Abonnez-vous Identifiez-vous

Identifiez-vous

Vos codes d'accès sont erronés, Veuillez les saisir à nouveau. Mot de passe oublié ?

Aujourd'hui : Un capteur a fibres optiques de luxe

Publié le

Depuis plusieurs années, l'explosion des capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg est annoncée sur le marché des mesures. Les premiers résultats sont prometteurs, mais leur coût élevé les réserve encore à des applications spécifiques.

" Pourquoi vouloir remplacer quelque chose qui marche et qui n'est pas cher ? ", s'exclame Jacques Caremelle, directeur général de Télémac, entreprise spécialisée dans les capteurs. Le fabricant résume clairement le problème qu'ont les capteurs à fibre optique à se faire une place aux côtés des extensomètres classiques. La très répandue corde vibrante, par exemple, a encore de beaux jours devant elle dans le domaine du génie civil. Difficulté d'autant plus grande pour les capteurs à réseaux de Bragg, dont la technique n'en est encore qu'à ses tous débuts. Depuis leur développement dans les années 80 par le Communication Research Center (CRC Canada) et United Technology Corporation (UTC), les fibres à réseaux de Bragg ont trouvé deux applications principales : les télécommunications et les mesures. Un réseau de Bragg est une série d'anneaux successifs " gravés " transversalement dans le coeur de la fibre (voir page 143). La distance entre chaque anneau - le pas du réseau - est caractéristique d'une longueur d'onde donnée. Le réseau agit comme un filtre sélectif pour cette longueur d'onde. Quand la lumière est envoyée dans une fibre, elle se propage dans le sens longitudinal jusqu'à ce qu'elle rencontre un réseau de Bragg. Celui-ci s'oppose alors au passage de la raie de la longueur d'onde correspondant à son pas, et la réfléchit. Le faisceau fait demi-tour, est recueilli, et son spectre est analysé par une centrale d'acquisition. Quand le matériau se déforme, il étire la fibre et modifie le pas du réseau. On observe alors une variation de la longueur d'onde du faisceau réfléchi autour de sa valeur initiale. Une variation qui est proportionnelle à l'élongation de la fibre. On peut ainsi déterminer l'élongation du matériau. " On peut détecter des déformations de 1 micron sur une distance de 1 mètre ", souligne Michel Bugaud, responsable du programme " instrumentation pour le contrôle industriel " au département d'électronique et d'instrumentation nucléaire (DEIN) du CEA. " Leur précision est dix fois meilleure qu'avec une corde vibrante ", confirme Jacques Caremelle.

Un capteur insensible à l'environnement

Autre atout : l'utilisation de la lumière plutôt que l'électricité. " L'avantage est double, explique Michel Bugaud. Le signal est insensible aux environnements nucléaires ou aux perturbations électromagnétiques, comme la foudre. De plus, les fibres optiques sont mécaniquement résistantes et il n'y a pas de perte d'intensité du signal entre le capteur et la centrale d'acquisition, même sur de longues distances. Cela peut être utile pour les grands ouvrages, comme les ponts. " Dernier point fort et principal avantage par rapport, cette fois, aux capteurs à fibres optiques à cavité Fabry-Pérot, basés sur l'interférométrie : la possibilité d'inscrire plusieurs réseaux sur la même fibre. Ces réseaux agiront comme autant de capteurs pour des paramètres différents : élongation, mais aussi température, pression, inclinaison. On fait donc l'économie de câbles supplémentaires, qui peuvent influer sur la résistance des matériaux composites dans lesquels ils sont insérés. Ces qualités ont naturellement intéressé les industriels. Solétanche-Bachy, entreprise spécialisée dans les travaux souterrains, a ainsi dirigé le projet européen Cosmus : un immeuble situé à la surface d'une excavation a été équipé de capteurs à réseaux de Bragg et de capteurs traditionnels pour comparaison. " Ces capteurs ont effectivement un réel potentiel ", conclut Jean-Pierre Hamelin, chef du département " techniques avancées de production ". Chez Aerospatiale Matra Lanceurs, les capteurs à réseaux de Bragg ont été adoptés pour améliorer la maîtrise des procédés de fabrication des réservoirs à haute pression (400 bars) du lanceur Ariane V. " Ces capteurs sont très pratiques à mettre en oeuvre dans les matériaux composites, s'enthousiasme Jean-Charles Anifrani, responsable du contrôle non destructif au laboratoire de matériaux composites. Ils s'intègrent bien dans le mélange carbone-résine, avec peu de perturbations. " Patrice Brion, ingénieur en matériaux composites chez l'équipementier Ratier-Figeac, est plus réservé. Cette fois, les capteurs à réseau de Bragg ont été utilisés pour suivre l'injection de résine au cours de la fabrication d'hélices d'avions. " Les tests ont été positifs sur des pièces de géométrie simple. Mais, malgré leur caractère peu intrusif, ces fibres nous posent des problèmes de connectique ", avant de pointer un handicap majeur : " Ces capteurs n'auront d'avenir que si leur coût baisse sensiblement ! "

