EP2936095A2 - Mesure optique d'une temperature d'un objet, et cartographie associee - Google Patents

Mesure optique d'une temperature d'un objet, et cartographie associee

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EP2936095A2
EP2936095A2 EP13818335.5A EP13818335A EP2936095A2 EP 2936095 A2 EP2936095 A2 EP 2936095A2 EP 13818335 A EP13818335 A EP 13818335A EP 2936095 A2 EP2936095 A2 EP 2936095A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
wave
ref
sensor
measuring
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13818335.5A
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German (de)
English (en)
Inventor
Christophe Pradere
Jean-Pascal Caumes
Sabri Ben Khemis
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.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM
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 Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP2936095A2 publication Critical patent/EP2936095A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/0255—Sample holders for pyrometry; Cleaning of sample
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/006—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using measurement of the effect of a material on microwaves or longer electromagnetic waves, e.g. measuring temperature via microwaves emitted by the object
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0896—Optical arrangements using a light source, e.g. for illuminating a surface
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
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    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K11/00—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00
    • G01K11/12—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance
    • G01K11/125—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in colour, translucency or reflectance using changes in reflectance

Definitions

  • the subject of the present invention relates to the field of non-invasive temperature measurements.
  • the object of the present invention relates to the optical measurement of the temperature variations of an object.
  • One of the objectives of the present invention is to allow such a measurement by using optical methods of the photo-reflectivity or photo-transmittivity type.
  • Another object of the present invention is to allow the construction of a 2-dimensional cartography and / or a 3-dimensional tomography of the temperature field variations of such an object.
  • the present invention is particularly advantageous for allowing the determination of the temperature variations of an object positioned inside an enclosure such as for example an enclosure made of a material having optical transparency (or semi-transparency) properties. the wavelength of an incident wave beam.
  • the present invention thus finds many advantageous applications such as, for example: in the detection of fire starting for sensitive industrial infrastructures such as for example nuclear power plants, in the maintenance of heating elements for example in the field of aeronautics or automotive, or in the detection of people for example for applications in the field of security.
  • the measurement of the temperature fields of a volume (object) in an enclosure is generally done according to two approaches.
  • the first approach which is invasive and punctual, involves positioning a temperature sensor such as a thermocouple inside the object itself.
  • the second approach uses an infrared thermography technology that remotely measures the surface temperature fields of the object. For then be able to measure in volume, it is necessary to couple the measurements made to heat treatment methods based on the inverse calculation. Such calculations, which are complex, make it possible to estimate the source of heat and / or the temperature field within the volume.
  • US 7,922,659 discloses a method and system for identifying the presence of a living body. This document relates more particularly to a measurement using frequency waves having a wavelength of between 30 GHz and 30 THz. In this document, mention is made of a determination of the temperature, the absorption of a wave, the reflectivity and / or the impedance. On the other hand, there is no description of the determination of a temperature variation. Moreover, this document neither describes nor mentions the possibility of establishing a representative tomography of the temperature by volume of an object, nor the measurement of these temperature variations through the materials.
  • the state of the art does not offer a simple and effective solution to obtain in real time and in a non-invasive and non-destructive way an accurate estimate of the temperature variations of an object, and in particular an object positioned in a speaker.
  • the present invention aims to improve the situation described above.
  • the present invention aims at enabling non-invasive measurements, in real time, to be able to characterize the transient temperature variations of one or more objects, in particular objects positioned in an enclosure such as for example a transparent enclosure ( or semi-transparent) at a frequency and made of an insulating material (thermally).
  • the present invention also aims to exploit these measurements by allowing the mapping or the tomography of these variations with an improved spatial resolution compared to the state of the art.
  • the object of the present invention relates to a method for optical temperature measurement of an object.
  • the method comprises an emission step which consists in particular in transmitting towards the object a first incident electromagnetic wave.
  • this first wave has a determined transmission frequency which is of terahertz type.
  • this determined emission frequency is between the order of 100 GHz to 30 THz; such an emission frequency corresponds to an electromagnetic wave whose wavelength is between approximately of the order of 20 ⁇ to 3 mm.
  • the object is positioned in an enclosure.
  • this enclosure is transparent or semi-transparent at such a transmission frequency.
  • the enclosure passes at least partially a portion of the first electromagnetic wave.
  • the enclosure is therefore made of a transparent or semi-transparent material to the incident wave.
  • the enclosure is made of thermally insulating material
  • the measurement method comprises a measuring step which comprises in particular the measurement, using a sensor, of an amplitude of the electromagnetic radiation of a second electromagnetic wave.
  • the senor is sensitive to terahertz radiation.
  • This measurement thus makes it possible to determine one or more temperature variations of the object.
  • This second wave may be a reflected wave or a wave transmitted by the object. It is understood here that, depending on the optical properties of the object, the second wave is a reflected wave or a transmitted wave.
  • terahertz radiation of an incident wave has the property of traversing opaque and insulating (or not) media to measure its optical, mechanical and / or physical characteristics
  • the sensitivity of terahertz radiation to the temperature of a material and in particular to the temperature variations of a material.
  • a variation in the amplitude of the electromagnetic radiation is measured during the measurement step, in order to determine a variation in temperature.
  • the measurement step according to the present invention comprises a modulation of the first and / or the second wave at a determined modulation frequency, this modulation frequency being preferably between of the order of a few hertz to a few Mega hertz.
  • This modulation which intervenes on the first wave before the radiation of the object, or on the second wave after reflection or transmission, makes it possible to improve the accuracy of the measurement carried out.
  • the measurement step according to the present invention comprises a synchronous detection of the second wave.
  • This synchronous detection thus makes it possible to increase the accuracy of the measurement by eliminating all or part of the noise
  • the senor is moved in a matrix manner relative to the object, or vice versa.
  • the sensor is moved, during the measuring step, on the same plane at different angular positions around the object.
  • This relative displacement of the sensor relative to the object allows the acquisition of measurements to then allow a 3-dimensional tomography of the temperature variation field of the object.
  • the measurement method comprises a step of constructing a mapping of the temperature variation field of an object from the temperature variations measured during the measuring step.
  • This construction step therefore aims to exploit the results of the optical measurement described above.
  • the sensor is moved on the same plane at different angular positions around the object.
  • the construction step uses the Radon transforms for a 3-dimensional tomography construction.
  • the object according to the present invention also relates to an optical temperature measurement system of an object which is configured to implement the steps of the optical measurement method as described above.
  • the optical measurement system advantageously comprises: a transmission module which is configured to transmit towards the object a first incident electromagnetic wave having a specific transmission frequency of the Teraerthertz type (preferably comprised between the order of 100 GHz to 30 THz), and
  • a sensor configured to measure an amplitude of the electromagnetic radiation of a second electromagnetic wave to determine a temperature variation of said object, said second wave being a wave reflected or transmitted by said object according to its optical properties.
  • the senor used is sensitive to terahertz radiation.
  • the senor is configured to allow modulation of the wave reflected or transmitted at a specific frequency, this frequency being preferably between a few Hertz to a few megahertz.
  • the transmission module is configured to allow a modulation of the first incident wave at a determined frequency, this frequency preferably being in the range of few hertz to a few mega hertz.
  • the senor is configured to allow synchronous detection of the second wave.
  • the optical measurement system comprises a first displacement means configured to move the sensor in a matrix manner relative to said object, or vice versa.
  • the optical measuring system according to the present invention comprises a second moving means which is configured to move the sensor on the same plane at different angular positions around said object.
  • the optical measurement system comprises computer means configured to construct a 2-dimensional cartography or a 3-dimensional tomography of the temperature variation field of an object from the measured temperature variations.
  • the computer means use the Radon transforms for the construction of a 3-dimensional tomography.
  • the object of the present invention by its different functional and structural aspects, allows an accurate optical measurement of the temperature variation fields of an object.
  • the present invention also makes it possible to exploit these measurements by improving the spatial accuracy of the mapping of these transient fields and by promoting the calculation of this cartography.
  • FIGS. 1 to 5 illustrate an embodiment of this embodiment which is devoid of any limiting character and on which:
  • FIG. 1 represents a flowchart representing the various steps of the measurement method according to an advantageous exemplary embodiment
  • FIGS. 3a and 3b relate to two graphs illustrating the temperature measurements of an object made respectively with a measuring system according to FIG. 2 and a conventional thermocouple;
  • FIGS. 4a and 4b respectively represent the evolution over time of the temperature of an object according to different positions and an image representing the fields of temperature variations obtained at a given instant
  • FIG. 5 schematically represents an image representing the temperature field of an object in a perpendicular plane.
  • an object O is placed in an enclosure E made of a thermally insulating material.
  • the transmission module 10 is configured here so that this first wave W1_inc has a transmission frequency of between 100 GHz and 30 THz. We therefore speak here of a frequency of the order of Terahertz.
  • the system 100 includes a directional element 40 such as a parabolic mirror 40 which is arranged with one or more lenses (not shown here).
  • a directional element 40 such as a parabolic mirror 40 which is arranged with one or more lenses (not shown here). This arrangement makes it possible to orient the first incident electromagnetic wave Wl_inc in the direction of the object O so that this wave Wl_inc "illuminates" said object O.
  • the parabolic mirror used is a gold parabolic mirror with a focal length equal to 150 mm.
  • the lenses used are Teflon® piano-convex lenses with a focal length of 60mm.
  • the enclosure E in which the object O is positioned is a semitransparent enclosure, even transparent, waves having such a transmission frequency.
  • the first wave W1_inc therefore illuminates the object
  • two types of optical configurations may be considered in the context of the present invention: a measurement in reflection or a measurement in transmission.
  • this first wave W1_inc causes this first wave W1_inc to be reflected or transmitted according to a second electromagnetic wave denoted here W2_ref (for the reflected waves) or W2_tra (for the transmitted waves).
  • measurements will be sensitive in transmission or reflection.
