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RÉSUMÉ
Les domaines d'emploi des fibres optiques sont nombreux, et les besoins vont croissants notamment en ce qui concerne la sécurité, la santé et l'environnement. Cet article est consacré aux nombreuses applications actuelles des réseaux de capteurs de fibres optiques (RCFO). La surveillance des structures représente un marché important, où les méthodes optiques offrent des fonctionnalités nouvelles et complémentaires aux approches traditionnelles. Équipées de réseaux de capteurs, ces structures deviennent adaptatives et ainsi intelligentes, les RCFO y présentent beaucoup d’avantages : coût, faible taille, fiabilité et faible intrusivité. La biophotonique, discipline à la frontière entre la physique et les sciences du vivant, fait appel également à la technologie des fibres optiques, par exemple pour la tomographie par cohérence optique ou l’imagerie par voie endoscopique.
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Optical fibers have numerous domains of use and there are increasing needs in terms of security, health and the environment. This article is dedicated to the numerous current applications of networks of optical fiber sensors. The surveillance of structures represent a major market where optical methods offer new complementary functions to traditional approaches. Equipped with networks of sensors, these structures become adaptive and thus smart; the networks of optical fiber sensors present numerous advantages: cost, small size, reliability and low intrusiveness. Biophotonics, a discipline at the crossroad between physics and life sciences, also appeals to the technology of optical fibers, for optical coherence tomography or endoscopic imagery for instance.
Auteur(s)
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Pierre FERDINAND : Docteur d'État es Sciences - Chef de Laboratoire au CEA Institut LIST, Centre d'Études de Saclay
INTRODUCTION
Les principales techniques de mesure et de multiplexage des réseaux de capteurs à fibres optiques RCFO font l'objet d'un premier dossier. Ce deuxième dossier est consacré aux domaines d'application des RCFO.
La surveillance des structures est un domaine relativement nouveau aux multiples facettes, et dans un grand nombre de cas, les (R)CFO, en particulier à réseaux de Bragg, commencent à s'imposer, qu'il s'agisse du génie civil, ou des secteurs d'emploi des matériaux composites. La réduction des risques technologiques (surveillance de l'état de santé des structures manufacturées : bâtiments, tunnels, moyens de transport...) et naturels (terrains) est une dimension non négligeable qui sous-tend ces réalisations.
En ce qui concerne les structures vraiment « intelligentes », les trois composantes technologiques (capteur, contrôle, actionneur) doivent encore parvenir à un niveau de maturité suffisant pour permettre une large diffusion des structures autoadaptatives. Cela étant, les structures ont et seront rendues « sensitives » (équipées de capteurs) avant d'être autoadaptatives. Les capteurs sont en effet les éléments les plus évolués et les aspects distribué et non intrusif des réseaux de CFO sont particulièrement attrayants pour ce nouveau champ d'application. Le degré de compatibilité élevé avec les structures hôtes et un coût modéré doivent permettre une grande densité de capteurs. Les RCFO, principalement à réseaux de Bragg, apparaissent comme une alternative pertinente pour les structures autoadaptatives de toutes tailles, et en particulier celles de grandes dimensions pour lesquelles le manque de systèmes de mesure à haute densité de capteurs est patent.
Dans un tout autre champ d'applications, la « nouvelle » discipline que l'on nomme désormais la biophotonique et qui se situe à la convergence de la physique et des sciences du vivant fait de plus en plus appel aux fibres optiques. Les briques technologiques de base nécessaires à la réalisation de démonstrateurs de capteurs et d'instruments de mesure, utilisant les nouvelles technologies, et destinés à ces différentes applications sont présentes dans les laboratoires de recherche, du fait des efforts consentis depuis deux décennies pour répondre aux besoins d'autres secteurs. De la conjonction de cette disponibilité et de l'émergence des besoins du « vivant », leur intégration, puis certaines applications commencent à voir le jour d'une manière plus structurée et industrielle qu'auparavant, et un certain nombre de travaux conduisent d'ores et déjà à des résultats très encourageants. Ainsi par exemple, la tomographie par cohérence optique (OCT) offre des performances uniques en terme de résolution spatiale. L'ophtalmologie par exemple en bénéficie déjà. Des appareils à fibre optique, particulièrement adaptés à l'imagerie par voie endoscopique, sont maintenant commercialisés.
Dans tous ces domaines d'emploi des fibres optiques, les besoins sont réels et la demande sociétale va croissante notamment en ce qui concerne la sécurité, la santé et l'environnement. L'aventure ne fait donc que commencer.
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VERSIONS
- Version courante de déc. 2020 par Pierre FERDINAND
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Contexte de structures intelligentes3. Capteurs répartis et intégrants
Un capteur « réparti » de type DTS Raman (cf. § 3.1) ou Brillouin (cf. § 3.2) sous-entend que la mesure n'est plus ponctuelle, mais répartie (quasicontinue) : l'appareil permet de déterminer le profil de température et/ou de déformations tout le long de la fibre optique, avec une résolution spatiale de l'ordre du mètre, et ce sur une portée multikilométrique.
De fait, ce procédé de mesure permet d'obtenir un très grand nombre de points de mesure équivalents (quelques 103 à plus de 104) à un coût optimisé avec une très grande simplicité de câblage (1 seul câble). Il s'agit donc d'une « rupture conceptuelle », car des ouvrages de grandes dimensions peuvent ainsi être surveillés dans leur intégralité sachant que l'on ne sait pas a priori où un défaut peut apparaître (contrairement à l'approche ponctuelle pour laquelle on place les capteurs là où le défaut est identifié). Bien entendu, au plan économique, cela n'aurait pas de sens de placer quelques dizaines de milliers de capteurs ponctuels, eu égard aux coûts d'achat, de déploiement et de maintenance de l'instrumentation.
3.1 Applications de la réflectométrie Raman
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Citons comme applications de la technologie DTS Raman la surveillance distribuée des conduites gazières ou pétrolières, des puits de production et d'injection, des réservoirs divers. Ainsi, la société parapétrolière Schlumberger, qui a acquis la PME britannique Sensa ces dernières années, déploie cette technologie pour la surveillance des diverses conduites pétrolières de production, en particulier de type offshore [105]. Son concurrent américain Halliburton en fait de même. Dans ce type d'application, la fibre est mise en place à l'aide d'un simple « soufflage » dans une petite tuyauterie colinéaire à la conduite principale et en contact thermique avec celui-ci. D'ores et déjà, un certain nombre de conduites pétrolières ont été équipées de cette technologie.
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Capteurs répartis et intégrants
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Pour s'informer à propos de la conférence OFS, le lecteur pourra consulter le site Internet de la Société américaine SPIE, organisatrice de congrès : http://www.spie.org.
On peut y trouver référencés un grand nombre d'articles et de livres, ainsi qu'un CD-ROM très intéressant « Collected Papers of the International Conferences on Optical Fiber Sensors (OFS), 1983-1997 » (Publications collectés des Conférences « Capteurs à Fibres Optiques » durant la période 1983-1997). Il s'agit d'une co-publication de SPIE, OSA et LEOS, dont la référence est : SPIE CD-ROM vol. CDP01. Un fichier au format pdf contenant la table des matières de ce CD-ROM peut être téléchargé sur le site : http://www.spie.org/web/abstracts.pdfs.CDP01.pdf.
Pour commander ce CD, contacter : SPIE – The International Society for Optical Engineering. E.mail : [email protected], ou se connecter sur le site Internet : http://www.bookstore.spie.org/publications/cd_toc.lasso?volume=CDP01.
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