Brevet FR2929701A1 — publié le 20091009

CAPTEUR D'ALLONGEMENT A FIBRE OPTIQUE DESCRIPTION Le sujet de cette invention est un capteur d'allongement à fibre optique. Ce capteur doit être utilisable pour des matériaux en essai sous forte irradiation nucléaire (avec un ordre de grandeur typique d'une dose cumulée de 1019 à 1021 n/cm2 en neutrons rapides et 0,5 à 50 GGy en rayonnement y) et aux températures jusqu'à 1000°C. De tels essais peuvent être menés dans le coeur d'un réacteur de recherche. Le capteur doit alors être de faible masse thermique et de faible encombrement. Le milieu extérieur à l'échantillon est opaque ou turbulent et n'autorise pas des mesures optiques avec propagation dans le milieu. Un procédé connu consiste à retirer l'échantillon du milieu de l'essai pour effectuer une mesure dans une cellule dite chaude. Cette méthode ne permet pas de suivre en continu l'évolution de la déformation et elle demande des manipulations complexes. Une autre méthode consiste à utiliser un capteur à transformateur différentiel variable linéaire comprenant trois bobinages, un primaire et deux secondaires. En liant un point d'un échantillon au noyau et un autre au corps du capteur, on peut mesurer le déplacement entre ces deux points par la différence de tension entre les deux bobinages secondaires. Ce capteur demande la réalisation d'un ensemble mécanique qui peut être complexe, présente une masse thermique non négligeable ; et les différentes liaisons mécaniques ainsi que le capteur lui-même peuvent laisser apparaître des dérives de dimensions, en particulier dues aux radiations intenses, et donc des dérives de la mesure. Les capteurs de type Fabry-Pérot à fibres optiques sont utilisés depuis de nombreuses années pour mesurer des allongements ou d'autres paramètres physiques. Une cavité de Fabry-Pérot dite extrinsèque est réalisée par deux surfaces en regard, partiellement réfléchissantes, généralement constituées par des extrémités de fibres optiques recouvertes d'une matière diélectrique. Une lumière de spectre étendu est introduite dans la fibre optique, et elle est soumise à des réflexions multiples en arrivant à la cavité. Des interférences se produisent entre les ondes réfléchies sur les deux surfaces réfléchissantes. La lumière résultante présente une modulation spectrale qui dépend de la longueur de la cavité, qui est l'écart entre les deux faces réfléchissantes. L'analyse des motifs d'interférence, par exemple par un interféromètre de Fizeau, permet de connaître la longueur de la cavité. Les fibres sont insérées dans un tube capillaire, généralement en verre, et soudées dans le tube à des lieux d'ancrage dont la distance relative constitue la longueur de jauge. Le capillaire est fixé, généralement en étant collé, à l'élément à mesurer. Les variations de la longueur de jauge se traduisent par des variations identiques de la longueur de la cavité, et la déformation relative de l'échantillon s'exprime par le rapport entre cette variation de longueur de cavité et la longueur de jauge. La longueur de cavité est généralement de quelques microns ou dizaines de microns et la longueur de jauge de quelques millimètres, ce qui donne une bonne sensibilité à la mesure. Ces capteurs sont toutefois mis en échec dans le cas de mesures sous forte irradiation, puisqu'il apparaît des variations de la longueur de la cavité qui ne proviennent pas d'une variation de longueur de l'échantillon mais d'une compaction des fibres optiques, généralement en silice. Cet artéfact apparaît d'ailleurs avec d'autres capteurs à fibres optiques, utilisant d'autres principes de mesures pour mesurer les déformations. Une autre difficulté est la liaison du capteur à l'échantillon. Les colles classiques en matière synthétique ne tiennent pas dans les conditions décrites plus haut. Les colles en céramique peuvent être utilisées mais possèdent une grande rigidité et une faible dilatation thermique par rapport aux matériaux à mesurer, qui peuvent entraîner des ruptures et des contraintes sur les matériaux à mesurer. Une autre possibilité consiste à souder ou braser des fibres optiques métallisées sur une feuille métallique qui est ensuite soudée à l'échantillon, mais la superficie importante de la feuille métallique peut entraîner une résistance à l'alongement importante sur le matériau à mesurer. L'invention repose sur une amélioration des capteurs d'allongement de Fabry-Pérot usuels pour les rendre aptes à faire des mesures dans ces conditions particulièrement difficiles, d'après laquelle la longueur de fibre optique présente dans le tube est remplacée, au moins pour l'essentiel