FR2901608A1 - Systeme de mesure et de detection de parametres et d'anomalies - Google Patents

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Abstract

L'objet de l'invention est un système (1) de mesure en temps réel de l'état de panneaux, notamment d'un ou plusieurs panneaux composites (2), caractérisé en ce qu'il comporte un réseau (3) de guides d'ondes (4l, 4c) très fins reliés à une série de capteurs transducteurs (5l, 5c), adaptés à émettre et à recevoir des signaux dans les guides d'ondes, ces capteurs étant eux mêmes reliés à un dispositif calculateur (6) tel qu'un dispositif à microprocesseur.

Description

- en fabrication, de disposer d'un moyen de contrôle de l'état de santé et
du suivi de polymérisation du matériau composite. En effet, la fabrication des panneaux composites comprend notamment une étape de cuisson qui nécessite des conditions et des cycles de température et de durée très précis. Ces conditions et ces cycles peuvent comporter des dérives néfastes à la polymérisation homogène du matériau et le système doit être adapté pour détecter des contraintes et/ou points chauds lors de la fabrication des pièces en sorte de n'employer des moyens de contrôle après polymérisation que dans le cas d'une alarme donnée par le système. - en maintenance, de disposer d'un moyen de contrôle permettant de faire un suivi des panneaux adapté à une maintenance prédictive tout en restant de masse et d'encombrement négligeable et en ne nécessitant qu'une faible puissance électrique pour son fonctionnement. Pour ce faire, la présente invention prévoit un système de mesure en temps réel de l'état de panneaux, notamment d'un ou plusieurs panneaux composites, comportant un réseau de guides d'ondes très fins reliés à une série de capteurs transducteurs, adaptés à émettre et à recevoir des signaux dans les guides d'ondes, ces capteurs étant eux mêmes reliés à un dispositif calculateur tel qu'un dispositif à microprocesseur, le dispositif calculateur effectuant ainsi un suivi et une surveillance des paramètres mesurés par les capteurs. Les guides d'ondes sont avantageusement des fibres optiques et les signaux des signaux optiques, les transducteurs étant dans ce cas des transducteurs opto-électroniques Le réseau du système selon l'invention est conçu pour rester opérationnel même partiellement endommagé. Pour ce faire, le pas entre guides d'ondes est fixé à une valeur inférieure aux dimensions des défauts minimum à détecter. La liaison du réseau à un dispositif calculateur permet une analyse et un diagnostic automatisés. Avantageusement le pas entre guides d'ondes est fixé à une valeur 30 inférieure aux dimensions des défauts minimaux à détecter. Selon un mode de réalisation préférentiel, le réseau est organisé en matrice lignes colonnes, les capteurs étant disposés en bout de guides d'ondes lignes et de guides d'ondes colonnes. 3 Avantageusement le dispositif calculateur comporte une mémoire contenant une représentation cartographique d'un champ de paramètres nominaux du ou des panneaux, des moyens de calcul de mesures à partir des données émises par les capteurs transducteurs, des moyens de comparaison desdites mesures avec les paramètres nominaux, des moyens d'alarme et/ou de stockage de valeurs anormales et des moyens de transmission des valeurs mesurées. Selon un mode de réalisation particulier de l'invention, les guides d'ondes sont des fibres optiques, les signaux sont des signaux optiques et pour lequel les capteurs transducteurs sont des émetteurs récepteurs opto-électroniques.
Avantageusement, les transducteurs émettent des signaux optiques modulables selon les caractéristiques des paramètres ou défauts à détecter. Plus particulièrement, les signaux optiques sont calibrés pour fournir une réponse représentative de la température des fibres et du milieu qu'elles traversent.
