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ZHVWHUQ)UHQFKFLW\RI$QJRXOrPH
INTRODUCTION
L’instrumentation fait désormais partie du cahier des charges des ouvrages de grandes dimensions
tels le viaduc de Millau, durant les périodes de construction, mais aussi pour leur suivi [1]. Le
contrôle de santé des structures, plus couramment désigné par le sigle anglais SHM (Structural
Health Monitoring), requiert des capteurs pérennes en grand nombre. Les capteurs à fibre optique
Sylvie DELEPINE-LESOILLE *
désormais à l’ANDRA,
Chatenay-Malabry, France
Erick MERLIOT
LCPC-MI, Centre de Paris
Yves GAUTIER
LRPC de Bordeaux, France
* AUTEUR À CONTACTER :
Sylvie DELEPINE-LESOILLE
V\OYLHOHVRLOOH#DQGUDIU

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sont pour cette application des outils exceptionnels. Près de 20 ans de développements auront été
nécessaires pour dépasser les premières déceptions et exploiter pleinement les spécificités de ces
capteurs, qui deviennent désormais incontournables.
Après des descriptions béotiennes de la fibre optique et des différents types de capteurs qui l’utili-
sent, l’état de l’art des extensomètres à fibre optique en génie civil sera dressé, avec la description de
plusieurs applications industrielles récentes. Enfin, l’exemple du développement d’un extensomètre
de longue base de mesure sera détaillé.
48·(67&(48·81(),%5(237,48("
La fibre optique (¿JXUHD) a désormais envahi notre vie quotidienne puisque dans de nombreuses
agglomérations elle achemine internet jusque chez le particulier, que les voitures les plus récentes
en sont équipées et que les océans en sont sillonnés (¿JXUHE).
Il existe une multitude de fibres optiques, dites « monomodes » ou « multimodes », réalisées en
verre ou en plastique, pleines ou à cœur creux, conditionnées sous des formes très variées et ache-
minant des signaux visibles ou invisibles [2]. Ces différents paramètres sont choisis en fonction des
spécificités de l’application.
Une fibre optique est un guide d’onde aux dimensions d’un cheveu (0,1 mm de diamètre) permet-
tant d’acheminer de la lumière, c’est-à-dire une onde électromagnétique dont les fréquences sont
de l’ordre de 100 THz. La gaine optique et le cœur sont généralement réalisés dans le même maté-
riau, mais dopés avec des impuretés différentes afin que leurs indices de réfraction, c’est-à-dire le
rapport entre les vitesses de propagation de la lumière dans le vide et dans la matière, diffèrent de
)LJXUH
(a) Illustration de fibres
optiques
(b) carte non exhaustive
du réseau télécom en fibre
optique
E
D

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plusieurs dixièmes de pour cent. Par exemple, la fibre optique la plus courante, souvent désignée par
les sigles SMF28 ou G652, est réalisée en silice dopée par du germanium afin de réaliser une diffé-
rence d’indice de réfraction de l’ordre de 5·10-3 entre la gaine et les 10 centraux où se concentre
l’énergie. Cette géométrie confère rend le guide « monomode » sur la plage de longueur d’onde la
plus exploitée, le proche infrarouge de 1,3 à 1,6 .
Il découle de ces caractéristiques de nombreuses spécificités des capteurs à fibre optique (CFO).
Contrairement aux capteurs électroniques, la fibre optique ne rayonne pas. Les parasites électro-s
magnétiques, qui limitent les dimensions des câbles coaxiaux de raccordement des capteurs tradi-
tionnels, ainsi que les risques de foudroyage sont ainsi écartés.
Le verre ayant un point de fusion très élevé, les CFO peuvent être utilisés à très haute température. s
Ils résistent également aux très hautes pressions, voire à la présence de rayonnements ionisants.
Toutefois l’enveloppe protectrice schématisée sur la ¿JXUH, indispensable à une bonne tenue
mécanique de la silice, doit être choisie en fonction des conditions d’utilisation : l’acrylate stan-
dard ne résiste pas à des températures élevées. De plus, certains traitements internes spécifiques
comme l’inscription de réseaux de Bragg qui s’effacent au delà de 300oC peuvent limiter les plages
d’utilisation.
