MEC-761 Essais mcaniques et contrle non destructif 10 Holographie et shearographie (ST)
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MEC-761Essais mcaniques et contrle non destructif
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Introduction La shearographie, que lon nomme parfois interfromtrie de
speckle ddoublement latral ou cisaillographie, permetdeffectuer, en temps rel, des mesures optiques de haute prcision(sans contact) de la dformation dun objet sous leffet dunecontrainte.
Elle sappuie sur lutilisation: dun laser monochromatique qui produit une lumire cohrente; dune source de dformations base sur des contraintes thermiques,
pneumatiques, vibratoires, etc. La slection de la mthode de sollicitationdpend du type de dfaut recherch et de la profondeur de ce dfaut;
dun support optique qui permet lenregistrement, la lecture et le traitementdes images (figures de speckle) obtenues de lobjet dans une configurationde rfrence de mme que sous leffet de contraintes.
Le rsultat des mesures est prsent sous forme dimages quicomportent des patrons dinterfrence associs aux dformationsde lobjet contraint. Ces images peuvent galement tre traitespour afficher une vue tridimensionnelle de ces dformations.
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Configuration standard
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Principe de base
Mtrologie optique
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Vision stroscopique
Perception de la profondeur du sujet grce la visionbinoculaire Le cerveau interprte les diffrences
entre les images captes par les deuxyeux et en dduit la position despoints A et B dans lespace.
Cest langle entre les deux trajetslumineux (a ou b) qui dtermine ladistance de lobjet. Plus langle estaigu, plus lobjet est loign.
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Photographie
Enregistrement de lamplitude (intensit) des ondeslumineuses rflchies par lobjet
Ne permet pas une visualisation tridimensionnelleprcise de lobjet parce que linformation sur laprofondeur est absente de la photographie Une visualisation 3-D
requiert lenregistrementde la phase des ondeslumineuses
2
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Interfrence entre deux ondes L'onde rflchie la surface de la pice est dphase
d'un angle par rapport l'onde rflchie par la lamede verre.
Si est un multiple entier de 2, les deux ondesinterfrent constructivement. Si est un multiple impairde , les deux ondes interfrent destructivement.
Lorsque d varie d'un point l'autre sur la pice, il y adonc formation de franges d'interfrence (alternance delignes claires et lignes sombres) dans l'image.
lame optique plane
pice inspecte
d22
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Interfrence avec une onde de rfrence
Procd qui permet de convertir la phase dune ondeen un signal damplitude
2 0 1 cosRj jR RI A e A e I Amplitude qui dpend
directement de la diffrence de phase entre les deux ondes
Onde objet
Onde de rfrence
0
220
2IAA
AAI
R
R
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Diffrentes techniques de mtrologie optique
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Enregistrement dun hologramme
Source lumineuse mono-chromatique et cohrente
Lobjet diffuse la lumirequil reoit
Superposition de londede rfrence et de londeobjet: enregistrement defranges dinterfrence surle support photosensible
De faon rduire le floude l'enregistrement, toutesles composantes dusystme doivent restesstables.
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Restitution dune image 3-D clairage de lhologramme avec
londe de rfrence (mme angle,mme distance que lors delenregistrement)
Lhologramme diffracte londe derfrence de faon produire uneonde objet identique celle ayantservi lors de lenregistrement
Pour lobservateur,tout se passecomme si lobjettait prsent
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Interfromtrie holographique
Superposition de deux imagescohrentes:
Hologramme de l'objet prala-blement enregistr
Image de l'objet aprsdformation
Cration d'un patron d'interfrences permettant de mesurer la dformation de l'objet
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Interfromtrie holographique
Un hologramme de la piceest enregistr.
On projette cet hologrammesur la pice que lon soumet une contrainte.
On peut alors voir lesdiffrences dimensionnellesentre la pice dforme etl'hologramme de rfrence.
Les franges d'interfrence secomparent des isolignesdcrivant l'amplitude de ladformation de la pice.
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Rsultats dune interfromtrie
Les changements entre les tats dune pice se traduisent par desirrgularits dans les franges de lhologramme.
