7UDQVIHUWSDUUD\RQQHPHQWWKHUPLTXH
III. 2. Les détecteurs infrarouges
Les détecteurs de rayonnement transforment un signal optique incident, fonction de paramètres d’espaces et de temps ( qui peut être un flux lumineux, un éclairement ou toute autre grandeur traduisant une énergie électromagnétique) en signal électrique ou réponse ( qui peut prendre la forme d’une tension, d’un courant ou d’une puissance)[13].
Un détecteur parfait est un détecteur qui libère un nombre constant d’électrons pour chaque photon reçu. Les détecteurs réels sont loin d’être parfaits. Leurs performances sont limitées par la superposition au signal utile de signaux parasites ou « bruit ». Ainsi, l’évaluation du rapport entre le signal de sortie et le bruit permet de donner un critère de qualité de la détection. Ce rapport doit être aussi élevé que possible. Cette qualité dépend également de la nature des détecteurs. Du point de vue de leur fonctionnement, on peut classer les détecteurs en deux grandes classes : les détecteurs quantiques et les détecteurs thermiques
III. 2. 1. Les détecteurs quantiques
Les détecteurs quantiques répondent à des quanta d’énergie. Le signal correspond à la mesure de l’excitation directe de ses particules par les photons incidents (détecteurs photoélectriques). Ils sont généralement très rapides, cependant ils ont besoin d’être refroidis à des températures cryogéniques dans le but d’augmenter leur sensibilité. Certaines technologies
Chapitre I : Du rayonnement thermique à la thermographie infrarouge
25 détecteurs photoémissifs, les détecteurs photoconducteurs et les détecteurs photovoltaïques. Les matériaux semi-conducteurs utilisés sont le silicium (Si), le germanium (Ge), l’antimoniure d’indium (InSb) et le tellurure de cadmium-mercure (HgCdTe ou MCT). En termes de sensibilité, les détecteurs photovoltaïques sont les meilleurs.
III. 2. 2. Les détecteurs thermiques
Les détecteurs thermiques sont des récepteurs dans lesquels le flux lumineux est transformé en chaleur par absorption. La chaleur absorbée fait varier leur température et ils fournissent un signal fonction de leur propre température. Ils répondent moins vite que les détecteurs quantiques mais ont l’avantage de ne pas avoir besoin d’être refroidis, et donc de pouvoir travailler à la température ambiante. Néanmoins, ils ont besoin d’être stabilisés en température. La réponse qu’ils fournissent dépend de leur température. Plus la température du détecteur est faible, meilleure est la détection. Ils possèdent une réponse spectrale plus étalée que les détecteurs quantiques. Les détecteurs thermiques sont présentés classiquement sous quatre types [14] : les détecteurs bolométriques, les détecteurs pyroélectriques, les détecteurs pneumatiques et les thermopiles. Dans le cadre de notre étude, nous avons utilisé des détecteurs bolométriques, pour lesquels le signal mesuré correspond à une variation de conductivité électrique du matériau en fonction de sa température. Les matériaux utilisés sont généralement des métaux et des matériaux semi-conducteurs présentant des effets de thermistances les plus élevés. Les détecteurs bolométriques sont assez lents, leur temps de réponse est compris entre 10−1𝑠 et 10−3s.
III. 2. 3. La détectivité
On appelle détectivité D (𝑊−1) d’un détecteur de rayonnement, l’inverse du flux équivalent au bruit. Elle représente le principal critère de comparaison des différents détecteurs. La détectivité doit être grande pour obtenir un rapport signal sur bruit élevé. Généralement elle est inversement proportionnelle à la racine carrée de la surface du détecteur.
III. 3.Principe de mesure de température par thermographie
III. 3. 1. Equation fondamentale de la radiométrie
Lorsque l’on mesure une température par thermographie infrarouge, différents paramètres interviennent, ils sont décrits dans la Figure I-13. Le détecteur photonique de la caméra de thermographie va recevoir différents types de rayonnement qu’il va ensuite convertir en signal électrique. Le rayonnement reçu par le détecteur se décompose en trois termes : le rayonnement
III - Thermographie infrarouge dû à l’émission propre de l’objet, le rayonnement provenant de l’environnement (la demi sphère que voit l’objet) et réfléchi par l’objet et le rayonnement émis par l’atmosphère.