Avantageusement, le réseau de guides d'ondes est réalisé dans une feuille incorporée à un panneau composite lors de sa fabrication. Selon un premier mode, la feuille est positionnée sous une première couche de peau du panneau composite. Selon un mode alternatif la feuille constitue une couche interne du panneau 20 composite. Les capteurs sont préférablement disposés en ligne à la périphérie du panneau, et les guides d'ondes sont avantageusement de diamètre microscopique. Selon des modes de réalisation particulier du système selon l'invention, les 25 guides d'ondes sont des fibres pourvues d'une gaine perméable de sorte que le champ évanescent généré par les réflexions dans les fibres interagisse avec le milieu qu'elles traversent et/ou le matériau de la feuille et/ou le matériau des gaines des guides d'ondes est conducteur de l'électricité. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris 30 à la lecture de la description qui va suivre d'un exemple de réalisation non limitatif de l'invention en référence aux dessins qui représentent: en figure 1: une représentation schématique d'un système selon l'invention; en figure 2: une représentation schématique d'un réseau de fibres du système de la figure 1 de la figure 1; en figure 3: une représentation schématique d'un panneau équipé du réseau de la figure 2; en figure 4A: une vue d'un détail en coupe de côté du panneau de la figure 3; en figure 4B: une vue schématique en coupe d'un mode de réalisation alternatif du panneau de la figure 3. Le système 1 de mesure en temps réel de l'état de panneaux représenté à la figure 1 comprend un réseau 3 de guides d'ondes constitués par des fibres optiques 41, 4c très fines, voir des fibres 41, 4c de diamètre microscopique de l'ordre du micron, reliées à une série de capteurs transducteurs opto-électroniques 51, 5c. Les capteurs transducteurs sont configurés pour émettre un faisceau 15 lumineux et pour recevoir ce faisceau après réflexion sur l'extrémité de la fibre opposée à l'extrémité de la fibre pourvue du capteur. Les capteurs sont eux mêmes reliés à un dispositif calculateur 6 tel qu'un dispositif à microprocesseur par des câbles 121, 12c, 121c ou par un dispositif de liaison sans fil par exemple un dispositif radiofréquences. 20 Le système de la figure 1 est notamment adapté à surveiller le comportement d'un ou plusieurs panneaux composites 2 de structure d'aéronefs tels que représenté à la figure 3 sur ou dans lequel le réseau est intégré. Le réseau est représenté à la figure 2. Ce réseau est organisé en matrice lignes colonnes I, c et comporte une succession de fibres lignes 41 ainsi qu'une 25 succession de fibres colonnes 4c. Les capteurs 51, 5c sont disposés en bout des fibres lignes 41 et des fibres colonnes 4c de sorte qu'un défaut de la structure du panneau peut être localisé en fonction des ligne et colonne des fibres le détectant. Le réseau de fibres représenté à la figure 2 est réalisé sur une feuille 7 30 formant un substrat sur lequel sont déposées les fibres. Avantageusement, la feuille 7 est incorporée au panneau composite 2 lors de sa fabrication et, soit la feuille est déposée en surface du panneau et son épaisseur reste négligeable devant celle du panneau de sorte que la feuille ne modifie pas les caractéristiques du panneau, soit la feuille est positionnée sous une première couche 8 de peau du panneau composite 2 et le réseau de fibres participe éventuellement à la tenue structurale du panneau soit enfin, la feuille constitue une couche interne 17 du panneau composite 2 et devient un constituant 5 dudit panneau, le réseau de fibres se comportant alors éventuellement comme un treillis de renfort du panneau. La figure 4A correspond au mode de réalisation pour lequel la feuille est positionnée en surface du panneau sous une couche de peinture 16 et la figure 4B au mode de réalisation pour lequel la feuille est une couche structurale 17 positionnée dans le panneau sous une première 11 et une deuxième 8 couches du panneau 2 et au dessus de couches inférieures 9 et 10. Dans tous les cas et comme représenté à la figure 3, les capteurs 51, 5c sont disposés en ligne à la périphérie du panneau, sur deux côtés du panneau selon l'exemple.
Afin de localiser précisément les défauts, le pas entre fibres est fixé à une valeur inférieure aux dimensions des défauts minimaux à détecter. Par exemple dans le cas d'un réseau destiné à détecter des délaminages du panneau sur une surface de l'ordre du mm2, les fibre seront disposées selon un pas inférieur à un demi-millimètre de sorte que la discrimination de la position des défauts soit possible et de sorte que, en cas d'endommagement localisé du réseau, les fibres situées autour de la zone endommagée puissent toujours permettre de réaliser une surveillance des zones au plus près du défaut et que la surface du panneau restant sous surveillance reste compatible avec des critères de surveillance prédéterminés.
