Article

1 - TECHNIQUES DE MESURE/DÉMULTIPLEXAGE DES INFORMATIONS SPECTRALES DES RÉSEAUX DE BRAGG

2 - PRINCIPAUX DOMAINES D’APPLICATION

3 - MARCHÉ DES CAPTEURS À RÉSEAUX DE BRAGG ET DES INSTRUMENTATIONS ASSOCIÉES

4 - CONCLUSION ET PERSPECTIVES

5 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : R6736 v1

Capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg - Analyse, multiplexage et applications

Auteur(s) : Pierre FERDINAND

Date de publication : 10 oct. 2018

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Présentation

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RÉSUMÉ

La technologie de mesure fondée sur les capteurs à réseaux de Bragg offre d’incomparables avantages liés aux qualités des fibres optiques monomodes de silice, principalement de type télécoms, au sein desquelles sont photo-inscrits les réseaux de Bragg transducteurs, et aux performances métrologiques des systèmes optoélectroniques qui les interrogent. La quinzaine de méthodes d’analyse et de multiplexage répertoriées est présentée. Même si la R et D, longtemps dominée par l’Occident, s’est déplacée vers l’Asie, les applications, par exemple en surveillance des structures, demeurent mondiales. De nombreux industriels se sont donc ouverts à ces techniques (génie civil, énergie, transports, matériaux composites…), pour une sécurité accrue, de meilleures performances, et une maintenance optimisée des matériaux, structures et ouvrages. L’économie de marché étant devenue le principal moteur de ces techniques, de plus en plus d’acteurs de l’offre (PME) s’y sont également positionnés.

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ABSTRACT

Fiber Bragg Grating sensors - Demultiplexing and Measuring techniques, applications

Fiber Bragg Grating sensor-based technology offers numerous advantages related to the qualities of the telecoms singlemode optical fibers in which grating transducers are photo-written, and to the metrological performances of the sensing and demultiplexing units. A fifteen of related optoelectronic methods are presented. Although the R and D, previously dominated by the West, has shifted to Asia, applications such as those dedicated to Structure Health Monitoring remain global. Many users are now using these techniques (civil engineering, energy, transport, composite materials, ...), for increased safety, better performances, and optimized maintenance of materials and structures. Since the economy of these techniques is now market driven, more and more suppliers (SMEs) have emerged.

Auteur(s)

  • Pierre FERDINAND : Docteur d’État ès sciences - Expert consultant - Directeur de recherches et conseiller scientifique au CEA Saclay

INTRODUCTION

Les réseaux de Bragg sont des microstructures diffractives obtenues par photo-inscription d’interférences laser au sein du cœur des fibres optiques monomodes. Ceux dits « à courte période » consistent en une modulation submicronique et uniforme de l’indice de réfraction du cœur de la fibre. En fait, un réseau de Bragg de quelques millimètres de long comporte plusieurs milliers de « pas » Λ, et joue le rôle de réflecteur pour une bande spectrale fine (0,2 à 0,3 nm) centrée à , avec Λ (~ 0,5 µm par exemple) et ne (~ 1,45) l’indice effectif du mode. Toute modification de Λ ou de n e « déplace » donc λ B dont le suivi fournit le paramètre inducteur. Bien entendu, les réseaux de Bragg peuvent être multiplexés. Pour cela, il suffit par exemple d’en cascader plusieurs de pas Λi légèrement différents et de les sonder chacun autour de leur longueur d’onde caractéristique, la lumière incidente étant respectivement réfléchie à λ B1, λ B2λ BN. La mesure peu résolue de λ B i indique l’adresse du ième réseau, tandis que son analyse précise fournit la mesure recherchée.

Au-delà de cette description succincte des transducteurs à réseaux de Bragg, le lecteur pourra avantageusement se référer à l’article [R 6 735] des Techniques de l’Ingénieur qui fournit une analyse complète et détaillée des différents types de réseaux de Bragg, de leurs procédés d’inscription et de leurs caractéristiques métrologiques. L’article précité contient également une analyse des capteurs fondés sur ces réseaux de Bragg traducteurs, pour la mesure de divers paramètres, et pour de nombreux domaines d’application (e.g. extensomètres pour le béton du génie civil, capteurs de déformation ou de température pour les matériaux composites, etc.).

Le présent article aborde la partie complémentaire aux capteurs à réseaux de Bragg, à savoir les systèmes de mesure et de démultiplexage des informations spectrales, le plus souvent dans le cadre d’approches multicapteurs, autrement dit de réseaux de capteurs à fibres optiques – les RCFO –, avant d’aborder les applications. D’ailleurs, pour chacune d’elles, le choix du système de mesure est aussi important que celui des capteurs, et même indissociable de ce dernier. En effet, il faut savoir que si certaines caractéristiques métrologiques (sensibilité, linéarité, dynamique…) reposent tout naturellement sur la qualité du, ou des capteur(s) et de leurs réseaux de Bragg transducteurs, certaines autres sont intimement liées aux performances du système de lecture (résolution, cadence de mesure, stabilité, etc.) rendant ces deux composantes de l’instrumentation totalement complémentaires.

