Determination of the local water content by measuring the refractive index of a polymeric material with a Fresnel sensor

Détermination de la teneur en eau locale par mesure de l’indice de réfraction d’un matériau polymère avec un capteur de Fresnel

Romain Grangeat (1) , Marion Girard (1) , Cyril Lupi (2) , Dominique Leduc (2) , Frédéric Jacquemin (1)

1 E3M - État Mécanique et Microstructure des Matériaux
2 TRUST - Contrôle de santé fiabilité et calcul des structures

This study demonstrates the possibility of measuring a local water content without prior calibration using a fiber optic sensor based on Fresnel reflection. The experimental approach was carried out on an epoxy structural adhesive. Three samples were instrumented with fiber optic sensors and immersed in distilled water. The reflected light intensity was analyzed using a Maxwell-Garnett effective medium model that considers spherical water inclusions in an epoxy matrix. The water contents measured in this way were validated by comparing them with the values given by an analytical resolution of the diffusion equation and a finite element simulation. In an industrial setting, this experimental approach could be used to monitor the aging of a polymeric material, an adhesive joint or a composite structure.

Cette étude démontre la possibilité de mesurer, sans étalonnage préalable, une teneur en eau locale à l’aide d’un capteur à fibre optique basé sur la réflexion de Fresnel. L’approche expérimentale a été réalisée sur un adhésif structural époxy. Trois échantillons ont été instrumentés de capteur à fibre optique et immergés dans de l’eau distillée. L’intensité lumineuse réfléchie a été analysée à l’aide d’un modèle de milieu effectif de type Maxwell-Garnett qui considère des inclusions sphériques d’eau dans une matrice époxy. Les teneurs en eau mesurées ont été validées par comparaison avec une solution analytique et avec une simulation par éléments finis. Dans un cadre industriel, cette approche expérimentale pourrait être utilisée pour surveiller le vieillissement d’un matériau polymère, d’un joint de colle ou d’une structure composite.

Mots clés: Polymeric material; Water diffusion; Fiber optic sensor; Aging monitoring; Non-destructive testing.

Mots clés: Matériau polymère; Diffusion d’eau; Capteur à fibre optique; Suivi du vieillissement; Contrôle non destructif.

Domaines: Matériaux et structures en mécanique [physics.class-ph]

Romain Grangeat, Marion Girard, Cyril Lupi, Dominique Leduc, Frédéric Jacquemin. Détermination de la teneur en eau locale par mesure de l’indice de réfraction d’un matériau polymère avec un capteur de Fresnel. 21ème Journées Nationales sur les Composites, École Nationale Supérieure d'Arts et Métiers (ENSAM) - Bordeaux, Jul 2019, Bordeaux, Talence, France. ⟨hal-02423978⟩