Capteurs à fibre optique

4.3.2.1 Principe de fonctionnement

L’interférométrie optique est une méthode de mesure basée sur le phénomène d’interférences intervenant lors de la superposition de plusieurs ondes lumineuses cohérentes. La superposition des ondes lumineuses qui ont circulé dans le transducteur à fibre optique est réalisée grâce à un interféromètre. L’analyse de la figure d’interférence résultante permet

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d’extraire un résultat représentatif du mesurande. Dans le domaine routier, il existe des capteurs de température, de déformation, de contrainte et de déplacement qui reposent sur cette technologie. Pour l’ensemble de ces capteurs dit à fibre optique, le dispositif de mesure est constitué de deux éléments : le transducteur à fibre optique (aussi appelé jauge à fibre optique) et le conditionneur de signal. Le principe de fonctionnement du dispositif est schématisé à la figure 4.5 . La figure est adaptée de Doré et coll. (2007).

Figure 4.5 : Principe de fonctionnement des capteurs à fibre optique

Le conditionneur de signal a pour rôle d’injecter la lumière dans la fibre du transducteur, de détecter et d’analyser le signal retour et finalement d’en extraire l’information représentative du mesurande. Le transducteur se compose d’un dispositif optique sensible à la grandeur physique à mesurer (la déformation). Il a pour rôle de diviser l’onde incidente en deux ou plusieurs ondes qui viendront après traitement se superposer. Le transducteur est conçu afin que le mesurande modifie ou module l’intensité, la phase, la polarisation ou la longueur d’onde du signal. Dans le cas des capteurs de déformation, le transducteur fonctionne sur le principe d’interféromètre de type Fabry-Pérot. Les deux miroirs diélectriques placés en parallèle forment cet interféromètre dit interféromètre de mesure. Leurs positionnements forment une cavité de longueur (Ls). Lorsque le capteur est sollicité, la longueur de la cavité

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varie proportionnellement à l’élongation de la jauge. Les miroirs, qui forment l’interféromètre, permettent de diviser le rayon lumineux incident issu de la source lumineuse en deux rayons réfléchis. Ces deux rayons présentent une différence de marche (s) proportionnelle à la longueur de la cavité. De retour vers le conditionneur de signal, les deux rayons réfléchis passent à travers un interféromètre. Ce dernier, dit interféromètre de lecture, est formé par une série de composants optiques qui polarisent les signaux et leur imposent une différence de marche supplémentaire (notée r). Ce traitement optique permet aux signaux lumineux de former un interférogramme au niveau des barrettes de photo-détecteurs situées après l’interféromètre de mesure. L’interférogramme est ensuite analysé par un module de traitement du signal. Comme illustré à la figure 4.5, il est constitué de franges d’interférence de forme sinusoïdale. L’enveloppe du signal atteint un maximum lorsque r = s. r étant connu, il est possible par lecture de l’interférogramme d’obtenir la différence de marche s. Cette dernière est fonction de l’élongation de la jauge et donc est fonction de la déformation.

Dans ce type d’interférogramme, les franges d’interférence sont observées pour une zone de différence de marche définie. Ce phénomène est dû au type de lumière injecté par le conditionneur qui est une lumière blanche. Une lumière est dite blanche quand elle possède une large étendue spectrale ou encore une faible longueur de cohérence.

4.3.2.2 Application au domaine des chaussées

Les capteurs utilisés dans le domaine des chaussées doivent être robustes afin de résister aux conditions de charges et aux conditions environnementales. Ils doivent également garantir une bonne précision de mesure sur l’ensemble de sa durée de vie afin de permettre un suivi du comportement des chaussées. Le premier avantage des capteurs à fibre optique et de l’interférométrie polarimétrique en lumière blanche est l’indépendance du signal face aux variations d’intensité lumineuse. Ce dispositif n’est constitué d’aucun système mécanique ni résistif. Il n’y a donc pas d’usure, ni de fatigue des matériaux, ni de dérive dans le temps. Le spectre à large bande permet d’éviter les problèmes de dérive en longueur d’onde ou en puissance. Un autre avantage est que la source de lumière est robuste et ne nécessite aucune maintenance particulière. Contrairement aux capteurs résistifs, les fibres optiques ne sont ni sensibles à la température, ni à la déformation transverse. Ils sont aussi insensibles aux actions du gel, de l’eau, aux interférences électromagnétiques et aux champs électriques.

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L’inconvénient principal de ces capteurs est leur fragilité principalement lors des étapes de manipulation. Une fois amenée à son point de rupture, la fibre optique ne permet plus aucune lecture puisque la lumière n’est plus transmise. Contrairement aux capteurs résistifs qui peuvent être réparés par une série de soudures et de réparations mécaniques, les jauges optiques sont très difficilement réparables. Afin de protéger la portion de fibre, située entre la jauge et le conditionneur, plusieurs couches protectrices viennent entourer la fibre. Cette succession de fils permet de résister aux écrasements pouvant être entrainés par le passage répété des charges. Afin de les protéger, les jauges sont insérées puis collées dans un corps polymère qui forme une partie du capteur. Les conceptions du corps polymère dépendent du type de capteurs et sont détaillées dans les prochains paragraphes.

Les dimensions du capteur sont minimales pour respecter les critères exprimés dans le paragraphe 2.8.1. Les jauges de la marque Opsens et de type OSP-A possèdent un diamètre de 0,23 mm et une longueur de 9 mm. Le tableau 4.1 présente les différentes spécifications des jauges à fibre optique pouvant être utilisées pour une mesure de la déformation. Plus la plage de mesure est étendue, plus la résolution de la jauge est grande et le facteur de jauge moins précis. Le facteur de jauge est un paramètre d’étalonnage intrinsèque fourni par le fabricant. Il permet la conversion entre la lecture optique réalisée par le conditionneur et la déformation imposée au niveau de la jauge. Dans le cadre du projet, des calculs préliminaires ont montré que la plage de mesure de - 2 500 à 2 500 , était la mieux adaptée compte tenu des charges appliquées et des épaisseurs des structures de chaussée du projet.

Tableau 4.1 : Spécifications des jauges à fibre optique de type OSP-A (Opsens) pour la mesure des déformations

Plage de mesure −1 000 à 1000  −2 500 à 2 500  −5 000 à 5 000 

Résolution de la jauge 0,15  0,3  0,5 

Précision du facteur de jauge ± 3 % ± 3 % ±10 %

Température de service −40 °C à 250 °C −40 °C à 250 °C −40 °C à 250 °C

L’acquisition des mesures est effectuée à l’aide de deux types de conditionneurs de signal présentés à la figure 4.6. Le premier est un conditionneur monocanal de type PicoSens, pouvant effectuer des acquisitions à une fréquence de 50 Hz. Le second conditionneur de type

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RadSens possède jusqu’à huit canaux. Les mesures sont prises simultanément et enregistrées dans un fichier à des fréquences allant jusqu’à 1000 Hz. Le RadSens est soit autonome grâce à une interface utilisateur, soit commandé par un ordinateur via le logiciel SoftProSens. Les connexions se faisant par câble Ethernet, il est possible de placer plusieurs appareils en parallèle. Le PicoSens a été utilisé pour la calibration des capteurs et les lectures des températures puisque la fréquence de lecture n’avait pas à être élevée. Le RadSens a été utilisé lors des essais routiers pour enregistrer les mesures des jauges de déformations puisque ce dernier permet des mesures multiples et à hautes vitesses.

Figure 4.6 : Conditionneur de signal : (a) modèle PicoSens, (b) modèle RadSens