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SWIFTS (pour Stationary-Wave Integrated Fourier-Transform Spectrometer) est un concept de spectromètre s'appuyant sur l'optique intégrée pour proposer un système de mesure compact et de très haute résolution. Il combine une technique d'interférométrie développée par Gabriel Lippmann avec des technologies de microélectroniques actuelles. La technologie SWIFTS sera ici utilisée en tant qu'interrogateur de fibre de Bragg. En effet, combiner ce spectromètre avec des fibres de Bragg très sensibles, telle qu'une cavité Fabry-Perot à réseaux de Bragg (GFPC) d'une longueur de 20 mm, permettra de mesurer des variations de température et de déformation très précises. Les applications des fibres de Bragg sont nombreuses, particulièrement dans la surveillance de structure de génie civil ou dans la sureté nucléaire avec des précisions de l'ordre du microstrain. Cependant, les capteurs par fibres de Bragg n'ont jamais atteint la sensibilité nécessaire aux observations en science de la terre. Une précision de quelques dizaines de nanostrain serait pourtant d'un intérêt majeur dans l'étude des processus volcaniques et sismologiques. Je présente dans cette thèse la première utilisation d'un tel spectromètre de Fourier associé à des capteurs de Bragg pour mesurer des déformations dans différentes gammes allant du millistrain au nanostrain. Dans un premier temps, des déformations sur une petite structure en béton armé amenée jusqu'à l'état limite de fissuration permettront de qualifier différents capteurs à fibres de Bragg dans leur milieu d'usage. Dans un deuxième temps, des mesures de déformations liées au phénomène de la marrée terrestre sont proposées. Ces mesures, effectuées au Laboratoire Souterrain à Bas Bruit (LSBB) de Rustrel, donnent des précisions de l'ordre de 30 nanostrains sur une courte base et ouvrent la voie à d'autres mesures de phénomènes géophysiques pour cet instrument.

SWIFTS, or Stationary-Wave Integrated Fourier-Transform Spectrometer, is an extremely integrated very high resolution spectrometer. This spectroscopy technology represents a major advance in the field and will be used here as a Fiber Bragg Gratings interrogator. Combining such a spectrometer with very sensitive Bragg sensors, like grating Fabry-Perot cavity (GFPC) as long as 20 mm, will allow to measure high precision temperature or strain variation. Applications of Bragg sensors are numerous, especially in structure monitoring and nuclear power plants safety. Despite promising capabilities, Bragg sensors never reached the desired sensibility for earth-science observation purposes. Present applications are restricted to civil-engineering strain-gauge sensors with microstrain sensitivity. However, the ability to detect and record signals of the order of a few tens of nanostrain is of great interest to monitor and model the volcanic and seismological processes. I demonstrate in this thesis the first use of a Fourier-Transform spectrometer combined with Fiber Bragg Sensors in a field configuration to achieve extremely high precision measurement on…

Advisors/Committee Members: Le Coarer, Etienne (thesis director).

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La Thèse a été réalisée en cotutelle entre l’Université Jean Monnet de Saint Etienne (France) et l’université de Palerme (Italie) et en collaboration avec l’Agence nationale pour la gestion des déchets radioactifs (ANDRA). Le travail de recherche concerne l'étude des capteurs répartis à fibres optiques (utilisant la lumière rétrodiffusée Raman et Brillouin) destinés à l’observation et à la surveillance des ouvrages dédiés au stockage géologique de déchets radioactifs de haute activité et moyenne activité à vie longue (projet CIGEO : centre industriel de stockage géologique). Dans ce contexte, les fibres optiques sont envisagées en tant qu’élément sensible de capteurs pour la mesure de paramètres environnementaux tels que la température ou la déformation. Les conditions environnementales extrêmes d’exploitation entrainent la dégradation des propriétés de la fibre optique et des performances du capteur. La réponse des capteurs Brillouin et Raman est influencée par la présence de rayonnement y et d’hydrogène dans l’atmosphère Cigéo. Dans les deux cas, une diminution de la transmission linéique de la fibre optique est observée. Ce phénomène est dû à l’atténuation induite par radiation (RIA) ou par hydrogène (HIA) réduisant ainsi la portée de la mesure. En outre le rayonnement y et l’hydrogène provoquent des erreurs sur la mesure de température ou de déformation pour les deux types de capteurs. L’étude a permis d’établir les lignes directrices pour la sélection et le développement des capteurs repartis à fibre optique appropriés pour travailler dans l’environnement Cigéo