Dans le cadre des mesures avec des matériaux à faible émissivité, la contribution de l’environnement perturbe le signal et doit être évaluée. Nous pouvons définir l’apparition de différentes températures de la scène de mesure qui vont agir sur la température calculée que va fournir la caméra Nous avons la température de l’environnement qui est la température uniforme de l’environnement que voit l’objet. Elle doit être uniforme dans le demi-espace que voit chacune des surfaces élémentaires observées par la caméra. La température de l’objet observée constitue la température vraie, il s’agit de la température que l’on cherche à déterminer grâce à la caméra infrarouge.
Figure I-13 : scène radiométrique simplifiée
La luminance monochromatique provenant d’un objet à température Tobj , à travers une atmosphère non absorbante est donnée par l’expression (I-37).
𝐿𝜆′ = 𝜀𝜆′. 𝐿𝜆0(𝑇𝑜𝑏𝑗) (I-37)
Si nous considérons un flux incident isotrope, c’est-à-dire pour lequel la luminance 𝐿𝜆′ est indépendante de la direction d’incidence, alors nous pouvons écrire grâce aux propriétés de réciprocités et de normalité de la distribution de réflexion :
𝐿𝜆𝑒𝑛𝑣′ = 𝜌′∩. 𝐿′𝜆 (I-38)
Chapitre I : Du rayonnement thermique à la thermographie infrarouge
27 En considérant une pièce isotherme à la température 𝑇𝑒𝑛𝑣, nous pouvons évaluer la luminance provenant de l’environnement qui est représenté dans la relation (I-40). Il s’agit d’hypothèses généralement utilisées en thermographie infrarouge.
𝐿𝑒𝑛𝑣 = (1 − 𝜀𝜆′). 𝐿𝜆0(𝑇𝑒𝑛𝑣) (I-40) Ainsi si nous considérons une atmosphère non diffusante, isotherme et homogène de transmittivité 𝜏𝜆′ dans la direction visée, alors nous obtenons l’expression de la luminance monochromatique reçue par la caméra.
𝐿𝜆 = 𝜏𝜆′. 𝜀𝜆′. 𝐿𝜆0(𝑇𝑜𝑏𝑗) + 𝜏𝜆′. (1 − 𝜀𝜆′). 𝐿𝜆0(𝑇𝑒𝑛𝑣) + (1 − 𝜏𝜆′). 𝐿0𝜆(𝑇𝑎𝑡𝑚) (I-41) Pour tenir compte dans la bande spectrale de la caméra considérée, la luminance monochromatique est intégrée sur la bande spectrale de la caméra. On obtient alors une luminance L dont l’expression fait intervenir la réponse spectrale de la caméra R(λ) :
𝐿 = ∫ 𝑅(𝜆). 𝐿𝜆. 𝑑𝜆
𝛥𝜆
(I-42) L’équation (I-41) devient :
𝐿 = ∫ 𝑅(𝜆). 𝜏𝜆′. 𝜀𝜆′. 𝐿0𝜆(𝑇𝑜𝑏𝑗). 𝑑𝜆 𝛥𝜆 + ∫ 𝑅(𝜆). 𝜏𝜆′. (1 − 𝜀𝜆′). 𝐿𝜆0(𝑇𝑒𝑛𝑣). 𝑑𝜆 𝛥𝜆 + ∫ 𝑅(𝜆). (1 − 𝜏𝜆′). 𝐿𝜆0(𝑇𝑎𝑡𝑚). 𝑑𝜆 𝛥𝜆 (I-43)
L’équation (I-43) constitue « l’équation fondamentale de la radiométrie » qui fait intervenir la sensibilité spectrale du radiomètre. L’obtention de la luminance effective nécessite d’utiliser des propriétés radiatives effectives dans la bande spectrale de la caméra. Dans ce cas, l’équation de la radiométrie se simplifie :
𝐿 = 𝜏. 𝜀𝐿0(𝑇𝑜𝑏𝑗) + 𝜏. (1 − 𝜀). 𝐿0(𝑇𝑒𝑛𝑣) + (1 − 𝜏). 𝐿0(𝑇𝑎𝑡𝑚) (I-44) Celle-ci s’appuie fondamentalement sur la méthode des radiosités. Si la transmittivité de l’atmosphère est égale à 1, ce qui est le cas lorsque l’on effectue les mesures à des distances qui avoisinent la distance d’étalonnage on a :
III - Thermographie infrarouge Cette équation est généralement utilisée pour déduire la température 𝑇𝑜𝑏𝑗 à partir de la mesure de la luminance par la caméra infrarouge. De nombreuses approximations ont été effectuées pour parvenir à cette expression simple d’usage. La validité et la précision des mesures vont dépendre de la validité des approximations dans la situation de mesure.
