Les techniques optiques et laser pour contrôle non destructif Dr. Marc GEORGES
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Les techniques optiques et laser pour la mesure des déplacements et le contrôle non destructif Dr. Marc GEORGES Centre Spatial de Liège – Université de Liège Université de Liège, 24/11/16 1 L’holographie pour la mesure des déplacements 2 Holographie • Holographie – 1 : Principe d’écriture Séparateur de faisceau lentille U O ( x, y ) = AO ( x, y ) exp ( iφO ( x, y ) ) LASER y lentille η x FAISCEAU OBJET z U O (ξ ,η ) = AO (ξ ,η ) exp ( iφO (ξ ,η ) ) ξ Support holographique FAISCEAU REFERENCE U R (ξ ,η ) = AR (ξ ,η ) exp ( iφR (ξ ,η ) ) miroir I (ξ ,η ) =+ (U R (ξ ,η ) U O (ξ ,η ) ) . (U R* (ξ ,η ) + U O* (ξ ,η ) ) = U R .U R* + U O .U O* + U R .U O* + U O .U R* I (ξ ,η ) = I R + I O + 2 I R I O cos (φR − φO ) 3 Holographie • Holographie – 2 : Types d’hologrammes Modification des propriétés du support holographique Eclairement τ (ξ ,η ) = T (ξ ,η ) .exp ( iϑ (ξ ,η ) ) I (ξ ,η ) = I R + I O + 2 I R I O cos (φR − φO ) Transmission complexe Variations d’absorption Variations d’indice de réfraction Variations d’épaisseur I (ξ ,η ) ∆h(ξ ,η ) ∆α (ξ ,η ) Hologrammes en amplitude T (ξ ,η )= a − btexp I (ξ ,η ) ∆α (ξ ,η ) h ∆n(ξ ,η ) Hologrammes en phase τ (ξ ,η ) = exp ( iϑ (ξ ,η ) ) ϑ (ξ ,η )= a '+ b ' texp I (ξ ,η ) 4 Supports d’enregistrement Plaques argentiques (AgBr) © Yves Gentet Plaques ou rouleaux photo-thermoplastiques © Newport ∆α (ξ ,η ) ∆h(ξ ,η ) ∆n(ξ ,η ) Cristaux photoréfractifs inorganiques © ICMCB, Bordeaux Polymères photoréfractifs ∆n(ξ ,η ) © Opt. Science Center, Tucson AZ ∆n(ξ ,η ) 5 Holographie • Lecture = Diffraction par réseau Hologrammes en amplitude U O (ξ ,η ) = AO (ξ ,η ) exp ( iφO (ξ ,η ) ) U R (ξ ,η ) = AR (ξ ,η ) exp ( iφR (ξ ,η ) ) U O (ξ ,η ) I (ξ ,η ) = U R .U R* + U O .U O* + U R .U O* + U O .U R* T (ξ ,η ) ÷ I (ξ ,η ) = U R + U O + U R .U O* + U O .U R* 2 U R (ξ ,η ) T (ξ ,η ) 2 U *O (ξ ,η ) (3) U Dif (ξ ,η ) U Dif (ξ ,η ) = T (ξ ,η ) .U R (ξ ,η ) U Dif ÷ U R U R U R (ξ ,η ) 2 +U R U O T (ξ ,η ) +U .U 2 R (1) (1) 2 * O +U O . U R (2) (2) (3) 2 (4) (4) U O (ξ ,η ) 6 Holographie • Interférométrie holographique U Dif ( x, y ) U O ( x, y ) = AO ( x, y ) exp ( iφO ( x, y ) ) LASER U 'O ( x, y ) = A 'O ( x, y ) exp ( iφ 'O ( x, y ) ) miroir I ( x, y ) = (U O ( x, y ) + U 'O ( x, y ) ) . (U * O ( x, y ) + U ' ( x, y ) ) * O I ( x, y ) = I O + I 'O + 2 I O I 'O cos (φO − φ 'O ) I (.) = I moyen (.) 