Titre de l’invention : DISPOSITIF TRIDIMENSIONNEL DE MESURE DES DEFORMATIONS LOCALES

[ 1 ] La présente invention concerne de manière générale un dispositif tridimensionnel de mesure des déformations locales, qui est noyé à l’intérieur d'une structure, et plus particulièrement pour déterminer le tenseur de déformation subi par cette structure.

Arrière-plan technique

[2] Les structures qui sont utilisées très couramment en architecture, dans les ouvrages de génie civil ainsi que généralement dans les domaines liés à la mécanique subissent des contraintes mécaniques qui peuvent évoluer au cours du temps. Ces contraintes provoquent des déformations dans le volume de ces structures ce qui peut aboutir à altérer leurs caractéristiques mécaniques. Pour assurer un suivi des propriétés de ces structures il est nécessaire de pouvoir mesurer l'évolution des déformations qui se produisent dans le volume de ces structures.

[3] L'évolution des déformations des structures et l'estimation des contraintes qui s'exercent sur celles-ci peuvent être suivies par des dispositifs placés sur la surface externe des structures tels que des témoins visuels pour les déformations ou des capteurs mécaniques sensibles à la déformation à la surface de ces structures (FR2855210). La mesure de la déformation à l'intérieur même du volume peut être estimée en intégrant un capteur uniaxial ou « fibre de mesure » tel qu'une fibre optique dans le volume même de la structure (W02006127034). Ces méthodes cependant ne permettent au mieux de n'estimer qu'une moyenne selon l'axe du capteur des composantes des contraintes ou des déformations s'exerçant dans une fibre placée dans le volume surveillé. Enfin, l'intégration directement dans le volume surveillé d'un capteur peut aboutir à des affaiblissements de la structure qui peuvent être dus à la différence de propriétés mécanique des matériaux composant le capteur, ou bien à modifier la distribution des contraintes dans le volume de la structure à proximité du capteur. Dans ce dernier cas la forme particulière du capteur peut conduire à des concentrations locales des contraintes propices à l'amorçage de fissure au voisinage de ce capteur. Par ailleurs la modification de la distribution des contraintes au voisinage même du capteur est nuisible à la qualité de la mesure, qui risque de ne pas refléter idéalement les grandeurs que l'on souhaite mesurer, ce qui peut aboutir à utiliser ces capteurs comme alertes de seuils plutôt que comme systèmes pour effectuer des mesures quantitatives.

[4] Pour améliorer la qualité et la fiabilité de la mesure des contraintes et des déformations s’exerçant localement à l'intérieur d'un volume, le demandeur a alors mis au point un capteur tridimensionnel noyé au cœur d’une structure hôte pour mesurer localement les 6 composantes du tenseur de déformation de cette structure. Ce capteur tridimensionnel a fait l’objet d’une demande internationale (WO2014140496). Il est basé sur le principe de l’utilisation d’un corps d'épreuve de forme ellipsoïdale, et de préférence sphérique en matériau élastique homogène aux propriétés mécaniques connues et destiné à être inclus dans ladite structure hôte. A titre de moyens de mesure de la déformation, WO2014140496 décrit l’utilisation d’une fibre de mesure de déformation attachée à l'intérieur du corps d'épreuve, pour transmettre des déformations du corps d'épreuve à la fibre de mesure. Le capteur de déformation de WO2014140496 est basé sur le problème de l’inclusion d’Eshelby ^{[1, 2]} qui propose un cadre théorique complet permettant d’évaluer les déformations d’un milieu hôte (ou matrice) qui existerait dans la matrice en l’absence du capteur, à partir de la mesure du champ de déformation dans la sphère élastique (l’inclusion). WO2014140496 décrit plus particulièrement des capteurs de déformation radiaux basés sur l’assemblage de fibres optiques traversant un corps d'épreuve sphérique. Les capteurs utilisés et mis au point par le Demandeur pour l’invention objet de la demande internationale WO2014140496 sont des réseaux de Bragg fibrés qui ont une longueur active typiquement de l’ordre de 10 mm pour un diamètre de 250 pm. Ils doivent être collés de part et d’autre du réseau de Bragg fibré, typiquement sur une longueur de 15 mm environ. Ainsi, avec la technologie à fibres traversantes, il est pratiquement impossible de réduire le diamètre du corps d’épreuve à moins de 40 mm. Cela interdit de facto l’usage du capteur à toutes les applications au vivant, ou à l'étude de l’écoulement dans les fluides, deux domaines pour lesquels la mesure de déformation multiaxes présente un intérêt majeur. D’un autre côté, cela limite également l’usage à des domaines nécessitant l’utilisation d’un capteur de plus grande dimension (par exemple en mécanique des sols). Il en effet très complexe d’usiner un trou de logement d’une fibre (ici de 250 pm) pour lequel l'élancement (i.e. le rapport longueur sur diamètre) est important.