This PhD thesis is conducted in the joint supervision of both the University Jean Monnet of Saint Etienne (France) and the University of Palermo (Italy) in collaboration with the French national agency for the management of radioactive wastes (ANDRA). The aim of the Thesis is to evaluate the performances of distributed optical fiber sensors (based on Raman and Brillouin scattering technologies) that will be employed for monitoring industrial site for deep geological disposal for high and long-lived intermediate level activity radioactive waste (HL-W and LL/IL-W, respectively), called Cigéo. In this context, the distributed optical fiber sensors will provide a time and spatial cartography of the strain and temperature inside the disposal cell. The severe environment of Cigéo requires the sensor evaluation taking into account the resulting degradation of the sensing optical fiber. The sensor response is affected by y-rays and hydrogen presences inside the storage cells. In both cases a decrease of the optical fiber transmission, due to the radiation or hydrogen induced attenuation (RIA or HIA) is observed and limits the sensing distance range of the sensor. Moreover, the two different environment constraints lead to errors in the temperature or strain evaluation for both sensor technologies. This Thesis work establishes the guidelines to select and design distributed optical fiber sensors suitable to operate in radiation environment such as Cigéo one

Advisors/Committee Members: Ouerdane, Youcef (thesis director), Cannas, Marco (thesis director).

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Les matériaux composites ont connu ces dernières années une forte croissance, croissance aujourd'hui renforcée par les nouvelles normes européenne visant à diminuer les émissions CO2 d'ici 2020. La réalisation de pièces complexes peut poser de nombreuses problématiques de fabrication comme la formation de zones sèches, ou la création de distorsions géométriques. Les origines de ces problématiques sont souvent liées à un manque de connaissance et de maîtrise des phases d'imprégnation des renforts et de cuisson du matériau. L'amélioration de la robustesse des procédés nécessite d'avoir une connaissance fine des phénomènes physiques qui ont lieu lors de l'élaboration. Dans cette perspective, les procédés d'élaboration de matériaux composites ont été étudiés à travers la mise en place d'un démonstrateur de laboratoire dans le cadre du projet LCM Smart. Ce pilote d'injection a permis de valider des solutions d'instrumentation, à partir de capteurs innovants (OFS) développés en partenariat avec le laboratoire d'optique Hubert Curien.L'application de cette instrumentation dans le cadre du suivi du procédé RTM a démontré les capacités des OFS pour le suivi des caractéristiques physiques de la pièce (le front d'écoulement, la température, les déformations résiduelles et le degré de cuisson). La comparaison des caractéristiques mesurées avec des simulations numériques effectuées en collaboration avec ESI, a montré une bonne corrélation.Enfin, l'instrumentation a permis de mettre en évidence l’intérêt d’un outillage composite en HexTool pour la réduction des contraintes résiduelles liées à l'interaction outil/pièce.

A significant growth in production and consumption of composite materials can be seen recently; growth reinforced by the new European standards, aimed at reducing CO2 emissions by the year 2020.The producing of complex parts can cause many difficulties for manufacturing because of their geometries and / or their constituents (using of various materials). For example, dry zones or geometric distortion formation. The origins of these difficulties are often related to a lack of knowledge and control of the reinforcement's impregnation phases and material curing.Improving the robustness of the processes demands a detailed knowledge of physical phenomena that occur during the producing. For this, we studied the composite materials production through the implementation of a laboratory demonstrator in the project LCM Smart. This pilot injection was used to validate instrumentation solutions, from innovative sensors (OFS) developed in partnership with the optical laboratory Hubert Curien. The application of this instrumentation in the context of RTM process monitoring in the development of simple parts has demonstrated the capabilities of OFS to control physical characteristics of the part (the flow front, temperature, residual strain and curing degree). The comparison of the measured characteristics with numerical simulations carried out in collaboration with ESI showed a good correlation.Finally, instrumentation has…

Advisors/Committee Members: Drapier, Sylvain (thesis director).

