Synthèse sur l’état de l’art des mesures dans le plan

Au vu de cet état de l’art, il apparaît clairement que, depuis une quinzaine d’années, de

nombreux auteurs proposent des méthodes d’estimation plutôt globales des diffusivités

thermiques dans le plan. Si les premiers travaux étaient basés sur des sollicitations par méthodes

flash, avec des lampes et des systèmes de grilles pour générer des gradients surfaciques dans le

plan, ce n’est que très récemment que l’utilisation de sources optiques commence à voir le jour.

En revanche, d’un point de vue méthodes d’estimations associées, la plupart des approches

quantitatives sont proposées en lien avec les méthodes par lampes flash. Dans ce sens, il n’existe

que très peu d’auteurs qui proposent des méthodes inverses quantitatives suite à des

sollicitations par méthodes laser.

Ainsi, tout l’intérêt de ce travail peut être mis en évidence avec comme objectif principal le

développement d’un outil capable d’apporter, par des sollicitations quasiment infinies, un panel

important de méthodes quantitatives et de traitements locaux.

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4 INTERET DE DEVELOPPER DES METHODES DE CARACTERISATION

THERMIQUE DANS LE PLAN EN MILIEUX HETEROGENES

En synthèse de cette partie, il faut retenir que de nombreuses méthodes de CND existent et

que les méthodes thermiques se placent comme un bon compromis pour la rapidité, le coût et

la simplicité de mise en œuvre sur une large gamme de matériaux.

Même si à ce jour, ces méthodes thermiques sont cantonnées à l’analyse de défauts ou

d’hétérogénéités proches de la surface, l’avènement de méthodes photoniques large bande (du

visible au térahertz) permettront à l’avenir d’envisager l’extension de ces méthodes à des

analyses tomographiques capables de concurrencer les méthodes par rayons X pour un coût très

faible et une totale absence de dangerosité. Les méthodes consistant notamment à analyser

l’impact thermique d’une source photonique quasi-ponctuelle sur une couche mince absorbante

(principe du bolomètre) nécessitent des développements tant sur le plan du traitement des

signaux que des méthodes d’étalonnages.

Du côté des méthodes de CND thermiques classiques, si les méthodes de caractérisation

relatives à une analyse du transfert de chaleur 1D perpendiculaire à la surface visée sont très

développées depuis 20 ans, les méthodes permettant d’étudier le transfert dans le plan sont plus

restreintes. Dans cette dernière catégorie, plusieurs méthodes basées sur la séparabilité des

réponses impulsionnelles et les transformation intégrales de Fourier dans le plan ont été

développées (Philippi et al., Krapez et al , mais aussi Ruffio [30] et Souhar [31]). Ces méthodes

autorisent une répartition spatiale quelconque de l’excitation thermique initiale, mais en général

ne permettent pas une analyse locale des transferts à cause de la faible densité d’énergie déposée

par unité de surface via les lampes flash par exemple.

Un autre type de méthodes basées sur l’analyse de la réponse à un point source se

développent grâce au formidable essor et aux possibilités de pilotage des sources laser.

Cependant, les méthodes d’estimation liées à ce type de source méritent d’être revisitées tant

du point de vue de l’estimation de paramètres tels que le tenseur de diffusivité thermique que

de la position des axes principaux d’anisotropie par exemple. Pour cela, il devient nécessaire

de s’intéresser aux possibilités offertes par les systèmes optiques en termes de déplacement des

excitateurs, et de la grande versatilité espace-temps. Les méthodes modulées ou périodiques

présentent un fort intérêt par le fait qu’elles permettent un excellent rapport signal à bruit ;

Cependant, elles ne seront pas abordées dans ce travail, car l’aspect séparabilité des transferts

est plus difficile à implémenter aussi simplement qu’avec les méthodes impulsionnelles.

En conclusion, les grandes lignes de la stratégie de ce travail de thèse peuvent être

énoncées. Elles consistent à développer des méthodes relatives aux points source laser et leur

pilotage spatial et temporel dans le but :

(i), d’exploiter les possibilités de séparabilité de la solution du point source impulsionnel,

aussi bien dans le cas de source ponctuelles que de source en déplacement à vitesse constante.

(ii), de développer des méthodes d’estimations quantitatives qui permettent une analyse

des résidus obtenus aussi précise et versatile que possible, cela en exploitant au mieux les

expressions analytiques.

(iii), d’exploiter l’infinité des possibilités instrumentales liées aux derniers

développements des systèmes de scanner optique par diodes lasers et miroirs galvanométriques

pilotables.

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Et (iv), de maintenir une bonne cohérence entre ce travail qui s’inscrit dans les

perspectives de recherche de l’ensemble de l’équipe TIFC, à savoir : le développement de

nouveaux tomographes thermiques, l’analyse multiéchelle de matériaux hétérogènes et le

développement de méthodes simples et robustes de caractérisation de champs thermiques.

Chapitre 2

Dispositif expérimental, méthodes

d’acquisition et traitement d’images

Suite à l’état de l’art effectué dans le chapitre 1, il a été possible de montrer les

complémentarités entre les différentes méthodes de contrôle non destructif et de

caractérisations thermiques qui existent dans la littérature. Partant de ce postulat, il est donc

nécessaire de développer un outil expérimental capable de regrouper ces différentes méthodes

d’excitations thermiques.

Dans ce chapitre, une partie du travail a consisté à développer un banc de mesure

permettant de revisiter les différents types de sollicitations thermiques via un système complet

de scanner optique laser qui est une des principales originalités de ce travail. Ce scanner est

composé de quatre ensembles: (i), d’une diode laser qui sert de source thermique, (ii), d’un

système de déplacement de miroirs galvanométriques pour réaliser les déplacements spatiaux

de la source laser, (iii), d’une lentille F-thêta permettant la focalisation sans déformation du

faisceau et (iv), d’un miroir dichroïque permettant l’arrivée perpendiculaire du faisceau sur

l’échantillon. Ainsi, il permet de réaliser une infinité de combinaisons spatio-temporelles

d’excitations thermiques par méthode laser.

Le dispositif expérimental développé dans ce travail s’apparente plus à un instrument

qu’à un simple banc de mesure. Derrière le mot instrument se cache un dispositif de mesure et

des méthodes de traitement. En effet, les diodes lasers actuelles permettent de réaliser des

formes temporelles particulièrement variées. En plus du système de scanner galvanométrique

qui permet un déplacement du faisceau à la surface de l’échantillon sur une zone dont la taille

est modifiable, ce dispositif autorise une approche résolument multiéchelle (spatiale et

temporelle) par le biais d’un système de scanner macroscopique (de l’ordre du m) qui autorise

l’analyse de grandes structures.

Enfin, de manière générale, le domaine de la caractérisation thermique requiert le

développement de méthodes stables et robustes qui nécessitent une grande maîtrise de l’erreur

de mesure et surtout de sa quantification. Pour ce faire, il devient primordial de pouvoir

automatiser les systèmes d’acquisition afin de se placer dans des conditions opératoires

optimales, répétables, qui permettent une étude statistique de l’erreur systématique de la chaîne

de mesure. Pour toutes ces raisons, cette partie tente de mettre en évidence l’importance de ce

travail qui, bien que souvent peu valorisé, témoigne d’un savoir-faire important et d’une

maîtrise complète d’un appareil de mesure aussi sophistiqué que celui développé dans ce

travail.

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1 CARACTERISTIQUE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL