Dispositifs exp´ erimentaux

3.4.1 Rappels sur le rayonnement thermique

Nature du rayonnement thermique

Tout objet ´emet un rayonnement ´electromagn´etique [Lou99]. Le rayonnement thermique est une ´emission d’ondes ´electromagn´etiques caract´eris´ee par des lon-gueurs d’ondes comprises entre 0, 3 et 1000 µm. Le spectre de l’infrarouge occupe la plage [0, 75 ; 1000 µm].

Le rayonnement mesurable par observation d’un corps dont la temp´erature est T₀ r´esulte de la superposition de quatre ph´enom`enes (voir Figure 3.4.1) :

- l’objet `a temp´erature T₀ ´emet son propre rayonnement,

- le corps r´efl´echit une partie de l’´energie rayonn´ee par le milieu ambiant,

- si le corps est partiellement transparent, il transmet une partie du rayonnement ´emis par le fond,

- s’y ajoute finalement une absorption du rayonnement lors de la travers´ee de l’at-mosph`ere entre l’objet et la cam´era.

Les rayonnements r´efl´echis et ´emis par l’objet varient selon la nature de cet objet d’o`u la n´ecessit´e de d´efinir un corps ´etalon, appel´e Corps Noir. Par d´efinition, tout rayonnement thermique atteignant un Corps Noir est compl`etement absorb´e quelle que soit la longueur d’onde et la direction d’observation. Il est ´egalement consid´er´e comme un ’´emetteur parfait’, `a toutes temp´eratures de mani`ere isotrope et quelle que soit la longueur d’onde. Il a une ´emissivit´e  ´egale `a 1 [Lou99].

Emissivit´e

L’´emissivit´e joue un rˆole primordial dans la thermographie car la cam´era mesure le rayonnement r´esultant des quatre ph´enom`enes d´ecrits plus haut. Avec les Corps

Fig. 3.4.1 – Bilan du rayonnement re¸^{cu par la cam´era (W}obj : ´energie ´emise par l’objet, W_amb : ´energie r´efl´echie par l’objet, τ : fraction de l’´energie qui traverse l’atmosph`ere).

Noirs, le rayonnement mesur´e provient pratiquement de leur ´emission propre. C’est pour cela que les ´eprouvettes utilis´ees, lors des essais en thermographie IR, sont pr´ealablement nettoy´ees, d´egraiss´ees puis recouvertes de peinture noire et mate `a forte ´emissivit´e. L’´eprouvette sera ainsi consid´er´ee comme un Corps Noir, dans la mesure o`u la r´eflexion IR sur la peinture est n´eglig´ee.

3.4.2 Dispositif thermographique infrarouge

Le dispositif exp´erimental est compos´e de la machine de fatigue MTS, d’une cam´era infrarouge CEDIP JADE MWIR ayant un plan focal constitu´e de 320 x 240 pixels et une r´esolution thermique d’environ 20 mK, et d’un ordinateur PC permettant de piloter la cam´era et de r´ealiser les enregistrements (lancer l’enregistrement d’un film et/ou d’une image `a un temps donn´e) grˆace au logiciel CIRRUS (voir Figure 3.4.2).

Fig. 3.4.2 – Dispositif exp´erimental.

Avant de pr´esenter les essais r´ealis´es, une pr´esentation de certaines caract´eristiques de la cam´era infrarouge utilis´ee est faite.

D´etecteurs

La matrice de la cam´era est constitu´ee d’une multitude de d´etecteurs. Ceci permet des cadences d’images extrˆemement ´elev´ees par rapport aux anciennes g´en´erations de cam´eras. Les d´etecteurs sont ind´ependants les uns des autres. Chaque ´el´ement du d´etecteur renvoie une mesure correspondant `a un point (ou pixel) de l’image produite. La contrepartie est une disparit´e des caract´eristiques des d´etecteurs qui viennent affecter la qualit´e de l’image. En effet, la mesure est moins homog`ene qu’avec un seul capteur (ancienne g´en´eration de cam´eras). Ainsi, il est n´ecessaire d’uniformiser l’image grˆace `a une table de ’NUC’ (Correction de Non Uniformit´e)

donn´ee par le constructeur. Chaque capteur a sa propre courbe d’´etalonnage c’est-`

a-dire son gain et son ’offset’ propres. Exp´erimentalement, seul l’offset sera modifi´e apr`es l’allumage de la cam´era. Le rendu de l’image sera meilleur et la mesure ne sera en aucun cas affect´ee (du fait de l’utilisation de variations de temp´erature cf. Eq. 3.3.15).

Etalonnage

La cam´era peut ˆetre consid´er´ee comme un appareil `a compter les photons. Selon la quantit´e re¸cue de photons, elle renvoie une tension ´electrique (en volts) exprim´ee en valeur num´erique (DL). La conversion des valeurs num´eriques renvoy´ees par la cam´era en temp´erature se fait grˆace `a une fonction de transfert non lin´eaire qui est inspir´ee de la loi de Planck (Equation 3.4.1). Le rˆole de l’´etalonnage est de d´efinir cette fonction de transfert exp´erimentale.

S = ^R

e^BT − F ^(3.4.1)

avec :

S : signal ´electrique mesur´e par le capteur de la cam´era IR, T : temp´erature du corps observ´e,

R, B, F : coefficients d’´etalonnage donn´es par le constructeur de la cam´era.

Le flux de photons re¸cus par la cam´era d´epend du trajet optique et du temps d’int´egration (temps d’acquisition du capteur).

En infrarouge, l’´etalon de temp´erature constituant une r´ef´erence valid´ee est un Corps Noir. L’´etalonnage de la cam´era, qui se fait `a partir de cet ´etalon, est une op´eration

de m´etrologie faite par le constructeur. En effet, des courbes d’´etalonnage pour diverses valeurs d’ouverture des capteurs, sont implant´ees dans le logiciel. Cet ´ etalon-nage doit ˆetre r´evis´e r´eguli`erement afin de remettre `a jour les courbes. La cam´era IR poss´ed´ee par le laboratoire ayant ´et´e achet´ee en Janvier 2005, elle a commenc´e `a ˆetre utilis´ee `a partir de Mars 2005 pour ces travaux de recherche. Par cons´equent, toutes les courbes furent consid´er´ees `a jour lors des essais pr´esent´es dans ce travail.