Brevet FR3007833A1 — publié le 20150102

DOMAINE DE L'INVENTION L'invention concerne un câble optique destiné à être utilisé pour mesurer une déformation, ainsi qu'éventuellement une température, d'une 5 structure, et un procédé de mesure d'une déformation d'une structure au moyen d'un tel câble optique. ETAT DE LA TECHNIQUE On connaît du document FR 2 867 561 un dispositif de mesure 10 sous la forme d'un câble, le câble comprenant une armature cylindrique, des fibres optiques disposées à la périphérie de l'armature cylindrique, et une enveloppe externe. Les fibres optiques sont réparties à la périphérie de l'armature à 120 degrés les unes des autres. Chaque fibre est munie de réseaux de Bragg photo-inscrits et répartis le long de la fibre à intervalles 15 réguliers. Le dispositif est destiné à être posé le long d'une structure à surveiller, par exemple un bâtiment, et permet d'obtenir une mesure distribuée des courbures de la structure, notamment en cas de tassement de terrain. 20 Un inconvénient de ce dispositif est qu'il nécessite l'utilisation de trois groupes de fibres optiques disposées à 120 degrés les unes des autres afin de mesurer des courbures indépendamment de l'état de torsion ou de traction axiale du câble. On connaît également du document FR 2 903 773 un dispositif de 25 détection et de localisation d'une fuite de fluide dans un ouvrage comprenant un géotextile pourvu d'une ou plusieurs fibres optiques en contact avec le géotextile. Le géotextile est positionné dans l'ouvrage de manière à collecter le fluide et de le drainer jusqu'à la fibre optique. De plus, la fibre optique est apte à transmettre un signal modifié lorsque la 30 température varie ou lorsque le géotextile est déformé à proximité de la fibre optique ou lorsque le géotextile présente un taux d'humidité qui varie à proximité de la fibre optique. Un inconvénient de ce dispositif de détection est que la fibre optique peut être soumise à des contraintes (tension de pose, poinçonnement, écrasement) qui peuvent endommager la fibre optique. RESUME DE l'INVENTION Un but de l'invention est de proposer un câble optique destiné à être utilisé pour mesurer une déformation, ainsi qu'éventuellement une température d'une structure, qui soit peu sensible aux effets de courbure. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un câble optique comprenant : - un élément porteur central, - un élément optique de mesure de déformation disposé en hélice autour de l'élément porteur, l'élément optique de mesure de déformation comprenant une fibre optique et une enveloppe entourant la fibre optique sans laisser subsister de jeu entre la fibre optique et l'enveloppe de sorte que la fibre optique et l'enveloppe sont solidaires l'une de l'autre tout le long de la fibre optique, - une gaine entourant l'élément porteur central et l'élément optique de mesure de déformation. La présence de l'élément porteur central permet d'une part de concevoir un câble optique présentant une bonne résistance à la traction, ce qui le rend résistant aux contraintes de traction qui peuvent s'exercer sur le câble lors de la pose et limite les variations dimensionnelles du câble, liées par exemple à des variations de température. D'autre part, en cas de courbure du câble, la disposition en hélice de l'élément optique autour de l'élément porteur permet d'obtenir un allongement résultant sensiblement nul de l'élément optique dans la zone de courbure. En effet, comme l'élément optique passe successivement d'un côté et de l'autre de l'élément porteur, l'élément optique est alternativement allongé puis raccourci le long de la zone courbée du câble. Le câble peut en outre présenter les caractéristiques suivantes : - l'enveloppe de l'élément optique de mesure de déformation est formée en un polymère à cristaux liquides (LCP), - l'enveloppe de l'élément optique de mesure de déformation comprend un mélange de polymères comprenant un polymère à cristaux liquides (LCP) et un polyester, de préférence un polybutyltéréphtalate (PBT), - le câble comprend en outre un élément optique de mesure de température disposé en hélice autour de l'élément porteur, l'élément optique de mesure de température comprenant une fibre optique et une enveloppe entourant la fibre optique en laissant subsister un jeu entre la fibre