Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
CA 02402675 2002-09-05
WO 01/67038 PCT/CH00/00127
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DISPOSITIF A FIBRE OPTIQUE POUR LA MESURE DE
CONTRAINTES.
La présente invention se rapporte à un dispositif à
fibre optique pour la mesurè de contraintes, comprenant au
moins un transducteur formé d'une matrice traversée par au
moins un segment de fibre optique conformée pour que la
transmission de lumière soit modifiée en fonction d'une con-
trainte à mesurer, transmise par ladite matrice à ladite
fibre optique, une extrémité d'entrée de cette fibre optique
étant destinée à être reliée à un photoémetteur et une
extrémité de sortie à un photorécepteur.
Il existe déjà un certain nombre de jauges de contrain
tes associées à une ou plusieurs fibres optiques conformées
pour produire une modification de la lumière transmise à
travers la fibre en fonction de la contrainte à laquelle
cette fibre est soumise.
On a proposé dans le EP 0 640 824 un système pour
détecter des fissures sur une structure, comprenant une plu
ralité de fibres optiques fixées parallèlement sur un sup
port, lui-même fixé à la structure à examiner. Un réseau de
Bragg peut être ménagé le long de la fibre pour mesurer des
contraintes. Dans ce cas, les fibres optiques ne font pas
partie intégrante du support de mesure, mais sont fixées à
la surface de ce support. En outre, ce support ne constitue
pas une jauge de contrainte dont les propriétés de déforma
tion sont connues, mais une simple interface entre la fibre
et la structure à mesurer. I1 s'agit dans ce cas de détecter
la présence de fissures et non de mesurer la grandeur d'une
contrainte.
Dans le cas du WO 97/15805, une fibre optique incluant
un réseau de Bragg est enroulée autour de deux plots s'éten-
dant perpendiculairement à une plaque support qui peut être
soudée à une structure métallique dont on veut mesurer les
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contraintes. Les contraintes de la structure sont communi-
quées au support des plots, variant leur écartement et, par
conséquent la tension exercée sur la fibre, de sorte que le
réseau de Bragg permet de varier la longueur d'onde de la
lumière transmise le long dé la fibre optique en fonction de
la grandeur de la contrainte.
La mesure effectuée à l'aide de cette sonde est fonc-
tion de la tension d'enroulement de la fibre optique, qui
est susceptible de varier en fonction du temps et de la
température notamment, de sorte qu'une telle sonde doit être
étalonnée périodiquement. Etant donné que plusieurs dizai-
nes, voire centaines de sondes peuvent être nécessaires pour
contrôler une structure telle qu'un pont, un barrage, une
voilure d'avion, des générateurs de vapeurs de centrales
thermiques et en général tous les ouvrages de génie civil,
un tel travail d'étalonnage de chaque sonde est pratiquement
impossible à envisager.
Le US 5 594 919 se rapporte à un mode de fixation d'une
fibre optique de mesure de contrainte à une structure métal
lique selon lequel la fibre est métallisée et fixée à une
cale de support métallique par brasage ou soudage et ce sup-
port est lui-même fixé par soudage à la structure métallique
à mesurer. La complexité de ce mode de fixation rend une
telle sonde coûteuse à fabriquer.
Le EP 0 357 253 se rapporte à un détecteur à fibre
optique dans lequel la fibre optique est noyée dans une
matrice choisie pour subir une déformation en fonction d'un
paramètre à mesurer. Cette déformation se transmet à la
fibre optique modifiant les propriétés de propagation de la
lumière à travers cette fibre et permettant de donner la
grandeur du paramètre en fonction de la contrainte mesurée.
La matrice doit donc être réalisée en un matériau suscepti-
ble de subir une transformation en présence du paramètre à
mesurer. I1 ne s'agit donc pas ici d'une jauge de contrain-
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te, la contrainte étant une grandeur caractéristique du
paramètre à mesurer et non le paramètre à mesurer lui-même.
La plupart des solutions susmentionnées ne se rappor
tent pas à des jauges de contraintes et notamment pas à une
jauge de contrainte associant une fibre optique de mesure à
une matrice composite. Le seul document dans lequel la fibre
optique est noyée dans une matrice pour mesurer une
contrainte, la contrainte est caractéristique d'un autre
paramètre à mesurer, de sorte qu'il ne s'agit pas d'une
jauge de contrainte, mais d'une jauge dont la matrice est
conçue pour transformer une certaine grandeur physique à
mesurer en contrainte proportionnelle de cette grandeur phy-
sique.
