CAPTEUR D'ALLONGEMENT A FIBRE OPTIQUE DESCRIPTION FIBER OPTIC EXTENSION SENSOR DESCRIPTION
Le sujet de cette invention est un capteur d'allongement à fibre optique. Ce capteur doit être utilisable pour des matériaux en essai sous forte irradiation nucléaire (avec un ordre de grandeur typique d'une dose cumulée de 1019 à 1021 n/cm2 en neutrons rapides et 0,5 à 50 GGy en rayonnement y) et aux températures jusqu'à 1000°C. De tels essais peuvent être menés dans le coeur d'un réacteur de recherche. Le capteur doit alors être de faible masse thermique et de faible encombrement. Le milieu extérieur à l'échantillon est opaque ou turbulent et n'autorise pas des mesures optiques avec propagation dans le milieu. Un procédé connu consiste à retirer l'échantillon du milieu de l'essai pour effectuer une mesure dans une cellule dite chaude. Cette méthode ne permet pas de suivre en continu l'évolution de la déformation et elle demande des manipulations complexes. Une autre méthode consiste à utiliser un capteur à transformateur différentiel variable linéaire comprenant trois bobinages, un primaire et deux secondaires. En liant un point d'un échantillon au noyau et un autre au corps du capteur, on peut mesurer le déplacement entre ces deux points par la différence de tension entre les deux bobinages secondaires. Ce capteur demande la réalisation d'un ensemble mécanique qui peut être complexe, présente une masse thermique non négligeable ; et les différentes liaisons mécaniques ainsi que le capteur lui-même peuvent laisser apparaître des dérives de dimensions, en particulier dues aux radiations intenses, et donc des dérives de la mesure. Les capteurs de type Fabry-Pérot à fibres optiques sont utilisés depuis de nombreuses années pour mesurer des allongements ou d'autres paramètres physiques. Une cavité de Fabry-Pérot dite extrinsèque est réalisée par deux surfaces en regard, partiellement réfléchissantes, généralement constituées par des extrémités de fibres optiques recouvertes d'une matière diélectrique. Une lumière de spectre étendu est introduite dans la fibre optique, et elle est soumise à des réflexions multiples en arrivant à la cavité. Des interférences se produisent entre les ondes réfléchies sur les deux surfaces réfléchissantes. La lumière résultante présente une modulation spectrale qui dépend de la longueur de la cavité, qui est l'écart entre les deux faces réfléchissantes. L'analyse des motifs d'interférence, par exemple par un interféromètre de Fizeau, permet de connaître la longueur de la cavité. Les fibres sont insérées dans un tube capillaire, généralement en verre, et soudées dans le tube à des lieux d'ancrage dont la distance relative constitue la longueur de jauge. Le capillaire est fixé, généralement en étant collé, à l'élément à mesurer. Les variations de la longueur de jauge se traduisent par des variations identiques de la longueur de la cavité, et la déformation relative de l'échantillon s'exprime par le rapport entre cette variation de longueur de cavité et la longueur de jauge. La longueur de cavité est généralement de quelques microns ou dizaines de microns et la longueur de jauge de quelques millimètres, ce qui donne une bonne sensibilité à la mesure. Ces capteurs sont toutefois mis en échec dans le cas de mesures sous forte irradiation, puisqu'il apparaît des variations de la longueur de la cavité qui ne proviennent pas d'une variation de longueur de l'échantillon mais d'une compaction des fibres optiques, généralement en silice. Cet artéfact apparaît d'ailleurs avec d'autres capteurs à fibres optiques, utilisant d'autres principes de mesures pour mesurer les déformations. Une autre difficulté est la liaison du capteur à l'échantillon. Les colles classiques en matière synthétique ne tiennent pas dans les conditions décrites plus haut. Les colles en céramique peuvent être utilisées mais possèdent une grande rigidité et une faible dilatation thermique par rapport aux matériaux à mesurer, qui peuvent entraîner des ruptures et des contraintes sur les matériaux à