Modélisation et conception d`un capteur de vibrations à fibre optique

Institut d’Électronique du Solide et des Systèmes
THESE
présentée pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L'UNIVERSITE DE STRASBOURG
Spécialité : Optronique et Systèmes
Ecole Nationale Supérieure de Physique de Strasbourg
Par
Antoine LEBRUN
Soutenue le 15 Juin 2011 devant la commission d'examen :
M. B. SERIO Examinateur - Directeur de thèse
M. P. AMBS Rapporteur
M. E. BIGLER Rapporteur
M. J.-J. HUNSINGER Examinateur
M. P. MEYRUEIS Examinateur
M. P. PFEIFFER Examinateur
Membre invité :
M. A. CHAKARI
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Modélisation et conception d'un capteur de
vibrations à fibre optique par analyse
polarimétrique : application à la sismologie

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Remerciements
L'auteur souhaite adresser ses remerciements aux personnes suivantes pour leur contribution
respectives à ces travaux de thèse :
–Dr Bruno Serio et Dr Ayoub Chakari, mes directeurs de thèse qui m'ont portés pendant
toutes ces années jusqu'à la fin des travaux, à travers toutes les difficultés et les pièges, un
très grand merci à eux,
–Le Professeur Emmanuel Bigler pour avoir accepté la présidence du jury de thèse,
–Le Professeur Pierre Ambs pour son retour très apprécié sur la rédaction du mémoire,
–Le Professeur Patrick Meyrueis, directeur du laboratoire LSP,
–Dr Pierre Pfeiffer et Dr Jean-Jacques Hunsinger, pour tous leurs conseils et leurs aides lors
de cette dernière étape de thèse et leur intérêt à ces travaux,
–Toute l'équipe administrative de l'ENSPS.
–Merci à tous mes collègues qui m'ont supporté avec patience et dont les discussions
passionnantes et les avis m'ont fait garder un esprit ouvert et curieux.
–Un grand merci à tous mes amis et à ma famille pour m'avoir poussé jusqu'à la soutenance et
qui n'ont jamais relâché leur vigilance; je peur leur dire maintenant : ça y est, c'est fait !
–Enfin, je remercie Émilie pour toute l'aide et le soutien qu'elle m'a apporté au cours de ces
dernières années de thèse, et pour toute l'affection qu'elle m'a témoigné.
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Sommaire
Introduction........................................................................................................................................9
Chapitre 1 Étude bibliographique des vibrations sismiques et des capteurs de vibrations.....13
1.1 Métrologie et sources des vibrations dans le sol......................................................................13
1.1.1 Objectifs scientifiques de l'étude des vibrations du sol....................................................13
1.1.2 Risques sismiques sur l'infrastructure et impact social...................................................15
1.1.3 Fondements de la sismologie ..........................................................................................17
1.1.4 Modèle de la structure interne de la Terre.......................................................................19
1.1.5 Origine de la formation des ondes sismiques...................................................................21
1.2 Les différents types d'ondes sismiques rencontrées.................................................................23
1.2.1 Ondes de volume..............................................................................................................23
1.2.2 Ondes de surface..............................................................................................................26
1.2.3 Distribution des ondes sismiques.....................................................................................26
1.2.4 Qualification de l'intensité et de la magnitude d'un séisme.............................................28
1.3 Principes des sismomètres.......................................................................................................29
1.3.1 Principe du sismomètre à masse inerte............................................................................29
1.3.2 Sismomètres à courte période et longue période.............................................................32
1.3.3 Sismomètres non linéaire.................................................................................................33
1.3.4 VASE, Outil d'extraction et de visualisation des sismogrammes....................................34
1.4 État de l'art des capteurs de vibrations.....................................................................................37
1.4.1 Transducteur mécanique..................................................................................................37
1.4.2 Accéléromètre piézo-électrique.......................................................................................38
1.4.3 Accéléromètre piézo-résistif............................................................................................38
1.4.4 Transducteur opto-électronique.......................................................................................39
1.4.5 Transducteur électro-dynamique......................................................................................39
1.4.6 Transducteur capacitif .....................................................................................................40
1.5 Capteurs de vibrations à fibres optiques..................................................................................41
1.5.1 Classification : capteurs intrinsèques et extrinsèques......................................................41
1.5.2 Capteur à fibre optique monomode et multimode...........................................................42
1.5.2.a Capteur à modulation de phase.................................................................................43
1.5.2.b Capteur à modulation d'état de polarisation.............................................................43
1.5.3 Détection du retard de phase ...........................................................................................44
1.5.3.a Détection par méthode interférométrique.................................................................44
1.5.3.b Interféromètre Fabry-Perot.......................................................................................45
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