6 Dispositif expérimental et application
6.2 Le capteur - la caméra infrarouge
La caméra infrarouge utilisée dans cette thèse est une AGEMA THERMOVISION 880SW (Fig.2.25.a). Ce modèle a été développé dans les années 90 ce qui en fait une caméra relative-ment ancienne42.
Cette caméra est une caméra monocapteur (InSb) à balayage et fonctionne dans la gamme 3 − 5 µm. Elle est refroidie par azote liquide à 77 K (−195, 8 °C) contrairement aux caméras plus récentes refroidies par un moteur Stirling ou par cellules Peltier. L’inconvénient de l’azote, c’est l’autonomie limitée de la caméra. Le réservoir d’azote doit être rempli toutes les 15 min
(a) Interface LabView pour le contrôle du laser
(b) Logiciel d’export
Figure 2.23 –Interface de contrôle du laser et logiciel d’export. L’interface LabView pour le contrôle du laser CO2 a été développé par André Piteau du service technique. Le logiciel d’export a été développé en C++/Qt par moi-même pour recadrer et exporter les images thermiques à partir des fichiers (*.add) du logiciel Addelie de la caméra AGEMA et des fichiers (*.ptw) du logiciel Altair d’une caméra CEDIP.
environ. Ce système de refroidissement pose aussi des problèmes dès que l’on souhaite incliner fortement la caméra.
La caméra est contrôlée par l’intermédiaire du logiciel Addelie qui dialogue avec le contrô-leur de la caméra (Fig.2.25.b) avec une carte d’acquisition. La carte d’acquisition est également connectée à l’ordinateur de contrôle du laser de manière à synchroniser l’acquisition des mesures avec l’excitation thermique.
Les caméras à balayage ont un fonctionnement un peu plus compliqué que les caméras matricielles. Un système mécanique permet de déplacer le champ visible par le détecteur in-frarouge dans le sens horizontal puis vertical. La scène thermique est donc balayée ligne par ligne. Chaque ligne contient 140 ou 280 pixels suivant le mode utilisé et l’ensemble des lignes forment une trame. Une trame contient 70 ou 280 lignes suivant la configuration. La fréquence d’acquisition des trames est respectivement de 25 Hz et de 6, 25 Hz. La caméra propose ainsi de nombreux modes de fonctionnement. On peut travailler uniquement sur des trames (ou uni-quement des lignes) ou sur des images. Les images sont composées de 280 × 280 pixels et sont recueillies à 6, 25 Hz. En apparence, une image est donc identique à une trame 280 × 280. Une image est en réalité composée de 4 trames légèrement décalées les unes des autres. Générer une image en entrelaçant 4 trames génère parfois des artefacts dès que les phénomènes à mesurer évoluent rapidement. Ces problèmes apparaissent dans la fraction de seconde (Fig.2.24) qui suit l’impulsion laser. Les images correspondantes sont donc rejetées.
(a) Trame -1 (b) Trame 0 (c) Trame 1 (d) Trame 2
Figure 2.24 –Images aberrantes dans les instants qui suivent l’impulsion laser.
(a) Caméra AGEMA
880SW
(b) Contrôleur ca-méra
(c)Corps noir
Figure 2.25 – Différentes parties du dispositif expérimental assurant l’acquisition des données
La mise au point est réalisée avec un système motorisé (Fig.2.25.a) qui s’avère ne pas être très pratique pour des réglages fins. Par ailleurs, des bagues allonges permettent d’allonger l’objectif pour augmenter le grandissement. On peut ainsi approcher la caméra de l’échantillon et obtenir une meilleure résolution spatiale de mesure. Un millimètre sur l’échantillon correspond en moyenne à 5 pixels sur l’image thermique.
7 Conclusion
La méthode flash est aujourd’hui une technique très répandue pour estimer la diffusivité thermique de matériaux isotropes. Des évolutions ont étendu son champ d’application aux ma-tériaux anisotropes, aux mama-tériaux multicouches et aux mama-tériaux semi-transparents.
La méthode flash 3D, apparue dans les années 2000, a été présentée dans la troisième partie de ce second chapitre. Le principe est de déposer de l’énergie localement sur la surface de l’échantillon pour provoquer des transferts de chaleur tridimensionnels. On peut ensuite, avec un estimateur, estimer la diffusivité thermique dans les trois directions principales du tenseur des diffusivités d’un matériau anisotrope. Une des particularités de cette méthode est de ne pas exploiter directement les mesures de température mais les harmoniques des champs de température en face avant ou face arrière. Ces harmoniques correspondent aux coefficients de
Un des appareils permettant la mesure de ces champs de température est la thermographie infrarouge. On a insisté sur deux sources potentielles d’incertitude. La première vient du carac-tère de filtre passe-bas de la caméra. Les hautes fréquences des images thermiques ne sont pas correctement retransmises ce qui fausse la mesure des harmoniques. On a montré que dans le cas de la caméra AGEMA 880SW, tout se passe comme si la résolution était de 28 × 28 pixels alors que la résolution de l’image fournie par le logiciel d’acquisition est de 280 × 280 pixels.
