EP2232248A1 - Procede et dispositif de mesure de l'effusivite thermique d'une surface d'etude - Google Patents

Procede et dispositif de mesure de l'effusivite thermique d'une surface d'etude

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EP2232248A1
EP2232248A1 EP08856900A EP08856900A EP2232248A1 EP 2232248 A1 EP2232248 A1 EP 2232248A1 EP 08856900 A EP08856900 A EP 08856900A EP 08856900 A EP08856900 A EP 08856900A EP 2232248 A1 EP2232248 A1 EP 2232248A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tip
temperature
transducers
tips
counter
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08856900A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Nikolovski
Sylvain Bouchigny
Moustapha Hafez
Emir Vela Saavedra
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP2232248A1 publication Critical patent/EP2232248A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/07—Analysing solids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2437—Piezoelectric probes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2291/00—Indexing codes associated with group G01N29/00
    • G01N2291/04—Wave modes and trajectories
    • G01N2291/042—Wave modes
    • G01N2291/0427—Flexural waves, plate waves, e.g. Lamb waves, tuning fork, cantilever

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for measuring the thermal effusivity of a study surface.
  • the technical field of the invention is that of man-machine sensory interfaces in the form of artificial fingers or feelers for the characterization of a heat exchange between different thermal effusivity materials on a millimeter square scale. It is also that of local ultrasound at the scale of one cubic centimeter for thermal and acoustic imaging applications in the field of virtual reality, robotics, non-destructive testing. Finally, it is that of medical imaging screening for osteoarthritic processes or skin cancer.
  • the thermal conductivity ⁇ of a material describes the ability of this material to conduct heat, while the effusivity of a material (in J. m- 2, k- 1) . s "0 ' 5 ) is its ability to exchange thermal energy with its environment
  • the Touchau method developed by Pierre VERNOTTE in 1937 for measuring the thermal conductivity of insulators, is based on the measurement of the thermal relaxation time of a mass of high conductivity thermal by means of a thermocouple.
  • This mass cylindrical in shape, previously heated to a temperature above room temperature is brought into contact with a test body at room temperature over an area of about one square centimeter. Since the temperature difference is known, the thermal relaxation time of the measuring mass depends only on the effusivity of the test body. This method therefore makes it possible to measure averaged effusivities on a surface.
  • the accuracy of the measurement is limited by the quality of the thermal contact between the mass and the test body and by ensuring a decrease in temperature due solely to heat exchange with the test body and not with the 'ambiant air.
  • the mass used for the measurement is isolated from the ambient air by means of a mass of guard initially heated to the same temperature as this one and sensible to cool by contact with the test body at the same speed as the measuring mass.
  • the guard mass actually exchanges heat with the ambient air and cools faster than the measuring mass, which ultimately influences, after a long duration, the relaxation time of the mass measurement.
  • the flat face of the measuring mass requires special attention to be perfectly in contact with the test body.
  • this Touchau method has been improved and successfully applied to the characterization of burns.
  • This apparatus adapted to the non-destructive industrial control, comprises the following elements: a) a probe, or "Touchau", comprising a measurement mass of which all the faces, with the exception of the face of contact with the test body are surrounded by an integral guard mass, but thermally insulated from said measuring mass, a thermometric probe whose active part is inserted into the measuring mass and means for displaying the measured temperatures and a differential thermometric probe for measuring the measured mass.
  • the temperature of the guard mass is controlled by that of the measuring mass.
  • the errors related to the thermal coupling resistances between the measuring mass and the test body are reduced by interposing between the two materials an elastomeric film loaded with a good thermal metal powder and by controlling the contact pressure between the two. materials conditioning the crushing of this elastomer, by means of a pneumatic cylinder.
  • the referenced document [2] describes an acoustic technique for determining thermal transport parameters, thermal diffusivity, effusivity, conductivity, and the heat capacity of paint layer on different media.
  • the document referenced [3] shows how it is possible to realize, on the one hand, a broadband probe consisting of a flexural wave tip and how, on the other hand, this tip can be used to analyze the polarization of a wave propagating in an object of test and arriving in oblique incidence on the surface of the object.
  • This document also characterizes conical and parabolic profiles vis-à-vis the reflection coefficient at the end of the tip in free tip situation or loaded by a flat surface.
  • the notion of radiation impedance is defined and is used to characterize the reflection of a bending wave at the tip end. This document does not speak of heating and the effect of heat transfer between a heated acoustic tip and a test surface on the round-trip transit time of a wave packet propagating in the tip.
  • the document referenced [4] shows the influence that the vibration of a tip, in particular the direction of its vibration, can have on the nature of the acoustic wave generated in a test body, in particular the propagation modes generated. in a plate and how one can exploit the coupling properties between a tip and a plate to realize a two-dimensional position detector of the position of the tip on the plate.
  • This document deals only with acoustic coupling and in no case with thermal coupling, much less with the effect of a thermal coupling on acoustic propagation inside a tip.
  • the known art methods used to characterize contact effusivity assume flat surfaces and long relaxation times. They neglect contact resistances and neglect the effects of heat confinement due to a finite lateral extent of the interface. They use thermocouples to measure the temperature. These methods depend on several parameters:
  • the object of the invention is to solve such a technical problem by proposing a method and a measuring device comprising at least one tip making it possible to measure the thermal effusivity of a small volume of a surface with a short response time. study of the order of one cubic millimeter, from one or more brief and successive contacts of different durations between this at least one tip and this study surface.
  • the invention relates to a method for measuring the thermal effusivity of at least one volume of a study surface, in which at least one contact of predetermined duration is made between at least one known thermal effusivity peak, subject to at its base at a first temperature Tb, and this study surface at a second temperature Ta less than the first temperature Tb, and the heat exchange is measured between this at least one tip and this study surface, characterized in that that the round-trip time of at least one bending acoustic wave propagating within this at least one point is measured, until its free end comes into contact with the study surface, a variation in transit time following a temperature variation in the vicinity of this end.
  • the duration of the contact is between a few tens of milliseconds and a few tens of seconds. Peaks are selected in a thermal effusivity material greater than 10 000 J. m "2 .k ⁇ .s" 0 '5.
  • conical profile peaks when the area of study is a thermal effusivity material exceeding 2 500 J. m "2. K" 1. s ⁇ 0 ' 5 .
  • Parabolic profile tips are chosen when the study surface is made of a thermal effusivity material greater than 2500 J / K / M 3 .
  • an interface temperature is chosen between the tip and the test surface, for contact durations longer than 10 seconds, located halfway between the ambient temperature and the end temperature of the tips, in the absence of contact .
  • thermogram which gives a variation in the transit time of the ultrasonic waves emitted from the base of the tips as a function of the duration of the touch.
  • the invention also relates to a device for measuring the thermal effusivity of at least one volume of a study surface, characterized in that it comprises at least one tip, for example a matrix of tips, of effusivity thermal sensor, arranged on a base forming an acoustic cavity, and means for sequentially probing each tip by selective excitation of acoustic bending waves, and measuring the transit time of the return of at least one bending acoustic wave propagating inside this at least one tip.
  • a device for measuring the thermal effusivity of at least one volume of a study surface characterized in that it comprises at least one tip, for example a matrix of tips, of effusivity thermal sensor, arranged on a base forming an acoustic cavity, and means for sequentially probing each tip by selective excitation of acoustic bending waves, and measuring the transit time of the return of at least one bending acoustic wave propagating inside this at least one tip.
  • each tip is covered with an elastomer layer loaded with fine metal particles which are good conductors of heat.
  • the device of the invention comprises an array of P piezoelectric transducers, excited by amplitude and phase delay laws. At least one of the transducers P can operate alternately in transmission and reception. The tips are glued by their base to the acoustic cavity. The P transducers form a closed enclosure, surrounding the matrix of points.
  • the distance separating two adjacent transducers is less than half a wavelength.
  • the base diameter of each tip is less than half a wavelength.
  • the tips are at least half a wavelength apart.
  • the device of the invention comprises a base formed by an isotropic metal plate whose edge is covered with a coating that absorbs and damps the incident waves, a heating surface bonded to the opposite face of the plate wherein is glued the tip matrix, the P transducers, surrounding the matrix of tips, being connected using solder microwires to a printed circuit.
  • the device of the invention comprises a base forming an ergodic chaotic cavity.
  • the device of the invention comprises a main quartz clock, operating at a few tens of megahertz and supplying a main counter determining the times of excitation of the emitter transducer (s) and the start of a time converter.
  • Digital Time Domain (TDC) less than a nanosecond and a fast comparator.
  • the device of the invention offers the possibility of being able to image surfaces or coatings characterized by effusivity or non-uniform conductivity.
  • the device of the invention is suitable for controlling flexible or slightly deformable materials, such as skin, polymers, paints. In the presence of a layer of elastomer adaptation it also allows the control of hard materials.
  • the device of the invention When the device of the invention is in permanent contact with the study surface, it can be used as an ultrasound imaging device for mechanical impedances and volume thermal impedances for volumes of the order of one cubic centimeter.
  • FIG. 1A illustrates signals measured with the device of the invention, using a tapered tip shown in Fig. 1B.
  • FIG. 2A illustrates signals measured with the device of the invention, using a paraboloid shaped tip shown in Figure 2B.
  • FIG. 3 illustrates an exemplary embodiment of the device of the invention in the case of a deaf cavity.
  • FIG. 4 illustrates the realization of a thermal echo effusivity imager according to the invention, in a view from above.
  • FIG. 5 illustrates the possibility of reducing the number of transducers, using an ergodic chaotic cavity.
  • FIG. 6 illustrates the principle of addressing a tip in a spike matrix of the device of the invention.
  • FIG. 7 illustrates the block diagram of an electronic circuit for exciting and measuring the thermal effusivity imager according to the invention.
  • FIG. 8 illustrates a detection of the zero crossing in the electronic circuit illustrated in FIG. 7.
  • the method of the invention is a method for measuring the thermal effusivity of at least a small volume of a study surface, in which:
  • At least one contact of predetermined duration is made between at least one known thermal effusivity tip, subjected to its base at a first temperature Tb, and this study surface at a second temperature Ta less than the first temperature Tb,
  • the heat exchange between this at least one tip and this study surface is measured by measuring the round-trip transit time of at least an acoustic bending wave propagating inside this at least one point up to its free end brought into contact with the study surface, a variation of transit time following a temperature variation in the vicinity of this end.
  • the device of the invention makes it possible to implement this method, comprises at least one tip, for example a matrix of tips, of known thermal effusivity arranged on a base having a high thermal conductivity, forming an acoustic cavity, means to bring this at least one point to the first temperature Tb at its base, this temperature being higher than the temperature Ta of the study surface, with which all the points are brought into contact, and sequential sounding means of each of these points by selective excitation of acoustic bending waves.
  • Heat Exchange The method of the invention is a method of characterizing a heat exchange according to a different approach to that of the Touchau method previously considered.
  • thermocouple It is based on an ultrasonic technique, faster than a thermocouple, to access the temperature of the measuring mass, in the immediate vicinity of the interface and to characterize the thermal properties, in combination with the acoustic properties of this mass at a scale smaller than that of the Touchau method. Moreover, unlike the method of
  • a temperature interface between the tip and the material for a contact time of the order of the second, mid-point temperatures of the tip and the material in the absence of contact.
  • advantageously used tapered tips machined in a material of great thermal effusivity greater than 10 000 J. m "2.
  • K " 1 . s "0 '5 such as copper, brass or Duralumin.
  • a test material generates a strong decrease the temperature in the tip
  • This property of confinement and controlled conduction of heat in the tip makes it possible to generate significant temperature variations and heat exchange processes that can be measured by ultrasonic ultrasound techniques.
  • in contact with a hot tip with a test material causes the transit time of a bending acoustic wave propagating in the tip of several tens of nanoseconds to fall for a few peak lengths. centimeters that can be measured with a precision of the order of one tenth of the nanosecond, better than 1%.
  • the bending waves in the tips are generated by an acoustic vibration in the plane of their base, this base being orthogonal to their axis of symmetry, which gives the direction of the wave vector.
  • a vibration in this base plane can be generated by gluing a piezoelectric transducer vibrating in shear thickness at the base, a damping material being provided on the rear face of the transducer, to limit the duration of the impulse response.
  • Such an arrangement is adapted for operation with a single tip.
  • the acoustic cavity can be a solid solid, good thermal conductor and propagating guided acoustic waves, for example an isotropic plate, on which are glued the tips.
  • This cavity is used to focus a symmetric Lamb wave S 0 , from a network of P transducers disposed around the tips, by exciting this network according to laws of delay.
  • Ultrasound ultrasound can probe the temperature directly at the tip of a tip.
  • the length of the point here is such that one can afford to heat it permanently at its base, because the diffusion time of the heat, from its base to its end, is always longer than the duration of the measurement.
  • the loss of heat from the tip with the ambient air makes its free end slightly colder than the temperature Tb of the base, but always warmer than the temperature Ta of the test body.
  • the use of ultrasound ultrasound of the free tip makes it possible to permanently know the temperature at its end and to characterize thermal transfers over a time scale ranging from a few tens of milliseconds to several tens of seconds.
