre de 0, 5 µm) et une longue durée de vie. La capacité discrimination de ces capteurs est intrinsèquement infinie puisqu’un déplacement infinitésimal du noyau entraîne une variation de courant dans B. Le seuil de discrimination est donc fixée par l’électronique de conditionnement en fonction de l’étendue de mesure (8 bits, 16 bits…), qui est typiquement de quelques millimètres à quelques centimètres. L’incertitude de mesure est liée à la linéarité du dispositif et à la qualité du conditionnement. Elle peut atteindre des valeurs submicroniques. On peut noter que le design de ce type de capteur peut varier d’un cas à l’autre afin de tirer parti, au mieux, des possibilités offertes par leur principe. Kano et al. dans [4] présentent, par exemple, une conception permettant de mesurer simultanément les déformations suivant deux dimensions. Le plus souvent, pour les applications qui nécessitent une sécurité maximale, on multiplie le nombre de capteurs de déplacements (ou d’élongation) de toutes natures. Par exemple dans [5], pour surveiller les déplacements et les contraintes au niveau d’une route près d’une mine en construction, on utilise à la fois des CCV et des LVDT.
Les sondes résistives (en particulier PT100)
Ces capteurs sont également appelés RTD (de l’anglais Résistive Temperature Detector). Ils utilisent le fait (découvert par Humphrey Davy au début du XIXème siècle) que la résistivité d’un matériau dépend sensiblement de la température. Parmi ces capteurs, de nos jours, les plus utilisés sont constitués de Platine, car il s’agit d’un matériau qui permet de couvrir une grande étendue de mesure (de -260 à 950oC) et qui présente une bonne résistance à l’altération ainsi qu’une grande stabilité. Le principe de fabrication d’un tel capteur est très simple : il s’agit de présenter, sur le lieu de la mesure, un fil de platine dont on va mesurer la résistivité. Un des enjeux de cette fabrication est de minimiser les contacts entre le fil et la structure de protection – qui auraient un effet sur sa résistance thermique – tout en gardant un contact thermique maximal avec le milieu d’emploi. Selon l’application et les propriétés à privilégier, il existe de nombreux modèles. Pour un environnement de laboratoire, on privilégie la précision et l’on évite tout contact (surtout pour des hautes températures), alors que pour un environnement industriel difficile, on peut par exemple s’orienter vers des structures enroulées voire flexibles (figure I.10).
Capteurs à fibre optique : présentation, propriétés et principaux avantages
Un capteur à fibre optique (CFO) est, d’après la norme de l’AFNOR intitulée « Spécification générique pour les capteurs à fibres optiques » [10], défini comme un dispositif dans lequel l’information est créée dans le chemin optique par réaction de la lumière à la grandeur à mesurer, avant d’être acheminée vers le récepteur optique par l’intermédiaire d’une ou plusieurs fibres optiques. Le système de mesure est en général constitué, en plus du capteur, d’une unité de traitement des données récupérées à travers la fibre optique. Cette unité peut éventuellement émettre un signal, qu’elle transmet au milieu via la fibre optique, on parle alors de CFO actif. Si le signal recueilli par le transducteur est créé dans le milieu sans apport de lumière par l’unité (fluorescence par exemple), le CFO est dit passif (voir figure I.20). Si le transducteur est situé à l’intérieur de la fibre (réseaux de Bragg, cavités), ou constitué par la fibre elle même (capteur distribués ou continus), le capteur est alors un CFO intrinsèque. Inversement, lorsque le transducteur est situé à l’extérieur de la fibre, le CFO est dit extrinsèque. La grande différence entre ces deux familles est que les capteurs extrinsèques utilisent les fibres optiques seulement comme un transmetteur de l’information,alors que les CFO intrinsèques utilisent les propriétés de sensibilité des fibres optiques à la grandeur physique à mesurer (la fibre est le transducteur). On s’intéressera uniquement, dans la suite, aux capteurs intrinsèques actifs. L’unité d’interrogation/réception contenant les composants d’émission (laser, modulateurs) et de réception optique (détecteur, analyseur de signaux électriques) sera souvent qualifiée par le terme « interrogateur ».
Capteur à réseau de Bragg
Un réseau de Bragg est un réseau épais créé par une variation périodique d’indice. Le profil et les principales caractéristiques d’un réseau de Bragg sont illustrés sur la figure I.25. Il existe plusieurs méthodes de fabrication d’un réseau de Bragg. Les plus utilisées sont la méthode holographique, dont le principe est exposé sur la figure I.26, et la méthode du masque de phase. Dans les deux cas, on réalise un système d’interférences au niveau du cœur de la fibre, à partir de rayonnements ultra-violets. Le cœur a précédemment été rendu photosensible en faisant diffuser un gaz (H2 ou D2) dans la fibre. Cela permet aux interférences générées de créer un réseau d’indice. Dans une fibre optique éclairée par une source lumineuse à spectre large, ce type de réseau réfléchit une seule longueur d’onde dite longueur d’onde de Bragg, alors que toutes les autres sont transmises.
