Les capteurs à réseau de Bragg

Le 13/04/2018 à 13:30

L devraient continuer à se démocrati a fibre optique ne sert pas qu'à faire transiter de l'information sous forme lumineuse. Elle peut également servir de capteur de mesure. Différents systèmes existent, mais le plus courant est le capteur à réseau de Bragg, ou FBG ( Fiber Bragg Grating ). « Cette technologie est encore méconnue, observe Emmanuel Roset, ingénieur marketing chez National Instruments. Auparavant, elle était plutôt réservée aux laboratoires. » Mais depuis environ cinq ans, les fabricants observent une croissance des demandes d'applications industrielles. Les capteurs FBG permettent de mesurer différentes grandeurs physiques, comme la déformation ou la température, et sont adaptés à de nombreux secteurs d'application. Ils présentent des avantages spécifiques, liés à la fibre optique. Et leur prix, ainsi que celui des interrogateurs associés, se démocratise petit à petit, les rendant compétitifs par rapport à d'autres technologies.

Tout comme les jauges de contraintes piézoélectriques classiques, les capteurs à réseau de Bragg mesurent des défor-mations. Mais à partir d'une déformation, de nombreuses autres grandeurs physiques sont accessibles. On peut ainsi exploiter les capteurs FBG pour mesurer un déplacement, une accélération, une inclinaison, ou encore une force. Tout dépend du montage: pour mesurer une déformation, il suffit de fixer le capteur sur une surface. « Lorsque l'on veut mesurer une inclinaison, on colle le réseau sur une lame métallique au bout de laquelle est montée une masse sismique, explique Patrick Rey, chef de produits Fibre optique chez Scaime. Ainsi,la lame se déforme lorsque le système est penché. » Le principe est le même pour mesurer une accélération. Bien sûr, « le capteur obtenu est très volumineux par rapport aux accéléromètres classiques, prévient Loïc Guérin, responsable des applications Fibre optique chez HBM. De tels capteurs sont adaptés au génie civil, mais pas àl'ins-tallation dans une voiture. » Installés sur une membrane, les réseaux de Bragg peuvent mesurer une pression. « Avec de l'imagination,on peut presque tout mesurer », estime Marc Demurger, directeur géné-ral de Ligth Guide Solutions (LGS). L'entreprise a par exemple réalisé un système de mesure du pH de l'eau, à partir d'un revêtement sensible à ce paramètre, qui se dilate ou se contracte. Un réseau de Bragg est gravé à même la fibre optique: il s'agit d'une succession de tranches ayant un indice de réfraction différent du reste de la fibre. Ce système a pour propriété de réfléchir une longueur d'onde spécifique, tout en laissant passer les autres. C'est cette propriété qui est exploitée pour les mesures. En effet, la longueur d'onde réfléchie dépend du pas du réseau. Ainsi, si le capteur est étiré ou com-pressé, la longueur d'onde qu'il réfléchit varie, et il est possible d'en déduire la déformation. Mais la fibre optique est également sensible à la chaleur: une variation de température modifie son indice de réfraction. Le chemin optique de l'onde lumineuse est donc modifié, ainsi que la longueur d'onde réfléchie par un réseau donné. C'est ainsi qu'un capteur à réseau de Bragg peut servir à mesurer une température, « avec une sensibilité au centième de degré Celsius », précise Paul Coudray, dirigeant de la société Kloé.

Différents procédés de fabrication

Les réseaux de Bragg, utilisés comme capteurs, sont un motif gravé sur une fibre optique. Plusieurs procédés de fabrication existent pour cela. Le plus courant consiste à retirer la gaine plastique d'une fibre télécom classique, et de graver le réseau à l'aide d'un laser. « Le cœur des fibres optiques est dopé en germanium,ce qui le rend sensible aux rayons ultra-violets, explique Jacques Miéville, chargé de produits chez Micron Optics. Un laser excimer détériore ce dopage de façon permanente,change les propriétés physico-chimiques du verre, et donc son indice de réfraction. » Suite à cette opération, la fibre optique est dotée d'une nouvelle gaine. « Ce procédé permet d'obtenir une réflectivité de 80 à 90%.Mais l'inconvénient est qu'il fragilise la fibre, précise Marc Demurger, directeur général de Ligth Guide Solutions (LGS). Si l'on maîtrise mal l'hygrométrie ou le taux de poussières,sa tenue mécanique peut être divisée par cinq ou dix. » Le réseau peut également être gravé au moment de la fabrication de la fibre optique, avec un système de tour d'étirage. Si ce procédé préserve la tenue mécanique de la fibre, il génère une réflectivité moindre, jusqu'à 30% seulement. « Cela pose des contraintes au niveau du câblage sur site, prévient Marc Demurger. Il faudra beaucoup de puissance de la part de l'interrogateur ». L'entreprise allemande Femto Fiber Tec propose, quant à elle, des réseaux de Bragg gravés selon sa propre méthode, à l'aide d'un laser femto-seconde (aux impulsions très courtes).

