Brevet FR2274907A1 — publié le 19760109

La présente invention concerne un procédé et un dispositif photo-élasticimétriques de séparation des contraintes principales provoquées dans un modèle en chargement. Les dispositifs de mesures photo-élasticimétriques par polarimétrie permettent la mesure du déphasage apporté à une onde lumineuse polarisée en chacun des points d'un modèle. Ce déphasage ss est lié aux contraintes élasticimétriques principales p et q dans le modèle par la relation : = K (p - q)e e étant l'épaisseur du modèle au point considéré et K un facteur de proportionnalité. Ainsi, la biréfringence d'un modèle en un point est liée à la différence des contraintes principales en ce point. I1 est connu dans l'art antérieur qu'il est possible de déterminer séparément p et q en considérant les valeurs de ss et les orientations des axes de biréfringence en chaque point de la lame, cette orientation étant caractérisée par un angle a par rapport à une di -rection de référence. Toutefois, cette mesure de p et q à partir des valeurs de d et de CL exige des calculs complexes qui sont abordés par exemple dans la thèse nPolarimétrie et photo-élasticimétrie (principes et descriptions de nouveaux photo-élastic imètres)n soutenue par Monsieur André ROBERT le 2) mars 1974 auprès de l'Université Paul Sabattier (Toulouse, France).Comme cela est exposé, notamment au chapitre 6, ayant pour titre "Programme de séparation des contraintes de cet ouvrage, le procédé de calcul de séparation des contraintes p et q est complexe et ne peut guère être mis en oeuvre que par utilisation d'un programme de calcul sur ordinateur. En conséquence, un objet principal de la présente invention est de prévoir un procédé permettant de déterminer de façon simple en tout point d'un modèle la somme et la différence des contraintes élasticimétriques. Un autre objet de la présente invention est de prévoir un dispositif interférométrique permettant de mesurer en tout point d'un modèle la somme des contraintes et se combinant à un dispositif polarimétrique de l'art antérieur permettant de mesurer la différence de ces contraintes. Pour atteindre ces objets, il est prévu selon la présente invention d'utiliser un modèle photo-élastique transparent mince et à faces parallèles soumis à un chargement réglable inséré dans un photo-élasticimètre automatique de l'art antérieur comprenant successivement un polariseur circulaire, des moyens de focalisation, le modèle à étudier et un polarimètre automatique, tel que décrit dans le brevet français nO 1.544.8)6, et d'étudier interférométriquement la lumière réfléchie par ce modèle transparent.En effet, un modèle transparent d'épaisseur e soumis à un certain chargement subit une déformation transversale ss e, telle que Ae = ~ -r- (P + q) (1) e E (p q) où 9 est le coefficient de Poisson du matériau, E le module d'Young, p + q la somme des contraintes principales. En conséquence, l'épaisseur e de la lame servant de modèle ayant été mesurée et les coefficients 9 et E du matériau constituant le modèle étant connus, p + q peut être mesuré à partir d'une mesure de t e. Selon la présente invention, be sera mesuré par des mesures interférométriques. Ces objets, caractéristiques et avantages de la présente invention seront exposés plus en détails dans la description suivante, faite en relation avec le dessin ci-joint, d'un mode de réalisation d'un photo-élasticimètre combinant un dispositif polarimétrique pour fournir uqe mesure de p - q et un dispositif interférométrique pour fournir une mesure de p + q. En se référant à la figure, une source lumineuse 1 envoie un faisceau lumineux 2 à travers un moyen de polarisation ), le modèle à étudier 4 soumis à un chargement et un polarimètre automatique 5. De façon préférée, la source lumineuse 1 est une source laser, le moyen dé polarisation 3 est un polariseur circulaire et le polarimètre automatique 5 comprend un polariseur rectiligne tournant suivi d'un photomultiplicateur et de moyens électroniques nécessaires à la détermination de la phase de l'onde alternative au double de la fréquence de rotation du polariseur qui caractérise l'orientation des axes de l'ellipse de lumière incidente et du rapport de l'amplitude de la composante alternative au double de la fréquence du polariseur et de l'amplitude de la composante continue qui caractérise l'aplatissement de l'ellipse de lumière incidente. Ainsi, ce polarimètre 5 fournit une. indication de l'orientation et de l'aplatissement de l'ellipse de lumière incidente. Les valeurs déterminées par le polarimètre 5 permettent de déterminer la diffé rence p - q entre les contraintes principales comme cela est connu dans l'art antérieur. En outre, la présente invention prévoit d'insérer entre le moyen de polarisation 3 et le modèle à étudier 4 une lame semiréfléchissante 10 permettant de recueillir sur un écran villes franges d'interférence entre les pinceaux 6 et 7 provenant de la réflexion du faisceau lumineux 2 sur la première et la deuxième face du modèle 4. L'état d'interférence sur écran 11 caractérise les variations d'épaisseur du modèle 4 au point où il est frappé par le faisceau lumineux 2. Dans la figure, par souci de clarté, les pinceaux 6 et 7 ont été représentés comme faisant un petit angle par rapport au faisceau 2. On notera qu'en pratique la lame 4 est orientée de sorte que