OFDR en tant qu’extensomètre : état de l’art
Nous venons de montrer que l’OFDR est un procédé permettant de mesurer, sur des bases de mesure plus petites, la trace que fournirait un OTDR, s’il en était capable. Cette propriété est utilisée à l’heure actuelle pour localiser d’éventuels défaut dans les composants photoniques ou les composants fibrés. Soller et al. dans [22] montrent que la plus petite réflectivité qu’il est possible de mesurer est de -97 dB pour leur appareil. Ce résultat a été obtenu sur une excursion de 35 m avec une résolution spatiale de 22 µm. Grâce à un cube séparateur de polarisation et deux photodétecteurs, on peut également, avec ce type de dispositif, observer l’évolution de la polarisation dans les composants. Ce système a donné lieu à un appareil commercial : l’OBR de la société Luna-technologies qui présente une réflectivité minimale mesurable de -125 dB. La rétro-difusion Rayleigh étant d’environ -90 dB/m, on peut, grâce à cet appareil, sur des zones très étroites de l’ordre du cm, visualiser les micro-variations dans l’intensité de la rétro-diffusion Rayleigh. Ses micro-détails sont variables dans l’espace, mais fixes dans le temps. Elles peuvent être vues comme des variations d’indice, et par conséquent comme une somme de réseaux de Bragg aléatoires. Par une simple corrélation, on peut déterminer la variation de leur longueur d’onde entre deux mesure [23]. On évalue ainsi l’allongement local du chemin optique, qui est sensible à la déformation et à la température, comme nous l’avons montré précédemment. Le capteur ainsi obtenu est un capteur continûment réparti, avec une résolution spatiale qui peut être très petite (en utilisant une source accordable sur une grande gamme de longueur d’onde). On peut également observer l’évolution de la polarisation dans les fibres entre deux mesures. Ceci a permis à Froggatt et al. dans [24] de réaliser, grâce à une mesure locale simultanée de chemin optique et de biréfringence, un capteur de mesure simultanée de température et déformation grâce à des fibres à maintien de polarisation. Les performances annoncées de la dernière version de cet appareil sont très intéressantes : la résolution spatiale est d’environ 1 cm sur plusieurs centaines de mètres (excursion annoncée : 500 m), avec des résolutions annoncées en température ou déformation meilleures que celles des capteurs continus utilisant les diffusions Raman ou Brillouin : 1 µm et 0,1oC (mesure de l’un ou de l’autre des paramètres). Cependant, l’excursion et la portée de ce type d’appareil ne sont pas suffisantes pour les applications visées.
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Table des matières
Introduction
I Présentation des capteurs pour le génie civil et intérêts des capteurs à fibre optique
I.A Les besoins du génie civil et ses capteurs classiques pour la surveillance des structures
I.A.1 Quelques définitions métrologiques nécessaires à l’étude des capteurs
I.A.2 Les capteurs de déformations et de température habituellement utilisés pour le contrôle des structures du génie civil
I.A.2.a Déformations élastiques et inélastiques: présentation des concepts
I.A.2.b Les jauges de déformations
I.A.2.c Les thermomètres
I.B Les capteurs à fibre optique: généralités
I.B.1 La fibre optique
I.B.2 Capteurs à fibre optique: présentation, propriétés et principaux avantages
I.C Capteurs à fibre optique « ponctuels », capteurs « longue-base »
I.C.1 Capteurs interférométriques
I.C.2 Capteur à réseau de Bragg
I.C.3 Sensibilité de ces capteurs à la température et à la déformation
I.D Multiplexage de capteurs « ponctuels » à réseau de Bragg
I.D.1 Multiplexage en longueur d’onde
I.D.2 Multiplexage temporel
I.E Multiplexage continu: Capteurs « continus » ou « répartis »
I.E.1 Principe de l’OTDR et définition des paramètres principaux propres à la mesure répartie
I.E.2 Capteurs utilisant la rétro-diffusion Rayleigh
I.E.2.a Principe de l’OFDR
I.E.2.b OFDR en tant qu’extensomètre: état de l’art
I.E.3 Capteurs utilisant la rétro-diffusion Raman
I.E.4 Capteurs utilisant la rétro-diffusion Brillouin
I.F Récapitulatif des performances des capteurs présentés dans ce chapitre
Bibliographie du chapitre I
II La diffusion Brillouin dans les fibres optiques