Un coût encore trop élevé

Car, à l'heure actuelle, le coût d'un capteur à réseaux de Bragg est de l'ordre de 2 000 à 5 000 francs, soit près de quatre fois plus cher qu'une corde vibrante, et deux fois plus qu'un capteur à cavité Fabry-Pérot. Sans oublier le prix de la centrale d'acquisition des données, de l'ordre de 500 000 francs. " Mais une centrale peut gérer une centaine de capteurs simultanément ", se défend Pierre Ferdinand, chef du laboratoire de mesures optiques au CEA, qui les met au point. Un coût élevé qui n'a pas empêché le CEA de céder sa licence de fabrication à Hydrolog, bureau d'études et de contrôle pour le forage et l'assainissement. Pour les portefeuilles plus modestes, le CEA planche également sur un autre système, à 16 voies seulement, avec une finesse réduite à 5 microns par mètre, annoncé à environ 150 000 francs. Sur le catalogue de Télémac, en revanche, la centrale de haut de gamme permettant de gérer 32 capteurs Fabry-Pérot est affichée aux alentours de 100 000 francs. Deux possibilités pour pallier ce surcoût sont cependant avancées. Si l'inscription d'un réseau de Bragg sur une fibre ne dure que quelques minutes, le temps nécessaire pour enlever puis remettre la gaine sur la fibre, le tout par une main-d'oeuvre qualifiée, peut atteindre plusieurs heures. Une première solution serait de pouvoir faire l'inscription à travers la gaine, chose qu'on ne parvient pas encore à réaliser. La seconde serait de la faire à la volée sur la tour de fibrage durant la fabrication de la fibre. Mais les fabricants de capteurs placent leurs espoirs ailleurs : chez les autres utilisateurs de fibres à réseaux de Bragg. Ces fibres sont en effet utilisées à plus de 95 % par l'industrie des télécommunications. Pour le multiplexage, par exemple, on utilise la sélectivité des réseaux de Bragg pour augmenter la capacité de flux. La même fibre peut ainsi transporter simultanément plusieurs faisceaux de longueur d'ondes différentes. Mais, selon Michel Bugaud, leurs exigences en finesse sont encore inférieures à celles que requièrent les capteurs. La fabrication de ces derniers ne profite donc que très peu de cet élan, et peine encore à sortir du laboratoire.



La photo-inscription d'un réseau de Bragg

Bien plus fine qu'un cheveu, une fibre optique (type SNF28 9/125) est un tube de silice de 125 microns de diamètre. En son centre, un conduit de 9 microns de diamètre, dopé au germanium, canalise la lumière. Ce dopage rend également la fibre légèrement photosensible. Cette photosensibilité est ensuite accrue par hydrogénation. A l'aide d'un faisceau laser travaillant dans l'ultraviolet profond, on éclaire transversalement la fibre, avec un réseau périodique de franges d'interférence claires et sombres. Grâce à la photosensibilité, une à deux minutes d'insolation suffisent pour modifier localement l'indice de réfraction du silicium, au niveau de chaque frange d'interférence. L'épaisseur des " stries " photogravées ne dépasse pas le micron. La longueur totale du réseau peut varier entre 2 et 10 millimètres, et on peut en graver plusieurs à la suite sur la même fibre. Enfin, il faut munir la fibre d'une gaine de protection soit en acrylate, soit en polyimide (Kapton) pour une meilleure résistance à haute température.

Créez votre compte L’Usine Connect

Fermer
L'Usine Connect

Votre entreprise dispose d’un contrat
L’Usine Connect qui vous permet d’accéder librement à tous les contenus de L’Usine Nouvelle depuis ce poste et depuis l’extérieur.

Pour activer votre abonnement vous devez créer un compte

Créer votre Compte
Suivez-nous Suivre Usine Nouvelle sur Facebook Suivre Usine Nouvelle sur Twitter RSS Usine Nouvelle