Capteurs à fibres optiques - Quelles solutions pour la mesure en aéronautique ?

01/09/2017
Auteurs : Marc Turpin
Publication REE REE 2006-2
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-2:19748
DOI :

Résumé

Capteurs à fibres optiques - Quelles solutions pour la mesure en aéronautique ?

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	    <date dateType="Updated">Fri 1 Sep 2017</date>
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Dossier 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ Capteurs à fibres optiques Quelles solutions pour la mesure en aéronautique ? Mots clés Fibresoptiques, Capteurs, Contrôlestructural intégré Marc TURPIN, CEDIA Innovations Introduction Les aéronefs intègrent de plus en plus d'éléments structuraux en matériaux composites. Les remarquables propriétés de résistance mécanique de ces matériaux, associées au gain de masse lié à leur emploi en lieu et place de matériaux métalliques usuels, justifient pleine- ment cette orientation technologique, satisfaisant aux critères sécuritaires et économiques. Les modifications structurales impliquent d'adapter les moyens de mesure et de contrôle, qu'ils soient nécessaires à l'exploitation de l'aéronef ou qu'ils intègrent une chaîne de maintenance prévisionnelle, incluant par exemple le contrôle de santé structurale. (liaisons multiples, connexions...) si des techniques de multiplexage adaptées ne sont pas implémentées. L'approche capteur à fibre optique (CFO) offre, sur le principe, un nombre d'avantages certains en tennes de mesure et de transmission des données. Ces avantages sont inhérents aux propriétés intrinsèques des fibres optiques, qu'il s'agisse des propriétés géométriques, mécaniques ou rhéologiques. Les techniques de mesure et de contrôle par fibres optiques sont largement abordées dans les conférences dédiées aux techniques de contrôle de santé structural (Structural Health Monitoring, par exemple) ; elles repré- sentent en moyenne plus de 40 % des publications. L'approche capteur à fibres optiques Les principaux attendus de l'instrumentation des structures sont d'ordre sécuritaire et économique : une augmentation significative de la fiabilité système. et une réduction non moins significative des coûts de maintenance. Les matériaux mis en ceuvre, les dimen- sions, les conditions et les impératifs opérationnels sont autant de paramètres caractéristiques des structures qui autorisent ou non l'emploi de tel ou tel type de capteur. La masse, l'encombrement et les propriétés de tenue à l'environnement des capteurs, la transmission des don- nées et l'interfaçage structure-système d'analyse sont des facteurs bien souvent limitants. De plus, dans la plupart des cas, l'instrumentation d'une structure requiert un ensemble de capteurs (mesures multiples, découplage des grandeurs d'influence...), ce qui peut entraîner une densification et une complexification non négligeable Les fibres optiques Les fibres optiques se déclinent sous différentes formes qui diffèrent essentiellement par les matériaux qui les constituent et par leur conditionnement. Des maté- riaux utilisés dépendent les propriétés optiques et rhéolo- giques ; le conditionnement primaire permet quant à lui d'adapter l'emploi de la fibre à son environnement immé- diat. Les fibres optiques les plus courantes sont en verre de silice (avec différents dopants) et sont protégées par un revêtement primaire en époxy-acrylate et en polyimide. On distingue deux grandes familles : les fibres multi- modes dont le diamètre du coeur varie de 50 pm à typi- quement 1 mm, et les fibres monomodes caractérisées par un diamètre de coeur de 5 à 10 tm et un diamètre hors protection de 80 ou 125 J.lm. Avec le revêtement de ESSENTIEL Cet article rappelle lesbaseset le potentiel de l'instrumentation par capteursà fibres optiques. Lestechniquesabordéessont limi- tées à celles qui semblent les plus adaptéesaux contrôles et aux mesures en mode largementmultiplexé et intégrable, en particu- lier sur ou dansdes structurescomposites. SYNOPSIS This paper deals with optical fibre sensors basis and potential. Technicaldescriptionare limited to sensor conceptswhich appear relevant for measurement and monitoring of composite structu- res, keeping in mind the capabilitiesof