le faisceau 2 lui soit normal. Ainsi, les pinceaux 6 et 7 sont en fait confondus.Si le chargement de la lame 4 varie, l'épaisseur de cette lame varie en chaque point et l'état d'interférence sur l'écran 11 varie, ctest-à-dire que l'on observe un défilement des franges d'épaisseur, visible sur l'écran. La relation entre la variation de l'état dtinterférence sur l'écran 11 et la variation des contraintes dans le modèle 4 va maintenant être exposée en plus grand détail. Le retard optique entre les pinceaux 6 et 7 est égal à # = 2ne - #/2 n étant l'indice de réfraction moyen du modèle, e son épaisseur et Xia longueur d'onde de la lumière émise par la source lumineuse 1. On observe un passage de frange sur l'écran 11 chaque fois que le retard S varie d'une quantité égale à X. Ainsi, si l'on considère que pour deux états successifs de chargement du modèle 4 ltépais- seur de ce modèle au point frappé par le faisceau 2 passe de el à e2, on aura les relations suivantes #1 = 2 ne1 - #/2 (2) #2 = 2(n + #n) e2 - #/2 (3) En effet, il faut également considérer le fait que l'indice change suivant le chargement. Dans les équations ci-dessus, on a posé n = ((n1 + n2)/2)1, c'est-à-dire la demi-somme des indices principaux du modèle dans l'état 1 et n1 + n2 étant la demi-somme des indices dans l'état 2. 2 2 )2 I1 est connu d'autre part que #n = (C1 + C2). (p + q) (4) C1 et C2 étant les composantes directes et transverses de la constante de Brewster. Ainsi, en faisant la différence des deux termes dans les équations (2) et (3), on obtient ## = #2 - # 1 = 2n #e + 2e #n (5) 2 1 En remplaçant dans cette équation (5) t n et # e par leurs valeurs tirées des équations (1) et (4), on obtient ## = 2e . (p + q) [- n#/E + C1 + C2] (6) Ainsi, la quantité p + q est reliée à la quantité d qui est, elle-même, liée à une quantité mesurée selon la présente invention qui est le nombre des franges défilant sur écran 11. Si on appelle f ce nombre de franges défilant sur l'écran, on a la relation 5 # = f ss . On notera que ce nombre de franges f peut être observé visuellement ou compté à l'aide d'un compteur de franges d'un type connu dans l'art antérieur. Dans le cas particulier où le modèle est un modèle en Al- tuglas, on a montré que la part prise par la biréfringence dans 1' ensemble du phénomène d'interférence est faible. Ainsi, le produit dit Altuglas est un matériau particulièrement adapté à la détermination de la somme des contraintes principales par le procédé cidessus. EXEMPLE En utilisant un modèle en Altuglas d'épaisseur e et une longueur d'onde de lumière incidente de 0,6328 micron, ce qui correspond à l'une des raies rouges du néon, fournie par un laser à hélium-néon, on a les valeurs numériques suivantes n = 1,49 0 = 0,40 E = 290 hbar C1 + C2 =-61,3.10 -5 hbar d'où il résulte, en reportant ces valeurs dans l'équation (6), que ss8 = 5,34.10-3.e . (p + q). En outre, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, il est prévu des moyens mécaniques pour intercaler ou non la lame semi-réfléchissante dans le faisceau incident et des moyens de focalisation disposés entre la lame semi-réfléchissante 10 et l'écran 11 pour agrandir l'image d'interférence observée. De préférence, l'écran 11 sera un écran translucide et l'image sur cet écran sera observée par transparence. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparattront à l'homme de l'art. REVENDICATIONS 1 - Procédé de mesure photo-élasticimétrique ponctuelle d'un modèle en chargement, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes - déterminer la différence des contraintes en un point du modèle en effectuant une mesure à l'aide d'un polarimètre automatique du déphasage apporté à une onde lumineuse par ce modèle, - déterminer la somme des contraintes principales en mesurant par un procédé interférométrique la variation d'épaisseur du modèle au point considéré. 2 - Photo-élasticimètre destiné à fournir la somme et la différence des contraintes en un point d'un modèle en chargement comprenant, en alignement optique, une source lumineuse fournissant un faisceau monochromatique, un moyen de polarisation, des moyens de foc alisat ion, un modèle à étudier, et un polarimètre automatique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre entre le moyen de polarisation et le modèle à étudier une lame semi-réfléchissante pour envoyer la lumière de retour due à la réflexion sur chacune des faces du modèle sur un moyen d'écran, d'où il résulte que la variation de l'état d'interférence sur cet écran est liée à la variation de la somme des contraintes principales au point étudié du modèle lors d'une variation de chargement. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le moyen d'écran est translucide. 4 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un moyen d'objectif est prévu entre la lame semi-réfléchissante et le moyen d'écran. 5 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le moyen d'objectif est réglable pour permettre une mise au point des franges d'interférence sur l'écran. 6 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'un moyen de réticule est prévu sur l'écran pour permettre la détermination des positions des franges. 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le modèle est une lame de forme choisie en le produit dit Altuglas, cette lame ayant des faces parallèles et polies.