Chaque frange reprsente une dformation dune demie longueurdonde la surface de la pice inspecte. La densit des frangesindique le gradient de la dformation.
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ESPI (Electronic Speckle Pattern Interferometry)
Le faisceau dun laser est expans pour illuminer la rgiondintrt la surface de la pice inspecte;
La lumire est diffuse par la rugosit de la surface illumine;
Une figure de speckle est forme par linterfrence des ondesayant suivi diffrents parcours optiques;
La figure de speckle est combine de faon cohrente unfaisceau de rfrence issu du mme laser. Le rsultat (uneautre figure de speckle) est enregistr grce une camra;
De telles images sont enregistres avant et aprs dformationde la pice;
La soustraction de ces images rsulte en des frangesdinterfrence qui contiennent linformation quant ladformation de la surface de la pice.
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Figure de speckle
Chaque pixel dune figure de speckle rsulte de linterfrence entre toutes les ondes qui secombinent en un point D quelconque, dans le plan de limage. tant donn que chacuneemprunte un parcours SPD de longueur diffrente, leur phase diffre. La dimension latralemoyenne des grains est de lordre de:
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(granularit laser)
iP
kP
jP
Figure de speckle
:::
Longueur d'onde de la lumireDistance entre la pce et le plan de l'imageDiamtre de la surface claire
d
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Configuration ESPI
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Shearographie
Le faisceau dun laser est expans pour illuminer la rgiondintrt la surface de la pice inspecte;
La lumire est diffuse par la rugosit de la surface illumine;
Une figure de speckle est forme par linterfrence des ondesayant suivi diffrents parcours optiques;
La figure de speckle est combine de faon cohrente unecopie delle-mme dplace latralement. Le rsultat (uneautre figure de speckle) est enregistr grce une camra;
De telles images sont enregistres avant et aprs dformationde la pice;
La soustraction de ces images rsulte en des frangesdinterfrence qui contiennent linformation quant la driv dela dformation de la surface de la pice.
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Configuration standard
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Pice inspecte
Miroir de rfrence
Miroir de ddoublement
Camra CCD
Sparateur de faisceau
Ddoublement latral
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Plusieurs dispositifs peuvent tre utiliss pour ddoubler une figure de speckle. Dans la figureci-haut, un interfromtre de Michelson est schmatis parce que son fonctionnement estclairement illustr par un schma: la distance de ddoublement est contrl par une lgrerotation du miroir de ddoublement. La combinaison cohrente des deux figures de specklersulte en une autre figure de speckle dans laquelle lintensit de chacun des pixels est donnepar:
00:
1 cos ::
Intensit moyenne de la figureContrastePhase alatoire
II I
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Effet de la dformation
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Lorsque la surface inspecte est lgrement dforme par lapplication dune contrainte, lalongueur des parcours optiques change. La nouvelle figure de speckle obtenue possde donc lamme intensit moyenne et le mme contraste. Par contre, la phase des ondes est affecte parla variation de la longueur des parcours optiques:
0
0
::
1 cos::
Intensit moyenne de la figureContrastePhase alatoireModification de la phase en raison de la dformation
I
I I
S
D
Plan de limage
Pice inspecte
Source laser
Dformation
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Soustraction des figures
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0
0
0
0 0
1 cos
1 cos
cos cos
cos cos 2 sin sin2 2
d
d
I I I
I
I
I
I I I
speckle franges
dinterfrence
2 42
:
:
:
o
dformation de la surface
drive spatiale de la dformation
distance du ddoublement
zz xx
zzxx
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Dveloppement de la phase
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(phase unwrapping)
est une fonction continue dans lespace
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Traitement des images
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Contraintes: Pneumatique Thermique Statique Vibratoire
Camra shearographique
Speckle de la pice dforme
Speckle de la pice sans contrainte
Soustraction des figures
Filtrepasse-bas
Reconstruction 3D
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Shearographie
valuation de la drive spatiale de la dformation selon ladirection du cisaillement
Permet ainsi d'liminer les dplacements d'ensemble de lapice examine
Dformation Drive de la dformation
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Comparaison
La shearographie et lESPI permettent des mesures en tempsrel alors que linterfromtrie holographique demande ledveloppement dun support holographique.