Une jauge de contrainte à fibre optique est bien décri
te dans le EP 0 380 764. Dans ce cas, la fibre optique n'est
pas noyée dans une matrice et la solution en question néces
site des opérations de montage et de réglage qui renchéris
sent l'instrument. En plus la fibre optique n'est pas proté
gée et peut subir des influences, voire des dégradations
susceptibles d'avoir des répercussions sur le résultat de la
mesure.
Le but de la présente invention est de remédier, au
moins partiellement aux inconvénients des solutions susmen-
tionnées.
A cet effet, la présente invention a pour objet un
transducteur à fibre optique pour la mesure de contraintes
tel que défini par la revendication 1.
Différentes variantes et particularités complémentaires
de cette jauge sont définies dans les autres revendications.
La jauge de contrainte selon l'invention présente des
caractéristiques propres, qui sont connues et parfaitement
reproductibles d'une jauge à l'autre. Ces caractéristiques,
en particulier le module d'élasticité, peuvent en outre être
adaptées en fonction de la structure dont on veut mesurer
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les contraintes. Une fois la fibre optique intégrée au maté-
riau composite formant le transducteur de la jauge, elle se
comporte comme un élément de la matrice elle-même. De plus
cette matrice joue un rôle protecteur de la fibre vis-à-vis
des agressions ou des influénces externes non désirables.
Aucun étalonnage n'est nécessaire, les caractéristiques
de la jauge étant choisies en fonction du matériau composite
utilisé, elle peut être fixée ou intégrée à une structure
quelconque, les valeurs mesurées étant celles des contrain-
tes de cette structure.
Le dessin annexé illustre, schématiquement et à titre
d'exemple, deux formes d'exécution du transducteur à fibre
optique pour la mesure de contraintes, objet de la présente
invention.
La figure 1 est une vue en plan de la première forme
d'exécution;
la figure 2 est une vue en perspective de la seconde
forme d'exécution.
Le transducteur selon la première forme d'exécution
présente la forme d'un transducteur allongé 1 d'épaisseur
constante en un matériau composite, formant une jauge de
contrainte, comprenant une partie centrale 2 de section
constante destinée à la mesure des contraintes, dont les
deux extrémités sont solidaires de parties de transmission
des contraintes 3, 4, conformées pour relier cette jauge à
la structure dont on veut mesurer la contrainte. Chacune de
ces parties de transmission des contraintes présente une
partie renflée, reliée à la partie centrale 2 par des rayons
de courbure R1, R~. Ces parties de transmission des
contraintes 3, 4 qui servent à transmettre les contraintes
de la structure à la partie centrale 2 comportent chacune
deux ouvertures 5a, 5b respectivement 6a, 6b occupant des
positions relatives symétriques par rapport à l'axe longi-
tudinal du transducteur allongé 1. Ces ouvertures servent à
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la fixation des parties de transmission des contraintes 3, 4
à la structure à contrôler, qui doit alors être pourvue de
tenons aptes à s'emboîter dans les ouvertures 5a, 5b, 6a,
6b, des vis pouvant permettre de garantir la fixation du
5 transducteur sur la structure à mesurer.
Une fibre optique 7 passe longitudinalement à travers
le transducteur allongé 1. Une de ses extrémités est
destinée à être connectée à un photoémetteur 8 tandis que
l'autre est connectée à un photorécepteur 9. Suivant le
dispositif de mesure utilisé, la lumière peut être
réfléchie, partiellement ou totalement, de sorte que le
photoémetteur 8 et le photorécepteur 9 peuvent alors se
trouver, comme illustré par la figure l, à une même
extrémité de la fibre optique 7, cette extrémité de la fibre
optique 7 présentant alors la forme d'un Y, 10 pour
permettre de connecter la même extrémité de la fibre optique
7 à l'émetteur 8 et au récepteur 9, de façon bien connue de
l'homme de métier. Le segment de la fibre optique 7 passant
à travers la partie centrale 2 du transducteur 1 de la jauge
de contrainte présente, par exemple, un réseau de Bragg,
destiné à réfléchir sélectivement une longueur d'onde
déterminée, celle-ci variant en fonction de l'allongement de
la fibre optique 7 soumise à la contrainte à mesurer. La
longueur d'onde de la lumière réfléchie comparée à celle de
la lumière incidente, permet de déterminer la valeur de
cette contrainte. D'autres principes de mesure de lumière
pourraient aussi être utilisés, telle que l'interférométrie.
Le transducteur 1 en matériau composite du selon l'in
vention est formé par empilement de feuilles d'une résine
destinée à constituer la matrice, dans lesquelles sont
noyées des nappes de filaments de renfort rectilignes,
disposés parallèlement les uns aux autres. Dans cet exemple,
la résine est du PEEK et les filaments de renfort sont des
filaments à haut module d'élasticité, notamment des
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filaments de carbone, des fibres aramide, voire des
filaments de verre. Le choix des filaments et leur
proportion dans la matrice dépend du module d'élasticité
désiré pour le transducteur 1.