« Avec ce procédé,il n'y a pas besoin de retirer la gaine, précise le directeur général de Ligth Guide Solutions qui fabrique une partie de ses capteurs à partir de réseaux fournis par la firme allemande.

On conserve les propriétés de la fibre en termes de tenue mécanique,tout en obtenant une réflectivité de 80 à 90%. » Femto Fier Tec avance également une tenue en température au-delà de +1000°C.

Les capteurs à réseau de Bragg sont sensibles à la déformation. Selon le montage, on peut donc les employer pour mesurer une inclinaison, une accélération, une pression et bien d'autres grandeurs physiques encore.

Micron Optics

Compenser la température

Il en découle « un des gros points noirs des réseaux de Bragg , alerte Loïc Guérin (HBM). Un réseau mesure la déformation, mais aussi la température. C'est un avertissement que nous répétons continuellement à nos clients. » Pour éviter une telle dérive, il n'est pas possible d'effectuer un montage en pont ou en demi-pont, comme avec les jauges classiques.Alors pour ne pas fausser une mesure de déformation, de nombreux capteurs intègrent deux réseaux: l'un, de longueur fixe, dédié à la mesure de température, et l'autre des-tiné à mesurer la déformation. Ces deux informations permettent de soustraire l'influence de la température sur la mesure pour déduire la déformation seule.Mais cela n'est pas toujours nécessaire, et certains capteurs de déformation ne proposent pas cette fonction.

Dans les environnements où la température varie peu, son influence peut être négligeable. « Pour une variation mécanique d'un micromètre par mètre,nous allons observer une variation de la longueur d'onde réfléchie d'environ 1 picomètre, illustre Loïc Guérin. Pour la température, il faut compter environ 10 pm par degré Celsius. »Lanéces-sité de compenser dépend alors de l'ordre de grandeur de la valeur àmesu-rer. « Pour une déformation de 3 000 micromètres par mètre, on obtient une variation de longueur d'onde d'environ 3 000 pm. Dans ce cas, une variation de température de quelques degrés peut être négligeable », détaille-t-il. L'incertitude de mesure et le rapport signal/bruit nécessaires pour l'application détermineront alors la nécessité, ou non, de mesurer la variation de température.

Comparés aux jauges classiques,les capteurs FBG présentent plusieurs avan-tages. En termes de montage, ils permettent de simplifier les câblages. Comme chaque capteur ne réfléchit qu'une longueur d'onde précise, le reste de la lumière peut passer. Alors qu'une jauge piézoélectrique nécessite un câblage individuel, il est donc possible d'installer les FBG en série, tant que chacun est accordé sur une longueur d'onde différente. « Il est ainsi facile de mettre une quinzaine de capteurs sur une même fibre optique », précise Patrick Rey (Scaime). L'entreprise Kloé a fait de cet avantage sa spécialité et propose des systèmes comptant jusqu'à une centaine de capteurs sur une même fibre, si la température varie peu.Autre avantage, la fibre optique peut couvrir de longues distances: « jusqu'à 1 kilomètre sans problème, affirme Loïc Guérin (HBM). Au-delà,le signal subit des atténuations, et le rapport signal/bruit peut devenir problématique ».

µdéf.: microdéformations. FO : fibre optique. n.s.: non spécifié. PE : pleine échelle. (1) Sur composites. (2) Avec compensation de température. (3) Précision respectivement à court et long terme. (4) Linéarité. (5) Répétabilité. (6) Déformation. (7) Élongation. (8) Compression. (9) Liste non exhaustive.