  • the tip into a guard sleeve insulating it thermally by a thin layer of air, said sleeve being fixed at the level of the base of the tip and covering it up to its free end at a millimeter so as not to be in contact with the test body.
  • the geometry of a tip in the vicinity of the contact is an important parameter in the heat exchange process. Indeed, at identical heights and base diameters, the confinement of heat is much stronger in a conical point than in a parabolic point. Similarly in the case of conical tips, confinement is more important for a smaller apex angle. In the case where the effusivity of the test body was high (greater than 2500 J. m "2. K" 1.
  • a parabolic peak is used which allows the raise the interface temperature and better characterize the heat transfer process.
  • a conical tip with a small angle at the apex e.g. less than 10 degrees
  • This phase change can be used to determine the duration of the contact and to set the transit time in the tip according to the ambient temperature or to determine any wear or deformation of the tip.
  • the device of the invention may comprise a matrix of tips such that the tips may be distributed over a study surface with a density of the order of 1 / mm 2 .
  • the temperature drop at the end of the tips is all the stronger as the effusivity of the test material is greater and the apex angle is smaller.
  • the measurement made is deduced from the reflection conditions of bending acoustic waves generated in bursts in the tips which are reflected at their end.
  • the waves 9 are reflected without phase inversion, while in case of contact with a different acoustic impedance material of radiation, the waves undergo a significant variation of amplitude and / or phase depending the mechanical impedance of radiation charging the end of the tip.
  • FIGS. 1A and 2A illustrate the disturbance of the echo phase inside a Duralumin point in the case of a conical point, illustrated in FIG. 1B, and in the case of a parabolic point, illustrated in FIG. 2B, in Duralumin, brought into contact on the same semi-infinite plane material.
  • Curves I, II and III illustrate this disturbance:
  • the contact of the tips with the study surface causes a drop in temperature of the peaks and therefore a variation of the transit time (VTT) of the ultrasonic waves emitted from the base of the tips.
  • VTT transit time
  • This transit time information is mapped in absolute or relative value, with respect to a temperature of equilibrium and from one point to another and in time.
  • the slope of the thermogram that gives the MTB variation as a function of the touch time, in nanoseconds per second of contact depends on the thermal conductivity, the specific heat and the density of the contact. test body. For long periods, this slope gives the thermal properties in the immediate vicinity of the test body. For long periods of time, this slope gives the thermal properties of the sampled material.
  • the apex angle of the conical tips is small.
  • the ratio between base diameter and peak height is 1/10, which corresponds to a peak angle of 5.7 degrees or a radiation impedance 3000 times lower than that of the same volume material.
  • the base diameter of a conical tip is typically 3 mm and its height h is 30 mm.
  • Exemplary embodiment of the device of the invention Figure 3 illustrates an embodiment of the device of the invention in the case of a cavity "deaf". That is to say, this device comprises a plate 10 for example isotropic and metal whose edge is covered with a coating 11 which absorbs and dampens all the incident waves on the edges of the plate.
  • the plate 10 is heated by contact, using a heating surface 12 bonded to the opposite surface of the plate 10 which is glued a matrix of points 13. It could also be heated by infrared contactless.
  • the distance separating the base of two adjacent points is at least half a wavelength of the bending acoustic wave. It is in practice of 1 or 1.5 wavelengths.
  • P transducers 14 surround the matrix of tips 13. They have a common mass, which is the metal plate. P transducers 14, for example 64, are connected using solder microwires 15 to a printed circuit 16 superimposed on the plate whose function is to bring the signals to the same multipoint connector not shown in the figure.
  • Two adjacent transducers 14 are spaced a distance less than half a wavelength, so that the acoustic field surrounding the tip matrix 13 is perfectly known throughout the space surrounding the tips.
  • the P transducers 14 may, for example, be micro machined from a ring of a piezoelectric ceramic type PZT covered with a silver paste weldable on both sides and locally comprising a return of silvering to access the GND common ground.
  • the ring for example of thickness 0.5 mm, is intimately bonded to the plate, using a high temperature cyanoacrylate resin or curing by ultraviolet radiation or epoxy, possibly conductive.
  • the inner radius of the ring is, for example, 40 mm, while the outer radius is 44 mm.
  • the integrity of the lower electrode is thus preserved and all parts have the same common electrode.
  • the plate 14 can then be made of a non-conductive electrical material, such as glass or silicon.
  • the distance between two adjacent equal parts may be about 200 micrometers.
  • the fundamental radial resonance frequency of the transducer is about 1 MHz.
  • the thickness of the plate 10 is chosen so that the product frequency x thickness is less than 1 MHz. mm.
  • the chosen plate has for example a thickness of 1 mm.
  • Lamb's symmetrical mode wavelength S 0 is close to 6 mm, so that the base diameter of the tips can be 3 mm for a height of 30 mm.
  • the phase velocity of the bending waves at the end of the tips is close to 1000 m / s.
  • the radiation impedance Zr (O) is 3000 times lower than that of a transverse wave in solid Duralumin, but still 20 times greater than that of air.
  • the height of the tips is chosen so large that there is good signal separation between a direct detection by the plate 10, from a transmitting transducer to a receiving transducer, and the echo signal from the tips end. . This separation is effective if the echo arrives 20 microseconds after the direct signals.
  • the points 13 in Duralumin are arranged in the central region of the enclosure, created by the array of transducers. The propagation time in a point (one way) is close to 10 microseconds.
  • the propagation time, from a transducer 14 to the end of a tip 13, is a maximum of 17 microseconds or 34 microseconds back and forth, from a transmitting transducer to the receiving transducer, diametrically opposite.
  • the tips 13 are therefore all successively excited, thanks to the delay laws E 1 It-T 1 , (J) 1 ) where E 1 denotes the amplitude of the pulse applied to the transducer i (1 ⁇ i ⁇ P), T 1 the delay before application of the pulse and (J) 1 , the phase associated with the sinusoidal pulse of the transducer i.
  • E 1 denotes the amplitude of the pulse applied to the transducer i (1 ⁇ i ⁇ P)
  • T 1 the delay before application of the pulse
  • (J) 1 the phase associated with the sinusoidal pulse of the transducer i.
  • the shape of the array of transducers may be arbitrary provided the array forms a closed enclosure surrounding the tip array. It is thus possible, for a more convenient arrangement of the matrix of points, to choose a form of rectangular network, rather than circular. Furthermore, the base of the conical tips may be slightly non-orthogonal to their axis of symmetry, so as to disperse or tighten the ends.
  • the time between two excitations can be at least 34 microseconds.
  • the use of a microcontroller for generation and the loading of the waveforms, the reverberation constant, as well as the signal processing for accurate measurement of the propagation time limits the measurement rate to about 10,000 per second. With a rate of 2,000 shots / sec, it takes 32 ms to scan the entire matrix of tips and obtain a transit time image of 64 points. The device of the invention then offers an acquisition frequency close to 30 images per second.
  • the tip matrix When the material 18, which is to characterize the heat transfer process is soft, the tip matrix is put directly in contact with the latter. This is the case for the pulp of the finger or other soft material such as a gel or a polymer. In the case of a material 18 hard and non-planar, can be inserted between the matrix of tips and the study material, a flexible film good thermal conductor, such as an elastomer loaded with fine metal particles micrometer size.
  • the tip matrix comes into contact with the study material 18, there is acoustic coupling between the emitting tip and the other tips via the study material 18.
  • the tip matrix can then serve as an ultrasound system to probe and image the mechanical impedance breaks inside the study material.
  • the imaging then consists in representing in gray scale or in colors the amplitude of the signal or its relative amplitude and / or phase variations for all the points of the matrix, at a given moment or on a window given time for all peaks or time windows shifted by a predetermined time from one point to the other, the signal being transmitted in the material from one or more focus points and detected by the other points switched in receive mode .
  • the tip matrix can, according to the Huygens-Fresnel principle, be excited to probe specific regions in the study material. For this, several points can be excited simultaneously by superposition of signals. Controlling the direction of the polarization vector can also be advantageously exploited to probe directionally particular regions of the material. It is thus possible to use the device of the invention for probing the epidermis or the joints of the hand in screening for skin cancer or osteoarthritic processes.
  • FIG. 3 thus illustrates the principle of a thermal effusivity imager for an ultrasonic transducer matrix ultrasound system operating as a thermal transfer imager.
  • the array of transducers 14 generates symmetrical Lamb wave packets S 0 , inside the metal plate heated to a temperature Tb.
  • At each point 13 of coordinates (i, j) corresponds a delay law in amplitude and phase, which is applied to focus the waves on the basis of a tip. This creates bending modes with a predefined polarization, inside the tips.
  • the echo at the end of the tips is detected by a receiving transducer, from which a search a predetermined zero crossing time is performed and a quantized transit time.
  • FIG. 4 illustrates the realization of a thermal echo effusivity imager, in the exemplary embodiment illustrated in FIG. 3, seen from above, the heating surface not being shown.
  • FIG. 4 illustrates the various elements already illustrated in Figure 3 which retain the same references here. Also illustrated here are the delay laws of the transducers numbers 12,25,43 and 57.
  • Ergodic chaotic cavity In the specific conditions of chaotic cavities with very weak damping (strong reverberation) and property of ergocidity, it is possible, as illustrated on Figure 5, to reduce the number P of transducers to one.
  • the edges of the plate are erected by polishing, that the product frequency of the waves x thickness of the plate is much lower than IMHz. mm, that is to say that the wave So is preferably purely longitudinal and that the material constituting the plate is characterized by a weak amortization. S 0 modes are then reflected a lot of times on the edges, without converting to other modes slower.
  • a source transducer can then be associated with several image transducers corresponding to the successive reflections on the edges of the plate.
  • the plate 20 is ergodic, if the effect of a single emitting transducer Pe and its (PI) virtual transducers Pv, reflection images on the edges in a reverberant cavity is equivalent to the effect of P source transducers in a deaf cavity .
  • the plate forms a chaotic cavity if a single emitting transducer is associated with image transducers, uniformly distributed all around the plate, from the first reflections, for example the first ten.
  • Such an ergodic chaotic cavity is, for example, obtained by truncating a disk-shaped thin plate, such as a silicon wafer of 2 inches diagonally, as illustrated in FIG. 5, or copper or aluminum in the device of 1 invention.
  • the P transducers are not necessarily all excited with the same amplitude or the same phase. This is also what makes it possible to impose the direction of the polarization of the transverse wave generated at the base of a tip.
  • the direction of polarization of the wave is arbitrarily parallel to the direction of the transducers E57 and E25.
  • Delay laws allow focusing on the coordinate point (2, 6) (second line, sixth column). The phases are reversed and the excitation voltages of the transducers E12 and E40, located in the perpendicular axis, are zero.
  • the amplitude of the signals all around the tip (2, 6) therefore varies in Sine ( ⁇ ).
  • the maximum variation of transit time in a conical tip due to a heat exchange process is about fifty nanoseconds for a temperature difference with the test material of about twenty degrees Kelvin.
  • the method of the invention therefore requires exciting at specific times, defined from a stable time counter, one or more transducers, which serve to focus a wave on a given tip, then to switch at least one of receiving mode transducers, for amplifying the echo signal from the interrogated tip and stopping the time counter from a well-identifiable reference point of the echo wave, such as a zero crossing of the wave packet.
  • the measurement of the round-trip transit time in a peak uses a temperature compensated quartz master clock operating at 60 MHz and feeding a main counter from which the pulses are triggered. of excitation of the emitter transducer (s) and the time-to-digital converter (TDC) with a temporal resolution of 130 picoseconds, used for the fine measurement of transit time variations.
  • the secondary counter is started from a value N 0 of the main counter corresponding to the arrival of the front edge of the echo.
  • FIG. 7 illustrates a schematic diagram of such an electronic circuit 25.
  • Chip Select chip selection - CNA: Analog Digital Converter
  • This circuit 25 comprises the following components:
  • a multipoint connector 30 intended to be connected to at least one transducer 14 operating in transmission reception
  • a main counter 32 incremented by a quartz clock 33, a secondary counter 34,
  • a module 40 for interrupt level control is a module 40 for interrupt level control.
  • the microcontroller 39 includes specific timers which, in combination with the arithmetic and logic unit of this microcontroller 39, are used by the computer programs stored in its flash and RAM memory to communicate with other peripherals, for example a computer.
  • display (not shown), transmit data, perform calculations, initialize the main counter 32, or initiate special procedures following an interrupt (Intflag or Interrupt Flag) of the secondary counter 34.
  • the comparator 38 switches on the zero crossings of the signal from the amplifier 35 when the "Enable" bit of the main counter 32 is activated.
  • the output of the comparator 38 is connected to the input "STOP" of the secondary counter 34.
  • the signal "jitter” is a logic signal that switches once when the wave packet reflected at the end of the addressed tip 13 finishes his round trip.
  • the signal from the piezoelectric transducer 14 is amplified and then squared via the X 2 quadrator 36, which has a programmable gain via an 8-bit digital-to-analog converter (DAC) 41.
  • digital analog converter 41 being loaded by the content of the automatic gain control (AGC) register of the main counter 32, then integrated via an active filter 37.
