Brevet FR2726649A1 — publié le 19960510

La présente invention est relative à un dispositif d'élasticimétrie athermique. L'élasticimétrie est l'étude des contraintes mécaniques subies par un corps. La génération de contraintes mécaniques dans un matériau s'accompagne d'une modification de la température. Dans la limite élastique du matériau et sous certaines conditions (respect des conditions adiabatiques, notamment), il est possible de retrouver les répartitions de contraintes dans le matériau à partir d'un suivi des températures dans celui-ci. L'amplitude de la variation de température est en effet proportionnelle à la somme des contraintes principales. Ce principe est classiquement utilisé pour réaliser des analyses d'élasticimétrie thermique. On pourra à cet égard avantageusement se référer aux publications suivantes - BREMONT P. "Développement d'une Instrumentation IR pour l'étude des structures mécaniques", Thèse Univ. AIX MARSEILLE, nov. 1982 - BLANC R.H. and GIACOMETTI E. "Infrared Radiometry Study of Thermomechanical Behaviour of materials and structures", First. Int. Conf. of Stress Analysis by Thermoelastic Techniques, LONDON, 1984 - WEBBER J.M.B., "Principles of IR Measurements and Review of Instrumentation Techniques for Thermoelastic Stress Analysis", Stress Analysis by Thermoelastic Techniques, Proc. SPIE 731, 1987. Généralement, on impose à un échantillon du matériau étudié des sollicitations mécaniques de forme périodique et on détermine par suivi thermographique l'amplitude des variations de température à la surface de l'échantillon. La radiométrie infrarouge à balayage - ou thermographie infrarouge - est particulièrement adaptée à cet usage. La plupart des dispositifs d'élasticimétrie thermographique connus à ce jour mettent en oeuvre un traitement reconstituant un signal harmonique correspondant aux variations de température à la surface de l'échantillon, à partir d'un signal de référence correspondant aux sollicitations mécaniques périodiques imposées. Ce traitement de reconstitution permet d'accéder aux amplitudes thermiques à mesurer, alors que celles-ci ont généralement des valeurs très faibles (de l'ordre de quelques millièmes de Kelvin). Récemment, il a été proposé, pour s'affranchir de ce traitement de reconstitution et du montage auxiliaire qui permet d'accéder au signal de référence, un traitement mettant en oeuvre des méthodes statistiques. On pourra à cet égard avantageusement se référer à l'article - S.OFFERMANN, E.MERIENNE, J.L.BEAUDOIN, "Statistical method to evaluate the amplitude of cyclical noisy signal in IR Thermography", NATO ASI Series, Series E: Applied sciences - Vol. 262, 1993. Cette publication propose de suivre dans le temps, pour chaque point de la surface de l'échantillon analysé c'est-à-dire pour chaque pixel de limage relevée par la caméra thermographique - l'amplitude des variations de température, et de déterminer pour chacun de ces points le moment statistique M de cette amplitude. Le moment statistique M en un point de la surface de l'échantillon se calcule à partir de la formule et où les xi sont les amplitudes successives dans le temps des variations de température audit point. La méthode ci-dessus fournit le moment statistique du signal bruité. Les auteurs de cet article déterminent l'amplitude du signal non bruité en utilisant la relation suivante vérifiée expérimentalement (Moment statistique du bruit)2 + (Moment statistique du signal pur)2 + C2 (Moment statistique du signal bruité)2 où C2 est une constante déterminée préalablement. Le moment statistique du bruit se détermine par un suivi sur l'échantillon non sollicité. Une fois le moment statistique du signal pur calculé à partir de l'équation précédente pour les différents points de la surface de l'échantillon analysé, on détermine les amplitudes de variations de températures correspondant auxdits moments statistiques de signal pur. Ces amplitudes sont ensuite traitées de façon classique pour permettre d'accèder aux valeurs de contraintes recherchées. Ce traitement statistique permet, en supprimant la liaison auxiliaire permettant d'accéder au signal d'excitation (signal