Brevet FR2949572A1 — publié le 20110304

L'invention concerne un dispositif de mesure des contraintes environnementales d'une installation industrielle ou d'un ouvrage, à l'aide de réseaux de Bragg photoinscrits dans le cœur d'une fibre optique. Ces contraintes peuvent être liées à une variation de température, à une déformation de l'ouvrage, ou à une pression liée à un passage. Toute contrainte induit une modification de la période d'un ou plusieurs réseaux de Bragg qui se traduit par une modification du signal réfléchi par le ou les réseaux de Bragg. On connaît déjà de nombreuses méthodes et dispositifs de mesure d'un flux de lumière réfléchi par les réseaux de Bragg dans une fibre optique. Ainsi, le document FR 2 674 639 propose de placer sur une même fibre un nombre important de capteurs reconnus les uns par rapport aux autres soit par la longueur d'onde Xs sur laquelle ils agissent soit par leur distance par rapport à la centrale de mesure. Néanmoins, le nombre de capteurs permis par l'état actuel de la technique reste limité car les mesures sur le flux réfléchi posent des problèmes de synchronisation. Pour remédier aux problèmes posés par l'état antérieur de la technique, l'invention a pour objet un dispositif de mesure comprenant une fibre optique qui contient une succession de réseaux de Bragg répartis entre une première extrémité et une deuxième extrémité. De façon remarquable, le procédé comprend une source de lumière agencée pour émettre un flux de lumière à plusieurs longueurs d'onde dans la première extrémité de la fibre, et un instrument connecté à la deuxième extrémité de la fibre pour mesurer une puissance de lumière transmise à chaque longueur d'onde émise. Avantageusement, le dispositif de mesure comprend au moins une deuxième fibre optique qui contient une succession de réseaux de Bragg répartis entre une première extrémité et une deuxième extrémité reliée à l'instrument de mesure et un commutateur disposé entre la source de lumière et la première extrémité de chaque fibre optique de façon à émettre le flux de lumière dans chacune des fibres optiques. De préférence, plusieurs longueurs d'onde dans une gamme spectrale de 200 nm, sont attribuées chacune à un réseau de Bragg différent de sorte qu'un espacement entre deux longueurs d'onde compris entre 1,5 et 2 nm, permette de mettre une centaine de réseaux de Bragg par fibre. Un espacement plus grand diminue simplement le nombre de réseaux par fibre. Particulièrement, au moins une fibre optique est solidarisée à un ouvrage pour mesurer des contraintes mécaniques subies par l'ouvrage. Plus particulièrement, une densité de réseaux de Bragg le long de la fibre optique est proportionnelle à une précision recherchée sur une localisation de contrainte. Particulièrement aussi, au moins une fibre optique comprend une gaine en matériau appartenant à la famille des matériaux à bonne tenue en basse température comprenant les polyimides de façon à mesurer des températures dans le domaine cryogénique. Particulièrement encore, au moins une fibre optique comprend une gaine en matériau appartenant à la famille des matériaux à bonne tenue en haute température comprenant les polyimides et les métaux de façon à mesurer des températures dans le domaine des hautes températures. Avantageusement, les réseaux de Bragg sont 30 photoinscrits dans au moins une fibre optique. L'invention a aussi pour objet un procédé de mesure par fibre optique contenant des réseaux de Bragg à différentes longueurs d'onde de diffraction. Le procédé est remarquable en ce qu'il consiste à mesurer une 35 puissance de lumière transmise par la fibre optique dans un spectre comprenant lesdites longueurs d'onde. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Ces figures ne sont données qu'à titre illustratif et nullement limitatif de l'invention. Elles montrent : - figure 1 : un dispositif de mesure par réflexion dans une fibre optique ; - figure 2 un dispositif de mesure par transmission dans une fibre optique. En référence à la figure 1, un signal optique est émis par une source laser 10 accordable ou à large bande spectrale. Ce signal optique est injecté dans une fibre optique 20, dans laquelle un ou plusieurs réseaux de Bragg 21, 22, 23, 24, 25 ont été photoinscrits. Les réseaux de Bragg peuvent être photoinscrits dans la fibre optique de différentes manières, telles que, à titre d'exemple non limitatif, celle décrite dans le brevet d'invention FR 2 830 626. On rappelle qu'un réseau de Bragg est une structure périodique fine constituée d'une succession de zones d'indices de réfraction forts et faibles. Chaque réseau de Bragg 21, 22, 23, 24, 25, dispose de sa propre période dite période de Bragg. A chaque période correspond une longueur d'onde de diffraction et une largeur de bande de diffraction. A la longueur d'onde de diffraction, le signal optique traversant le réseau de Bragg est réfléchi, tandis que toutes les autres longueurs d'ondes sont transmises à travers ce réseau. Une modification des conditions environnementales de la fibre optique 20 qui résulte par exemple d'une variation de température, d'une variation de pression, d'une déformation de la fibre, par extension, par cisaillement ou d'autres manières, induit une modification de la longueur d'onde de diffraction du réseau de Bragg. Cette modification induit un déplacement du pic de diffraction dans la bande spectrale. Classiquement, comme c'est le cas représenté sur la figure 1, les systèmes de mesure utilisent le signal réfléchi par le réseau de Bragg. La source laser ajustable 10 est dimensionnée pour balayer un spectre de lumière dont les longueurs d'ondes varient par exemple de 1450 nm à 1650 nm. Un rayon laser 11 émis par la source laser 10 est alors envoyé dans la fibre 20 en passant par un coupleur 12. Lorsque la longueur d'onde X de la lumière transmise dans la fibre 20 correspond à la longueur d'onde de réflexion du réseau de Bragg 21, une bande spectrale 1 de longueur d'onde X et de puissance Pw(X� réfléchie, repasse dans le coupleur 12 où elle est déviée vers un dispositif de mesure 13. De façon à ce que la lumière réfléchie ne soit pas renvoyée vers la source laser 10 mais vers le dispositif de mesure 13, le coupleur 12 est par exemple réalisé au moyen d'un circulateur. On rappelle qu'un circulateur est un dispositif à nombre fini d'entrées-sorties tel qu'un signal entrant par une entrée, ressort par la sortie suivante. Lorsque la longueur d'onde X2, X3, X4, respectivement X5 de la lumière transmise dans la fibre 20 correspond à la longueur d'onde de réflexion du réseau de Bragg 22, 23, 24, respectivement 25, une bande spectrale 2, 3, 4, respectivement 5 de longueur d'onde X2, X3, X4, respectivement X5 et de puissance Pw (X,z) , Pw (a,3) , Pw (X,4) , Pw(~,5) réfléchie, repasse dans le coupleur 12 où elle est déviée vers le dispositif 13 de mesure de puissance. En réflexion, la quantité de réseaux de Bragg est nécessairement limitée car une quantité élevée de réseaux de Bragg espacés chacun d'un faible différentiel de longueur d'onde, pose un problème considérable de synchronisation entre les équipements d'émission du signal optique représentés par le laser accordable 10 et les équipements de réception représentés par l'équipement de mesure 13. En effet, en réflexion, le signal optique traverse deux fois tous les réseaux de Bragg. Toute erreur de synchronisation peut induire une erreur d'interprétation du spectre mesuré, et donc des erreurs de mesure. En réflexion, un post-traitement est indispensable. On précise que, pour fonctionner en réflexion, la nécessité d'utiliser un circulateur qui est un composant dont la plage de fonctionnement en longueur d'onde, en d'autres termes la bande passante, est relativement limitée, de l'ordre de 50nm typique à un maximum de 100nm, limite la plage de longueurs d'onde exploitable pour ce type de mesure et a fortiori l'intérêt de travailler avec des sources accordables couvrant une plage d'environ 200nm. Le fonctionnement en transmission que nous expliquons à présent, permet d'utiliser le plein potentiel des 200nm de la source laser accordable puisque dans ce cas aucun circulateur n'est nécessaire. Le dispositif conforme à l'invention, dont un mode de mise en oeuvre possible est illustré par la figure 2, utilise le signal transmis par une fibre optique 51, 52, 60 dans laquelle le nombre de réseaux de Bragg 100, 101, 102, 103, ..., 199 peut aisément atteindre une centaine de réseaux de Bragg par fibre optique. Dans un dispositif conforme à l'invention, chaque réseau de Bragg a sa propre période et l'espacement