Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Les domaines d'emploi des fibres optiques sont nombreux, et les besoins vont croissants notamment en ce qui concerne la sécurité, la santé et l'environnement. Cet article est consacré aux nombreuses applications actuelles des réseaux de capteurs de fibres optiques (RCFO). La surveillance des structures représente un marché important, où les méthodes optiques offrent des fonctionnalités nouvelles et complémentaires aux approches traditionnelles. Équipées de réseaux de capteurs, ces structures deviennent adaptatives et ainsi intelligentes, les RCFO y présentent beaucoup d’avantages : coût, faible taille, fiabilité et faible intrusivité. La biophotonique, discipline à la frontière entre la physique et les sciences du vivant, fait appel également à la technologie des fibres optiques, par exemple pour la tomographie par cohérence optique ou l’imagerie par voie endoscopique.
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Optical fibers have numerous domains of use and there are increasing needs in terms of security, health and the environment. This article is dedicated to the numerous current applications of networks of optical fiber sensors. The surveillance of structures represent a major market where optical methods offer new complementary functions to traditional approaches. Equipped with networks of sensors, these structures become adaptive and thus smart; the networks of optical fiber sensors present numerous advantages: cost, small size, reliability and low intrusiveness. Biophotonics, a discipline at the crossroad between physics and life sciences, also appeals to the technology of optical fibers, for optical coherence tomography or endoscopic imagery for instance.
Auteur(s)
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Pierre FERDINAND : Docteur d'État es Sciences - Chef de Laboratoire au CEA Institut LIST, Centre d'Études de Saclay
INTRODUCTION
Les principales techniques de mesure et de multiplexage des réseaux de capteurs à fibres optiques RCFO font l'objet d'un premier dossier. Ce deuxième dossier est consacré aux domaines d'application des RCFO.
La surveillance des structures est un domaine relativement nouveau aux multiples facettes, et dans un grand nombre de cas, les (R)CFO, en particulier à réseaux de Bragg, commencent à s'imposer, qu'il s'agisse du génie civil, ou des secteurs d'emploi des matériaux composites. La réduction des risques technologiques (surveillance de l'état de santé des structures manufacturées : bâtiments, tunnels, moyens de transport...) et naturels (terrains) est une dimension non négligeable qui sous-tend ces réalisations.
En ce qui concerne les structures vraiment « intelligentes », les trois composantes technologiques (capteur, contrôle, actionneur) doivent encore parvenir à un niveau de maturité suffisant pour permettre une large diffusion des structures autoadaptatives. Cela étant, les structures ont et seront rendues « sensitives » (équipées de capteurs) avant d'être autoadaptatives. Les capteurs sont en effet les éléments les plus évolués et les aspects distribué et non intrusif des réseaux de CFO sont particulièrement attrayants pour ce nouveau champ d'application. Le degré de compatibilité élevé avec les structures hôtes et un coût modéré doivent permettre une grande densité de capteurs. Les RCFO, principalement à réseaux de Bragg, apparaissent comme une alternative pertinente pour les structures autoadaptatives de toutes tailles, et en particulier celles de grandes dimensions pour lesquelles le manque de systèmes de mesure à haute densité de capteurs est patent.
Dans un tout autre champ d'applications, la « nouvelle » discipline que l'on nomme désormais la biophotonique et qui se situe à la convergence de la physique et des sciences du vivant fait de plus en plus appel aux fibres optiques. Les briques technologiques de base nécessaires à la réalisation de démonstrateurs de capteurs et d'instruments de mesure, utilisant les nouvelles technologies, et destinés à ces différentes applications sont présentes dans les laboratoires de recherche, du fait des efforts consentis depuis deux décennies pour répondre aux besoins d'autres secteurs. De la conjonction de cette disponibilité et de l'émergence des besoins du « vivant », leur intégration, puis certaines applications commencent à voir le jour d'une manière plus structurée et industrielle qu'auparavant, et un certain nombre de travaux conduisent d'ores et déjà à des résultats très encourageants. Ainsi par exemple, la tomographie par cohérence optique (OCT) offre des performances uniques en terme de résolution spatiale. L'ophtalmologie par exemple en bénéficie déjà. Des appareils à fibre optique, particulièrement adaptés à l'imagerie par voie endoscopique, sont maintenant commercialisés.
