FR2688584A1 - Fibre-optic damage control structure and implementation method - Google Patents
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Abstract
Description
STRUCTURE A CONTROLE D'ENDOMMAGEMENT
PAR FIBRE OPTIQUE ET METHODE DE MISE EN OEUVRE
L'invention se situe dans le domaine des moyens destinés à contrôler en permanence ou périodiquement des endommagements ou des déformations d'une structure. Plus précisément l'invention se situe dans le domaine des moyens et procédés de contrôle de l'endommagement d'une structure au moyen d'une fibre optique ayant un rôle de capteur intrinsèque des déformations de la structure. Elle est particulièrement bien adaptée au contrôle des structures incorporant un matériau composite.DAMAGE CONTROL STRUCTURE
BY FIBER OPTIC AND METHOD OF IMPLEMENTATION
The invention lies in the field of means for permanently or periodically checking for damage or deformation of a structure. More precisely, the invention lies in the field of means and methods for controlling the damage to a structure by means of an optical fiber having a role of intrinsic sensor of the deformations of the structure. It is particularly well suited to the control of structures incorporating a composite material.
Elle concerne des moyens pour maintenir la fibre optique plaquée en contrainte sur une surface de la structure. It relates to means for maintaining the optical fiber plated under stress on a surface of the structure.
Ces moyens peuvent être des moyens n'ayant que cette fonction. These means can be means having only this function.
Ces moyens peuvent aussi être des renforts de la structure sous forme de nervure ou de poutre, adaptés pour plaquer la fibre en contrainte sur une surface de la structure. These means can also be reinforcements of the structure in the form of a rib or beam, suitable for pressing the fiber under stress on a surface of the structure.
Elle concerne enfin une méthode de détermination de la localisation d'une déformation subie par la structure et dans une certaine mesure de détermination de la contrainte ayant engendré cette déformation. L'invention sera ci-après décrite en référence à une structure intégrant un matériau composite. Elle est cependant applicable à d'autres matériaux. Finally, it relates to a method for determining the location of a deformation undergone by the structure and to a certain extent for determining the stress which has generated this deformation. The invention will be described below with reference to a structure incorporating a composite material. It is however applicable to other materials.
On sait qu'un matériau composite est constitué de fibres assemblées en différentes nappes formant des plis du matériau. It is known that a composite material consists of fibers assembled in different layers forming folds of the material.
Selon les sollicitations mécaniques auxquelles va être soumis le matériau, les nappes peuvent être disposées selon différentes directions. Depending on the mechanical stresses to which the material will be subjected, the plies can be arranged in different directions.
Le matériau composite est ainsi composé de différentes couches ou plis. The composite material is thus composed of different layers or folds.
Des défauts appelés délaminage peuvent apparaître après fabrication par vieillissement, par suite des sollicitations en déformation provoquées par des vibrations ou des cycles de température. Ces défauts peuvent apparaître par suite d'impact. Les délaminages quelle que soit leur origine ne provoquent aucun dommage directement visible. Or, ce phénomène par la possibilité de flambage local qu'il génère, réduit considérablement la résistance de la structure en compression. En dehors de cet aspect mécanique, I'hétérogénéité ainsi induite dans le matériau peut en modifier d'autres caractéristiques. physiques qui intéressent le fonctionnement de la structure
II est donc nécessaire de vérifier de façon régulière que les défauts présents dans le matériau ne sont pas supérieurs à un seuil préalablement fixé.Defects called delamination can appear after manufacturing by aging, as a result of deformation stresses caused by vibrations or temperature cycles. These faults may appear as a result of impact. Delaminations whatever their origin do not cause any directly visible damage. However, this phenomenon by the possibility of local buckling which it generates, considerably reduces the resistance of the structure in compression. Apart from this mechanical aspect, the heterogeneity thus induced in the material can modify other characteristics. that interest the functioning of the structure
It is therefore necessary to regularly check that the defects present in the material do not exceed a previously fixed threshold.
Pour cela, des techniques de contrôle non destructif de structures mécaniques sont employées. Les techniques généralement employées font appel à des techniques d'interrogation extrinsèques, c'est le cas de la thermographie, de l'émission acoustique, des ultrasons, de la radiographie. For this, techniques of non-destructive testing of mechanical structures are used. The techniques generally used call upon extrinsic interrogation techniques, this is the case of thermography, acoustic emission, ultrasound, radiography.
Toutes ces techniques de contrôle par des moyens extrinsèques doivent être effectuées en laboratoires après démontage de la structure contrôlée. Outre l'inconvénient du démontage et de l'immobilisation, les techniques employées nécessitent un long apprentissage pour connaître la nature des défauts, leurs dimensions et leurs localisations en fonction des résultats de mesure obtenus. All these control techniques by extrinsic means must be carried out in laboratories after dismantling the controlled structure. In addition to the drawback of dismantling and immobilization, the techniques used require long learning to know the nature of the defects, their dimensions and their locations as a function of the measurement results obtained.
Compte tenu des progrès réalisés dans la fabrication de capteurs intrinsèques à fibres optiques, on a pensé à utiliser de tels capteurs en les incluant directement à l'intérieur du matériau composite. In view of the progress made in the manufacture of intrinsic fiber optic sensors, it has been thought to use such sensors by including them directly inside the composite material.
Une telle inclusion est rapportée par le journal "Electronique international hebdo" nO 18 du 9 Mai 1991 page 15, dans un article intitulé "Améliorer les performances des composites par fibre optique". Such inclusion is reported by the newspaper "Electronique international hebdo" nO 18 of May 9, 1991 page 15, in an article entitled "Improving the performance of composites by optical fiber".
