Conseils pour configurer un ensemble de jauges optiques pour une installation réussie

L'un des avantages de la technologie Fiber Bragg Grating (FBG) est sa capacité de multiplexage intrinsèque. Les capteurs peuvent avoir à la fois des longueurs d'onde de Bragg spécifiques et différentes et peuvent être connectés en série sans compromettre la lecture correcte des mesures tant que les signaux des capteurs ne se chevauchent pas.

Les capteurs peuvent être achetés individuellement, avec ou sans connecteurs; ou en tant que réseaux préassemblés de capteurs reliés par épissure de fusion - une connexion permanente entre deux fibres. Lors de l'installation, les capteurs et / ou les réseaux de capteurs peuvent être reliés ensemble à l'une des voies optiques de l'interrogateur, mais attention au choix des longueurs d'onde et aux pertes de puissance que les longueurs de câbles et les connexions imposent aux signaux.

1. Sélection du capteur

Plusieurs types de capteurs FBG sont fournis par HBM, et tous peuvent être combinés sur la même voie optique de l'interrogateur, en considérant que les pertes optiques sont dans les limites et que les signaux de longueur d'onde ne se chevauchent pas. Les conseils donnés ci-dessous s'appliquent aux mesures de déformation mais peuvent être facilement appliqués à d'autres types de capteurs :

Afin de choisir le type de capteur le plus approprié, les critères suivants doivent être pris en compte :

a) Plage de mesure

Différentes encapsulations de capteurs peuvent limiter leurs plages de mesure. Lors du choix du bon type de capteur, la plage de mesure requise peut être un facteur d'exclusion pour certains capteurs.

b) Type de montage

HBM propose des solutions pour les capteurs à coller, à souder, à intégrer ou à visser sur le corps d'essai. Le type de montage peut interférer avec la vitesse et le coût d'installation, mais peut également éliminer d'autres options. Des jauges soudables peuvent être envisagées pour l'installation de capteurs sur des structures métalliques. Souder est un moyen rapide et efficace de coller des capteurs à une structure prête à être utilisée peu de temps après l'installation, sans attendre le durcissement de l'adhésif. Pour les matériaux composites, deux options sont possibles : le collage ou l'intégration. Les connexions par boulons ne sont normalement pas conseillées pour les composites de fibres, car le perçage endommage les fibres, mais il peut être une bonne solution pour les structures en béton ou métalliques.

c) Robustesse

Il existe une large gamme de capteurs disponibles avec différents degrés de robustesse. Certains capteurs sont conçus avec des câbles de laboratoire et d'autres avec des câbles internes ou externes, même des câbles diélectriques, ce qui limite l'utilisation du capteur sans nécessiter de protection supplémentaire dans des environnements spécifiques.

d) Rayon de courbure du câble et longueur

Les jauges HBM FiberSensing sont divisées en deux lignes de produits, qui diffèrent en fonction des caractéristiques de la fibre optique utilisée. La OP Line utilise une fibre à haute capacité de flexion et des liaisons de fibre qui peuvent être utilisées dans des espaces étroits avec un rayon de courbure serré, aussi bien dans la zone du câble avec pertes négligeables que dans la zone du capteur même sur des surfaces courbes. La FS Line montre une plus faible flexibilité sur les capteurs et les câbles, mais elles peuvent être utilisées librement sur plusieurs kilomètres sans perte optique significative.

e) Température de fonctionnement

Les mesures de déformation peuvent être prises dans des environnements très différents. Pour les températures élevées ou basses, seules certaines jauges optiques conviennent.

f) Les besoins de compensation de température

Les jauges basées sur la technologie FBG sont sensibles aux changements de température, une correction est donc conseillée.

HBM FiberSensing propose une solution unique : un capteur de déformation Athermal, qui annule l'effet intrinsèque des changements de température sur la longueur d'onde FBG (mais pas sur la dilatation thermique du matériau de l'échantillon).Lors de la sélection d'un telle jauge de contrainte, aucun capteur supplémentaire n'est nécessaire pour la compensation de température de la mesure. Pour toutes les autres jauges de contrainte, un capteur supplémentaire est nécessaire, par exemple :

  • Un capteur de température placé à la même température que la jauge de contrainte : avec une mesure de température au même endroit que la jauge de contrainte, la sensibilité thermique du capteur (comme indiqué sur les feuilles de données et d'étalonnage) et la dilatation thermique du matériau de base, la mesure de la déformation peut être corrigée.
  • Un élément de compensation optique : pour certaines jauges de contrainte, un capteur FBG spécialement conçu pour les effets de compensation de température peut être utilisé.
  • Une jauge de contrainte optique qui doit être appliquée au même matériau et soumise à des conditions de température égales, mais non soumise à une contrainte : la déformation mesurée par ce capteur est la déformation induite par la température.
  • Une jauge de contrainte optique installée sur la surface opposée de l'échantillon, où la déformation a la même valeur mais un signal différent : avec des capteurs fonctionnant dans cette configuration push-pull, l'effet de température peut être annulé en combinant les deux mesures de déformation.