µdéf.: microdéformations. FO : fibre optique. n.s.: non spécifié. PE : pleine échelle. (1) Sur composites. (2) Avec compensation de température. (3) Précision respectivement à court et long terme. (4) Linéarité. (5) Répétabilité. (6) Déformation. (7) Élongation. (8) Compression. (9) Liste non exhaustive.

n.s. : non spécifié. (1) Résolution, sauf mention contraire. (2) Étendue de mesure. (3) Bruit. (4) Précision. (5) Répétabilité. (6) Linéarité.

Le principe de mesure des réseaux de Bragg implique de bien choisir les longueurs d'onde réfléchies par chaque capteur lorsqu'ils sont installés en série. Si deux capteurs ont des longueurs d'onde trop proches, elles risquent de se superposer lorsque le capteur est exposé à une déformation ou une variation de température. Le système de mesure ne sera alors plus capable de déterminer de quel capteur provient la longueur d'onde réfléchie. Plus les capteurs seront proches en longueur d'onde, plus nombreux ils pourront être sur une même fibre optique. Pour faire cela, « on peut estimer les variations attendues et faire attention aux écarts de température », conseille Emmanuel Roset (National Instruments). Dans le doute, on compte un minimum de 4 nanomètres de marge entre les longueurs d'onde de deux capteurs. « C'est vrai pour la structure métallique d'un bâtiment, par exemple, précise Jacques Miéville, chargé de produits chez Micron Optics. Pour un matériau composite, où l'allongement est plus important, on comptera plutôt 10 nm ». Contrairement aux capteurs électriques, ceux basés sur fibre optique ne sont pas soumis aux perturbations électromagnétiques. « On peut donc les installer à côté de systèmes à hautes tensions dans une centrale électrique, décrit Emmanuel Roset (National Instruments). De plus, ils sont compatibles avec les milieux explosifs et sont très légers. Ils peuvent donc facilement équiper les avions. » Insensibles à la corrosion, ils sont aussi tout indiqués pour les applications en milieux marins, comme la surveillance de la déformation des coques de bateaux ou les plateformes pétrolières. « Dans ces milieux, les jauges classiques doivent être changées tous les trois mois à un an, précise Patrick Rey (Scaime). L'optique aura donc une plus grande longévité ».

Scaime La fibre optique, avec les capteurs associés, peut être coulée dans du béton pour assurer la surveillance d'une structure.

Scaime

Un vaste champ d'applications

De nombreux domaines d'applications voient donc un intérêt à l'utilisation de ces capteurs. « Le génie civil est le premier domaine où ils se sont implantés, rappelle Patrick Rey. On y trouve des mesures très variées.Outre la déformation,ils sont employés pour mesurer l'inclinaison, sur les piles de ponts ou des barrages.Sur ces derniers,elle peut être couplée à une mesure de niveau d'eau via la pression.L'accélérométrie permet de mesurer les fréquences propres de ces ouvrages d'art,qui sont un marqueur de vieillissement. » Les secteurs pétroliers et gaziers utilisent les FBG notamment pour leur compatibilité avec les milieuxAtex. Ils les utilisent également pour la détection de fuites de gaz sur de longues distances, car celles-ci engendrent une variation de température.

Les industries de l'énergie électrique ou du rail apprécient l'immunité aux perturbations électromagnétiques des FBG, immunité qui permet par exemple un montage proche des caténaires ou des lignes à haute tension. Le diamètre des fibres optiques n'étant que de 250µm, elles peuvent être installées entre deux couches dans les matériaux composites, sans avoir d'impact sur la structure. On les trouvera donc dans l'aviation ou les pales des éoliennes. Les capteurs à ré-seaux de Bragg sont également utilisés en médecine ou dans les géosciences: « nous en avons installé dans le cadre de la surveillance des infiltrations d'eau salée dans une nappe phréatique, ajoute Paul Coudray (Kloé). Cela peut se détecter par des variations de température ».

