Brevet FR2620218A1 — publié le 19890310

La présente invention concerne une méthode de mesure de déformation dans un matériau utilisant la fibre optique comme capteur de mesure et comme transducteur optique. Un des buts du dispositif est de transmettre à distance par des moyens puremnt optiques, une information relative à l'état d'un matériau provenant d'une zone à surveiller ou à étudier. Il existe deux méthodes mécaniques pour mesurer une grandeur associée à une contrainte. La première, connue sous le nom d'extensiomètre électrique par jauge de déformation, consiste en un fil de constantan, collé en zig-zag sur un support très mince. Celui-ci étant ensuite collé à la structure en un endroit judicieusement choisi. Lorsque telui-ci se déforme, les fils de la jauge s'allongent d'une quantité d1, dans l'axe de la jauge et sa résistance varie en fonction de l'allongement d1. Par un branchemnt de la jauge sur un pont de weatstone, on mesure ainsi la variation de résistance. On en déduit alors la valeur de la déformation. Ce procédé présente l'inconvénient majeur d'être incapable de renseigner l'utilisateur sur les variations de déformation à l'intérieur du matériau, d'être sensible aux agents agressifs extérieurs ( électromagnétisme, sels alcalins. .) et d'avoir une durée de vie très limitée. Le deuxième procédé est connu sous le nom de prodédé à cordes vibrantes. Une corde placée sur la structure à étudier est mise en vibration avec une longueur d'onde et une fréquence donnée. Lorsqu'il se produit une déformation de la structure, la longueur d'onde de la vibration entretenue dans la corde varie Il y a donc modification de la fréquence des oscillations qui permet de déduire une mesure d'une variation de déformation. Par ailleurs, il a déjà été envisagé l'utilisation de moyens optiques pour effectuer de telles mesures. Certaines utilisent la fibre optique comme moyen de transport de l'information mais le moyen de détection reste mécanique et donc sensibles aux parasites. D'autres utilisent des fibres optiques placées à l'intérieur du matériau mais analysent des phénomènes autres tels que les pertes de lumière, les différences de couleur, la mesure de la quantité de lumière ainsi que la mesure des interférences produites entre plusieurs fibres ou à l'intérieur d'une mème fibre. Un des buts de la présente invention est de pallier les inconvénients qui viennent d'être décrits tout en transmettant une information provenant du coeur du matériau et en restant insensible aux perturbations de toutes sortes Ce procédé s'applique surtout aux matériaux "durcissables", c'est à dire ceux qui, au cours de leur fabrication ou de leur mise en place passent par une. phase liquide et qui se solidifient ensuite C plastique, à base de liant hydraulique, matériau composite. Ceci afin de placer la fibre à l'intérieur du matériau pour mesurer une grandeur associée à une contrainte dans ledit matériau.Il est toujours possible de placer une fibre en surface pour mesurer es déformations sur le matériau mais on perd l'un des avantages importants de cette méthode que de pouvoir analyser le coeur du matériau. Pendant la phase. liquide du matériau durcissable, on fait passer une fibre optique en la positionnant dans la zone où 1 'on veut faire des mesures. Une fois le matériau mis en place, on envoie un signal lumineux polarisé dans la fibre. On mesure la polarisation du signal lumineux sortant de la fibre optique en comparant l'intensité lumineuse recue sur les moyens de réception par rapport à une intensité lumineuse connue pour une p la r i sat i on de. La modification de la polarisation est obtenue par un effet purement optique appelé birefringence. Pour cela, le dispositif de mesure selon 1' invention comprend - Une source lumineuse. - Des moyens polariseurs de la lumiere émise par ladite source si celle--ci ne l'est pas déjà. - Des moyens modulateurs afin d'obtenir un signal Lumineux "propre". - Des moyens destinés à faire converger les rayons lumineux émis par ladite source sur des moyens de positionnement et de réglage de la fibre optique par rapport aux moyens optiques utilisés. - Une ( ou des) fibre(s) optique(s). - Des moyens optiques destinés å faire converger le signal lumineux issu lie l'extrémité de la fibre sur des moyens récepteur - Des moyens récepteurs du signal lumineux précédés, si nécessaire, de moyens de polarisation et de réglage pour obtenir un maximum de lumière sur ceux-ci. - Des moyens de détection afin d'éliminer les bruits lumineux et d'obtenir un signal pouvant étre analysé. - Des moyens d'analyse pour déterminer la variation de polarisation du signal lumineux de sortie pour une mème polarisation du signal source. Ce procédé permet d mettre en oeuvre plusieurs modes de réalisation. Les