Dans le cadre d'une automatisation des mesures ou d'une surveillance temps réel, le dispositif calculateur 6 comporte une mémoire contenant une représentation cartographique d'un champ de paramètres nominaux du ou des panneaux. Cette cartographie peut notamment comporter des paramètres tels qu'une matrice de valeurs mini-maxi à ne pas dépasser de contraintes locales, de température, d'infiltration d'eau ou autre paramètre dont la surveillance a été demandée, en fabrication du panneau, en test ou en fonctionnement normal de l'aéronef. 6 Cette représentation cartographique constitue un modèle de comparaison prédéfini par rapport au comportement de la zone couverte par le réseau. Le modèle de comparaison définit une cartographie du champ de paramètres que l'on désire suivre soit en fabrication, assemblage ou maintenance.
En fabrication, le modèle peut être représentatif du suivi de la polymérisation du panneau composite, de la détection de délaminages, du taux de porosité ou autres paramètres représentatifs de la bonne réalisation du panneau. Ainsi le calculateur fournit notamment une cartographie des signaux significatifs des paramètres qui doivent être analysés en fonction du stade d'avancement du composite constituant le panneau. Pour la maintenance, le modèle peut être adapté pour détecter des délaminages, des infiltrations de liquides dans la peau, une dégradation du panneau par une hausse de température trop importante ou par des contraintes mécaniques trop importantes.
Le modèle est en outre conçu de telle manière qu'il permet de faire une auto-vérification du bon fonctionnement des éléments des capteurs. Le calculateur comporte en outre des moyens de calcul de données de mesures à partir des données émises par les capteurs transducteurs 51, 5c afin de traduire les valeurs mesurées en valeurs représentatives des contraintes locales et globales du panneau. Il comporte par ailleurs des moyens de comparaison desdites mesures avec les paramètres nominaux et peut comporter des moyens d'alarme 13 tels qu'un écran d'affichage ou des indicateurs sonores et/ou visuels pour donner une indication temps réel de la charge du panneau ou visualiser les paramètres de contraintes auxquels le panneau est soumis. Ces moyens d'alarme temps réel peuvent être notamment utilisés pour adapter la cuisson du panneau lors de sa fabrication. L'analyse intégrée peut en particulier se faire par rapport à des seuils. Lorsqu'un seuil est dépassé, le calculateur enregistre une alarme qui est soit 30 affichée soit déclarée lors d'une inspection ultérieure. Pour son utilisation au long de la vie de l'aéronef, le calculateur comporte en outre des moyens de stockage de valeurs anormales et des moyens de transmission 14 des valeurs mesurées afin de décharger les mesures, réalisées sur une période d'utilisation, vers un système de diagnostic externe lors de la phase de maintenance suivant cette période d'utilisation. Dans le cadre d'une surveillance de plusieurs types de contraintes, mécaniques, thermiques, infiltration d'eau, les capteurs transducteurs du système de mesure selon l'invention sont des émetteurs récepteurs opto-électroniques 51, 5c émettant des signaux optiques modulables selon les caractéristiques des défauts à détecter. Par exemple les signaux peuvent être des impulsions pour mesurer le temps de propagation du signal optique dans le cas de mesures de contraintes mécaniques ou une longueur d'ondes particulière pour laquelle les défauts de propagation vont permettre de déterminer la température locale du panneau. Dans ce dernier cas, les signaux optiques sont calibrés pour fournir une réponse représentative de la température des fibres et du milieu qu'elles traversent. En outre, pour permettre la mesure d'infiltration d'eau dans le panneau, les fibres 41, 4c, préférablement disposées dans une couche profonde du panneau, sont pourvues d'une gaine perméable de sorte que le champ évanescent, généré par les réflexions dans les fibres, interagisse avec le milieu traversé par les fibres et soit influencé par la proportion d'eau dans le panneau. Le système selon l'invention est plus performant que d'autres moyens de contrôle non destructif puisqu'il est disposé au coeur du matériau et qu'il permet de détecter des anomalies d'élaboration, de fabrication ainsi que les amorces d'endommagements, bien avant un seuil critique. Ce système permet de réduire les temps et coûts de fabrication et de maintenance puisqu'il n'est plus nécessaire de procéder à un contrôle tant que le 25 seuil à détecter n'est pas atteint. Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux approprié pour les panneaux externes de l'aéronef, le matériau de la feuille et/ou le matériau des gaines des fibres est conducteur de l'électricité en sorte de servir de guide de foudre.
