Chapitre I : Capteurs à réseaux de Bragg
C. Mise en œuvre des capteurs à réseaux de Bragg
1. Mesures par fibres optiques à réseaux de Bragg
a) Mesure de grandeurs physiques par réseaux de Bragg Les réseaux de Bragg sont donc sensibles à de nombreux paramètres, température, déformation, pression. Toute variation de l’une ou l’autre de ces grandeurs se traduit par un décalage en longueur d’onde de la résonance de Bragg suivant les lois données paragraphe II.A.2.
La mesure de la grandeur physique d’intérêt n’est possible que par la mesure du décalage spectral de la résonance de Bragg induite par la variation du dit paramètre, ainsi que la discrimination des différents paramètres soit par un conditionnement ad hoc de la fibre optique, soit par la mesure différentielle de plusieurs réseaux de Bragg dont les propriétés optiques diffèrent.
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La mesure de la longueur d’onde de la résonance de Bragg nécessite deux éléments indispensables que sont une source lumineuse injectée dans la fibre et un capteur de lumière placé en transmission ou en réflexion, par l’utilisation de circulateur optique.
Un étalonnage préalable du décalage spectral de la longueur d’onde de Bragg en fonction de la grandeur physique d’intérêt est généralement nécessaire pour garantir la précision de la mesure.
Si le réseau de Bragg demeure le transducteur, la résolution, la cadence d’acquisition, la précision, l’étendue de la mesure dépendent du système utilisé pour la mesure de la variation de la longueur d’onde de Bragg.
b) Interrogation de ligne de réseaux de Bragg multiplexés L’un des intérêts majeurs des capteurs à réseaux de Bragg est leur forte capacité de multiplexage des points de mesures sur une ou plusieurs fibres. L’acquisition simultanée des points de mesures nécessite donc un encodage de l’information « position ; point de mesure ».
Le multiplexage peut être réalisé de trois grandes façons :
- Spectralement, c’est-à-dire par association d’une plage de longueur d’onde par réseau de Bragg (sous réserve que les plages réservées ne se chevauchent pas). La capacité de multiplexage dépend de la plage spectrale de l’instrumentation d’interrogation des réseaux de Bragg ainsi que de l’amplitude de mesure du capteur.
- Temporellement, c’est-à-dire en déterminant la position du réseau de Bragg sur la fibre optique par le temps de vol aller-retour d’un photon réfléchi par le réseau, technique appelée OTDR (optical time domain reflectometry), dont la résolution spatiale est de l’ordre du mètre. Il est ainsi possible de multiplexer des réseaux ayant la même longueur d’onde de résonance de Bragg, pourvu que la distance entre chaque réseau soit supérieure à la limite de résolution de l’instrumentation. La capacité de multiplexage est supérieure au multiplexage spectral mais reste limitée par la contrainte sur la topologie de la ligne de capteur.
- Fréquentiellement, basé sur le système OFDR (optical frequency domain reflectometry). Une source lumineuse accordable est modulée en fréquence. L’intensité du signal rétrodiffusé est ensuite analysée par transformée de Fourier, ce
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qui permet d’atteindre une résolution spatiale nettement supérieure à l’OTDR, (de l’ordre du millimètre). Cette méthode permet de multiplexer un grand nombre de capteurs, plusieurs milliers par fibre optique, sans contraintes topologiques sur la distribution des réseaux. Néanmoins, le temps de réponse est limité par le traitement du calcul de la transformée de Fourier, et la capacité de déport est limitée au mieux à quelques kilomètres.
Ces techniques permettent de déployer plusieurs dizaines à plusieurs milliers (dans certains cas) de réseaux de Bragg donc de points de mesures sur une même fibre optique. Il est également possible de combiner plusieurs techniques, comme le multiplexage spectral et temporel.
2. Systèmes de mesures
Le système de mesure reste un point clé du développement des capteurs à réseaux de Bragg. Les capteurs optiques restant minoritaires face à leurs homologues électroniques, les systèmes d’acquisition sont spécifiques aux applications Bragg, ils sont bien souvent méconnus et constituent l’investissement le plus coûteux de la chaine de mesure.