Le nombre de capteurs nécessaires dans un ensemble doit prendre en compte les options ci-dessus.

2. Sélection de longueur d'onde

La distance de longueur d'onde de Bragg entre deux capteurs définit la plage de mesure maximale des deux capteurs, car si les signaux se chevauchent, les mesures seront compromises. La gamme de longueur d'onde utilisée pour chaque capteur dépend de sa plage de mesure dans sa plage de température de de fonctionnement, ainsi que de la sensibilité du capteur et du décalage de longueur d'onde induit par la chaleur provoquée par la sensibilité croisée des capteurs et la dilatation thermique du matériau.

A partir de la longueur d'onde centrale du capteur (λ0), la plage de longueur d'onde à réserver va, de la valeur de longueur d'onde minimale possible du capteur, au maximum :

Des longueurs d'onde présélectionnées sont disponibles, adaptées à la plage de mesure habituelle du capteur, pour faciliter la sélection.

  1. Les capteurs FS Line existent dans des longueurs d'onde espacées d'environ 6,4 nm
  2. Les capteurs OP Line existent dans des longueurs d'onde espacées de 5 nm
(wavelengths in nm)

3. Contrôler les pertes optiques

Le nombre de connexions pouvant être utilisées par voie optique dans une chaîne de détection FBG dépend non seulement du type de connexion utilisé, mais également de l'interrogateur, du type de fibre et de la longueur, ainsi que des pertes de signal optique pouvant être causé par le processus d'installation (chemin de câble, micro-courbures, etc).

a) Connecteurs vs épissures

Deux connexions possibles peuvent être utilisées lors de la connexion de capteurs de tension optiques en chaînes : connecteurs et épissures.

Les connecteurs sont plus faciles à utiliser sur site, puisqu'ils signifient littéralement «plug and play».Toutefois, ils causent des pertes plus élevées du signal optique et sont plus susceptibles de se dégrader avec le temps.

Les épissures sont, en revanche, des connexions définitives. Une fusion des deux fibres, qui s'avère stable dans le temps et présente de faibles pertes optiques. Néanmoins, l'épissage nécessite des outils dédiés, des professionnels formés et un temps d'installation plus long.

Pour minimiser le temps d'installation et, en même temps, augmenter le nombre de capteurs pouvant être connectés dans une chaîne de capteurs, HBM FiberSensing propose des réseaux de capteurs préassemblés reliés par des épissures protégées en fonction de l'application.

b) Type de fibre et longueur

Les fibres utilisées sur les deux lignes de capteurs HBM FiberSensing sont différentes : la fibre utilisée sur les capteurs FS Line est de 9 μm, le cœur et la fibre utilisée sur les capteurs OP Line ont un noyau de 6 μm.

Les capteurs et les câbles de la FS Line peuvent parcourir des kilomètres sans compromettre les signaux des capteurs, car la fibre de noyau de 9 μm présente de très faibles pertes d'atténuation. Fibres et câbles du OP Line montrent des pertes d'atténuation plus élevées et par conséquent, ne sont pas adaptés pour de longues distances.

Lorsque les deux types de fibres sont connectés ensemble, même via épissures, il y a également des pertes élevées dans l'interface qui limitent le nombre de fois que différents types de fibres peuvent être utilisés dans une chaîne.

c) Réflectivité du capteur

Le principe de mesure du capteur FBG est basé sur un spectre réfléchi de la lumière inhérente. Le signal réfléchi est un pourcentage de la lumière inhérente. Les capteurs FS Line ont une réflectivité d'environ 65% et les capteurs OP Line ont une réflectivité inférieure à 15%. Lors du calcul des pertes, la réflectivité des capteurs doit également être prise en compte.

d) Plage dynamique des interrogateurs

Les pertes admissibles sur une chaîne de capteurs optiques sont dictées par la plage dynamique disponible de l'interrogateur. La gamme dynamique peut être perçue comme une mesure du rapport signal / bruit du spectre optique pour la détection des pics. Les signaux avec des valeurs de perte élevées ou très proches de la plage dynamique ne seront pas correctement acquis par l'interrogateur.

Les caractéristiques techniques des capteurs, des interrogateurs et des accessoires doivent être soigneusement contrôlées pour optimiser les performances d'une chaîne de capteurs optiques.

HBM peut vous aider pour la sélection des bons composants.

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