Partie I : Surveillance et aide au diagnostic d’un ouvrage
I. 3.3.3.4. Problématiques et applications
(I-11)
avec h = 6,63.10-34m2.kg.s-1 la constante de Planck, k = 1,38.10-23m2.kg.s-2.K-1 la constante de
Boltzmann, T la température absolue et v0la fréquence de l’onde incidente.
Figure 15 : Evolution de la puissance du spectre Raman en fonction de la température (Lanticq, 2009). Un problème inhérent à la diffusion Raman est la faible amplitude du signal rétrodiffusé. L’utilisation d’un laser puissant à l’entrée, couplée avec les fibres multimodes, est privilégiée malgré les forts effets d’atténuation qui limitent la longueur d’auscultation.
Contrairement aux deux techniques précédentes, celle-ci présente l’avantage d’obtenir une mesure de température indépendante d’autres grandeurs physiques. Elle est de nos jours mature et présente un pas de mesure d’au moins 1 mètre avec une longueur d’auscultation de 30 km. Certains appareils sur le marché présentent des répétabilités de 0.1 °C pour une longueur d’auscultation de moins de 4 km avec un temps d’acquisition de plusieurs minutes (Khan, 2011).
I.3.3.3.4. Problématiques et applications
Les capteurs à fibre optique répartis présentent le net avantage d’avoir une mesure à tout endroit de la fibre sur une portée de quelques mètres à plusieurs dizaines de kilomètres tout en ayant une résolution métrique, voire centimétrique. Pour la surveillance d’ouvrages de génie civil de grandes dimensions, cette particularité représente un net avantage. Ils sont facilement intégrables dans une structure, insensibles à toute inférence électromagnétique et nécessitent peu de maintenance. Depuis quelques dizaines d’années, leurs applications sont grandissantes :
Mesures de déformations dans des ouvrages en bétons : ponts (Zhang, 2006), barrages (Zhu,
2011), enceintes (Sang, 2010) ; ou structures géotechniques : pipeline (Nikles, 2009 ; Inaudi, 2010 ; Lopez-Higuera, 2011), tunnel (Klar, 2010), digue (Nöther, 2010) etc.
Mesures de température dans la surveillance d’incendie (Sensornet, 09), détection de fuites
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Les différents câbles
Pour les applications citées, l’utilisation dans le milieu d’emploi des fibres nues est problématique à cause de leurs fragilités. Un revêtement protecteur est indispensable afin de préserver l’intégrité de la fibre. Il doit permettre :
Un transfert optimal à la fibre optique des variations de température et de déformation du
milieu,
Une durabilité dans le temps face aux contraintes mécaniques ou chimiques de
l’environnement.
Pour des applications de génie civil, différents câbles à fibre optique sont industrialisés par différents fournisseurs répertoriés dans le Tableau 3 (non exhaustif) :
Tableau 3: Câbles à fibre optique commercialisés pour des applications de capteurs de déformations et de températures.
Fabricants GMG Brugg Tencate Sensornet
Photo
Dans un même câble, plusieurs fibres optiques mono ou multi modes sont présentes, permettant de mesurer plusieurs grandeurs physiques simultanément. Selon les applications, certains câbles sont renforcés par des brins métalliques (pour résister aux fortes contraintes dans le béton) ou insérés dans des géotextiles (pour les ouvrages en géomatériaux - Artières, 2012). Le revêtement du câble peut avoir une influence sur le résultat de la mesure. Une méthodologie de caractérisation de la fonction de transfert mécanique du câble dans son environnement a été développée (Hénault, 2013) et permet de mieux comprendre l’influence de la composition du câble à fibre optique sur les mesures réparties de déformation. Nous étudierons dans la Partie III leurs influences sur la quantification du déplacement dans un ouvrage en géomatériaux.
