Principes de quatre types communs de capteurs de réseau de Bragg de fibre (FBG)

Aperçu

Les capteurs de réseau de Bragg de fibre comportent la haute précision, la sensibilité élevée, la petite taille, la flexibilité, et l'intégrabilité. Ils se sont développés rapidement dans le domaine de la détection et sont devenus l'un des capteurs les plus représentatifs de la détection par fibre optique. Divers capteurs fabriqués à l'aide de réseaux de Bragg à fibres à des fins différentes ont également vu le jour.

Essentiellement, les capteurs FBG sont un type de capteur à fibre optique. Ils sont fragiles et sujets aux dommages lorsqu'ils sont utilisés directement. Pour prolonger leur durée de vie et améliorer les performances de détection, ils sont généralement encapsulés pour la protection. Grâce à différentes structures et matériaux d'emballage, ils peuvent être adaptés à diverses applications, permettant la mesure de paramètres tels que la température, la contrainte, la pression et l'accélération. Sur la base de la méthode d'emballage, les capteurs FBG peuvent être classés en types tubulaires, à base de substrat, intégrés et suspendus. Selon le but de l'emballage, ils peuvent être divisés en emballage protecteur, emballage améliorant la sensibilité et emballage compensatoire. Cet article présente plusieurs types courants de capteurs FBG formés par emballage.

1.       Capteur de température de réseau de Bragg de fibre

Le capteur de température est l'une des premières applications des capteurs FBG. Son mécanisme de détection de température est basé sur la dilatation thermique et la contraction du réseau de fibre, qui provoque des changements dans la période de réseau et l'indice de réfraction effectif, décalant ainsi la longueur d'onde centrale du FBG. La variation de température est mesurée en utilisant la relation entre le changement de température et le décalage de longueur d'onde centrale. Les FBG nus étant fragiles, ils sont généralement protégés par une enveloppe extérieure. Actuellement, la plupart des capteurs de température FBG disponibles dans le commerce utilisent un boîtier tubulaire en acier capillaire.

Comme le montre la figure 1, le capteur de température FBG encapsule généralement le réseau de fibres dans un tube de verre capillaire. Une extrémité est fixée avec de l'adhésif, tandis que l'autre extrémité reste libre à l'intérieur du tube de verre. Le tube en verre capillaire est en outre protégé par un tube en acier externe, et l'huile conductrice thermique à hautes températures est remplie à l'intérieur pour augmenter le taux de transfert de chaleur. Cette structure protège efficacement le FBG contre les contraintes externes. Cette méthode de conditionnement protège non seulement le FBG, mais résout également le problème de sensibilité croisée entre la température et la déformation.

 Figure 1: Schéma de l'emballage du capteur de température FBG

 

2.       Capteur de contrainte de réseau de Bragg de fibre

Le capteur de contrainte est l'application la plus classique des capteurs FBG. Son mécanisme de détection de contrainte est basé sur l'effet photoélastique lorsqu'une force axiale est appliquée le long du réseau de fibres, provoquant des changements dans la période de réseau et l'indice de réfraction effectif, et décalant ainsi la longueur d'onde centrale. La déformation est mesurée en utilisant la relation entre la variation de déformation et le décalage de longueur d'onde centrale. Pour mesurer la contrainte d'un objet cible, le capteur de contrainte FBG est généralement collé à l'objet à l'aide d'un adhésif. Le FBG et la cible se déforment ensemble, de sorte que la contrainte mesurée du FBG représente la contrainte de la cible.

Comme le montre la figure 2, le capteur de contrainte FBG monté en surface est souvent emballé dans une structure en forme de I. Le corps principal est une plaque d'acier en forme de I, avec le FBG attaché à l'axe central de la plaque d'acier centrale. Les deux bases sont fixées à la structure cible avec des vis. Des expériences ont montré que cette structure d'emballage protège efficacement le FBG, en obtenant un taux de survie élevé et une bonne linéarité entre la déformation et la longueur d'onde. Cependant, la perte de transfert de contrainte au point de mesure est d'environ 20%, ce qui peut être corrigé par un étalonnage.