de la distance entre des lieux d'ancrage, par un matériau peu ou pas susceptible de changer de dimensions sous irradiation. Dans une première réalisation, l'invention concerne un capteur d'allongement, comprenant un tube, une fibre optique ayant une extrémité sertie ou soudée dans le tube, et un réflecteur de lumière également serti dans le tube et prolongeant la fibre optique, où l'extrémité de la fibre optique et le réflecteur de lumière délimitent une cavité à réflexion d'ondes lumineuses multiples, caractérisé en ce que le réflecteur de lumière s'étend sur au moins 80% d'une distance entre deux lieux d'ancrage du tube où l'extrémité de la fibre optique et le réflecteur de lumière sont sertis ou soudés. En effet, le réflecteur de lumière peut facilement être en un métal, insensible aux irradiations contrairement à la silice des fibres optiques. L'extrémité de la fibre peut ou non recevoir un traitement d'insensibilisation à l'irradiation analogue à celui de la réalisation principale suivante. Dans une seconde réalisation principale, l'extrémité de la fibre optique qui amène la lumière est plutôt en une matière résistante à l'irradiation. L'extrémité est alors souvent séparée de la fibre optique proprement dite par une autre cavité. Elle peut être en la même matière de base que la fibre optique proprement dite ou non. Dans l'affirmative, la matière de l'extrémité a été rendue insensible à l'irradiation dans les circonstances de l'essai par une irradiation préliminaire qui l'a compactée jusqu'à un état stable, où elle est devenue insensible ou presque à de nouvelles irradiations. Un tel traitement peut aussi s'appliquer au réflecteur de lumière, qui peut d'ailleurs être ou non en la même matière que l'extrémité. Un autre objet de l'invention est de proposer un mode de fixation commode et fiable de l'échantillon au tube du capteur. Ces aspects de l'invention, ainsi que d'autres, seront maintenant décrits plus en détail au moyen de la description détaillée de certains modes particuliers de réalisation à l'aide des figures suivantes . - la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente un second mode de réalisation, et - les figures 3, 4 et 5 illustrent la façon dont le capteur est assemblé et fixé à l'échantillon. La réalisation représentée à la figure 1 comprend, sur un échantillon 1, un tube 2 capillaire en verre, en silice, en un autre matériau transparent comme le saphir ou en un métal tel que l'acier inoxydable dans lequel entre une fibre optique 3 en silice ou saphir. Une extrémité 4 de la fibre optique 3 est entièrement logée dans le tube 2 et prolonge la fibre optique 3 proprement dite. Une autre portion de fibre optique forme un réflecteur de lumière 5 lui aussi logé dans le tube 2. La fibre optique 3, l'extrémité 4 et le réflecteur de lumière 5 sont alignés en prolongement. L'extrémité 4 est séparée de la fibre optique 3 par un espace 6 que la lumière traverse librement, et du réflecteur de lumière 5 par une cavité de Fabry-Pérot 7. Des revêtements réfléchissant partiellement la lumière sur les faces en regard de l'extrémité 4 et du réflecteur de lumière 5 peuvent avantageusement être ajoutés pour améliorer l'efficacité de l'ensemble. L'extrémité 4 et le réflecteur de lumière 5 sont respectivement fixés au tube 2 par des lieux d'ancrage 8 et 9, la fibre optique 3 proprement dite étant liée au tube de manière non ponctuelle. Si la fibre optique 3 est classique, l'extrémité 4 et le réflecteur de lumière 5, à base aussi de silice, ont cependant subi une compaction avec une dose élevée d'irradiation préalable, supérieure à 5.1019 n/cm2 de neutrons rapides. On a atteint de cette façon un état physique stable, qui est devenu insensible à de nouvelles doses d'irradiation. La longueur de la cavité de Fabry-Pérot 7 change ainsi seulement avec la distance des lieux d'ancrage 8 et 9, c'est-à-dire avec l'allongement de l'échantillon 1 sur lequel le tube 2 est fixé. La fibre optique 3 peut rester sensible aux irradiations, subir une compaction ou être déplacée d'une autre façon, mais une variation de l'espace 6 n'a pas d'effet sur la mesure. Le réflecteur de lumière 5 ou l'extrémité 4 pourraient être remplacés par d'autres matériaux, qui résisteraient à la compaction induite par lesradiations. Dans la réalisation de la figure 2, on retrouve certains éléments de la première mais l'extrémité de la fibre (maintenant 10) et le réflecteur de lumière (maintenant 11) ont été modifiés. Le réflecteur de lumière 11 s'étend maintenant à travers presque toute la longueur de jauge entre les lieux d'ancrage 8 et 9, typiquement sur au moins 