Contrainte sur les performances du capteur à fibre optique
Pour optimiser la surveillance de ses ouvrages de génie civil, EDF a fait le choix des capteurs répartis à fibre optique en complément des capteurs traditionnels. Pour la surveillance des ouvrages hydrauliques en terre, les travaux d’A.A. Khan (Khan, 2011) ont prouvé la possibilité de l’utilisation des capteurs répartis en température. Néanmoins, les mesures nécessitent une interprétation pertinente pour la détection de fuites et d’anomalies thermiques dans l’ouvrage.
Pour les mesures de déformation au sein d’ouvrages en béton, les travaux de J-M. Hénault (Hénault, 2013) ont permis de caractériser la signature d’une fissure mesurée par un capteur à fibre optique de technologie Rayleigh dans des conditions contrôlées. Sur ouvrage réel, cet interrogateur n’est pas adapté car son utilisation est limitée à une portée de mesure de 70 m pour un pas de mesure centimétrique. Pour mesurer des déformations de l’ordre du centimètre sur un ouvrage de l’ordre du kilomètre, il sera préférable de privilégier un interrogateur de type Brillouin puisque sa longueur d’auscultation atteint 50 km, mais avec un pas de mesure de 1 m. Le Tableau 4 rappelle les
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performances métrologiques des différents capteurs à fibre optique et fournit la contrainte d’EDF en termes de performances pour la mesure de déformation.
Tableau 4 : Récapitulatif des performances métrologiques importantes pour les différentes technologies de capteurs à fibre optique répartis et du cahier des charges d’EDF en termes de performances métrologiques.
Performances Raman Rayleigh Brillouin Souhaitée
Base de mesure 1 m 1 cm 1 m ~ 5 cm Pas de mesure 1 m 1 cm 40 cm ~ 5 cm Longueur d’auscultation 20 km 70 m 50 km > 5 km Résolution Température / déformation +/- 0.1 °C +/- 0.1 °C +/- 10 µm/m +/- 0.5 °C +/-20 µm/m +/- 10 µm/m Temps de
mesure ~ 5 min < 1 min ~ 10 min ~ 5 min
Les applications de ce type de capteur sont nombreuses et florissantes dans le domaine de la surveillance d’ouvrages de grands linéaires :
La surveillance de pipelines
Un système de mesures de déformation répartie permet l’auscultation d’un pipeline de plusieurs
dizaines de kilomètres. Nikles et al. (Nikles, 2011) présentent l’exploitation de ce capteur dans des
pipelines enterrés à une faible profondeur pour la surveillance de mouvements de terrain et pour la détection de fuites. Son efficacité en termes de détection et localisation d’événements a ensuite été prouvée (Ravet, 2011). Pour la quantification du déplacement, les premières avancées permettent de retrouver le déplacement vectoriel autour d’un pipeline (Bernini, 2008).
La surveillance de tunnels
La création de tunnels dans des zones fortement urbanisées induit des déplacements du sous-sol important (Janin, 2012) et peut être problématique pour les bâtiments. La nécessité de prévoir et de surveiller l’évolution du déplacement est donc primordiale.
Les travaux de Klar nous montrent l’efficacité de tels capteurs sur le suivi de déplacements de terrain lors de la création de tunnels (Klar, 2010). Ils permettent notamment de confronter les mesures de déformation aux modèles de déplacement du sol et donc d’estimer le déplacement vertical du sol (Klar, 2014) avec une précision de l’ordre du millimètre.
La surveillance des glissements de terrain
En parallèle des techniques d’imagerie à grand rendement présentées précédemment, les capteurs à fibre optique de technologie Brillouin sont assez présents dans la surveillance de glissements de terrain. Comme la sensibilité de la chaine de mesure est importante, la détection des évènements est immédiate (Higuchi, 2007, Iten, 2009, Yin, 2010). En général, les fibres optiques sont posées après une première localisation de la zone de danger. Grâce à un choix judicieux de câbles à fibre optique à ancrages testés lors d’essais en environnement contrôlé, le déplacement du sol peut être estimé grâce à un modèle mécanique simple (Hauswirth, 2010 ; Iten, 2011).
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