10_Holographie & shearographie

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

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.




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




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.




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




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




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




Soustraction des figures

Page 22

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




Dveloppement de la phase

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(phase unwrapping)

est une fonction continue dans lespace




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




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




Camra CCD

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Dantec Dynamics A/S. 2012. http://www.dantecdynamics.com et isi-sys. 2012. < www.isi-sys.com/ >




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




Hotte sous vide

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Structure lamine en fibres de verreDlamination entre la matrice et le noyau de mousse expanse




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




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




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.




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




Pale d'olienne

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Dantec Dynamics A/S. 2012. Shearography - NDT . < http://www.dantecdynamics.com/ >.

Endommage par un clair




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.




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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.

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