Les mesures statiques

10.2.1 Acquisition des longueurs d’onde de référence

Dans un premier temps, l’enregistrement est réalisé à vide, c’est-à-dire qu’aucune contrainte physique extérieure est exercée sur le capteur. Une cartographie des longueurs d’onde de Bragg

réfléchies est prise avec l’interrogateur à réseaux de Bragg sur le premier capteur, nommé par la suite Capteur à Fibres Optiques (CFO) n°1. Les valeurs obtenues servent de longueur d’onde de référence, avant sollicitation. L’acquisition dure 10 s à raison d’une cartographie de l’en- semble des réseaux, ou échantillon, toutes les millisecondes. Une courbe ayant la forme de la figure 7.11 page 77 doit être observée. Ainsi, pour chaque réseau de Bragg de chaque fibre op- tique constituant un capteur, dix mille mesures forment chaque longueur d’onde de référence.

Pendant cet intervalle, une moyenne, appelée moyenne de référence, est réalisée par longueur d’onde. L’écart-type ne dépasse pas 1,4 pm. Les mesures n’excèdent pas un écart de 5 pm par rapport à la moyenne. Par rapport aux caractéristiques décrites dans le paragraphe 7.4.5 page 74, les performances de l’appareil semblent deux fois moins bonnes que prévu. Théoriquement, les longueurs d’onde ne doivent pas varier. Plusieurs raisons peuvent expliquer cette situation. Tout d’abord, l’appareil n’est plus correctement étalonné. Ensuite, un phénomène physique perturbe les réseaux de Bragg (vibration du sol par exemple). L’interrogateur retranscrit alors les pertur- bations des réseaux de Bragg. Enfin, l’environnement dans lequel est placé l’appareil n’est pas adapté.

Dans la deuxième hypothèse, ces perturbations peuvent provenir de la température ou de la vibration de la résine suite à une personne qui marche à quelques mètres du capteur. En raison de la lenteur de ces deux variations physiques par rapport à des variations des longueurs d’onde, cette hypothèse est peu probable. La première et la dernière hypothèse restent alors plausibles.

Suite aux différents transports, l’appareil a pu se dérégler. L’utilisation de cet appareil dans la poussière sur l’accotement et sous le soleil ne lui assure pas un cadre de fonctionnement idéal. Malgré cette imprécision, l’interrogateur a des caractéristiques suffisantes pour observer les variations des longueurs d’onde attendues.

Par la suite, les valeurs affichées pour les mesures statiques correspondent à des valeurs moyennes calculées en post-traitement suite aux enregistrements lors des expériences terrains d’une durée de dix secondes. Chaque valeur est prise toutes les millisecondes.

10.2.2 Le véhicule à l’arrêt sur le CFO n°1

L’avant du véhicule d’essais a été placé à 55 cm environ du bord de la voie sur le CFO n°1.

La moyenne des quelques dix mille échantillons est réalisée avant affichage. Sur le même gra- phique, la moyenne des différentes longueurs d’onde de référence (symbole +) et la moyenne de celles-ci lorsque le véhicule est positionné à 55 cm (symbole x) sont représentées (figure 10.1).

Chaque valeur est placée en fonction de sa position physique sur le capteur. Ce graphique re- présente donc la répartition spatiale des réseaux de Bragg en fonction des différentes longueurs d’onde. Sans pression, les longueurs d’onde n’évoluent pas. Celle-ci augmentent progressive- ment au fur et à mesure de l’éloignement de la position de référence (position à 0 cm) de part la grille des longueurs d’onde imposée à la construction. D’une manière générale cette figure ressemble à celle représentant l’ensemble des longueurs d’onde de Bragg sur le capteur, nu- mérotée 7.11 page 77. Quelques disparités sont toutefois à noter. Entre chaque fibre optique,

les réseaux de Bragg ne sont pas parfaitement identiques. Ce phénomène est principalement dû à l’influence de la résine sur les réseaux lors de la constitution du capteur, paragraphe 7.4.8 page 79. Quand le symbole + est confondu avec le symbole x sur la figure 10.1, alors aucune variation de la longueur d’onde n’est constatée et par conséquent, aucune pression.

FIGURE 10.1 – Relevé des longueurs d’onde de Bragg centrales sur CFO 1 pour la référence sans véhicule (+) et lorsque la contrainte exercée par l’essieu avant du véhicule appui sur le capteur sans déplacement (x) en fonction de la position sur ce capteur.

Pour une meilleure compréhension du graphique, quelques précisions sont nécessaires. Tout d’abord, sur la fibre n°3 (décalée deux fois de 45 mm) composant CFO n°1, dix réseaux de Bragg ne sont plus opérationnels. Ceci est dû à une coupure de la fibre lors de la préparation du capteur. Pour faciliter le traitement réalisé par la suite, un réseau virtuel a été créé, il renvoie la valeur 1530 nm à la fois en valeur de référence et en valeur mesurée. Ensuite, le dernier réseau de la fibre n°4 n’est également pas mesuré par l’interrogateur. Pourtant celui-ci était bien présent lors de la photo-inscription de la fibre. L’immersion de la fibre dans la résine a provoqué une modification du réseau le rendant non détectable par le système d’interrogation (paragraphe 7.4.8 page 79.

