Contribution à l'optimisation des mesures de température et de déformations par capteur à fibre optique à réseau de Bragg : application au procédé de fabrication des composites par infusion de résine

Contribution to temperature and strain measurement optimization using optical fiber bragg gratting sensor : application to composite fabrication process by resin infusion

• Auteur / Autrice : Mustafa Demirel
• Direction : Alain Vautrin, Jean-José Orteu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et ingéniérie
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Saint-Etienne, EMSE

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déformations (mécanique)

Thermométrie

Capteurs (technologie)

Composites

Résumé

Dans une première partie, nous rappelons que les procédés de fabrication de matériaux composites peuvent être suivis avec l’emploi de capteurs à fibre optique à réseau de Bragg (FBG) mesurant la température et la déformation in situ au coeur des matériaux. Dans une seconde partie, nous détaillons le principe et la physique du capteur FBG ainsi que ses différentes sensibilités. La métrologie du capteur FBG est traitée dans le but d’optimiser les incertitudes de mesure associées. Celles-ci interviennent à différents niveaux de la chaîne d’acquisition : au niveau du matériel d’interrogation, du traitement du spectre acquis, ou de l’étalonnage. Pour améliorer le traitement du spectre brut du FBG, nous évaluons les incertitudes découlant de l’échantillonnage, des conditions d’acquisition et des méthodes de recherche ou des modèles mathématiques d’ajustement. Concernant l’étalonnage, un banc de micro-traction mécanique de fibre optique et thermique a été réalisé dans le but d’étalonner les capteurs. Des spécificités du capteur comme la non-linéarité des réponses, la sensibilité croisée et la dérive thermique sont abordées. Puis, nous présentons ce qui est observé lorsque la fibre est introduite dans le matériau par rapport à l’arrangement des capteurs dans l’environnement de composite. L’intrusivité de la fibre optique sera évaluée en fonction de plusieurs paramètres en vue d’être réduite. Il est également question du découplage de la température et de la déformation car le capteur est sensible aux deux grandeurs. Une revue documentée des différentes techniques de la littérature est proposée. Parmi les techniques de découplage, deux sont retenues : celle qui combine un thermocouple et un FBG, et celle basée sur des réseaux de différentes longueurs d’onde superposés sur une même fibre. Le capteur FBG est appliqué au suivi déformation/température lors de la cuisson de résines époxydes utilisées dans les composites. Enfin, les capteurs FBG sont introduits dans le procédé de fabrication de composite à infusion de résine LRI (Liquid Resin Infusion) afin de suivre les cycles de températures et de déformations au cours de la cuisson. La dernière partie traite de la mesure de Gradient de température ou de déformation à partir de la réponse complète du capteur de Bragg. Une méthode d’identification de gradient s’inspirant de la méthode directe dite de T-Matrix permettant de simuler les spectres est proposée. Après avoir validé la méthode de chemin inverse sur des cas purement numériques, l’identification des gradients est testée sur des moyens expérimentaux permettant d’appliquer un gradient thermique ou mécanique au capteur FBG.

In the first part, we point out that composite material processes can be monitored thanks to optical fiber Bragg grating sensors (FBG) embedded into the material for strain and temperature measurement. In the second part, the principle and physics of FBG sensors and their sensitivity are detailed. FBG sensors measurements are analyzed in order to optimize measurement uncertainties. These uncertainties can be induced by several factors : the system used for signal acquisition, the method used to analyze the FBG spectrum, the FBG calibration step. In order to improve the FBG spectrum analysis, we have estimated the uncertainties induced by sampling, acquisition conditions, and evaluated different mathematical models and fitting methods. In order to achieve an accurate calibration of the sensor, an experimental bench permitting to apply a mechanical tension to the optical fiber under a thermally controlled environment has been developed. Some sensor characteristics like non-linearity, cross sensitivity and thermal drift have been also studied. Optical fiber intrusivity is studied. The results based on the observation of the optical fiber introduced in the composite host material and especially the carbon fiber organizations around FBG sensor are presented. FBG sensors are sensitive to temperature and strain simultaneously. A bibliographical review of different methods for strain/temperature discrimination is proposed. Two solutions have been selected and developed in our work : the first one is based on the use of a thermocouple associated to the FBG, and the second one is based on two Bragg gratings superposed at different wavelength on the same fiber. These solutions have been firstly evaluated for strain and temperature monitoring during the epoxy resin conversion. Secondly, FBG sensors have been used within the composite fabrication by resin infusion process known as LRI (Liquid Resin Infusion) in order to monitor the temperature and strain cycle during the cure. The last part of the document deals with the study of strain and temperature gradients (non homogenous parameters along the fiber) based on the analysis of the whole FBG spectrum. A gradient identification method inspired by the T-Matrix direct method, which computes simulated spectrums, is proposed. The identification method has been validated firstly on numerical cases, and secondly by experimental work thanks to a setup specially designed to apply thermal or mechanical gradients along the sensor.