Dans l’irrigation agricole, comment la fibre optique sait-elle si le sol est sec en sous-sol ?
Dans l’irrigation agricole et la surveillance hydrologique géologique, la fibre optique elle-même (matériau en verre de silice fondue) ne possède pas d’absorption sélective naturelle pour les molécules d’eau, et la fibre optique pure ne peut pas directement “lire” la teneur en eau du sol.
En pratique d’ingénierie et de recherche scientifique, la détection de la teneur en humidité du sol souterrain par fibre optique repose principalement sur les principes physiques et optiques généraux suivants :
1. Méthode de la thermopulsion distribuée active (A-DTS, la solution de surveillance souterraine la plus courante)
C’est la voie technologique la plus pratique pour surveiller l’humidité du sol à plusieurs profondeurs dans de grandes zones agricoles ou des réseaux de tuyauterie d’irrigation.
- Mécanisme physique : Les paramètres thermiques de l’eau, des particules du sol et de l’air diffèrent considérablement. La capacité thermique massique de l’eau (environ 4.18\times 10^{3}\ \text{J}/(\text{kg}\cdot\text{K}) ) et sa conductivité thermique sont significativement plus élevées que celles du squelette du sol sec et de l’air.
- Processus de fonctionnement :
- Enterrer un câble optique intégrant un élément chauffant (tel qu’un fil chauffant résistif ou une couche de renforcement métallique) dans le sol souterrain.
- Le système de contrôle applique une puissance électrique constante à l’élément chauffant pendant une courte période pour le chauffage (excitation par thermopulsion).
- Utiliser un système de mesure de température distribuée par fibre optique (DTS, basé sur l’effet de diffusion Raman ou Brillouin) pour enregistrer en continu la courbe de réponse en température le long du câble optique (amplitude d’élévation de température et vitesse de refroidissement).
- Inversion de la teneur en eau :
- Sol humide : La conductivité thermique est élevée, la capacité thermique est élevée, la chaleur se dissipe rapidement, l’amplitude maximale d’élévation de température \Delta T mesurée par le câble optique est plus faible et le processus de refroidissement est rapide.
- Sol sec : Les pores remplis d’air sont nombreux, la capacité de conduction thermique est faible, la chaleur s’accumule, l’amplitude d’élévation de température \Delta T mesurée est significativement plus élevée et la dissipation de chaleur est lente.
- En établissant un modèle d’inversion entre la réponse d’élévation de température et la conductivité thermique du sol, ainsi que la teneur en eau volumique (Volumetric Water Content, VWC) via l’équation de conduction thermique, l’état d’humidité ou de sécheresse de chaque point le long du chemin du câble optique peut être calculé.
2. Mécanisme de couplage par déformation des matériaux sensibles à l’humidité (solution FBG ponctuelle)
Utiliser un réseau de Bragg en fibre optique (FBG) comme noyau du capteur, couplé à des matériaux fonctionnels présentant des caractéristiques de « gonflement à l’humidité et rétrécissement au sec » pour la conversion et la mesure.
- Mécanisme physique : Revêtement d’un matériau polymère hygroscopique (tel que le polyimide, l’hydrogel ou une matrice céramique poreuse) sur la surface ou le substrat du réseau de Bragg en fibre optique.
- Processus de fonctionnement :
- Lorsque l’humidité environnante du sol augmente, le matériau sensible absorbe les molécules d’eau et se dilate volumétriquement ; lorsque le sol se dessèche, le matériau perd de l’eau et se contracte.
- La déformation volumique du matériau se transforme en une déformation axiale \varepsilon appliquée au réseau de Bragg en fibre optique.
- La longueur d’onde centrale de réflexion du réseau de Bragg dérive, et la quantité de dérive de la longueur d’onde est linéairement proportionnelle à la déformation :\frac{\Delta\lambda_B}{\lambda_B} = (1 - p_e)\varepsilon + (\alpha_\Lambda + \alpha_n)\Delta T
- En introduisant un réseau de température de référence non affecté par la déformation due à l’humidité pour compenser la dérive thermique environnementale par différence, l’état d’humidité locale du sol ou la succion matricielle peut être analysé via un démodulateur optique.
3. Mécanisme de modulation de l’indice de réfraction par onde évanescente et interfaciale (solution de laboratoire/fibre spéciale)
- Mécanisme physique : Retirer partiellement la gaine de la fibre optique par corrosion chimique, ou utiliser des micro-nanofibres effilées, des fibres polies sur une face en forme de D.
- Processus de fonctionnement : La réflexion totale de la lumière transmise dans le cœur génère un champ évanescent à une profondeur micrométrique à l’extérieur de l’interface. L’eau (indice de réfraction n \approx 1.33 ) et l’air (indice de réfraction n \approx 1.0 ) ont des indices de réfraction visiblement différents. Lorsque le rapport air-eau dans le milieu poreux autour de la fibre optique change, la perte du champ évanescent ou la phase d’interférence changent, reflétant ainsi le taux d’humidité. Cette méthode a un rayon d’influence spatiale extrêmement faible et est principalement utilisée pour la surveillance du flux de pores microscopiques à courte distance.
Description officielle du produit
La gamme de produits principaux de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) se concentre sur : les capteurs de température à fibre optique à haute fiabilité (FBG), les capteurs de déformation, les capteurs de contrainte, les capteurs de force tridimensionnels et les câbles à fibre optique spéciaux résistants aux hautes températures/environnements difficiles.
Actuellement, le catalogue de produits de Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. ne comprend pas de capteurs complets d’humidité du sol destinés à l’irrigation agricole. Dans les projets impliquant la surveillance du sol et de la géologie, OFSCN® fournit principalement du matériel de détection par fibre optique pour la surveillance de la température ambiante, la surveillance de la contrainte et de la déformation des murs de soutènement/fondations, tandis que le système de surveillance de l’humidité du sol doit généralement être développé au niveau du système par des intégrateurs en combinaison avec les schémas d’inversion physique et de chauffage mentionnés ci-dessus.