mesurer. Une autre possibilité consiste à souder ou braser des fibres optiques métallisées sur une feuille métallique qui est ensuite soudée à l'échantillon, mais la superficie importante de la feuille métallique peut entraîner une résistance à l'alongement importante sur le matériau à mesurer. The subject of this invention is an optical fiber elongation sensor. This sensor must be usable for test materials under strong nuclear irradiation (with an order of magnitude typical of a cumulative dose of 1019 to 1021 n / cm2 in fast neutrons and 0.5 to 50 GGy in y-radiation) and temperatures. up to 1000 ° C. Such tests can be conducted in the heart of a research reactor. The sensor must then be of low thermal mass and compact. The environment outside the sample is opaque or turbulent and does not allow optical measurements with propagation in the medium. A known method is to remove the sample from the test medium to make a measurement in a so-called hot cell. This method does not allow to follow continuously the evolution of the deformation and it requires complex manipulations. Another method is to use a linear variable differential transformer sensor comprising three coils, one primary and two secondary. By linking one point of a sample to the core and another to the body of the sensor, the displacement between these two points can be measured by the difference in voltage between the two secondary coils. This sensor requires the realization of a mechanical assembly that can be complex, has a significant thermal mass; and the various mechanical links and the sensor itself may reveal dimensional drifts, in particular due to intense radiation, and therefore drifts of the measurement. Fiber-optic Fabry-Perot type sensors have been used for many years to measure elongations or other physical parameters. A so-called extrinsic Fabry-Perot cavity is made by two facing surfaces, partially reflecting, generally constituted by ends of optical fibers covered with a dielectric material. Extended spectrum light is introduced into the optical fiber, and is subjected to multiple reflections upon arriving at the cavity. Interference occurs between reflected waves on both reflective surfaces. The resulting light has a spectral modulation which depends on the length of the cavity, which is the gap between the two reflecting faces. The analysis of the interference patterns, for example by a Fizeau interferometer, makes it possible to know the length of the cavity. The fibers are inserted into a capillary tube, usually made of glass, and welded into the tube at anchor sites whose relative distance is the length of the gauge. The capillary is attached, usually glued, to the element to be measured. The variations in gauge length result in identical variations in the length of the cavity, and the relative strain of the sample is expressed as the ratio of this variation in cavity length to the gauge length. The cavity length is usually a few microns or tens of microns and the gauge length of a few millimeters, which gives a good sensitivity to the measurement. However, these sensors are defeated in the case of measurements under strong irradiation, since there are variations in the length of the cavity that do not come from a variation in length of the sample but a compaction of the optical fibers , usually silica. This artifact also appears with other fiber optic sensors, using other measurement principles to measure deformations. Another difficulty is the connection of the sensor to the sample. Conventional glues made of synthetic material do not hold under the conditions described above. Ceramic adhesives can be used but have high rigidity and low thermal expansion compared to the materials to be measured, which can cause fractures and stresses on the materials to be measured. Another possibility is to weld or braze metallized optical fibers on a metal foil which is then welded to the sample, but the large surface area of the metal foil can cause significant resistance to the material to be measured.