modes de réalisation dépendent du type de fibre optique à utiliser et du type de mesure à effectuer, globale ou ponctuelle. Dans un premier mode de réalisation, pour une polarisation et pour une fibre quelconque, la lumière est entrée polarisée et sort de la fibre optique polarisée Il convient de placer deux moyens de détection précédés de deux polariseurs croisés de faCon à obtenir les deux composantes de cette polarisation. Un deuxième mode de réalisation est caractérisé par une fibre qui maintient la polarisation et une polarisation rectiligne Ce mode de réalisation est préférable car la polarisation est plus simple à étudier. De préférence, le signal lumineux est transmis dans la fibre optique le plus "proprement" possible. Pour cela, il convient de mettre en place des moyens modulateurs et d'analyse. En variante ou en complément, il serait préférable d'utiliser les moyens de 1 'opto-électronique afin d'obtenir un montage plus simple et plus précis permettant une application pratique plus aisée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description détaillée ci-dessous, faites en référence aux dessins annexés sur lesquels: les figures la et 1b représentent le principe fondamental de l'invention. la figure 2 représente un mode de réalisation de l'invention dans le cas d'une polarisation quelconque. la figure 3a représente un deuxième mode de réalisation pour le cas, préférable, où la polarisation serait rectiligne et la fibre à maintient de polarisation. la figure 3b repprésente une variante du mode de réalisation précédent ou le système optique utilisé a permis d'apporter une simplification de montage. @ la figure 4 représente un autre mode de réalisation. la figure 5 représente un autre aspect de l'invention pour le cas de mesures ponctuelles. la figure 6 représente les signaux receuilis par les détecteurs lors d'un essai de compression en fonction du temps. @ la figure 7 représente les signaux de la figure 6 une fois analysé, en fonction de l'effort subi par la fibre optique ou le matériau dans lequel elle se trouve placée. Beien que 1 'on décrira les mesures de contrainte- déformation, l'invention est applicable dans de nombreux domaines après adaptation. En effet, le principe de l'invention est d'utiliser la propriété qu'a la fibre optique d'être un matériau biréfringent car elle est composée de silice. Lorsque la fibre optique subit un effet physique C contrainte, déformation, pression, tension) il se produit une modification de la structure cristalline de la fibre. Lorsqu'une onde polarisée va rencontrer ce changement de structure ~ et par effet de biréfringence, il y a modification de la polarisation initiale. Le procédé permet de mettre en évidence une varation de contrainte en fonction de la variation de la polarisation . La connaissance de la polarisation se fait par mesure de l'intensité lumineuse reçue sur des moyens de réception. Cette intensité lumineuse recue est comparée a une i 'itens i té connue correspondant à une polarisation donnée, réglée avec un polariseur fixe ces deux intensités sont obtenues avec une même polarisation du signal source Les figures la et lb représentent schématiquement l'effet produit sur la polarisation de la lumière passant dans la fibre optique lorsque celle-ci subit un effort Sous l'effet d'une force F, la polarisation de 1a lumière sortant de la fibre optique effectue une rotation. Lorsque la fibre optique n'est pas chargée ( figure la),la polarisation est à un angle &alpha;;@ Si on charge la fibre optique, la polarisation "tourne" et prend le valeur ss ( figure 1b). En fonction de la variation angulaire le polarisation, on en déduit une variation ou une mesure d' ' une grandeur assoc lé a une contrai nte-déformation . La figure 2 montre le dispositif de mesure mettant en oeuvre le procédé de l'invention. Une source lumineuse (100) émet un rayon lumineux vers l'extrémité de la fibre optique. Il passe par un moyen de polarisation (101) et par des moyens optiques et de réglage (102) qui font entrer directement ce rayon lumineux dans la fibre (103). Auparavant, il passe par des moyens modulateurs (140) qui vont "épurer" le signal lumineux pour ne laisser passer que le signal provenant de la source lumineuse (100) du montage. La fibre optique est préalablement placée dans le matériau à étudier et fixée aux extrémités par des éléments positionneurs (105). A l'autre extrémité de la fibre optique, le signal lumineux est récupéré par d'autres moyens optiques et de réglage (110) puis dans un diviseur optique (120). Les deux signaux ainsi formé sont dirigés vers deux moyens de polarisation. (121 et 122) qui sont croisés entre eux. Les deux signaux lumineux sont captés par deux moyens de détection (126) qui convertissent les rayons lumineux