optique et l'enveloppe, - l'enveloppe de l'élément optique de mesure de température est formée en un matériau thermoplastique ou en métal, - la fibre optique de l'élément optique de mesure de température est disposée dans l'enveloppe en ayant une longueur supérieure ou égale à la longueur de l'enveloppe. L'invention concerne également un procédé de mesure de déformation d'une structure au moyen d'un câble optique tel que défini précédemment, comprenant des étapes de : - émettre un signal optique de test pour que le signal optique de test se propage le long de la fibre optique de l'élément optique de mesure de 20 déformation, - mesurer un premier spectre de fréquence d'un signal optique de réponse transmis par la fibre optique de l'élément optique de mesure de déformation, et - déterminer une valeur de déformation de la structure en fonction 25 du premier spectre de fréquence mesuré. Selon un mode de mise en oeuvre du procédé, le câble optique comprend un élément optique de mesure de déformation et un élément optique de mesure de température et est fixé à la structure, et le procédé comprend des étapes de : 30 - émettre un signal optique de test pour que le signal optique de test se propage le long de la fibre optique de l'élément optique de mesure de déformation et le long de la fibre optique de l'élément optique de mesure de température, - mesurer un premier spectre de fréquence d'un premier signal optique de réponse transmis par la fibre optique de l'élément optique de mesure de déformation, - mesurer un deuxième spectre de fréquence d'un deuxième signal 5 optique de réponse transmis par la fibre optique de l'élément optique de mesure de température, et - déterminer la valeur de déformation de la structure en fonction des deux spectres de fréquence. L'utilisation d'un élément optique de mesure de déformation et d'un 10 élément optique de mesure de température permet d'obtenir une mesure de déformation corrigée en tenant compte de l'effet de la température sur le premier signal optique de réponse. En particulier, la valeur de déformation de la structure peut être déterminée par des étapes de : 15 - mesurer un premier paramètre de variation du spectre de fréquence du premier signal optique de réponse, le premier paramètre de variation du spectre de fréquence étant représentatif à la fois d'une variation de longueur et d'une variation de température du câble optique, - mesurer un deuxième paramètre de variation du spectre de 20 fréquence du deuxième signal optique de réponse, le deuxième paramètre de variation du spectre de fréquence étant représentatif de la variation de température du câble optique uniquement, - soustraire le deuxième paramètre de variation au premier paramètre de variation de manière à obtenir un troisième paramètre de 25 variation représentatif d'une variation de longueur du câble optique uniquement. Dans une mise en oeuvre de l'invention, les mesures des spectres de fréquence des signaux optiques de réponse sont réalisées avec une résolution spatiale donnée, et l'élément optique de mesure de déformation 30 et, le cas échéant, l'élément optique de mesure de température, sont enroulés autour de l'élément porteur central avec un pas d'enroulement inférieur à la résolution spatiale. La « résolution spatiale » désigne la distance minimale entre deux points de mesure le long du câble en-dessous de laquelle une variation du spectre de fréquence d'un point à l'autre n'est pas détectée. Cette caractéristique permet de garantir une insensibilité de la 5 mesure de variation de longueur à l'état de courbure du câble optique. En particulier, le câble optique peut être conçu de sorte que le pas d'enroulement est inférieur ou égal à 10% de la résolution spatiale de l'appareil d'analyse. L'invention concerne enfin un procédé de mesure de température 10 d'une structure au moyen d'un un câble optique comprenant un élément optique de mesure de déformation et un élément optique de mesure de température, dans lequel le câble optique est fixé à la structure, le procédé comprenant des étapes de : - émettre un signal optique de test pour que le signal optique de test 15 se propage le long de la fibre optique de l'élément optique de mesure de température, - mesurer un spectre de fréquence d'un signal optique de réponse transmis par la