Cet article rapporte que le projet envisagé "consiste à noyer dans un composite une fibre optique continue à maintien de polarisation jouant le rôle de réseau de capteurs. C'est-à-dire où le paramètre à mesurer agit directement sur la fibre (à l'opposé des capteurs à fibre optique extrinsèques, où la fibre optique sert uniquement de support pour le transport d'information). Ici, la fibre optique modifie la nature du signal qui la parcourt en fonction des déformations et de la température. Selon le chef de file du projet, avec un pas entre chaque point de mesure de 10 cm, le nombre de points peut varier de 20 à 100 suivant la longueur de la fibre. Les premières applications visées sont dans le secteur de l'aéronautique. Mais Bertin, qui pour le traitement des mesures utilise le principe du codage en modulation spectrale, compte étendre le champ d'application du réseau de capteurs intrinsèques, notamment à la mesure de vibration d'une structure".This article reports that the envisaged project "consists in drowning in a composite a continuous optical fiber with polarization maintenance playing the role of network of sensors. That is to say where the parameter to be measured acts directly on the fiber (at the opposite to extrinsic fiber optic sensors, where the fiber optic only serves as a support for the transport of information). Here, the optical fiber modifies the nature of the signal which traverses it according to the deformations and the temperature. of the project, with a pitch between each measuring point of 10 cm, the number of points can vary from 20 to 100 depending on the length of the fiber. The first targeted applications are in the aeronautics sector. But Bertin, which for the treatment of measurements uses the principle of coding in spectral modulation, intends to extend the field of application of the network of intrinsic sensors, in particular to the measurement of vibration of a structure ".
L'inconvénient principal de la méthode de mesure rapportée ci-dessus provient du nombre de pas qui est au maximum égal au quotient de la largeur du spectre total par la largeur du spectre le plus petit que l'on sait isoler. La méthode nécessite que le maillage de la pièce composite par les différents capteurs ait été prédéterminé. II convient également de pouvoir séparer par l'analyse du signal capté en sortie de fibre, les modifications dues à la température et celles dues aux contraintes mécaniques. The main drawback of the measurement method reported above comes from the number of steps which is at most equal to the quotient of the width of the total spectrum by the width of the smallest spectrum that we know how to isolate. The method requires that the mesh of the composite part by the various sensors has been predetermined. It is also advisable to be able to separate by analysis of the signal picked up at the fiber output, the modifications due to the temperature and those due to the mechanical stresses.
Un autre inconvénient de la méthode rapportée ci-dessus est que la fibre est incluse à l'intérieur du matériau, hors il est bien connu que le diamètre des fibres optiques les plus fines reste encore très supérieur au diamètre des fibres formant les nappes. Cette différence de diamètre induit une discontinuité dans le matériau composite, discontinuité qui dans certains cas constitue une fragilisation ou un risque de fragilisation non acceptable. C'est pourquoi selon la présente invention il est prévu, pour ne pas fragiliser la structure, de fixer la fibre optique sur une face de la paroi constituée par le matériau. Another drawback of the method reported above is that the fiber is included inside the material, except that it is well known that the diameter of the finest optical fibers is still much greater than the diameter of the fibers forming the sheets. This difference in diameter induces a discontinuity in the composite material, a discontinuity which in certain cases constitutes embrittlement or an unacceptable risk of embrittlement. This is why, according to the present invention, it is provided, in order not to weaken the structure, to fix the optical fiber on one face of the wall made up of the material.
Ce mode de fixation permet de plus un meilleur choix de fibre car la fibre étant fixé sur le matériau cuit, il n'est pas nécessaire qu'elle résiste sans endommagement à la cuisson du composite. This method of fixing also allows a better choice of fiber because the fiber being fixed on the baked material, it does not have to resist without damaging the baking of the composite.
II a en effet été constaté que contrairement à une idée acceptée jusque là, il n'était pas nécessaire en particulier pour les matériaux composites constituant des parois minces de placer la fibre au coeur du matériau entre deux plis pour détecter un délaminage. Sur une paroi mince le délaminage produit en général une déformation légère de la paroi. Cette déformation peut être captée par une fibre optique plaquée de façon rigide sur une face de la paroi. Le problème est de trouver un moyen pour plaquer et maintenir la fibre contre la paroi de telle sorte qu'une déformation de la paroi constitue une contrainte sur la fibre, contrainte que l'on peut localiser et mesurer par la méthode qui sera décrite plus loin. It has in fact been observed that, contrary to an idea accepted hitherto, it was not necessary in particular for the composite materials constituting thin walls to place the fiber at the heart of the material between two plies to detect delamination. On a thin wall delamination generally produces a slight deformation of the wall. This deformation can be captured by an optical fiber rigidly plated on one face of the wall. The problem is to find a way to press and hold the fiber against the wall so that a deformation of the wall constitutes a stress on the fiber, a stress which can be located and measured by the method which will be described later. .
L'invention est donc relative à une structure comportant une paroi ayant deux faces, caractérisée en ce qu'elle comporte fixé à l'une de ses faces au moins un élément de structure plaquant en contrainte, au moins, une partie de fibre optique ou un tubage contenant une fibre optique, contre la face de la paroi de structure. The invention therefore relates to a structure comprising a wall having two faces, characterized in that it comprises fixed to one of its faces at least one structural element plating in stress, at least, a part of optical fiber or casing containing an optical fiber, against the face of the structure wall.