en signaux électriques. Ces signaux lumineux sont envoyés dans un moyen d'analyse (160) lui-mème relié au moyen modulateur (150) qui synchronise les signaux ( celui de modulation et les deux signaux reCus). Pour obtenir une mesure de déformation, il faut régler un moyen de polarisation (121) de telle faCon que l'on laisse passer un maximum de signal lumineux sur un des moyens de détection et que l'autre (122) soit réglé perpendiculairement à l'élément 121. Le moyen de polarisation (101) ne sert qu'à obtenir une lumière polarisé à l'entrée dans la fibre optique (103). Il ne faut plus modifier les réglages des polariseurs. Lorsque l'on exerce une contrainte sur la fibre ou sur le matériau dans lequel elle se trouve, la polarisation effectue une rotation. A la sortie de la fibre optique (103), l'intensité des signaux lumineux capté par les moyens de détection (126) est modifiée. On peut donc mesurer une modification de poarisation par analyes des modifications d'intensité reCues en la comparant à celle obtenue lorsque l'on a réglé les moyens de polarisation (121). On peut donc mesurer une variation de contrainte-déformation. C: schéma est un schéma de principe, il a été mis en oeuvre avec des fibres monomodes et une polarisation quelconque. A partir de ce montage de base, il est possible de trouver de nombreuses variantes qui peuvent de simplifier le montage ou de mesurer d'autres types de grandeur. La figure 3a reprend le principe de base de la figure 2, mais la fibre z (103) est remplacée par une fibre à maintien de polarisation (203), ce qui simplifie le montage et les mesures et qui a permis d'obtenir les resultats de la figure 6. Dans ce cas, il n'y a qu'à étudier la composante de la polarisation car celle-ci est. rectiligne. On supprime ainsi le cube diviseur (120), un moyen de polarisation t 122) et un moyen de réception (126) d'ou une simplification de montage pour le mème résultat. La figure 3b montre un système encore plus simplifié par le fait de l'utilisation de moyens opto-électroniques et l'utilisation de moyens de connexion. Par cette variante, le système n'est plus sensible aux bruits lumineu > ::, car le signal lumineux émit par la source lumineuse(100) n'est jamais en contact avec le milieu extérieur entre celle--ci et le moyen de réglage (105) ainsi qu'entre les éléments 105 et 126. Les éléments 100, 101 et 10.2 peuvent étre remplacés par les moyens de l'opto-électronique (200) connectés à la fibre optique par des moyens de connexion (205) remplaCant les moyens de positionnement (105). Il en est de même pour les éléments 110, 121 et 126 remplacés par un élément opto-électronique (210). Le signal lumineux, polarisé, est émis par les moyens opto-électroniques (200), qui sont connectés à la fibre optique(203) placé dans le matériau à étudier, par l'élément de connexion (205) A l'autre extrémité de la fibre optique, des moyens de réception (210) relié à des moyens d'analyse (160) permettant de déterminer la variation de polarisation. Par ce mème procédé, on peut mesurer la contrainte s'exerçant sur la fibre optique ou dans le matériau dans laquelle elle est placee. Ce mode opératoire s'adapte très bien à une application pratique par sa simplicité et les éléments qu'elle met en oeuvre. Une variante à ce mode opératoire, représentée par la figure 4, pourrait étre l'ajout d'un cube diviseur (120) entre le moyen opto-électronique (200) et le moyen de réglage (105). L'un des signaux lumineux va sur un moyen de réception (126) et l'autre passerait dans la fibre optique (203). Une dernière variante est représentée par la figure 5. Dans ce mode de réalisation, il sagit non plus d'analyser la lumière qui passe dans la fibre optique mais celle qui revient sur elle-même après avoir rencontré une modification de la structure cristalline de la fibre optique (203) créée par une contrainte s'exerCant sur la.fibre ou dans le matériau dans laquelle elle est positionnés. Le dispositif se compose d'une source lumineuse (100), d'un moyen le polarisation (101) et es moyens optiques et de réglage (102). On peut aussi mettre un moyen opto-électronique (200). On dispose alors un cube diviseur (120) . Le signal lumineux émis par la source lumineuse ( (100) passe dans ces différents éléments et entre dans la fibre optique (203) placée dans le matériau à étudier. Les contraintes créent dans la fibre une modification de la structure cristalline. De ce fait, une infime partie du signal lumineux émis prend le chemin inverse du sens de propagation initiale.De retour au cube diviseur (120), il est orienté vers un moyen de détection (126) précédé de moyens de polarisation (121). De mème que pour les autres modes opératoires, l'analyse des signaux est identique. De plus, en mesurant le temps mis entre 1 ' émission et la réception du signal lumineux sur les moyens de réception et en connaissant la longueur d'onde et la vitesse de propagation de la lumière Jars la fibre optique, on peut déterminer la distance parcourue par le signal lumineu:.