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Les capteurs à réseau de Bragg mesurent généralement de 6 à 12 millimètres. La fibre optique elle-même affiche un diamètre de 150µm, auxquels s'ajoutent les 50µm de la gaine. Mais en fonction des applications, plusieurs types de montage existent. Les capteurs sont donc conditionnés de façon différente selon les cas de figure. C'est souvent le paramètre qui différencie les gammes d'un fabricant, lorsqu'il propose des produits sur étagère. « Les capteurs peuvent être noyés dans le béton,soudés,collés ou vissés sur une surface », énumère Marc Demurger (Ligth Guide Solutions). Les contraintes ne sont pas les mêmes, et, dans le cas d'une déformation, il faut s'assurer qu'elle soit bien transmise au capteur. Pour la mesure de température, c'est l'inverse: « nous devons éviter la déformation et nous assurer de ne mesurer que la température, explique Paul Coudray (Kloé). La fibre optique peut être nue ou encapsulée,mais nous avons tendance à utiliser un tubule en inox,dans lequel la fibre n'est pas tendue.Cela est généralement étudié au cas par cas avec les clients ».

Les capteurs à réseau de Bragg peuvent être montés en série sans nécessiter de câblage supplémentaire, au contraire des jauges de déformation classiques.

National Instruments

« L'installation est toujours une étape clé », poursuit Patrick Rey (Scaime). Il faut s'assurer de bien mesurer la grandeur physique souhaitée, et de ne pas subir d'influences indésirables, comme le fluage d'un matériau. Il faut également assurer un bon transfert des données: « pour cela,il faut respecter les rayons de courbure de la fibre optique, ne pas trop serrer les colliers plastiques, éviter les angles droits », prévient Patrick Rey. En effet, un câble trop plié peut engendrer une atténuation, voire une perte du signal; généralement, cela est réversible. Même si les fibres optiques sont fragiles, il est rare qu'elles cassent lorsqu'elles sont protégées par une gaine. Le montage sur site peut être effectué par le client lui-même, s'il dispose des compétences nécessaires. Mais généralement, les fournisseurs de capteurs proposent aussi l'installation.

Comme tout système de mesure, les capteurs à réseau de Bragg se différencient également par leurs étendues de mesures. Il s'agit, ici, de la capacité de la fibre optique à s'étendre. « On distingue généralement deux cas de figure , indique Loïc Guérin (HBM). Pour la mécanique conventionnelle, nous proposons des capteurs pouvant mesurer des déformations jusqu'à 3 000 µm par mètre.Pour les matériaux composites, qui ont une plus grande capacité de déformation,il faut se tourner vers des capteurs capables de mesurer jusqu'à 50 000 µm par mètre ».

La température est un paramètre critique également. Différents matériaux peuvent être utilisés pour la gaine des fibres optiques, avec une tenue en température variable. Les fibres en acrylate peuvent monter jusqu'à +90°C. Au-delà, il existe une version en acrylate haute température, capable de tenir jusqu'à +120°C. Pour monter encore plus en température (jusqu'à +250°C), il faut se tourner vers le polyimide. Lorsque ces matériaux sont exposés à des températures supérieures, ils peuvent fondre ou se craqueler.D'autres solutions existent, selon les fabricants. « Nous avons des solutions stables jusqu'à + 450 °C, et nous travaillons sur des fibres optiques capables de tenir jusqu'à + 600 °C. Cela existe,mais le procédé de fabrication n'est pas encore industrialisable », indique Loïc Guérin.

Des solutions sur mesure

« Nous avons même des capteurs pouvant tenir jusqu'à + 850 °C , ajoute Marc Demurger (Ligth Guide Solutions). C'est une application particulière, qui utilise un tube en inox. » « Au-delà de + 1 000 °C, il faut utiliser des gaines métalliques, continue Paul Coudray (Kloé). Il s'agit alors de solutions sur mesure. » Les capteurs résistant à une haute température sont utiles aux applications telles que l'industrie de la chimie, où l'on trouve des réacteurs dotés de points très chauds. Les gaz d'échappement de tuyères impliquent aussi des conditions de température difficiles. L'industrie nucléaire, avec certains réacteurs, ou encore l'aéronautique comptent aussi parmi les clients de ce type de produits.

Pour une partie des applications, les fabricants de capteurs proposent des solutions sur étagère. Capteurs de déformation, de température, d'accélération, ou encore d'inclinaison seront ainsi facilement disponibles. Mais cela présente des limites pour certaines applications. « Lorsqu'il s'agit d'instrumenter une structure comme un pont, une aile d'avion ou une pale d'éolienne, c'est un projet à part entière, explique Loïc Guérin (HBM). Nous demandons au client les zones de déformations qu'il souhaite instrumenter, et nous gravons les réseaux sur la fibre optique aux endroits nécessaires ».