Il existe un grand nombre de systèmes de mesures pour les capteurs à réseaux de Bragg. Ces systèmes sont autant d’outils parmi lesquels il est possible de choisir pour s’ajuster au mieux face aux contraintes de la mesure à réaliser. Suivant les besoins, il est important de privilégier la cadence d’acquisition de la mesure, ou bien la résolution, la capacité de multiplexage ou encore la stabilité du système, sans oublier la compacité, la robustesse et bien sûr le coût.
Nous allons décrire quelques systèmes possibles, liste bien loin d’être exhaustive, l’objet de cette partie demeurant illustratif.
a) Système de laboratoire classique
Le système d’acquisition des décalages spectraux des longueurs d’ondes de Bragg se constituant de la manière la plus basique d’une source et d’un détecteur, la façon la plus simple de réaliser une mesure est d’utiliser une source large bande et un spectromètre.
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La mesure des longueurs d’ondes de Bragg des réseaux peut être réalisée en transmission en connectant la source large bande et le spectromètre à chaque extrémité de la fibre, ou bien en réflexion en utilisant un circulateur optique.
Si la résolution et la cadence d’acquisition dépendent principalement du spectromètre utilisé, le spectre de la source, dont l’intensité varie souvent avec la longueur d’onde ainsi que d’autres paramètres extérieurs tels que la température, impacte également la mesure. La réflectivité d’un réseau ne pourra être correctement mesurée qu’en transmission par le rapport entre le niveau du spectre de la source et celui de la résonance de Bragg.
b) Système de mesure rapide
Certaines applications nécessitent des mesures très rapides pour la détection d’évènements brefs comme des variations de pression et de contraintes lors de déformations, vibrations ou impacts. Des systèmes basés sur des lasers FDML (Fourier Domain Laser Modelocking) couplés à des cartes d’acquisition FPGA (Field Programmable Gate Array) atteignent des taux de plusieurs centaines de kHz sur des plages spectrales de plusieurs dizaines de nanomètres.
Le laser FDML décrit par R. Huber et al. [32] est fondé sur une configuration en anneau, composé d’un SOA (Semiconductor Optical Amplifier) qui fait office de milieu à gain encadré par deux isolateurs intégrés, d’un filtre Fabry-Perot (FFP) accordable et d’un coupleur optique présentant un rapport de couplage déséquilibré (typiquement 40-60). De plus, il comporte une bobine de plusieurs kilomètres de fibre optique monomode augmentant la longueur de la boucle afin que la cadence de balayage du FFP soit synchronisée sur l'inverse du temps de parcours de la lumière dans la boucle.
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Figure 25 : Diagramme fonctionnel d’un système d’acquisition haute cadence pour capteur de Bragg. D’après [33]
M. Ben Abdallah et al. [33] ont développé un système d’interrogation basé sur un laser FDML couplé à une carte d’acquisition FPGA atteignant une fréquence de balayage de 100 kHz sur une plage de 36 nm. Ils ont ainsi pu faire l’acquisition en temps réel d’un accéléromètre à réseaux de Bragg placé sur un pot vibrant à 800 Hz pour une accélération maximale de 50 m/s².
c) Système de mesure à très grande capacité de multiplexage
Lors d’applications nécessitant un nombre de points de mesure très important, l’utilisation d’un système basé sur le multiplexage fréquentiel par OFDR permet d’atteindre plusieurs milliers de points.
B. A. Childers et al. [34] ont présenté dès 2001 une application de cette méthode pour l’instrumentation d’un prototype d’aile d’avion en matériaux composites par 3000 capteurs de déformation inscrits sur quatre sections de fibre de 8 m de long à raison d’un réseau de Bragg par centimètre. 466 jauges de contraintes également installées sur l’aile ont validé les mesures obtenues par les réseaux de Bragg. Ce procédé permettant la mesure de la déformation sur 3000 points, à raison d’une acquisition toutes les 15s, montre tout le potentiel des capteurs à réseaux de Bragg pour la surveillance de structures.
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Figure 26 : Photographie du câblage des 466 gauges de contraintes (à gauche) et système de mesure optique des 3000 réseaux de Bragg (à droite) lors de la mesure de la déformation sur
un prototype d’aile d’avion, d’après [34].