de référence), de simplifier le dispositif d'analyse tout en conservant une grande précision de mesure. I1 présente cependant l'inconvénient de nécessiter, pour chaque pixel, la détermination préalable de la constante C 2. Or, cette constante dépend de nombreux facteurs : coordonnées du pixel dans l'échantillon, type de sollicitations mécaniques, matériau de l'échantillon, etc. Un but de l'invention est de proposer un traitement qui permet de s'affranchir de cette détermination préalable. A cet effet, l'invention propose un dispositif d'élasticimétrie thermique comportant des moyens pour solliciter mécaniquement un échantillon à analyser, des moyens pour l'observation thermique de la surface de l'échantillon, une unité de traitement reliée auxdits moyens d'observation thermique, ladite unité de traitement comportant - des moyens de traitement statistique pour déterminer, à partir d'une acquisition dans le temps par les moyens d'observation, un paramètre statistique représentatif de l'amplitude des variations thermiques en chaque point à la surface de l'échantillon, - des moyens pour calculer, en fonction des paramètres statistiques déterminés pour les mêmes points à la surface de l'échantillon à partir d'acquisitions réalisées avec et sans sollicitations mécaniques, les amplitudes représentatives des variations thermiques non bruitées audits points à la surface de l'échantillon, lorsque l'échantillon est soumis aux sollicitations mécaniques, - des moyens pour déterminer les contraintes dans l'échantillon en fonction des amplitudes ainsi calculées, caractérisé en ce que le paramètre statistique déterminé par les moyens de traitement statistique est la variance de l'amplitude des variations thermiques à la surface de l'échantillon et en ce que les moyens de calcul déterminent l'amplitude représentative des variations thermiques non bruitées en mettant en oeuvre une opération de soustraction des variances déterminées pour des acquisitions réalisées avec et sans sollicitations mécaniques de l'échantillon. On notera que le traitement proposé par l'invention est d'une mise en oeuvre aisée : il nécessite peu de puissance de calcul et peut être mis en oeuvre sur des unités de calcul classiques (micro-ordinateurs de type PC, par exemple) avec des temps de calcul raisonnables. Egalement, la précision de mesure est améliorée par rapport à celle obtenue avec le traitement statistique proposé dans l'article cité ci-dessus. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront encore de la description qui suit. Cette description est purement illustrative et non limitative. Elle doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels . la figure 1 représente schématiquement le dispositif conforme à l'invention . la figure 2 est un schéma synoptique illustrant le traitement réalisé par le dispositif conforme à l'invention. Le dispositif représenté sur la figure 1 comporte - une machine de fatigue 1 destinée à solliciter mécaniquement un échantillon E à analyser, - une caméra infrarouge 2 observant cet échantillon E et - une unité de traitement 3 à laquelle cette caméra 2 est reliée. La machine de fatigue 1 est une machine hydraulique de mise en charge par traction. Elle est susceptible d'imposer aux échantillons analysés des sollicitations périodiques (illustrées par la double flèche sur la figure 1) présentant une amplitude jusque 800 daN. Les fréquences des sollicitations sont les fréquences classiquement mises en oeuvre en élasticimétrie et varient de 1 à 25 Hz. La caméra infrarouge 2 est par exemple du type commercialisé par la Société AGEMA sous la dénomination commerciale AGEMA 880 LW. Elle est utilisée sans complément optique. Ce dernier point n'est pas une règle générale. Elle présente une résolution spatiale d'environ 0,5 mm pour un champ de 14 mm. La caméra 2 est reliée à l'unité de traitement 3 par un moyen de conversion analogique/numérique 4. La numérisation de chaque pixel est effectuée sur 8 bits. L'unité de traitement 3 est un micro-ordinateur de type PC, qui reçoit et mémorise des séries de 100 balayages d'images, ce qui correspond à un temps d'acquisition de 4 s. Plus