suchsensorsto be embed- ded and multiplexed. REE N02 Fevrier2006 Dossier 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ protection primaire le diamètre d'une fibre standard reste inférieur à 250 J.lm. Suivant les utilisations, d'autres types de fibre peuvent être préférés : plastique pour les transmissions à courte distance et à faible débit, chalcogénure pour les transmis- sions en infrarouge, ou encore saphir pour une utilisation, sur quelques mètres, à très haute température (2000° C). Il en est de même pour les revêtements primaires : époxy- acrylate, polyimide, carbone et divers métaux comme l'or ou l'aluminium. Les fibres optiques à base de silice présentent des atténuations du signal remarquables dans le proche infrarouge (bandes 0.8, 1,3 et 1,55 mm), ce qui permet, pour la quasi-totalité des applications capteur, de déporter les signaux sur des longueurs de plusieurs centaines de mètres sans aucune difficulté et/ou de réaliser des réseaux de capteurs largement déployés. A cette propriété essentielle il faut ajouter un avantage propre aux fibres optiques : l'isolation galvanique et l'insensibilité aux per- turbations électromagnétiques, liées à la nature diélec- trique des matériaux utilisés. Les tableaux ci-contre regroupent les paramètres et les caractéristiques propres aux fibres optiques. Les capteurs à fibres optiques La fibre optique est par définition la base commune à l'instrumentation CFO. Sa fonction est double : transmet- tre l'information optique codée (modulée) par les capteurs, et participer directement ou indirectement au mécanisme de transduction. Cette double fonction implique que la même fibre optique soit à la fois sensible et insensible au mesurande ! Cette dualité n'est évidemment possible que si au moins un des paramètres caractéristiques de l'onde lumineuse guidée dans la fibre peut être affecté loca- lement. Il est donc nécessaire de réaliser des zones " capteur " par ajout d'un élément sensible, ou par une modification localisée de la structure guidante ou des pro- priétés intrinsèques de l'onde guidée. Ces deux approches génériques conduisent aux dénominations respectives de capteurs extrinsèques ou intrinsèques, généralement rencontrées dans la littérature. Si on considère par exemple une mesure de pression en un ou plusieurs points distincts répartis sur un appareillage ou un site industriel, des capteurs de type extrinsèques intégrés en bout de fibre optique sont certainement les plus adaptés. Dans cet exemple, les différentes liaisons à fibre optique peuvent être aisément interconnectées pour constituer un réseau de capteurs ponctuels, et les mesures peuvent être déportées via une seule ou plusieurs fibres optiques vers l'unité centrale de traitement. Typedefibre Multimode Monomode Diamètres Cur-gaine 501125,um 62,51125 Mm Nbxdiamètresdecoeur 0,1... > 1 Mm Coeur. 5 à 10pm Gaine. 125 pm : 80 MM Revêtementprimaire époxy-acrylate polyimide carbone métal époxy-acrylate oplyimide carbone métal Tableau 1. Dimensions et revêtements usuels et,pécifiques. Type de fibre Multimode silice Monomode (silice) Multimode plastique Chalcogénure Saphir Atténuationdusignal Pourlesfibres501125et62,51125 850 nm. < 3 dblkm 130onm. 1 i " panda " " bow-tie " Figzrre 3. Strzctur-es et dénominations des principales ftbres optiues à maintien de polar-isatior7 linéaire. ces de réfraction effectifs vus par l'onde optique : la fibre optique est alors monomode au sens spatial du terme et bimode au sens de la polarisation. Les principaux paramètres caractéristiques des fibres biréfringentes sont rapportés dans le tableau ci-dessous. La biréfringence est le plus souvent quantifiée par la lon- gueur de battement Lb : longueur de fibre correspondant à un déphasage de 2 radians entre les modes de polarisa- tion. Paramètre Biréfringence B- In,-n, tongueur de battemelt Lb IB Valeurstypiques 2x 10, 10 là 5 mm Tableau 5. Caractéristigues principales des fibres biréji-ingentes. Comme pour les fibres standard, les fibres biréfrin- gentes peuvent être utilisées comme ligne de transmission ou comme capteur. Les fibres biréfringentes sont aussi utilisées comme capteurs intrinsèques. Elles constituent alors des polarimètres ou des interféromètres modaux, dans lesquels les deux axes de