Selon un mode de réalisation de l'invention il est prévu de fixer la fibre au moyen d'un profilé rigide, profilé présentant une face interne en regard de la paroi constituée par le matériau composite et une face externe. La face interne du profilé comporte au moins une partie A servant à la fixation du profilé contre la paroi du matériau composite à contrôler, et une partie B creuse dont une partie au moins est au contact de la fibre ou d'un tubage incluant la fibre, lorsque la partie A est au contact du composite. Dans une section droite du profilé plaqué à la paroi et incluant la fibre, la fibre est tangente à la paroi en composite et tangente au moins en un point du profilé. L'invention est donc relative à un profilé destiné à plaquer une fibre optique, ou un tubage contenant une fibre optique contre une paroi, le profilé comportant une face interne et une face externe, la face interne comportant des parties A destinées à être fixées contre la paroi, et au moins une partie B creuse dont la section droite forme avec la paroi lorsque la fibre est plaquée par sa partie A à la paroi, une ligne, à laquelle au moins une section droite du tubage ou de la fibre est tangente d'une part au niveau de la section droite de la paroi et d'autre part en au moins un point de la partie B du profilé. According to one embodiment of the invention, provision is made to fix the fiber by means of a rigid section, section having an internal face opposite the wall formed by the composite material and an external face. The internal face of the profile has at least a part A used for fixing the profile against the wall of the composite material to be checked, and a hollow part B of which at least part is in contact with the fiber or a casing including the fiber , when part A is in contact with the composite. In a cross section of the profile pressed against the wall and including the fiber, the fiber is tangent to the composite wall and tangent at least at one point of the profile. The invention therefore relates to a profile intended to press an optical fiber, or a casing containing an optical fiber against a wall, the profile comprising an internal face and an external face, the internal face comprising parts A intended to be fixed against the wall, and at least one hollow part B whose cross section forms with the wall when the fiber is pressed by its part A to the wall, a line, to which at least one cross section of the casing or of the fiber is tangent d 'firstly at the cross section of the wall and secondly at at least one point in part B of the profile.
De préférence la section droite de la partie creuse B du profilé est une partie de cercle de rayon égal au diamètre extérieur de la fibre ou d'un tubage incluant la fibre. Preferably the cross section of the hollow part B of the profile is a part of a circle of radius equal to the outside diameter of the fiber or of a casing including the fiber.
La section droite du profilé peut également avoir une forme de
U la distance de la partie parallèle à la partie ouverte du U étant au plus égale au diamètre extérieur de la fibre ou d'un tubage incluant la fibre.The cross section of the profile can also have a form of
U the distance from the part parallel to the open part of the U being at most equal to the outside diameter of the fiber or of a casing including the fiber.
De préférence la partie A est localement plane. II est dit localement car au niveau d'une section droite on suppose que la section droite de la paroi est assimilable à un segment de droite au moins sur la longueur de la section droite du profilé. Le profilé pouvant avoir sur sa longueur une forme lui permettant de rester au contact de la paroi quelle que soit sa forme. Preferably part A is locally planar. It is said locally because at the level of a straight section it is assumed that the straight section of the wall is comparable to a straight segment at least over the length of the straight section of the profile. The profile may have a shape along its length allowing it to remain in contact with the wall whatever its shape.
De préférence le profilé est collé sur la paroi, mais il peut aussi être riveté ou même fretté si la forme de la paroi le permet
Si la paroi comporte des raidisseurs ou des entretoises d'espacement destinées à maintenir la paroi à une distance fixée d'une autre paroi, les profilés peuvent être creusés dans la partie de raidisseur ou d'entretoise destinée à être au contact de la paroi pour constituer le logement B de la fibre.Preferably the profile is glued to the wall, but it can also be riveted or even shrunk if the shape of the wall allows
If the wall has stiffeners or spacers intended to keep the wall at a fixed distance from another wall, the profiles can be hollowed out in the part of the stiffener or spacer intended to be in contact with the wall to constitute the housing B of the fiber.
L'invention sera maintenant décrite en référence aux dessins annexés dans lesquels
- la figure 1, représente une section transversale d'une fibre utilisée;
- la figure 2 est une vue en perspective d'une partie de paroi en matériau composite sur laquelle est fixée conformément à l'invention un profilé incluant une fibre optique
- la figure 3 illustre diverses sections droites que peut avoir le profilé;
- les figure 4 (a, b, c) illustrent diverses façons de précontraindre ou non la fibre
- la figure 5 illustre le cas où le profilé est une partie d'un raidisseur ou d'une entretoise
- la figure 6, est un schéma destiné à illustrer le fonctionnement de la fibre à maintien de polarisation
- la figure 7, illustre la méthode de mesure
- la figure 8 est une courbe montrant l'influence d'une contrainte sur la transmission dans la fibre d'un signal optique ;
- les figures 9 (a, b, c, d) sont des vues en perspective de parois comportant des profilés et des fibres selon l'invention.The invention will now be described with reference to the accompanying drawings in which
- Figure 1 shows a cross section of a fiber used;
- Figure 2 is a perspective view of a wall part of composite material on which is fixed according to the invention a profile including an optical fiber
- Figure 3 illustrates various cross sections that may have the profile;
- Figure 4 (a, b, c) illustrate various ways of prestressing the fiber or not
- Figure 5 illustrates the case where the profile is part of a stiffener or a spacer
- Figure 6 is a diagram intended to illustrate the operation of the polarization maintaining fiber
- Figure 7 illustrates the measurement method
- Figure 8 is a curve showing the influence of a stress on the transmission in the fiber of an optical signal;
- Figures 9 (a, b, c, d) are perspective views of walls comprising profiles and fibers according to the invention.
La fibre optique retenue pour ce genre d'application est la fibre
FASE. Elle est décrite dans le brevet FR nO 89.15872.The optical fiber selected for this kind of application is fiber
FASE. It is described in patent FR No. 89.15872.
Une section transversale de cette fibre est représentée figure 1. A cross section of this fiber is shown in Figure 1.