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L'industrie nucléaire montre un intérêt croissant pour les technologies basées sur les fibres optiques pour la transmission des données et comme capteurs. Les fibres optiques offrent plusieurs avantages et les capteurs utilisant cette technologie n'ont pas besoin d'alimentation électrique au point de détection, ils ont une réponse rapide et peuvent être facilement multiplexés : dans le cas d'un capteur de température plusieurs thermocouples peuvent être substituées par une seule fibre, diminuant les déchets. Les réacteurs à fission nucléaire constituent un des environnements les plus agressifs : la dose de rayonnement gamma est de l'ordre du GGy avec une forte fluence de neutrons et une température de fonctionnement supérieure à 300°C pour les réacteurs actuels, connus comme de génération III. Ce travail a été réalisé en collaboration avec la société AREVA, industriel français actif dans le domaine de l'énergie, dans le but de réaliser un capteur de température résistant à l'environnement d'un réacteur nucléaire de génération IV, réacteur à neutrons rapides refroidi au sodium liquide. La technologie actuellement utilisée, les thermocouples, présente une dérive de la mesure due au rayonnement et un temps de réponse d'une seconde. Afin de supprimer la dérive, de réduire le temps de réponse et d'augmenter la précision, un capteur de température à réseau de Bragg a été choisi. Pour comprendre le comportement d'un tel système dans un environnement difficile, nous avons utilisé une approche expérimentale basée sur des techniques complémentaires comme l'atténuation induite par le rayonnement, photoluminescence, résonance paramagnétique électronique et spectroscopie Raman

The nuclear industry shows an increasing interest in the fiber optic technology for both data communication and sensing applications in nuclear plants. The optical fibers offer several advantages and the sensors based on this technology do not need any electrical power at the sensing point, they have a quick response and they can be easily multiplexed: in the case of a temperature sensor, several thermocouples can be substituted by a single fiber, resulting in a decrease of the waste material. The fission reactors are a very harsh environment: it is characterized by the highest dose of gamma-rays, of the order of magnitude of GGy, besides a high flux of neutrons and high operating temperature (300°C for the current reactors, known as generation III). This work has been carried out in collaboration with AREVA, a French industrial conglomerate active in the energy domain, with the aim of realizing a temperature sensor resistant to the environment of nuclear reactor of generation IV, in particular a Sodium-cooled Fast Reactor. The currently used technology, the thermocouples, presents a drift of the measurement due to irradiation, that needs a calibration, and a long response time on the order of seconds. In order to remove the drift, to reduce the response time and to increase the precision, a Fiber Bragg Grating temperature sensor was chosen, in regard to…

Advisors/Committee Members: Boukenter, Aziz (thesis director), Cannas, Marco (thesis director).

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La présence croissante de diverses substances dans notre environnement, conséquencedes activités anthropiques de ces dernières décennies, a entraîné un besoingrandissant et urgent de nouveaux matériaux et dispositifs dans la quête de senseurschimiques efficaces et fiables. D'énormes progrès technologiques ont permis de mettreà disposition toute une gamme d'outils techniques pour leur développement, enprenant en compte les exigences à respecter en terme de sélectivité ou de rapidité deréponse, entre autres. Dans ce contexte, les méthodes de chimie quantique permettentune compréhension fondamentale des processus en jeu dans la détection des espèceschimiques, et par extension, l'élaboration de manière rationnelle de nouveauxmatériaux sensibles. Certaines molécules organiques pouvant être largementfonctionnalisées, elles constituent un point de départ idéal en raison des importantesmodulations possibles de leurs propriétés par des modifications structuralesappropriées.Cette étude vise à développer de manière rationnelle des chromoionophores pour lacomplexation de cations par une approche combinant méthodes de chimiecomputationnelles et caractérisation par spectroscopie optique. Deux pointsprincipaux ont été traités à l'aide de la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité(DFT) et son extension dépendante du temps (TD-DFT): d'une part les relationsstructure moléculaire-propriétés optiques de chromophores, d'autre part le phénomènede complexation. En particulier, la détection de l'ion Zn2+, démontrée de manièrethéorique et expérimentale, est finalement réalisée après intégration du senseurmoléculaire dans un dispositif à fibre optique.