propagation sont assimi- lables aux deux bras d'un interféromètre de Mach- Zehnder. Dans un tel interféromètre, les longueurs des "bras" restent bien évidemment égales et, en conséquence, seule la variation de biréfringence due à l'action du mesu- rande entraîne un déphasage. Une fibre biréfringente constitue donc un interféromètre à deux ondes avec réjec- tion intrinsèque de mode commun supprimant la notion de bras de référence. Pour disposer de deux "bras " indé- pendants on utilise des sources optiques à faible cohérence. Après quelques centimètres de propagation, les deux modes de propagation, suivant les directions x et y, sont incohérents et ne peuvent interférer. A la sortie de la fibre (du capteur) un interféromètre accordable est utilisé pour compenser le déphasage induit et décoder l'information. Ces systèmes capteurs sont communément appelés capteurs interféro-polarimétriques large bande. Une propriété importante de ces capteurs adressés en faible cohérence est de permettre un découpage de la fibre optique en une suite continue de segments capteurs indépendants les uns des autres. La méthode consiste à créer des points de couplage de polarisation répartis le long de la fibre. Sous réserve de réaliser des couplages faibles (quelques % en amplitude), on obtient un ensemble d'ondes décorrélées dont les déphasages relatifs, une fois décodés par l'interféromètre de lecture, sont les signatures des points de couplages. Deux variantes de ce type de capteur sont à considérer. La première consiste à réaliser la distri- bution de points de couplage a priori pour dis-poser de n capteurs répartis selon un schéma d'implantation prédéfini. Les mesures indiquent alors la valeur moyenne du mesu- rande intégrée sur la longueur de chaque capteur. REE NO 2 Fevrier2006 Capteurs à fibres optiques La seconde variante consiste à mettre en place la fibre capteur sans points de couplage. Dans ce cas la mesure consiste à localiser et à dénombrer des points de couplage pouvant apparaître en fonction du temps. Ces points de couplage sont alors représentatifs de modifications locales de l'environnement immédiat de la fibre. Un exemple d'application est le contrôle in-situ de l'état de santé de structures composite soumises à des sollicitations exter- nes, telles que des vibrations ou des impacts, susceptibles d'induire des dommages internes irréversibles. L'analyse interférométrique de la fibre fait apparaître des signatures localisées de ces dommages. .--- ".-.-- : : R''a ' ' " S''' "' ;' " " .t'M4K'.'-''-.-- .'- ! ; - ! MSA- ! fmK 'K : K ,n1. 2s. \.aGai(; :' ;ii : ; li-' : M2t ! lHir ? f : i ; ; 11ifii "....r.. - .- lk:h·-V`Tlt h ·a: K --- - " t* ".. .1. Figiit-e 4. Ré,çeaii cle capielirs en c-oitrs d'intégi-ation dans iine sti,iictiti-e cotilposite saticli,,ich polir iéi-onef. Variation de longueur d'onde : Cette approche présente un fort potentiel en termes de multiplexage, en particulier pour la constitution de réseaux comportant un nombre important de capteurs (> 20), et pour l'adressage et la lecture en mode mas- sivement parallèle. Un second avantage est le caractère absolu de longueur d'onde par rapport à celles précédem- ment citées : intensité, phase et polarisation. Les mécanis- mes de transductions exploitables permettent là encore de réaliser des capteurs extrinsèques et intrinsèques. Pour les plus simples, les capteurs extrinsèques sont généralement constitués d'un élément sensible placé en extrémité de fibres multimodes ou monomodes, par col- lage, ou micro-encapsulation. Les principales applications concernent la mesure de la température : mesure de la réflectivité spectrale d'un élément semi-conducteur (variation du gap en fonction de la température), mesure des variations relatives de raies d'émission ou décrois- sance temporelle de matériaux fluorescents et/ou phos- phorescents. Deux types de capteurs nous semblent particuliè- rement adaptés aux mesures de déformations dans le domaine des matériaux composites : les micro cavités- Fabry Pérot et les réseaux de Bragg photo inscrits sur fibre. Micro-cavités Fabry Pérot (EFPI) Ces capteurs interférométriques à ondes multiples sont obtenus en réalisant, une cavité semi-réfléchissante en extrémité de fibre. Interrogé en lumière blanche (spec- tre