Les mesures sans contact

Les techniques de mesure sans contact des déformations d’un matériau s’articulent principalement autour de quatre familles (Surrel, 2004) : l’interférométrie holographique

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(Sjödahl, 1998; Yamaguchi, 2003; Bruno, et al., 2008), l’interférométrie de moiré (Cordero, et al., 2005; Ryu, et al., 2008; Cosola, et al., 2008; Kokaly, et al., 2003), la méthode de la grille (Parks, 1982; Mathias, et al., 2006; Badulescu, et al., 2009) et la corrélation d’images numériques

(Sutton, et al., 1986; Hild & Roux, 2006; Grytten, et al., 2009; Pan, et al., 2009).

V.3.2.1 L’interférométrie holographique

L’interférométrie holographique englobe tous les phénomènes d’interférences dans lesquels l’une des ondes au moins qui participent aux interférences est projetée sur la surface d’étude par une source extérieure. Cette méthode permet de calculer des déplacements micrométriques en chaque point de la surface d’un objet à partir de son image interférométrique. Il existe plusieurs méthodes d’interférométrie homalographique (Rastogi, 1997). Ces différentes méthodes sont caractérisées par une grande souplesse dans le choix des directions d’éclairage et d’observation, cependant elles sont très difficiles à mettre au point. De par la nécessité de « projeter » le réseau, ces méthodes ne permettent pas de faire du suivi de points et sont souvent utilisées pour de la mesure de forme et pas de déformation (ou alors de très petite déformations élastiques).

V.3.2.2 Méthode de moiré

La méthode de moiré est une technique de mesure optique qui repose sur le phénomène de diffraction d’une onde lumineuse monochromatique par un réseau de pas "𝑝₀" (Post, et al., 1994). Le réseau, déposé à la surface de l’échantillon à étudier, est éclairé par deux faisceaux incidents selon les angles: 𝜃𝐴=_𝑝𝜆

0 pour le premier faisceau et 𝜃𝐵 = −𝜆

𝑝0 pour le deuxième (figure V-2.).

Figure V-2 : Schéma de principe du moiré interférométrique (Moulart, 2007)

Ces deux faisceaux sont diffractés suivant la relation suivante: 𝑠𝑖𝑛 𝜃_𝑘+ sin 𝜃_𝑖 =𝑘𝜆

𝑝0

(V.1)

Avec "𝜃𝑖" correspond à l’angle d’incidence et "𝜃𝑘", l’angle de diffraction d’ordre "𝑘".

En l’absence de chargement, le premier faisceau est confondu avec le deuxième faisceau figure V-3a. Mais lorsque la pièce se déforme, le pas du réseau de diffraction se modifie (passant de 𝑝₀ à 𝑝₁) rompant l’égalité précédente : les faisceaux diffractés ne se superposent plus

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parfaitement, mais forment un angle entre eux figure V-3b. L'interaction entre ces deux réseaux provoque la création de franges d'interférences figure V-3b. Le passage successif d’une frange blanche ou noire d’un réseau à l'autre caractérise le déplacement différentiel du réseau déformé.

Figure V-3 : Principe du phénomène de moiré (Moulart, 2007)

Pour conclure, les méthodes de moiré présentent une forte résolution spatiale à l’échelle nano-optique pour l’analyse de très petites déformations. Ceci a été aussi montré par Miller et al.

(Miller, et al., 2001). Cependant, l’utilisation de cette méthode dans le cas d’usinage est quasi impossible vu les conditions extrêmes de la coupe d’une part (déplacements dans le plan et hors plan, grande déformation, etc..) et d’autre part la complexité du montage optique à mettre en place (nombreux miroirs positionnés de façon très précise).

V.3.2.3 La méthode de la grille

La méthode de suivi de grille ou de marqueurs est une technique d’analyse d’images qui permet de mesurer le champ de déplacement plan de la surface d’un objet soumis à un chargement (Bugat, 2000; Coudert, et al., 2004). Elle consiste à suivre le déplacement du motif (grille) qui est solidaire à la pièce testée, figure V-4.

Figure V-4 : Différents motifs utilisés par les méthodes de suivi de marqueurs ou de grilles

(Orteu, 2002)

La grille peut être déposée par différentes techniques (électrolithographie, gravure laser, etc..). Le type de marquage, ou de grille, est souvent en relation avec le niveau d’observation et les domaines d’applications, les contraintes expérimentales et le type de matériau. Les champs de déplacements sont calculés à partir des déplacements des marqueurs ou nœuds de la grille entre deux images (une image de référence de l'objet à l'état initial et une image du même objet après avoir subi une transformation mécanique). Ici, le motif est « maitrisé » par rapport à la corrélation d’images (ou DIC, Digital Image Correlation) c’est à dire qu’il est répétable d’un essai à l’autre (pas le cas du mouchetis). De plus, il est possible d’augmenter le pas de la grille à la

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résolution souhaitée et à la taille du capteur en tenant compte du grossissement optique (taille du pixel dans le plan objet). Généralement, les méthodes de grille sont plus précises que la DIC. Cependant, l’utilisation de cette méthode ne semble pas opportune pour l’usinage, car déposer des grilles « propres » aux échelles qui nous intéresse est très difficile pour ne pas dire impossible.

V.3.2.4 La méthode de corrélation d’images

La technique de corrélation d'images (DIC) est une méthode de métrologie optique sans contact qui permet d’identifier précisément des déformations locales à la surface des matériaux sollicités. Le principe de cette technique, illustré dans la figure V-5, consiste à identifier les champs de déplacement entre deux images de la zone étudiée à deux états distincts de déformation (image de référence et image déformée). La comparaison des deux images permet de calculer le champ de déplacement entre les deux états et par dérivation numérique à un champ de déformation, ou encore de vitesse de déformation.

Figure V-5 : Principe de la méthode de corrélation d’image

Cette technique a l’avantage d’être non intrusive (sans contact) et d’offrir une bonne résolution spatiale 2D en fonction des motifs identifiables dans la zone d’observation. De plus, la résolution spatiale de la mesure n’est pas limitée à la distance entre les points, contrairement à la méthode de grille, elle dépend du post-traitement, de la qualité du mouchetis appliqué sur la surface et de la performance de la caméra CCD (Charge Coupled Device) (Pottier, et al., 2014a). Sous cette réserve, les trois seules limitations actuelles sont :

- Mesure en surface uniquement (il est impossibilité d'avoir des informations sur les déformations en sous-surface) ;

- L'obligation d'observer des surfaces planes (ou presque plane) ;

- Pendant l’essai, la distance entre l'objet et l’appareil photo doit être maintenue constante (éviter les images hors plan) et orthogonale à l’axe de la caméra.