fibre optique de l'élément optique de mesure de température, et 20 - déterminer une valeur de température de la structure en fonction du spectre de fréquence mesuré. BREVE PRESENTATION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages ressortiront encore de la 25 description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative et doit être lue en regard des figures annexées, parmi lesquelles : - la figure 1 représente de manière schématique, en coupe longitudinale, un câble optique conforme à un mode de réalisation de l'invention, 30 - la figure 2 représente de manière schématique, en coupe transversale, le câble optique de la figure 1, - la figure 3 représente de manière schématique une installation du câble optique en vue d'effectuer des mesures de déformation d'une structure à surveiller, - la figure 4 représente de manière schématique un procédé de 5 mesure de déformation et de température de la structure à surveiller à l'aide du câble optique. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Sur les figures 1 et 2, le câble optique 1 représenté comprend un 10 élément porteur central 2, un premier élément optique 3, un deuxième élément optique 4 et une gaine 5 entourant les éléments optiques 3 et 4 et l'élément porteur central 2. L'élément porteur central 2 est formé en un matériau résistant à la traction, tel qu'une matière plastique renforcée avec des fibres de renfort. 15 Les fibres de renfort peuvent être des fibres de verre, de carbone, de polypara-phénylène téréphtalamide (connu sous la marque kevlar) ou de lin. L'élément porteur central 2 est de forme allongée, cylindrique de révolution et présente un diamètre compris entre 0,5 et 5 millimètres, par exemple de l'ordre de 2,5 millimètres. 20 L'élément porteur central 2 confère au câble optique 1 des propriétés de résistance à la traction et limite la dilatation thermique du câble optique 1. Le premier élément optique 3 est un élément optique de mesure de déformation. Le premier élément optique 3 est disposé en hélice autour de 25 l'élément porteur central 2 avec un premier pas d'enroulement P1. Le premier élément optique 3 comprend une première fibre optique 6 et une première enveloppe 7 entourant la première fibre optique 6. La première fibre optique 6 est disposée dans la première enveloppe 7 sans laisser subsister de jeu entre la fibre optique 6 et l'enveloppe 7 de sorte que 30 la fibre optique 6 et l'enveloppe 7 sont solidaires l'une de l'autre tout le long de la fibre optique 6. De cette manière, les contraintes d'allongement subies par la première enveloppe 7 sont transmises à la première fibre optique 6. La première enveloppe 7 est formée en un matériau présentant un faible coefficient de dilatation, tel qu'un polymère à cristaux liquides (LCP) ou un mélange de polymères comprenant un polymère à cristaux liquides (LCP) et un polyester, tel qu'un polybutyltéréphtalate (PBT) par exemple. La première enveloppe 7 présente un diamètre externe compris entre 0,5 et 2 millimètres, par exemple de l'ordre de 0,9 millimètres. Le deuxième élément optique 4 est un élément optique de mesure de température. Le deuxième élément optique 4 est disposé en hélice autour de l'élément porteur central 2 avec un deuxième pas d'enroulement P2 identique au premier pas d'enroulement P1 du premier élément optique 3. Le premier pas d'enroulement P1 et le deuxième pas d'enroulement P2 sont compris entre 5 et 50 centimètres. L'enroulement des éléments optiques 3 et 4 autour de l'élément 15 porteur 2 permet de créer un excédent de longueur des éléments optiques 3 et 4 par rapport à l'élément porteur 2. De préférence, le premier pas d'enroulement P1 et le deuxième pas d'enroulement P2 sont inférieurs à une résolution spatiale d'un appareil d'analyse utilisé dans le procédé de mesure de déformation ou de 20 température. En particulier, le premier pas d'enroulement P1 et le deuxième pas d'enroulement P2 sont inférieurs ou égaux à 10% de la résolution spatiale de l'appareil d'analyse. Par exemple, l'appareil d'analyse présente une résolution spatiale de l'ordre de 1 mètre et le premier pas d'enroulement et le deuxième pas 25 d'enroulement des éléments optiques 3 et 4 autour de l'élément porteur 2 sont de l'ordre de 10 centimètres. Le deuxième élément optique 4 comprend une deuxième