Flexible optical pressure sensor based on bending-loss-induced intensity modulation with inverse-model-based pressure reconstruction in polymer optical fibers embedded in elastomeric substrates

Résumé

Les capteurs de pression flexibles capables de s’adapter à des surfaces non planes et de permettre la cartographie spatiale de la pression suscitent un intérêt croissant dans divers domaines de l’ingénierie. Toutefois, les approches de détection électronique conventionnelles présentent souvent des contraintes techniques liées aux interférences électromagnétiques, à la complexité du câblage, à la dérive de calibration et à la dégradation des performances sous des sollicitations mécaniques répétées, en particulier lorsqu’elles sont mises en œuvre sur des surfaces étendues ou dans des systèmes de détection distribuée. Ces défis ont motivé l'exploration de mécanismes de transduction alternatifs favorisant l’évolutivité et la stabilité du signal. Cette thèse présente la conception et l’évaluation expérimentale d’une plateforme flexible de détection de pression optique basée sur des mécanismes de pertes par courbure dans des fibres optiques polymères, couplée à un cadre de modélisation inverse pour la localisation spatiale et l'estimation de la pression. Le système développé se compose de coussins élastomériques flexibles intégrant des fibres optiques polymères disposées selon des configurations en grille, de circuits d’acquisition optoélectroniques à faible coût pour l’excitation optique et l'acquisition du signal, ainsi que d’un ensemble de modèles mathématiques reliant les variations mesurées de l’intensité lumineuse à la pression appliquée. L’approche proposée intègre un modèle inverse basé sur la pseudoinverse de Moore–Penrose afin de déterminer la localisation des événements de pression appliquée, ainsi que des modèles d'estimation spécifiques à chaque point permettant de reconstruire des cartes de pression bidimensionnelles. Le système a été développé et évalué selon une stratégie expérimentale progressive, allant de configurations de détection fondamentales vers une grille multipoints capable de représenter des distributions spatiales de pression sur la surface de détection. La caractérisation expérimentale a été réalisée sous des conditions de chargement statique contrôlées, permettant une évaluation quantitative des performances de localisation, des erreurs d’estimation de la pression et de la cohérence de la reconstruction. Les résultats indiquent que le système proposé est capable de générer des réponses spatiales cohérentes et interprétables sous des sollicitations mécaniques, en utilisant des matériaux et des composants optoélectroniques à faible coût. Les performances de localisation présentent un comportement stable en fonction de la résolution de la grille, tandis que la précision de l'estimation de la pression dépend fortement d’une localisation spatiale correcte. Les analyses quantitatives confirment la relation directe entre l’erreur de localisation et la qualité de l'estimation, soulignant le rôle de la cartographie spatiale dans les performances des systèmes de détection de pression optique. Dans ce contexte, l’intégration d’une modélisation physique avec des estimateurs calibrés par point a permis la reconstruction de cartes de pression sans recourir à des approches basées sur l’apprentissage. L’évaluation expérimentale a également mis en évidence des défis clés liés à l’atténuation optique, au bruit électronique et au couplage mécanique au sein du substrat encapsulant, qui influencent la sensibilité et la précision des mesures, en particulier à proximité des bords du capteur et dans les zones intermédiaires. Loin de diminuer la contribution de ce travail, ces facteurs permettent de définir les limites opérationnelles du prototype actuel et d’identifier les aspects critiques influençant le comportement du système. Dans l’ensemble, ce travail établit une preuve de concept à l’échelle du laboratoire ainsi qu’un cadre analytique pour le développement et l’évaluation de systèmes flexibles de détection de pression optique. Les résultats confirment la faisabilité de l’intégration d’une acquisition optoélectronique à faible coût avec une reconstruction basée sur des modèles inverses afin de réaliser une détection de pression distribuée, tout en établissant une base structurée pour de futures améliorations en matière de matériaux, de cohérence de fabrication et de scalabilité des modèles.

Date	24 avr. 2026
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Bora Ung (Directeur(-trice)) & Jean-Marc Lina (Codirecteur(-trice))