en longueur d'onde entre chaque réseau de Bragg est faible, de l'ordre de quelques nanomètres. Un instrument 16 d'interrogation de ce type de fibres optiques, est disposé à une extrémité opposée de la fibre par rapport à celle qui reçoit le rayon laser en provenance de la source 10. Le fait d'interroger tous les réseaux de Bragg inscrits dans la fibre optique en transmission plutôt qu'en réflexion permet de relaxer la contrainte de synchronisation et, de ce fait, d'avoir une mesure plus précise, en temps réel, car sans nécessiter de post- traitement pour interpréter des spectres mesurés par l'instrument 16. Le dispositif de la figure 2 nécessite de déployer une fibre plus longue pour acheminer le signal jusqu'à l'instrument 16, le plus souvent installé sur le même châssis que la source laser 10. Les réseaux de Bragg 100, 101, 102, 103,..., 199 peuvent être répartis sur la première moitié de la fibre optique 51 correspondant au trajet aller, de sorte que le trajet retour de la fibre 51 soit dépourvu de réseau de Bragg. Selon un mode de réalisation alternatif, non représenté, les réseaux de Bragg peuvent être uniformément répartis sur le trajet aller et sur le trajet retour de la fibre 51. Lorsqu'un spectre de puissance Pw de gamme spectrale 200 nm, franchit le réseau de Bragg 100, la partie de puissance Pw réfléchie génère un premier creux dans la puissance transmise qui correspond à la longueur d'onde de diffraction du réseau de Bragg 100. Ensuite, lorsque le spectre de puissance Pw restante, franchit successivement les réseaux de Bragg 101, 102, 103, 199, la partie de puissance Pw réfléchie supplémentaire génère un autre creux dans la puissance transmise qui correspond à la longueur d'onde de diffraction de chaque réseau de Bragg 101, 102, 103, ..., 199. Une longueur d'onde distincte peut être attribuée à chacun des réseaux de Bragg en séparant deux longueurs d'onde successives comprises entre 1,5 et 2 nm. Finalement le spectre 17 de puissance Pw restante qui arrive à l'instrument de mesure 16, présente un nombre de creux égal au nombre de réseaux de Bragg, chacun correspondant à un réseau de Bragg spécifique. Le dispositif de la figure 2 permet de faire des mesures de températures et de variations de températures le long de la fibre optique 51 en chaque point où un réseau de Bragg a été inscrit. Des mesures de variations de températures dans le domaine cryogénique sont notamment réalisables à des températures de -100°C avec une fibre optique à gainage polyimide ou à -180°C avec des fibres optiques de type "cryofiber'M" produites par la Société IXFiber. Une baisse de température induit une contraction de la fibre, donc une contraction de la période de chaque réseau de Bragg soumis à la baisse de température. A basse température, on observe alors un déplacement vers la gauche des creux dans le spectre 17 par rapport au spectre observable à température ambiante. En synchronisant le balayage du spectre par la source laser 10 sur une horloge commune avec le instrument de mesure 16, la longueur d'onde correspondant à un creux est déterminable en fonction de la longueur de la fibre et de la vitesse de la lumière dans la fibre. Dans une version améliorée, le dispositif comprend un réseau de Bragg, par exemple le réseau 100, situé dans une partie de la fibre dont la température est précisément connue. La longueur d'onde Xr alors précisément connue du réseau de Bragg, sert de référence pour contrôler la validité de la mesure et déterminer ainsi les températures équivalentes aux autres longueurs d'onde avec précision. En prenant l'instant de réception du creux de longueur d'onde Xr comme origine des temps, la durée qui sépare la réception d'un creux suivant dans l'instrument 16 est directement fonction de la durée qui sépare une émission de longueur d'onde suivante de la longueur d'onde de référence X. Le dispositif de la figure 2 permet également de faire des mesures de températures et de variations de températures à hautes températures supérieures à 350°C avec une fibre optique à gainage en polyimide, ou à des températures supérieures à 500°C avec des fibres spéciales à gainage métallique. Une augmentation de température induit une dilatation de la fibre optique, donc une augmentation de la période de chaque réseau de Bragg