Les dimensions transversales étant très faibles (millimétriques), on peut réaliser des capteurs peu s
intrusifs, ainsi que des câbles de transmission et des boîtiers peu encombrants.
Les pertes de propagation des signaux sont extrêmement faibles : pour la fibre G652 décrite précé-s
demment, à la longueur d’onde de 1,55 , les pertes sont inférieures à 5 % par kilomètre de pro-
pagation. Ainsi, dans une fibre optique de plusieurs kilomètres, un signal se propage quasiment sans
distorsion. Cette caractéristique est primordiale lorsqu’il s’agit d’interroger à distance des capteurs
placés dans des zones inaccessibles telles un puits de forage. Elle est également mise à profit pour
réaliser des capteurs de longue base de mesure (dimensions métriques voire kilométriques).
Les capteurs présentent une plus grande sensibilité et une plus grande dynamique que les capteurs s
traditionnels, tout en conservant des résolutions relatives de l’ordre de la longueur d’onde, soit
10-6 m, grâce aux montages interférométriques.
La bande passante héritée des transmissions télécom étant très large, les capacités de multiplexage s
sont importantes : on peut interroger simultanément des dizaines de capteurs placés sur une même
fibre optique tant que les plages spectrales correspondantes sont décalées sur la fenêtre de trans-
mission de la silice, 0,8 -1,7 . Le réseau de capteurs ainsi créé permet d’envisager une forte
réduction du coût de la voie de mesure, tant il est vrai que le système de mesure et de démultiplexage
optoélectronique constitue l’une des composantes essentielles du prix de l’instrumentation. Par
ailleurs, une telle architecture fournit à l’utilisateur les données de chaque capteur sous une forme
homogène, si bien que la fusion de données est intrinsèque. La mise en réseau de CFO conduit donc
à des systèmes d’instrumentation optimisés. Ajoutons que les vitesses d’acquisition des signaux des
capteurs sont seulement limitées par le système électronique d’interrogation.
Toutefois, puisque le signal utile se propage sur les 10 (0,01 mm) centraux de la fibre optique
monomode usuelle, les raccords entre tronçons de fibre sont des points sensibles, que de simples
poussières dégradent. Les manipulations sont donc relativement délicates. Pour cela, la majorité
)LJXUH
Structure d’une fibre
optique de type monomode.
Cœur
(de 10m à 100m de diamètre)
Gaine optique (125m)
Enveloppe protectrice
ou gaine mécanique,
réalisée en acrylate, polyimide…
*DLQHRSWLTXHPm)
GHPPjPPGHGLDPqWUH

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des raccords sont déportés loin des conditions de chantier. L’autre solution est d’avoir recours à des
fibres optiques multimodes, mais les longueurs de fibre sont alors limitées à la centaine de mètres.
Pour les applications en génie civil, il faut par ailleurs retenir une caractéristique qui peut s’avérer
importante : les fibres optiques en silice cassent au-delà de quelques pour cent de traction (4 %).
Bien que cette valeur soit importante et compatible avec la majorité des applications, l’instrumenta-
tion des ponts au niveau des câbles de précontraintes ou des haubans est compromise, ou nécessite
d’avoir recours aux fibres optiques plastiques [3].
/(6',))e5(17(67(&+12/2*,(6'(6(;7(1620Ë75(6
),%5(237,48(
On ne s’intéressera ici qu’aux CFO intrinsèques, dans lesquels la fibre optique constitue l’élément
sensible, par opposition aux capteurs extrinsèques où elle n’est utilisée que comme vecteur de
l’information. On distingue traditionnellement les différents types de CFO intrinsèques suivant la
grandeur d’influence [4], qui peut être l’intensité du signal, sa longueur d’onde, sa polarisation, sa
phase.