  • this active filter 37 has its slightly polarized input at a negative voltage, so that its output is saturated at the positive voltage + 5V which blocks the PMOS transistor 42 which follows.
  • the squared signal increases the input voltage of the integrator 37 so that its output voltage decreases.
  • This voltage ends up by opening the PMOS transistor 42 and causes the switching of the jitter signal of the mass to + 5V, and the switching of a flip-flop D of the main counter 32. This then stops an energy counter, which is an 8-bit counter triggered. when the main counter 32 reaches a determined value.
  • LR counter which is a low resolution counter. This 6-bit counter is incremented by the 60 MHz main clock. It starts and stops at the same times as the secondary counter 34 which is a HR counter or "high resolution" counter. Its temporal resolution is simply less good. It is 16.7 ns against 0.125 ns for the HR meter. This counter is used to finely position the measurement window, relative to the zero crossing (PAZ). The comparator 38 is then allowed to switch.
  • the counter LR is built using flip-flops D in the main counter 32. This avoids having to dialogue with the secondary counter 34.
  • the circuit 32 of FIG. 7 is programmed to contain the main counter, the energy counter and the counter LR.
  • the meters LR and energy are thus programmed and located in the programmable logic circuit CPLD ("Complex Programmable Logic Device") bearing the reference 32 in Figure 7. They are synchronous with the main counter.
  • CPLD Complex Programmable Logic Device
  • the processing circuit 25 comprises a multipoint connector 30 intended to be connected to at least one transducer 14 operating in transmission / reception (a single thermal finger) or P-I transducers 14 operating in transmission and at least one transducer operating in transmission / reception
  • the vector of the electrical transitions is refreshed at a rate at least equal to the natural resonance frequency of the transducers 14 and preferably at a rate 8 times higher or 8 MHz.
  • the successive states of the vector of electrical transitions are saved in a Flash memory and are indexed precisely with respect to the main quartz clock (60 MHz). These successive states contain the delay laws for focusing a wave at a predetermined location of the cavity corresponding to the location of a predetermined tip 13.
  • Each of the points 13 of the tip matrix is therefore associated with a sequence of transition vectors defining the excitation sequence.
  • This first simplified excitation mode makes it possible to apply predetermined delay laws and thus to address the matrix of points 13, while controlling the switching times and therefore the stability of the phase of the received wave packet. It makes it possible to excite the P transducers 14 with arbitrary bipolar signals. 3) Connecting the transducers of the cavity
  • the transducers P 14 are connected to the multipoint connector connecting the cavity to the processing circuit. Given the very precise measurement of the transit time, the propagation times of the signals in the cables are not negligible.
  • the cables used are therefore coaxial cables for which the propagation speeds are stable and well determined (speed of propagation of an electromagnetic wave in a cable: 20 cm / ns).
  • the transducers 14 are excited by an electrical pulse with carrier.
  • This pulse is at least bipolar. This has the advantage of increasing the signal-to-noise ratio and makes it possible to determine the direction of the polarization of the transverse wave generated in a tip 13.
  • the frequency of the carrier which is 1000 kHz, is also the central frequency of the selective amplifier (A) 35.
  • the carrier must have a very good frequency stability because this stability is found directly on the zero crossings of the packet of waves to detect. It is therefore necessary that the position instability of the fronts does not exceed the resolution that one wishes to have on the moment of arrival of the wave packet, ie 100 picoseconds.
  • a crystal oscillator 33 is chosen. The 60 MHz crystal oscillator is temperature compensated. It serves as a time base for the counter 32 which is a CPLD type programmable circuit ("Complex Programmable Logic Device") or FPGA ("Programmable Field Programmable Array" or programmable logic circuit) and the microcontroller 39.
  • the instants of transition of a latch T are determined, which will define the excitation time frame. Since there are P (for example 64) transducers, the excitation time frame is in fact the time frame of the vector of electrical transitions.
  • the vector is initially associated with CMOS logic levels which act on the gate voltages of the transistors of the high voltage switching block 31.
  • the high-voltage switching block 31 makes it possible to alternate the P transducers 14 between a transmitter mode, a receiver mode, a high impedance mode, the ground and between the HV + and HV- voltages.
  • the HV + and HT- voltages are obtained using diode pumps.
  • the switching times of the transistors must be stable to within 100 picoseconds. For this, the selected switching transistors switch in less than 5 ns ("rise time” and "fall time”).
  • a single analog amplification channel is used.
  • This channel consists of a first broadband transimpedance amplifier 35, followed by a selective filter (bandpass) not shown in FIG. 7, centered on the carrier frequency (1000 kHz).
  • This filtering improves the signal-to-noise ratio and thus the stability of a zero crossing.
  • the output of this filter feeds both the quadrator 36 and comparator 38.
  • the quadrator 36 makes it possible to detect the head of the wave packet with the aid of an active integrator 37, while the comparator 38 switches over the zero-crossing passages of the analog signal. These events, arrival from the head of the wave packet and zero crossing (PAZ), are measured with respect to the moment of emission of the wave packet.
  • the instant of the zero crossing (PAZ) must be as accurate as possible, for example to 130 ps (picosecond), since it conditions the sensitivity of the effusivity measurement, while a tenth of the acoustic period is sufficient for the the moment of detection of the head of the wave packet which only serves to select a given zero crossing of the wave packet.
  • a main counter 32 is used, incremented by the main quartz clock, which synchronizes the energy counter for the head of the wave packet and the secondary counter 34 for the time of crossing to zero.
  • Figure 8 illustrates the detection of the zero crossing.
  • a measurement window of 1.05 ⁇ s is positioned at a certain distance from the zero crossing to be detected.
  • the positioning of the measurement window with respect to a given zero crossing is made possible by the detection of the head of the wave packet.
  • the rising edge of the measurement window also corresponds to the start time of the high-resolution secondary counter 34.
  • the comparator 38 is inhibited by the low state of a control logic signal STOP_ENABLE.
  • the activation of the comparator 38 is done during a time window whose position is calculated with respect to the moment of detection of the head of the wave packet obtained thanks to the quadrator 36.
  • the quadrator 36 does not allow an accurate detection of the moment of arrival of the head of the wave packet. This detection typically makes it possible to locate the wave packet at +/- 150 ns, ie 1/10 of a period. However, this is sufficient to always detect the same zero crossing. This is why it is interesting to have a gain control at the level of the quadrator 36 to compensate for the disturbances of the signal.
  • the main counter 32 which is incremented by the main quartz clock 33, is used and punctuates the excitation of the transducers 14 and the positioning of the measuring window and the secondary counter 34, called the TDC counter ("Time to Digital converter”), is incremented automatically and to measure very precisely the arrival time of the zero crossing.
  • This high resolution counter 34 is positioned and initialized synchronously with respect to the main counter 32.
  • the secondary counter 34 starts at a START time defined by the main counter 32 and stops at a STOP time provided by the detection of the zero crossing (PAZ) sought.
  • the temporal resolution of this counter 34 is 130 picoseconds.
  • the main counter 32 which is a programmable logic circuit serves to drive the measurement cycle. It allows to define counters, flip-flops and sequential and combinatorial logic. Assuming that the signal-to-noise ratio is good enough not to be a limiting factor in the resolution (> 60 dB), the sensitivity of the circuit 25 is only limited by the resolution of the counter 34.
  • the 17-bit counter, or main counter 32 may possibly be reset together with a write command in the initialization register of the counter TDC-GP1 at the address of the card +11.
  • the Q16 bit makes it possible to reference the measurement N with respect to the measurement NI.
  • a low state of Q16 defines a cycle NI
  • a high state defines a cycle N.
  • the main counter 32 [QO .. Q16] rotates cyclically.
  • the counter [QO .. Q15] is activated by a write command at the address of the card +11 and stops as soon as the bit Q15 reaches state 1, ie after 546 ⁇ s.
  • the reading state of the measurement N or NI is then no longer governed by the state of the counter bit Q16, but by the bit 3 of a register stored at the address of the card +11.
  • the electrical excitation is triggered on a non-zero value of the counter [QO .. Q15] which is a part of the main counter 32, for example at the 512th period, this is at say at 8,533 ns.
  • the energy counter for detecting the head of the wave packet is then started.
  • a CMOS pulse of 1 ⁇ s resets the detection flip-flop of the head of the wave packet and starts this counter. This pulse can be placed between the first microsecond and the 273rd microsecond of the general counter.
  • the secondary (HR) counter 34 is started here with a "START" CMOS pulse of 60 MHz clock period (16.67 ns). This simultaneously launches the 6-bit synchronous LR counter on the CPLD 32 counter (of 16.67 ns resolution) responsible for making a less accurate measurement than the TDC counter 34 but useful in the debugging phase of the card.
  • the fine counting performed by the TDC counter 34 is done on 15 bits (of resolution 0.13 ns).
  • the COUNTER LR is reset during the duration of the "START" pulse, and starts on the rising edge of the main counter 32 following the START signal. Given the 6-bit quantization, the instant START can not be more than 1.07 ⁇ s away from the zero crossing to be detected.
  • the secondary counter 34 and the counter LR are stopped by the first rising edge of the fast comparator 38 detecting the zero crossings of the amplified analog signal.
  • the fast comparator 38 and the TDC counter 34 are inhibited before the START pulse.
  • the fast comparator 38 and the secondary counter 34 return to an inhibited state. It is the ENABLE bit from the main counter 32 which is responsible for locking the fast comparator 38 and the secondary counter 34.
  • the "hard" definition of the START moment gives way to a "soft” definition. That is, the START time is set relative to two 8-bit registers refreshed in real time and updated for each of the tips to be interrogated.
  • the ENABLE activation window of the secondary counter 34 goes high for 1.05 ⁇ s after the instant START.
  • the START time is set 30 clock periods before the zero crossing to be detected (ie half of the 6-bit LR counter). It is also possible to manage the transfer of data by an interrupt request. In this case, the request is sent by a specific bit of the sub-counter 34 named INTFLAG which goes to a high level. when a STOP signal has been detected. The degree of priority of this request can be modified by using a junction ("jumper") on the circuit 25, between a priority level 3 to 7. 10) The microcontroller ( ⁇ C)
  • the measurement values provided by the main counter 32 are transmitted to the microcontroller ( ⁇ C) 39. It has an arithmetic and logic unit, a real-time clock, counters, RAM or Flash memories, with bus addresses and input / output port data capable of initiating procedures with interrupt priority level as well as software means for processing the data and displaying them in alphanumeric or graphical form.
  • ⁇ C microcontroller

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Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un volume d'une surface d'étude (18). Dans ce procédé, on réalise au moins un contact de durée prédéterminée entre au moins une pointe (13) d'effusivité thermique connue, soumise à sa base à une première température Tb, et cette surface d'étude à une seconde température Ta inférieure à la première température Tb, et on mesure l'échange thermique entre cette au moins une pointe et cette surface d'étude, dans lequel on mesure le temps de transit aller-retour d'au moins une onde acoustique de flexion se propageant à l'intérieur de cette au moins une pointe, jusqu'à son extrémité libre mise en contact avec la surface d'étude, une variation de temps de transit faisant suite à une variation de température, au voisinage de cette extrémité.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE MESURE
DE L'EFFUSIVITE THERMIQUE
D'UNE SURFACE D'ETUDE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de l'effusivité thermique d'une surface d'étude.
Le domaine technique de l'invention est celui des interfaces sensorielles homme-machine sous la forme de doigts artificiels ou palpeurs pour la caractérisation d'un échange de chaleur entre des matériaux d' effusivités thermiques différentes à l'échelle du millimètre carré. C'est également celui de 1' échographie locale à l'échelle du centimètre cube pour des applications d'imagerie thermique et acoustique dans le domaine de la réalité virtuelle, la robotique, le contrôle non destructif. C'est enfin celui de l'imagerie médicale en dépistage de processus arthrosiques ou de cancers de la peau.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La conductivité thermique λ d'un matériau, donnée en W/ (m. K) décrit la capacité de ce matériau à conduire la chaleur, tandis que l'effusivité d'un matériau (en J. m"2. k"1. s"0'5) est sa capacité à échanger de l'énergie thermique avec son environnement. L'effusivité thermique d'un matériau est donnée par la formule E = -Jλpc , où λ est sa conductivité thermique, p sa masse volumique et c sa capacité thermique massique. L'effusivité thermique permet de déterminer la température d'une interface quand deux objets semi- infinis, ayant des températures différentes, sont mis en contact. Le tableau 1, en fin de description, donne quelques ordres de grandeur d'effusivité thermique.