1 + m (.) cos ( ∆φ (.) ) 7 Interférométrie holographique • Temps réel vs. Double exposition I ( x, y ) = I moyen ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) ) 8 Interférométrie holographique • Extraction de la différence de phase I ( x, y ) = I moyen ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) ) Différence de phase Technique du décalage de phase I k ( x, y ) I moyen ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) + ( k − 1) × 90° ) I1 ( x, y ) = I moyen ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) ) I 2 ( x, y ) I moyen ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) + 90° ) = I 3 ( x, y ) I moyen ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) + 180° ) = I 4 ( x, y ) I moyen ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) + 270° ) = ∆φ ( x, y ) mod 2π Après déroulage de phase (phase unwrapping) I ( x, y ) − I 2 ( x, y ) ∆φ ( x, y ) = tan −1 4 I1 ( x, y ) − I 3 ( x, y ) 9 Interférométrie holographique • Interprétation des déplacements Le point P de coordonnées r se déplace en P’ de coordonnées r’, selon un vecteur déplacement L Source k1 P(r) k’1 L R Hologramme P’(r’) Observation k’2 Déphasage entre les ondes passant par P et P’ ∆φ ( x, y ) = S(x, y).L(x, y) k2 L’interférométrie holographique en lumière diffuse permet la mesure du déphasage donné par la projection du déplacement L sur le vecteur sensibilité S défini par S = k 2 − k1 Au cas où L << R, r, r’ 10 Interférométrie holographique • Mesures hors-plan k1 S Source k2 Observation Hologramme 4π L⊥ ( x, y ) ∆φ ( x, y ) = ∆φ ( x, y ) = S(x, y).L(x, y) λ I ( x, y ) = 2 I O ( x, y ) 1 + m ( x, y ) cos ( ∆φ ( x, y ) ) I ( x, y ) = maximum si Distance entre 2 franges ∆φ = N 2π LN +1 − LN = λ 2 11 Interférométrie de speckle • Principe - 1 lentille Semi-miroir Sp (ξ ,η ) 12 Interférométrie de speckle • Principe - 2 t=t1= : Sp ( x, y ) I moyen ( x, y ) 1 + m( x, y ) cos (φ ( x, y ) ) φ= ( x, y ) φR ( x, y ) − φO ( x, y ) t=t2= : Sp '( x, y ) I moyen ( x, y ) 1 + m( x, y ) cos (φ '( x, y ) ) φ= '( x, y ) φR ( x, y ) − φ 'O ( x, y ) ∆φ ( x, y )= φ 'O ( x, y ) − φO ( x, y ) ∆φ ( x, y ) I ( x, y ) = Sp1 − Sp2 ( x, y ) ÷ sin 2 φ '(= x, y ) φ ( x, y ) + ∆φ ( x, y ) Décalage de phase ∆φ ( x, y ) mod 2π t=t1 : Sp4 ( x, y ) − Sp2 ( x, y ) Sp x y Sp x y ( , ) ( , ) − 3 1 This image cannot currently be displayed. φ ( x, y ) = tan −1 Sp '4 ( x, y ) − Sp '2 ( x, y ) Sp '1 ( x, y ) − Sp '3 ( x, y ) −1 t=t2 : φ ' ( x, y ) = tan 13 Interférométrie de speckle • Configurations possibles : – Hors-plan – Dans-le-plan – Mesures vecteur déplacement (3-4 points d’illumination) • Applications : idem interférométrie holographique • Avantages par rapport à l’holographie : – – – – Plus rapide à l’acquisition Temps de réponse peut être très court Beaucoup de longueurs d’onde utilisables On peut choisir les états de référence • Désavantages : – Images bruitées (speckle) – Résolution d’enregistrement plus faible que l’holographie analogique 14 Interférométrie de speckle infrarouge • Motivation Zoom sur l’interférence locale (hologramme – specklegramme) Interférogramme – Carte de phase This image cannot currently be displayed. ∆ϕ ( x, y ) λ/2 Figure