large) la réponse spectrale du Fabry-Pérot est décodée par un montage interférométrique simple et compact de type Fizeau : suivant la valeur du mesurande, le maxi- mum de visibilité du signal interférométrique se déplace sur un détecteur linéaire type CCD. La sensibilité intrin- sèque de ce type de capteur est déterminée par calibrage en comparaison avec des cavités-étalons. Les dimensions de ces capteurs peuvent être extrêmement réduites, leur conférant le caractère peu intrusifrecherché pour l'instru- mentation des structures. La principale application est la mesure de déformations, la sensibilité étant ajustée en fonction de la longueur de jauge L. La résolution typique est de l'ordre de quelques micro-déformations. A noter que l'effet thermique peut être minimisé en uti- lisant un assemblage de matériaux de coefficients de dilatation opposés. 1 '-0 () [111 1 "' : : 1 ) 11'- iiii Figtii-e 5. Cctl ? teiii- à iiiici-ocaité 1-'Ëibi-i ? -Pé ; -oi : ci) Sc,,héiiiade principe d'une sonde. Réseaux de Bragg photo inscrits Les réseaux de Bragg sur fibre (FBG : Fiber Bragg Gratings) agissent comme des réflecteurs sélectifs en lon- gueur d'onde. L'illumination transverse du coeur de la fibre par projection de lumière UV structurée entraîne une modification périodique de l'indice de réfraction effectif n du coeur. La période spatiale A de cette modula- tion d'indice rémanente est ajustée lors de l'inscription pour accorder le réseau à une longueur d'onde particulière : la longueur d'onde de Bragg, notée ,0, est donnée par la relation : A - 2 nA uwi p- ---1 iaïâo SNN HT -> RcUexu'n <= Figure 6. Schéiiia de pi-iiicipe (,lit foi7ctioiiiieiiieiit d'iiii i-é.eait de Bi-igg illiiiiiiiié à pai-tii- d'tiiie,oitrce ol) liclile lai-ge laiide. REE N 2 Fevrier2006 Dossier 1 1 LE CONTRÔLE DE SANTÉ STRUCTURALE INTEGRÉ Température Déformationlongitudinale Si= 10 Pm/'C S, 1,2 pm/pF, Ttibleait 6. Seiisibilités intriiisèqlies des réseaiiic de Bi-agg. Pour la longueur d'onde moyenne de 1550 nm (bande C), les sensibilités intrinsèques des réseaux aux mesurandes température et défonnation sont rapportées dans le tableau ci-dessus (ces valeurs sont moyennes, elles diffèrent légè- rement suivant le type de fibre optique utilisée). Ces dernières valeurs de sensibilité mettent en évi- dence un effet prépondérant de la température. Pour la plupart des applications, il conviendra donc de découpler les effets thermiques par une mesure spécifique de la tem- pérature. A titre d'exemple simple, la mesure de déforma- tion d'un élément de structure peut être obtenue de manière non ambiguë avec un minimum de deux réseaux Bragg : suivant cette approche un réseau est solidaire de la struc- ture (intégration ou collage), le second est placé à proxi- mité immédiate du premier et conditionné pour rester libre de toutes contraintes mécaniques. Dans un réseau de capteurs, chaque capteur de Bragg C, est caractérisé par une longueur d'onde centrale À ; et une largeur spectrale ô,i : une pluralité de capteurs peut être répartie sur une même fibre optique et constituer un réseau de capteurs multiplexé en longueur d'onde (WDM). La condition discriminante à respecter est le choix des longueurs d'ondes qui doit garantir leur non- recouvrement sur l'étendue de mesure. A noter que sui- vant la topologie de réseau adoptée, plusieurs dizaines de capteurs peuvent être multiplexés. FBG 1 et 2 ï "', '----------------.------.----------------........--------.--.--------------_.....__--....-.....--..------------------------------------------------! Figure 7. Cal-letirs FBG Gaiii d'encombi-eiiieiit et de câblage par rapport à des jauges de déformations conventionnelles. Conclusion Les avantages propres aux technologies CFO sont un atout pour la réalisation de capteurs et pour leur implémenta- tion en réseaux multiplexés " tout optique ". En particulier les capteurs intrinsèques permettent une compatibilité CEM et une isolation galvanique parfaites particulière- ment adaptées aux mesures en milieux perturbés ou à risques explosifs, ainsi qu'à la transmission de signaux faibles sur des longues distances particulièrement appré- ciables dans le cas de mesures multiples de déformations dynamiques quasi statique et de température (rappelons que pour les essais en