The increasing presence of various substances in our environment has brought abouta growing need for rapid emergence of new materials and devices in the quest forefficient and reliable chemical sensors. Massive technological progress have madeavailable an extensive range of technical tools to serve their development, accountingfor the requirements to be fulfilled (selectivity, quick response..). In this context,quantum chemistry methods provide a fundamental understanding of the processes atstake in the detection of chemical species and allow for rational design of sensingmaterials. Certain organic molecules can be extensively functionalised and thusconstitute an evident starting point owing to the tunability of their propertiesprovided by appropriate choice of structural modifications. The versatility of somechromophores associated to the selectivity offered by receptor units constitute theresearch playground for the development of ever better chemosensors.The present research aims at the rational development of chromoionophores for thecomplexation of cations, combining computational chemistry methods with basicspectroscopic characterisation. Using Density Functional Theory (DFT) and its timedependentextension (TD-DFT), two main aspects were treated, namely therelationship between molecular structure and optical properties of organicchromophores featuring valuable characteristics, and the…

Advisors/Committee Members: Castet, Frédéric (thesis director), Lazzaroni, Roberto (thesis director).

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[Les capteurs à fibres optiques présentent des qualités intéressantes en termes de tailles et de poids relativement faibles qui permettent de réduire l'intrusivité du capteur dans le matériau (ou dans la structure composite). Ils sont également insensibles aux perturbations électromagnétiques, stables et durables dans le temps, mais aussi sensibles à plusieurs sollicitations comme la température, la déformation et la pression, d'où un besoin essentiel de les discriminer. Parmi eux on distingue les réseaux de Bragg : ceux à courtes périodes (FBG : Fiber Bragg Grating) et ceux à longues périodes (LPG : Long Period Grating). Le travail de thèse reporté dans ce manuscrit, traite du développement d'un capteur à fibre optique basé sur la superposition d'un LPG et d'un FBG afin de mesurer et de discriminer la température et la déformation. De nombreuses approches sont proposées dans la littérature afin de découpler ces deux sollicitations cependant elles ne permettent pas forcément une utilisation en conditions réelles de mesures. C'est pourquoi nous introduisons la notion d'efficacité de découplage avec le paramètre E qui permet de comparer toutes ces approches et met en évidence un très bon potentiel pour la structure à base de réseaux superposés LPG/FBG. La mise en œuvre d'un tel composant est décrite dans ce manuscrit et consiste à inscrire initialement le LPG puis le FBG au même endroit et sur toute la longueur du LPG. De plus ce type de structure permet un multiplexage qui, bien que faible, est néanmoins possible. Les étalonnages en température et en déformation du capteur ont permis de mettre en évidence une erreur de l'ordre de 2% sur la sensibilité à la température et de 3% sur la sensibilité à la déformation, ce qui conduit à une erreur sur l'estimation de la température et de la déformation mesurée de l'ordre de 0.3°C et 3 microdef. Dans un souci applicatif, le capteur à base de réseaux de Bragg superposés est tout d'abord utilisé pour instrumenter une structure métallique soumise simultanément à une variation de température et de déformation. Les valeurs mesurées présentent une incertitude maximale de 0.4°C pour la température et de 3 me pour la déformation ce qui permet de valider notre composant pour le contrôle et la surveillance de structures métalliques. La seconde application étudiée est relative à l'instrumentation de pièces composites stratifiées de type verre/époxy pour le suivi de procédés d'élaboration par voie liquide : VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) et LRI (Liquid Resin Infusion), pour lesquels l'évolution de la température et de la déformation au cours du procédé est suivie par le capteur à base de réseaux de Bragg superposés LPG/FBG. Des mesures diélectriques (DEA) sont également réalisées au cours de ces procédés et permettent la comparaison et la validation de nos résultats]

[Optical Fibre Sensors present some interesting qualities when considering its size and weight relatively light, which lead to a low intrusivity of the sensor in a material (a composite structure). These…

Advisors/Committee Members: Ouerdane, Youcef (thesis director), Marin, Emmanuel (thesis director).

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Ce travail de thèse porte sur l'étude de la faisabilité d'un capteur d'ondes acoustiques à base de laser à fibre. Cet hydrophone doit permettre la détection de faibles fluctuations de pression hydrostatique rencontrées à des grandes profondeurs marines. Sous l'influence d'une perturbation acoustique le laser est étiré; ce qui change le pas du réseau de Bragg et ainsi sa fréquence d'émission. L'information est donc codée dans la fréquence de la lumière émise. Le bruit de fréquence intrinsèque du laser doit alors être le plus bas possible d'où l'importance de pouvoir le mesurer dans la bande de fréquence [DC-20kHz]. Ainsi, nous effectuons une étude approfondie des propriétés physiques de l'émission laser en terme de cohérence temporelle. La sensibilité d'un laser à fibre à la pression acoustique est insuffisante. Il est primordial de concevoir un amplificateur mécanique qui permettra d'augmenter le rapport signal sur bruit du capteur.