L'invention repose sur une amélioration des capteurs d'allongement de Fabry-Pérot usuels pour les rendre aptes à faire des mesures dans ces conditions particulièrement difficiles, d'après laquelle la longueur de fibre optique présente dans le tube est remplacée, au moins pour l'essentiel de la distance entre des lieux d'ancrage, par un matériau peu ou pas susceptible de changer de dimensions sous irradiation. Dans une première réalisation, l'invention concerne un capteur d'allongement, comprenant un tube, une fibre optique ayant une extrémité sertie ou soudée dans le tube, et un réflecteur de lumière également serti dans le tube et prolongeant la fibre optique, où l'extrémité de la fibre optique et le réflecteur de lumière délimitent une cavité à réflexion d'ondes lumineuses multiples, caractérisé en ce que le réflecteur de lumière s'étend sur au moins 80% d'une distance entre deux lieux d'ancrage du tube où l'extrémité de la fibre optique et le réflecteur de lumière sont sertis ou soudés. En effet, le réflecteur de lumière peut facilement être en un métal, insensible aux irradiations contrairement à la silice des fibres optiques. L'extrémité de la fibre peut ou non recevoir un traitement d'insensibilisation à l'irradiation analogue à celui de la réalisation principale suivante. Dans une seconde réalisation principale, l'extrémité de la fibre optique qui amène la lumière est plutôt en une matière résistante à l'irradiation. L'extrémité est alors souvent séparée de la fibre optique proprement dite par une autre cavité. Elle peut être en la même matière de base que la fibre optique proprement dite ou non. Dans l'affirmative, la matière de l'extrémité a été rendue insensible à l'irradiation dans les circonstances de l'essai par une irradiation préliminaire qui l'a compactée jusqu'à un état stable, où elle est devenue insensible ou presque à de nouvelles irradiations. Un tel traitement peut aussi s'appliquer au réflecteur de lumière, qui peut d'ailleurs être ou non en la même matière que l'extrémité. Un autre objet de l'invention est de proposer un mode de fixation commode et fiable de l'échantillon au tube du capteur. Ces aspects de l'invention, ainsi que d'autres, seront maintenant décrits plus en détail au moyen de la description détaillée de certains modes particuliers de réalisation à l'aide des figures suivantes . - la figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente un second mode de réalisation, et - les figures 3, 4 et 5 illustrent la façon dont le capteur est assemblé et fixé à l'échantillon. La réalisation représentée à la figure 1 comprend, sur un échantillon 1, un tube 2 capillaire en verre, en silice, en un autre matériau transparent comme le saphir ou en un métal tel que l'acier inoxydable dans lequel entre une fibre optique 3 en silice ou saphir. Une extrémité 4 de la fibre optique 3 est entièrement logée dans le tube 2 et prolonge la fibre optique 3 proprement dite. Une autre portion de fibre optique forme un réflecteur de lumière 5 lui aussi logé dans le tube 2. La fibre optique 3, l'extrémité 4 et le réflecteur de lumière 5 sont alignés en prolongement. L'extrémité 4 est séparée de la fibre optique 3 par un espace 6 que la lumière traverse librement, et du réflecteur de lumière 5 par une cavité de Fabry-Pérot 7. Des revêtements réfléchissant partiellement la lumière sur les faces en regard de l'extrémité 4 et du réflecteur de lumière 5 peuvent avantageusement être ajoutés pour améliorer l'efficacité de l'ensemble. The invention is based on an improvement of the usual Fabry-Perot elongation sensors to make them capable of making measurements under these particularly difficult conditions, according to which the length of optical fiber present in the tube is replaced, at least for most of the distance between anchoring sites, by a material that is unlikely or not likely to change dimensions under irradiation. In a first embodiment, the invention relates to an elongation sensor, comprising a tube, an optical fiber having an end crimped or welded in the tube, and a light reflector also crimped into the tube and extending the optical fiber, where the end of the optical fiber and the light reflector define a cavity with multiple light wave reflection, characterized in that the light reflector extends over at least 80% of a distance between two tube anchoring points where the end of the optical fiber and the light reflector are crimped or welded. Indeed, the light reflector can easily be made of a metal, insensitive to irradiation unlike silica optical fibers. The end of the fiber may or may not receive an irradiation insensitization treatment similar to that of the following main embodiment. In a second main embodiment, the end of the optical fiber which brings the light is rather in a radiation resistant material. The end is then often separated from the optical fiber proper by another cavity. It can be in the same basic material as optical fiber itself or not. If so, the end material was made insensitive to irradiation under the circumstances of the test by preliminary irradiation which compacted it to a steady state, where it became insensitive or almost new irradiations. Such a treatment can also be applied to the light reflector, which may also be or not in the same material as the end. Another object of the invention is to provide a convenient and reliable method of attaching the sample to the sensor tube. These and other aspects of the invention will now be described in more detail by way of the detailed description of certain particular embodiments with the aid of the following figures. FIG. 1 represents a first embodiment of the invention, FIG. 2 represents a second embodiment, and FIGS. 3, 4 and 5 illustrate how the sensor is assembled and fixed to the sample. The embodiment shown in FIG. 1 comprises, on a sample 1, a capillary tube 2 of glass, of silica, of another transparent material such as sapphire or of a metal such as stainless steel in which between an optical fiber 3 in silica or sapphire. One end 4 of the optical fiber 3 is entirely housed in the tube 2 and extends the optical fiber 3 itself. Another portion of optical fiber forms a light reflector 5 also housed in the tube 2. The optical fiber 3, the end 4 and the light reflector 5 are aligned in extension. The end 4 is separated from the optical fiber 3 by a space 6 that the light passes freely through, and the light reflector 5 by a Fabry-Perot cavity 7. Coatings partially reflecting the light on the faces facing the light end 4 and the light reflector 5 may advantageously be added to improve the efficiency of the assembly.