[5] Afin de remédier à ces inconvénients, le Demandeur a développé, en alternative au capteur tridimensionnel de WO2014140496 à base de capteurs de déformation radiaux, un dispositif tridimensionnel de mesure des déformations locales d’une structure hôte. Ce dispositif tridimensionnel est également noyé à l’intérieur d’une structure et basé sur le principe de l’utilisation d’un corps d’épreuve sphérique en matériau élastique homogène aux propriétés mécaniques connues muni de capteurs de déformation. De même que WO2014140496, le dispositif tridimensionnel faisant l’objet de la présente invention est également basé sur le problème de l’inclusion d’Eshelby ^{1, 2} . A la différence du capteur tridimensionnel de WO2014140496, les capteurs de déformation sont assemblés de manière tangentielle, en étant enroulés à la surface d'une sphère pour mesurer des variations de six périmètres formés par l'intersection entre la sphère (corps d'épreuve du dispositif tridimensionnel) et six plans différents (au sens des plans vectoriels). Avec le dispositif tridimensionnel de mesure selon l’invention, la mesure de la déformation de la sphère corps d'épreuve est réalisée par la mesure des variations des périmètres, et non par la mesure de déformations à l’aide de capteurs unidirectionnels.

Résumé de l’invention

[6] Plus particulièrement, la présente invention a pour objet un dispositif tridimensionnel pour mesurer localement les déformations d'une structure hôte constituée d’un matériau solide, liquide, visqueux ou gazeux, ledit dispositif comprenant un corps d'épreuve ayant la forme d’une sphère S de centre O constitué d’un matériau élastique homogène aux propriétés mécaniques connues, ledit corps d'épreuve étant destiné à être inclus dans ladite structure hôte,

- des moyens de mesure de déformation attachés audit corps d'épreuve de manière à ce que les déformations subies par ledit corps d’épreuve soient transmises auxdits moyens de mesure de déformation, un système de mesure adapté pour d’une part détecter des signaux provenant des moyens de mesure qui sont représentatifs des déformations des moyens de mesure de déformation, et pour d’autre part pour déterminer les déformations locales de ladite structure hôte à partir des signaux détectés et des propriétés mécaniques connues des matériaux du corps d'épreuve, et éventuellement de la structure hôte, des moyens de liaison desd moyens de mesure de déformation auditn système de mesure, ledit dispositif étant caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure de déformation sont constitués par un capteur de déformation tridimensionnel comportant au moins six capteurs tangentiels qui décrivent des cercles de périmètres Li définis par l’intersection entre-des plans Pi et ladite sphère, lesdits plans Pi étant distincts (au sens des plans vectoriels), i étant un entier variant entre 1 et 6, lesdits capteurs tangentiels étant aptes pour donner une mesure des variations ALi du périmètre Li lorsque ledit corps d'épreuve subit un champ de déformation homogène, le tenseur de déformation s subi par ledit corps d'épreuve étant un tenseur symétrique déterminé par la relation matricielle {s}= |Q| {AL} , avec {s} définissant le vecteur de dimension 6 regroupant les six termes inconnus du tenseur de déformation s, Q définissant une matrice carrée 6 x 6 inversible, dépendant uniquement de l’orientation des plans Pi et donc indépendante de ladite structure hôte et de son état de déformation so et {AL} étant un vecteur de dimension 6 ayant comme composantes les variations ALi, ledit dispositif étant également caractérisé en ce que ledit système est adapté pour calculer analytiquement le tenseur de déformation so subi par ladite structure hôte à partir du tenseur de déformation s.

[7] En ce qui concerne la structure hôte, celle-ci est constituée d’un matériau solide, liquide, visqueux ou gazeux, dans lequel le capteur tridimensionnel est inséré (s’il est solide) ou noyé (s’il est liquide, visqueux ou gazeux). Si la structure hôte est un liquide ou un gaz, il n’est pas nécessaire de connaitre ses propriétés pour mesurer le champ de pression. Si la structure hôte est un solide, il sera possible de calculer analytiquement le tenseur de déformation so subi par la structure hôte s avec exactitude dès lors que les propriétés mécaniques de la structure hôte sont connues.