Les capteurs ne constituent qu'un élément du système de mesure. La préci-sion de l'ensemble est en grande partie due à l'interrogateur associé. Cet appareil a pour rôle d'envoyer la lumière dans la fibre optique et de capter les longueurs d'onde réfléchies. Le phénomène à l'œuvre dans les réseaux de Bragg montre une efficacité maximale entre 1500 et 1600nm de longueur d'onde environ. Certains fabricants proposent des interrogateurs qui exploitent toute cette bande, voire plus, jusqu'à 160nm d'amplitude. D'autres utilisent une bande plus restreinte. Ce paramètre a toutefois une influence sur le nombre de capteurs que l'on pourra installer en série.

Plusieurs systèmes permettent de balayer cette bande de fréquence: « il existe trois grandes familles d'interrogateurs, détaille Patrick Rey (Scaime). Les lasers à longueur d'onde variable, les sources à large bande, que l'on fait passer par un filtre pour sélectionner une longueur d'onde donnée, et enfin les systèmes où la lumière réfléchie est redirigée par l'intermédiaire d'un prisme, sur différents détecteurs. » « Les lasers à balayage ont l'avantage d'être concentrés sur une lon-gueur d'onde plus courte, complète Emmanuel Roset (National Instruments). Cela permet de couvrir de très grandes distances, jusqu'à 50 km. On balaye de cette façon toute la gamme de longueurs d'onde nécessaires ».

Le nombre de mesures que l'appareil peut faire chaque seconde est un autre paramètre important. Les fabricants proposent généralement deux gammes, l'une dynamique et l'autre statique. Il faut trouver le bon compromis, car « plus on va vite, plus on perd en précision », résume Loïc Guérin (HBM). Les gammes statiques affichent des fréquences de mesure de 1 à 20Hz, tandis que les dynamiques peuvent mesurer à 2kHz. Les statiques envoient les lon-gueurs d'onde les unes après les autres. Cela permet de mesurer le signal envoyé, pour assurer une meilleure précision. Les modèles dynamiques n'ont pas le temps d'effectuer cette opération, et ils envoient toutes les longueurs d'onde en même temps. « Chez HBM, nous avons fait le choix de vendre les interrogateurs statiques et dynamiques au même prix, explique Loïc Guérin. Ainsi,le coût n'entre pas en ligne de compte, et le client peut choisir uniquement la technologie la mieux adaptée à son application ».

D'autres capteurs sur fibre optique

Les capteurs basés sur fibre optique ne se limitent pas aux réseaux de Bragg. Cette famille compte également les capteurs de type Fabry-Perrot: il s'agit d'un interféromètre constitué d'une cavité optique délimitée par deux miroirs. Les interférences créées par les ondes réfléchies permettent de mesurer la longueur de la cavité. Ce système peut être utilisé dans des microphones, des capteurs de pression ou de température.

Mais il présente l'inconvénient de ne pas pouvoir être monté en série, contrairement aux réseaux de Bragg. Une fibre optique peut aussi être utilisée comme un capteur distribué. Les propriétés optiques de la fibre sont utilisées pour mesurer la température et la contrainte mécanique. Ce type de système peut être étendu sur de longues distances, jusqu'à plusieurs dizaines de kilomètres. Mais sa résolution n'est alors que de quelques mètres. La détection de fuites sur des pipelines ou des gazoducs fait partie des applications possibles.

La qualité de l'interrogateur optique joue un rôle très important dans la précision du système de mesure.