La position identifiée du réseau sur la fibre a été prise au milieu de chaque réseau de Bragg.

Pour rappel, les réseaux de Bragg fabriqués dans le cadre de ces capteurs mesurent environ 6 mm.

10.2.3 Les remarques sur cette première expérience

Des tests ont été menés en changeant l’extrémité de la fibre optique pour acquérir les me- sures des longueurs d’onde des différents réseaux de Bragg. L’interrogateur a toujours été ca-

pable de relever les mêmes mesures. Cette expérience confirme la réversibilité d’interrogation du capteur.

Par la suite, les positions sont de préférence exprimées en centimètre car les fibres ont été décalées et positionnées par un opérateur humain. La pose manuelle du capteur dans l’en- robé introduit également une nouvelle source d’erreur. Elle peut être significative (de l’ordre de quelques millimètres).

De faibles variations de longueur d’onde de Bragg sont observées entre l’état de référence et l’état avec lequel le véhicule est positionné sur le capteur. Pour convenablement distinguer la différence entre les longueurs d’onde centrales des réseaux de Bragg, il suffit de tracer la courbe représentant ces variations (différence de mesure entre ces deux états à savoir la différence entre l’état de référence et l’état avec le véhicule) en fonction de la position sur le capteur 10.2.

FIGURE 10.2 – Variations des longueurs d’onde centrales des différents réseaux de Bragg sur CFO 1 en fonction de la position de la roue sur ce capteur.

En délaissant certaines valeurs extrêmes, les points peuvent être réunis selon la forme de la lettre « W ». Comment expliquer cette forme ? Les réseaux allongés devaient simplement effectuer un pic. Sous la pression exercée par le véhicule sur la route, la fibre est étirée. Les réseaux de Bragg sont eux aussi soumis à cet étirement. L’étirement du réseau provoque un allongement du pas du réseau. D’après la formuleλ_b = 2·n_{ef f} ·Λ(équation 7.4), la longueurs d’onde centrale de Bragg augmente quand le pas s’allonge, pour un indice du milieu constant.

La différence entre une mesure de référence sans véhicule et avec un véhicule varie vers les valeurs négatives quand un réseau de Bragg est étiré. Cependant, les relevés forment un W plutôt qu’un V. La fibre est principalement étirée aux jonctions entre la zone sans pression et la zone avec pression exercée par le pneu du véhicule. Sous cette surface de contact, la contrainte

est plus homogène ce qui entraîne un étirement faible au centre du pneu. Ce phénomène se traduit par une variation nulle au centre de la zone de pression. La forme en V intervient quand le solide est considéré comme une masse ponctuelle.

Cette forme en W n’est pas régulière. Cette variation s’explique en tenant compte du proces- sus de fabrication du capteur. La résine englobant la fibre ne se répartit pas de manière régulière.

Sa planitude n’est pas parfaite. La résine se forme par réaction chimique entre deux substances.

Ce mélange n’est pas toujours homogène et est très sensible à la fois à l’humidité et à l’aération du milieu (emballement thermique). Lors de la fabrication des capteurs, les conditions d’utili- sation du produit n’étaient pas optimales. Des irrégularités de densité et de résistance sont ap- parues entraînant des comportements de la résine différents suivant l’emplacement d’une même contrainte.

D’après la figure 10.2, le véhicule testé a engendré une déformation provoquant la variation d’environ 0,4 nm de la longueur d’onde centrale de Bragg. Il existe une symétrie dont l’axe est situé à 64 cm de l’extrémité du capteur. Cet axe se situe au centre de l’empreinte du pneu soit vers 64 cm à partir du bord de la voie. Les déformations minimales sont localisées à 55 cm (-0,36 nm) et 73 cm (-0,34 nm) soit un écart de 18 cm. Pour rappel, le véhicule est équipé de pneus dont l’empreinte au sol dans ce même sens mesure 19 cm. Des variations sont cependant visibles dès 44 cm jusqu’à 84 cm, soit sur une zone de 40 cm de large. Ce résultat montre que le capteur repère le véhicule en statique et qu’il peut le localiser.

La longueur centrale d’un réseau de Bragg fluctue à la fois suivant la température, 12 pm par

°C à 1 550 nm, et suivant la pression exercée sur son réseau ou son étirement dans le cas présent, 1,2 pm par µà 1 550 nm. La fibre étant noyée dans de la résine, la variation de température entre l’acquisition de la mesure de référence et de la mesure lorsque le véhicule est présent sur le capteur peut être considérée comme négligeable (0,05 nm en effectuant une nouvelle mesure de référence toutes les heures). Ainsi toutes les variations des longueurs d’onde des CFO sont uniquement dues à un phénomène d’étirement des fibres optiques. La température n’influe pas sur la localisation. Part la mesure de ces variations, la contrainte est localisable.