[8] En ce qui concerne le corps d'épreuve, celui-ci est constitué d’un matériau élastique homogène propriétés mécaniques connues. A titre de matériaux utilisables pour le corps d’épreuve, on peut notamment citer les matériaux métalliques (tels que les aciers, l’aluminium et ses alliages), les verres, les polymères et les bétons.

[9] Pour déterminer le tenseur de déformation s subi par le corps d'épreuve de forme sphérique du dispositif tridimensionnel selon l’invention, on considère que ce dernier subit un champ de déformation homogène, selon la théorie d’Ehselby ^{1, 3} . Le corps d'épreuve est encerclé par au moins 6 capteurs tangentiels (sous forme de cercles) numérotés i, i étant un entier naturel variant de 1 à 6, qui sont chacun aptes à donner une mesure des variations ALi du périmètre Li lorsque ledit corps d'épreuve subit un champ de déformation homogène, à partir desquelles on calcule les variations relatives ALi/Li. Les cercles sont définis par l’intersection entre-la sphère S et des plans Pi distinct, qui peuvent passer par le centre O de la sphère (corps d’épreuve). Pour obtenir les six composantes du tenseur de déformations, il est nécessaire d’effectuer un minimum de 6 mesures de périmètres Li. Le choix des plans Pi doit être fait de manière à obtenir une matrice carrée 6 x 6 inversible. Parmi toutes les combinaisons possibles, on optera de préférence pour une répartition des capteurs tangentiels telle que ceux-ci sont disposés dans des plans perpendiculaires aux normales des faces d’un dodécaèdre régulier de même centre O que la sphère S. [10] Selon un premier mode de réalisation avantageux du dispositif selon l’invention, les capteurs tangentiels peuvent être des anneaux physiques constitués de fibres optiques, ou de câbles électriques ou de câbles piézoélectriques, ces anneaux physiques étant reliés par des connexions audit système de mesure.

[11] Pour ce premier mode de réalisation, les anneaux physiques peuvent être reliés entre eux en un point unique U par les connexions, qui sont rassemblées en une gaine centrale reliée au système de mesure.

[12] Pour ce premier mode de réalisation, on pourra utiliser un système de mesure adapté pour stimuler les capteurs tangentiels.

[13] Selon un deuxième mode de réalisation avantageux du dispositif selon l’invention, les cercles de périmètres Li peuvent être décrits par des ondes optiques ou élastiques de longueur d’onde À, qui sont des modes de galerie, et plus généralement des modes de surfaces, qui sont propagés selon lesdits cercles de périmètres Li par un système émetteur-coupleur-récepteur.

[14] Selon une première variante de ce mode de réalisation basé sur la mesure d’ondes, la mesure des ondes optiques peut se faire à l’aide d’un système de mesure, dont la liaison avec le corps d’épreuve est réalisée à l’aide d’une fibre optique couplée au corps d'épreuve, le corps d'épreuve étant revêtu d’une couche tampon fixant la fibre optique et dont l’épaisseur est supérieure à la longueur d’onde À, la couche tampon présentant des propriétés mécaniques identiques à celles du corps d'épreuve et un indice de réfraction connu.

[15] Selon une deuxième variante de ce mode de réalisation basé sur la mesure d’ondes, les cercles de périmètres Li peuvent être décrits par des ondes élastiques qui sont chacune générées par une ligne piézoélectrique.

[16] De manière avantageuse, pour ces deux modes de réalisation, le corps d'épreuve peut être constitué d’une sphère pleine, comme illustré sur les figures 3 à 6 commentées ci-après dans la description détaillée des figures.

[17] Selon un troisième mode de réalisation avantageux du dispositif selon l’invention, ce dernier peut être configuré comme suit : la structure hôte est constituée d’un matériau mis en forme à froid, et le capteur tridimensionnel est constitué par 6 anneaux disposés de manière à former une structure définissant la sphère S de centre O, chaque anneau étant muni d’un capteur tangentiel constitué d’une fibre optique, ou d’un câble électrique ou d’un câble piézoélectrique et la structure du capteur tridimensionnel fait office de corps d’épreuve. Ce troisième mode de réalisation peut en particulier être utilisé pour l’étude de matériaux moulés à froid (Béton, géo polymère, résines). [18] Dans le cadre de ce troisième mode de réalisation, on peut utiliser pour la structure hôte des matériaux choisis parmi les bétons et les polymères, qui sont des matériaux pouvant être moulés à froid.