La figure de speckle obtenue par shearographie tend avoir uncontraste plus faible que celle obtenue par ESPI. En effet, enshearographie on combine deux figures de speckle alors quenESPI, on combine une figure de speckle un faisceau derfrence.
La shearographie lavantage de mesurer la drive spatiale dela dformation et non la dformation elle-mme (interfromtrieholographique et ESPI). Cette diffrence fait en sorte que lashearographie est moins sensible aux vibrations (un seul trajetoptique) et peut fonctionner avec de plus faibles longueurs decohrence.
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quipements disponibles
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Laser
Afin de permettre la gnration de frangesdinterfrence, le laser se doit dtre monochromatiqueet cohrent (spatialement et temporellement). Lasers mission continue (Laser gaz )
Plus couramment utiliss Lmission donde est obtenue par une dcharge lectrique
dans un tube remplie de gaz (hlium-non, argon, krypton) Lutilisation dun banc antivibratoire est ncessaire
Lasers pulss (Lasers rubis et Lasers YAG) Le milieu actif est un cristal Possibilit de travailler sur le site industriel car limpulsion de
lumire est de courte dure (quelques nanosecondes)
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Films holographiques
Medium: Sels dargent (photos rgulires) Glatines dichromatique: 5000 lignes/mm (laboratoires
seulement) Photoresists (polymres sensibles au rayonnements):
442 nm 458 nm Photo-thermoplastiques: dans tout le spectre visible Etc.
Enregistrement sous forme de: variation de densit optique (hologramme d'amplitude) variation d'indice de rfraction (hologramme de phase)
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Camra CCD
Muni dun systme optiquede ddoublement: limagede lobjet est projet deux reprises sur lamatrice de dtecteurs
cran
laser
Miroir semi-transparent
Miroirs
Interfromtre de Michelson
Bi-prisme de Fresnel
Paire de plaques de verre
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Camra CCD
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Dantec Dynamics A/S. 2012. http://www.dantecdynamics.com et isi-sys. 2012. < www.isi-sys.com/ >
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Systmes commerciaux
Dantec Dynamicshttp://www.dantecdynamics.com/Default.aspx?ID=665
Isi-Syshttp://www.isi-sys.com/html/shearography/non-destructive_testing/ndt_ndi.html
Laser Technology Inc.http://www.laserndt.com/members/index.htm
Optonorhttp://www.optonor.no/default.aspx
Steinbichler Optotechnikhttp://www.steinbichler.de/en/main/shearography___ndt.htm
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Sources de dformation
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Contraintes non destructive Pneumatique
Chambre de dpression Dfauts non dbouchant seulement
Thermique Faible variation de temprature, quelques degrs Celsius Dilatation de la pice qui peut engendrer la formation de
franges dinterfrences
Statique
Vibratoire Le contrle dune pice complexe ncessite la
comparaison avec une pice sans dfaut La visibilit du dfaut croit avec la frquence
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Chambre vide
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Hotte sous vide
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Structure lamine en fibres de verreDlamination entre la matrice et le noyau de mousse expanse
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Rservoir en composite
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Systme shearographique robotis
Rservoir pressuris
Diagonale de limage: 200 mmSurface du dfaut: 8x8 mm2
Rservoir de carbone-poxy utilis dans le vhicule automatique de transfert (ATV)de lagence spatiale europenne
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Contraintes thermiques
Lampes halognes
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Contraintes thermiques
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Dlaminations de diffrentes dimensions et profondeurs dans une poutreen composite
a) Shearogramme obtenue aprs une impulsion thermique de quelquessecondes.
b) Images traites numriquement (filtre, dveloppement de la phase, ).
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Vibration
Utilisation d'un actuateur pizolectrique
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Vibration
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20180 Hz
Les modes de rsonancedu dfaut se superposent ceux de la pice dansson ensemble;
On balaie la frquencedexcitation du systmeafin de faire apparatreles diffrents modes dersonance;
Exemple dune tuilethermique dun vhiculede secours spatial X38(NASA);
Prsence dune dlamination au centre de la tuile;
basses frquences, les modes de rsonance de la tuileapparaissent. Ceux de la dlamination apparaissent autourde 20 kHz.