fibre optique 8, identique à la première fibre optique 6, et une deuxième enveloppe 9 entourant la deuxième fibre optique 8. La deuxième fibre 30 optique 8 est disposée dans la deuxième enveloppe 9 en laissant subsister un jeu entre la fibre optique et l'enveloppe de sorte que la fibre optique 8 est libre dans l'enveloppe 9. De plus, la deuxième fibre optique 8 est disposée dans la deuxième enveloppe 9 avec un excédent de longueur par rapport à la deuxième enveloppe 9. Cela permet notamment de rendre la deuxième fibre optique 8 insensible aux contraintes d'allongement qui s'exercent sur le câble optique 1. L'excédent de longueur de la deuxième fibre optique 8 par rapport à la deuxième enveloppe 9 est compris entre 0 et 0,5 %. Cet excédent de longueur de la deuxième fibre optique 8 par rapport à la deuxième enveloppe 9 s'ajoute à l'excédent de longueur de 10 l'élément optique 4 par rapport à l'élément porteur 2 créé par l'enroulement de l'élément optique 4 autour de l'élément porteur 2. La deuxième enveloppe 9 est formée en un matériau thermoplastique, tel qu'un polyester par exemple, ou en métal. La deuxième enveloppe 9 présente un diamètre interne compris 15 entre 0,6 et 2 millimètres, par exemple de l'ordre de 1 millimètre, et un diamètre externe compris entre 1,3 et 3,5 millimètres, par exemple de l'ordre de 1,6 millimètres. L'élément porteur 2, le premier élément optique 3 et le deuxième élément optique 4 sont noyés dans la gaine 5. 20 La gaine 5 est formée en un matériau thermoplastique, tel que du polyéthylène (PE) par exemple. La gaine 5 est de forme allongée, cylindrique de révolution, et présente un diamètre externe compris entre 4 et 15 millimètres, par exemple de l'ordre de 6,7 millimètres. 25 Le câble optique 1 est fabriqué en enroulant le premier élément optique 3 et le deuxième élément optique 4 en hélice autour de l'élément porteur 2, et en extrudant la gaine 5 autour de l'élément porteur 2 et des élément optiques 3 et 4, de manière à solidariser la gaine 5, l'élément porteur 2 et les éléments optiques 3 et 4 entre eux. 30 Sur la figure 3, le câble optique 1 est fixé sur une structure à surveiller 11. La structure à surveiller 11 peut être une conduite de transport de fluide, telle que par exemple une conduite reliant le fond océanique avec une plateforme pétrolière en surface. Le câble optique 1 permet de mesurer à la fois les variations d'allongement de la conduite le long du câble optique et les variations de température de la conduite le long du câble optique 1. Chaque élément optique 3, 4 est raccordé à un appareil d'analyse 10. L'appareil d'analyse 10 est apte à générer un signal optique de pompage (signal pulsé) qui est appliqué à une première extrémité de chaque élément optique 3, 4 et un signal optique de test (signal continu) qui est appliqué à une deuxième extrémité de chaque élément optique 3, 4 et qui se propage en sens opposé du signal optique de pompage. Pour chaque élément optique 3 et 4, lorsque l'écart entre la fréquence du signal de test et la fréquence du signal de pompage est égal à la fréquence Brillouin de l'élément optique, le signal de test est amplifié par interaction avec le signal de pompage. De plus, la fréquence Brillouin de l'élément optique varie avec la 15 contrainte appliquée à l'élément optique et avec la température de l'élément optique. En faisant varier la fréquence du signal de test et en mesurant l'intensité du signal de test amplifié, l'appareil d'analyse 10 permet de détecter la fréquence Brillouin de l'élément optique en une pluralité de 20 points le long de l'élément optique. L'appareil d'analyse 10 est apte à mesurer en chaque point d'une pluralité de points le long de chaque élément optique 3 et 4, une valeur de la fréquence Brillouin. 25 La sensibilité à l'allongement du premier élément optique 3 - rapport entre l'allongement imposé (en pourcentage) et la variation de la fréquence Brillouin qui en résulte - étant connue, il est possible de déduire, en chaque point le long de l'élément optique 3, une valeur d'allongement du premier élément optique 3. 