Brevet FR2569006A1 — publié le 19860214

4.s 2569006 La présente invention concerne ia détection optique et la mesure de la répartition des contraintes dans des structures mécaniques telles que, par exemple, des cel- lules d'avions fabriquées h partir de matériaux composites et pouvant être soumises à des températures élevées et h un environnement d'interférences électromagnétiques particu- lièrement dur. Des jauges de contraintes à fibres optiques, compor- tant des jauges de contraintes à fibres optiques à âmes couplées, ont été fabriquées et testées dans ie passé. Avec de telle jauges de contraintes on a constaté des variations de "diaphonie" induites par les contraintes, par suite de pertubations longitudinales, conformément au mode de coupla- ge et aux théories de représentation intégrale. Cependant ces jauges de contraintes ont été emplo- yées uniquement pour mesurer une contrainte totale sur ia totalité de la longueur du dispositif de mesure. Or ceci ne permet pas de fournir des indications sur des contraintes réparties spatialement. Pour mesurer des contraintes dans une large gamme d'emplacements, il est nécessaire d'utiliser un grand nombre ou un réseau de courtes jauges de contraintes. En outre les courtes jauges de contraintes, telles que celles employées dans des réseaux, sont elles-mêmes sujettes à des problèmes difficiles à résoudre, par exemple en ce qui concerne la fixation des fibres de couplage d'en- trée et de sortie. Pour avoir davantage d'informations sur la technique antérieure relative aux jauges de contraintes à fibres opti- ques à âmes multiples, on peut se reporter au Brevet US 4 295 738. Ce brevet dont il est question présentement, est incorporé dans la présente demande à titre de référence. Parmi les diverses informations contenues dans ce brevet, celui-ci donne une discussion utile du phénomène de "diaphonie" suivant lequel des âmes de fibres adjacentes, dans un revêtement commun, aiternent pour la transmission de la lumière lancée initialement dans les deux âmes. 2 2569006 Le concept de la longueur de battement, représentée par exemple par le symbole lambdab, est également utiie en tant qu'information de base. Ce terme est défini comme étant la longueur de fibre optique exigée pour que la dia- phonie.ait lieu totalement d'une âme à une âme voisine et vice versa. Ainsi qu'il est bien connu, la longueur de bat- tement est une fonction de la température, de la iongueur d'onde de la contrainte et de la pression. Suivant l'invention on lance de la lumière à Ion- gueurs d'onde multiples vers et dans une extrémité d'un guide d'onde optique à âmes multiples noyé dans ou couplé autrement à une structure mécanique dans laquelle les con- traintes doivent être surveillées. A la sortie dJ guide d'onde la lumière provenant des diverses âmes est détectée et analysée en contraste en fonction de la longueur d'onde, de manière- à indiquer ainsi l'emplacement et l'intensité d'une contrainte dans le système mécanique le long du trajet du guide d'onde. On décrira ci-après,à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de la présente invention,en référence au dessin annexé sur lequel: La figure 1 est un schéma illustrant un dispositif de détection de contraintes suivant une forme d'exécution de l'invention. Les figures 2A et 28 sont respectivement un schéma d'un système mécanique (par exemple une poutre en porte-à- faux) qui peut être soumise à une mesure de contraintes, suivant le principe de l'invention, et un schéma des moments illustrant la variation de la contrainte en fonction de la distance le long de la poutre à partir de son point d'ancra- ge dans la structure de paroi la supportant. La figure 3 est un diagramme du spectre de diaphonie correspondant à la de poutre surveillée optiquement au moyen du dispositif de détection suivant l'invention, ce diagram- me faisant ressortir en particulier la fonction de contraste Q dans une gamme de longueurs d'onde de la lumière injectée ou envoyée. La figure 1 représente un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention dans lequel une structure mécanique 13 ou une portion de celle-ci est soumise à une analyse de contraintes, la mesure et la détection s'effectuant le iong du trajet d'un guide d'onde optique 15 ou jauge de contrain- te à fibres optiques ayant deux âmes 17' et 17'' dans cette forme d'exécution. Les âmes sont entourées d'un matériau d'enrobage qui est typiquement du verre ou de la matière plastique. Pour avoir davantage de détails relatifs à la construction de ces éléments on peut se référer au brevet US 4 295 738. Le guide d'onde optique 15 peut fonctionner suivant l'un ou l'autre de deux modes préférés au moins de mise en oeuvre de l'invention à longueurs d'onde multiples qui com- portent à leurs tours deux façons préférées de lancer la lumière vers et dans la