Light Guide Solutions

« Il faut également prendre en compte les performances métrologiques des interrogateurs », conseille Patrick Rey (Scaime). Précision, résolution et répétabilité sont donc à examiner de près. « La résolution standard est de ± 1 pm, indique Marc Demurger (Ligth Guide Solutions). Elle peut être optimisée par du filtrage, mais cela se fait au détriment de la fréquence d'interrogation. » Certains modèles sont pourvus d'un système d'étalonnage interne. Cela offre une meilleure stabilité à long terme. « Une cellule de gaz, dont les raies d'absorption sont connues, sert de référence absolue stable pour la longueur d'onde », explique Jacques Miéville (Micron Optics). À chaque mesure, la longueur d'onde du laser est ajustée en fonction de cette référence. Un capteur de type Fabry-Perrot peut aussi assurer ce rôle. D'autres références peuvent être intégrées, pour garantir la linéarité ou la puissance de l'interrogateur. La puissance lumineuse a son importance, et le choix de ce critère doit être fait au regard de la distance à parcourir, de la quantité de connecteurs à traverser (chacun atténuant le signal), ou encore du câblage. Si le système est câblé en étoile, la puissance lumineuse est répartie sur toutes les branches. Les interrogateurs se différencient également par leur nombre de voies, qui varie généralement entre deux et huit. Ce point dépend notamment du nombre de capteurs à connecter. D'autres paramètres comme la mémoire, la puissance de calcul, la capacité de gestion des alarmes, ou la simplicité d'utilisation sont aussi à prendre en compte.

Un marché en extension

Le dernier élément du système de mesure est le logiciel. « Cette partie transforme le signal en valeurs physiques », résume Jacques Miéville (Micron Optics). Les calculs sont réalisés à partir de formules prenant en compte les matériaux utilisés, pour la compensation thermique, ainsi que les longueurs d'onde de chaque capteur. « Nous proposons des modèles pour intégrer les capteurs, continue Jacques Miéville. Le logiciel permet ensuite de configurer et gérer des alarmes, à partir de valeurs minimales et maximales, d'enregistrer les données avant le déclenchement d'une alarme, ou encore de gérer un serveurTCP/IP pour donner accès aux mesures à distance. » Pour choisir entre capteurs optiques et piézoélectriques, il faut donc considérer l'ensemble de la solution. « Il faut calculer le coût par point de mesure », conseille Jacques Miéville. « Sur fibre optique,il faut compter environ 1 000e pour 15 points de mesure », détaille Loïc Guérin (HBM). En comparaison, avec un coût d'environ 100e pour 10 jauges d'extensométrie résistive, la solution traditionnelle peut sembler moins chère. À cela, il faut ajouter l'interrogateur optique, soit environ 5000e pour les premiers prix. Les configurations les plus performantes peuvent coûter jusqu'à dix fois plus cher. Mais selon HBM, qui propose à la fois des solutions optique et électriques, l'avantage passe à l'optique à partir d'environ 30 à 40 points de mesure. « Au contraire des jauges,la fibre optique ne nécessite pas d'ajouter une protection et un câblage pour chaque capteur », commente Loïc Guérin (HBM). Il faut également prendre en compte la longévité de l'optique et le fait que, pour les milieux à risque explosif, les composants électroniques sont beaucoup plus chers.

« Les prix des systèmes de mesure à réseau de Bragg ont énormément baissé ces dernières années, et cela va continuer avec les quantités produites, mais aussi grâce aux recherches sur les interrogateurs, prévoit Patrick Rey (Scaime). Il faut du temps pour qu'une technologie soit adoptée. » De fait, le marché est encore restreint. Au point que National Instruments, qui proposait des interrogateurs optiques, a laissé de côté son offre il y a près d'un an : « nous n'avions pas assez de demandes », regrette Emmanuel Roset. « Il est difficile de se projeter sur l'avenir, continue Patrick Rey (Scaime). Mais lorsque des solutions à bas coûts existeront dans ce domaine, elles pourront potentiellement être installées partout ». Antoine Cappelle

Un capteur de gaz à réseau de Bragg

La société Kloé a développé un capteur de gaz basé sur le principe du réseau de Bragg. « Nous avons développé ces capteurs à la demande de personnes travaillant dans l'industrie du pétrole et du gaz,pour détecter des gaz explosifs,en particulier le méthane », raconte Paul Coudray, dirigeant de la société. Comme pour la température, la mesure repose sur le changement d'indice de réfraction du réseau, qui est ici proportionnel à la quantité de gaz présente. « Pour induire cette variation,on dépose sur le capteur une couche réactive de quelques dizaines de nanomètres,qui absorbe préférentiellement certains gaz », explique Paul Coudray. Un réseau de Bragg classique y est associé, pour servir de référence.