Appareils de mesure

Afin de contrôler la propagation du front de fracture divers appareils sont utilisés. a) Capteur de force

Un capteur de force STC 1205 (traction/compression) est placé au niveau de la table à déplacement appliquant le chargement. Une carte d’acquisition PCI-6281 reliée à la sortie

2.1. DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL

du capteur permet l’acquisition et l’enregistrement des résultats sur ordinateur. Le signal enregistré par le capteur de force est ensuite converti en Newton à l’aide de la régression :

S(t) = ¹⁰

3 · (s(t) − 5) ^(2.1)

avec s(t) le signal, en fonction du temps t, en Volt, enregistré à la sortie du capteur et S(t) le signal en Newton (Figure 2.3). Le suivi de la valeur de s est réalisé en temps réel (boîtier Sarel), nous permettant d’observer les variations de contraintes appliquées à la plaque de PMMA. 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temps (s) -5 0 5 10 15 20 25 Force (N)

Figure 2.3 – Représentation graphique de la force F , appliquée à la petite plaque de PMMA, en fonction du temps au cours d’une expérience avec chargement constant en mode I et déchargement.

b) Mesure du déplacement de chargement

Le déplacement associé au chargement, δ, est mesuré à l’aide d’un capteur électrique passif de déplacement linéaire (Linear Variable Differential Transformer ou LVDT). Une relation simple : δ(t) = d(t) · 15.9 · 10−3 permet de retranscrire la mesure d(t) du dépla-cement en fonction du temps t en mesure en mètres δ(t) (Figure 2.4).

c) Instrumentation optique

Divers appareils sont utilisés pour le suivi optique de la propagation de la fracture. — Un appareil photo Nikon 800 est utilisé pour le suivi dynamique du front de rupture.

Les images acquises par cet appareil photo présentent des dimensions variant de 1920x1080pixels (pxl), pour des pas d’échantillonnage d’environ 30 images par seconde, à 3200x4800pxl, pour des pas d’échantillonnage maximum de 5 images par seconde. La résolution de ces images peut ainsi descendre jusqu’à 5.2µm/pxl. — Un microscope de la marque Zeiss¥R peut être associé à l’appareil photo Nikon D800

afin d’obtenir une meilleure résolution des images. Appareil photo et microscope sont fixés à un axe de translation permettant une prise de vue du front de fracture sur jusqu’à 20 images adjacentes (avec recouvrement) de dimensions 3200x4800pxl, nous permettant ainsi d’atteindre une résolution de 0.8µm/pxl.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temps (s) -1 0 1 2 3 4 5 Déplacement (m) ×10^-3

Figure 2.4 – Représentation du déplacement δ(t) en fonction du temps pour la même expérience que celle prise pour la représentation de la figure 2.3. Nous observons une première phase de déplacement positif (chargement vers le bas) de l’axe de chargement suivie d’une phase de déplacement négatif (déchargement vers le haut).

— Enfin, dans le but d’obtenir une résolution en temps plus importante, nous utilisons une caméra rapide pouvant acquérir jusqu’à 100000 images par seconde. Lors de nos expériences, le pas d’échantillonnage est fixé au maximum à 500 images par seconde. L’augmentation de résolution en temps engendre cependant une perte de résolution en espace. Les images enregistrées par cette caméra rapide atteignent, en effet, des dimensions maximales de 600x800pxl et une résolution égale à 31µm/pxl. Pour de meilleures prises de vue de l’évolution de la fracture, une lame mince en verre dépoli est placée le long de l’interface. Une goutte de glycérol assure le contact entre PMMA et lame de verre. Ceci permet l’obtention d’une surface plane, sans les défauts ayant pu être introduits sur l’échantillon lors de sa fabrication.

Les appareils d’acquisition sont fixés au dessus de l’échantillon sur une table à déplace-ments rendant possible les déplacedéplace-ments le long du front de fracture (direction x) et le long de la surface de propagation de la rupture (direction y). La position du front de fracture est déterminée comme étant la ligne de séparation entre la zone rompue et la zone intacte de l’échantillon. Cette transition est observée sur les images du suivi optique par un changement de luminosité de l’échantillon. En effet, la partie brisée de l’échantillon apparaît plus claire et lumineuse que la partie restée soudée, du fait d’une réflexion de la lumière plus importante (Figure 2.5). Afin d’observer le meilleur contraste entre partie fracturée et partie intacte de l’échantillon, un dispositif de projecteur de lumière blanche et de miroirs est mis en place en dessous de l’échantillon (Fig. 2.2).

d) Acquisition acoustique

Durant ma thèse, l’acquisition acoustique est réalisée avec jusqu’à cinq capteurs. Nous utilisons trois accéléromètres une composante (DeltaTron¥R, Brüel & Kjær), pouvant être accompagnés d’un capteur piézoélectrique PICO de Physical Acoustics Corporation, en-registrant la composante verticale du champ d’accélération. Un accéléromètre trois com-posantes (Triaxial DeltaTron¥R, Brüel & Kjær) complète le jeu de capteurs contrôlant les émissions acoustiques dues à la rupture. Cet accéléromètre permet un enregistrement des composantes horizontales (XY ) et de la composante verticale (Z) du champ d’accélération

2.1. DISPOSITIF EXPÉRIMENTAL 2000 4000 6000 8000 10000 12000 pixels 1000 2000 3000 4000 5000 pixels 1cm

Figure2.5 – Image brute du front de fracture observée à l’aide de l’association microscope et appareil photo Nikon D800 pour une propagation de la rupture sous un chargement en mode III. Cette image correspond à l’association de 5 photos du front se juxtaposant. La partie la plus lumineuse (en haut de l’image) correspond à la partie brisée de l’échantillon tandis que la plus sombre (en bas) correspond à la partie intacte.

dû à la propagation de la fracture. Les trois accéléromètres une composante sont placés de part et d’autre de la surface de fracture. L’accéléromètre trois composantes est quant-à lui positionné directement au dessus de l’interface de rupture (Fig. 2.7). Le couplage entre ac-céléromètres et plaque de PMMA est assuré par un couplage solide de phényl-salicicate. Les signaux des six composantes des différents accéléromètres sont enregistrés à l’aide de deux cartes d’acquisition PCI-6133 (National Instruments). Trois canaux sont liés à chaque appareil d’acquisition. La composante verticale de l’accéléromètre trois compo-santes est aussi enregistrée par une autre carte d’acquisition PCI-4744 offrant une bande dynamique plus large de 24 bits par rapport aux 14 bits des cartes PCI-6133. Cette carte limite cependant le pas d’échantillonnage à 100kHz. Le signal enregistré par chacune des cartes reste très similaire par ré-échantillonnage à la même fréquence, suggérant ainsi qu’aucune distorsion n’est introduite par le système d’enregistrement et que la résolution de la carte PCI-6133 est suffisante pour une bonne analyse des formes d’onde enregistrées (Figure 2.6). Pour la plupart des expériences, le pas d’échantillonnage est fixé à 500kHz pour la carte PCI-6133. Ce pas est modifié pour certaines expériences afin de détecter une possible influence du pas d’échantillonnage sur nos résultats.

10.47 10.471 10.472 10.473 10.474 10.475 10.476 temps (s) -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 données brutes (V/m/s