Jauges de contrainte optiques : Ce que vous devez savoir

Les jauges de contrainte optiques (également appelées Fiber Optical (strain) Sensors ou FOS, capteurs optiques ou Fiber Bragg Grating Sensors) sont utilisées pour mesurer des contraintes, mais peuvent aussi être intégrées dans différents types de capteurs, par exemple pour mesurer des températures, des accélérations ou des déplacements. Contrairement aux jauges de contrainte électriques traditionnelles qui utilise un courant électrique, les jauges de contrainte optiques travaillent sur le principe de la lumière qui se propage à travers une fibre.

Par conséquent, ces jauges sont complètement passives et parfaitement insensibles aux parasites électriques et interférences électromagnétiques. C'est pourquoi dans certaines applications, les jauges de contrainte optiques sont préférables aux jauges électriques.

A ce propos

Dans cet article, Cristina Barbosa, Responsable Produits Optiques chez HBM, vous explique comment fonctionnent les jauges de contrainte optiques.

Elle dit : « Quand les gens ont besoin de mesurer une contrainte, ils pensent d'abord aux jauges de contrainte électriques. Les jauges de contrainte optiques peuvent venir en aide lorsque les jauges électriques ne conviennent pas, par exemple pour des mesures dans des conditions environnementales difficiles. »

Schematic image: The optical strain gauge consists of a silica core and cladding that channel the light in the fiber and an outer coating (usually plastic) for protection.
La jauge de contrainte optique se compose d'un noyau de silice et d'une gaine qui canalise la lumière dans la fibre et d’un revêtement extérieur (habituellement en plastique) pour la protection.

Conception

Dans cet article, nous nous concentrerons sur les jauges de contrainte à fibre optique intrinsèques, où la fibre elle-même est le capteur. D'autres types de capteurs à fibre optique utilisent la fibre pour transmettre la lumière, et non pour faire la mesure avec elle.

Une fibre optique se compose généralement d'une fibre de verre ou de silice et d'un revêtement en plastique. Elle ressemble beaucoup à la fibre utilisée couramment en télécommunication et peut être de plusieurs kilomètres de long avec de nombreux points de mesure disposés sur sa longueur. La fibre en soi se compose de deux couches : le noyau et une gaine enveloppante avec une densité plus faible. Un revêtement en plastique est enroulé autour de la fibre de silice pour une meilleure protection.

Alors, pourquoi cette différence de densité entre le noyau et la gaine est-elle importante ? Un laser est utilisé pour envoyer de la lumière à travers la fibre. Les deux densités différentes créent une barrière qui canalise la lumière à l'intérieur de la fibre afin qu'elle ne se diffuse pas. Pour que cela fonctionne, il est important que la fibre ne soit pas trop courbée. "Elle est toutefois flexible et ne se brise pas, mais la lumière pourrait s’échapper dans les courbures", explique Cristina Barbosa ; responsable du produit.

Mode de fonctionnement

La fibre en tant que capteur

Pour créer une jauge de contrainte, la fibre optique est marquée au moment de la production d’une empreinte appelée Fiber Bragg Grating (FBG). Il s'agit essentiellement d'une inscription d'interférences sur le matériau, qui reflète la lumière différemment du reste de la fibre. Pour une meilleure compréhension, vous pouvez visualiser la fibre comme une longueur cylindrique constituée d’un matériau transparent, avec un certain nombre de fines tranches intercalées sur sa longueur. Lorsque la lumière du laser atteint cette empreinte, certaines longueurs d'ondes sont réfléchies, tandis que les autres passent au travers.

Les interférences matérielles - les «slices» - sont placées à certains intervalles. Lorsque la fibre est étirée ou comprimée, dès lors qu’elle est  soumise à une contrainte positive ou négative, ces intervalles varient. Quand la fibre est étirée, elle s'allonge et les espaces augmentent et vice versa.

Non seulement la lumière réfléchie prend plus ou moins de temps pour se déplacer lorsque la grille de Bragg est soumise à une contrainte, mais la longueur d'onde réfléchie change également. En termes scientifiques, la grille de Bragg a un certain indice de réfraction. L'indice de réfraction d'un matériau décrit la quantité de lumière qui est détournée ou réfractée en traversant le matériau. Lorsque la grille change de forme en raison de la contrainte appliquée, son indice de réfraction varie également.

 

 

“One Fiber Bragg Grating as a whole is approximately 5 millimeters long, though the individual material interferences cannot be seen with the naked eye, only under a microscope”, explains Cristina Barbosa. Many Fiber Bragg Gratings can be inscribed in one long fiber—each working as an individual strain sensor.