Brève description des figures

[19] D’autres avantages et particularités de la présente invention résulteront de la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins annexes dans lesquels :

[Fig. 1] : la figure 1 comprend un schéma a) montrant schématiquement l’insertion d’un corps d’épreuve sphérique (dit inclusion) dans un milieu homogène élastique ou matrice (dit structure hôte), et un schéma b) de principe du capteur tridimensionnel du dispositif selon l’invention ;

[Fig. 2] : la figure 2 illustre schématiquement un premier mode de réalisation du dispositif selon l’invention ;

[Fig. 3] : la figure 3 illustre schématiquement le capteur de déformation tridimensionnel du dispositif selon l’invention selon le premier mode de réalisation illustré en figure 2, dans lequel le capteur de déformation tridimensionnel est constitué de six capteurs tangentiels sous forme d’anneaux physiques ;

[Fig. 4] : la figure 4 illustre schématiquement deux variantes du capteur de déformation tridimensionnel du dispositif selon l’invention selon un deuxième mode de réalisation : la photographie de gauche montre une première variante de réalisation selon laquelle les capteurs tangentiels sont remplacés par la mesure d’ondes optiques de type modes de galerie, tandis que la photographie de droite montre une deuxième variante de réalisation selon laquelle les capteurs tangentiels sont remplacés par la mesure d’ondes élastiques de types modes de galerie qui sont chacune générées par une ligne piézoélectrique piézoélectrique ;

[Fig. 5] : la figure 5 illustre plus particulièrement la première variante de réalisation du deuxième mode de réalisation du dispositif selon l’invention illustré sur la figure 4, montrant en particulier un dispositif d’injection-réception d’ondes optiques ;

[Fig. 6] : la figure 6 illustre plus particulièrement la deuxième variante de réalisation du deuxième mode de réalisation du dispositif selon l’invention illustré sur la figure 4, montrant la mesure d’ondes élastiques générées par une ligne piézoélectrique 11 piézoélectrique (dont une seule étant représentée sur la figure 6 par souci de clarté) ; [Fig. 7] : la figure 7 illustre schématiquement le capteur de déformation tridimensionnel du dispositif selon l’invention selon un troisième mode de réalisation, dans lequel le capteur tridimensionnel est constitué par 6 anneaux constitués du matériau de structure hôte et disposés de manière à former une sphère.

Description détaillée de l'invention

[20] [Fig. 1] représente, en la, schématiquement un milieu homogène élastique ou matrice (dit structure hôte) 2 dont on souhaite déterminer localement l’état de déformation. La structure 1 est par exemple une structure rigide, telle qu'une structure de génie civil, notamment constituée de béton, le cas échéant évidé et/ou renforcé par endroits. Comme visible sur la figure 1, la structure hôte 2 comporte un évidement de forme sphérique, adapté pour recevoir un corps d’épreuve 5 tel qu’il sera décrit plus loin. Le principe du dispositif selon l’invention est la détermination du tenseur de déformation so du milieu hôte 2 à partir du tenseur de déformation s dans la sphère élastique du corps d’épreuve 5. [Fig. 1] représente, en 1b, un schéma de principe du capteur tridimensionnel du dispositif selon l’invention, montrant en particulier un corps d’épreuve sphérique à l’intérieur duquel on a représenté les faces d’un dodécaèdre régulier (fictif) de même centre O que la sphère S (dodécaèdre fictif), dont les normales sont perpendiculaires aux plans Pi contenant les capteurs (il s’agit d’un mode de répartition préférentiel des capteurs tangentiels qui sera décrit plus loin en relation avec la figure 3.

[21] [Fig. 2] complète la représentation schématique de [Fig. 1] au niveau du schéma la en montrant l’ensemble du dispositif tridimensionnel 1 selon l’invention, dans lequel le corps d'épreuve sphérique muni d’un capteur de déformation tridimensionnel 7 comportant six capteurs tangentiels 71, 72, 73, 74, 75, 76 reliés à système de mesure 9 (ou zone d’instrumentation).

[22] [Fig. 3] montre plus en détail le capteur de déformation tridimensionnel de la figure 2 ; dans lequel les six capteurs tangentiels 71 , 72, 73, 74, 75, 76, se présentent sous forme d’anneaux physiques constitués de fibres optiques, ou de câbles électriques ou de câbles piézoélectriques. Ces anneaux physiques sont regroupés en un même point U grâce à des tronçons de connexions 80 pour être assemblés dans une gaine centrale 81 reliée à la zone d’instrumentation 9.

[23] La première version du capteur de déformation 3D consiste à coller 6 capteurs unidirectionnels selon les périmètres d’une sphère. Ces capteurs qui sont en fait 6 câbles (optiques, électriques ou piézoélectrique) sont regroupés en un même point grâce à des tronçons de connexions pour être assemblés dans une unique gaine. Chacun de ces capteurs est contenu dans un plan Pi passant par le centre de la sphère S et perpendiculaire à la normale (désignée par i = 1 , 2, 3, 4,5 ou 6 sur la figure 3) d’un dodécaèdre régulier de même centre O que la sphère S.