vol, un gros porteur, c'est typique- ment 2000 capteurs de déformations et plus de 1500 sondes de températures au platine Pt 100 qui sont mis en place). Pour toute problématique de mesure il apparaît important de considérer la maturité des CFO et d'évaluer leur valeur ajoutée par rapport aux technologies de mesures conven- tionnelles, quelquefois peu adaptées aux nouvelles problématiques. Les tableaux ci-dessous synthétisent un ensemble d'éléments pouvant permettre d'orienter une approche CFO. Besoin/Question Apport des CFO Justification, commentaires Miniaturisation intégration Trèsfort Nombreuxcapteursréduitsaux(ouprochesdes)dimensionsde la fibre optique. Accessibilité Transmissiondéport Fort Trèsfort Capteurs(simpleou en réseau)fonctionnanten réflexion : Accès limitéà uneextrémitéde fibre. Trèsfaible atténuationdu signal : fractions de décibelsau km. Connectique Faible Pasd'apportparticulier (analyseau cas par cas).A noter unebanalisation(maturité)importante destechniquesde connexion. Masseajoutée Trèsfort Unkilomètrede fibre optiquestandard " 60 g/km Compatibilité électromagnétique Trèsfort ParfaitesCEM et isolation galvanique :Naturediélectriquedesfibres et caractèreélectriquement passifdescapteurs Multiplicité des points de mesure/multiplexage Trèsfort Unedesspécificitéspropreà l'optique. réseauxmultiplexés(parexemple WDM, TOM) Résolution,précision Faible Pasd'apportparticulier (analyseau cas par cas)par rapportauxautrestechnologiesnonoptiques Etenduede mesure Faible Pasd'apport particulier(analyseau cas parcas)par rapportauxautrestechnologiesnonoptiques. Tableau 7. Potentiel et apport des CFO. REE N 2 Fevi ici 2006 Capteurs à fibres optiques Technologie/ technique Bragg EFPI Interférométrie Réflectométrie Extrinsèque Type de capteur Ponctuel Ponctuel Bases longues Bases langues Ponctuels Capacité de multiplexage Trèsforte DVVDM/ TDM ForteTDM Forteet/ou inhérente Inhérente ForteTDM Principauxmesurandes/commentaires Température,déformation,pressionetgrandeursdérivéessuivantmontages :forces, contraintes... D mensionstransversesminimalesréduitesà cellesde la fibre. Jauges en base longuepossiblessuivantconditionnement. Température,déformation,pressionetgrandeursdérivéessuivantmontages :forces, contraintes...Capteursgénéralementen extrémitéde fibreoptique,Dimensions transversesminimaleslimitéesparleconditionnementprimairedu capteur. Déformations,détectionde défautsstructuraux... température.Mesures intégrales ou bienintégréesparsegment en configurationbase longue. Interféromètreà deux fibresou polarimètre (unefibrebiréfringente).Compatibilitéavec lesréseaux de Bragg,en particulierpouraccroîtrelacapacitéde multiplexage Température,déformations.Détectionlocaliséed'événementsou de grandeurs. déformations,ph,indicede réfraction,hydrométrie... Possibi ! itéde trèsgrandes longueursde jauge (km), Trèsgrandediversitéde mesurandesetde techniquesde codage. longueurd'onde, intensité,polarisation, phase Tableali 8. Qiielqites données comparées, caractéristiques des principales techniqlies CFO. Références D. BALAGEAS, "Le contrôle de santé de structure intégré' Systèmes et microsystèmes pour la caractérisation, C212001, vol 2, Hermes Science Publication, p. 17-13. M. BUGAUD, P FERDINAND, V. DEWYNTER-MARTY, " Capteurs à fibres optiques pour les composites plastiques : Perspectives pour l'allègement des véhicules ",Congrès SA " Allègement du véhicule ",mars 1997, Paris. M.TUFTURPIN, T ROUGIER, Ph, BONNIAU, "Détection de domma- ges dans les structures composites par intégrationde capteurs à fibre optique ",Actes du colloque Méthodes et techniques L'auteur MarcTURPIN est Ingénieur en physiqueet métrologie (CNAM, Paris)Depuisl'année2000,ilestconsultantindépendanten Instru- mentation avancée,spécialisédans le domaine des capteursà fibresoptiqueset des technologiesopto-électroniques connexes, Cetteactivité fait suiteà quinzeannées de R&D dans ledomaine des fibresoptiqueset capteursau sein du Laboratoirecentral de recherchedeThomson-CSF (Thaïes)età cinqannées de déve- loppements industrielschez Bertin& Cie. optiques pour industrie,Biarritz,France, 2000. M. TURPIN (et a !.),"Contrôle de santé Structurale",Instrumenta- tion, Mesure, Métrologie, RS Série 12M Volume 3 - nol-2/2003 Hermes Lavoisier. REE No 2 Fevrier2006