  • the second wave W2_ref is sent back to a sensor 20 via a splitter element 50 of the "beam splitter” type, in order to separate the second wave W2_ref from the first wave Wl_inc, and to redirect this second wave W2_ref to the sensor 20.
  • the second wave W2_tra is reoriented via a directional element 40 such as a parabolic mirror 40.
  • This second wave W2_ref or W2_tra is therefore sensed by a sensor 20 of the system 100, this sensor 20 being sensitive to Terahertz radiation.
  • this sensor 20 is a Tera Hertz single detector based on the thermoconversion principle.
  • this second wave W2_ref or W2_tra is modulated during a modulation step S2_1, by a mechanical "chopper", at a modulation frequency of between a few hertz to a few Mega hertz.
  • This modulation makes it possible to overcome thermal losses and to obtain a suitable signal-to-noise ratio.
  • this second wave W2_ref or W2_tra undergoes a synchronous detection S2_2.
  • This synchronous detection makes it possible to obtain the amplitude and phase shift variations with respect to the reference that is given by the mechanical "chopper".
  • the senor 20 is sensitive to terahertz radiation. Thus, it is possible by measuring an amplitude variation of the electromagnetic radiation of the second electromagnetic wave W2_ref or W2_tra to determine a temperature variation of the object O.
  • k corresponds to a coefficient of thermo-reflectivity or thermo-transitivity (in K-1),
  • - Ao is the amplitude of the second electromagnetic wave W2_ref or W2_tra at the initial temperature T0
  • A is the amplitude of the electromagnetic wave Tera Hertz when the temperature varies, that is to say the amplitude of the second electromagnetic wave W2_ref or W2_tra at the initial temperature T,
  • - Ro is the reflectivity coefficient of the second electromagnetic wave W2_ref or W2_tra at the initial temperature T 0 ,
  • - R is the reflectivity coefficient of the electromagnetic wave Tera Hertz when the temperature varies, that is to say the reflectivity coefficient of the second electromagnetic wave W2_ref or W2_tra at the initial temperature T,
  • the amplitude of an electromagnetic wave corresponds to an intensity.
  • the main difficulty in the visible one is the sensitivity.
  • the coefficient k is of the order of 10-5 K-1.
  • the relative variation of intensity of the incident wave is 0.001% whereas, in the frequency domain of Tera Hertz, this variation is 0.1%.
  • the modulated incident wave is emitted on the material to be measured and the reflected (or transmitted) portion of the wave is recorded using a sensor.
  • This set is connected to a synchronous detection which makes it possible to measure the amplitude between these two waves (the incident wave and the measured wave).
  • This measurement makes it possible to obtain a reference signal that is indicative of the optical properties (absorption, transmission, or reflection) of the material at the reference temperature T0.
  • this portion O is heated at its ends by a heating element EH Peltier element type. This creates a temperature variation that propagates along the silicon wafer.
  • the experimental protocol aims here to observe this temperature variation using the measurement method described above.
  • the other portion of the plate is not positioned in the enclosure E and is in the open air. Similar measurements were made on this other portion with an infrared camera and a thermocouple.
  • Allowing the exploitation of the temperature variation measurements of an object O to construct a mapping or a tomography of the temperature variation fields of said object O is also one of the objectives of the present invention.
  • the system 100 includes a first displacement means (not shown here) which makes it possible to move the sensor 20 in a matrix manner with respect to said object O to make it possible to obtain several "surface" measurements of the temperature of the object O.
  • FIG. 4a illustrates the evolution over time of the temperature of an object O such as a silicon plate heated at its ends by a heating element EH, such measurements being made for different matrix positions of the object O.
  • the optical measurement system 100 comprises a second displacement means (not shown here).
  • This second moving means makes it possible to move the sensor 20 on the same plane at different angular positions around the object O.
  • a tomograph may be provided to allow a 3D measurement of the variations in optical properties of the system.
  • the sensor 20 can therefore recover different measurements of temperature variations around the object O.
  • the system 100 comprises computer means such as a computer using during a reconstruction step S3, the Radon transforms.
  • FIG. 4 represents a C image resulting from such computer processing for an advantageous embodiment example. It is then possible to reconstruct a complete 3D tomography of the temperature variation field of the object O by conventional image processing methods for 3D reconstructions.
  • the present invention thus makes it possible to obtain non-invasively and non-destructively the measurements of the temperature variation fields of an object such as, for example, an object placed in a semi-transparent enclosure at a given transmission frequency.
  • the present invention then makes it possible to exploit these measurements by constructing a cartography or a precise tomography of the fields of temperature variations of this object.
  • the present invention thus allows the development of a thermal tomography method for measuring transient 3D temperature fields in the volume of materials and / or objects.
  • the present invention makes it possible to couple the THz photo reflectivity and the measurement of a temperature field by IR thermography.
  • the present invention consists in illuminating an object which undergoes a temperature variation by a modulated incident wave beam THz and in measuring the variation of amplitude of this same beam transmitted or reflected with the aid of an associated thermal sensor to a thermo-conversion system.
