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Auteur(s)
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Pierre FERDINAND : Docteur d’État ès sciences - Chef de laboratoire au Leti (CEA-Technologies Avancées) - Centre d’études de Saclay
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Lire l’articleINTRODUCTION
La silice, de par de son exceptionnelle résistance à la cristallisation et à la corrosion, présente toutes les vertus pour remplir bon nombre de fonctions optiques du visible au proche IR. De nos jours, les fibres optiques en silice sont largement utilisées dans le domaine des télécommunications et il est devenu presque banal de rappeler l’utilisation massive de ce support de transmission, depuis le réseau local jusqu’aux liaisons intercontinentales. Or, depuis plus de vingt ans, on sait que les fibres optiques peuvent également jouer le rôle d’excellents transducteurs de mesure.
En fait, c’est en cherchant à immuniser les transmissions de données de l’influence de l’environnement qu’apparut l’idée d’employer les fibres optiques comme éléments transducteurs. En effet, si l’environnement (champs électromagnétiques, contraintes...) ne perturbe pas ou peu l’information codée en intensité que la fibre transmet (cas des transmissions numériques codées en 0 ou 1), par contre, celui-ci influe sur d’autres paramètres de l’onde optique tels que de la phase, l’Etat de Polarisation (EdP), etc. Après cette constatation, les développements consacrés aux capteurs à fibres optiques (CFO) débutèrent.
Cependant, bien que les premiers CFO soient apparus au cours des années 70, la prise de conscience de toutes leurs potentialités ne date réellement que du début de la décennie suivante. A cette époque, après des efforts de recherche et développement (R&D) majoritairement consacrés au gyroscope jusque vers 1985, on a pu observer un partage des activités entre plusieurs types de grandeurs (température, pression, rotation, intensité et tension électrique, dose de rayonnements, déplacements/déformations...).
Après vingt ans de recherche et développement, les CFO offrent désormais les mêmes fonctions que les capteurs classiques : mesure, contrôle, détection-alarme, surveillance, tout en présentant des spécificités liées à celles des fibres : faible encombrement et masse réduite, grande bande passante et faible atténuation, immunité aux parasites électromagnétiques, bonne résistance aux effets des rayonnements ionisants, possibilité de multiplexage de nombreux capteurs et de déport important des points de mesure...
Tout cela confère à cette instrumentation des avantages déterminants vis-à-vis des autres technologies de capteurs : faible intrusivité, possibilité d’utilisation en environnements sévères... et bien sûr d’excellentes performances métrologiques en termes de sensibilité, temps de réponse, plage d’utilisation... Par ailleurs – et c’est sans doute leur intérêt majeur –, ces capteurs offrent de nouvelles fonctionnalités sans équivalent : mesure intégrée, différentielle, distribuée, répartie, en réseau. Il faut savoir que la mise en réseau de nombreux CFO (les RCFO –réseaux de capteurs à fibres optiques –) permet, d’une part, de réduire le coût du point de mesure par la mise en commun du système d’interrogation, et d’autre part de fournir, à l’utilisateur, les données relatives à chaque capteur sous une forme homogène.
Les différentes topologies d’interconnexion des points de mesure incluent les capteurs « répartis » où la fibre joue le rôle d’élément « continûment » sensible, les capteurs « distribués » formés de points de mesures le long de la fibre et les structures de réseaux RCFO dont les architectures sont multiples. Les systèmes d’interrogation et de démultiplexage (partie optoélectronique de gestion du réseau de mesure) de ces différentes approches ont fait l’objet de développements croissants ces dernières années et certains produits sont déjà commercialisés.
Aujourd’hui, les projets tant de développement qu’applicatifs sont tirés par les besoins utilisateurs : mesures de température, de pression, et de plus en plus de déformations, du fait des demandes croissantes en surveillance des structures, avec un très fort engouement pour les capteurs et les réseaux de mesure fondés sur les transducteurs à « réseaux de Bragg », objet de cette présentation. Il faut dire que les enjeux économiques (gains de maintenance, sécurité des biens et des personnes...) des applications (ouvrages d’art, matériaux composites, structures métalliques, en béton, sous-sols, terrains...) justifient les efforts qui leur sont consacrés.