30 Cependant, la variation de la fréquence Brillouin dépend également de la température de l'élément optique. Ainsi, la mesure de l'allongement peut être faussée en cas de variation de température de l'élément optique. Pour corriger l'erreur de mesure qui en résulte, il est possible de corriger la fréquence Brillouin mesurée pour le premier élément optique 3 afin de supprimer l'influence de la température. Cela est possible du fait que l'influence de la température peut être déterminée grâce au deuxième élément optique 4. La sensibilité du deuxième élément optique 4 aux variations de température - rapport entre la température de l'élément optique et la variation de la fréquence Brillouin qui en résulte - étant connue, il est possible de déduire, en chaque point le long de l'élément optique 4 une valeur de variation de température. Selon un mode de mise en oeuvre illustré sur la figure 4, le procédé de mesure de déformation et de mesure de température comprend les étapes suivantes. Selon une première étape 101, l'appareil d'analyse 10 génère un signal optique de pompage (signal pulsé) qui est appliqué à une première extrémité de chaque élément optique 3 et 4 et un signal optique de test (signal continu) qui est appliqué à une deuxième extrémité de chaque élément optique 3 et 4 et qui se propage en sens opposé. Selon une deuxième étape 102, l'appareil d'analyse 10 analyse le spectre fréquentiel d'un premier signal optique de réponse transmis par le 20 premier élément optique 3 et détermine, en une pluralité de points le long du câble optique 1, une première fréquence Brillouin. Selon une troisième étape 103, l'appareil d'analyse 10 analyse le spectre fréquentiel d'un deuxième signal optique de réponse transmis par le deuxième élément optique 4, et détermine, en une pluralité de points le long 25 du câble optique 1, une deuxième fréquence Brillouin. L'appareil d'analyse 10 mesure ainsi, en chaque point le long du câble optique 1, deux fréquences Brillouin : - une première fréquence Brillouin générée par le premier élément optique 3, et qui dépend de l'allongement et de la température du câble 30 optique 1, et - une deuxième fréquence Brillouin générée par le deuxième élément optique 4, et qui dépend uniquement de la température du câble optique 1. Selon une quatrième étape 104, l'appareil d'analyse 10 soustrait la deuxième fréquence Brillouin à la première fréquence Brillouin, de manière à obtenir une fréquence Brillouin corrigée (troisième fréquence Brillouin) représentative uniquement de l'allongement du câble optique 1. Selon une cinquième étape 105, l'appareil d'analyse 10 compare la troisième fréquence Brillouin déterminée à la quatrième étape avec des valeurs de fréquence Brillouin de référence. Les valeurs de fréquence Brillouin de référence sont des valeurs de fréquence Brillouin qui ont été mesurées au préalable avec le câble optique 10 1 dans des conditions connues d'allongement et de température. Selon une sixième étape 106, l'appareil d'analyse 10 en déduit, en chaque point le long du câble optique 1, une valeur d'allongement du câble optique 1. Selon une septième étape 107, l'appareil d'analyse 10 compare la 15 deuxième fréquence Brillouin déterminée à la troisième étape avec des valeurs de fréquence Brillouin de référence. Selon une huitième étape 108, l'appareil d'analyse 10 en déduit, en chaque point le long du câble optique 1, une valeur de température du câble optique 1. 20 Comme le câble 1 est intimement lié à la structure 11 dont on cherche à mesurer les températures et les déformations, les valeurs d'allongement et de température mesurées le long du câble optique 1 sont considérées comme des valeurs de déformations et de température de la structure 11. 25 REVENDICATIONS1. Câble optique (1) comprenant : - un élément porteur central (2), - un élément optique de mesure de déformation (3) disposé en hélice autour de l'élément porteur (2), l'élément optique de mesure de déformation (3) comprenant une fibre optique (6) et une enveloppe (7) entourant la fibre optique (6) sans laisser subsister de jeu entre la fibre optique (6) et l'enveloppe (7) de sorte que la fibre optique (6) et l'enveloppe (7) sont solidaires l'une de l'autre tout le long de la fibre optique (6), - une gaine (5) entourant l'élément porteur (2) et l'élément optique de mesure de déformation (3). 2. Câble optique selon la revendication 1, dans lequel l'enveloppe 15 (7) de l'élément optique de mesure de déformation (3) est formée en un polymère à cristaux liquides (LCP). 