d’intensité doit rester stable durant l’enregistrement (dépend du temps de réponse) Gamme de mesure λ/2 Nombre de franges Critère de stabilité du montage: < λ/10 Lasers visibles: stabilité meilleure que 50 nm Stabilité relachée à 1 µm Lasers visibles: gamme = 50 nm – 10 µm Laser CO2 λ=10 µm (gamme LWIR) Gamme = 1 µm – 200 µm 15 Interférométrie de speckle infrarouge • Matériel spécifique 10.6 µm Lasers © Edinburgh Instruments Spectral range 8-14 µm Caméras Jenoptik LOS Caméra IR à microbolomètres Composants optiques Séparateurs de faisceaux Infratec Caméra refroidie (MCT) Polariseurs Lentilles ZnSe 16 Interférométrie de speckle infrarouge • Développements (projet Européen FANTOM) Montage laboratoire Prototype compact de labo Système mobile Computer for control and post-processing Electronics cabinet Water pipes Water cooler Rack with all supplies 17 Interférométrie de speckle infrarouge • Applications - 1 – Mesure de grandes déformations – Mesure sur site industriel (CTA – Minano, Espagne) 18 Interférométrie de speckle infrarouge • Applications - 1 – Détection de défauts – Mesure sur site industriel (Airbus D41, Toulouse) Airbus D41 « Tear Down » « All Composite Aircraft » A350 Fuselage 19 Holographie numérique • Principe de base : propagation de la lumière de l’objet vers le capteur η y U O (ξ ,η , 0 ) U O ( x, y , d 0 ) z ξ x z=d z=0 Intégrale de diffraction de Fresnel (approximation paraxiale) U O ( x, y , d 0 ) exp ( ikd 0 ) iλ d 0 ∞ ∞ iπ 2 2 d ξ dη ξ η ξ η U , , 0 exp x y − + − ( ) ( ) ( ) ∫−∞ −∞∫ O λ d0 20 Holographie numérique • Enregistrement (sans lentille entre objet et capteur) Expression analytique représentant le faisceau référence U R (ξ ,η ) = AR (ξ ,η ) exp ( iφR (ξ ,η ) ) U O ( x, y ) = A ( x, y ) exp ( iφ0 ( x, y ) ) U O (ξ ,η ) = AO (ξ ,η ) exp ( iφO (ξ ,η ) ) d Intensité de l’hologramme enregistré I (ξ ,η ) =+ (U R (ξ ,η ) U O (ξ ,η ) ) . (U R* (ξ ,η ) + U O* (ξ ,η ) ) • Reconstruction (principe de Fresnel) i 2π π U o ( x, y , z = d ) =exp −i d exp −i x 2 + y 2 ) ( λd λ λd ×∫ ∞ −∞ ∞ ∫ ∫ ∞ −∞ −∞ (...) I (ξ ,η ) = I R + I O + 2 I R I O cos (φR − φO ) Rappel: holo analogique U Dif (ξ ,η ) = T (ξ ,η ) .U R (ξ ,η ) π 2π ξ 2 + η 2 ) exp i I (ξ ,η ) U R (ξ ,η ) exp −i xξ + yη ) d ξ dη ( ( −∞ λd λd ∫ ∞ π ξ 2 + η 2 ) TF I (ξ ,η ) U R (ξ ,η ) exp −i ( λd 21 Holographie numérique • Reconstruction - 2 2π i n2 π m2 U o (m, n) = exp − i d exp − i 2 2 + N 2 ∆η 2 λd λ λd M ∆ξ ×= ∑k M −1 ∑ N −1 0=l 0 km ln π + ) (k 2 ∆ξ 2 + l 2 ∆η 2 ) exp i 2π ( I (k , l ) U R (k , l ) exp −i M N λd U *O (ξ ,η ) (3) (2) (1) (4) U O (ξ ,η ) 22 Holographie numérique • Reconstruction – 3 : quelques points importants Angle entre objet et référence – Dimension des objets • • • λ 4∆ S β Pour pouvoir résoudre l’hologramme, l’angle β doit être correctement choisi Angle trop grand = franges trop serrées Franges