Développement d’un capteur à fibre optique à base de réseaux de Bragg superposés de courtes et de longues périodes : application à la mesure discriminée de température et de déformation

par Sébastien Triollet

Thèse de doctorat en Optique Photonique Hyperfréquences

Sous la direction de Youcef Ouerdane et de Emmanuel Marin.

Le président du jury était Pierre Ferdinand.

Le jury était composé de John Botsis, Dominique Leduc, Laurent Robert, Alain Vautrin.


  • Résumé

    [Les capteurs à fibres optiques présentent des qualités intéressantes en termes de tailles et de poids relativement faibles qui permettent de réduire l'intrusivité du capteur dans le matériau (ou dans la structure composite). Ils sont également insensibles aux perturbations électromagnétiques, stables et durables dans le temps, mais aussi sensibles à plusieurs sollicitations comme la température, la déformation et la pression, d'où un besoin essentiel de les discriminer. Parmi eux on distingue les réseaux de Bragg : ceux à courtes périodes (FBG : Fiber Bragg Grating) et ceux à longues périodes (LPG : Long Period Grating). Le travail de thèse reporté dans ce manuscrit, traite du développement d'un capteur à fibre optique basé sur la superposition d'un LPG et d'un FBG afin de mesurer et de discriminer la température et la déformation. De nombreuses approches sont proposées dans la littérature afin de découpler ces deux sollicitations cependant elles ne permettent pas forcément une utilisation en conditions réelles de mesures. C'est pourquoi nous introduisons la notion d'efficacité de découplage avec le paramètre E qui permet de comparer toutes ces approches et met en évidence un très bon potentiel pour la structure à base de réseaux superposés LPG/FBG. La mise en œuvre d'un tel composant est décrite dans ce manuscrit et consiste à inscrire initialement le LPG puis le FBG au même endroit et sur toute la longueur du LPG. De plus ce type de structure permet un multiplexage qui, bien que faible, est néanmoins possible. Les étalonnages en température et en déformation du capteur ont permis de mettre en évidence une erreur de l'ordre de 2% sur la sensibilité à la température et de 3% sur la sensibilité à la déformation, ce qui conduit à une erreur sur l'estimation de la température et de la déformation mesurée de l'ordre de 0.3°C et 3 microdef. Dans un souci applicatif, le capteur à base de réseaux de Bragg superposés est tout d'abord utilisé pour instrumenter une structure métallique soumise simultanément à une variation de température et de déformation. Les valeurs mesurées présentent une incertitude maximale de 0.4°C pour la température et de 3 me pour la déformation ce qui permet de valider notre composant pour le contrôle et la surveillance de structures métalliques. La seconde application étudiée est relative à l'instrumentation de pièces composites stratifiées de type verre/époxy pour le suivi de procédés d'élaboration par voie liquide : VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) et LRI (Liquid Resin Infusion), pour lesquels l'évolution de la température et de la déformation au cours du procédé est suivie par le capteur à base de réseaux de Bragg superposés LPG/FBG. Des mesures diélectriques (DEA) sont également réalisées au cours de ces procédés et permettent la comparaison et la validation de nos résultats]

  • Titre traduit

    [Development of an optical fiber sensor based on superimposed fiber Bragg and long period gratings] : [application to the discriminate measurement of temperature and strain]


  • Résumé

    [Optical Fibre Sensors present some interesting qualities when considering its size and weight relatively light, which lead to a low intrusivity of the sensor in a material (a composite structure). These sensors are insensitive to electromagnetic phenomenon, stable and long lasting with time, but sensitive to several solicitations such as temperature, strain and pressure hence a real need of discrimination. Among these sensors, we may discern the Bragg gratings: the Long Period Grating one (LPG) and the Fibre Bragg Grating (FBG) one. This thesis work reports the development of an optical fibre sensor based on two superimposed Bragg gratings: LPG and FBG for measuring and discriminating temperature and strain. Several studies are reported in literature without getting a real condition use. That's why we propose a parameter E, which stand for the discrimination efficiency leading to a possible comparison of the existing techniques and highlight the quite good potential of superimposed Bragg gratings. The settings of such a structure are given in this thesis report and consist in writing LPG first, then FBG over the entire length of the LPG, which also gives multiplexing possibilities. Strain and temperature calibration steps give sensitivities errors of 2% for temperature and 3% for strain, which lead to estimated errors on measured strain and temperature of 0.3°C and 3 microstrain respectively. In an application point of view, the sensor has been used for the instrumentation of a metallic structure subjected to a variation of temperature and strain applied simultaneously. The results exhibit a maximum error of 0.4°C and 3me for temperature and strain respectively, which is a good validation of the sensor for structural control and monitoring purpose. The second studied application is about instrumentation of glass/epoxy composite specimen for monitoring manufacturing processes: VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) and LRI (Liquid Resin Infusion), for which temperature and strain have been monitored with the superimposed Bragg gratings based sensor. Dielectric analyses have also been performed during those processes in order to compare and validate our results]


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Informations

  • Détails : 1 vol. (225 p.)

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  • Bibliothèque : Ecole des Mines d'Albi. Centre de documentation.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : M230-TRI
  • Bibliothèque : Université Jean Monnet. Service commun de la documentation. Bibliothèque électronique.
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