Dans le domaine technique de l'invention «la méthode du Touchau», mise au point par Pierre VERNOTTE en 1937 pour la mesure de la conductivité thermique des isolants, est basée sur la mesure du temps de relaxation thermique d'une masse de forte conductivité thermique au moyen d'un thermocouple. Cette masse, de forme cylindrique, préalablement chauffée à une température supérieure à la température ambiante est mise en contact avec un corps d'épreuve à température ambiante sur une surface d'environ un centimètre carré. La différence de température étant connue, le temps de relaxation thermique de la masse de mesure ne dépend plus que de l'effusivité du corps d'épreuve. Cette méthode permet donc de mesurer des effusivités moyennées sur une surface. La précision de la mesure est limitée par la qualité du contact thermique entre la masse et le corps d'épreuve et par le fait de garantir une décroissance de la température due uniquement à un échange de chaleur avec le corps d'épreuve et non avec l'air ambiant. Ainsi, la masse servant à la mesure est isolée de l'air ambiant au moyen d'une masse de garde initialement chauffée à la même température que celle-ci et sensée se refroidir par contact avec le corps d'épreuve à la même vitesse que la masse de mesure. Le problème technique posé par une telle réalisation est double :
- D'une part, la masse de garde échange en réalité de la chaleur avec l'air ambiant et se refroidit plus vite que la masse de mesure, ce qui finit par influencer, après une longue durée, le temps de relaxation de la masse de mesure.
- D'autre part, la face plane de la masse de mesure nécessite une attention particulière pour être parfaitement mise en contact avec le corps d' épreuve .
Enfin, après une longue durée, la conductivité latérale finit par perturber la mesure.
Comme décrit dans le document référencé [1] en fin de description, cette méthode du Touchau a été améliorée et appliquée avec succès à la caractérisation des brûlures. Ainsi ce document décrit un appareil de mesure du coefficient d' arrachement thermique qui permet, en particulier, de réaliser des mesures sans intervention manuelle. Cet appareil, adapté au contrôle industriel non destructif, comprend les éléments suivants : a) un palpeur, ou « Touchau », comportant une masse de mesure dont toutes les faces, à l'exception de la face de contact avec le corps d'épreuve, sont entourées par une masse de garde solidaire, mais thermiquement isolée de ladite masse de mesure, une sonde thermométrique dont la partie active est insérée dans la masse de mesure et des moyens d'affichage des températures mesurées et une sonde thermométrique différentielle pour mesurer la différence de températures entre lesdites masses et une résistance de chauffage entourant la masse de garde, b) des moyens pour mettre ledit palpeur en position de contact avec le corps d'épreuve et des moyens pour écarter ledit palpeur de ladite position, c) des moyens d'alimentation de la résistance de chauffage et des moyens pour asservir la valeur de la puissance à la valeur de la différence de températures mesurée par la sonde thermométrique différentielle, d) des moyens pour déclencher automatiquement les différentes phases opératoires.
Afin de garantir qu'après de longues durées, l'échange de chaleur entre la masse de garde et l'air ambiant ne perturbe le temps de relaxation de la masse de mesure, la température de la masse de garde est asservie à celle de la masse de mesure. En outre, les erreurs liées aux résistances thermiques de couplage entre la masse de mesure et le corps d'épreuve sont réduites en interposant entre les deux matériaux un film élastomère chargé de poudre métallique bon conducteur thermique et en maîtrisant la pression de contact entre les deux matériaux conditionnant l'écrasement de cet élastomère, au moyen d'un vérin pneumatique.
Le document référencé [2] décrit une technique acoustique pour déterminer des paramètres de transport thermique, une diffusivité thermique, une effusivité, une conductivité, et la capacité de chaleur de couche de peinture sur différents supports. Le document référencé [3] montre comment il est possible de réaliser, d'une part, une sonde large bande constituée d'une pointe à ondes de flexion et comment, d'autre part, cette pointe peut servir à analyser la polarisation d'une onde se propageant dans un objet d'épreuve et arrivant en incidence oblique à la surface de l'objet. Ce document caractérise également des profils coniques et paraboliques vis-à- vis du coefficient de réflexion à l'extrémité de la pointe en situation pointe libre ou chargée par une surface plane. La notion d'impédance de rayonnement y est définie et est utilisée pour caractériser la réflexion d'une onde de flexion à l'extrémité d'une pointe. Ce document ne parle pas de chauffage et de l'effet du transfert de chaleur entre une pointe acoustique chauffée et une surface d'épreuve sur le temps de transit aller-retour d'un paquet d'ondes se propageant dans la pointe.
Le document référencé [4] montre l'influence que peut avoir la vibration d'une pointe, notamment la direction de sa vibration, sur la nature de l'onde acoustique engendrée dans un corps d'épreuve, en particulier les modes de propagations engendrés dans une plaque et comment on peut exploiter les propriétés de couplage entre une pointe et une plaque pour réaliser un détecteur de position bidimensionnel de la position de la pointe sur la plaque. Ce document ne traite que de couplage acoustique et en aucun cas de couplage thermique, encore moins de l'effet d'un couplage thermique sur la propagation acoustique à l'intérieur d'une pointe. Les méthodes de l'art connu utilisées pour caractériser l'effusivité par contact supposent des surfaces planes et des temps de relaxation longs. Elles négligent les résistances de contact et négligent les effets de confinement de la chaleur dus à une étendue latérale finie de l'interface. Elles utilisent des thermocouples pour mesurer la température. Ces méthodes dépendent de plusieurs paramètres :
- l'application envisagée, - les caractéristiques géométriques et structurelles des échantillons à tester,
- la plage de température à explorer,
- les mesures avec ou sans contact,
- la nécessité de préparer ou non les échantillons,
- l'incertitude de mesure visée,
- le temps de réponse exigé,
- le coût du dispositif de mesure.
Ces méthodes ne répondent pas à un besoin de caractérisation locale à l'échelle du millimètre carré, telle qu'on peut l'imaginer pour un doigt artificiel .
L'objet de l'invention est de résoudre un tel problème technique en proposant un procédé et un dispositif de mesure comprenant au moins une pointe permettant de mesurer avec un temps de réponse court l'effusivité thermique d'un petit volume d'une surface d'étude de l'ordre du millimètre cube, à partir d'un ou plusieurs contacts brefs et successifs de durées différentes entre cette au moins une pointe et cette surface d'étude. EXPOSE DE L' INVENTION
L' invention concerne un procédé de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un volume d'une surface d'étude, dans lequel on réalise au moins un contact de durée prédéterminée entre au moins une pointe d'effusivité thermique connue, soumise à sa base à une première température Tb, et cette surface d'étude à une seconde température Ta inférieure à la première température Tb, et on mesure l'échange thermique entre cette au moins une pointe et cette surface d'étude, caractérisé en ce que l'on mesure le temps de transit aller-retour d'au moins une onde acoustique de flexion se propageant à l'intérieur de cette au moins une pointe, jusqu'à son extrémité libre mise en contact avec la surface d'étude, une variation de temps de transit faisant suite à une variation de température au voisinage de cette extrémité.
Avantageusement la durée du contact est comprise entre quelques dizaines de millisecondes et quelques dizaines de secondes. On choisit des pointes en un matériau d'effusivité thermique supérieure à 10 000 J. m"2.k^.s"0'5.
Avantageusement on choisit des pointes de profil conique lorsque la surface d'étude est en un matériau d'effusivité thermique inférieure à 2 500 J. m"2. k"1. s~0'5. On choisit des pointes de profil parabolique, lorsque la surface d'étude est en un matériau d'effusivité thermique supérieure à 2 500 J/K/M3. Avantageusement on choisit une température d'interface entre la pointe et la surface d'épreuve, pour des durées de contact supérieures à 10 secondes, située à mi-chemin entre la température ambiante et la température d'extrémité des pointes, en l'absence de contact .
Avantageusement pour une pointe donnée et un écart de température déterminé, on utilise un thermogramme qui donne une variation du temps de transit des ondes ultrasonores émises depuis la base des pointes en fonction de la durée du toucher.
L' invention concerne également un dispositif de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un volume d'une surface d'étude, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une pointe, par exemple une matrice de pointes, d'effusivité thermique connue, disposée sur une base formant une cavité acoustique, et des moyens de sondage séquentiel de chaque pointe par excitation sélective d'ondes acoustiques de flexion, et de mesure du temps de transit aller-retour d'au moins une onde acoustique de flexion se propageant à l'intérieur de cette au moins une pointe.
Avantageusement chaque pointe est recouverte d'une couche d'élastomère chargé de fines particules métalliques bonnes conductrices de chaleur.
Avantageusement le dispositif de l'invention comprend un réseau de P transducteurs piézoélectriques, excités par des lois de retard en amplitude et en phase. Au moins un des P transducteurs peut fonctionner alternativement en émission et en réception. Les pointes sont collées par leur base à la cavité acoustique. Les P transducteurs forment une enceinte fermée, entourant la matrice de pointes.
Avantageusement la distance séparant deux transducteurs adjacents est inférieure à une demi- longueur d'onde. Le diamètre de base de chaque pointe est inférieur à une demi-longueur d'onde. Les pointes sont distantes d'au moins une demi-longueur d'onde.
Dans un exemple de réalisation, le dispositif de l'invention comprend une base formée par une plaque isotrope en métal dont le bord est recouvert d'un revêtement qui absorbe et amortit les ondes incidentes, une surface chauffante collée sur la face opposée de la plaque où est collée la matrice de pointes, les P transducteurs, entourant la matrice de pointes, étant connectés à l'aide de microfils de soudure à un circuit imprimé.
Dans un autre exemple de réalisation, le dispositif de l'invention comprend une base formant une cavité chaotique ergodique. Dans un mode de réalisation avantageux le dispositif de l'invention comprend une horloge principale à quartz, fonctionnant à quelques dizaines de Mégahertz et alimentant un compteur principal déterminant les instants d'excitation du ou des transducteurs émetteur et le démarrage d'un convertisseur temps-numérique (TDC) de résolution temporelle inférieure à la nanoseconde et un comparateur rapide.
Le dispositif de l'invention offre la possibilité de pouvoir imager des surfaces ou des revêtements caractérisés par une effusivité ou une conductivité non uniforme.
Le dispositif de l'invention est adapté au contrôle de matériaux souples ou légèrement déformables, tels la peau, les polymères, les peintures. En présence d'une couche d'élastomère d'adaptation il permet également le contrôle de matériaux durs.
Lorsque le dispositif de l'invention est en contact permanent avec la surface d'étude, il peut être utilisé comme dispositif d' imagerie échographique d' impédances mécaniques et thermiques volumiques pour des volumes de l'ordre du centimètre cube.
Le procédé et le dispositif de l'invention permettent d'obtenir les résultats avantageux suivants :
- réalisation d'un doigt artificiel pour caractériser un toucher thermique, simplicité du mode opératoire fonctionnant à partir d'une seule pointe et un seul transducteur commandé en émission/réception,
- mesure locale sur quelques centaines de micromètres carrés de surface de contact,
- détection automatique du toucher et de la durée du toucher, temps de réponse inférieur à la milliseconde à la suite d'un contact,
- cadence de mesure jusqu'à 10 kHz pour les processus dynamiques, - tarage automatique du temps de transit de référence, en cas d'usure d'une pointe ou de variation de la température ambiante,
- imagerie temps réel pour la caractérisation de couches minces hétérogènes,
- fonctionnement en échographe local par la caractérisation de tissus vivants : surveillance de tâches de rousseur, échographie sous cutanée, échographie des articulations au niveau des mains et des doigts.
Le procédé et le dispositif de l'invention peuvent être utilisés dans les domaines industriels suivants :
- doigt artificiel, - réalité virtuelle, mesure locale d'effusivité de matériaux minces ou épais, contrôle de l'adhésion de revêtements par mesure de l'effusivité de couches minces, - échographie ultrasonore articulaire et épidermique, dépistage de cancer de la peau, d'arthrose phalangienne .
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La figure IA illustre des signaux mesurés avec le dispositif de l'invention, en utilisant une pointe de forme conique illustrée sur la figure IB.
La figure 2A illustre des signaux mesurés avec le dispositif de l'invention, en utilisant une pointe de forme paraboloïde illustrée sur la figure 2B. La figure 3 illustre un exemple de réalisation du dispositif de l'invention dans le cas d'une cavité sourde.
La figure 4 illustre la réalisation d'un imageur d'effusivité thermique à cavité sourde selon l'invention, dans une vue de dessus.
La figure 5 illustre la possibilité de réduction du nombre de transducteurs, en utilisant une cavité chaotique ergodique. La figure 6 illustre le principe de l'adressage d'une pointe dans une matrice à pointes du dispositif de l'invention.
La figure 7 illustre le schéma de principe d'un circuit électronique d'excitation et de mesure de 1' imageur d'effusivité thermique selon l'invention.
La figure 8 illustre une détection du passage à zéro dans le circuit électronique illustré sur la figure 7.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
Le procédé de l'invention est un procédé de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un petit volume d'une surface d'étude, dans lequel :
- on réalise au moins un contact de durée prédéterminée entre au moins une pointe d'effusivité thermique connue, soumise à sa base à une première température Tb, et cette surface d'étude à une seconde température Ta inférieure à la première température Tb,
- on mesure l'échange thermique entre cette au moins une pointe et cette surface d'étude, en mesurant le temps de transit aller-retour d'au moins une onde acoustique de flexion se propageant à l'intérieur de cette au moins une pointe jusqu'à son extrémité libre mise en contact avec la surface d'étude, une variation de temps de transit faisant suite à une variation de température au voisinage de cette extrémité.