Cette fibre 1 comporte du centre vers l'extérieur un coeur optique 2 dont le diamètre est de 6,am environ. Le coeur est entouré d'une première gaine 3 de diamètre 125 vm environ ; cette gaine 3 comporte deux évidements circulaires diamétralement opposés 4 de diamètre 40 um. La gaine 3 est elle-même située à l'intérieur d'un revêtement 5. Les dimensions données ci-dessus pour l'exemple de réalisation pourraient varier pour une autre application sans sortir du domaine de l'invention. This fiber 1 comprises from the center outwards an optical core 2 whose diameter is approximately 6 μm. The core is surrounded by a first sheath 3 with a diameter of approximately 125 vm; this sheath 3 has two diametrically opposite circular recesses 4 with a diameter of 40 μm. The sheath 3 is itself located inside a coating 5. The dimensions given above for the embodiment could vary for another application without departing from the scope of the invention.
Dans un mode de réalisation le revêtement 5 est en époxy acrylate. In one embodiment, the coating 5 is made of epoxy acrylate.
La fibre est biréfringente à maintien de polarisation. Elle présente la particularité d'être très sensible à la pression et très peu sensible à la température. la fibre est insérée ou non dans un tubage de préférence en téflon 12 dont le diamètre intérieur est supérieur au diamètre extérieur de la fibre pourvu du revêtement 5. The fiber is birefringent with polarization maintenance. It has the particularity of being very sensitive to pressure and very insensitive to temperature. the fiber is inserted or not in a casing preferably made of Teflon 12, the inside diameter of which is greater than the outside diameter of the fiber provided with the coating 5.
La figure 2 représente une partie d'une paroi 7, en matériau composite. Cette partie est découpée d'une paroi pouvant avoir une forme quelconque. FIG. 2 represents a part of a wall 7, made of composite material. This part is cut from a wall which can have any shape.
La partie découpée est suffisamment petite pour pouvoir être assimilée à un parallélépipède. Un profilé 30 en matériau composite-fibre de verre, résine époxy - est collé par une partie A à la paroi 7. La partie
A est constituée de deux parties localement planes, adjacentes à une partie centrale creuse B dont la section droite a la forme d'un demi-cercle dont le rayon interne est égal au diamètre extérieur de la fibre optique 1 ou de son tubage 12.The cut part is small enough to be assimilated to a parallelepiped. A profile 30 of composite material-glass fiber, epoxy resin - is glued by a part A to the wall 7. The part
A is made up of two locally flat parts, adjacent to a hollow central part B whose cross section has the shape of a semicircle whose internal radius is equal to the outside diameter of the optical fiber 1 or of its casing 12.
L'épaisseur de la paroi composite est de quelques mm, le diamètre de la fibre optique et de ses différents gainages est de l'ordre de 250 tim. L'épaisseur du profilé est de l'ordre de 50 wm. The thickness of the composite wall is a few mm, the diameter of the optical fiber and its various sheaths is of the order of 250 tim. The thickness of the profile is around 50 wm.
La paroi 7 fait partie d'une structure. Elle a une face externe 11 et une face interne 10. Si la face externe 11 reçoit un choc, induisant un délaminage la face interne 10 va être localement boursouflée de façon suffisante pour induire une compression de la fibre optique compression dont le lieu et l'intensité peuvent être mesurés selon un procédé qui sera décrit plus loin en référence aux figures 6 et 7. The wall 7 is part of a structure. It has an external face 11 and an internal face 10. If the external face 11 receives a shock, inducing delamination, the internal face 10 will be locally bloated sufficiently to induce compression of the compression optical fiber, the place and the intensity can be measured according to a method which will be described later with reference to FIGS. 6 and 7.
La figure 3 est un schéma géométrique destiné à illustrer les conditions que doit remplir la section droite de la partie creuse B dans le cas ou le profilé 30 est un profilé monofibre. Figure 3 is a geometric diagram intended to illustrate the conditions which must be met by the cross section of the hollow part B in the case where the section 30 is a monofiber section.
Pour cela on définit une droite H figurant la section droite de la face interne 10 de la paroi 7 sur laquelle le profilé viendra se fixer par sa partie A. La section droite de la partie creuse B a un point C qui est le plus éloigné de la droite H. D est le diamètre de la fibre à inclure dans la partie creuse B. I est une droite parallèle à H située entre C et H à une distance D/2 de C. E et F sont les points où la droite H coupe la section droite de la partie creuse B. G et L sont les points où la droite I coupe la partie creuse B. Un cercle O de diamètre D tangent en C à la section droite de la partie creuse B et figurant la section droite du diamètre extérieur d'une fibre ou d'un tubage incluant une fibre émerge d'une hauteur J au dessus de la droite H. K est le point du cercle O diamétralement opposé à C. Une forme raisonnable pour la section droite de la partie creuse B peut être constituée par une ligne comprise dans une zone délimitée par la droite H, un cercle de centre K de rayon D sécant à H en E1 et F1, et une ligne constituée d'une portion d'un cercle D+J 0' centré sur la droite KC, passant par C et de rayon 2 t portion de cercle limitée aux points Go et LO intersections de (0') avec la droite I, cette portion de cercle étant prolongée par deux segments de droite
GoEo et LoFo, LOet Fo étant des points de la droite H situé de part et d'autre de la droite CK et tel que EoFo = D.For this, we define a straight line H representing the cross section of the internal face 10 of the wall 7 on which the profile will be fixed by its part A. The cross section of the hollow part B has a point C which is the farthest from the line H. D is the diameter of the fiber to be included in the hollow part B. I is a line parallel to H located between C and H at a distance D / 2 from C. E and F are the points where the line H intersects the cross section of the hollow portion B. G and L are the points where the straight line I intersects the hollow portion B. A circle O of diameter D tangent at C to the cross section of the hollow portion B and representing the cross section of the outside diameter of a fiber or of a casing including a fiber emerges from a height J above the line H. K is the point of the circle O diametrically opposite to C. A reasonable shape for the cross section of the hollow part B can be made up of a line included in an area bounded by the straight line H, a c center circle K of radius D intersecting at H in E1 and F1, and a line made up of a portion of a circle D + J 0 'centered on the line KC, passing through C and of radius 2 t limited portion of circle at points Go and LO intersections of (0 ') with line I, this portion of circle being extended by two line segments
GoEo and LoFo, LOet Fo being points of the line H located on either side of the line CK and such that EoFo = D.