II.A Les différents régimes de diffusion Brillouin
II.A.1 La diffusion Brillouin spontanée
II.A.2 La diffusion Brillouin stimulée
II.A.3 Les équations de la diffusion Brillouin (cas général)
II.B Étude spectrale de la diffusion Brillouin
II.B.1 Modélisation des spectres de rétro-diffusion spontanée
II.B.1.a Détermination des paramètres opto-mécaniques des fibres
II.B.1.b Caractérisation des modes optiques guidés dans une fibre optique à symétrie de révolution
II.B.1.c Caractérisation des ondes mécaniques guidées dans le coeur d’une fibre à symétrie de révolution
II.B.1.d Reconstitution du spectre Brillouin
II.B.2 Expérience de spectroscopie Brillouin en régime continu
II.B.3 Étude de spectres de rétro-diffusion de quelques fibres utilisées dans les télécommunications
II.B.4 Étude de spectres de rétro-diffusion de fibres spéciales
II.B.5 Méthode pour limiter l’effet de la fibre amorce sur le spectre Brillouin mesuré
II.C Étude « quantitative » de la rétro-diffusion Brillouin générée par le « bruit »
II.C.1 Approximation de la pompe non-déplétée, amplification Stokes et déplétion anti-Stokes
II.C.1.a Premières observations
II.C.1.b Description « bulk » du phénomène
II.C.2 Mesure des coefficients d’efficacité Brillouin de quelques fibres optiques usuelles
II.C.2.a Principe de la méthode
II.C.2.b Comparaison de deux fibres télécom classiques
II.C.3 Prise en compte des effets de polarisation
II.C.3.a Description théorique du problème
II.C.3.b Étude d’une fibre à maintien de polarisation
II.C.3.c Retour sur les hypothèses initiales concernant l’efficacité de couplage
II.D Conclusion du chapitre II
Bibliographie du chapitre II
III Utilisation de la diffusion Brillouin pour la réalisation d’un système de mesure répartie de température et de déformations
III.A Les différents systèmes de mesure utilisant la diffusion Brillouin
III.A.1 Les systèmes de mesures continues à localisation dans le domaine temporel
III.A.1.a Le B-OTDR
III.A.1.b Le Brillouin Optial Time Domain Analyser (B-OTDA)
III.A.1.c Caractéristiques des systèmes d’interrogation dans le domaine temporel
III.A.2 Les systèmes d’interrogation à localisation dans le domaine fréquentiel: B-OFDA
III.A.3 Les systèmes d’interrogation à localisation dans le domaine de corrélation: B-OCDA
III.B Réalisation d’un B-OTDR
III.B.1 Schéma bloc et principe général retenu
III.B.2 Performances, limites de sensibilité de résolution
III.B.3 Améliorations réalisées, perspectives
III.C Sensibilité de la fréquence Brillouin vis à vis des conditions extérieures: étalonnage de plusieurs fréquences Brillouin d’une même fibre
III.C.1 Sensibilité de la fréquence Brillouin vis à vis de la température
III.C.2 Sensibilité de la fréquence Brillouin vis à vis des déformations
III.D Vers une mesure simultanée de température et de déformations
III.D.1 Incertitudes de la mesure simultanée
III.D.2 Possibilités de mesures avec plusieurs pics de la LEAF précédemment étalonnée
III.D.3 Possibilités a priori offertes par les études réalisées dans la littérature
III.D.4 Autre possibilité et perspectives
Bibliographie du chapitre III
IV Capteurs répartis à diffusion Brillouin noyés dans des structures
IV.A Détection de cavités souterraines: performances comparées d’un OFDR et d’un B-OTDR
IV.A.1 Contexte de l’étude
IV.A.2 Présentation de l’expérience réalisée au CER de Rouen
IV.A.3 Début de l’expérience et premiers résultats
IV.A.4 Petites déformations
IV.A.5 Grandes déformation
IV.A.6 Bilan de l’expérience
IV.B Mesure de température et de déformations à l’intérieur d’une poutre en béton
IV.B.1 Instrumentation de la poutre en béton armé
IV.B.2 Mesure de température durant la prise du béton
IV.B.2.a Étalonnage des CFO répartis
IV.B.2.b Simulation préalable de l’échauffement durant la prise du béton
IV.B.2.c Mesure de température
IV.B.3 Mesure de déformation lors d’une flexion 4 points
IV.C Quelques conclusions tirées des mesures de terrain effectuées lors des deux expériences
Bibliographie du chapitre IV
Conclusion
Annexes
A Complément d’étude sur la modélisation des modes acoustiques impliqués dans la diffusion Brillouin
Bibliographie de l’annexe A
Publications
Table des Abréviations
Nomenclature
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