This thesis focuses on the study of the feasibility of an acoustic wave sensor based on fiber laser. This hydrophone should allow the detection of low hydrostatic pressure fluctuations encountered in deep marine. Under the influence of an acoustic disturbance is stretched the laser; thereby changing the pitch of the Bragg grating and thus its transmission frequency. The information is coded in the frequency of the emitted light. The intrinsic frequency noise of the laser must be as low as possible so it is important to be able to measure in the frequency band of [DC-20KHz]. Thus we conduct a thorough study of the physical properties of the laser emission in terms of temporal coherence.The sensitivity of a fiber laser acoustic pressure is insufficient. It is essential to design a mechanical amplifier for to increase the signal to noise ratio of the sensor.

Advisors/Committee Members: Orsal, Bernard (thesis director), Signoret, Philippe (thesis director).

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Ce mémoire présente la modélisation, la simulation, l’expérimentation et la conception d’une structure composite intelligente pour des mesures de haute température (jusqu’à 300 °C). Pour ce faire, une fibre à revêtement métallique, particulièrement résistante pour de tels niveaux thermiques, a été considérée et intégrée au sein d’un revêtement d'alumine. La structure composite intelligente se compose alors du substrat, du dépôt et d’un capteur à fibre optique à modulation d’intensité. Pour mener cette étude, une estimation des flux thermiques basée sur le thermogramme expérimental s’est révélée nécessaire afin d’alimenter un modèle numérique. Différents modèles ont ensuite été construits afin d’évaluer les niveaux de températures atteints en surface ainsi que les niveaux de contraintes au sein même du composite. La simulation a montré que le dépôt pouvait thermiquement être considéré comme une couche mince et que la diffusion de la chaleur au sein du dépôt et du substrat était rapide et pouvait être estimée à l'échelle de la milliseconde. La répartition des contraintes est comme on pouvait s'y attendre dépendante du flux incident mais aussi de la géométrie globale du composite. Les contraintes restent relativement uniformes lors de l'échauffement et durant leur propagation mais s’intensifient après le refroidissement. Il s'avère également que les contraintes résultantes ne sont pas symétriques dans la fibre et sont dépendantes de la position de la fibre par rapport au substrat. Après une phase de modélisation des niveaux thermiques et des contraintes susceptibles d’être atteints au sein du matériau, une phase expérimentale consistant à intégrer une fibre optique non fonctionnalisée dans un dépôt d’alumine a donc été réalisée. Les observations microscopiques en surface et en coupe ont été effectuées afin de vérifier l’intégrité de la fibre intégrée. L’adhérence mécanique des fibres a ensuite été mesurée ainsi que l’atténuation optique pendant le processus d’intégration et le comportement thermique de l’ensemble durant des cyclages thermiques. Enfin, un capteur à fibre optique à modulation d’intensité a été conçu par intégration dans un dépôt céramique réalisé par projection thermique. Un système de mesure de la température a donc été construit et les premiers essais de réponse thermique ainsi que le cyclage thermique du capteur de température ont été effectués et analysés. En concluision, cette étude démontre la faisabilité d’une structure composite intelligente par intégration d'un capteur à modulation d’intensité à fibre optique dans un dépôt céramique élaboré par projection thermique susceptible de pouvoir travailler jusqu’à des températures de 300 °C.

This paper presents the modeling, simulation, experimentation and design of a smart composite structrure for high temperature measurements (up to 300 °C). In order to achieve this goal, a high temperature resistant metal coated optical fiber was considered and integrated into alumina coating. The smart composite structure consists of a substrate, a coating and an…

Advisors/Committee Members: Costil, Sophie (thesis director), Serio, Bruno (thesis director), Pfeiffer, Pierre (thesis director).

