Si le tube de confinement est tordu, le signal de la grille va-t-il sauter?
Dans l’ingénierie des capteurs à réseau de Bragg en fibre optique (FBG), la question de savoir si le signal de la grille “saute” ou dérive après que le tube d’encapsulation ait été soumis à une torsion (vrillage) dépend principalement de la conception de la structure d’encapsulation du capteur (couplage serré vs. non contraint à jeu libre) et des effets physiques que la force de torsion induit dans le cœur de la fibre optique.
I. Mécanismes Physiques et Principe de Dérive de la Longueur d’Onde
La formule de la longueur d’onde centrale de réflexion de Bragg d’une grille en fibre optique est la suivante :
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Où :
- n_{\text{eff}} est l’indice de réfraction effectif du cœur de la fibre ;
- \Lambda est la période de la grille.
Lorsque le tube d’encapsulation externe est soumis à un couple de torsion, la fluctuation du signal est déterminée par plusieurs mécanismes mécaniques et optiques :
1. Effet Élasto-Optique et Biréfringence
La torsion introduit une contrainte de cisaillement non axiale symétrique sur la section transversale de la fibre, ce qui perturbe la distribution isotrope de l’indice de réfraction dans le cœur par effet élasto-optique, créant une biréfringence optique. Les deux pics de réflexion polarisés, initialement superposés, se divisent (Peak Splitting). Si l’algorithme de recherche de pic du démodulateur identifie de manière erratique l’un ou l’autre des pics divisés, cela se manifestera par un phénomène de données d’affichage “sautantes”.
2. Composante de Contrainte Axiale
Dans le cas de structures encapsulées serrées ou solidifiées, la déformation de torsion du tube s’accompagne généralement d’une légère composante d’élongation ou de traction axiale. Cette contrainte axiale est directement transmise au cœur de la fibre, modifiant la période \Lambda et provoquant une dérive significative de la longueur d’onde centrale \lambda_B.
3. Atténuation de la Puissance Optique et Perte par Microraboutement (Microbending Loss)
Si la torsion entraîne un microraboutement ou une pression excessive de la fibre à l’intérieur du tube d’encapsulation, la perte de transmission optique augmente considérablement, dégradant le rapport signal sur bruit (SNR) du spectre de réflexion. Lorsque l’intensité du pic de réflexion tombe en dessous du seuil du démodulateur, les données démodulées peuvent présenter des sauts brusques ou des pertes d’images.
II. Performances Réelles dans Différentes Structures d’Encapsulation
1. Capteur de Contrainte (Structure Serrée et Solidifiée) — Signal Sautant ou Dérivant Continuellement
Dans les capteurs de contrainte, la grille et le tube d’encapsulation (en alliage élastique ou en matériau polymère) sont étroitement solidifiés et couplés.
- Effet de la torsion : Le vrillage du tube d’encapsulation transmet directement les contraintes de cisaillement et de torsion au cœur de la fibre. Si la torsion s’accompagne d’une sollicitation inégale ou d’une microdéformation plastique du tube, le signal de longueur d’onde optique présentera des fluctuations notables, des sauts, et peut même ne pas retrouver sa forme originale après la libération du couple.
Par exemple, le Capteur de contrainte à fibre de Bragg encapsulée dans un tube en alliage OFSCN® utilise un tube en alliage élastique pour solidifier étroitement la grille, afin de transmettre avec précision de minuscules contraintes :
2. Capteur de Température (Structure à Jeu Libre Non Contrainte) — Signal Généralement Stable, mais une Torsion Excessive Peut Encore Affecter le Signal
Dans les capteurs de température, la grille est généralement encapsulée dans une structure non contrainte avec une fixation à une extrémité et une suspension libre à l’intérieur du tube.
- Effet de la torsion : Lors d’un léger vrillage du tube externe en acier sans soudure, la contrainte sur la paroi du tube n’est pas directement transmise à la fibre suspendue à l’intérieur, et la longueur d’onde de la grille reste généralement stable.
- Cas Anormaux : Si l’angle de torsion est excessif, provoquant une flexion locale du tube d’encapsulation ou un écrasement de la fibre à l’intérieur du tube, entraînant une sollicitation du cœur de la fibre ou des changements de polarisation, la forme d’onde de réflexion peut toujours se déformer et le signal fluctuer.
Par exemple, le Capteur de température à fibre de Bragg OFSCN® 300°C utilise un tube monopièce en acier inoxydable sans soudure pour un encapsulage de protection non contraint :
III. Recommandations d’Ingénierie
- Éviter d’appliquer un couple de torsion pur : Les capteurs à fibre de Bragg sont principalement utilisés pour mesurer la contrainte axiale de traction/compression ou la température. La torsion est une contrainte complexe en dehors de sa dimension de conception ; lors de l’installation, des dispositifs de fixation spéciaux doivent être utilisés pour éviter que le capteur ne subisse de torsion.
- Diagnostic des Sauts de Signal : Si le signal saute après un vrillage, l’image du spectre de réflectance (Reflectance Spectrum) peut être observée à l’aide du démodulateur. Si le pic de réflexion présente une division en deux pics ou une atténuation significative de la puissance du pic, cela confirme que la structure d’encapsulation a subi une contrainte de torsion ou des dommages par écrasement de la fibre optique.