Doctorant F/H Modélisation et caractérisation de capteurs à fibre optique continus

NIVEAU DE DIPLÔME EXIGÉ : Bac + 5 ou équivalent FONCTION : Doctorant CONTEXTE ET ATOUTS DU POSTE Les technologies de mesures de déformation réparties (ou continues) par fibre optique connaissent un essor important depuis plus d’une décennie. Elles sont en effet de plus en plus utilisées pour des applications de monitoring de structures du génie civil. La technologie basée sur la mesure de la rétrodiffusion Rayleigh par OFDR (Optical Frequency Domain Reflectometry) permet en principe d’obtenir des profils de déformation spatialement très résolus : longueur de jauge et pas d’échantillonnage de seulement quelques millimètres sur plusieurs dizaines de mètres de fibre optique. Des gradients de déformation très localisés (sur quelques centimètres) peuvent ainsi être mesurés et surveillés comme, par exemple, ceux induits par la présence d’une singularité (fissure), ou par une géométrie particulière, ou encore par un assemblage hétérogène. Cette capacité de la technologie la rend très attractive pour le monitoring des structures sujettes à des fissures difficiles à détecter visuellement, c’est-à-dire l’essentiel du parc d’ouvrages d’art, et des mâts d’éoliennes. Lieu de travail principal : Université Gustave Eiffel - Campus de Nantes. Encadrement : Frédéric Bourquin (Ingénieur Général des Ponts des Eaux et Forêts, Dr, HdR, Université Gustave Eiffel), Qinghua Zhang (Directeur de Recherche, HdR, Inria) et Xavier Chapeleau (Chargé de Recherche, Université Gustave Eiffel). MISSION CONFIÉE Des études récentes montrent que la capacité à réellement accéder aux mesures de déformation par le procédé Rayleigh-OFDR suppose de maitriser la fonction de transfert mécanique du capteur à fibre optique. Cette maitrise fine n’était pas nécessaire avec d’autres techniques donnant accès à des grandeurs de déformation moyennées sur des bases plus longues, de type Brillouin. Étant donné que le câble optique est constitué d’un empilement de différents revêtements, la déformation existant le long de la fibre optique (à l’extérieur de la dernière couche de revêtement) se transfert progressivement (spatialement) jusqu’au cœur de la fibre qui est l’élément sensible du capteur à fibre optique. Sans prise en compte de la fonction de transfert, cela conduit à sous-estimer les valeurs des gradients de déformation. La prise en compte de la fonction de transfert du capteur à fibre optique est donc primordiale pour interpréter correctement des mesures de gradients de déformation très localisés. Sous l’hypothèse d’un milieu homogène, différents modèles analytiques ont montré que cette fonction de transfert est décrite par une équation différentielle, dont la solution dépend de manière non linéaire d’un paramètre caractéristique (appelé strain-lag parameter). Celui-ci prend compte la géométrie et les propriétés mécaniques des différents constituants du capteur à fibre optique. Néanmoins, des travaux antérieurs sur la mesure d’ouverture de fissure ont montré les limites des modèles analytiques de la fonction de transfert, notamment pour les capteurs à fibre optique robustes, avec des renforts métalliques, privilégiés dans une optique de déploiement opérationnel. Ces derniers sont constitués de plusieurs revêtements ayant des propriétés mécaniques très différentes et ils ont généralement un diamètre assez grand (supérieur à 2mm). Ces caractéristiques invalident certaines hypothèses simplificatrices utilisées pour établir les modèles analytiques existants. L'objectif de la thèse est tout d’abord de développer une nouvelle modélisation simplifiée et calculable de la fonction de transfert en se fondant sur de nouvelles hypothèses valides pour les câbles optiques robustes. Le développement du nouveau modèle devra aussi être indépendant de la forme du champ de déformation qui s’exerce le long du capteur. Ensuite, il s’agira de mettre au point une méthodologie robuste d’estimation d’un vecteur qui regroupe les paramètres caractéristiques de la fonction de transfert. Pour cela, on exploitera des observateurs adaptatifs qui sont des algorithmes permettant d’estimer les paramètres d’équations différentielles. Le modèle d'équation différentielle devra être transformé de manière appropriée afin de garantir la convergence globale de ces algorithmes. Ces développements algorithmiques devront s’accompagner d’un travail expérimental de validation qui nécessitera de trouver la meilleure configuration d’essai adaptée à la méthode d’estimation de ce vecteur. La validation de la méthode s'effectuera par la réalisation d’essais sur des éprouvettes instrumentées avec différents types de câbles optiques robustes. Il est important de souligner qu’il n’existe à ce jour aucune norme ou référentiel permettant de qualifier la fonction de transfert mécanique de câbles optiques, ce qui constitue la principale originalité de la thèse. PRINCIPALES ACTIVITÉS A partir du modèle de la fonction de transfert qui sera développé dans la thèse, différentes approches pourront ensuite être étudiées pour estimer les déformations réelles à partir des mesures de déformation en tirant parti de la fonction de transfert estimée auparavant. Rappelons qu’il est toujours difficile pour les ingénieurs de déterminer le profil réel des déformations dans une structure à l'aide des données mesurées à cause notamment de la fonction de transfert. Les travaux de cette thèse permettront de répondre à cet enjeu. Ils se focaliseront sur la mesure d’ouverture de fissures avec des câbles optiques robustes. Etant donné que ces derniers ont généralement des longueurs de transfert mécanique assez importantes, la concomitance de plusieurs fissures assez proches ne permet pas la détermination de leurs ouvertures par les méthodes actuelles. Le nouveau modèle développé dans la thèse permettra également de lever ce verrou. Par ces différentes applications, les travaux de la thèse contribueront donc à de nouvelles avancées. Il est également important de rappeler qu’iIs s’inscrivent dans un contexte où les besoins de monitoring sont de plus en plus prégnants compte tenu du vieillissement accéléré des structures du génie civil à cause du changement climatique et de l’augmentation du trafic. COMPÉTENCES Qualifications requises : BAC+5 en physique ou en mécanique avec de solides compétences en mathématiques. Un attrait pour l'instrumentation est souhaité. Des bases de programmation en Matlab et C seront appréciées.