▼ This thesis describes the development of a smart carbon fibre polymer composite that is capable of sensing its own damage and self-healing. Structural composites are used in the aerospace and marine industries, for example. During their lifetime impact events are inevitable, which can result in extensive internal damage. Once damaged, the only options to date are manual repair or replacement. If self-sensing and self-healing properties could be imparted to the next generation of structural composites, this would bring greater safety and reduced maintenance costs for aircraft, as well as an extended operational lifetime for equipment such as satellites. The concept of the new material is to embed three additional components into a fibre-reinforced composite material: (i) microcapsules containing a liquid healing agent, together with a solid catalyst in the matrix, (ii) optical fibre Bragg grating (FBG) strain sensors and (iii) woven shape memory alloy (SMA) wire actuators. An impact event causes a crack to propagate at the damage site, rupturing the microcapsules in its path. This releases the liquid healing agent into the crack, where it comes into contact with the catalyst and begins to polymerise. The strain shock pulse radiating out from the impact site is detected by a sparse array of FBG sensors, which locate the impact position by time-of-flight. With this information, the SMA wires in the impact region are thermally activated using resistive heating, causing them to contract and exert a compressive force, closing the crack. The SMA wires then remain activated during the polymerisation period of the healing agent. The new material is developed in several stages. In the first stage, SMA wires and microcapsules are combined in an epoxy matrix. The addition of SMA wires results in a significant improvement in healing efficiency; the healed fracture toughness approaches that of the virgin material. The improvement results both from crack-closure and also from the heating effect of the wires, which increases the degree of polymerisation of the healing agent. In the second stage, a liquid composite moulding cure schedule that allows straightforward integration of the SMA wires during composite fabrication is developed. With this process, the SMA wires do not need to be maintained in place with an external frame, even though the peak post-cure temperature exceeds the activation temperature of the wires. The wires remain bonded to the matrix both during processing and subsequent activation. In the third stage, impact sites are localised on composite plates to a precision of a few centimetres using three FBG sensors spaced several tens of centimetres apart. In the final stage, a prototype self-healing carbon-fibre composite with embedded microcapsules, Grubbs' catalyst and woven SMA wires is fabricated and tested. While the results presented in this thesis represent only a first step towards a fully-functional Active Sensing and Repair Composite, they successfully demonstrate the advantages of combining the three… Advisors/Committee Members: Månson, Jan-Anders E., Michaud, Véronique.

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Pour l’auscultation d’ouvrages, les capteurs à fibre optique sont généralement utilisés puisqu’ils présentent l’avantage de fournir des mesures réparties. Plus particulièrement, le capteur basé sur la technologie Brillouin permet d’acquérir un profil de fréquence Brillouin, sensible à la température et la déformation dans une fibre optique sur une dizaine de kilomètres avec un pas de l’ordre de la dizaine de centimètres. La première problématique est d’obtenir un profil centimétrique sur la même longueur d’auscultation. Nous y répondons en s’appuyant sur des méthodes de séparation de sources, de déconvolution et de résolution de problèmes inverses. Ensuite, nous souhaitons estimer la déformation athermique dans l’ouvrage. Pour cela, plusieurs algorithmes de filtrage adaptatif sont comparés. Finalement, un procédé pour quantifier le déplacement de l’ouvrage à partir des mesures de déformation est proposé. Toutes ces méthodes sont testés sur des données simulées et réelles acquises dans des conditions contrôlées.

For structural health monitoring, optical fiber sensors are mostly used thanks their capacity to provide distributed measurements. Based on the principle of Brillouin scattering, optical fiber sensors measure Brillouin frequency profile, sensitive to strain and temperature into the optical fiber, with a meter spatial resolution over several kilometers. The first problem is to obtain a centimeter spatial resolution with the same sensing length. To solve it, source separation, deconvolution and resolution of inverse problem methodologies are used. Then, the athermal strain into the structure is searched. Several algorithms based on adaptative filter are tested to correct the thermal effect on strain measurements. Finally, several methods are developed to quantify structure displacements from the athermal strain measurements. They have been tested on simulated and controlled-conditions data

Advisors/Committee Members: Mars, Jérôme (thesis director), Vrabie, Valeriu (thesis director).