Le dispositif de l'invention, permettant de mettre en œuvre ce procédé, comprend au moins une pointe, par exemple une matrice de pointes, d'effusivité thermique connue disposées sur une base ayant une conductivité thermique élevée, formant une cavité acoustique, des moyens pour porter cette au moins une pointe à la première température Tb au niveau de sa base, cette température étant supérieure à la température Ta de la surface d'étude, avec laquelle toutes les pointes sont mises en contact, et des moyens de sondage séquentiel de chacune de ces pointes par excitation sélective d'ondes acoustiques de flexion. Echange thermique Le procédé de l'invention est un procédé de caractérisation d'un échange thermique selon une approche différente de celle de la méthode du Touchau considérée précédemment. Elle est basée sur une technique ultrasonore, plus rapide qu'un thermocouple, pour accéder à la température de la masse de mesure, au voisinage immédiat de l'interface et caractériser les propriétés thermiques, en combinaison avec les propriétés acoustiques de cette masse à une échelle plus petite que celle de la méthode du Touchau. En outre, à la différence de la méthode du
Touchau, qui met en place des conditions expérimentales, pour lesquelles la dimension unidirectionnelle du contact est prépondérante, le procédé de l'invention se place délibérément dans des conditions différentes dans lesquelles la diffusion latérale joue un rôle déterminant dans le transfert thermique. On a ainsi un transfert d'un milieu à une dimension (ID) vers un milieu à trois dimensions (3D) .
Dans le procédé de l'invention pour que la pointe se comporte comme un doigt artificiel permettant de jauger la qualité d'un toucher thermique, on choisit une température d' interface entre la pointe et le matériau, pour une durée de contact de l'ordre de la seconde, à mi-chemin des températures de la pointe et du matériau en l'absence de contact. Dans le procédé de l'invention, on utilise avantageusement des pointes effilées usinées dans un matériau de très grande effusivité thermique, supérieure à 10 000 J. m"2. k"1. s"0'5, tel le cuivre, le laiton ou en Duralumin. La mise en contact de la pointe avec le plan plus froid, par exemple de plus de 10° C, d'un matériau d'épreuve engendre une forte diminution de la température dans la pointe. Cette propriété de confinement et de conduction contrôlée de la chaleur dans la pointe permet d'engendrer des variations de température importante et des processus d'échange thermique mesurables par des techniques d' échographie ultrasonore. En effet, la mise en contact d'une pointe chaude avec un matériau d'épreuve engendre la chute du temps de transit d'une onde acoustique de flexion se propageant dans la pointe de plusieurs dizaines de nanosecondes pour des longueurs de pointe de quelques centimètres que l'on peut mesurer avec une précision de l'ordre du dixième de la nanoseconde, soit mieux que 1 %.
Génération des ondes de flexion et adressage d'une matrice de pointes
Les ondes de flexion dans les pointes sont engendrées par une vibration acoustique dans le plan de leur base, cette base étant orthogonale à leur axe de symétrie, qui donne la direction du vecteur d'onde. Une vibration dans ce plan de base peut être engendrée en collant un transducteur piézoélectrique vibrant en cisaillement d'épaisseur au niveau de la base, un matériau amortisseur étant prévu sur la face arrière du transducteur, afin de limiter la durée de la réponse impulsionnelle. Un tel montage est adapté pour un fonctionnement avec une seule pointe.
On peut également exciter les pointes via une cavité acoustique ce qui permet d'engendrer des modes de flexion en rafale et avec une largeur de bande suffisante, permettant la séparation temporelle de l'onde incidente et de l'écho, tout en choisissant arbitrairement la direction de la polarisation de l'onde dans le plan de la base, en utilisant éventuellement un nombre de transducteurs inférieur au nombre total de pointes. La cavité acoustique peut être un solide plein, bon conducteur thermique et propageant des ondes acoustiques guidées, par exemple une plaque isotrope, sur laquelle sont collées les pointes. Cette cavité est utilisée pour focaliser une onde de Lamb symétrique S0, à partir d'un réseau de P transducteurs disposés sur le pourtour des pointes, en excitant ce réseau selon des lois de retard. Chacune des pointes, à laquelle correspond une loi de retard, qui peut être calculée en connaissant la vitesse des ondes de Lamb S0, entre les P transducteurs, est interrogée successivement.
On peut également recourir à une technique expérimentale de « retournement temporel ». Les lois de retard peuvent être implicitement déterminées expérimentalement pour chacune des pointes. On excite alors chacune des pointes par une impulsion mécanique, à l'aide d'un transducteur étalon, appliquée à l'extrémité d'une pointe, par exemple au moyen d'un transducteur Panametrics à ondes transversales de type V153 ou V154 et d'enregistrer les formes d'ondes à partir d'un instant t0 donné, avant l'arrivée du premier paquet d'ondes. Cet enregistrement des formes d'ondes peut être réalisé par conversion analogique- numérique sur 8 ou 10 bits du signal piézoélectrique pour chacun des P transducteurs et sauvegarde des trames temporelles dans une mémoire programmable de type flash, avec une fréquence d'échantillonnage au moins deux fois supérieure à la fréquence centrale des ondes et, de préférence, huit fois supérieure, i. e. une fréquence de 10 à 20 Méch/s (million d'échantillons par seconde) . La profondeur mémoire est d'environ 50 μs
(microseconde) par voie, ce qui représente 500 à 1000 échantillons par voie ou 1 kilooctets de données par voie. Pour adresser ensuite une pointe déterminée, on peut alors retourner temporellement les formes d'ondes par technique LIFO (dernier entré, premier sorti) et exciter simultanément les P transducteurs avec les P formes d'ondes respectives retournées temporellement , reconverties par conversion numérique-analogique et amplifiées. L'intérêt d'une telle technique est de pouvoir adresser un nombre de pointes M x N avec un nombre limité de P transducteurs, P pouvant être inférieur à M x N. Géométrie des pointes
L' échographie ultrasonore permet de sonder la température directement à l'extrémité d'une pointe. La longueur de la pointe est ici telle que l'on peut se permettre de la chauffer en permanence au niveau de sa base, car le temps de diffusion de la chaleur, depuis sa base jusqu'à son extrémité, est toujours plus long que la durée de la mesure. Les déperditions de chaleur de la pointe avec l'air ambiant font que son extrémité libre est légèrement plus froide que la température Tb de la base, mais toujours plus chaude que la température Ta du corps d'épreuve. Le recours à l' échographie ultrasonore de la pointe libre permet de connaître en permanence la température à son extrémité et de caractériser des transferts thermiques sur une échelle de temps allant de quelques dizaines de millisecondes à plusieurs dizaines de secondes. Pour améliorer les mesures, on peut insérer la pointe dans un manchon de garde l'isolant thermiquement par une fine couche d'air, ledit manchon étant fixé au niveau de la base de la pointe et la recouvrant jusqu'à son extrémité libre à un millimètre près pour ne pas être mis en contact avec le corps d' épreuve . La géométrie d'une pointe au voisinage du contact est un paramètre important dans le processus d'échange thermique. En effet, à hauteurs et diamètres de base identiques, le confinement de la chaleur est beaucoup plus fort dans une pointe conique que dans une pointe parabolique. De même dans le cas de pointes coniques, le confinement est plus important pour un angle au sommet plus petit. Dans le cas où l'effusivité du corps d'épreuve est élevée (supérieure à 2500 J. m"2. k"1. s~0'5) et où la diffusion est volumique, on utilise une pointe parabolique qui permet d'élever la température d' interface et de mieux caractériser le processus de transfert thermique. Sinon, on utilise une pointe conique avec un petit un angle au sommet (par exemple inférieur à 10 degrés), ce qui engendre également des conditions de réflexions avec plus forte variation de phase, qui peut être décelée, lorsque la pointe est mise en contact avec un plan. Ce changement de phase peut être utilisé pour déterminer la durée du contact et procéder au tarage du temps de transit dans la pointe en fonction de la température ambiante ou pour déterminer une éventuelle usure ou déformation de la pointe.
Le dispositif de l'invention peut comprendre une matrice de pointes telles que les pointes peuvent être réparties sur une surface d'étude avec une densité de l'ordre de 1/mm2. Le matériau dont on veut cartographier l'effusivité thermique est donc mis brièvement en contact avec cette matrice de pointes, qui est portée au niveau de sa base à une température Tb supérieure à la température ambiante, typiquement 5O0C à 6O0C, tandis que le matériau est porté à une température Ta = Tb - dT. En pratique, Ta est la température ambiante. Au moment du contact, la température d'interface à l'extrémité des pointes s'équilibre avec celle du matériau d'étude.
A durée de contact constante, la chute de température à l'extrémité des pointes est d'autant plus forte que l'effusivité du matériau d'épreuve est plus grande et que l'angle au sommet est plus petit. La mesure réalisée est déduite des conditions de réflexion d'ondes acoustiques de flexion engendrées en rafales dans les pointes qui se réfléchissent à leur extrémité. Lorsque les pointes sont libres, les ondes 9 se réfléchissent sans inversion de phase, tandis qu'en cas de contact avec un matériau d' impédance acoustique de rayonnement différent, les ondes subissent une variation importante d'amplitude et/ou de phase en fonction de l'impédance mécanique de rayonnement chargeant l'extrémité de la pointe.
Les figures IA et 2A illustrent la perturbation de la phase de l'écho à l'intérieur d'une pointe en Duralumin dans le cas d'une pointe conique, illustrée sur la figure IB, et dans le cas d'une pointe parabolique, illustrée sur la figure 2B, en Duralumin, mises en contact sur le même matériau plan semi-infini. Les courbes I, II et III illustrent cette perturbation :
- pour une pointe libre, - pour une pointe en contact avec une surface plane, pour une pointe en contact avec une pointe jumelle.
Ces courbes montrent que là où la pointe parabolique subit un déphasage de l'ordre de π/4, la pointe conique subit une inversion de phase. Par contre, lorsque les deux pointes sont mises en contact avec une pointe jumelle, le coefficient de réflexion devient nettement inférieur à un en module, ce qui signifie qu'une bonne partie de l'énergie acoustique est transmise dans le matériau d'épreuve.
La mise en contact des pointes avec la surface d'étude engendre une baisse de température des pointes et donc une Variation du Temps de Transit (VTT) des ondes ultrasonores émises depuis la base des pointes. On cartographie cette information de temps de transit en valeur absolue ou relative, par rapport à une température d'équilibre et d'une pointe à l'autre et dans le temps. Pour une pointe donnée et un écart de température avant contact donné, la pente du thermogramme qui donne la variation VTT en fonction de la durée du toucher, en nanoseconde par seconde de contact, dépend de la conductivité thermique, la chaleur spécifique et la densité du corps d'épreuve. Pour de longues durées, cette pente donne les propriétés thermiques dans le voisinage immédiat du corps d'épreuve. Pour de longues durées, cette pente donne les propriétés thermiques volumiques du matériau sondé. On peut alors étalonner une pointe donnée avec des matériaux d'effusivité connue. On peut également étalonner une gamme de pointes destinées à différentes plages d'effusivité. Lorsque l'on procède à plusieurs contacts successifs, il est nécessaire d'attendre que la pointe retourne à sa température d'équilibre entre deux contacts. Une telle thermalisation peut être modélisée par une loi exponentielle amortie, déterminée à partir des premières mesures de temps de transit de l'extrémité libre, à la suite d'un contact.
Compte tenu d'une période Tr séparant deux tirs échographiques et d'un procédé séquentiel de mesure des temps de transit (TT) , une image composée de M lignes et N colonnes est obtenue en un temps Tr x M x N, soit 32 ms pour une matrice de 64 pointes et une cadence de mesure de 2 000 tirs par seconde.
Pour limiter la dispersion des ondes de flexion dans les pointes, l'angle au sommet des pointes coniques est faible. Typiquement, le ratio entre diamètre de base et hauteur de pointe est de 1/10, ce qui correspond à un angle au sommet de 5,7 degrés ou une impédance de rayonnement 3 000 fois plus faible que celle du même matériau volumique. Pour une fréquence de travail de 1 MHz, le diamètre de base d'une pointe conique est typiquement de 3 mm et sa hauteur h de 30 mm. Exemple de réalisation du dispositif de l'invention La figure 3 illustre un exemple de réalisation du dispositif de l'invention dans le cas d'une cavité « sourde ». C'est-à-dire que ce dispositif comporte une plaque 10 par exemple isotrope et en métal dont le bord est recouvert d'un revêtement 11 qui absorbe et amortit toutes les ondes incidentes sur les chants de la plaque. La plaque 10 est chauffée par contact, à l'aide d'une surface chauffante 12 collée sur la surface opposée de la plaque 10 où est collée une matrice de pointes 13. Elle pourrait également être chauffée par infrarouge sans contact. La distance séparant la base de deux pointes adjacentes est au minimum d'une demi-longueur d'onde de l'onde acoustique de flexion. Elle est en pratique de 1 ou 1,5 longueurs d' onde .
P transducteurs 14 entourent la matrice de pointes 13. Ils ont une masse commune, qui est la plaque de métal. Les P transducteurs 14, par exemple 64, sont connectés à l'aide de microfils de soudure 15 à un circuit imprimé 16 superposé à la plaque dont la fonction est de ramener les signaux vers un même connecteur multipoints non représenté sur la figure.