Toute ligne allant de façon continue d'un point E de la droite H compris entre E1 et Eo à un point F de la droite H compris entre Fo et F1 et restant à l'intérieur de la zone E1 C F1 Fo LO C Go Eo peut constituer une ligne acceptable d'une section droite d'un profilé selon l'invention. II est dit qu'une ligne située dans cette zone constitue une ligne acceptable pour une partie creuse selon l'invention car elle suffit à remplir les fonctions que doit jouer la partie creuse B. Any line going continuously from a point E of the straight line H between E1 and Eo to a point F of the straight line H between Fo and F1 and remaining inside the area E1 C F1 Fo LO C Go Eo may constitute an acceptable line of a cross section of a profile according to the invention. It is said that a line situated in this zone constitutes an acceptable line for a hollow part according to the invention because it is sufficient to fulfill the functions which the hollow part B must play.
Elle permet de localiser la fibre selon un plan axial contenant
CK, elle permet l'inclusion de la fibre puisque EF est au minimum égal à EoFo = D.It makes it possible to locate the fiber according to an axial plane containing
CK, it allows the inclusion of the fiber since EF is at least equal to EoFo = D.
Elle permet de plaquer la fibre contre la paroi 10 puisque la fibre dépasse d'une valeur J positive éventuellement quasi nulle. Elle permet une déformation complémentaire de la fibre puisqu'elle laisse un volume libre autour de la fibre. It allows the fiber to be pressed against the wall 10 since the fiber exceeds a positive J value, possibly almost zero. It allows additional deformation of the fiber since it leaves a free volume around the fiber.
Cette forme de réalisation n'est cependant pas absolument nécessaire et on pourra s'en écarter sans s'éloigner de la présente invention. En particulier si la section droite du profilé à une forme en V la pointe C pourra être éloigné de H d'une distance supérieure à D. This embodiment is however not absolutely necessary and one can deviate from it without departing from the present invention. In particular if the cross section of the profile has a V shape, the point C may be distant from H by a distance greater than D.
La figure 4 (a à c) représente un mode préféré de réalisation pour un profilé monofibre selon l'invention. Figure 4 (a to c) shows a preferred embodiment for a monofiber profile according to the invention.
Dans ce mode de réalisation la fibre est incluse à l'intérieur d'un tubage 12 dont la fonction est d'ajuster la sensibilité de la fibre aux déformations que l'on souhaite pouvoir mesurer. In this embodiment, the fiber is included inside a casing 12 whose function is to adjust the sensitivity of the fiber to the deformations that it is desired to be able to measure.
Sur la figure 4a le profilé 30 est représenté en coupe transversale avant fixation à une paroi 7. La fibre 1 de diamètre extérieur
D1 est incluse dans un tubage 12 de diamètre intérieur D2 supérieur à
D1 en sorte que la fibre est flottante à l'intérieur du tubage 12;. Le diamètre extérieur du tubage 12 est égal à D3.In Figure 4a the profile 30 is shown in cross section before attachment to a wall 7. The fiber 1 of outer diameter
D1 is included in a casing 12 with an internal diameter D2 greater than
D1 so that the fiber is floating inside the casing 12 ;. The outside diameter of the casing 12 is equal to D3.
La fibre 1 et son tubage 12 sont représentés en position à l'intérieur de la partie creuse B du profile 30. Cette partie creuse a pour section droite un demi cercle de rayon R=D3 -(D2 - D1). Avant plaquage contre la paroi, le tubage 12 dépasse de la partie creuse B d'une valeur J égale à D2 - D1
Sur la figure 4b le profilé 30 est en position contre la paroi. Le tubage 12 a donc été aplati suffisamment pour venir au contact de la fibre 1 selon au moins deux points de tangence. La fibre 1 dans cette position ne subit aucune contrainte. Si l'on souhaite fonctionner dans une zone de contrainte où le signal que permet de capter la fibre varie de façon quasi linéaire avec la contrainte, on peut augmenter la distance J donc diminuer le rayon R de la partie creuse B, de façon à la rendre légèrement supérieure à (D2-D1). The fiber 1 and its casing 12 are shown in position inside the hollow part B of the profile 30. This hollow part has the cross section of a semicircle of radius R = D3 - (D2 - D1). Before pressing against the wall, the casing 12 protrudes from the hollow part B by a value J equal to D2 - D1
In Figure 4b the section 30 is in position against the wall. The casing 12 has therefore been flattened enough to come into contact with the fiber 1 at at least two points of tangency. Fiber 1 in this position is not subjected to any stress. If one wishes to operate in a constraint zone where the signal which makes it possible to receive the fiber varies almost linearly with the constraint, one can increase the distance J therefore decrease the radius R of the hollow part B, so as to make it slightly greater than (D2-D1).
Sur la figure 4c le profilé 30 est toujours en position et l'on suppose qu'un impact a induit une déformation locale de la face 10 du matériau 7. Cette déformation se traduit par une contrainte sur la fibre 1, contrainte qui pourra être localisée et mesurée selon la méthode qui sera décrite plus loin. In FIG. 4c, the profile 30 is still in position and it is assumed that an impact has induced a local deformation of the face 10 of the material 7. This deformation results in a stress on the fiber 1, a stress which can be localized and measured according to the method which will be described later.