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La corrosion des armatures de renforcement des structures en béton représente un enjeu socio-économique majeur. Sa détection et le suivi de son évolution constituent un défi pour la recherche appliquée. Les techniques standards non destructives de détection de corrosion mettent en œuvre des procédés indirects tels la mesure d’impédance, de potentiels, ou par ultrasons. Leurs capacités d’auscultation sont limitées dans l’espace (notamment en profondeur), leur coût reste élevé dans un contexte de maintenance périodique et elles conduisent à des paramètres d’interprétation complexe. Des progrès sont nécessaires dans la détection et l’analyse fiable de la progression des processus de corrosion. Dans ce travail, nous présentons une nouvelle méthode pour détecter la corrosion et le suivi de son évolution, basée sur l’observation directe des changements intervenant à l’interface fer-béton par Capteur à Fibre Optique (CFO). L'attaque par corrosion de la surface de l'armature dépend de plusieurs paramètres électrochimiques (température, pH, carbonatation, présence de chlorures, contamination biologique, etc.). Deux comportements mécaniques à l'interface fer-béton sont distingués. Dans le premier cas (carbonatation), le produit d'oxydation du métal reste à l'interface et augmente la pression interne, pouvant conduire à la fissuration de la couche de béton extérieure. Dans le second cas (piqures), les ions métalliques sont évacués hors de la structure avec comme conséquence une réduction de section des barres d'armature (affaiblissement du renforcement). Un CFO innovant est proposé dans le but de localiser et quantifier les deux types de corrosion précités. Le principe consiste à observer l’impact direct de la corrosion sur l’état de déformation d’une fibre optique préalablement précontrainte par construction. Deux procédés métrologiques sont étudiés : Bragg et réflectométrie fréquentielle (Optical Frequency-Domain Reflectometry - OFDR). Des tests de corrosion accélérée montrent la faisabilité du procédé. Une procédure de fabrication simplifiée et à coût optimisé est proposée pour la surveillance in situ et répartie des structures de génie civil, dans une perspective future de maintenance conditionnée.

Corrosion of reinforced bars (rebars) in concrete structures remains a major issue in civil engineering works, being its detection and evolution a challenge for the applied research. Usual non-destructive corrosion detection methods involve impedance, potential or ultra-sonic indirect measurements of complex interpretation. Besides, they are restricted to near-surface examinations and the maintenance cost is still high (scheduled maintenance). Many efforts remain to be done to survey the onset and progression of corrosion processes in a reliable way. In this work, we present a new methodology to detect the onset of corrosion and to monitor its evolution, based on the direct observation of rebar–concrete interface changes by the use of an Optical Fiber Sensor (OFS). The corrosion attack over rebar surface depends on several…

Advisors/Committee Members: Nogueira, Ricardo (thesis director).

▼ Moisture is an essential parameter in the behaviour of capillary-porous construction materials such as timber and concrete. It affects liquid and gas transport phenomena, chemical and biological degradation processes, mechanical properties and, in the case of concrete, hydration. From a scientific point of view, moisture monitoring is essential in order to improve the understanding of material behaviour. Moisture measurements may increase the predictive accuracy of established material behaviour models. In practice, the increased knowledge of material behaviour improves structural maintenance planning. The main objective of this work is to propose a measurement method for non-destructive, in-depth moisture monitoring of construction materials. In this context, an intrinsic point and an averaging fibre optic relative humidity sensor have been developed and tested. The sensors are based on optical fibres that are coated with a hygroscopically swelling transducer polymer. When wet, the swelling of the coating strains the fibre (analogy with the hair hygrometer). The induced strain is assessed with conventional fibre optic strain sensing techniques such as fibre Bragg gratings and Michelson interferometry. Theoretical and experimental studies lead to a detailed understanding of the influence of humidity and temperature on the steady and transient state sensor behaviour. The sensors have an accurate, linear, reversible and reproducible response to relative humidity between 5 and 95 %RH and between 13 and 60 °C, at least. The sensor response time is in the order of 20 minutes. However, when packaged, the sensor responds slower. The temperature cross-sensitivity of the fibre Bragg grating sensor may be compensated with an additional non-hygroscopic grating, while the Michelson interferometric sensor provides an auto-compensation of temperature effects. Tests in mortar and timber samples demonstrate that the sensors preserve their sensing ability when embedded. These tests have also clarified the multiplexing potential of fibre Bragg gratings for forming a multi-point RH sensor. Multi-point sensors are particularly useful for profile measurements. Advisors/Committee Members: Smith, Ian.