30 Le réseau peut être fabriqué selon des techniques de matériaux hybrides organique-inorganique, de lithographie UV en utilisant un matériau très fortement photosensible pouvant être déposé sur des épaisseurs de quelques dizaines de nanomètres à plusieurs centaines de microns.
8 L'invention a été présentée dans le cadre de la réalisation de panneaux composites de structures d'aéronefs mais peut être utilisée dans d'autres secteurs industriels tels que l'automobile, le ferroviaire, la construction navale ou le nucléaire en outre l'exemple décrit comporte des fibres optiques mais l'invention n'est pas limitée à de telles fibres mais applicable à des guides d'ondes

Claims (14)

REVENDICATIONS
1 - Système (1) de mesure en temps réel de l'état de panneaux, notamment d'un ou plusieurs panneaux composites (2), caractérisé en ce qu'il comporte un réseau (3) de guides d'ondes (41, 4c) très fins reliés à une série de capteurs transducteurs (51, 5c), adaptés à émettre et à recevoir des signaux dans les guides d'ondes, ces capteurs étant eux mêmes reliés à un dispositif calculateur (6) tel qu'un dispositif à microprocesseur.
2 - système de mesure selon la revendication 1 pour lequel le pas entre guides d'ondes est fixé à une valeur inférieure aux dimensions des défauts minimaux à détecter.
3 - système de mesure selon la revendication 1 ou 2 pour lequel le réseau est organisé en matrice lignes colonnes (1, c) , les capteurs (51, 5c) étant disposés en bout de guides d'ondes lignes (41) et de guides d'ondes colonnes (4c).
4 - système de mesure selon l'une des revendications précédentes pour lequel le dispositif calculateur (6) comporte une mémoire contenant une représentation cartographique d'un champ de paramètres nominaux du ou des panneaux, des moyens de calcul de mesures à partir des données émises par les capteurs transducteurs (51, 5c), des moyens de comparaison desdites mesures avec les paramètres nominaux, des moyens d'alarme (13) et/ou de stockage de valeurs anormales et des moyens de transmission (14) des valeurs mesurées.
5 - système de mesure selon l'une des revendications précédentes pour lequel les guides d'ondes sont des fibres optiques, les signaux sont des signaux optiques et pour lequel les capteurs transducteurs sont des émetteurs récepteurs opto-électroniques (51, 5c).
6 - système de mesure selon la revendication 5 pour lequel les 25 transducteurs émettent des signaux optiques modulables selon les caractéristiques des paramètres ou défauts à détecter.
7 - système de mesure selon la revendication 5 ou 6 pour lequel les signaux optiques sont calibrés pour fournir une réponse représentative de la température des fibres et du milieu qu'elles traversent.10
8 - système de mesure selon l'une des revendications précédentes pour lequel le réseau de guides d'ondes est réalisé dans une feuille (7, 17) incorporée à un panneau composite (2) lors de sa fabrication.
9 - système de mesure selon la revendication 8 pour lequel la feuille est 5 positionnée sous une première couche (8) de peau du panneau composite (2).
10 - système de mesure selon la revendication 8 pour lequel la feuille constitue une couche interne (17) du panneau composite (2).
11 - système de mesure selon l'une des revendications précédentes pour lequel les capteurs (51, 5c) sont disposés en ligne à la périphérie du panneau. 10
12 - système de mesure selon l'une des revendications précédentes pour lequel les guides d'ondes (41, 4c) sont de diamètre microscopique.
13 - système de mesure selon l'une des revendications précédentes pour lequel les guides d'ondes (41, 4c) sont des fibres pourvues d'une gaine perméable de sorte que le champ évanescent généré par les réflexions dans les fibres 15 interagisse avec le milieu qu'elles traversent.
14 - système de mesure selon l'une des revendications précédentes pour lequel le matériau de la feuille et/ou le matériau des gaines des guides d'ondes est conducteur de l'électricité.
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