L'extrémité 4 et le réflecteur de lumière 5 sont respectivement fixés au tube 2 par des lieux d'ancrage 8 et 9, la fibre optique 3 proprement dite étant liée au tube de manière non ponctuelle. Si la fibre optique 3 est classique, l'extrémité 4 et le réflecteur de lumière 5, à base aussi de silice, ont cependant subi une compaction avec une dose élevée d'irradiation préalable, supérieure à 5.1019 n/cm2 de neutrons rapides. On a atteint de cette façon un état physique stable, qui est devenu insensible à de nouvelles doses d'irradiation. La longueur de la cavité de Fabry-Pérot 7 change ainsi seulement avec la distance des lieux d'ancrage 8 et 9, c'est-à-dire avec l'allongement de l'échantillon 1 sur lequel le tube 2 est fixé. La fibre optique 3 peut rester sensible aux irradiations, subir une compaction ou être déplacée d'une autre façon, mais une variation de l'espace 6 n'a pas d'effet sur la mesure. Le réflecteur de lumière 5 ou l'extrémité 4 pourraient être remplacés par d'autres matériaux, qui résisteraient à la compaction induite par lesradiations. The end 4 and the light reflector 5 are respectively fixed to the tube 2 by anchoring places 8 and 9, the optical fiber 3 itself being connected to the tube in a non-point manner. If the optical fiber 3 is conventional, the end 4 and the light reflector 5, also based on silica, however, have been compacted with a high dose of pre-irradiation, greater than 5.1019 n / cm 2 of fast neutrons. In this way a stable physical state has been achieved, which has become insensitive to new doses of irradiation. The length of the Fabry-Perot cavity 7 thus changes only with the distance of the anchoring points 8 and 9, that is to say with the elongation of the sample 1 on which the tube 2 is fixed. The optical fiber 3 can remain sensitive to irradiation, undergo compaction or be moved in another way, but a variation of the gap 6 has no effect on the measurement. The light reflector 5 or the end 4 could be replaced by other materials, which would withstand the compaction induced by theradiations.
Dans la réalisation de la figure 2, on retrouve certains éléments de la première mais l'extrémité de la fibre (maintenant 10) et le réflecteur de lumière (maintenant 11) ont été modifiés. In the embodiment of Figure 2, there are some elements of the first but the end of the fiber (now 10) and the light reflector (now 11) have been modified.
