Mesures de déformations par capteurs à fibres optiques au cœur de matériaux composites

Strain measurements with Fiber bragg Grating sensors embedded in composite materials

• Auteur / Autrice : Pierre-Antoine Morvan
• Direction : Pascal Casari, Cyril Lupi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l’Ingénieur, Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stratifiés

Capteurs optiques

Détecteurs à fibres optiques

Mots clés libres

Gradient de déformation

Réseau de Bragg

Matériaux composites stratifiés

Résumé

L’utilisation de fibres optiques pour mesurer des d´eformations se vulgarise en raison de ses nombreux avantages comparé aux autres technologies de capteurs. Aujourd’hui des jauges de déformations basées sur l’emploi de fibre optique sont disponibles commercialement. Cependant leur utilisation qui semble simple au premier abord peut s’avérer complexe lorsque cette fibre est encapsulée dans un matériau ayant des paramètres mécaniques très éloignés de la silice. L’objectif de ces travaux est d’approfondir la réflexion sur l’utilisation de capteurs de déformations à base de fibres optiques pour obtenir des mesures quantifiables et/ou pertinentes au coeur des matériaux composites. Dans un premier temps nous dressons un état de l’art des différents types de capteurs à fibres optiques en focalisant plus particulièrement notre attention sur leurs usages dans les matériaux composites. La seconde partie de ces travaux est consacrée aux fibres optiques incluses dans différents matériaux homogènes. Des modèles analytiques et numériques sont confrontés à des études expérimentales afin de quantifier les éventuelles erreurs de mesures commises lorsque le capteur est noyé dans un matériau. Une méthode est alors proposée afin d’obtenir simultanément la déformation longitudinale et radiale à l’aide d’un seul capteur à fibre optique. Enfin, les concepts expos´es dans la seconde partie sont validés dans l’étude d’une éprouvette bi-composants instrumentée. Puis nous explorons l’utilisation d’un tel capteur dans une structure composite stratifiée dans une configuration différente de celle proposée dans la littérature : le capteur est inséré à travers les plis stratifiés.

The use of optical fibers for strain measurements tends to generalize because of its numerous advantages over other sensor technologies. Today strain gauges based on the use of optical fiber are easy and commercially available. However, this can become complex when the fiber is embedded into a material displaying very different mechanical properties from the properties of the silica. The main purpose of this work is to further question the use of fiber optic strain sensors to obtain quantifiable and/or relevant measures inside composite materials. Firstly we present a state of the art of different types of fiber optic sensors by focusing our attention on their use in composite materials. The second part of this work is devoted to optical fibers included in different homogeneous materials. Analytical and numerical models are compared to experimental studies in order to quantify measurement errors eventually made when the sensor is embedded into a material. Then a method is proposed in order to obtain both the longitudinal and the radial strain with only one optical fiber sensor. Finally, the concepts presented in the second part are validated through the study of a specimen made of two materials crossing the sensor’s location. Furthermore we evaluate the use of this sensor in a laminated composite structure under a different configuration than that proposed in the literature : the sensor is inserted across the thickness of the laminate.