Figure 2:Schéma de l'emballage du capteur de contrainte FBG en forme de I

Étant donné que les FBG sont sensibles à la fois à la température et à la déformation, l'effet du changement de température doit être éliminé dans les mesures de déformation réelles. Typiquement, deux FBG sont emballés (l'un affecté par la déformation, l'autre non) pour la compensation de température. Comme le montre la figure 3, deux FBG sont encapsulés dans un tube en acier inoxydable. Un FBG est placé dans une veste serrée; quand le tube en acier est sollicité, il se déforme, et ce FBG est affecté par la température et la tension. L'autre FBG est placé dans une veste lâche, lui permettant de se déplacer librement sans être affecté par la tension; ainsi, ce FBG mesure seulement la température, et sa caractéristique purement de température-détection est employée pour la compensation.

Figure 3: Schéma de l'emballage du capteur de contrainte FBG avec compensation de température

3.       Capteur de pression de réseau de Bragg de fibre

Lorsqu'un FBG nu est directement soumis à une pression, le décalage de sa longueur d'onde centrale est très faible et sa sensibilité à la pression est très faible. Par conséquent, un emballage approprié est nécessaire pour améliorer la sensibilité. Actuellement, les capteurs de pression FBG traditionnels sont principalement basés sur la mesure de déformation axiale, avec deux approches communes: le collage et l'enrobage.

Comme le montre la figure 4, le capteur de pression FBG lié à la poutre en porte-à-faux encapsule généralement une poutre en porte-à-faux dans une paroi métallique scellée. Le FBG est attaché au bras de la poutre en porte-à-faux, et une colonne de transmission est située à l'extrémité libre du porte-à-faux. Lorsque la pression externe est appliquée, la colonne de transmission transfère la pression au cantilever, l'amenant à se plier et à se déformer. Le FBG mesure la contrainte du porte-à-faux pour caractériser la pression externe. L'encapsulation de la poutre en porte-à-faux dans un mur en métal protège efficacement le FBG, permettant des mesures de pression importantes avec une grande précision.

Figure 4: Schéma de l'emballage du capteur de pression FBG lié par poutre en porte-à-faux

Comme le montre la figure 5, le capteur de pression FBG intégré intègre généralement le FBG à l'intérieur d'un matériau sensible à la pression, qui est ensuite protégé par un boîtier métallique. Le matériau sensible à la pression est généralement un polymère caractérisé par un faible module d'élasticité et une sensibilité à la pression élevée. Lorsque la pression externe est appliquée, le polymère étire le FBG, permettant la mesure de la pression externe. Les avantages de cette méthode d'emballage sont sa structure simple et sa grande sensibilité à la pression externe. Les inconvénients comprennent une précision de mesure de pression plus faible et une mauvaise stabilité due à la tendance au vieillissement du polymère.

Figure 5: Schéma de l'emballage du capteur de pression FBG intégré

4.       Capteur d'accélération de réseau de Bragg de fibre

Le capteur d'accélération FBG utilise un élément élastique pour convertir le déplacement provoqué par la vibration de l'accélération mesurée en contrainte dans le FBG, réalisant ainsi une modulation de longueur d'onde. La capacité de l'élément élastique à transmettre avec précision le signal de vibration d'accélération est critique. Sur la base de la structure de l'élément élastique, les capteurs d'accélération FBG peuvent être classés en type poutre, type ressort et type charnière.

Comme le montre la figure 6, le capteur d'accélération FBG de type faisceau se compose généralement d'une poutre en porte-à-faux et d'une masse d'épreuve. Un FBG est attaché à la poutre en porte-à-faux. Quand la vibration externe d'accélération se produit, la masse de preuve conduit la poutre en porte-à-faux pour déformer en raison de l'inertie, et l'accélération est mesurée en détectant la tension dans le FBG. Ce procédé de conditionnement permet d'obtenir une structure simple adaptée aux mesures de vibrations d'accélération à basse fréquence. Étant donné que la mesure de la contrainte repose sur le collage, elle est significativement affectée par la température, de sorte que la conception de compensation de température est nécessaire.

Figure 6: Schéma de l'emballage du capteur d'accélération FBG de type faisceau

Figure 7: Schéma de l'emballage du capteur d'accélération FBG de type charnière

Comme le montre la figure 7, la structure de conditionnement du capteur d'accélération FBG de type charnière comporte des FBG fixés en suspension aux deux extrémités d'une charnière flexible. Le principe de mesure d'accélération est le même que celui du capteur d'accélération FBG de type faisceau. En fixant deux FBG aux positions suspendues supérieure et inférieure de la charnière, on obtient une compensation mutuelle. Cette structure offre des avantages tels qu'un fonctionnement sans frottement, une grande précision et une immunité aux effets de la température.