Capteurs à Fibres Optiques (CFO)

Nous sommes membres de l’action ICT COST « Novel and Reliable Optical Fibre Sensor Systems for Future Security and Safety Applications” .

Nous concevons des capteurs à fibres optiques (CFO) basés sur un interféromètre extrinsèque de Fabry-Pérot. Ce dispositif métrologique permet la mesure à distance de déplacements pendant plusieurs années sans intervention humaine, avec une haute sensibilité, une faible consommation énergétique et une grande dynamique de mesure.

Les applications visées entrainent une détection sub-longueur d’onde mais aussi que le mesurande évolue très lentement dans son milieu naturel (i.e. hors laboratoire).

Nous avons conçus un CFO doté d’une fibre optique de 3km (bientôt 10km). Le courant d’injection du laser est soumis à une double modulation afin de créer une référence virtuelle pour le signal de déplacement. Cela permet la mesure continue de l’amplitude d’un déplacement quasi-statique, sans risque de perte d’information, tout en étant capable de déterminer aussi la direction du déplacement. Pour des déplacements d’amplitude importante, un traitement du signal temps-réel spécifique permet de corriger automatiquement l’erreur de phase. De plus, une configuration originale de la sonde optique permet de relâcher la contrainte sur l’alignement jusqu’à ~1°.

Pendant les opérations d’étalonnage, sans contrôle en température, notre CFO a permis d’atteindre une résolution de 70pm, une précision de 2nm, pour une bande passante de 10-3 – 500 Hz et une dynamique en amplitude de déplacement de 106 (10 nm – >1 mm).

Applications à la géophysique

3 nouveaux instruments ont été développés, basés sur notre CFO :

  • Un sismomètre (SISMO LINES)
  • Un inclinomètre de forage (IF LINES)
  • Un inclinomètre longue base (ILB LINES)

Ils sont testés sur un site souterrain dans le Vaucluse depuis Mars 2012. La sensibilité des instruments a permis de détecter des marées terrestres (déplacement d’amplitude 130 nm sur une période de 12 h) mais aussi des tremblements de terre dont le foyer est situé partout dans le monde (Japon, Chili, etc.).


Détection des marées terrestres : variation d’amplitude de 130 nm en 12h.

Sismomètre

Les performances du SISMO LINES sont identiques à celles de la référence en géophysique (sismomètre Streckeisen STS 2) en termes de bande passante (de 2 Hz - 5 kHz) et de bruit (nanométrique). Cependant,  contrairement au STS 2, notre dispositif est peu sensible aux interférences électromagnétiques, ce qui constitue un avantage conséquent sur le terrain.

SISMO LINES : Sismomètre à fibre optique.

11 avril 2012 M8.7 Tremblement de terre à Sumatra.
Haut : Mesures avec le sismomètre Streckeisen STS2;
Bas : mesures avec notre sismomètre.

 

 

 

 

 

 

Inclinomètre de forage

Par rapport à la référence du marché l'inclinomètre de forage LILY de Jewell Inc., notre inclinomètre de forage, IF LINES, montre une meilleure performance en termes de précision de mesure ainsi qu'en terme de dérive du système à long-terme. IF LINES est aussi peu sensible aux perturbations atmosphériques (pression, température, etc.) contrairement à LILY.

Inclinomètre de forage IF Lines

5 Mars 2012 M6.1 : Tremblement de Terre en Argentine.
Gauche: détection 3-axes du déplacement de la cible ;
Droite : reconstruction en 2-D du déplacement de la cible provoqué par le tremblement de terre

Inclinomètre longue base

A très basses fréquences (~10-6 - 10-5 Hz), notre inclinomètre longue base ILB LINES démontre un niveau de bruit  équivalent au système de FOGALE basé sur une mesure capacitive. Vers les hautes fréquences (> 10-2 Hz), ILB LINES est au moins 100 fois moins bruité que le dispositif FOGALE. La limite de détection (sensibilité) de l'ILB LINES est de l'ordre de 10-11 rad pour une base de 150 m de longueur. Par ailleurs, la dérive de notre système a été mesurée à moins de 40 nrad/mois, en tenant compte des effets de chargement hydrostatique (précipitations naturelles).

ILB LINES inclinomètre longue base hydrostatique  à fibre optique

Comparaison des performances en bruit entre notre inclinomètre longue base (en noir), le système Fogale (en rouge) et l’inclinomètre de forage  LILY  (en vert et bleu).

11 Avril 2012 M8.7 : Tremblement de Terre à Sumatra.
Gauche : niveau de bruit de 10-11 radians;
Droite : variation angulaire de 330 x 10-9 radians