[24] Une alternative à l’usage de capteurs sous forme de câbles collés à la surface d’une sphère est illustrée par [Fig. 4] : cette alternative consiste à injecter des ondes dans le corps d’épreuve sphérique 5 pour leur faire décrire les périmètres de longueur Li : il peut s’agir d’onde optiques 71 comme illustré sur le schéma de gauche de [Fig. 4] et décrit dans la publication scientifique de S. Arnold et al. ⁴ , ou il peut s’agir d’ondes mécaniques 71, comme illustré sur le schéma de droite de [Fig. 4] et décrit dans la publication scientifique de D. Clorennec et D. Royer ⁵ . Le gain escompté est principalement la miniaturisation du dispositif selon l’invention 1.

[25] Dans le cas où l’on injecte des ondes optiques, on utilise des dispositifs d’injection-réception d’ondes optiques de type capteurs à fibre optique 10, tels qu’illustrés sur [Fig. 5], Sur la figure 5, les capteurs à fibre optique 10 sont couplés au corps d'épreuve 5, qui est revêtu d’une couche tampon 50 fixant la fibre optique 10 et dont l’épaisseur est supérieure à la longueur d’onde À, la couche tampon 50 présentant des propriétés mécaniques identiques à celles du corps d'épreuve 5 et un indice de réfraction connu._Plusieurs géométries d’émetteurs récepteurs optiques sont données : sur le schéma de gauche de la figure 5, le couplage avec le corps d’épreuve 5 est réalisé par l’extrémité de la fibre optique 10, tandis que sur le schéma central, il est réalisé à l’aide d’une fibre optique 10 effilée. Le couplage peut aussi être réalisé par réseau (schéma de droite de la figure 5).

[26] [Fig. 6] montre un capteur de déformation tridimensionnel 7 constitué de capteurs tangentiels (un seul étant représenté sur la figure 6 par souci de clarté) qui sont basés sur la mesure d’ondes élastiques générées par une ligne piézoélectrique 11. Le gain escompté avec cette architecture est principalement l’amélioration des performances métrologiques du dispositif selon l’invention 1.

Ces capteurs piézoélectriques peuvent être de technologie similaire à ceux décrit sur les figures 2 à 6, le corps d'épreuve est constitué d’une sphère pleine.

[27] Une dernière alternative, illustrée par [Fig. 7] consiste à ne plus utiliser de sphère pleine à titre de corps d’épreuve 5, mais seulement des anneaux élastiques. Cette solution est utilisable pour les matériaux moulés à froid à titre de structures hôtes 2, tels que des bétons, des géopolymères, ou des résines. Dans un tel mode de réalisation, le capteur tridimensionnel 7 est constitué par 6 anneaux 51, 52, 53, 54, 55, 56 disposés de manière à former une structure 5’ définissant la sphère S de centre O et faisant office de corps d’épreuve. Chaque anneau 51, 52, 53, 54, 55, 56 est muni d’un capteur tangentiel 71, 72, 73, 74, 75, 76 constitué d’une fibre optique, ou d’un câble électrique ou d’un câble piézoélectrique, ou chaque anneau 51, 52, 53, 54, 55, 56 est lui-même utilisé comme guide d’onde.

[28] LISTE DES REFERENCES

1. “77ze elastic field outside an ellipsoidal inclusion”, by Eshelby John Douglas and Peierls Rudolf Ernst, Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 252(1271):561— 569, October 1959. 2. “An Embedded 3D Strain Tensor Sensor Based on the Eshelby ’s Inclusion” by M. L. M. François,

Y. Lecieux, D. Leduc, C. Lupi, and E. Rozière, Experimental Mechanics, 57(5):801— 811, June 2017.

3. “The détermination of the elastic field of an ellipsoïdal inclusion and related problems ” by J. D. Eshelby, Proceedings of the Royal Society of London, Vol. 241, (1957), pp. 376- 396.

4. “Shift of whispering-gallery modes in microspheres by protein adsorption” by S. Arnold, M. Khoshsima, I. Teraoka, S. Holler, and F. Vollmer, Opt. Lett. 28, 272-274 (2003).

5 “Investigation of surface acoustic wave propagation on a sphere using laser ultrasonics” by D. Clorennec et D. Royer, Applied physics letters 85 (2004), p. 2435-2437.