80% de cette longueur, c'est-à-dire presque jusqu'au lieu d'ancrage 8 de l'extrémité 10, qui est beaucoup plus courte que la précédente (4). Le réflecteur de lumière 11 est une tige métallique subissant une très faible variation de longueur sous irradiation. La variation de la longueur de cavité qui résulterait d'une contraction résiduelle de l'extrémité 10 est alors réduite au minimum. Le domaine de longueur d'onde de la source de la lumière qui alimente la fibre optique 3 pourra être de 800 à 1200 nanomètres. Ce domaine correspond à l'atténuation la plus faible par les radiations dans les fibres optiques. Les fibres optiques en silice ultra-pure ou les fibres photoniques à coeur creux qu'on peut envisager d'utiliser auront de toute façon une faible atténuation. Les lieux d'ancrage 8 et 9 peuvent être réalisés par des soudages au laser réalisés de l'extérieur du tube 2 une fois que le réflecteur de lumière et l'extrémité de la fibre optique ont été mis à la bonne position. On se reporte maintenant aux figures 3, 4 et 5. La liaison entre l'échantillon 1 et le tube 2 est réalisée par l'ajout de pattes 12, au nombre de deux comme on le représente à la figure 4. Elles sont soudées au tube 2, puis les pattes 12 sont soudées à l'échantillon 1 encore par des soudures au laser ou autre soudure ponctuelle de manière à créer des soudures par points qui ne produisent pas de contraintes excessives dans le matériau de l'échantillon 1 tout en offrant une liaison plus sûre que certaines colles. D'autres pattes peuvent être rajoutées comme on le représente à la figure 5 ; elles peuvent être soudées au tube ou ne pas l'être : dans ce cas elles assurent seulement le maintien du tube 2 sur son axe. La figure 3 montre que le tube 2 peut aussi être équipé de bagues 16 établies autour de lui à l'endroit des pattes 12. Ce sont alors les bagues 16 qui sont soudées aux pattes 12. On privilégie une liaison symétrique (par exemple points de soudures en vis-à-vis) pour éviter la torsion du tube 2 lors de la traction. Les points de soudure entre les pattes 12 et les bagues 16 (ou le tube 2) portent la référence 13, entre les pattes 12 et l'échantillon 1 la référence 14, et entre les bagues 16 et le tube 2 la référence 15. Dans le cas où le tube 2 est en silice, une fixation par soudage ou brasage peut être facilitée par un revêtement métallique couvrant la matière principale du tube. REVENDICATIONS1. Capteur d'allongement, comprenant un tube (2), une fibre optique (3) ayant une extrémité (4, 10) sertie dans le tube, et un réflecteur de lumière (5, 11) également serti dans le tube et prolongeant la fibre optique, où le tube, l'extrémité de la fibre optique et le réflecteur de lumière délimitent une cavité (7) à réflexions d'ondes lumineuses multiples, caractérisé en ce que l'extrémité (4, 10) de la fibre optique et le réflecteur de lumière (5, 11) sont en des matières insensibles à des compactions par irradiation sur au moins l'essentiel d'une distance entre des lieux d'ancrage (8, 9) de ladite extrémité et dudit réflecteur de lumière au tube (2). 2. Capteur d'allongement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le réflecteur de lumière (11) s'étend sur au moins 80% d'une distance entre les lieux d'ancrage (8, 9). 3. Capteur d'allongement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'extrémité (4) de la fibre optique est en une matière rendue compacte de façon stable par une irradiation et est séparée de la fibre optique (3) par une autre cavité (6). 4. Capteur d'allongement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fibre optique est en silice. 5. Capteur d'allongement selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le réflecteur de lumière est en métal. 6. Capteur d'allongement selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube est en métal. 7. Capteur d'allongement selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le tube est en verre ou en un autre matériau transparent. 8. Capteur d'allongement selon la revendication 7, caractérisé en ce que le tube comprend un revêtement métallique extérieur. 9. Capteur d'allongement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend des pattes (12) de fixation du tube à un échantillon (1). 10. Capteur d'allongement selon la revendication 9 et l'une quelconque des revendications 6 ou 8, caractérisé en ce que les pattes de fixation sont unies au tube par des points de soudage au laser. 11. Capteurs d'allongement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réflecteur de lumière et l'extrémité de la fibre optique sont sertis dans le tube par des points de soudage au laser.