Selon un exemple de réalisation, on découpe des feuil-
les de PEEK armées de filaments de renfort à la forme du
transducteur 1. Certaines de ces feuilles sont découpées
pour que les filaments de renfort se trouvent disposées
parallèlement à l'axe longitudinal du transducteur 1,
d'autres avec les filaments de renfort s'étendant
perpendiculairement à cet axe longitudinal. Selon une
variante, les feuilles pourraient être découpées à la forme
du transducteur après avoir été empilées.
On empile ensuite ces feuilles dans un moule formé de
deux parties, l'une supérieure, l'autre inférieure, de même
forme que le transducteur 1 si les feuilles sont préalable
ment découpées à la forme du transducteur, sinon le moule
aura une même forme rectangulaire que celle des feuilles.
Avantageusement, on peut disposer sur chaque face de l'empi
lement une feuille d'aluminium destinée à faciliter le
démoulage. On place tout d'abord la partie inférieure du
moule dans un étau. On pulvérise un produit destiné à
faciliter le démoulage à la surface du moule et on pose une
feuille d'aluminium à la surface de laquelle on pulvérise du
produit démoulant.
Dans l'exemple qui suit, on a empilé ensuite huit
feuilles de matériau composite prédécoupées en alternant les
feuilles où les filaments forment un angle de 0° avec l'axe
longitudinal et celles où elles forment un angle de 90° avec
cet axe longitudinal, de la manière suivante: 1 feuille à
orientation des filaments à 0°, 1 feuille à orientation des
filaments à 90°, 2 feuilles à orientation 0°, 1 feuille à
orientation 90°, 3 feuilles à orientation 0°.
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On dispose alors la fibre optique 7 le long de l'axe
longitudinal, c'est-à-dire bien centrée par rapport à la
largeur du transducteur, avec son réseau de Bragg centré
longitudinalement par rapport à la partie centrale 2 du
transducteur 1. On attache un poids à chaque extrémité de
cette fibre optique 7 pour assurer qu'elle soit bien recti-
ligne, et on poursuit l'empilement des feuilles de matériau
composite prédécoupées, en disposant successivement, 3
feuilles à orientation 0°, 1 feuille à orientation 90°, 2
feuilles à orientation 0°, 1 feuille à orientation 90° et 1
feuille à orientation 0°. On pose enfin là seconde feuille
d'aluminium à la surface de laquelle on pulvérise du produit
démoulant, que l'on peut aussi pulvériser à la surface de la
partie supérieure du moule.
On serre alors les vis servant à serre les deux parties
du moule l'une contre l'autre en serrant successivement deux
vis M10 disposées selon une diagonale du moule, puis deux
autres vis M10 disposées selon l'autre diagonale du moule,
puis deux vis M10 disposées symétriquement à l'axe longitu-
dinal du transducteur 1, le long d'une perpendiculaire pas-
sant par le centre de cet axe longitudinal. On serre ces vis
avec un moment de force de 4 N.m à l'aide d'une clef dynamo-
métrique.
On chauffe alors le moule pendant 10 mn à 400°C puis on
resserre les vis avec un moment de 4 N.m. On maintient la
température à 400°C pendant encore 25 mn et on serre les vis
du moule avec un moment de 5 N.m. On maintient encore la
température de chauffage durant 25 mn et on laisse refroidir
le tout avant de démouler.
Dans l'exemple décrit, le transducteur 1 a une épais-
seur de l'ordre de 2,2 mm, une longueur de 120 mm, la
longueur de la partie médiane 2 étant de 20 mm et sa largeur
de 5 mm, les rayons Rl et R2 ont 10 mm chacun et la largeur
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des parties de transmission des contraintes 3, 4 est de 24
mm.
En variante le composite utilisé peut aussi être un
composite renforcé par un mélange de filaments à haut module
d'élasticité du type susmentionné et de filaments de métal,
de manière à permettre le soudage du transducteur sur la
structure à contrôler.
Selon une autre variante, on peut choisir les compo
sants entrant dans la composition du matériau composite et
leurs proportions de manière à obtenir un matériau composite
dont le coefficient thermique est voisin de zéro, de manière
à compenser les effets des variations de température qui
modifient le comportement du réseau de Bragg. Ceci permet
donc d'obtenir un transducteur auto-compensateur.
Le transducteur selon la première forme d'exécution
illustrée par la figure 1 est plus particulièrement destiné
à être fixé à la surface d'une structure à contrôler en
raison de son épaisseur constante et des ouvertures 5a, 5b,
6a, 6b destinées à permettre de fixer le transducteur à la
structure à contrôler.