jauge de mesure. Suivant i'une de ces façons préférées, la lumière est injectée ou lancée dans le guide d'onde à partir d'une source de lumière 19 qui effectue, par exemple, un balayage à travers une gamme sé- lectionnée de longueurs d'onde, en injectant ainsi dans le guide d'onde 15, à un instant particulier, de la lumière ayant une longueur d'onde particulière, et en injectant une lumière ayant une autre longueur d'onde lors d'une période de temps ou d'un intervalle suivant. Dans cette configura- tion le système de détection analyse d'une manière séquen- tielle la diaphonie apparaissant lorsque chaque longueur d'onde est transmise. Dans l'autre variante d'exécution la source de lumière peut produire continuellement, c'est-à- dire tout le temps, de la lumière comprenant la totalité d'une gamme sélectionnée de longueurs d'onde. Cependant, dans ce cas, le système de détection qui sera étudié ci- dessous, doit être alors modifié afin d'effectuer une dis- crimination entre les informations reçues pour les diverses longueurs d'onde, comme on le verra. La lumière provenant de la source 19 à longueurs d'onde multiples est transférée ou couplée d'une manière appropriée aux ames 27 et 27" du guide d'onde. Ceci peut être réalisé par une optique standard de laboratoire ou des fibres de couplages spéciales. Le principai objectif est d'exciter d'une manière efficace les âmes avec jne ferme appropriée d'ililumination, c'est-à-dire avec une iJiiire à un seul mode pour l'une des deux âmes 27' et 27" ou pour ces deux âmes. Une façon de réaliser le couplage désiré de ia lumière consiste à prévoir une section convergente 25 dj guide d'onde comportant les âmes 27' et 27", le diamètre de cette section 25 diminuant progressivement jusqu'à ce que soient atteintes des dimensions conformes aux diamètres des âmes 17' et 17". La section convergente est disposée ou positionnée d'une manière appropriée, par des techniques mécaniques bien connues, de manière à recevoir la lumière émise par la source de lumière 19 ou une portion de celle- ci, et à coupler, lancer ou injecter la lumière, une fois réduite suivant le mode, dans le guide d'onde 15. La structure mécanique 13 peut être n'importe quel dispositif ou agencement mécanique, tel que, par exemple, les ailes d'un avion ou les pales d'un hélicoptère. La sor- tie du guide d'onde 15 dans la structure mécanique 13 émerge sous la forme de deux faisceaux de lumière parallèle 37' et 37". Suivant un mode d'exécution de l'invention, ces faisceaux de lumière sont déviés en direction d'une fente étroite 51 définie dans un masque 55, au moyen d'un dispo- sitif réflecteur 59 tel que, par exemple, un miroir rota- tif. Une lentille 38 transforme les faisceaux afin de pro- duire une image de la sortie du dispositif de détection dans le plan du masque 55. De cette façon en premier lieu i'un des faisceaux 37 puis l'autre faisceau 37 peuvent être gui- dés à travers la fente 51 en direction d'un détecteur photoélectrique 61 capable d'émettre un signai électrique sur une ligne 66 en direction d'un convertisseur analogi- que/numérique 69 qui fournit à son tour des données d'en- trée à un ordinateur 71, à des fins d'analyses. Dans le cas o la source de lumière 19 produit une lumière s'étendant sur la totalité de la gamme sélectionnée de longueurs d'onde, au lieu d'effectuer un balayage, une pluralité de détecteurs photoélectriques 61 et 61' peuvent être disposés radialement vers l'extérieur h partir d'un analyseur de iongueur d'onde 88 apte à dévier les faisceaux de lumière 37' et 37" vers les détecteurs correspondants 61 qui sont situés dans ie plan image de l'âme. Chaque détec- teur photoélectrique 61' est précédé par un masque 55' définissant une fente étroite 51'. En outre chaque détecteur photoélectrique 61' attaque, par exemple, un convertisseur analogique/numérique 69' lequel fournit à son tour ses informations à l'ordinateur 71. Suivant l'une ou l'autre des deux versions de l'invention (à longueurs d'onde balayées individuellement ou à injection dans la totalité de ia gamme de longueur d'onde sélectionnée) dont il a été question précédemment, l'ordinateur reçoit une information relative -aux niveaux des deux faisceaux de lumière 37' et 37", dans une game de longueurs d'onde de la lumière injectée. L'a- nalyseur des longueurs d'onde balayées et le système de détection peuvent être remplacés par un analyseur sans ba- layage accompagné par un réseau intégré de détecteur. Dans ce cas chaque élément détecteur du réseau mesure la puissan- ce dans l'âme pour une longueur d'onde déterminée. Les dé- tecteurs adjacents dans le réseau mesurent ensuite ies puissances relatives pour les longueurs d'onde suivantes. Chaque détecteur voisin contribue à la mesure de la puissan- ce en fonction de la iongueur d'onde. Pour chaque longueur d'onde une image de chaque