When the optical fiber is applied to a material, it will be strained along with this material. The measured strain will in turn allow an analysis of the mechanical stress in the material, which is the aim of most strain measurements.

To give a practical example, when the fiber is applied to the walls of a long tunnel, it is strained when there is stress in the material of the walls. This can be, for example, due to the vibrations of trains rushing by. When the walls settle or even develop weak points or fissures over the years, this becomes visible from the information about strain and thus mechanical stress acquired by the sensors—a useful early indication as to where maintenance is needed.

Rôle de l'interrogateur

Pour effectuer les mesures, la fibre optique doit être connectée à un appareil appelé interrogateur. Il envoie en permanence de la lumière avec différentes longueurs d'onde, une à la fois, couvrant ainsi un large spectre. C'est ce qu'on appelle le « balayage laser ». La lumière se propage à travers la fibre, est réfléchie à un certain point par une grille de Bragg et retourne à l'interrogateur.

Grâce aux différentes périodes de chaque FBG, il est possible de distinguer les signaux des différents capteurs. Le reste de la lumière est réfractée lorsqu'elle atteint la fin de la ligne de fibre afin de ne pas interférer avec la mesure. La déformation réelle et, à son tour, la contrainte  peuvent être déduites des signaux lumineux bruts qui reviennent des FBG.

“Bien qu'il existe différentes méthodes de mesure de la contrainte avec différents types de capteurs à fibre optique, ce qu'ils ont tous en commun, c'est qu'ils dépendent d'une certaine manière des propriétés de la lumière.”

- Cristina Barbosa

So, why is this density difference between the core and the cladding important? A laser is used to send light through the fiber. The two different fiber material densities create a barrier that channels the light inside the fiber so that it doesn’t scatter. For this to work, it’s important that the fiber is not bent too much. “It is flexible and won’t break, however, light could escape at the bends,” explains product manager Cristina Barbosa.

La compensation de température est cruciale

Les jauges et capteurs à fibre optique en réseaux de Bragg sont extrêmement sensibles à la température. De toute évidence, la fibre comme tout autre matériau se dilate lorsque la température augmente et se contracte lorsque la température baisse. L'indice de réfraction change aussi. Sans compensation, cela conduirait à une mesure de contrainte qui n'a pas été causée par les contraintes dans le matériau, mais par les variations de température. Il existe plusieurs techniques de compensation, notamment :

  • En installant d'un capteur de température à côté du capteur mesurant la contrainte. Cela permet de faire une compensation mathématique et de soustraire ainsi les données température des données mesurées.
  • En plaçant deux FBG dans une configuration push-pull afin que, sous contrainte, l'une soit comprimée et l'autre étirée. Les effets de température sont identiques pour les deux (ex. Allongement), mais l'influence de la contrainte mécanique diffère: pour une des FBG, la contrainte est «positive» car elle est sous traction, mais pour l'autre, la contrainte est «négative» car elle est comprimée. Ainsi, la compensation mathématique devient possible.
  • En encapsulant la fibre dans un appareil mécanique qui se détend dans la direction opposée du matériau testé de telle sorte que le contrainte appliquée sur la grille de Bragg annule l'effet de température et aucune compensation mathématique n'est alors nécessaire

Applications avec jauges à fibre optique

“Dans le cadre du projet ITER en France, nos capteurs doivent faire face à une large gamme de température allant d'environ -270 ° C à 300 ° C avec des champs électromagnétiques intenses. C'est quelque chose qu'aucune jauge de contrainte électrique ne pourrait gérer ", déclare Cristina Barbosa, en nommant une de ses applications préférées pour capteurs optiques.

Des applications moins exotiques peuvent être citées, par exemple, dans le domaine de la santé structurale ou de la surveillance d'infrastructures. Comme une fibre unique peut accueillir des centaines de capteurs, la technologie optique réponde à d'énormes projets comme la surveillance de tunnels ou de pipelines, car les coûts de câblage et d'installation sont inférieurs à ceux des jauges de contrainte traditionnelles.

En outre, la technologie de mesure optique représente le premier choix à faire pour toutes les applications où l'électricité nécessaire à l’alimentation des jauges de contrainte conventionnelles serait un problème, comme les environnements avec beaucoup d'interférences électromagnétiques (ex : dans l'espace) ou avec un risque élevé d'explosion (ex : les raffineries de pétrole). Ou bien selon Cristina Barbosa :

“Lorsque les jauges de contrainte électriques ne fonctionnent pas, les optiques pourraient faire le travail.”


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