  • the technology deployed here in the context of the present invention makes it possible to exploit the "crossing" nature of THz waves with respect to many opaque materials at other wavelengths, such as the visible or the infrared.
  • the present invention finds numerous advantageous applications for measuring and controlling temperature variations, in particular for the control and maintenance of the temperature stability of sensitive industrial infrastructures.

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Abstract

L'objet de la présente invention concerne un procédé de mesure optique d'une variation de température d'un objet (O) comportant : une étape d'émission (S1) consistant à 10 émettre en direction dudit objet (O) une première onde électromagnétique incidente (W1_inc) du type Téra hertz, et une étape de mesure (S2) comprenant la mesure (S2_3) à l'aide d'un capteur sensible au rayonnement Téra hertz(20) d'une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique d'une seconde onde électromagnétique (W2_réf, W2_tra) pour déterminer la variation de température dudit objet (O). 15

Description

MESURE OPTIQUE D'UNE TEMPERATURE D'UN OBJET, ET CARTOGRAPHIE ASSOCIEE
DOMAINE TECHNIQUE
L'objet de la présente invention a trait au domaine des mesures de températures non invasives.
Plus précisément, l'objet de la présente invention porte sur la mesure optique des variations de température d'un objet.
Un des objectifs de la présente invention est de permettre une telle mesure en utilisant des méthodes optiques de type photo-réflectivité ou de photo-transmittivité.
Un autre objectif de la présente invention est de permettre la construction d'une cartographie en 2 dimensions et/ou d'une tomographie en 3 dimensions des variations de champs de température d'un tel objet.
La présente invention est particulièrement avantageuse pour permettre la détermination des variations de température d'un objet positionné à l'intérieur d'une enceinte telle que par exemple une enceinte constituée dans un matériau présentant des propriétés de transparence (ou semi-transparence) optique à la longueur d'onde d'un faisceau d'onde incidente.
La présente invention trouve ainsi de nombreuses applications avantageuses telles que par exemple : dans la détection de départ de feu pour les infrastructures industrielles sensibles telles que par exemple les centrales nucléaires, dans la maintenance des éléments chauffants par exemple dans le domaine de l'aéronautique ou l'automobile, ou encore dans la détection de personnes par exemple pour des applications dans le domaine de la sécurité.
Bien évidemment, d'autres applications industrielles avantageuses peuvent être envisagées dans le cadre de la présente invention.
ETAT DE LA TECHNIQUE
La mesure des champs de température d'un volume (objet) dans une enceinte se fait généralement selon deux approches.
La première approche, qui est invasive et ponctuelle, consiste à positionner un capteur de température tel qu'un thermocouple à l'intérieur de l'objet lui-même.
La deuxième approche utilise une technologie de thermographie infrarouge qui permet de mesurer à distance les champs de température en surface de l'objet. Pour pouvoir ensuite réaliser des mesures en volume, il est nécessaire de coupler les mesures réalisées à des méthodes de traitement thermique basées sur du calcul inverse. De tels calculs, qui sont complexes, permettent d'estimer la source de chaleur et/ou le champ de température à l'intérieur du volume.
Ces deux approches présentent toutefois de nombreux inconvénients tant en termes de complexité de calcul et de coût qu'en termes de précision. En effet, la diffusion thermique dans le volume lui-même est à l'origine d'une perte d'information spatiale non-négligeable. De même, ces mesures nécessitent un temps de détection important en surface pour les matériaux isolants.
Le document US 7 922 659 décrit un procédé et un système pour identifier la présence d'un corps vivant. Ce document porte plus particulièrement sur une mesure utilisant des ondes fréquentielles présentant une longueur d'ondes comprise entre 30 GHz à 30 THz. Dans ce document, il est fait mention d'une détermination de la température, de l'absorption d'une onde, de la réflectivité et/ou de l'impédance. En revanche, il n'est nullement décrit la détermination d'une variation de température. Par ailleurs, ce document ne décrit ni ne mentionne la possibilité d'établir une tomographie représentative de la température en volume d'un objet, ni encore la mesure de ces variations de température à travers les matériaux.
L'état de la technique n'offre pas de solution simple et efficace permettant d'obtenir en temps réel et de façon non-invasive et non-destructive une estimation précise des variations de températures d'un objet, et notamment un objet positionné dans une enceinte.
OBJET ET RESUME DE LA PRESENTE INVENTION
La présente invention vise à améliorer la situation décrite ci-dessus.
Ainsi, la présente invention vise à permettre de réaliser des mesures non- invasives, en temps réel, pour pouvoir caractériser les variations transitoires de températures d'un ou plusieurs objets, notamment des objets positionnés dans une enceinte telle que par exemple une enceinte transparente (ou semi-transparente) à une fréquence et constituée dans un matériau isolant (thermiquement).
La présente invention vise également l'exploitation de ces mesures en permettant la cartographie ou la tomographie de ces variations avec une résolution spatiale améliorée par rapport à l'état de la technique. Ainsi, l'objet de la présente invention porte sur un procédé de mesure optique de température d'un objet.