3. Câble selon la revendication 1, dans lequel l'enveloppe (7) de l'élément optique de mesure de déformation (3) comprend un mélange de 20 polymères comprenant un polymère à cristaux liquides (LCP) et un polyester, de préférence un polybutyltéréphtalate (PBT). 4. Câble selon l'une des revendications 1 à 3, comprenant en outre un élément optique de mesure de température (4) disposé en hélice autour 25 de l'élément porteur (2), l'élément optique de mesure de température (4) comprenant une fibre optique (8) et une enveloppe (9) entourant la fibre optique (8) en laissant subsister un jeu entre la fibre optique (8) et l'enveloppe (9). 30 5. Câble selon la revendication 4, dans lequel l'enveloppe de (9) l'élément optique de mesure de température (4) est formée en un matériau thermoplastique ou en métal. 6. Câble selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel la fibre optique (8) de l'élément optique de mesure de température (4) est disposée dans l'enveloppe (9) en ayant une longueur supérieure ou égale à la longueur de l'enveloppe (9). 7. Procédé de mesure de déformation d'une structure (11) au moyen d'un câble optique (1) selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant des étapes de : - émettre un signal optique de test pour que le signal optique de test 10 se propage le long de la fibre optique (6) de l'élément optique de mesure de déformation (3), - mesurer un premier spectre de fréquence d'un premier signal optique de réponse transmis par la fibre optique de l'élément optique de mesure de déformation (3), et 15 - déterminer une valeur de déformation de la structure (11) en fonction du premier spectre de fréquence mesuré. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel le câble optique (1) comprend un élément optique de mesure de déformation (3) et un élément 20 optique de mesure de température (4) et est fixé à la structure (11), le procédé comprenant des étapes de : - émettre le signal optique de test pour que le signal optique de test se propage le long de la fibre optique (8) de l'élément optique de mesure de température (4), 25 - mesurer un deuxième spectre de fréquence d'un deuxième signal optique de réponse transmis par la fibre optique de l'élément optique de mesure de température (4), et - déterminer la valeur de déformation de la structure en fonction du premier spectre de fréquence et du deuxième spectre de fréquence. 30 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la valeur de déformation de la structure (11) est déterminée par des étapes de :- mesurer un premier paramètre de variation du spectre de fréquence du premier signal optique de réponse, le premier paramètre de variation du spectre de fréquence étant représentatif à la fois d'une variation de longueur et d'une variation de température du câble optique (1), - mesurer un deuxième paramètre de variation du spectre de fréquence du deuxième signal optique de réponse, le deuxième paramètre de variation du spectre de fréquence étant représentatif de la variation de température du câble optique (1) uniquement, - soustraire le deuxième paramètre de variation au premier 10 paramètre de variation de manière à obtenir un troisième paramètre de variation représentatif d'une variation de longueur du câble optique uniquement. 10. Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, dans lequel les 15 mesures des spectres de fréquence des signaux optiques de réponse sont réalisées avec une résolution spatiale donnée, et l'élément optique de mesure de déformation (3) et, le cas échéant, l'élément optique de mesure de température (4) sont enroulés autour de l'élément porteur central (2) avec un pas d'enroulement inférieur à la résolution spatiale. 20 11. Procédé de mesure de température d'une structure au moyen d'un un câble optique (1) selon l'une des revendications 4 à 6, dans lequel le câble optique (1) est fixé à la structure (11), le procédé comprenant des étapes de : 25 - émettre un signal optique de test pour que le signal optique de test se propage le long de la fibre optique (8) de l'élément optique de mesure de température (4), - mesurer un spectre de fréquence 'un signal optique de réponse transmis par la fibre optique (8), et 30 - déterminer une valeur de température de la structure (11) en fonction du spectre de fréquence mesuré.