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Applications typiques
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Dtection de dfauts de collage contrainte pneumatique Contrainte pneumatique fr-
quemment utilise Les dfauts contiennent le plus
souvent de lair ou un gaz
La variation de pression dans lachambre est trs importante, carsi elle est trop leve desfranges dinterfrences parasi-tes apparatront.
La cause de lapparition de cesfranges est la modification delindice de rfraction de lairdans la chambre de dpression.
Pression = .116 psi = 8 mbar
Pression = 2.901 psi = 200 mbar
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Dtection de dfauts de collage contrainte pneumatique (a) Pice soumis a
dpression 1 bar(14.5 psi)
(b) Centrifugationpralable 21 000tr/min
(c) Centrifugationpralable 34 650tr/min
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Dtection de dfauts de collage contrainte thermique
Mme chantillon mais avec lapplication dune contrainte pneumatique
Efficacit de la contrainte pneumatique
Contraintethermique
Contraintethermique plus leve
Contraintethermique encore
plus leve
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Dtection de dfauts de collage contrainte vibratoire (a) Pice sans dfaut de
collage (983 Hz)
(b)Pice avec un dfaut de collage (983 Hz)
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Dtection de fissures Contrle de la propaga-
tion fissures de fatigue. Des fissures dans une
pice changeront le modevibratoire de celle-ci.
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Pale de rotor - hlicoptreChambre vide de 10 m de longDpressurisation de 5 kPa
Dformations de quelques microns
Inspection d'une surface de 600 mm x 800 mm la fois
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Pale de rotor - hlicoptre
Dlamination Transition structurelle Fissure
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Pale d'olienne
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Dantec Dynamics A/S. 2012. Shearography - NDT . < http://www.dantecdynamics.com/ >.
Endommage par un clair
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Averse de grle
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Dommages sur un yacht
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tendue des dommages la coque de yacht en utilisant descontraintes vibratoires
isi-sys. 2012. Interferometry, stroboscopy and inspection systems . < www.isi-sys.com/ >.
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Pneu
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Autres applications
Dfauts dtects Dlamination ou dcollement Fissure Porosit de surface
Domaines d'application Matriaux composites (structure en nid d'abeille,
composite matrice d'poxy, structure multi-couche, )
Matriaux flexibles (plastique, mtal en feuille,caoutchouc, )
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Autres applications
tude des modes de rsonance dans unestructure (analyse modale);
Mesure de l'paisseur d'un revtement encours de dposition;
Analyse des variations de densit de l'air (parexemple, autour d'un profil arodynamique).
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Avantages Mesure sans contact qui ne requiert pas de prparation de
surface; Permet de dtecter des dplacements de lordre de quelques
nanomtres (une fraction de la longueur d'onde de la lumire)entre deux tats dun objet. Ne requiert que de faiblescontraintes;
Permet une visualisation en temps rel de toute la surface dunepice (ne requiert pas de balayage);
Ne requiert aucun consommable (films, produits chimiques,marqueurs, );
Peut tre applique n'importe quel matriau, de n'importequelle dimension condition que la pice puisse tre mise souscontrainte.
MEC-761 Essais mcaniques et contrle non destructif 10 Holographie et shearographie (ST)
MEC761 - Martin Viens, prof.Dpartement de gnie mcaniqueProgramme de baccalaurat
Le gnie pour l'industrie
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Dsavantages Lutilisation de lasers puissants impose des mesures de
scurit spcifiques; Requiert une surface hautement rflective qui diffuse la
lumire incidente. Un revtement est parfois ncessaire; La pice ou la structure doit tre contraint pour mettre les
discontinuits en vidence; Linterprtation des rsultats est quelque peu subjective (
moins de traiter les images afin de, entre autre,dvelopper la phase des patrons d'interfrence);
Localise un dfaut mais ne quantifie pas sa dimension, sagomtrie et sa profondeur. Seul laspect qualitatif desrsultats est habituellement utilis car, pour quantifier lesdformations de faon absolue, des informations et uneanalyse additionnelles sont requises.