La figure 5, représente une section transversale d'un mode particulier de réalisation dans lequel la structure incluant le matériau à contrôler comporte des raidisseurs ou des entretoises (40). De tels raidisseurs ou entretoises sont en général constitués par une nervure 6, perpendiculaire à la paroi 7 à raidir, rapportée à une partie 8 perpendiculaire à la partie 6. FIG. 5 shows a cross section of a particular embodiment in which the structure including the material to be checked comprises stiffeners or spacers (40). Such stiffeners or spacers are generally constituted by a rib 6, perpendicular to the wall 7 to be stiffened, attached to a part 8 perpendicular to the part 6.
La partie 8 comporte une surface 9 qui est fixée à la paroi 7. Part 8 has a surface 9 which is fixed to wall 7.
Dans ce cas les logements B de fibre optique peuvent avantageusement être constitués par des gorges 30 creusées à partir de la surface 9 le profil de la gorge répondant aux conditions explicitées page 8, lignes 1824.In this case the housings B of optical fiber can advantageously be constituted by grooves 30 dug from the surface 9 the profile of the groove meeting the conditions explained on page 8, lines 1824.
Dans le cas où la surface 9 ne comporte qu'une gorge elle est de préférence située sur une ligne axiale de la nervure ou de l'entretoise 40. In the case where the surface 9 has only one groove, it is preferably located on an axial line of the rib or of the spacer 40.
Le mode de fonctionnement de la fibre 1 incluse dans un tubage 12 selon le mode de réalisation décrit figure 4 ou 5 sera maintenant explicité en référence aux figures 6, 7 et 8. The operating mode of the fiber 1 included in a casing 12 according to the embodiment described in FIG. 4 or 5 will now be explained with reference to FIGS. 6, 7 and 8.
Le choix de la nature du matériau constituant le tubage 12 et de son diamètre sera fonction de la nature des déformations que l'on veut enregistrer. Des explications à ce sujet seront préalablement données ci-après en références aux figures 4a à 4c et à la courbe 16 de la figure 8. The choice of the nature of the material constituting the casing 12 and its diameter will depend on the nature of the deformations that we want to record. Explanations on this subject will be given beforehand below with reference to FIGS. 4a to 4c and to curve 16 in FIG. 8.
Sur la figure 4b, le tubage 12 est suffisamment déformé pour que la fibre 1 soit comprimée entre deux épaisseurs du tubage. Sur la figure 4c, le tubage 12 est aplati suite à une contrainte additionnelle. In FIG. 4b, the casing 12 is sufficiently deformed so that the fiber 1 is compressed between two thicknesses of the casing. In FIG. 4c, the casing 12 is flattened following an additional stress.
La courbe 16 de la figure 8 qui représente les variations en fonction de la déformation du tubage 12 des niveaux d'un signal optique circulant dans la fibre 1, comporte trois parties. Le niveau est donné en pourcentage d'un pic principal du signal. La nature du signal et la façon de l'obtenir seront données ultérieurement. Les déformations sont représentées par l'énergie en joules nécessaire pour les obtenir. Les trois parties s'analysent ainsi : dans une partie 16-1 qui correspond à la plage d'énergies qui créent des déformations qui s'inscrivent pour ce tubage 12, entre la forme de la figure 4a et la forme de la figure 4b ; la réponse est faible. The curve 16 of FIG. 8 which represents the variations as a function of the deformation of the casing 12 of the levels of an optical signal circulating in the fiber 1, has three parts. The level is given as a percentage of a main signal peak. The nature of the signal and how to obtain it will be given later. The deformations are represented by the energy in joules necessary to obtain them. The three parts are analyzed as follows: in a part 16-1 which corresponds to the range of energies which create deformations which are inscribed for this casing 12, between the form of FIG. 4a and the form of FIG. 4b; the answer is weak.
Dans la partie 16-2 qui correspond à la plage d'énergie où l'on passe de la figure 4b à la figure 4c, la réponse est linéaire et un étalonnage sur un échantillon permet une bonne reproductibilité. C'est cette partie de la courbe qui est utilisée pour détecter les dommages. In part 16-2 which corresponds to the energy range where we pass from Figure 4b to Figure 4c, the response is linear and a calibration on a sample allows good reproducibility. It is this part of the curve that is used to detect damage.
C'est donc en jouant sur le module de Young du matériau choisi pour réaliser le tubage qu'il sera possible de choisir la gamme de contraintes que l'on souhaite mesurer. De plus, pour un même matériau et une grande épaisseur du tubage 12, la sensibilité obtenue est plus grande lorsque le diamètre du tubage 12 diminue. Cela signifie que la pente de la partie rectiligne 16-2 est plus forte et plus à gauche. La partie 16-3 correspond à un seuil de saturation.It is therefore by playing on the Young's modulus of the material chosen to make the casing that it will be possible to choose the range of stresses that one wishes to measure. In addition, for the same material and a large thickness of the casing 12, the sensitivity obtained is greater when the diameter of the casing 12 decreases. This means that the slope of the straight part 16-2 is steeper and more to the left. Part 16-3 corresponds to a saturation threshold.
Si la mesure est effectuée en temps différé, il est préférable que le matériau du tubage soit inélastique dans la gamme des contraintes choisie. La mesure effectuée correspond alors à la contrainte la plus forte. Si la mesure est effectuée en permanence en temps réel, il est préférable que le matériau du tubage soit élastique dans la gamme de contraintes choisie. Ce dernier cas est particulièrement bien adapté au cas d'un radôme. If the measurement is made in deferred time, it is preferable that the casing material is inelastic within the range of stresses chosen. The measurement performed then corresponds to the strongest constraint. If the measurement is carried out continuously in real time, it is preferable that the casing material is elastic within the chosen stress range. The latter case is particularly well suited to the case of a radome.