Selon la présente invention, le procédé comporte une étape d'émission qui consiste notamment à émettre en direction de l'objet une première onde électromagnétique incidente.
Avantageusement, cette première onde présente une fréquence d'émission déterminée qui est de type Téra-hertz. De préférence, cette fréquence d'émission déterminée est comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz ; une telle fréquence d'émission correspond à une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est comprise entre environ de l'ordre de 20 μιη à 3 mm.
Dans un mode de réalisation avantageux, l'objet est positionné dans une enceinte.
On comprend que cette enceinte est transparente ou semi-transparente à une telle fréquence d'émission. En d'autres termes, l'enceinte laisse passer au moins partiellement une portion de la première onde électromagnétique. L'enceinte est donc constituée dans un matériau transparent ou semi-transparent à l'onde incidente.
Optionnellement, l'enceinte est constituée dans un matériau isolant thermiquement
Avantageusement, le procédé de mesure comporte une étape de mesure qui comprend notamment la mesure, à l'aide d'un capteur, d'une d'amplitude du rayonnement électromagnétique d'une seconde onde électromagnétique.
De préférence, le capteur est sensible au rayonnement Téra hertz.
Cette mesure permet ainsi de déterminer une ou plusieurs variations de température de l'objet.
Cette deuxième onde peut être une onde réfléchie ou une onde transmise par l'objet. On comprend ici que, en fonction des propriétés optiques de l'objet, la deuxième onde est une onde réfléchie ou une onde transmise.
Ainsi, grâce à la succession de ces étapes techniques, caractéristiques de la présente invention, il est possible de quantifier les variations de température d'un objet tel que par exemple un objet positionné à l'intérieur d'une enceinte transparente (ou semi-transparente) au rayonnement d'une onde électromagnétique.
Ceci est rendu possible en utilisant conjointement : - d'une part, le rayonnement Téra hertz d'une onde incidente ; le rayonnement Téra hertz a notamment la propriété de traverser des milieux opaques et isolants (ou non) pour en mesurer les caractéristiques optiques, mécaniques et/ou physique, et
- d'autre part, la sensibilité du rayonnement Téra hertz à la température d'un matériau, et notamment aux variations de température d'un matériau.
La demanderesse soumet que, dans le document US 7 922 659 cité précédemment, il est impossible de séparer une variation de température d'une simple variation de l'absorption d'une onde, de la réflectivité et/ou de l'impédance ; en effet, dans ce document, les réponses à l'émission d'onde incidente sont couplées.
Dans ce document, il n'est nullement fait mention d'une mesure d'une onde de référence pour déterminer par la suite une variation relative avec la température du coefficient optique de réflectivité (ou de transmittivité).
Dans un mode de réalisation avantageux, on mesure lors de l'étape de mesure une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique, ceci afin de déterminer une variation de température.
Avantageusement, l'étape de mesure selon la présente invention comprend une modulation de la première et/ou de la deuxième onde à une fréquence de modulation déterminée, cette fréquence de modulation étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz.
Cette modulation qui intervient sur la première onde avant le rayonnement de l'objet, ou sur la deuxième onde après réflexion ou transmission, permet d'améliorer la précision de la mesure réalisée.
Avantageusement, l'étape de mesure selon la présente invention comprend une détection synchrone de la deuxième onde. Cette détection synchrone permet ainsi d'accroître la précision de la mesure en supprimant en tout ou partie le bruit
(minimisation du rapport signal sur bruit), ceci par amplification d'amplitude et déphasage.
Dans un mode de réalisation avantageux, lors de l'étape de mesure, le capteur est déplacé de façon matricielle par rapport à l'objet, ou inversement.
Ce déplacement relatif du capteur par rapport à l'objet permet l'acquisition de mesures pour permettre ensuite la construction d'une cartographie en 2 dimensions du champ de variation de température de l'objet. Dans un autre mode de réalisation qui peut éventuellement être combiné avec le précédent mode ci-dessus, le capteur est déplacé, lors de l'étape de mesure, sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet.
Ce déplacement relatif du capteur par rapport à l'objet permet l'acquisition de mesures pour permettre ensuite une tomographie en 3 dimensions du champ de variation de température de l'objet.
Avantageusement, le procédé de mesure comporte une étape de construction d'une cartographie du champ de variation de température d'un objet à partir des variations de température mesurées lors de l'étape de mesure.
Cette étape de construction vise donc à exploiter les résultats de la mesure optique décrite ci-dessus.
Dans une variante avantageuse, lors de l'étape de mesure, le capteur est déplacé sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet. Dans cette variante, l'étape de construction utilise les transformées de Radon pour une construction de la tomographie en 3 dimensions.
Corrélativement, l'objet selon la présente invention concerne également un système de mesure optique de température d'un objet qui est configuré pour mettre en œuvre les étapes du procédé de mesure optique tel que décrit ci-dessus.
Plus précisément, le système de mesure optique comporte avantageusement : - un module d'émission qui est configuré pour émettre en direction de l'objet une première onde électromagnétique incidente présentant une fréquence d'émission déterminée du type Téra hertz (de préférence comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz), et
un capteur configuré pour mesurer une amplitude du rayonnement électromagnétique d'une deuxième onde électromagnétique pour déterminer une variation de température dudit objet, cette dite deuxième onde étant une onde réfléchie ou transmise par ledit objet en fonction de ses propriétés optiques.
De préférence, le capteur utilisé est sensible au rayonnement Téra hertz.
Dans une première variante, le capteur est configuré pour permettre une modulation de l'onde réfléchie ou transmise à une fréquence déterminée, cette fréquence étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques Hertz à quelques Méga hertz. Dans une deuxième variante qui éventuellement peut être combinée avec la première variante ci-dessus, le module d'émission est configuré pour permettre une modulation de la première onde incidente à une fréquence déterminée, cette fréquence étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz.
Avantageusement, le capteur est configuré pour permettre une détection synchrone de la deuxième onde.
Dans un mode de réalisation avantageux, le système de mesure optique selon la présente invention comporte un premier moyen de déplacement configuré pour déplacer le capteur de manière matricielle par rapport audit objet, ou inversement.
Dans un autre mode de réalisation qui peut être combiné avec le précédent mode ci-dessus, le système de mesure optique selon la présente invention comporte un deuxième moyen de déplacement qui est configuré pour déplacer le capteur sur un même plan à différentes positions angulaires autour dudit objet.
Avantageusement, le système de mesure optique selon la présente invention comporte des moyens informatiques configurés pour construire une cartographie en 2 dimensions ou une tomographie en 3 dimensions du champ de variation de température d'un objet à partir des variations de température mesurées.
Dans un mode de réalisation avantageux, les moyens informatiques utilisent les transformées de Radon pour la construction d'une tomographie en 3 dimensions.
Ainsi, l'objet de la présente invention, par ses différents aspects fonctionnels et structurels, permet une mesure optique précise des champs de variations de températures d'un objet. La présente invention permet également une exploitation de ces mesures en améliorant la précision spatiale de la cartographie de ces champs transitoires et en favorisant le calcul de cette cartographie.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES ANNEXEES
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention res sortiront de la description ci-dessous, en référence aux figures 1 à 5 annexées qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif et sur lesquelles :
- la figure 1 représente un organigramme représentant les différentes étapes du procédé de mesure selon un exemple de réalisation avantageux ;
- la figure 2 représente de façon schématique un système de mesure selon un exemple de réalisation avantageux ; - les figures 3a et 3b portent sur deux graphiques illustrant les mesures de température d'un objet réalisées respectivement avec un système de mesure conforme à la figure 2 et un thermocouple classique ;
- les figures 4a et 4b représentent respectivement l'évolution au cours du temps de la température d'un objet selon différentes positions et une image représentant les champs de variations de températures obtenue à un instant donné ; et
- la figure 5 représente de façon schématique une image représentant le champ de température d'un objet dans un plan perpendiculaire.
DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION AVANTAGEUX Un procédé de mesure optique conforme à un exemple de réalisation ainsi que le système 100 associé vont maintenant être décrits dans ce qui suit en faisant référence conjointement aux figures 1 à 5.
Permettre une mesure non-invasive de la température d'un objet O positionné à l'intérieur d'une enceinte E pour construire une cartographie ou une tomographie C des champs de variations de températures dudit objet O est un des objectifs de la présente invention.
A cet effet, dans l'exemple décrit ici et comme illustré en figure 2, on dispose un objet O dans une enceinte E constituée dans un matériau isolant thermiquement.
Dans l'exemple décrit ici, le système de mesure optique 100 comporte un module d'émission 10, par exemple du type diode Gunn (P=20mW et À^60mm), qui émet, lors d'une étape d'émission SI, une première onde électromagnétique incidente Wl_inc. Le module d'émission 10 est configuré ici de telle façon que cette première onde Wl_inc présente une fréquence d'émission comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz. On parle donc ici d'une fréquence de l'ordre du Téra hertz.
Dans l'exemple décrit ici, le système 100 comporte un élément directionnel 40 tel qu'un miroir parabolique 40 qui est arrangé avec une ou plusieurs lentilles (non représentées ici). Cet arrangement permet d'orienter la première onde électromagnétique incidente Wl_inc en direction de l'objet O de sorte que cette onde Wl_inc « éclaire » ledit objet O.
De préférence, dans l'exemple décrit ici, le miroir parabolique utilisé est un miroir parabolique en or de distance focale égale à 150mm.
Par ailleurs, les lentilles utilisées sont des lentilles piano-convexes en Téflon® qui présentent une distance focale de 60mm. L'homme du métier comprend ici que l'enceinte E dans laquelle l'objet O est positionné est une enceinte semi-transparente, voire transparente, aux ondes présentant une telle fréquence d'émission.
Comme illustré en figure 2, la première onde Wl_inc vient donc éclairer l'objet
O.
Ensuite, deux types de configurations optiques peuvent être envisagés dans le cadre de la présente invention : une mesure en réflexion ou une mesure en transmission.
En effet, les propriétés optiques intrinsèques de l'objet O font que cette première onde Wl_inc est réfléchie ou est transmise selon une deuxième onde électromagnétique notée ici W2_réf (pour les ondes réfléchies) ou W2_tra (pour les ondes transmises).
Selon les propriétés optiques de l'objet, les mesures seront donc sensibles en transmission ou en réflexion.
Les deux configurations sont illustrées ici sur la figure 2.
Comme illustré sur cette figure 2, dans l'exemple décrit ici, la deuxième onde W2_réf est renvoyée vers un capteur 20 par l'intermédiaire d'un élément séparateur 50 du type « beam splitter », ceci pour séparer la deuxième onde W2_réf de la première onde Wl_inc, et pour réorienter cette deuxième onde W2_réf vers le capteur 20.
De la même manière, dans le cas où l'onde est transmise, la deuxième onde W2_tra est réorientée par l'intermédiaire d'un élément directionnel 40 tel qu'un miroir parabolique 40.
Cette deuxième onde W2_réf ou W2_tra est donc captée par un capteur 20 du système 100, ce capteur 20 étant sensible au rayonnement Téra Hertz. Dans l'exemple décrit ici, ce capteur 20 est un mono-détecteur Téra Hertz basé sur le principe de thermoconversion.
Dans l'exemple décrit ici, différents traitements sont prévus sur cette onde W2_réf ou W2_tra par le capteur 20 ; ces traitements visent principalement à améliorer la précision spatiale des informations qui vont être extraites de ces ondes.
Ainsi, dans l'exemple décrit ici, cette deuxième onde W2_réf ou W2_tra est modulée lors d'une étape de modulation S2_l, par un « chopper » mécanique, à une fréquence de modulation comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz. Cette modulation permet de s'affranchir des pertes thermiques et d'obtenir un rapport signal à bruit convenable. Ensuite, cette deuxième onde W2_réf ou W2_tra subit une détection synchrone S2_2. Cette détection synchrone permet d'obtenir les variations d'amplitude et de déphasage par rapport à la référence qui est donnée par le « chopper » mécanique.
Ces différents étapes sont mises en œuvre par le capteur 20 qui est spécialement adapté à cet effet (les moyens de traitement du capteur n'étant pas représentés ici).
Comme évoqué ci-dessus, le capteur 20 est sensible au rayonnement Téra hertz. Ainsi, il est possible en mesurant une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique de la deuxième onde électromagnétique W2_réf ou W2_tra de déterminer une variation de température de l'objet O.
Ceci résulte des propriétés du rayonnement Téra hertz qui est sensible aux variations de température des matériaux.
Plus particulièrement, la mesure de la variation d'amplitude ΔΑ (=A-A0) relative à la variation du coefficient de réflectivité AR (=R-Ro) permet d'obtenir la variation de température (=T-T0) selon la formule suivante :
ΔΑ ùR
~— - k (7 - Tn)
¾
dans laquelle :
- k correspond à un coefficient de thermo-réflectivité ou de thermo-transitivité (en K- l),
- Ao est l'amplitude de la deuxième onde électromagnétique W2_réf ou W2_tra à la température initiale T0,
- A est l'amplitude de l'onde électromagnétique Téra Hertz lorsque la température varie, c'est-à-dire l'amplitude de la deuxième onde électromagnétique W2_réf ou W2_tra à la température initiale T,
- Ro est le coefficient de réflectivité de la deuxième onde électromagnétique W2_réf ou W2_tra à la température initiale T0,
- R est le coefficient de réflectivité de l'onde électromagnétique Téra Hertz lorsque la température varie, c'est-à-dire le coefficient de réflectivité de la deuxième onde électromagnétique W2_réf ou W2_tra à la température initiale T,
- T est la température (en K),
- T0 est la température initiale (en K).
Dans l'exemple décrit ici, l'amplitude d'une onde électromagnétique correspond à une intensité. La majeure difficulté dans le visible notamment est la sensibilité.
En effet, le coefficient k est de l'ordre de 10-5 K-l. Ainsi, pour une variation de température de 1K, la variation relative d'intensité de l'onde incidente est de 0.001% alors que, dans le domaine fréquentiel du Téra Hertz, cette variation est de 0.1%.
Ainsi, selon l'invention, l'onde incidente modulée est émise sur le matériau à mesurer et la partie réfléchie (ou transmise) de l'onde est enregistrée à l'aide d'un capteur.
Cet ensemble est relié à une détection synchrone qui permet de mesurer l'amplitude entre ces deux ondes (l'onde incidente et l'onde mesurée).
Cette mesure permet d'obtenir un signal de référence qui est révélateur des propriétés optiques (absorption, transmission, ou réflexion) du matériau à la température de référence T0.
Ensuite, sur le plan expérimental, on vient réaliser à l'aide d'un chauffage externe (effet joule, laser...) une variation de température du matériau que l'on va mesurer en fonction du temps pour simuler une variation de température.
Après, la formule ci-dessus est appliquée à partir des données mesurées pour obtenir une variation proportionnelle à celle de la température.