Dans tous ces domaines d'emploi des fibres optiques, les besoins sont réels et la demande sociétale va croissante notamment en ce qui concerne la sécurité, la santé et l'environnement. L'aventure ne fait donc que commencer.
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VERSIONS
- Version courante de déc. 2020 par Pierre FERDINAND
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Santé et biologie : la biophotonique4. Contexte de structures intelligentes
Les structures intelligentes sont des structures adaptatives en ce sens qu'elles sont sensibles (dotées de capteurs) mais aussi réactives à leur environnement (dotées d'actionneurs). Ces éléments dialoguent entre eux via une boucle de commande régulée par une loi de contrôle. L'ensemble forme ainsi une structure capable de surveiller son environnement et de s'autocontrôler de manière à s'adapter à toutes modifications des grandeurs détectées.
Une structure intelligente, tout en fonctionnant sur le modèle d'une structure biologique (figure 14), peut être analysée comme un système physique, dédié à un objectif précis et doté de moyens et d'impératifs permettant atteindre cet objectif, moyens qui intègrent un système d'acquisition de données (capteurs), un module de contrôle et de commande (contrôleur) ainsi qu'un système d'activation (actionneurs) [123], [124]. En fait, tous les éléments nécessaires sont désormais rassemblés grâce aux progrès réalisés ces dernières années en traitement du signal, électronique intégrée, automatique, informatique et capteurs.
4.1 Réseaux de capteurs, composante essentielle d'une structure intelligente
Du point de vue de la composante « prise d'information », le contrôle de telles structures peut, suivant les applications, nécessiter des mesures de déformations, de vitesse ou d'accélération. En génie civil par exemple, les capteurs LVDT (Linear Variable Differential Transformer) et les extensomètres à cordes vibrantes sont abondamment utilisés mais ces capteurs, de tailles importantes, ne sont pas multiplexables et peu compatibles avec les nouveaux enjeux. Or, ces dernières années, les RCFO [126] à réseaux de Bragg, les MEMS (Microelectromechanical Systems) [127] et les capteurs piézoélectriques ont fait l'objet d'importants progrès en terme de coût, taille et fiabilité. Certaines de ces technologies deviennent donc un choix possible pour les structures intelligentes du fait de leur faible intrusivité. Les capteurs piézoélectriques sont largement utilisés pour réaliser des accéléromètres ou des capteurs à ultrasons par exemple, présentant l'intéressante fonctionnalité de pouvoir agir simultanément comme jauge de déformations et comme actionneur. En revanche,...
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Contexte de structures intelligentes
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Pour s'informer à propos de la conférence OFS, le lecteur pourra consulter le site Internet de la Société américaine SPIE, organisatrice de congrès : http://www.spie.org.
On peut y trouver référencés un grand nombre d'articles et de livres, ainsi qu'un CD-ROM très intéressant « Collected Papers of the International Conferences on Optical Fiber Sensors (OFS), 1983-1997 » (Publications collectés des Conférences « Capteurs à Fibres Optiques » durant la période 1983-1997). Il s'agit d'une co-publication de SPIE, OSA et LEOS, dont la référence est : SPIE CD-ROM vol. CDP01. Un fichier au format pdf contenant la table des matières de ce CD-ROM peut être téléchargé sur le site : http://www.spie.org/web/abstracts.pdfs.CDP01.pdf.
Pour commander ce CD, contacter : SPIE – The International Society for Optical Engineering. E.mail : [email protected], ou se connecter sur le site Internet : http://www.bookstore.spie.org/publications/cd_toc.lasso?volume=CDP01.
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