particulièrement, l'unité de traitement 3 comporte des moyens qui lui permettent, à partir d'une acquisition ainsi mémorisée, de calculer pour chaque pixel la variance de l'amplitude des variations de température, elles-mêmes déduites des variations du thermosignal. On rappelle que la variance Var d'une suite de valeurs xi est donnée par Les différentes étapes du traitement réalisé par le dispositif conforme à l'invention sont illustrées sur la figure 2. Dans une première étape 11, on réalise une acquisition - et un calcul de variances à partir de cette acquisition - alors que l'échantillon E n'est pas sollicité par la machine de fatigue 1. Dans une deuxième étape 12, on réalise une deuxième acquisition et un nouveau calcul de variances en soumettant l'échantillon E à des sollicitations mécaniques sinusoïdales d'amplitude égale par exemple à 800 daN. L'unité 3 comporte également des moyens pour soustraire, pour chaque pixel, la variance calculée à la première étape à la variance calculée à la deuxième étape. On sait classiquement, en statistique, que la variance de la différence de deux signaux est égale à la différence de la variance de ces signaux. La valeur de différence ainsi calculée par l'unité 3 correspond donc à la variance du signal thermique non bruité de chaque pixel. Cette variance Varsignai du signal thermique non bruité est reliée à l'amplitude A dudit signal A = 2. (2. Varsignal)l/2- L'unité de traitement 3 calcule pour chaque pixel, dans une étape 13, l'amplitude des variations de signal thermique, puis, dans une étape 14, détermine la carte des contraintes élastiques dynamiques de l'échantillon E analysé. Les calculs mis en oeuvre dans cette dernière étape du traitement sont classiques pour l'Homme du Métier. On pourra à cet égard avantageusement se reporter aux publications déjà citées. Ces calculs sont une résolution de l'équation de la réponse thermoélastique #T=-K-T- (#1##2##3) où K est la constante thermoélastique, T est la température, et où les Gi sont les contraintes principales. On notera que la résolution thermique obtenue avec le dispositif qui vient d'être décrit est de l'ordre de 4.10-3 K. Ces résultats peuvent bien entendu être améliorés, notamment en utilisant un nombre plus important d'images ou encore en utilisant un convertisseur analogique-numérique 12 bits. Un avantage important du dispositif conforme à l'invention tient en ce qu'il peut être utilisé non seulement avec des excitations sinusoïdales, mais de façon plus générale avec des excitations autres que harmoniques. REVENDICATION Dispositif d'élasticimétrie thermique comportant des moyens (1) pour solliciter mécaniquement un échantillon (E) à analyser, des moyens (2) pour l'observation thermique de la surface de l'échantillon (E), une unité de traitement (3) reliée auxdits moyens d'observation thermique (2), ladite unité de traitement (3) comportant - des moyens de traitement statistique pour déterminer, à partir d'une acquisition dans le temps par les moyens d'observation, un paramètre statistique représentatif de l'amplitude des variations thermiques en un point à la surface de l'échantillon (E) (étapes 11 et 12), - des moyens pour calculer, en fonction des paramètres statistiques déterminés pour un même point à la surface de l'échantillon (E) à partir d'acquisitions réalisées avec et sans sollicitations mécaniques, une amplitude représentative des variations thermiques non bruitées audit point à la surface de l'échantillon (E), lorsque l'échantillon (E) est soumis aux sollicitations mécaniques (étape 13), - des moyens pour déterminer les contraintes dans l'échantillon (E) en fonction de amplitude ainsi calculée (étape 14), caractérisé en ce que le paramètre statistique déterminé par les moyens de traitement statistique est la variance de l'amplitude des variations thermiques à la surface de l'échantillon (E) et en ce que les moyens de calcul déterminent l'amplitude représentative des variations thermiques non bruitées en mettant en oeuvre une opération de soustraction des variances déterminées pour des acquisitions réalisées avec et sans sollicitations mécaniques de l'échantillon (E).