---:. On détermine alors le point précis du changement de structure cristalline, donc celui de la modification de contrainte. La figure 6 représente schématiquement les signaux obtenus avec le dispositif de le figure 3a. Elle montre la variation d'intensité lumineuse I re@ue par l'élément de réception (126) en fonction du temps au cours d'un essai de chargemnt sur une éprouvette dans laquelle était placée la fibre transmettant le signal lumineux. Le moyen de polarisation (121) est réglé pour que l'intensité lumineuse Io re@ue lorsque l'éprouvette n'est pas chargée, soit maximale ( point A). Ce réglage ne doit pas plus étre modifiè. Lors du chargement, on distingue une diminution de l'intensité lumineuse re@ue pour passer par zéro ( point B). Le moyen de détection (121) ne reçoit plus de lumière, la polarisation a donc tourné de 90 par rapport à la polarisation initial le réglé sur le polariseur t (121) car la lumière ne passe plus lorsque les deux polarisations sont croisées ( perpendiculaires entre elles). En continuant l'essai, on voit que l'intensité lumineuse passe par un maximum dans les valeurs négatives ( point C) qui correspond à une rotation de la polarisation de 180 . On peut, de mème, dire que la polarisation a tourné de 270C au point O. La figure 7 traduit la courte représentée sur la figure 6 n traçant l'intensité lumineuse I en fonction de l'effort F appliqué à l'éprouvette pendant ce même essai de compression décrit à la figure 6. On constate une allure sinusoidale de la courbe obtenue ce qui traduit une relation certaine entre le chargement et la rotation de la polarisation du signal lumineux passant dans la fibre passé dans l'éprouvette. REVENDICATIONS 1. Procédé pour la mesure d'une grandeur associée à une contrainte-déformation subie par un matériau durcissable caractérisé par le fait que l'on fait traverser ledit matériau en cours de durcissement par au moins une f fibre optique dans la ( ou les) zone(s) du matériau dans lesquelles on veut mesurer ladite grandeur - on envoie une lumière polarisée par une extrémité de chacune des fibres optiques; - on mesure, pour chaque fibre pique, la polarisation de la lumière sortant par son autre extrémité; et - de la différence des polarisations recues, pour une même polarisation du signal source, on en déduit, à l'aide de moyens d'analyse (160), la grandeur recherchée à un instant donné. 2. Procédé selon la revendication 1 caractéris par le fait que l'on réalise des mesures dans des matériau qui pendant leur mise en place, leur fabrication ou de part leur nature physique ou chimique passe d'un état liquide à un état solide ce qui permet de placer la fibre dans le matériau. 3. Procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que l'on utilise, de préférence à toute autre, une fibre optique à maintien de polarisation. 4. Dispositif de mesure d'une grandeur associée à une contrainte-déformation subie par un matériau durcissable caractérisé par le fait qu'il comprend: - une source lumineuse (100) - des moyens de polarisation (101) de la lumière émise par ladite source - au moins une fibre optique (203) de longueur suffisante pour traverser le matériau dans la zone de mesure - des moyens polariseurs (121) du signal lumineux sortant de la (ou des) fibres. - des moyens récepteurs (126) du signal lumineux pour recevoir le signal lumineux polarisé. - des moyens d'analyse (160) pour déterminer la variation de polarisation du signal lumineux de sortie pour une même polarisation du signal source. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que des moyens modulateurs ( 140 et 150) placés entre les moyens polariseurs (101) et la fibre optique ( 103) permettant d'obtenir un signal lumineux utilisable pour les mesures. 6. Dispositif selon la @evendication 4 caractérisé par le fait que des moyens optiques (102) destiné à faire converger le signal lumineux dans la fibre optique (103). 7. Dispositif selon le revendication b caractérisé par le fait qu'il se compose de moyens de positionnement et de réglage (105) de la fibre optique par rapport aux moyens optiques utilisés. 8. Dispositif selon les revendications 1, 6 et 7 caractérisé par le fait que des moyens opto-électroniques (200,205,210) peuvent étre utilisés pour simplifier le montage. 9. Dispositif selon les revendications 1 et 4 caractérisé par le fait qu'une analyse de la polarisation du signal lumineux de retour par l'ajout d'un cube diviseur (120) entre les éléments 102 et 105 permet de déterminer ladite grandeur de facon ponctuelle.