Par ailleurs, la mesure de températures absolues avec une caméra infrarouge est difficile. Les spécifications des constructeurs (généralement 2 °C ou 2 %) supposent que le modèle ther-mographique utilisé par les logiciels d’acquisition est adapté à la scène thermique observée et que les paramètres associés sont correctement spécifiés par l’utilisateur. La mesure d’une va-riation de température est plus simple puisqu’on supprime l’erreur absolue sur la température. En première approximation, il ne reste alors plus que l’erreur de proportionnalité de la loi d’étalonnage. Si on cherche seulement une grandeur proportionnelle à la température, cette dernière erreur disparait également. Or c’est ce type de grandeur qu’exploite la méthode flash 3D, si bien que la thermographie infrarouge s’avère bien adaptée. On a effet mis en évidence, dans la cinquième section, que la connaissance fine des paramètres de la loi d’étalonnage n’est pas nécessaire. Des valeurs approximatives suffisent tant que les élévations de température ne sont pas trop importantes. Il est aussi possible et préférable de laisser l’estimateur ajuster les paramètres d’étalonnage.
La cinquième section a présenté quatre estimateurs inspirés pour certains de la littérature. Le premier estimateur, inspiré des travaux de Philippi [27], consiste à calculer le logarithme du rapport d’une même harmonique à deux instants différents. On aboutit à un problème inverse linéaire par rapport aux paramètres τx et τy. Toutefois, par sa définition, cet estimateur fait intervenir un paramètre ∆t que l’utilisateur doit spécifier au mieux. Quant au paramètre τz, il est estimé à partir du champ moyen uniquement.
De manière à diminuer la variance de cet estimateur, une des améliorations proposées ici consiste à utiliser toutes les harmoniques dont le rapport signal/bruit est suffisant et pas seule-ment les harmoniques (m, 0) et (0, n). Par ailleurs, l’estimateur ERH est applicable à des géo-métries d’échantillons qui n’étaient pas envisageables avec l’estimateur de Philippi, puisqu’elles en invalident certaines hypothèses.
Le second estimateur, appelé ENH, et inspiré notamment des travaux de Krapez [28], se base sur le rapport de deux harmoniques différentes au même instant. Le problème inverse correspondant est également linéaire et permet d’estimer τx et τy. Comme pour l’estimateur ERH, τz est estimé uniquement avec le champ moyen. L’utilisateur doit ici aussi spécifier un paramètre supplémentaire qui est l’harmonique, dite de « référence ». A partir d’une étude
nu-mérique et des retours d’expérience, on a suggéré que la meilleure harmonique pour cela était l’harmonique θ2,2.
L’estimateur EDSH [29], est qualifié de « direct », car il s’appuie directement sur l’expression analytique des harmoniques et n’applique pas d’opération sur celles-ci. L’estimateur procède en deux étapes. Il utilise le champ moyen pour estimer τz et H puis réinjecte ces estimations dans les harmoniques (m, 0) avec m > 0 pour obtenir des estimations de τx. Ces estimations sont ensuite moyennées pour en extraire la valeur finale. Le processus est répété pour τy avec les harmoniques (0, n).
Le dernier estimateur développé dans ce travail et appelé estimateur ED, estime tous les paramètres en une seule étape et directement à partir des harmoniques, sans transformation de celles-ci. L’intérêt principal de ces deux derniers estimateurs, EDSH et ED, réside dans le fait qu’aucun paramètre supplémentaire ne doit être spécifié par l’utilisateur. La seule chose à définir, mais qui est commun à tous les estimateurs, est l’ensemble des harmoniques que l’on souhaite exploiter. On a montré qu’un bon compromis était d’utiliser les 16 premières harmoniques paires. On a par ailleurs montré que les estimateurs ED et EDSH permettent d’introduire facilement des paramètres correctifs sur les harmoniques, comme la correction d’offset, la correction de dérive linéaire et la correction de la loi d’étalonnage en intégrant des paramètres supplémentaires dans le problème d’estimation. Le fait d’intégrer toutes les correc-tions multiplie par 2 ou 3 le nombre de paramètres inconnus ce qui a pour effet, dans notre cas, d’augmenter les écarts-types théoriques d’un facteur 8. L’écart-type est ainsi plus conservatif que les écarts-types théoriques, souvent optimistes, obtenus avec les modèles de base, qui ne prennent en compte aucune correction.
Ces estimateurs sont ensuite comparés en calculant leur variance théorique pour une mé-thode flash 3D face avant et face arrière sur un matériau isolant. Seuls les paramètres τx, τy, τz
sont recherchés mais d’autres paramètres annexes sont inconnus et doivent également être es-timés. Ainsi, le nombre de paramètres inconnus dépend de l’estimateur. L’estimateur ERH dépasse la centaine de paramètres tandis que les autres sont autour de la vingtaine. Si on in-tègre des corrections, on atteint alors 30 à 50 paramètres. Au niveau des performances de chaque estimateur, mis à part l’estimateur ED, tous présentent des variances théoriques très similaires. L’estimateur ENH se démarque en face-avant où il semble particulièrement efficace mais reste toutefois inférieur à l’estimateur ED, qui surpasse les autres dans toutes les situations étudiées.
Quant à la dernière partie, elle est consacrée au dispositif expérimental réalisé au laboratoire. On y évoque le laser CO2 et son interface de contrôle ainsi que la caméra infrarouge AGEMA et les programmes associés.
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