Fibres Optiques enfouies dans des matériaux cimentaires pour l'imagerie et la surveillance UltraSonores – FO-US

FO-US s'appuie sur des capteurs FBG (Fiber Bragg Grating), intégrés dans le béton à l’état liquide. Ces fibres permettent une détection multi-échelle des ondes mécaniques, en continu, et sur de longues distances.

Le projet comprend :

- le développement d’un interrogateur optique capable de lire plusieurs capteurs simultanément à plus de 5 MHz,

- des algorithmes de traitement du signal adaptés aux spécificités des FBG (polarisation, incidence, faible sensibilité),

- des expérimentations en laboratoire et in situ sur deux cas d’usage concrets.

Le projet ANR FO-US a permis :

- le développement de deux prototypes optique sept voies chacun synchronisables (offrant la possibilité sur une fibre 7 cœurs avec 7 BFBG par cœur d’atteindre 49 points de mesure avec une fibre optique unique) innovant pour la mesure d’ultrasons avec une haute résolution et faible encombrement,

- des premiers tests en conditions réelles sur des structures complexes comme :

* les tunnels en argile pour la détection de microfissures liées au creusement via signaux sismiques,

* les conduites béton/acier des centrales nucléaires pour le suivi de la corrosion par ondes ultrasonores guidées.

Les technologies développées dans le projet ANR FO-US ouvrent la voie à une maintenance prédictive et non invasive des structures critiques (nucléaire, souterrain, génie civil) en tenant compte de l’effet Fabry Pérot dans le design de l’instrumentation future.

À long terme, cette approche pourrait être :

- industrialisée pour les grands ouvrages,

- intégrée dans des politiques de gestion du patrimoine bâti,

- complétée par des méthodes d’intelligence artificielle pour une surveillance encore plus autonome et précise.

Le béton, matériau de construction le plus utilisé actuellement, est liquide lors de sa mise en œuvre. Il est alors naturel de vouloir y intégrer des capteurs pour la maintenance des structures. Les capteurs généralement utilisés dans le béton servent à surveiller la température et les déformations et ne fournissent qu’une information locale à la position du capteur.

De nouveaux capteurs (piézoélectriques, électriques, électromagnétiques) ont été intégrés dans du béton ces dernières années pour fournir une information quantitative et générale sur la structure sans connaissance a priori sur la localisation du point d’émergence des dégradations. Toutefois, ces capteurs possèdent des limitations : ils nécessitent un câblage important à intégrer dans la structure (souvent un câble par capteur) et, dans le cas de mesures ondulatoires, ils mesures des gammes de fréquences spécifiques et sont donc limités à une résolution donnée.

C’est pourquoi le projet FO-US a pour objectif de développer, caractériser et valider une technologie innovante de mesures ultrasonores multi-voies avec capteurs intégrés basée sur des réseaux de Bragg (FBG) sur fibre optique. Les fibres optiques présentent de nombreux avantages : leur encombrement est très limité comparé à celui d’autres capteurs, elles résistent à de nombreux environnements sévères tels que des températures élevées, la radioactivité ou une forte salinité et sont de plus large-bande, permettant des analyses multi-échelles.

Les interrogateurs pour FBG aux fréquences ultrasonores sont actuellement limité en nombre de capteurs interrogés simultanément sur une fibre optique. Un résultat majeur de FO-US sera le développement et la validation d’un système permettant l’interrogation de 32 FBG sur une unique fibre optique à une fréquence d’échantillonnage supérieure à 5MHz, le rendant adapté aux mesures ultrasonores, compatible avec une utilisation industrielle. Il sera de plus d’un coût raisonnable.

Les barrières techniques à traiter concernent les capteurs et l’optoélectronique associée ainsi que les techniques d’imagerie et de traitement du signal adaptée aux spécificités des FBG : une sensibilité plus faible comparée à celle de capteurs piézoélectriques classiques, qui dépend de plus de la polarisation et de l’angle d’incidence des ondes. La solution à ces barrières dépend en partie de l’application, c’est pourquoi deux applications finales génériques seront considérées dans le projet, afin de prouver la généricité des résultats obtenus en laboratoire et in situ :

?La mesure de signaux sismiques par FBG sera considérée pour la surveillance par ondes de volume en milieu 3D de la Zone Endommagée d’Excavation autour des tunnels creusés dans l’argile sur le site du Laboratoire de recherche souterraine de Bure. Un résultat majeur de FO-US sera un algorithme de time-lapse testé in situ prenant en compte les spécificités des FBG pour de la surveillance de long terme. Les algorithmes seront d’abord testés sur des modèles à échelle réduite instrumentés par FBG. Cette nouvelle technologie sera par ailleurs comparée au Distributed Acoustic System sur fibre optique, dont la résolution et la sensibilité sont limitées.

?L’imagerie passive par ondes guidées sur données acquises par FBG sera considérée pour le suivi de la corrosion des conduites béton âme tôle utilisées pour le transport de l’eau dans les centrales nucléaires opérées par EDF, conduites surveillées pour des raisons de sécurité. Un résultat majeur du projet sera une méthode exploitant le bruit d’exploitation de la structure pour le contrôle. Cette méthode tiendra compte de la structure multicouche des conduites ainsi que des spécificités du bruit et des FBG pour améliorer la maintenance de ces conduites. Cette technologie basée sur les FBG sera comparée à une configuration classique utilisant des capteurs piézoélectriques.