plus résolues (théorême de Shannon) β ≤ 2 arcsin d S max = dλ 2∆ λ: longueur d’onde ∆: dimension pixel d: distance de reconstruction Séparation des ordres de diffraction • • Angle trop petit : superposition des ordres Cas de l’holographie in-line 23 Holographie numérique • Reconstruction – 4 : Filtrage des ordres inutiles = I (ξ ,η ) I R (ξ ,η ) + I O (ξ ,η ) +2 I R (ξ ,η ) I O (ξ ,η ) cos (φR (ξ ,η ) − φO (ξ ,η ) ) Décalage de phase (De Nicola, 2002) Suppression des basses fréquences (Kreis et Jüptner – 1997) I '= (ξ ,η ) I (ξ ,η ) − I (ξ ,η ) Suppression du halo (Skotheim – 2003) I " (ξ ,η ) = I ' (ξ ,η ) − I R (ξ ,η ) − I O (ξ ,η ) U= 'R (ξ ,η ) I ' (ξ ,η ) U R (ξ ,η ) I1 (ξ ,η ) + U R (ξ ,η ) I 2 (ξ ,η ) e − iπ 2 +U R (ξ ,η ) I 3 (ξ ,η ) e − iπ + U R (ξ ,η ) I 4 (ξ ,η ) e − i 3π = 4 U R (ξ ,η ) U O (ξ ,η ) 2 2 I1 (ξ ,η ) = I moyen (ξ ,η ) 1 + m (ξ ,η ) cos ( ∆φ (ξ ,η ) ) ,η ) I moyen (ξ ,η ) 1 + m (ξ ,η ) cos ( ∆φ ( x, y ) + π 2 ) I 2 (ξ= ,η ) I moyen (ξ ,η ) 1 + m (ξ ,η ) cos ( ∆φ ( x, y ) + π ) I 3 (ξ= ,η ) I moyen (ξ ,η ) 1 + m (ξ ,η ) cos ( ∆φ ( x, y ) + 3π 2 ) I 4 (ξ= 24 Holographie numérique • Reconstruction - 5 i 2π n2 π m2 2 2 + 2 2 U o (m, n) = exp − i d exp − i d λ λd λ N ∆η M ∆ξ ×= ∑k M −1 ∑ N −1 0=l 0 km ln π + ) (k 2 ∆ξ 2 + l 2 ∆η 2 ) exp i 2π ( I (k , l ) U R (k , l ) exp −i λ d M N Amplitude = A(m, n) ( Re (U o ( m, n) ) ) + ( Im (U o ( m, n) ) ) 2 2 Phase Im (U o (m, n) ) Re (U o (m, n) ) φ (m, n) = tan −1 25 Holographie numérique • Interférométrie holographique numérique © LAUM, Thèse Patrice Tankam (2010) ∆φ ( x, y) = φ1 ( x, y) − φ2 ( x, y) 26 Holographie numérique • Applications commerciales • Microscope holographique numérique Microscope en réflexion © Lynceetec Microscope en transmission Division cellulaire Déformations - mouvements de MEMS Fluctuations membrane de globule rouge 27 Holographie numérique infrarouge • Besoins de l’Agence Spatiale Européenne – – – – – Déformations champ complet de réflecteurs asphériques Test en ambiance vide thermique simulée Large réflecteurs: jusqu’à 4 m de diamètre Gamme de mesure: 1 µm – 250 µm Les réflecteurs ne peuvent pas être équipés de cibles coopératives ou couverts de peinture diffusante 28 Holographie numérique infrarouge • Propriétés spécifique de l’infrarouge lointain ∆ϕ(x,y) λ/2 – Réduit la sensibilité de mesure – Réduit la sensibilité aux perturbations extérieures – Taille des objets reconstruits est plus grande qu’en lumière visible S max = dλ 2∆ λ λ ≈ 7 ∆ 532 nm ∆ 10 µm Objets reconstruits 7 x plus grands à 10 µm – Objets réfléchissent de manière plus spéculaire à 10 µm qu’en lumière visible (à rugosité égale) 29 Holographie numérique infrarouge • Application 1 – Test réflecteur parabolique Diameter: 1.1 m Focal Length: 1.58 m Diffuser Uncooled µ-bolometer 640x480 pixels Pixel Pitch : 25 µm Frame rate 60 Hz 16 bits