III. 3. 2. Etalonnage des caméras
Lorsque l’on utilise une caméra de thermographie infrarouge pour mesurer des températures, un modèle thermographique doit être utilisé. Ce modèle se base sur une loi d’étalonnage qui est obtenue en plaçant un corps noir à une distance donnée de la caméra. On relève le signal fourni par la caméra en fonction de la température. L’étalonnage permet de retrouver la température en tenant compte de la réponse spectrale de la caméra infrarouge. Nous développons cette partie plus en détails dans le chapitre IV.
III. 3. 3. L’imagerie thermographique
III. 3. 3. 1 Caractérisation du bruit
Le signal électrique que perçoit un capteur est toujours perturbé par des signaux parasites que l’on désigne sous le nom de « bruit ». Ses perturbations se superposent au signal à mesurer à toutes les étapes d’une chaine de mesures [15]. Cela génère des fluctuations de mesures. Deux types de fluctuations sont présents : les fluctuations aléatoires et les dérives. Leurs temps caractéristiques constituent leurs principales différences. Les fluctuations aléatoires ont un caractère imprévisible. Elles sont très rapides vis-à-vis de la période d’acquisition de la mesure. Leur origine est généralement liée à la nature granulaire de la matière (et du rayonnement) et de l’agitation thermique des particules. Si on observe une scène thermique stationnaire sur un nombre suffisamment important d’images (N), alors dans ce cas l’écart-type du bruit diminue avec 1 √𝑁⁄ , ce qui fait que pour des N grands, le bruit est négligeable par rapport au signal utile.
III. 3. 3. 2 Les dérives de la caméra infrarouge
Nous pouvons identifier deux types de dérives : la dérive spatiale et la dérive temporelle. La dérive spatiale traduit un écart à l’uniformité des informations fournies par la matrice des détecteurs lorsque la scène thermique est constituée par un objet présentant une émissivité (proche de 1 pour éviter les réflexions) et une température uniforme. Cette dérive provient de la dépendance du thermosignal du champ instantané d’observation.
Chapitre I : Du rayonnement thermique à la thermographie infrarouge
29 La dérive temporelle provient de la variation du thermosignal fourni par la caméra pour une entrée constante au cours du temps. Elle peut être induite par la température environnementale, de l’équilibre thermique des composants électroniques et des échanges radiatifs entre les composants optiques. Mais, il faut savoir que la dérive des détecteurs provient essentiellement de la quantité de rayonnement reçu avant d’atteindre l’équilibre thermique.
Pour pallier ces dérives, certains constructeurs de caméra mettent un dispositif d’uniformisation des détecteurs appelé (NUC : correction de non-uniformité en français). Il consiste à effectuer un ajustement de la réponse fournie par les détecteurs. Ce dispositif agit dès que le signal fourni par le détecteur dépasse un certain seuil (par exemple 2%[16]) qu’elle soit temporelle ou spatiale. L’essentiel de la correction va concerner les détecteurs centraux, pour les autres une extrapolation est effectuée.
III. 3. 3. 3 Résolution spatiale (IFOV : Instanenous Field Of View)
La résolution spatiale d’un système correspond au nombre de points séparables dans une image en fonction du critère de séparation choisi. Dans le cas des images thermiques, c’est la taille des pixels dans l’image résultante.
III. 3. 3. 4 Bande spectrale des caméras thermiques
Le choix de la bande spectrale des caméras s’effectue en tenant en compte de la transmittivité de l’atmosphère représentée sur la Figure I-12a. Deux bandes spectrales se distinguent sur cette figure : la bande II pour les caméras à ondes courtes, et la bande III pour les caméras à onde longues. Dans le cadre des études de CND, nous avons utilisé des caméras en bande III pour nos mesures de températures.
III. 3. 3. 5 La résolution thermique
La résolution thermique constitue la plus petite différence de température que peut mesurer une caméra thermique. Il s’agit de la différence de température équivalente à la valeur efficace du bruit, mesuré sur le signal délivré en un endroit de l’appareillage, pour un point de fonctionnement et une fréquence de restitution donnée, appelée aussi NETD (Noise Equivalent Temperature Difference, en anglais) ou DTEB (en francais, Différence de Température Equivalente à la valeur efficace du Bruit mesuré sur le thermosignal). Une résolution thermique de 0,1 K, sur un objet à 30°C avec une fréquence de restitution de 25Hz est classique avec un bon matériel de balayage[17]. Nous avons utilisé trois types de caméra une caméra nommée
CPAa (non refroidie), une caméra FLIR S60 et une troisième que nous nommons
III - Thermographie infrarouge