Le réflecteur de lumière 11 s'étend maintenant à travers presque toute la longueur de jauge entre les lieux d'ancrage 8 et 9, typiquement sur au moins 80% de cette longueur, c'est-à-dire presque jusqu'au lieu d'ancrage 8 de l'extrémité 10, qui est beaucoup plus courte que la précédente (4). Le réflecteur de lumière 11 est une tige métallique subissant une très faible variation de longueur sous irradiation. La variation de la longueur de cavité qui résulterait d'une contraction résiduelle de l'extrémité 10 est alors réduite au minimum. Le domaine de longueur d'onde de la source de la lumière qui alimente la fibre optique 3 pourra être de 800 à 1200 nanomètres. Ce domaine correspond à l'atténuation la plus faible par les radiations dans les fibres optiques. Les fibres optiques en silice ultra-pure ou les fibres photoniques à coeur creux qu'on peut envisager d'utiliser auront de toute façon une faible atténuation. Les lieux d'ancrage 8 et 9 peuvent être réalisés par des soudages au laser réalisés de l'extérieur du tube 2 une fois que le réflecteur de lumière et l'extrémité de la fibre optique ont été mis à la bonne position. On se reporte maintenant aux figures 3, 4 et 5. La liaison entre l'échantillon 1 et le tube 2 est réalisée par l'ajout de pattes 12, au nombre de deux comme on le représente à la figure 4. Elles sont soudées au tube 2, puis les pattes 12 sont soudées à l'échantillon 1 encore par des soudures au laser ou autre soudure ponctuelle de manière à créer des soudures par points qui ne produisent pas de contraintes excessives dans le matériau de l'échantillon 1 tout en offrant une liaison plus sûre que certaines colles. D'autres pattes peuvent être rajoutées comme on le représente à la figure 5 ; elles peuvent être soudées au tube ou ne pas l'être : dans ce cas elles assurent seulement le maintien du tube 2 sur son axe. La figure 3 montre que le tube 2 peut aussi être équipé de bagues 16 établies autour de lui à l'endroit des pattes 12. Ce sont alors les bagues 16 qui sont soudées aux pattes 12. On privilégie une liaison symétrique (par exemple points de soudures en vis-à-vis) pour éviter la torsion du tube 2 lors de la traction. The light reflector 11 now extends through most of the gauge length between the anchor locations 8 and 9, typically over at least 80% of that length, i.e. almost to the location of the anchoring 8 of the end 10, which is much shorter than the previous one (4). The light reflector 11 is a metal rod undergoing a very small variation in length under irradiation. The variation of the cavity length that would result from a residual contraction of the end 10 is then reduced to a minimum. The wavelength range of the source of the light which supplies the optical fiber 3 may be 800 to 1200 nanometers. This domain corresponds to the weakest attenuation by the radiations in the optical fibers. Ultra-pure silica optical fibers or hollow-core photonic fibers that can be considered to be used will in any case have a low attenuation. The anchoring places 8 and 9 may be made by laser welds made from outside the tube 2 once the light reflector and the end of the optical fiber have been put in the correct position. Referring now to Figures 3, 4 and 5. The connection between the sample 1 and the tube 2 is achieved by adding legs 12, the number of two as shown in Figure 4. They are welded to tube 2, then the tabs 12 are welded to the sample 1 again by laser welds or other spot welding so as to create spot welds which do not produce excessive stress in the sample 1 material while offering safer bond than some glues. Other legs can be added as shown in Figure 5; they can be welded to the tube or not to be: in this case they only maintain the tube 2 on its axis. FIG. 3 shows that the tube 2 can also be equipped with rings 16 established around it at the location of the tabs 12. It is then the rings 16 which are welded to the tabs 12. A symmetrical link is preferred (for example welds facing each other) to prevent twisting of the tube 2 during pulling.
Les points de soudure entre les pattes 12 et les bagues 16 (ou le tube 2) portent la référence 13, entre les pattes 12 et l'échantillon 1 la référence 14, et entre les bagues 16 et le tube 2 la référence 15. Dans le cas où le tube 2 est en silice, une fixation par soudage ou brasage peut être facilitée par un revêtement métallique couvrant la matière principale du tube. The weld points between the tabs 12 and the rings 16 (or the tube 2) bear the reference 13, between the tabs 12 and the sample 1 the reference 14, and between the rings 16 and the tube 2 the reference 15. In the case where the tube 2 is silica, a fixing by welding or brazing can be facilitated by a metal coating covering the main material of the tube.