LASER To reflector 30 Holographie numérique infrarouge • Application 1 – Test réflecteur parabolique dans cuve du CSL slide 31 31 Holographie numérique infrarouge Amplitude Mask Filtered and masked phase diff. Acquisitions (x4) unwrapping Phase #1 Phase diff. Displacement map Phase #2 32 slide 32 32 Les techniques optiques et laser du contrôle non destructif 33 Shearographie • Principe M2 M1 x ξ x : direction du cisaillement optique (shear) ∆x : amplitude du cisaillement Sh( x, y ) = I moyen ( x, y ) 1 + m( x, y ) cos(φO,M1 ( x, y ) − φO,M2 ( x, y )) I moyen = ( x, y ) I O,M1 ( x, y ) + I O,M2 ( x, y ) φO,M1 ( x, y ) − φO,M2 ( x, y ) = ∂φO ( x, y ) ∆x ∂x 34 Shearographie • Principe 2 t=t1 : Sh( x, y ) = I moyen ( x, y ) 1 + m( x, y ) cos(φO,M1 ( x, y ) − φO,M2 ( x, y )) avec t=t2 : φO,M1 ( x, y ) − φO,M2 ( x, y ) = ∂φO ( x, y ) ∆x ∂x Sh '( x, y ) = I moyen ( x, y ) 1 + m( x, y ) cos(φ 'O,M1 ( x, y ) − φ 'O,M2 ( x, y )) avec φ 'O,M1 ( x, y ) − φ 'O,M2 ( x, y ) = ∂φ 'O ( x, y ) ∆x ∂x Sh( x, y ) − Sh '(x, y) ÷ sin(∆ϕ ( x, y ))= sin((1) − (2))= sin( Or on sait que (1) 4π φO ( x, y ) − φ 'O ( x, y ) = L ( x, y ) λ ⊥ Donc (2) ∂ (φO ( x, y ) − φ 'O ( x, y )) ∆x) ∂x ∆ϕ ( x, y ) = 4π ∂L⊥ ( x, y ) ∆x ∂x λ 35 Shearographie • Shearographie vs. Interférométrie de speckle Interférométrie de speckle ∆ϕ ( x, y ) = 4π λ L⊥ ( x, y ) Interférométrie de speckle différentielle (shearographie) ∆ϕ ( x, y ) = 4π ∂L⊥ ( x, y ) ∆x λ ∂x 36 Huai M. Shang et al., Appl. Opt. 39, 2638-2645 (2000); Interférométrie de speckle différentielle • Avantages et applications – Avantages : • Technique auto-référencée : pas de faisceau référence extérieur • Peu sensible aux perturbations de l’environnement – Application principale : détection de défauts Excitation thermique Dépression Vibration 37 La thermographie 38 Thermographie • Thermographie : mesure de la température – Loi de Planck d’émission du « corps noir » L (λ , T ) = 2h c 2 1 λ 5 exp ( hν kT ) − 1 (Loi de Wien) λmax (T ) T ≈ 2.898 × 10−3 m.K 39 Longueur d’onde (µm) Longueur d’onde (µm) Thermographie • Thermographie : « mesure » de la température Longueur d’onde (µm) 40 Thermographie • Thermographie IR ou Imagerie thermique – Différentes gammes infrarouges – Différentes technologies de capteurs MWIR LWIR Type Detector Material Spectral range Maximum pixel numbers Maximum frame rate NETD @ 30°C Uncooled Microbolometer FPA a-Si VOx 8 ... 14 µm 1024 x 768 640 x 480 384 x 288 30 Hz 60 Hz 60 Hz 85 mK 50 mK 40 mK Cooled IR-Photodiode FPA HgCdTe (MCT) 8 ... 10 µm 640 x 512 384 x 288 120 Hz 300 Hz 20 mK Cooled QWIP FPA AlGaAs/ GaAs 8 ... 9 µm (small band) 1024 x 1024 640 x 512 384 x 288 120 Hz 120 Hz 260 Hz 35 mK 25 mK 25 mK www.flir.com www.jenoptik.de www.infratec.de www.xenics.com www.telops.com …. 