Thermographie infrarouge pour des tests non destructifs

Les tests ainsi que les évaluations non destructives comprennent toutes les techniques d'inspection utilisées afin d'examiner le matériau d'une structure ou l'ensemble d'un système sans que celui-ci ne soit détruit. L'objectif des techniques non destructives est de pouvoir fournir des informations précises et fiables sur un ensemble de paramètres qui sont : propriétés physiques et mécaniques, métrologie, composition et analyse chimique, signature thermique….

Il existe une grande variété de techniques non destructives dont aucune n'est capable de révéler toutes les informations requises.

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La technique appropriée dépend de la nature du matériau et de l'épaisseur à inspecter. Ainsi nous pouvons classer en 6 grandes catégories les différentes évaluations concernant les techniques non destructives:

1. Mécanique-Optique (Test visuel) 2. Radiation (Test radiographique)

3. Électromagnétisme-Electronique (Courants de Foucault) 4. Ultrasons (Test acoustique)

5. Thermique et infrarouge (Thermographie infrarouge) 6. Analyse chimique (Contrôle par ressuage)

Les informations contenues dans ces différentes techniques utilisées énumérées ci-dessus sont abondantes dans la littérature [96] [97]. Les tests en thermographie infrarouge qui par conséquent impliquent la mesure d'un gradient de température et aussi établir des cartographies thermiques permettent de prédire ou de diagnostiquer une défaillance. En règle générale, ces tests sont non destructifs, pas de contact avec l'objet à analyser et offre une cartographie thermique en surface de l'objet à étudier.

III.3.2.1 Principe de mesures par thermographe infrarouge

Ci-dessous (figure III.10), on peut observer un schéma synoptique du banc de test mis en place au laboratoire pour l'étude du comportement thermique des composants IGBT en mode de court-circuit. Ce schéma décrit les éléments de base d'un système infrarouge: (1) source d'excitation électrique; (2) le composant étudié ; (3) caméra infrarouge ou radiométrie ; (4) analyses des signaux et des images obtenus (thermogramme) ; (5) résultats. En outre, la dégradation du signal est présente à tous les étages du banc de test.

Si un gradient de température apparait entre la caméra thermique et l'objet étudié sans apporter aucune excitation thermique, la cible en question peut-être inspectée en utilisant l'approche passive. Toutefois, si l'objet que l'on veut étudier est en équilibre avec le reste de la scène (banc de test), il est possible de créer un contraste thermique sur la surface du composant en utilisant une source thermique ou une source engendrant de la chaleur qui est dans notre cas une impulsion de puissance (1). Cela est connu comme étant l'approche active en thermographie infrarouge. Il est à ajouter que l'excitation thermique engendre du bruit dit "bruit de chaleur", cela est dû principalement à la non uniformité de la diffusion de la chaleur.

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Figure III.10 : Système de principe de thermographie infrarouge

Comme nous pouvons le voir sur la figure III.10 l'objet étudié sera un module IGBT. Cet objet émettra de la chaleur sous forme de rayonnement infrarouge. Indépendamment de l'approche active ou passive, les signatures thermiques sont faibles par rapport à d'autres formes de rayonnement. Ainsi, le rayonnement infrarouge émis par l'objet est mesuré par un radiomètre ou une caméra infrarouge. Ce rayonnement infrarouge est la composante de trois sources différentes: l'énergie thermique émise par l'objet ; l'énergie réfléchie par l'environnement, et l'énergie transférée à travers le matériau. L'atmosphère environnante atténue les signatures thermiques.

III.3.2.2 Bilan radiométrique d'une scène thermique

La thermographie infrarouge consiste, à partir de la mesure du rayonnement émis par un objet dans une des bandes spectrales de l’infrarouge, à visualiser sous forme de thermogrammes la répartition spatiale et l’évolution temporelle des températures apparentes de surfaces d’un objet. La caméra infrarouge mesure et transcrit, par l’image, les rayonnements infrarouges émis par un sujet. Le fait que le rayonnement soit une fonction de la température de surface du sujet permet à la caméra de calculer et d’afficher cette température en un point de la surface de l’objet étudié.

I pulsio de puissa e O jet tudi Module IGBT Ca a I f a ouge D te teu Opti ue Syst e De ef oidisse e t D g adatio du sig a A alyses the og a e R sultats Dégradation du signal

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Les principaux éléments constituant la caméra thermique sont : le récepteur optique, la matrice de détecteur ou simplement un détecteur, et un système de refroidissement. En considérant les différents éléments de la figure III.11, le bilan radiométrique au niveau de la caméra doit prendre en compte le rayonnement propre de l’objet, celui de l’environnement et enfin celui de l’atmosphère. La caméra est placée dans un environnement dont la température moyenne est notée Tatm.

Figure III.11 : Scène thermique vue par la caméra IR

La scène thermique est composée d’un objet à la température et présente une surface d’émissivité . Le flux rayonné par l’objet est la somme de son émission propre, soit et de la partie du flux ambiant qui est réfléchie par l’objet, soit (1- ) ^{. La propagation de ce}

flux en direction de la caméra est affectée par son passage au travers de l’atmosphère, soit le coefficient de transmission de l’atmosphère. Celle-ci n’étant pas totalement transparente, elle en absorbe une partie, qu’elle va réémettre soit (1- ^{) . Le bilan radiatif de ces}

transferts entre la caméra, l’objet et son environnement conduit à l’équation radiométrique suivante :

( ) ^{(Eq. III.6)}

A noter que l’équation radiométrique générale peut être considérée comme indépendante de la température de la caméra Tcam si celle-ci est compensée en dérive. En considérant alors l’atmosphère comme parfaitement transparente, la valeur du coefficient de transmission est égale à l’unité. Ce qui simplifie l’équation radiométrique et conduit à l’équation suivante :

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