Deux transducteurs adjacents 14 sont distants d'une distance inférieure à une demi-longueur d'onde, de sorte que le champ acoustique entourant la matrice de pointes 13 est parfaitement connu dans tout l'espace entourant les pointes. Le fait que les bords 17 de la plaque 10 soient recouverts d'un revêtement absorbant 11, permet de limiter totalement la réverbération dans la plaque et travailler avec une cadence de mesure la plus élevée possible. La réverbération peut ainsi être totalement contrôlée si les chants 17 de la plaque 10 sont, comme illustrés sur la figure 3, biseautés et recouverts d'une résine époxy 11 chargée d'une poudre de tungstène ou de microbilles de verre. Comme illustré sur la figure 3, les P transducteurs 14 peuvent, par exemple, être micro usinés, à partir d'un anneau d'une céramique piézoélectrique de type PZT recouverte d'une pâte d' argent soudable sur ces deux faces et comprenant localement un retour d' argenture permettant d' accéder à la masse commune GND. L'anneau, par exemple d'épaisseur 0,5 mm, est intimement collé à la plaque, à l'aide d'une résine cyanoacrylate haute température ou à durcissement par exposition aux rayons ultra violets ou époxyde, éventuellement conductrice. Le rayon intérieur de l'anneau est, par exemple, de 40 mm, tandis que le rayon extérieur est de 44 mm. Le micro usinage consiste à diviser l'anneau par exemple en 64 parts égales (P = 64), à l'aide d'une petite fraise. Il n'est pas nécessaire de graver l'anneau sur toute son épaisseur. On peut se contenter de l'usiner sur une profondeur de 200 micromètres.
L'intégrité de l'électrode inférieure est ainsi préservée et toutes les parts ont la même électrode commune. La plaque 14 peut alors être faite dans un matériau non conducteur électrique, comme le verre ou le silicium. La distance entre deux parts égales voisines peut être d'environ 200 micromètres. Les dimensions d'un transducteur 14 sont donc approximativement: longueur = 2 mm; largeur = 2 mm; épaisseur = 0,5 mm. La fréquence de résonance radiale fondamentale du transducteur est d'environ 1 MHz. Afin de favoriser la génération du mode symétrique S0, l'épaisseur de la plaque 10 est choisie de façon à ce que le produit fréquence x épaisseur soit inférieur à 1 MHz. mm. La plaque choisie a par exemple une épaisseur de 1 mm. La longueur d'onde du mode symétrique de Lamb S0 est voisine de 6 mm, de sorte que le diamètre de base des pointes peut être de 3 mm pour une hauteur de 30 mm. La vitesse de phase des ondes de flexion à l'extrémité des pointes est voisine de 1 000 m/s. L'impédance de rayonnement Zr(O) est 3 000 fois plus faible que celle d'une onde transversale dans du Duralumin plein, mais encore 20 fois plus grande que celle de l'air.
La hauteur des pointes est choisie suffisamment grande pour qu'il y ait une bonne séparation des signaux entre une détection directe par la plaque 10, depuis un transducteur émetteur jusqu'à un transducteur récepteur, et le signal écho provenant de l'extrémité des pointes. Cette séparation est effective si l'écho arrive 20 microsecondes après les signaux directs. Les pointes 13 en Duralumin sont disposées dans la région centrale de l'enceinte, créée par le réseau de transducteurs. Le temps de propagation dans une pointe (aller simple) est voisin de 10 microsecondes. La vitesse des ondes de Lamb S0 est v = 6 mm/μs . Le temps de propagation, depuis un transducteur 14 jusqu'à l'extrémité d'une pointe 13, est de 17 microsecondes au maximum ou 34 microsecondes aller-retour, d'un transducteur émetteur jusqu'au transducteur récepteur, diamétralement opposé. Les transducteurs émetteurs sont excités en mode rafale, chaque rafale comprenant 1 à 3 impulsions de type sinusoïdale ou carrée bipolaire de durée totale 1 à 3 microsecondes et avec fronts montants et descendants, filtrés par un filtre passe-bas (fréquence en coupure = fréquence de travail), afin de minimiser les couplages capacitifs entre voies. Les pointes 13 sont donc toutes successivement excitées, grâce aux lois de retard E1It-T1, (J)1) ou E1 désigne l'amplitude de l'impulsion appliquée au transducteur i (1 < i < P), T1 le retard avant application de l'impulsion et (J)1, la phase associée à l'impulsion sinusoïdale du transducteur i. Une fois l'excitation réalisée, un des P transducteurs 14 est commuté en mode réception via un bloc de commutation à transistors. Un des P transducteurs peut, dans une variante de réalisation, rester en mode réception ; l'écho provenant de la pointe interrogée étant ensuite analysé et son temps de transit mesuré précisément .
Dans le cas d'une cavité sourde, la forme du réseau de transducteurs peut être quelconque, pourvu que le réseau forme une enceinte fermée entourant la matrice de pointes. On peut ainsi, pour un arrangement plus commode de la matrice de pointes, choisir une forme de réseau rectangulaire, plutôt que circulaire. Par ailleurs, la base des pointes coniques peut être légèrement non orthogonale à leur axe de symétrie, de façon à disperser ou resserrer les extrémités .
En supposant que l'amortisseur 11, disposé sur le pourtour de la plaque 10, amortisse totalement toute onde incidente (cavité sourde) et que le traitement du signal, pour la mesure précise du temps de vol, requière un temps bien inférieur au temps de transit des ondes, le temps entre deux excitations peut être au minimum de 34 microsecondes. En pratique, l'utilisation d'un microcontrôleur pour la génération et le chargement des formes d'ondes, la constante de réverbération, ainsi que le traitement du signal pour la mesure précise du temps de propagation limite la cadence de mesures à environ 10 000 par seconde. Avec une cadence à 2 000 tirs/s, il faut 32 ms pour scanner toute la matrice de pointes et obtenir une image de temps de transit sur 64 pointes. Le dispositif de l'invention offre alors une fréquence d'acquisition voisine de 30 images par seconde. Lorsque le matériau 18, dont on veut caractériser le processus de transfert thermique est mou, la matrice de pointes est mise directement en contact avec ce dernier. C'est ainsi le cas pour la pulpe du doigt ou un autre matériau mou tel un gel ou un polymère. Dans le cas d'un matériau 18 dur et non plan, on peut intercaler entre la matrice de pointes et le matériau d'étude, un film souple bon conducteur thermique, tel un élastomère chargé de fines particules métalliques de taille micrométrique. Lorsque la matrice de pointes entre en contact avec le matériau d'étude 18, il apparaît un couplage acoustique entre la pointe émettrice et les autres pointes via le matériau d'étude 18. En plus d'être un thermographe, la matrice de pointes peut alors servir d' échographe ultrasonore pour sonder et imager les ruptures d' impédances mécaniques à l'intérieur du matériau d'étude. L'imagerie consiste alors à représenter en échelle de gris ou de couleurs l'amplitude du signal ou ses variations relatives d'amplitude et/ou de phase pour toutes les pointes de la matrice, à un instant donné ou sur une fenêtre temporelle donnée pour toutes les pointes ou sur des fenêtres temporelles décalées d'un temps prédéterminé d'une pointe à l'autre, le signal étant transmis dans le matériau depuis une ou plusieurs pointes de focalisation et détecté par les autres pointes commutées en mode réception. La matrice de pointes peut, selon le principe de Huygens-Fresnel, être excitée de façon à sonder des régions précises dans le matériau d'étude. Pour cela, plusieurs pointes peuvent être excitées simultanément par superposition de signaux. La maîtrise de la direction du vecteur polarisation peut également être avantageusement exploitée pour sonder de façon directionnelle des régions particulières du matériau. On peut ainsi utiliser le dispositif de l'invention pour sonder l'épiderme ou les articulations de la main en dépistage de cancer de la peau ou de processus arthrosiques .
La figure 3 illustre donc le principe d'un imageur d'effusivité thermique pour un échographe à matrice de transducteurs ultrasonores à pointes, fonctionnant en imageur de transfert thermique. Le réseau de transducteurs 14 engendre des paquets d'ondes de Lamb symétriques S0, à l'intérieur de la plaque métallique chauffée à une température Tb. A chaque pointe 13 de coordonnées (i, j) correspond une loi de retard en amplitude et en phase, que l'on applique afin de focaliser les ondes sur la base d'une pointe. On engendre ainsi des modes de flexion avec une polarisation prédéfinie, à l'intérieur des pointes. L'écho, à l'extrémité des pointes, est détecté par un transducteur récepteur, à partir duquel une recherche d'un instant de passage à zéro prédéterminé est effectuée et un temps de transit quantifié. On peut ainsi interroger séquentiellement et avec un bon rapport signal sur bruit, la matrice de pointes 13. La possibilité de reconnaître l'état de contact donne accès à la durée du toucher et donne accès aux propriétés thermiques proches ou éloignées de la zone de contact, selon que les durées de contact sont longues ou courtes. La figure 4 illustre la réalisation d'un imageur d'effusivité thermique à cavité sourde, dans l'exemple de réalisation illustré sur la figure 3, vue de dessus, la surface chauffante n'étant pas représentée. On retrouve dans cette réalisation les différents éléments déjà illustrés sur la figure 3 qui conservent ici les mêmes références. Sont également illustrées ici les lois de retard des transducteurs numéros 12,25,43 et 57. Cavité chaotique ergodique Dans les conditions spécifiques de cavités chaotiques à très faible amortissement (forte réverbération) et propriété d' ergocidité, il est possible, comme illustré sur la figure 5, de réduire le nombre P de transducteurs à un seul. Pour que la cavité soit réverbérante et ergodique, il suffit que les chants de la plaque soient dressés par polissage, que le produit fréquence des ondes x épaisseur de la plaque soit très inférieur à IMHz. mm, c'est-à-dire que l'onde So soit, de préférence, purement longitudinale et que le matériau constituant la plaque soit caractérisé par un faible amortissement. Les modes S0 sont alors réfléchis un grand nombre de fois sur les bords, sans se convertir en d'autres modes plus lents. Un transducteur source peut alors être associé à plusieurs transducteurs images correspondant aux réflexions successives sur les bords de la plaque. La plaque 20 est ergodique, si l'effet d'un seul transducteur émetteur Pe et ses (P-I) transducteurs virtuels Pv, images par réflexion sur les bords dans une cavité réverbérante est équivalent à l'effet de P transducteurs sources dans une cavité sourde. La plaque forme une cavité chaotique si un seul transducteur émetteur est associé à des transducteurs images, uniformément distribués tout autour de la plaque, dès les premières réflexions, par exemple les dix premières. Une telle cavité chaotique ergodique est, par exemple, obtenue en tronquant une plaque mince en forme de disque, tel un wafer de silicium de 2 pouces de diagonale, comme illustré sur la figure 5, ou en cuivre ou en Duralumin dans le dispositif de 1' invention .
L'utilisation d'une cavité chaotique ergodique revient à diviser le nombre d'éléments constituant le réseau de P transducteurs par le nombre de réflexions successives sur les bords de la plaque. Polarisation de l'onde
Les P transducteurs ne sont pas forcément tous excités avec la même amplitude, ni la même phase. C'est d'ailleurs cela qui permet d'imposer le sens de la polarisation de l'onde transversale engendrée à la base d'une pointe. Dans la réalisation illustrée sur la figure 6 le sens de polarisation de l'onde est arbitrairement parallèle à la direction des transducteurs E57 et E25. Les lois de retards permettent de focaliser sur la pointe de coordonnées (2, 6) (deuxième ligne, sixième colonne) . Les phases sont inversées et les tensions d'excitation des transducteurs E12 et E40, situés dans l'axe perpendiculaire, sont nulles. L'amplitude des signaux tout autour de la pointe (2, 6) varie donc en Sinus (φ) .
Traitement du signal et mesure du temps de propagation
La variation maximale de temps de transit dans une pointe conique dû à un processus d'échange thermique est d'une cinquantaine de nanosecondes pour un écart de température avec le matériau d'épreuve d'une vingtaine de degrés Kelvin.
Le procédé de l'invention nécessite donc d'exciter à des instants précis, définis à partir d'un compteur de temps stable, un ou plusieurs transducteurs, qui servent à focaliser une onde sur une pointe donnée, puis à commuter au moins un des transducteurs en mode réception, afin d'amplifier le signal écho provenant de la pointe interrogée et arrêter le compteur de temps à partir d'un point de référence bien identifiable de l'onde écho, tel un passage à zéro du paquet d'ondes.
Afin d'avoir la meilleure précision possible sur la mesure de l'instant de passage à zéro, celui-ci est choisi là où l'amplitude, crête à crête du signal écho, est maximale. Selon une forme de réalisation préférée de l'invention, la mesure du temps de transit aller-retour dans une pointe utilise une horloge principale à quartz, compensée en température, fonctionnant à 60 MHz et alimentant un compteur principal à partir duquel sont déclenchées les impulsions d'excitation du ou des transducteurs émetteurs et le convertisseur temps- numérique TDC (« Time to Digital Converter ») de résolution temporelle 130 picosecondes, servant à la mesure fine des variations de temps de transit. Le compteur secondaire est démarré à partir d'une valeur N0 du compteur principal correspondant à l'arrivée du front avant de l'écho. Il est arrêté sur transition d'un comparateur rapide de passage à zéro, autorisé à commuter sur un front particulier, montant ou descendant, du paquet d'ondes, à partir d'une valeur du compteur principal correspondant au début d'une fenêtre temporelle, durant laquelle le passage à zéro doit se produire . Circuit électrique de traitement du signal
On va, à présent, considérer la réalisation d'un circuit, ou carte, électronique 25 de traitement des signaux (excitation et mesure) d'un imageur d'effusivité à pointes, tel qu'illustré sur la figure. La figure 7 illustre un schéma de principe d'un tel circuit électronique 25. Sur ce schéma on trouve les abréviations suivantes :
- GND ou « Ground » : masse
- RDN ou « Read » : lecture - WRN ou « Write » : écriture
- CS ou « Chip Select » : sélection de puce - CNA : Convertisseur Numérique Analogique
Ce circuit 25 comprend les composants suivants :
- un connecteur multipoints 30 destiné à être connecté à au moins un transducteur 14 fonctionnant en émission réception,
- un bloc de commutation électronique haute tension 31,
- un compteur principal 32 incrémenté par une horloge à quartz 33, - un compteur secondaire 34,
- un amplificateur transimpédance large bande 35, suivi d'un filtre sélectif non représenté sur la figure, qui alimente :
• un quadrateur 36 suivi d'un intégrateur actif 37,
• un comparateur 38,
- un microcontrôleur 39,
- un module 40 de commande de niveau d'interruption.
Le microcontrôleur 39 comprend des compteurs (timers) spécifiques qui, en combinaison avec l'unité arithmétique et logique de ce microcontrôleur 39, sont utilisés par les programmes informatiques sauvegardés dans sa mémoire Flash et RAM pour communiquer avec d'autres périphériques, par exemple un afficheur (non représenté) , transmettre des données, effectuer des calculs, initialiser le compteur principal 32, ou initier des procédures particulières suite à une interruption (Intflag ou Interrupt Flag) du compteur secondaire 34. Le comparateur 38 commute sur les passages à zéro du signal issu de l'amplificateur 35 lorsque le bit « Enable » du compteur principal 32 est activé. La sortie du comparateur 38 est reliée à l'entrée « STOP » du compteur secondaire 34. Le signal « jitter » est un signal logique qui bascule une seule fois au moment où le paquet d'onde réfléchi à l'extrémité de la pointe adressée 13 finit son aller retour. Pour réduire le nombre de commutations de ce signal jitter, le signal issu du transducteur piézoélectrique 14 est amplifié puis élevé au carré via le quadrateur X2 36, qui a un gain programmable via un convertisseur numérique analogique (CNA) de 8 bits 41, ce convertisseur numérique analogique 41 étant chargé par le contenu du registre de contrôle automatique de gain (CAG) du compteur principal 32, puis intégré via un filtre actif 37. En l'absence de signal, ce filtre actif 37 a son entrée légèrement polarisée à une tension négative, de sorte que sa sortie est saturée à la tension positive +5V ce qui bloque le transistor PMOS 42 qui suit. Lorsque le paquet d'ondes arrive, le signal élevé au carré vient augmenter la tension d'entrée de l'intégrateur 37 de sorte que sa tension de sortie diminue. Cette tension finit par ouvrir le transistor PMOS 42 et entraine la commutation du signal jitter de la masse à +5V, et la commutation d'une bascule D du compteur principal 32. Ceci stoppe alors un compteur énergie, qui est un compteur 8 bits déclenché lorsque le compteur principal 32 atteint une valeur déterminée.
Il y a, de plus, un compteur LR qui est un compteur basse résolution (« Low Resolution ») . Ce compteur de 6 bits est incrémenté par l'horloge principale de fréquence 60 MHz. Il démarre et s'arrête aux mêmes instants que le compteur secondaire 34 qui est un compteur HR ou compteur « haute résolution ». Sa résolution temporelle est simplement moins bonne. Elle est de 16,7 ns contre 0,125 ns pour le compteur HR. On se sert de ce compteur pour positionner finement la fenêtre de mesure, par rapport au passage à zéro (PAZ) . Le comparateur 38 est alors autorisé à commuter. Le compteur LR est construit à l'aide de bascules D dans le compteur principal 32. Ceci évite de devoir dialoguer avec le compteur secondaire 34.
Le circuit 32 de la figure 7 est programmé pour contenir le compteur principal, le compteur énergie et le compteur LR. Les compteurs LR et énergie sont ainsi programmés et localisés dans le circuit logique programmable CPLD (« Complex Programmable Logic Device ») portant la référence 32 sur la figure 7. Ils sont synchrones avec le compteur principal.
On va à présent considérer plus précisément plusieurs caractéristiques de ce circuit 25. 1) Caractéristiques
• Résolution de la mesure du temps de transit : 130 picosecondes,
• stabilité de la détection de la tête (front avant) du paquet d' ondes par contrôle du gain du quadrateur 36,
• définition en temps réel de l'instant de démarrage du compteur haute résolution 34 selon les dimensions des pointes 13 et du matériau constituant la plaque 10 et de la température de cette dernière, • excitation des transducteurs 14 : impulsions bipolaires d'amplitude +/- 70 Vpp à des instants prédéterminés selon les lois de retard. Les transducteurs 14 peuvent prendre trois niveaux de tension notés HT+ = + 70 V, Gnd et HT- = - 70 V à des instants précis correspondant à une valeur du compteur principal 32 alimenté par l'horloge principale à 60 MHz,
• génération de P signaux arbitraires simultanés : génération de lois de retard,
• une seule voie d'amplification analogique. 2) Principe de mesure
Le circuit de traitement 25 comporte un connecteur multipoints 30 destiné à être connecté à au moins un transducteur 14 fonctionnant en émission/réception (un seul doigt thermique) ou P-I transducteurs 14 fonctionnant en émission et au moins un transducteur fonctionnant en émission / réception
(cas de l'imageur à matrice de pointes) . Ce connecteur
30 est relié au bloc de commutation électronique 31 composé de circuits à transistors de type PMOS et NMOS permettant de porter un transducteur 14 particulier à la tension HT+, HT-, GND (la masse) ou haute impédance. La procédure d'excitation électrique, consiste à faire basculer automatiquement les transducteurs d'un état HT+ à un état HT- et réciproquement. Au départ, le processus d'initialisation du circuit de traitement consiste à court-circuiter tous les transducteurs 14 à la masse, puis à les mettre sous haute impédance, et enfin à les porter dans leur premier état stable par exemple (et par défaut) HT-= 70 V) . Au cours des étapes suivantes, les transducteurs 14 sont éventuellement amenés à basculer vers l'autre état stable (+HT s'ils étaient à -HT ou -HT s'ils étaient à +HT) selon qu'un bit de basculement est activé ou pas.
L'excitation électrique du réseau de transducteurs 14 consiste donc à définir un vecteur de P bits correspondant aux P transducteurs (par exemple P=64), dont les changements dans le temps vont rythmer l'alternance de la tension électrique. Chaque bit du vecteur définit la condition de basculement électrique du transducteur 14 correspondant : basculement si bit = 1 ou pas de basculement si bit = 0. Le vecteur des transitions électriques est rafraichi à une cadence au moins égale à la fréquence de résonance naturelle des transducteurs 14 et de préférence à une cadence 8 fois supérieure soit 8 MHz. Les états successifs du vecteur des transitions électriques sont sauvegardés dans une mémoire Flash et sont indexés précisément par rapport à l'horloge principale à Quartz (de 60 MHz) . Ces états successifs contiennent les lois de retards permettant de focaliser une onde à un endroit prédéterminé de la cavité correspondant à l'emplacement d'une pointe 13 prédéterminée. Chacune des pointes 13 de la matrice des pointes est donc associée à une suite de vecteurs de transitions définissant la séquence d'excitation.
Ce premier mode d'excitation simplifié permet d'appliquer des lois de retard prédéterminées et donc d'adresser la matrice de pointes 13, tout en maîtrisant bien les instants de commutation et donc la stabilité de la phase du paquet d'ondes reçu. Il permet d'exciter les P transducteurs 14 avec des signaux bipolaires arbitraires. 3) Connexion des transducteurs de la cavité
Les P transducteurs 14 sont connectés au connecteur multipoint reliant la cavité au circuit de traitement. Compte tenu de la mesure très précise du temps de transit, les temps de propagation des signaux dans les câbles ne sont pas négligeables. Les câbles utilisés sont donc des câbles coaxiaux pour lesquels les vitesses de propagation sont stables et bien déterminées (vitesse de propagation d'une onde électromagnétique dans un câble : 20 cm/ns) .
4) Générateur de rafales
Les transducteurs 14 sont excités par une impulsion électrique avec porteuse. Cette impulsion est au minimum bipolaire. Ceci présente l'avantage d'augmenter le rapport signal/bruit et permet de déterminer la direction de la polarisation de l'onde transversale engendrée dans une pointe 13.
La fréquence de la porteuse, qui est de 1000 kHz, est aussi la fréquence centrale de l'amplificateur sélectif (A) 35. La porteuse doit présenter une très bonne stabilité de fréquence car cette stabilité se retrouve directement sur les passages à zéro du paquet d'ondes à détecter. Il faut donc que l'instabilité de position des fronts ne dépasse pas la résolution que l'on souhaite avoir sur l'instant d'arrivée du paquet d'ondes, soit 100 picosecondes. On choisit pour cela un oscillateur à quartz 33. L'oscillateur à quartz de fréquence 60 MHz est compensé en température. Il sert de base de temps pour le compteur 32 qui est un circuit programmable de type CPLD (« Complex Programmable Logic Device ») ou FPGA (« Field Programmable Gâte Array » ou circuit logique programmable) et le microcontrôleur 39. On détermine les instants de transition d'une bascule T, qui vont définir la trame temporelle d'excitation. Etant donné qu'il y a P (par exemple 64) transducteurs, la trame temporelle d'excitation est en fait la trame temporelle du vecteur des transitions électriques.
Le vecteur est au départ associé à des niveaux logiques CMOS qui agissent sur les tensions de grille des transistors du bloc de commutation haute tension 31.
5) Le Bloc de commutation haute tension
Le bloc de commutation haute tension 31 permet de faire alterner les P transducteurs 14 entre un mode émetteur, un mode récepteur, un mode haute impédance, la masse et entre les tensions HT+ et HT-. Les tensions HT+ et HT- sont obtenues à l'aide de pompes à diodes.
Les temps de commutation des transistors doivent être stables à 100 picosecondes près. Pour cela les transistors de commutation choisis commutent en moins de 5 ns (« rise time » et « fall time ») .
6) Voie analogique d'amplification
Une seule et même voie analogique d'amplification est utilisée. Cette voie est constituée d'un premier amplificateur transimpédance large bande 35, suivi d'un filtre sélectif (passe-bande) non représenté sur la figure 7, centré sur la fréquence porteuse (1000 kHz) . Ce filtrage améliore le rapport signal / bruit et donc la stabilité d'un passage à zéro. La sortie de ce filtre alimente à la fois le quadrateur 36 et le comparateur 38. Le quadrateur 36 permet de détecter la tête du paquet d'ondes à l'aide d'un intégrateur actif 37, tandis que le comparateur 38 commute sur les passages à zéros du signal analogique. Ces événements, arrivée de la tête du paquet d'ondes et passage à zéro (PAZ), sont mesurés par rapport à l'instant d'émission du paquet d'ondes. L'instant du passage à zéro (PAZ) doit être le plus précis possible, par exemple à 130 ps (picoseconde) près, car il conditionne la sensibilité de la mesure d' effusivité, tandis qu'un dixième de période acoustique suffit pour l'instant de détection de la tête du paquet d'ondes qui ne sert qu'à choisir un passage à zéro donné du paquet d'ondes. On utilise pour cela un compteur principal 32 incrémenté par l'horloge à quartz principale, qui synchronise le compteur énergie pour la tête du paquet d' ondes et le compteur secondaire 34 pour l'instant de passage à zéro.
La figure 8 illustre la détection du passage à zéro. Une fenêtre de mesure de 1,05 μs est positionnée à une certaine distance du passage à zéro à détecter. Le positionnement de la fenêtre de mesure par rapport à un passage à zéro donné est rendu possible grâce à la détection de la tête du paquet d'ondes. Le front montant de la fenêtre de mesure correspond aussi à l'instant de départ du compteur secondaire haute résolution 34.
Afin d'éviter des commutations intempestives en l'absence de signal qui rendraient instable toute la voie analogique, le comparateur 38 est inhibé par l'état bas d'un signal logique de commande STOP_ENABLE.
7) Comparateur de détection d'un passage à zéro (PAZ)
L'activation du comparateur 38 se fait durant une fenêtre temporelle dont la position est calculée par rapport à l'instant de détection de la tête du paquet d'ondes obtenu grâce au quadrateur 36. Le quadrateur 36 ne permet pas une détection précise de l'instant d'arrivée de la tête du paquet d'ondes. Cette détection permet typiquement de situer le paquet d'ondes à +/-150 ns, soit 1/10 de période. Cela est cependant suffisant pour toujours détecter le même passage à zéro. C'est pourquoi il est intéressant de disposer d'un contrôle de gain au niveau du quadrateur 36 afin de compenser les perturbations du signal.