L'inclusion de la fibre 1 dans un tubage 12 telle que décrite dans le mode préféré ci-dessus n'est pas indispensable. On peut obtenir la même forme de courbe avec une fibre nue et légèrement précontrainte. The inclusion of the fiber 1 in a casing 12 as described in the preferred mode above is not essential. We can obtain the same shape of curve with a bare fiber and slightly prestressed.
Le principe de la mesure sera maintenant explicité en référence aux figures 6 et 7. The principle of measurement will now be explained with reference to Figures 6 and 7.
La figure 6 représente une vue en perspective d'une fibre biréfringente utilisée dans le dispositif de mesure selon l'invention. Dans cette fibre la lumière se propage selon deux directions de polarisation orthogonales notées XX' et YY' auxquelles correspondent des constantes de propagation longitudinales Px et Py
px - nx et ssY X ny
X est la longueur d'onde de l'onde lumineuse et nx et ny sont les indices respectifs dans les deux directions. Si nx et ny sont différents les deux ondes se propagent à des vitesses différentes. Si la fibre a une longueur
L, le déphasage total entre les deux ondes est
o =(ssx-ssy)L ou avec PxPy=P
O =ssL
Sur la figure 6, les vecteurs représentent les directions des modes de propagation. L'axe XX' est l'axe qui joint les centres des évidements 4. L'axe YY' lui est perpendiculaire. T est le retard entre les deux ondes.FIG. 6 represents a perspective view of a birefringent fiber used in the measuring device according to the invention. In this fiber, light propagates in two orthogonal polarization directions denoted XX 'and YY' to which correspond the longitudinal propagation constants Px and Py
px - nx and ssY X ny
X is the wavelength of the light wave and nx and ny are the respective indices in the two directions. If nx and ny are different the two waves propagate at different speeds. If the fiber has a length
L, the total phase difference between the two waves is
o = (ssx-ssy) L or with PxPy = P
O = ssL
In FIG. 6, the vectors represent the directions of the propagation modes. The axis XX 'is the axis which joins the centers of the recesses 4. The axis YY' is perpendicular thereto. T is the delay between the two waves.
Si un seul mode de propagation est excité au départ d'une source lumineuse appliquée à la fibre et en l'absence de perturbations, la lumière arrive à l'autre extrémité de la fibre selon ce seul mode. Un point de contrainte sur la fibre crée un couplage entre les deux modes de propagation. Si le mode YY' est excité au départ, cela signifie qu'à partir du point de couplage une fraction de l'énergie lumineuse va se propager aussi selon le mode XX'. La valeur de cette fraction est une fonction de la valeur de la contrainte. C'est la valeur de cette fraction qui est représentée sur la courbe de la figure 8. A partir du point de couplage une onde lumineuse va se propager à une vitesse plus lente (si l'axe XX' est l'axe lent) que l'onde se propageant sur l'axe YY'. If only one propagation mode is excited from a light source applied to the fiber and in the absence of disturbances, the light arrives at the other end of the fiber according to this single mode. A stress point on the fiber creates a coupling between the two propagation modes. If the YY 'mode is excited at the start, this means that from the coupling point a fraction of the light energy will also propagate according to the XX' mode. The value of this fraction is a function of the value of the constraint. It is the value of this fraction which is represented on the curve of FIG. 8. From the coupling point a light wave will propagate at a slower speed (if the axis XX 'is the slow axis) than the wave propagating on the axis YY '.
Le retard entre les deux ondes est d'autant plus grand que la distance entre le point de couplage créé par la contrainte et le point de mesure du retard est grande. The delay between the two waves is greater the greater the distance between the coupling point created by the constraint and the measurement point of the delay.
Le principe de la mesure permet donc de connaître l'intensité de la contrainte et sa localisation. The principle of the measurement therefore makes it possible to know the intensity of the stress and its location.
Dans le mode de réalisation selon l'invention, la mesure est réalisée de la façon suivante décrite en référence à la figure 7. In the embodiment according to the invention, the measurement is carried out as described below with reference to FIG. 7.
La lumière en provenance d'une source S 17 est introduite dans la fibre de mesure 1. II s'agit d'une onde lumineuse continue à forte cohérence spatiale et à faible cohérence temporelle. La fibre 1 est plaquée sur le matériau composite 7 par le profilé 30 selon un trajet assurant un maillage du matériau qui est une fonction de la surface minimum des délaminages que l'on veut observer. La lumière en provenance de la fibre 1 est envoyée par l'intermédiaire d'un polariseur 20 et d'une lame semi réflectrice 18 vers les deux miroirs d'un interféromètre de Michelson 21, un miroir fixe 19 et un miroir mobile 23. The light from a source S 17 is introduced into the measurement fiber 1. It is a continuous light wave with high spatial coherence and low temporal coherence. The fiber 1 is pressed against the composite material 7 by the section 30 along a path ensuring a mesh of the material which is a function of the minimum surface of the delamination that we want to observe. Light from fiber 1 is sent via a polarizer 20 and a semi-reflective plate 18 to the two mirrors of a Michelson interferometer 21, a fixed mirror 19 and a movable mirror 23.