/HVFDSWHXUVKLVWRULTXHV N
Historiquement, les premiers CFO étaient fondés sur l’étude des variations d’intensité d’un signal
transmis dans une fibre optique multimode car les composants nécessaires à un tels systèmes étaient
les seuls disponibles avec un coût raisonnable.
Le système de mesure le plus basique, appelé Tout Ou Rien (TOR) consiste à étudier la propa-
gation ou non-propagation de la lumière transmise dans la fibre optique, comme schématisé sur
la )LJXUH : le signal transmis dans une fibre optique subit une forte diminution pour atteindre
une valeur quasi nulle lorsque la fibre est rompue. Ces CFO TOR ont été mis en œuvre pour la
surveillance de l’état de fissuration d’ouvrages d’art en béton [5]. Ce type de capteurs ne fournit
aucune information sur l’importance de la fissure ni sur son évolution dans le temps. Pour pallier
cette limitation, les capteurs à microcourbures [6] ont alors été développés. Lorsqu’une fibre optique
se courbe, une partie de la lumière est perdue par rayonnement à l’endroit de la courbure. Ces pertes
peuvent être détectées avec précision en mesurant l’atténuation de l’intensité lumineuse. L’effet
« capteur » repose sur la corrélation entre cette atténuation et la déformation longitudinale de la
portion de la fibre optique. Pour renforcer la sensibilité de la fibre optique à la courbure, différentes
technologies ont été développées, par exemple l’enroulement d’un fil de fer autour du revêtement
primaire de la fibre optique tel que schématisé sur la ¿JXUHD. De tels capteurs à microcourbures
ont entre autre permis le pesage en marche de véhicule par instrumentation d’appareils d’appui de
ponts [7] illustrés ¿JXUHE.
)LJXUH
Principe des capteurs
à fibre optique en TOR,
d’après [8].
Fibre optique
Béton après
fissuration
Béton avant
fissuration
Transmission partielle
ou nulle du signal
Transmission
du signal

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Si ces capteurs sont remarquables de simplicité et ne nécessitent que des matériels très peu coûteux,
la difficulté majeure est de disposer d’une référence d’intensité stable. En effet, toute poussière
déposée sur les connecteurs des capteurs obstrue partiellement la transmission de la lumière et
la perte d’intensité lumineuse correspondante ne peut pas être distinguée des signaux utiles. Or
un système dépourvu de connecteurs où les raccords entre fibres optiques ne sont constitués que
de soudures ne permet aucune manipulation. Par ailleurs, si les fibres optiques de transmission
du signal subissent des dégradations partielles, par exemple de fortes courbures à des interfaces
(sorties de blocs de béton etc.), les pertes de l’intensité du signal seront également interprétées
comme des évolutions significatives des portions de fibres conditionnées en capteur. C’est pourquoi
la majorité des CFO sont désormais interférométriques.
/HVFDSWHXUVj¿EUHRSWLTXHLQWHUIpURPpWULTXHV N
Aujourd’hui, le codage de l’information est essentiellement interférométrique [4]. On peut alors
distinguer trois grandes familles d’extensomètres à fibre optique interférométriques suivant que
leurs mesures sont ponctuelles, de longue base ou réparties (c’est-à-dire continues tout le long de
la fibre optique).
)LJXUH
(a)Capteur à fibre optique
avec un conditionnement
en microcourbures de type
enroulement en « hélice ».
(b) appareil d’appui de
pont instrumenté par un
capteur à microcourbure. Revêtement
primaire
Cœur
Fil métallique
Direction des sollicitations
Gaine optique
E
D
)LJXUH
Schéma d’un système de
mesure par fibre optique :
un appareil d’acquisition
est connecté à une fibre
optique qui contient des
capteurs et véhicule leur
information. Les capteurs
sont ponctuels (papillons
rouges), ou bien de
longue base (le capteur
correspond à la distance
entre les papillons), ou
bien répartis (la fibre elle-
même devient capteur :
plus besoin de points
spécifiques)
Emetteur
Capteurs de longues bases
Interrogateur Fibre optique
de transmission
Capteurs ponctuels
< 10 cm
Capteurs
continus
Détecteur
3 m
10 cm