VERSIONS
- Version courante de juil. 2018 par Pierre FERDINAND
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5. Conclusion et perspectives
La technologie de mesure fondée sur les réseaux de Bragg possède de nombreux atouts qui tiennent, d’une part, à leur sensibilité et à la linéarité de leur réponse aux paramètres souhaités par les utilisateurs (température, déformations, pression...), et d’autre part aux possibilités de démultiplexage liées à la finesse des réseaux. En plus des propriétés traditionnelles apportées par les fibres optiques (immunité électromagnétique, faible poids et petites dimensions, résistance aux environnements sévères...), la mesure par réseaux de Bragg présente l’avantage déterminant (par rapport à d’autres méthodes optiques) d’être absolue tout en rendant possible, à tout moment, les déconnexions et reconnexions des capteurs ou du système de mesure, sans nécessiter de recalibrage (contrairement aux mesures interférométriques) puisque la mesure spectrale est une « signature » indépendante des fluctuations d’intensité.
Dès à présent, bien que l’intégration des systèmes de mesure ne soit pas encore très poussée, l’état de l’art de cette technique permet le multiplexage de nombreux capteurs, permettant de réaliser des acquisitions déportées de qualité, les mesures pouvant s’effectuer par comparaison à un état de référence préenregistré.
De plus, des composants innovants fondés sur la photosensibilité dans les guides optiques sont actuellement en développement. Ils permettront, dans un proche avenir, d’améliorer et d’intégrer plus fortement les systèmes. Ainsi par exemple, un démultiplexage parallèle de plusieurs transducteurs de Bragg est possible à l’aide d’autres réseaux appairés qui, fixés sur des céramiques piézo-électriques, sont continuellement asservis aux premiers.
Finalement, au-delà de la simple utilisation des réseaux de Bragg comme transducteurs de mesure, toute une voie de R & D qui consiste à utiliser la photosensibilité pour réaliser des composants fibrés innovants est actuellement en train de prendre son essor. A ce jour, les instrumentations à réseaux de Bragg trouvent leur principal champ d’application dans les différents domaines industriels de la « surveillance des structures », des plus « basiques » (mines, terrains, béton...) aux plus techniques (composites...),...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - FERDINAND (P.) - Capteurs à fibres optiques et réseaux associés. - 251 pages, ISBN 2-85206-781-1, 1992, Techniques et Documentation Lavoisier, Paris.
-
(2) - FERDINAND (P.) - Réseaux et Capteurs à fibres optiques : la situation après 15 ans de Recherche et Développement. - Journées CEA d’électronique 93, chap. 1, pp. 19-50, 2, 3 et 4 février 1993, Saclay. CEA/DEIN.
-
(3) - FERDINAND (P.) - Les capteurs de températures à fibres optiques. - Techniques de l’Ingénieur, R 2 800, 1-1989.
-
(4) - FERDINAND (P.), DENAYROLLES (Y.) et Col - Potentialités des capteurs distribués et des réseaux de capteurs à fibres optiques à électricité de France. - Congrès Mesucora 88, Paris, session n 13, jeudi 17 nov. 1988, pp. 45-78.
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(5) - FERDINAND (P.), DENAYROLLES (Y.) - Les réseaux de capteurs à fibres optiques : principes et applications. - Congrès Mesucora 91, session n 2, Paris, lundi 18 nov....
ANNEXES
1 Principaux concepteurs et fabricants de réseaux de Bragg et dispositifs
HAUT DE PAGE
2 Principaux projets européens cités
Projet Européen Brite EuRam : STABILOS (Accurate STABILity Control in Mining with Fiber Optic Sensing Technology. Référence : BE 5553. Contact : Identity I.E.E.G., Mol - Belgique.
Projet Européen Brite EuRam : COSMUS (Real-Time Modelling and Compensation Of Soil Movements on Underground Sites. Référence : BRPR960235 ; Contact : Solétanche - Bachy, Rueil-Malmaison - France.
Projet Européen Brite EuRam : MONITOR (Monitoring On-line Technologies for Operational Reliability). Référence : BRPR960181. Contact : British Aerospace, Farnborough - Grande-Bretagne.
Projet Européen JOULE III : SMART BLADES. Contact : Laboratoire Aéronautique ETSI Aeronauticos de Madrid - Espagne.
Pour en savoir plus sur les projets européens, se connecter au site Internet : http://www.cordis.lu
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