dans une région de la fibre soumise à l'élévation de températures. Un procédé de mesure par transmission qui utilise le dispositif représenté en figure 2, permet également de mesurer des déformations d'ouvrage par extension de la fibre optique, cisaillement, torsion, pression ou même rupture de la fibre optique lorsque la fibre optique est solidarisée à l'ouvrage. Chacune de ces contraintes mécaniques induisant une modification de la longueur et par conséquent de la période d'un ou de plusieurs réseaux de Bragg, la position du réseau de Bragg contraint permet de localiser la contrainte mécanique subie par l'ouvrage. Plus la densité de réseaux de Bragg le long de la fibre est élevée, meilleure est la précision de la localisation de la contrainte. Le procédé de mesure en transmission permet de surveiller plusieurs fibres optiques installées le long d'un ouvrage. L'utilisation d'un commutateur optique 14 permet d'interroger successivement chacune de plusieurs fibres optiques 51, 52, ..., 60 en en connectant une extrémité à un système comprenant la source laser 10 et l'autre extrémité à l'instrument de mesure 16. On peut utiliser des commutateurs optiques 14 à deux, quatre et huit voies. On peut ainsi connecter à une deuxième voie la fibre optique 52 sur laquelle sont répartis jusqu'à cent réseaux de Bragg 200, 201, 202, 203, ..., 299. De même, sur la dernière voie, on peut connecter une fibre 60 comportant un grand nombre de réseaux de Bragg 1001, 1002, 1003, 1004, ... , 1099. REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure comprenant une fibre optique (51) qui contient une succession de réseaux de Bragg (100, 101, 102, 103) répartis entre une première extrémité et une deuxième extrémité, caractérisé en ce qu'il comprend : - une source de lumière (10) agencée pour émettre un flux de lumière à plusieurs longueurs d'onde dans 10 ladite première extrémité de la fibre (51) ; et - un instrument (16) connecté à ladite deuxième extrémité de la fibre pour mesurer une puissance de lumière transmise à chaque longueur d'onde émise. 15 2. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins une deuxième fibre optique (52, 60) qui contient une succession de réseaux de Bragg (200, 201, 202, 203) répartis entre une première extrémité et une 20 deuxième extrémité reliée à l'instrument (16) de mesure; - un commutateur (14) disposé entre la source de lumière (10) et la première extrémité de chaque fibre optique de façon à émettre ledit flux de lumière dans chacune des fibres optiques. 3. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que plusieurs longueurs d'onde dans une gamme spectrale de 200 nm, sont attribuées chacune à un réseau de Bragg différent. 4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'un espacement entre deux longueurs d'onde compris entre 1,5 et 2 nm permet de contrôler jusqu'à cent réseaux de Bragg sur une même fibre optique. 5. Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'au moins 25 30 35une fibre optique est solidarisée à un ouvrage pour mesurer des contraintes mécaniques subies par l'ouvrage. 6. Dispositif de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'une densité de réseaux de Bragg le long de la fibre optique est proportionnelle à une précision recherchée sur une localisation de contrainte. 7. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une fibre optique comprend une gaine en matériau appartenant à la famille des matériaux à bonne tenue en basse température comprenant les polyimides de façon à mesurer des températures dans le domaine cryogénique. 8. Dispositif de mesure selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moins une fibre optique comprend une gaine en matériau appartenant à la famille des matériaux à bonne tenue en haute température comprenant les polyimides et les métaux de façon à mesurer des températures dans le domaine des hautes températures. 9. Dispositif de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits réseaux de Bragg sont photoinscrits dans au moins une fibre optique. 10. Procédé de mesure par fibre optique contenant des réseaux de Bragg à différentes longueurs d'onde de diffraction, caractérisé en ce qu'il consiste à mesurer une puissance de lumière transmise par la fibre optique dans un spectre comprenant lesdites longueurs d'onde.