41 Thermographie • Application au Contrôle Non Destructif: Thermographie « active » • Une source extérieure apporte de la chaleur pour révéler les défauts Thermographie optique (Chauffage par lampe) • Chauffage impulsionnel (Flash lamps) • Chauffage par pas • Chauffage modulé t • Une sollicitation externe permet aux défauts de générer de la chaleur Vibrothermographie 42 Thermographie par induction 42 Thermographie • Thermographie optique Lock-In (OLT) Busse G., Wu D. and Karpen W., J. Appl. Phys. 71, 3962 (1992) z=0 z z T ( z , t ) T0 e − z µ cos − ωt = µ • • • phase de l’onde thermique z : profondeur µ: profondeur de pénétration ω=1/τ : fréquence angulaire de modulation de la lampe T0 T ( z, t ) Profondeur de pénétration dépend de la fréquence µ= 2α ω α : diffusivité thermique du matériau 43 Thermographie • Thermographie optique Lock-In (OLT) : Interpretation µ = 2α = ω α πf Glass Fiber Reinforced Polymer Haute fréquence 𝑓𝑓 Basse fréquence 𝑓𝑓 𝒇𝒇 = 𝟎𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟎 𝑯𝑯𝑯𝑯 25.2 200 𝝁𝝁(𝑚𝑚𝑚𝑚) 2.52 𝝁𝝁(𝑚𝑚𝑚𝑚) CFRP ∥ 1.7 0.23 2.3 CFRP ⊥ 1.3 0.2 2 GFRP ∥ 37 1.09 10.9 GFRP ⊥ 4.2 0.37 3.7 Aluminium 620 4.44 44.4 Materiau Air Carbon Fiber Reinforced Polymer 𝛂𝛂(10−7 𝑚𝑚2 ⁄𝑠𝑠) 𝒇𝒇 = 𝟏𝟏 𝑯𝑯𝑯𝑯 Faible profondeur pénétration 𝜇𝜇 Grande profondeur pénétration 𝜇𝜇 Défaut peu profond Défaut profond 44 Thermographie • Thermographie optique Lock-In (OLT) : Principe 2 Amplitude Phase A= [T1 − T3 ] + [T2 − T4 ] 2 2 T4 − T2 T1 − T3 φ = tan −1 phase de l’onde thermique est différente à l’endroit du défaut 45 Thermographie • Thermographie optique Lock-In (OLT) : Résultats Thermogrammes de phase 𝑓𝑓=0.01 Hz Contraste important pour défauts profonds 𝑓𝑓=0.05 Hz 𝑓𝑓=0.1 Hz Contraste important pour défauts peu profonds 𝑓𝑓=0.5 Hz Faible contraste pour défauts profonds 46 Thermographie • Optical Pulse Thermography (OPT) : Principle zd 2 td ≈ α zd: profondeur défaut α : diffusivité thermique 47 47 Thermographie • Pulse Phase Thermography (PPT) Maldague X. and Marinetti S., J. Appl. Phys. 79, 2694 (1996) 𝑁𝑁−1 𝐹𝐹𝑛𝑛 = ∆𝑡𝑡 � 𝑇𝑇 𝑘𝑘∆𝑡𝑡 𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒 −𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗𝑗/𝑁𝑁 = 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 + 𝑗𝑗 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑛𝑛 𝑘𝑘=0 𝐴𝐴𝑛𝑛 = 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛2 + 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑛𝑛2 𝜙𝜙𝑛𝑛 = 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡−1 𝐼𝐼𝐼𝐼𝑛𝑛 𝑅𝑅𝑅𝑅𝑛𝑛 © Infratec GmbH 𝑛𝑛 𝑓𝑓𝑛𝑛 = 𝑁𝑁 Δ𝑡𝑡 𝑓𝑓 : basse (n petit) 𝑡𝑡 : élevé 𝑧𝑧 : profond 𝑓𝑓=0.0125 Hz 48 𝑓𝑓=0.25 Hz 48 Combinaison thermographie-holographie • Interférométrie de speckle infrarouge t=t1 : Sp ( x, y ) = ITh ( x, y ) + I R ( x, y ) + I O ( x, y ) + 2 I R ( x, y ) I O ( x, y ) cos (φR ( x, y ) − φO ( x, y ) ) t=t2 : Sp '( x, y ) = I 'Th ( x, y ) + I R ( x, y ) + I O ( x, y ) + 2 I R ( x, y ) I O ( x, y ) cos (φR ( x, y ) − φ 'O ( x, y ) ) Laser OFF Laser ON Sp ( x,.) ,.) I (x Rayonnement thermique ITh ( x, y ) Hologramme/Specklegramme Combinaison thermographie-holographie • Interférométrie de speckle infrarouge Phase mod 2π Phase déroulée Plot 3D de déformation Variation de température Combinaison thermographie-holographie • Application 3: Détection de défauts sur site industriel Les Ultrasons par Laser 52 Les ultrasons classiques Temps de Vol Pulse initial τ Echo temps Temps τ Mesure d’épaisseur Distance du défaut Attenuation Pulse initial Echo A-Scan © http://www.advanced-ndt.co.uk temps Changement de matériau Changement de densité Changement d’épaisseur… 53 Les ultrasons classiques Contact direct Gel couplant Jet d’eau Piscine + scan X-Y 54 Les ultrasons par Laser • Technique sans contact • Combinaison de deux principes Génération d’Ultrasons par LASER Détection d’Ultrasons par LASER Sonde Fabry-Perot thermoélastique ablatif Efficacité de génération dépend de Du matériau La longueur d’onde du laser La densité d’énergie de l’impulsion (en restant < seuil d’ablation) CO2-TEA : 10.6 µm YAG : 1064-532 nm OPO : 3.2-3.5 µm composites Sonde Two-Wave Mixing 55 Les ultrasons par Laser • Systèmes industriels LUCIE (Tecnocampus, Nantes) LUIS (commercialisé par UltraOptec puis TECNAR) Lockheed Martin (USA) www.tecnar.com www.iphoton.com … 56 Les ultrasons par Laser • Systèmes industriels CTA Montreal - Generation : pulsed CO2 laser (10.6 µm) - Detection : pulsed YAG laser (1064 nm) - Probe TWM - repetition rate : 100 Hz - Laser Spot : 2 mm - Scanning step : 0,5 mm - manufacturer TECNAR 57 Les ultrasons par Laser • Premiers essais sur nos échantillons CTA Montréal 58 Les ultrasons par Laser • Premiers essais sur nos échantillons C-Scan Temps de vol C-Scan Amplitude 59 Les ultrasons par Laser • Premiers essais sur nos échantillons CTA Montréal C-Scan Temps de vol C-Scan Amplitude 60 Les ultrasons par Laser • Développement Ultrasons Laser au CSL : Détection – Laser PDL Tecnar avec sonde TWM – Flexibilité OK 10 m de fibres optiques – Longueur d’onde : 1064 nm Les ultrasons par Laser • Développement Ultrasons Laser au CSL : Génération – Laser Ultra 50 de Quantel – Fibre optique spéciale – Longueur d’onde : 532 nm 0,04 A-Scan 0,03 0,02 0,01 0 -0,01 -0,02 -0,03 -0,04 -0,05 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00 time (µs) Les ultrasons par Laser • Couplage des deux systèmes Les ultrasons par Laser • Développement d’une installation d’inspection robotisée – Essais sur éprouvettes planes et trous à fond plat – Balayage robot simplifié (X-Y) – Traitement simple des signaux B-Scan 1 2 3 Les ultrasons par Laser • Développement d’une installation d’inspection robotisée – Inspection d’échantillons complexes C-Scan Amplitude C-Scan Time of Flight Carte des défauts sous différents angles
