La photomécanique - Des techniques de mesure sans contacts

La photomécanique est un ensemble de méthodes de mesure basées sur des prises d’images et leur analyse informatique qui permet de mesurer sans contact la déformation ou la température d’un matériau. Jean-José Orteu, chercheur à IMT Mines Albi en vision artificielle pour la photomécanique, le contrôle et la surveillance, nous explique les principes des méthodes de photomécanique, utilisées notamment dans de grandes industries (aéronautique, automobile ou nucléaire) pour l'étude du comportement et le contrôle des matériaux et des structures.

Qu’est-ce que la photomécanique ?
On peut définir la photomécanique comme l’application de mesures optiques à la mécanique expérimentale, et, plus précisément, à l’étude du comportement des matériaux et des structures. Les techniques qui ont été développées visent à mesurer la déformation des matériaux, ou leur température. La photomécanique est une discipline relativement jeune, qui existe depuis environ une trentaine d’années. Elle s’appuie sur une dizaine de techniques de mesures différentes qui peuvent s’appliquer à l’échelle nanométrique comme à l’échelle d’un avion, sur des systèmes statiques ou dynamiques. Sur cette dizaine de techniques, deux se sont majoritairement imposées : la méthode de corrélation d’images numériques, ou digital image correlation (DIC) pour mesurer les déformations, et la thermographie infrarouge pour la mesure des températures.

Comment ces deux techniques se mettent-elles en œuvre ?
Concrètement, pour la DIC, on positionne une ou plusieurs caméras devant un matériau : une seule pour un matériau plan qui subit une déformation plane, plusieurs dans le cadre d’une mesure sur un matériau dont la forme est en trois dimensions. Les caméras vont filmer le matériau tandis qu’il se déforme sous l’effet d’une sollicitation mécanique et/ou thermique. Une fois la prise de vue effectuée, on calcule la déformation du matériau à partir de la déformation des images obtenues : si le matériau se déforme, alors son image aussi. C’est cette déformation que l’on mesure par traitement informatique, et que l’on extrapole au matériau.

C’est une méthode dite en lumière blanche, car le matériau est éclairé par une lumière non-cohérente, fournie par un éclairage standard. D’autres techniques de photomécanique plus complexes nécessitent d’éclairer le matériau avec un laser : ce sont les méthodes dites interférométriques. Elles sont utiles lorsque l’on veut mesurer très finement des déplacements de l’ordre du micromètre voire du nanomètre

La deuxième technique la plus utilisée en photomécanique est la thermographie infrarouge, pour mesurer les températures. C’est le même procédé que la technique DIC, avec d’abord une acquisition d’images, en infrarouge, puis un traitement informatique de ces images pour trouver la température du matériau observé. Calculer une température à partir d’une image n’est pas évident. Il faut tenir compte des propriétés thermo-optiques du matériau et de l’environnement de mesure. Avec toutes ces techniques, on peut analyser l’évolution dynamique de la déformation ou de la température. C’est donc une analyse à la fois spatiale et temporelle du matériau.

Quel est l’intérêt des mesures optiques par rapport aux autres méthodes de mesure ?
Traditionnellement, lorsque l’on mesure les déformations d’un matériau, on utilise une jauge de déformation.  C’est un capteur collé ou soudé à la surface du matériau qui donne une indication ponctuelle sur sa déformation. Cette jauge doit être la moins intrusive possible, et ne doit pas modifier le comportement de l’objet. La même problématique se pose pour la mesure de la température. Les techniques traditionnelles utilisent un thermocouple, un capteur de température également soudé à la surface du matériau. Lorsque les capteurs sont de très petites tailles par rapport au matériau, ils sont peu intrusifs et ne posent donc pas de problème. Mais il y a des applications pour lesquelles l’utilisation de capteurs avec contact est impossible. Par exemple, nous avions travaillé à IMT Mines Albi sur la déformation d’un parachute lorsqu’il se gonfle. Sauf que la toile était constituée d’une membrane dont l’épaisseur est de l’ordre de quelques micromètres. Une jauge aurait été difficile à coller, et aurait fortement perturbé le comportement du matériau. C’est dans ce genre de cas que la photomécanique s’avère indispensable, puisqu’elle ne nécessite aucun contact avec l’objet.

Enfin, aussi bien la jauge que le thermocouple n’amènent qu’une information ponctuelle, uniquement à l’endroit où le capteur a été collé. Dix centimètres à côté, vous n’aurez pas d’information. Or le problème en mécanique, c’est que, la plupart du temps, on ne connait pas a priori l’endroit où l’on aura besoin de connaître la déformation ou la température. Le risque est alors de ne pas souder ou coller les capteurs  aux endroits où la déformation ou la température sont les plus pertinentes. Les méthodes optiques donnent quant à elles une information de champ : un champ de déformation ou un champ de température. On va donc pouvoir visualiser toute la surface du matériau et les endroits où la déformation ou le gradient de température est plus important.

Source : blogrecherche.wp.imt.fr/