La seconde forme d'exécution illustrée par la figure 2
est par contre étudiée plus spécialement pour pouvoir être
noyée dans une structure, en particulier dans une structure
en béton. Le transducteur 11 est de largeur constante, la
partie centrale 12 de mesure de contrainte est constituée
par une lame et les parties de transmission des contraintes
13, 14 sont, dans ce cas, plus épaisses que la partie
centrale 12, la surépaisseur se répartissant sensiblement
symétriquement de part et d'autre de la lame de la partie
centrale. La face transversale interne 13a, respectivement
14a de chaque partie de transmission des contraintes 13, 14
forme un angle 8 compris entre 6° et 30°, de préférence
entre 6° et 15°. La fibre optique 7 passe sensiblement le
long de l'axe longitudinal du transducteur 11 et un réseau
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de Bragg est centré au milieu de la longueur de la partie de
mesure de contrainte 12.
Comme dans la forme d'exécution précédente, le trans
ducteur 11 est en matériau composite renforcé de filaments à
haut module d'élasticité. Dâns cet exemple, la jauge de con
trainte a une longueur de 640 mm, la partie centrale 12
ayant une longueur de 320 mm. La largeur de ce transducteur
11 est de 80 mm. L'épaisseur de la partie centrale 12 est de
2 à 2,5 mm et celle des parties de transmission des
contraintes 13, 14, entre 6 et 7 mm.
L'avantage de cette forme d'exécution réside dans le
fait qu'elle ne nécessite pas que la structure soit pourvue
de moyens de fixation, puisqu'il suffit de noyer le trans-
ducteur dans la structure à contrôler. Par contre cet avan-
tape est limité pratiquement aux ouvrages en béton en cons-
truction, alors que la première forme d'exécution peut être
fixée à n'importe quelle structure, ainsi qu'aux structures
en béton existantes.
Jusqu'ici, on a décrit des formes d'exécutions dans
lesquelles une fibre optique 7 traverse un transducteur. I1
est bien évident pour l'homme de métier qu'une même fibre
optique peut comporter plusieurs réseaux de Bragg de lon
gueurs d'ondes différentes répartis à des distances
déterminées le long de cette fibre optique, chacun de ces
réseaux étant associé à un transducteur 1 ou 11, les signaux
réfléchis par chaque réseau de Bragg étant multiplexés par
le photorécepteur 9. Grâce à cette disposition, il est
possible de mesurer typiquement les signaux de 10 à 20
transducteurs avec le même appareil de mesure et de diffé-
rencier les résultats grâce au multiplexage, permettant ain-
si de connaître la valeur de la contrainte enregistrée par
chaque transducteur. Le nombre de transducteurs et l'écarte-
ment entre eux peuvent être adaptés en fonction de la struc-
ture à contrôler.
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Dans un tel cas, il est très important de réduire au
maximum les pertes induites par les micro-coubures communi-
quées à la fibre optique. Pour réduire autant que possible
ces micro-coubures, on exerce une certaine tension sur la
5 fibre optique 7 en fixant un poids à chacune de ses extrémi-
tés pour la maintenir aussi rectiligne que possible. Toute-
fois, on a pu constater que ceci n'était pas suffisant et on
a constaté que des micro-coubures sont produites par les
fibres de renfort noyées dans la matrice du composite.
10 En effet, comme on l'a mentionné dans l'exemple qui
précède, la matrice du transducteur 1 ou 11 est formée de
feuilles de filaments continus de renfort parallèles enduits
de la résine de la matrice, les orientations de ces fila-
ments de renfort étant croisées avec des angles de 90°.
Toutefois, comme on peut s'en rendre compte sur cet exemple,
plus on se rapproche de la fibre optique 7, plus le nombre
de couches avec filaments de renfort orientés parallèlement
à la fibre augmente. On a en effet pu constater qu' en aug-
mentant la proportion de couches à filaments de renfort
parallèles à la fibre optique 7 dans le voisinage immédiat
de celle-ci, on réduisait les micro-courbures sur cette
fibre optique et par la même occasion, on diminuait les
pertes, ce qui permet d'augmenter le nombre de transducteurs
qui peuvent être disposés le long d'une même fibre optique.
A titre de variante, on peut aussi utiliser l'interfé-
rométrie pour effectuer la mesure de contrainte. Dans ce
cas, on mesure l'interférence des signaux lumineux parcou-
rant deux fibres optiques, l'une soumise à la contrainte à
mesurer, l'autre une fibre optique de référence.
Enfin, un même transducteur pourrait encore être tra-
versé par deux fibres optiques disposées de part et d'autre
de la fibre neutre du transducteur, pour mesurer une com-
pression à l'aide de l'une d'elles et une traction avec
l'autre.