10.2.4 Le véhicule à l’arrêt sur le CFO n°2

Un deuxième CFO a été fabriqué sur le même principe. Pour l’évaluer, la même voiture de test présentée précédemment, a, dans un premier temps, été placée sur ce capteur à 35 cm environ par rapport au repère 0 de la zone sensible. Les mêmes graphiques ont été tracés, à savoir : la mesure des longueurs d’onde centrales des réseaux de Bragg avant et après position- nement d’une masse à un endroit donné sur le capteur, figure 10.3, et le relevé des variations des longueurs d’onde (exprimé par une différence) en fonction de leur position physique, figure 10.4. Sur ce deuxième CFO, la position de la fibre n°2 a été inversée par rapport aux autres suite à un problème technique. Ainsi, la longueur d’onde la plus élevée se situe au plus près de la position 0 uniquement sur cette fibre. Les positions physiques de ses réseaux par rap- port à ce capteur optique ont été corrigées par un post-traitement afin d’afficher correctement

les longueurs d’onde des réseaux de Bragg en fonction de leur position (figure 10.3). Comme pour la première expérience, la figure 10.3 présente des longueurs d’onde centrales de Bragg croissantes en rapport avec l’augmentation de leur position physique, à l’exception bien évi- demment de la fibre n°2. Cette inversion n’entraîne bien évidemment aucune différence dans le fonctionnement du capteur à partir du moment où la position physique des réseaux est connue.

FIGURE 10.3 – Relevé des longueurs d’onde de Bragg centrales sur CFO 2 pour la référence sans véhicule (+) et lorsque la contrainte exercée par l’essieu avant du véhicule appui sur le capteur sans déplacement (x) en fonction de la position sur ce capteur.

FIGURE 10.4 – Variations des longueurs d’onde centrales des différents réseaux de Bragg sur CFO 2 en fonction de la position sur ce capteur.

Sur le CFO n°2, six réseaux sur 96 ne sont pas visibles par l’interrogateur à réseaux de Bragg (cf. 7.4.8). La résine appliquée lors de la dernière couche a anormalement gonflé. Cela est dû à un taux d’humidité important et/ou un emballement thermique de la réaction. Un seul pic est

vraiment présent engendrant une variation de -0,18 nm. Les différences calculées après 50 cm sont anormalement élevées. En effet, une variation moyenne de 0,28 nm est constatée. Deux hypothèses peuvent émerger : soit les fibres optiques sont compressées pendant un mètre par compensation à l’étirement provoqué par le poids du véhicule, soit la référence a variée. La pre- mière hypothèse est moins crédible car elle implique que la fibre soit compressées sur un mètre de manière homogène, ce qui paraît peu probable. La deuxième hypothèse semble plus vraisem- blable car la mesure de la référence a été prise lorsque le capteur a été posé dans la chaussée mais sans qu’aucun véhicule n’ait préalablement roulé dessus. La résine étant plus molle que sur le premier capteur, son état de repos a varié expliquant ces différences de longueurs d’onde.

Ces mesures ainsi que les précédentes ayant été prises lors de la même demi-journée, l’influence de la température ne peut être mise en cause. Cette différence de dureté explique également la forme particulière en « V » et non en « W » comme précédemment. Le pic correspondant au bas du « V » est alors à associer au centre du pneu. Sachant que le pneu fait 19 cm de large, l’extrémité du pneu, côte rive, est alors donnée à 37 cm, soit un écart de 2 cm avec la mesure donnée en utilisant un mètre.

10.2.5 Bilan

L’ensemble du deuxième capteur se déforme plus facilement à cause d’une résine plus souple. Cependant les fibres ne sont que légèrement plus étirées que précédemment. La me- sure du dénivelé entre le pic et la valeur moyenne de référence est de 0,47 nm dans le cas de CFO n°2 contre 0,43 nm dans le cas de CFO n°1. Par ailleurs, la profondeur d’enfouissement du capteur n’est pas nécessairement la même (ornière sur la route).

Il faut également rappeler que ces mesures sont issues des premières tests. D’après les courbes obtenues, un temps d’adaptation est nécessaire à la résine et au capteur pour arriver à une position d’équilibre mécanique. Ce temps n’a pu être quantifié et pris en considération pendant ces premiers tests.

L’ensemble de ces mesures n’est pas suffisant pour valider le fonctionnement sur le long terme de ce capteur. Les véhicules étant en mouvement sur les routes, des tests en dynamique sont nécessaires pour valider le fonctionnement du capteur en présence d’un trafic quotidien.

Cependant, il réagit comme cela avait été évoqué dans la partie théorique (paragraphe 7.4.7 page 76). L’étirement est plus marqué dans la zone sur laquelle repose le pneu. L’ensemble de la fibre semble toutefois sollicité.