âme est formée sur un élément du réseau d'éléments détecteurs. En ce qui concerne les deux méthodes préférées d'in- jection de la lumière dans le guide d'onde optique 15, l'une des âmes ou les deux âmes à la fois sont illuminées avec ia lumière. Dans le premier les modes symétrique et asymétrique d'ordre le plus bas sont amorcés initialement, ce qui amène une diaphonie à apparaître sur la totalité de la longueur du guide d'onde 15. Des changements du niveau de diaphonie en régime permanent sont produits par suite de perturbations dans la structure mécanique 13. Cependant, si les deux âmes sont illuminées avec de la lumière de même phase optique, aucune diaphonie n'appa- rait jusqu'à ce que la structure mécanique 13 perturbe le guide d'onde optique 15. Lorsque de telles pertubations se produisent, les variations de diaphonie qui en résultent, sont soumises à analyse. La gamme des longueurs d'onde de la lumière injectée correspond à une gamme de longueurs de battement, iambdab, qui ont une relation unique et invariable avec la longueur d'onde elle-même. Par conséquent une gamme de signaux indi- quant plusieurs (dans ce cas deux) intensités de faisceaux lumineux ( à partir de 37' et 37") pour une gamme de Ion- gueurs de battement est reçue par l'ordinateur 71 pendant le fonctionnement. A titre d'exemple et ainsi qu'il est représenté sur la figure 2A, si une contrainte est provoquée par une charge 102 uniformément répartie sur une poutre à porte-à-faux 103 ancrée dans une paroi 105, laquelle comporte deux points de pivotement 107 et 108 agissant sur la poutre 103, deux si- gnaux lumineux d'amplitudes complexes, représentées par les variables al et a2 correspondant aux faisceaux de lumière 37' et 37", sont fournis à l'ordinateur 71 pour une gamme de longueur d'onde. Par conséquent l'information fournie à l'ordinateur 71 est régie par la relation bien connue indi- quée ci-dessous: E'(L)-i(B +K) L W 1/XE i) li e Va (L)) 1+1 K E - (ulLa 1 e i2(L- i=1 dans laquelle L est la longueur de la jauge à fibre optique; al (L) est l'amplitude complexe de la lumière dépen- dant de l'intensité du champ et à l'extrémité de la pre- mière âme; a2 (L) est l'amplitude complexe de la lumière dépen- dant de l'intensité du champ à l'extrémité de la seconde âme; Bo est égal à deux fois pi divisé par la iongueur d'onde de la lumière injectée ou lancée dans les âmes; K est égai à deux fois pi divisé par la longueur d'onde de battement; ui est un emplacement sélectionné dans l'intervalle "i" ob la contrainte est en train d'être évaluée; E (ui) est la contrainte en un point dans ie ième intervalle; E' (ui) est le taux de variations de E (ui) en fonction de la distance par rapport à l'emplacement ui; et i est la distance à partir du début des fibres du guide d'onde jusqu'au i éme intervalle. Chaque élément d'un incrément de distance delta li le long du guide d'onde contribue par conséquent à la quan- tité totale résultante de diaphonie entre les deux âmes 17 et 17'. En choissisant les distances delta li infiniment petites, la relation peut être écrite sous la forme d'une fonction du contraste Q par rapport à la contrainte E. La fonction contraste Q est basée sur l'amplitude de la lumiè- re dans les faisceaux 37 et 37' dans une gamme de longueurs d'onde: Q(K) = E(1)/K cos[2K(L-1)]I|L+ 2oE (1)sin[2K(L-1] dl, I étant la distance le long de la fibre optique. La figure 3 montre la -fonction de contraste Q (K) pour une poutre en porte-à-faux chargée uniformément. Cette relation peut être à son tour inversée par rapport à la répartition des contraintes désirée, en effectuant une transformation de Fourier, afin de produire une indication de la valeur de la contrainte E en fonction de la longueur le long de la fibre optique, comme-il est représenté sur la figure 2B, dans le cas d'une poutre chargée uniformément. REVENDICATIONS 1.- Un appareil de mesure de contraintes compre- nant un guide d'onde optique comportant des première et seconde âmes de guidage de la lumière, pour transmettre au moins un mode de lumière unique, ces âmes étant montées fixes par rapport à une structure mécanique, une source de lumière à longueurs d'onde multiples pour illuminer ies âmes, un système de détection pour répondre à la diaphonie entre les première et seconde âmes de guidage de la lumière, caractérisé en ce que la lumière provenant des âmes respec- tives 17',17" est comparée afin d'établir une reiation de contraste en fonction des longueurs d'onde qui indique les emplacements et les degrés des contraintes réparties dans la structure mécanique (13) le long du guide d'onde (15). 2.- Appareil suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la source de lumière (19) à longueurs d'onde multiples illumine les âmes 17',17" individuellement avec les différentes longueurs d'onde, pendant une période de temps.