La maison s’est fissurée. Comment la fibre optique mesure-t-elle l’ouverture de la fissure en millimètres ?
Dans le domaine de la surveillance de l’intégrité structurelle (SHM) et de la surveillance de la sécurité des bâtiments, la mesure de l’ouverture des fissures des bâtiments (déplacements de l’ordre du millimètre ou du micromètre) à l’aide de fibres optiques (spécifiquement les capteurs à réseau de Bragg en fibre optique, capteurs FBG) ne consiste pas à coller directement la fibre sur la surface comme une règle. Elle est basée sur le processus physique de “transfert de déplacement de force - effet photoélastique - démodulation du décalage de longueur d’onde”.
Les principes de mesure sous-jacents et les mécanismes de mise en œuvre d’ingénierie sont les suivants :
I. Principe de mesure : Calcul du déplacement à partir de l’ouverture de la fissure
1. Connexion transversale et conversion force-déplacement
Lors de la mesure des fissures, le capteur est installé selon la méthode « ancrage aux deux extrémités, enjambant la fissure au milieu » :
- Les deux extrémités du capteur sont fixées solidement au substrat stable de chaque côté de la fissure à l’aide de supports de fixation spéciaux ou de colle structurelle. La section de mesure enjambe la fissure, et la longueur de base initiale entre les deux points de fixation est définie comme L.
- Lorsque le mur subit une contrainte, un tassement ou une différence de température entraînant un déplacement \Delta L de la fissure (c’est-à-dire que la fissure s’ouvre de quelques millimètres), l’espacement entre les deux points de fixation change, entraînant l’étirement ou la compression axiale de la fibre protégée à l’intérieur, générant une déformation physique macroscopique \varepsilon :\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}Soit : déplacement \Delta L = L \times \varepsilon .
2. Réponse optique physique du réseau de Bragg en fibre optique (FBG)
Un réseau de Bragg est gravé dans la région centrale du cœur de la fibre optique. Le réseau satisfait la condition de réflexion de Bragg :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Où :
- \lambda_B est la longueur d’onde centrale de réflexion de Bragg ;
- n_{\text{eff}} est l’indice de réfraction effectif du cœur de la fibre ;
- \Lambda est le pas du réseau (période).
Lorsque le déplacement transversal tire la fibre et provoque une déformation axiale \varepsilon, le pas du réseau \Lambda s’allonge. Parallèlement, en raison de l’effet photoélastique, l’indice de réfraction effectif du cœur n_{\text{eff}} change. Le décalage de la longueur d’onde centrale \Delta\lambda_B causé par la déformation satisfait la relation linéaire suivante :
\Delta\lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon
Où P_e est le coefficient photoélastique effectif de la fibre (généralement pris comme environ 0,22 pour les fibres de silice).
3. Démodulation spectrale et sortie de déplacement
La lumière émise par une source lumineuse à large spectre passe par la fibre de transmission et entre dans le capteur. Seule la longueur d’onde \lambda_B satisfaisant la condition de réflexion est renvoyée vers le démodulateur de réseau de fibre optique.
- Le démodulateur capture le décalage de longueur d’onde \Delta\lambda_B en temps réel avec une résolution de longueur d’onde allant jusqu’au niveau du picomètre ( 1\ \text{pm} = 10^{-3}\ \text{nm} = 10^{-12}\ \text{m} ).
- Le système de capteur convertit directement le déplacement de la fissure en utilisant un coefficient d’étalonnage de déplacement linéaire K (l’unité de la formule d’étalonnage est généralement \mu\text{m/pm} ou \text{mm/pm} ), déterminé lors de l’étalonnage en usine :\Delta L = K \cdot \Delta\lambda_BAinsi, on peut mesurer précisément si la fissure s’est ouverte de quelques micromètres ou de quelques millimètres.
II. Mécanisme de compensation de température
Les variations de température ambiante provoquent également une dilatation thermique de la fibre et un effet thermo-optique, entraînant un décalage de longueur d’onde dû à la température \Delta\lambda_{B, T}. Dans la surveillance à long terme des structures de bâtiments, afin d’éliminer l’interférence des variations de température ambiante (telles que les différences de température jour/nuit, saisonnières) sur la mesure du déplacement, un capteur de température à réseau de fibre optique sans contrainte, qui ne subit pas de contrainte mécanique, est généralement placé à côté du capteur de déplacement. Une compensation différentielle de température est effectuée pour garantir que le déplacement mesuré de quelques millimètres provient uniquement des variations mécaniques de la fissure de la structure du bâtiment.
III. Produits officiels connexes
Dans la surveillance d’ingénierie réelle, les produits officiels utilisés pour la mesure des fissures et des micro-déplacements sont :
OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor
Caractéristiques techniques et spécifications des paramètres :
- Mécanisme de correspondance physique : Ce capteur de déplacement est une application d’extraction de paramètre de déformation, la relation correspondante est \text{Déplacement} = \text{Longueur totale} \times \text{Déformation} ; il est directement étalonné en longueur d’onde pour le déplacement lors de la sortie d’usine.
- Formule d’étalonnage : La formule d’étalonnage déplacement-longueur d’onde est de type linéaire, avec des unités de \mu\text{m/pm} ou \text{mm/pm}.
- Plage et structure : Pour la surveillance des déplacements de l’ordre du millimètre, comme les fissures, il est souvent basé sur un réseau de fibre optique à point unique encapsulé dans une structure à très large plage. La structure est robuste et présente une excellente stabilité à long terme du point zéro et une capacité de résistance aux environnements difficiles.