Le polariseur est un polariseur à 45 par rapport à l'axe des fibres. On notera que le polariseur et l'interféromètre peuvent être remplacés par tout moyen permettant de réaliser des interférences, entre un train d'ondes de référence, ici le train d'onde en permanence sur l'axe rapide, et un train d'ondes retardé par rapport à ce train de référence. II convient donc de ramener les trains d'onde sur une seule polarisation. Un autre mode de réalisation consiste à mettre à la place du polariseur 20 une jonction 20' de fibre dont les axes lents et rapides sont croisés à 450. La partie de fibre 1' en sortie du polariseur ou de la jonction est de préférence longue. Le déplacement du miroir mobile 23 permet de repérer tous les déphasages pour lesquels l'onde de référence, I'onde restée continûment sur l'axe rapide, interfère avec des ondes qui, à chaque point de couplage ont commencé à voyager sur l'axe lent et qui arrivent d'autant plus en retard que le point de couplage est éloigné du point de mesure.The polarizer is a polarizer at 45 relative to the axis of the fibers. It will be noted that the polarizer and the interferometer can be replaced by any means allowing interference to be produced between a reference wave train, here the wave train permanently on the fast axis, and a wave train delayed compared to this reference train. It is therefore advisable to reduce the wave trains to a single polarization. Another embodiment consists in putting in place of the polarizer 20 a fiber junction 20 'whose slow and fast axes are crossed at 450. The fiber portion 1' at the outlet of the polarizer or the junction is preferably long. The displacement of the movable mirror 23 makes it possible to identify all the phase shifts for which the reference wave, the wave which remains continuously on the fast axis, interferes with waves which, at each coupling point, have started to travel on the axis slow and arriving all the more late as the coupling point is distant from the measurement point.
Un dispositif de traitement 22 permettant le déplacement du miroir mobile 23 de l'interféromètre et un dispositif de détection 24 associés à un système d'acquisition 25 permettent de façon connue de localiser les points de couplage et de déterminer l'intensité de la contrainte. A processing device 22 allowing the displacement of the mobile mirror 23 of the interferometer and a detection device 24 associated with an acquisition system 25 make it possible, in known manner, to locate the coupling points and to determine the intensity of the stress.
Les figures 9 (a, b, c, d) illustrent des façons de réaliser des maillages de structures comportant un matériau 7. FIGS. 9 (a, b, c, d) illustrate ways of making meshes of structures comprising a material 7.
La figure 9a représente une partie de structure 70 comportant une paroi mince 7 en matériau composite. La paroi comporte des raidisseurs ou entretoises 401 402 ... comportant elles-mêmes des nervures 61, 62... raccordées à des parties perpendiculaires 81 82 ...comprenant une surface 91 92... en contact et fixée par collage à la paroi 7. A partir d'une surface 9 est creusée une gorge B contenant une fibre 1, éventuellement incluse dans un tubage 12 (La gorge et la fibre apparaissent en pointillé sur une seule des entretoises 40 représentées)
La même fibre 1 comporte une partie (la) localement insérée dans une gorge B d'un profilé monofibre (41) semblable au profilé représenté figure 2 avant d'être réinsérée dans une autre nervure 62... Chaque surface 9 pourrait comporter plusieurs gorges 30 comme représenté figure 5. Dans ce cas les gorges sont parallèles et raccordées entre elles à leurs extrémité par des demi cercles, la ligne axiale de la gorge ayant la forme représentée figure 9b.FIG. 9a represents a part of structure 70 comprising a thin wall 7 of composite material. The wall comprises stiffeners or spacers 401 402 ... themselves comprising ribs 61, 62 ... connected to perpendicular parts 81 82 ... comprising a surface 91 92 ... in contact and fixed by bonding to the wall 7. From a surface 9 is hollowed out a groove B containing a fiber 1, possibly included in a casing 12 (The groove and the fiber appear in dotted lines on only one of the spacers 40 shown)
The same fiber 1 has a part (la) locally inserted in a groove B of a monofiber profile (41) similar to the profile shown in Figure 2 before being reinserted in another rib 62 ... Each surface 9 could have several grooves 30 as shown in Figure 5. In this case the grooves are parallel and connected to each other at their ends by semicircles, the axial line of the groove having the shape shown in Figure 9b.
La figure 9c représente une structure 80 comportant un matériau 7 en forme de cylindre. Des profilés 30 (301...30n) comportant des fibres, représentés sur la figure 9c par leurs lignes axiales, sont frettés sur la surface du cylindre au moyen d'un fil de frettage 81 décrivant une spirale autour du cylindre. FIG. 9c represents a structure 80 comprising a material 7 in the form of a cylinder. Profiles 30 (301 ... 30n) comprising fibers, represented in FIG. 9c by their axial lines, are hooped on the surface of the cylinder by means of a hooping wire 81 describing a spiral around the cylinder.
La figure - 9d représente une structure 90 de forme sensiblement conique, un profilé 30 ayant la section droite représenté figure 2 et représenté par sa ligne axiale est collé en spirale sur la face interne de la structure conique. Figure - 9d shows a structure 90 of substantially conical shape, a profile 30 having the cross section shown in Figure 2 and shown by its axial line is glued in a spiral on the internal face of the conical structure.
Les représentations des différentes figures 9 ne sont pas exhaustives. Elle ne sont destinées qu'à illustrer par des exemples des formes de réalisations que peut prendre l'invention. The representations of the various figures 9 are not exhaustive. They are only intended to illustrate with examples of embodiments that the invention may take.
Les formes décrites sur l'une des figures ne sont pas nécessairement exclusives entre elles, dans une même réalisation. The shapes described in one of the figures are not necessarily mutually exclusive, in the same embodiment.
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| OPTICAL FIBRE SENSORS;1988 TECHNICAL DIGEST SERIES,VOL. 2,PART 2 JANUARY 27-29,1988;NEW ORLEANS LOUISIANA OPTICAL SOCIETY OF AMERICA; pp424-432 MAYSTRE ET AL.:HIGH SENSITIVITY FABRY-PEROT OPTICAL FIBRE SENSOR FOR THE MEASUREMENT OF MECHANICAL FORCE * |
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Also Published As
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|---|---|
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