Tout naturellement, les performances des instruments de mesure s’améliorent année après année, largement tirées par les besoins des différents secteurs de marché qu’ils adressent. En effet, si précédemment les utilisateurs se contentaient d’une résolution du pm (~ 10–6 en déformations ; ou 0,1 °C en température), d’une cadence de 1 kHz et du multiplexage de quelques capteurs, on observe aujourd’hui des demandes qui s’affinent et vont bien au-delà (e.g. l’accès à des cadences de mesure très élevées, le besoin d’absence de dérive pour les applications sur le long terme, etc.).

Concernant ce dernier aspect, assez récemment un système optoélectronique dont la stabilité sur 16 jours a été évaluée à 0,03 pm, alors même qu’il subissait des variations thermiques de 5 °C, a été publié dans la littérature, améliorant ainsi la stabilité de mesure de ce type d’instrument de près de deux ordres de grandeur par comparaison aux produits du marché (cf. § 1.4).

De fait, cet article a pour but de présenter la quinzaine de méthodes de mesure et de démultiplexage des longueurs d’onde de Bragg, en détaillant leurs avantages et inconvénients, mais aussi leur niveau d’avancement technologique.

De manière parfaitement connexe, en seconde partie d’article, les domaines d’application, justifiant les développements de ces capteurs et systèmes de mesure, sont également présentés. Les industries concernées intègrent certains secteurs primaires (industrie minière par exemple), mais surtout secondaires (génie civil, travaux publics, sidérurgie, aéronautique, divers secteurs de l’énergie, etc.) dans le cadre de la surveillance des structures, des ouvrages, et des matériels divers que réalise et exploite la société humaine. Naturellement, du fait des qualités intrinsèques de la silice, les applications de la technologie de mesure par réseaux de Bragg s’étendent également à un certain nombre de domaines extrêmes, tels que la cryogénie, la détonique, les très hautes températures, sans oublier bien entendu les activités de mesure de grandes performances dans divers secteurs de la recherche.

Dans le « Pour en savoir plus », le tableau consignant les principaux acteurs de l’offre en systèmes de mesure permettra au lecteur intéressé de contacter à bon escient les « fournisseurs » de son choix et de comparer leurs offres.

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KEYWORDS

multiplexing   |   Optical Fiber Sensor   |   Fiber Bragg Grating   |   quasi-distributed sensor   |   sensor network   |   Structure Health Monitoring

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-r6736


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - RAO (Y.-J.) -   In-fibre Bragg grating sensors.  -  Meas. Sci. Technol., Vol. 8, 1997, pp. 355-375.

  • (2) - LEE (B.) -   Review of the present status of Optical Fiber Sensors.  -  Opt. fib. Technol., Vol. 9, pp. 57-79 (2003).

  • (3) - LEIJTENS (X.J.M.), KUHLOW (B.), SMIT (M.K.) -   Arrayed Waveguide Gratings.  -  Chapitre de l’ouvrage Wavelength Filters in Fibre Optics, Vol. 123 of the Springer Series in Optical Sciences. ISBN 978-3-540-31769-2. pp. 125-187 (2006). doi : 10.1007/3-540-31770-8_5.

  • (4) - KERSEY (A.D.), MOREY (W.W.) -   Multi-element Bragg-grating based fiber laser strain sensors.  -  Electron Lett., Vol. 29, n° 11, pp. 964-966 (1993).

  • (5) - DAVIS (M.A.), KERSEY (A.D.) -   Matched-filter interrogation technique for Bragg grating arrays.  -  Electron. Lett., Vol. 31, n° 10, pp. 822-823 (1995).

  • ...

1 Projets cités

– Projets européens :

CATIEMON (Cat enary I nterface Mon itoring Coherent sensing technology for electrical railway infrastructure and rolling stock for interoperable cross boundary transportation). Specific Targeted Project TST4-CT-2005-12105. Réf. : 012105. Pilote : Siemens AG [Allemagne]. Partenaires : BLS AG [Suisse], Morganite Ltd [Grande-Bretagne], Furrer+Frey AG [Suisse], Cybernetics [France], ARGE Korridor X [Autriche], Eurailscout B.V. [Pays-Bas], IPHT [Allemagne], CEA [France].

COSMUS (Real-Time Modelling and C ompensation O f S oil M ovements on U nderground S ites. Réf. : BRPR960235 ; Pilote : Solétanche-Bachi [France].

HULLMOS (Ship hull mo nitoring s ystem). Projet Eureka n° 1765. Pilote : R. Rouvari Oy [Finlande], Participants : VTT [Finlande], Mechanical Eng. Techn. Research Center [Finlande], RZ Products B.V. [Pays-Bas], Imtech Marine & Industry [Pays-Bas], Sirehna [France].

MONITOR (Moni toring On-line T echnologies for O perational R eliability). Projet FP4-BRITE/EURAM 3. Réf. : BRPR960181. Pilote : British Aerospace [Grande-Bretagne]. Partenaires : ARTT [Grèce], Alenia [Italie], CNRS [France], DaimlerChrysler [Allemagne], DERA [Grande-Bretagne], EADS [France], FFA [Suède], Institut of Optical Research [Suède], Stitching Nationaal. Lucht Lab. [Pays-Bas],...

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