8) Compteurs
On utilise le compteur principal 32 incrémenté par l'horloge principale à quartz 33 et rythmant l'excitation des transducteurs 14 et le positionnement de la fenêtre de mesure et le compteur secondaire 34 dit compteur TDC (« Time to Digital converter ») incrémenté automatiquement et permettant de mesurer très finement l'instant d'arrivée du passage à zéro. Ce compteur 34 haute résolution est positionné et initialisé de façon synchrone par rapport au compteur principal 32.
Le compteur secondaire 34 démarre à un instant START défini par le compteur principal 32 et s'arrête à un instant STOP fourni par la détection du passage à zéro (PAZ) recherché. La résolution temporelle de ce compteur 34 est de 130 picosecondes. 9) Circuit logique programmable
Le compteur principal 32, qui est un circuit logique programmable sert à piloter le cycle de mesure. Il permet de définir des compteurs, des bascules et de la logique séquentielle et combinatoire . En supposant que le rapport signal/bruit soit suffisamment bon pour ne pas constituer un facteur limitant la résolution (>60 dB) , la sensibilité du circuit 25 n'est plus limitée que par la résolution du compteur 34. Le compteur 34 utilisé ici, référencé TDC-
GPl offre une quantification du temps de 250 ps
(picoseconde) sur deux voies combinables en une seule voie pour atteindre 125 ps . Le déroulement de la mesure est régi par une horloge à quartz de fréquence 60 MHz qui incrémente l'entrée horloge du compteur principal 32 de 17 bits, Q0..Q16. La sortie Q15 de ce compteur 32 a pour période 1,092 ms tandis que la sortie Q16 a pour période 2,184 ms . Ce compteur 32 compte en permanence et revient dans son état initial [QO.. Q16 ]= [0..O]) toutes les 2,184 ms . Cette période définit un cycle de mesure. Elle peut être augmentée ou diminué d'un facteur multiple de 2 selon la taille de la cavité et des pointes.
Le compteur de 17 bits, ou compteur principal 32, peut éventuellement être réinitialisé en même temps qu'un ordre d'écriture dans le registre d'initialisation du compteur TDC-GPl à l'adresse de la carte +11.
Le bit Q16 permet de référencer la mesure N par rapport à la mesure N-I. Par choix, un état bas de Q16 définit un cycle N-I, tandis qu'un état haut définit un cycle N. Durant la phase de vérification du bon fonctionnement du circuit du traitement 25, le compteur principal 32 [QO.. Q16] tourne cycliquement . Par la suite, dès que les conditions d'acquisitions du signal sont satisfaisantes, le compteur [QO.. Q15] est activé par un ordre d'écriture à l'adresse de la carte +11 et s'arrête dès que le bit Q15 atteint l'état 1, c'est à dire après 546 μs . L'état de lecture de la mesure N ou N-I n'est alors plus régi par l'état du bit Q16 du compteur, mais par le bit 3 d'un registre stocké à l'adresse de la carte +11.
Lorsqu'un ordre de lecture est envoyé à l'adresse +11 du circuit, cela réinitialise de façon asynchrone le compteur [QO.. Q15] . La durée de cette réinitialisation n'est cependant pas exactement connue. En effet, la durée d'un cycle d'écriture dépend des caractéristiques du microcontrôleur 39 utilisé. L'état « zéro » du compteur peut donc durer bien plus longtemps qu'une période d'horloge. On ne peut donc pas lancer une rafale électrique aux bornes d'un transducteur sur une valeur zéro du compteur.
Afin d'être sûr de réaliser une mesure synchrone, l'excitation électrique est déclenchée sur une valeur non nulle du compteur [QO.. Q15] qui est une partie du compteur principal 32, par exemple à la 512ème période, c'est à dire à 8,533 ns .
Un certain temps après le démarrage du compteur principal 32, correspondant au temps qu'il faut à une onde acoustique pour parcourir une partie de la cavité, atteindre l'extrémité de la pointe 13 et rebrousser chemin jusqu'au transducteur récepteur 14, soit une trentaine de microsecondes (pour des pointes de hauteur 30 mm et un réseau de transducteurs en forme d'anneau de rayon interne 40 mm), après l'initialisation du compteur principal 32, on se trouve en attente de l'arrivée de l'écho. On démarre alors le compteur énergie servant à la détection de la tête du paquet d'ondes. Une impulsion CMOS de 1 μs réinitialise la bascule de détection de la tête du paquet d'ondes et démarre ce compteur. Cette impulsion peut être placée entre la première microseconde et la 273ème microseconde du compteur général. Elle est définie par un registre décodant une valeur donnée des bits 6 à 13 du compteur principal 32. Ce registre est accessible en écriture à l'adresse de la carte +12. Une condition importante est que cette impulsion ne doit pas être placée à plus de 17 μs de la tête du paquet d'ondes à détecter. Donc 30 μs après l'initialisation du compteur principal 32, on entre dans la fenêtre de détection d'un passage à zéro de l'écho. On démarre ici le compteur secondaire (HR) 34 avec une impulsion CMOS « START » d'une période d'horloge à 60 MHz (16,67 ns) . Ceci lance simultanément le compteur LR synchrone de 6 bits sur le compteur CPLD 32 (de résolution 16,67 ns) chargé de faire une mesure moins précise que le compteur TDC 34 mais utile en phase de déboggage de la carte. Le comptage fin réalisé par le compteur TDC 34 se fait sur 15 bits (de résolution 0,13 ns) . Le COMPTEUR LR est réinitialisé pendant la durée de l'impulsion « START », et démarre sur front montant du compteur principal 32 à la suite du signal START. Compte tenu de la quantification sur 6 bits, l'instant START ne peut être distant de plus de 1,07 μs du passage à zéro à détecter. Le compteur secondaire 34 et le compteur LR sont arrêtés par le premier front montant du comparateur rapide 38 détectant les passages à zéro du signal analogique amplifié. Le comparateur rapide 38 ainsi que le compteur TDC 34 sont inhibés avant l'impulsion START.
À 31,05 = 30 + 1,05 μs, le comparateur rapide 38 et le compteur secondaire 34 repassent dans un état inhibé. C'est le bit ENABLE provenant du compteur principal 32 qui est chargé de verrouiller le comparateur rapide 38 et le compteur secondaire 34. Dès qu'une première instruction d'écriture dans les registres 8 bits STARTDCH et STARTDCL est réalisée aux adresses +13 ou +14, la définition « hard » de l'instant START laisse la place à définition « soft». C'est à dire que l'instant START est défini par rapport à deux registres de 8 bits rafraîchis en temps réel et mis à jour pour chacune des pointes à interroger. Par ailleurs, la fenêtre ENABLE d'activation du compteur secondaire 34 passe au niveau haut durant 1,05 μs après l'instant START. Lorsque le comparateur rapide 38 est inhibé, sa sortie reste dans l'état où elle était avant l'inhibition. Afin de ne pas manquer la détection du passage à zéro, l'instant START est placé 30 périodes d'horloge avant le passage à zéro à détecter (soit la moitié du compteur LR de 6 bits) II est aussi possible de gérer le transfert des données par une requête d'interruption. Dans ce cas, la requête est envoyée par un bit spécifique du compteur secondaire 34 nommé INTFLAG qui passe à un niveau haut lorsqu'un signal STOP a été détecté. Le degré de priorité de cette requête peut-être modifié en utilisant une jonction (« jumper ») sur le circuit 25, entre un niveau de priorité 3 à 7. 10) Le microcontrôleur (μC)
Les valeurs de mesure fournie par le compteur principal 32 sont transmises au microcontrôleur (μC) 39. Celui-ci dispose d'une unité arithmétique et logique, d'une horloge temps réel, de compteurs, de mémoires de type RAM ou Flash, avec bus adresses et données de ports d'entrée / sortie pouvant déclencher des procédures avec niveau de priorité d' interruption ainsi que des moyens logiciels pour traiter les données et les afficher sous forme alphanumérique ou graphique.
Tableau 1 Quelques ordres de grandeur d' effusivité
REFERENCES
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Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un volume d'une surface d'étude (18) , dans lequel on réalise au moins un contact de durée prédéterminée entre au moins une pointe (13) d'effusivité thermique connue, soumise à sa base à une première température Tb, et cette surface d'étude à une seconde température Ta inférieure à la première température Tb, et on mesure l'échange thermique entre cette au moins une pointe et cette surface d'étude, caractérisé en ce que l'on mesure le temps de transit aller-retour d'au moins une onde acoustique de flexion se propageant à l'intérieur de cette au moins une pointe, jusqu'à son extrémité libre mise en contact avec la surface d'étude, une variation de temps de transit faisant suite à une variation de température au voisinage de cette extrémité.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la durée du contact est comprise entre quelques dizaines de millisecondes et quelques dizaines de secondes .
3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on choisit des pointes en un matériau d'effusivité thermique supérieure à 10 000 J. m"2. k"1. s~0'5.
4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on choisit des pointes de profil conique lorsque la surface d'étude est en un matériau d'effusivité thermique inférieure à 2 500 J. m"2. k"1. s"0'5.
5. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on choisit des pointes de profil parabolique, lorsque la surface d'étude est en un matériau d'effusivité thermique supérieure à 2 500 J. m"2.k^.s"0'5.
6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on choisit une température d' interface entre la pointe et la surface d'épreuve, pour des durées de contact supérieures à 10 secondes, située à mi-chemin entre la température ambiante et la température d'extrémité des pointes, en l'absence de contact.
7. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, pour une pointe donnée et un écart de température déterminé, on utilise un thermogramme qui donne une variation du temps de transit des ondes ultrasonores émises depuis la base des pointes en fonction de la durée du toucher.
8. Dispositif de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un volume d'une surface d'étude
(18), caractérisé en ce qu'il comprend au moins une pointe (13) d'effusivité thermique connue, disposée sur une base (10) formant une cavité acoustique, et des moyens de sondage séquentiel de chaque pointe par excitation sélective d'ondes acoustiques de flexion, et de mesure du temps de transit aller-retour d'au moins une onde acoustique de flexion se propageant à l'intérieur de cette au moins une pointe.
9. Dispositif selon la revendication 8, qui comprend une matrice de pointes.
10. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque pointe (13) est en un matériau d'effusivité thermique supérieure à 10 000 J. m"2.k^.s"0'5.
11. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque pointe (13) présente un profil conique .
12. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque pointe (13) présente un profil parabolique .
13. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque pointe (13) est recouverte d'une couche d'élastomère chargé de particules métalliques bonnes conductrices de la chaleur.
14. Dispositif selon la revendication 9, comprenant un réseau de P transducteurs piézoélectriques (14), excités par des lois de retard en amplitude et en phase.
15. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel au moins un des P transducteurs (14) fonctionne alternativement en émission et réception.
16. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel les pointes sont collées par leur base à la cavité acoustique.
17. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel les P transducteurs forment une enceinte fermée, entourant la matrice de pointes.
18. Dispositif selon la revendication 14, dans lequel la distance séparant deux transducteurs adjacents est inférieure à une demi-longueur d'onde.
19. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel le diamètre de base de chaque pointe est inférieur à une demi-longueur d'onde.
20. Dispositif selon la revendication 9, dans lequel les pointes sont distantes d'au moins une demi-longueur d'onde.
21. Dispositif selon la revendication 9, comprenant une base formée par une plaque isotrope en métal dont le bord est recouvert d'une revêtement (11) qui absorbe et amortit les ondes incidentes, une surface chauffante (12) collée sur la face opposée de la plaque où est collée la matrice de pointes (13), les P transducteurs, entourant la matrice de pointes, étant connectés à l'aide des microfils de soudure (15) à un circuit imprimé (16) .
22. Dispositif selon la revendication 8, comprenant une base (10) formant une cavité chaotique ergodique (20) .
23. Dispositif selon la revendication 14, comprenant un circuit de traitement (25) comportant une horloge principale à quartz (33) , fonctionnant à quelques dizaines de Mégahertz et alimentant un compteur principal (32) déterminant les instants d'excitation du ou des transducteurs (14) émetteur et le démarrage d'un convertisseur temps numérique (34) de résolution temporelle inférieure à la nanoseconde, et un comparateur rapide (35) .
24. Dispositif selon la revendication 23, dans lequel le circuit de traitement (25) comporte : - un connecteur multipoints (30) destiné à être connecté à au moins un transducteur (14) fonctionnant en émission réception,
- un bloc de commutation électronique (31),
- un compteur principal (32) incrémenté par une horloge à quartz (33) ,
- un compteur secondaire (34), un amplificateur transimpédance large bande (35) , suivi d'un filtre sélectif, qui alimente :
• un quadrateur (36) suivi d'un intégrateur actif (37),
• un comparateur (38), - un microcontrôleur (39) ,
- un module (40) de commande de niveau d'interruption.
25. Dispositif selon la revendication 24, dans lequel le circuit de traitement (25) est relié aux transducteurs (14) par des câbles coaxiaux.
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