Pour obtenir la température absolue, il faut une étape supplémentaire de calibration qui vise à identifier la valeur exacte du k qui dépend de la longueur d'onde de l'onde incidente et des propriétés optiques du matériau.
Sur le plan expérimental, des mesures selon le procédé décrit ci-dessus ont été réalisés sur une portion d'une plaque de silicium (objet O) positionnée dans une enceinte E isolante.
Dans le cadre de l'expérience, cette portion O est chauffée au niveau de ses extrémités par un élément chauffant EH du type élément Peltier. Ceci permet de créer une variation de température qui se propage le long de la plaque de silicium. Le protocole expérimental vise ici à observer cette variation de température en utilisant la méthode de mesure décrite ci-dessus.
Les résultats de ces mesures sont représentés en figure 3a.
Dans cette expérience, l'autre portion de la plaque n'est pas positionnée dans l'enceinte E et est à l'air libre. Des mesures similaires ont été réalisées sur cette autre portion avec une caméra infrarouge et un thermocouple.
Les résultats de ces mesures sont représentés en figure 3b. Les mesures obtenues sur l'une et l'autre portion sont identiques (il existe une relation linéaire entre les mesures): Cette expérience valide le protocole de mesure et met en évidence la corrélation entre la mesure des variations d'amplitude d'une onde Téra hertz provenant d'un objet chauffé et les variations de températures de cet objet.
Permettre l'exploitation des mesures de variations de températures d'un objet O pour construire une cartographie ou une tomographie des champs de variations de températures dudit objet O est également un des objectifs de la présente invention.
Ainsi, le système 100 comporte un premier moyen de déplacement (non représenté ici) qui permet de déplacer le capteur 20 de manière matricielle par rapport audit objet O pour permettre d'obtenir plusieurs mesures « surfaciques » de la températures de l'objet O.
De telles mesures sont représentées par exemple sur la figure 4a qui illustre l'évolution dans le temps de la température d'un objet O tel qu'une plaque de silicium chauffée à ses extrémités par un élément chauffant EH, de telles mesures étant réalisées pour différentes positions matricielles de l'objet O.
Grâce à de telles mesures, il est ainsi possible d'obtenir une image C telle que la cartographie 2D représentée en figure 4b.
Il est également possible de réaliser une tomographie 3D représentant notamment les champs de variations de température à l'intérieur d'un objet (c'est-à-dire celles relatives à un plan de coupe transversale de l'objet).
Le système de mesure optique 100 comporte à cet effet un deuxième moyen de déplacement (non représenté ici).
Ce deuxième moyen de déplacement permet de déplacer le capteur 20 sur un même plan à différentes positions angulaires autour l'objet O.
On peut prévoir l'utilisation d'un tomographe pour permettre une mesure 3D des variations de propriétés optiques du système.
Le capteur 20 peut donc récupérer différentes mesures de variations de températures autour de l'objet O. Pour déterminer le champ de variations de températures pour chaque coupe transversale de l'objet O, le système 100 comporte des moyens informatiques tels qu'un calculateur utilisant, lors d'une étape de reconstruction S3, les transformées de Radon.
La figure 4 représente une image C résultant d'un tel traitement informatique pour un exemple de réalisation avantageux. Il est ensuite possible de reconstruire une tomographie complète en 3D du champ de variations de température de l'objet O par des méthodes de traitement d'images classiques pour les reconstructions en 3D.
Plus particulièrement, à partir des différentes cartographies 2D obtenues pour épaisseur, il est possible de calculer la variation relative de la température :
T -T
T
Ensuite, est appliquée une transformée de Radon à la résultante.
Grâce à ce traitement, on obtient, après interpolation, une image telle que celle représentée en figure 5 qui représente le champ de température mesuré.
Ce type de protocole permet la réalisation de mesures volumiques en températures.
La présente invention permet donc d'obtenir de façon non-invasive et non- destructive les mesures des champs de variations de températures d'un objet tel que par exemple un objet placé dans une enceinte semi-transparente à une fréquence d'émission déterminée.
La présente invention permet ensuite d'exploiter ces mesures en construisant une cartographie ou une tomographie précise des champs de variations de températures de cet objet.
La présente invention permet ainsi la mise au point d'une méthode de tomographie thermique pour la mesure de champs de températures 3D transitoire dans le volume de matériaux et ou objets.
Plus particulièrement, la présente invention permet de coupler la photo- réflectivité THz et la mesure d'un champ de température par thermographie IR.
Ainsi, la présente invention consiste à éclairer un objet qui subit une variation de température par un faisceau d'ondes THz incident modulé et à mesurer la variation d'amplitude de ce même faisceau transmis ou réfléchi à l'aide d'un capteur thermique associé à un système de thermo-conversion.
La technologie déployée ici dans le cadre de la présente invention permet d'exploiter le caractère « traversant » des ondes THz vis-à-vis de nombreux matériaux opaques à d'autres longueurs d'ondes comme le visible ou l'infrarouge. Ainsi, grâce à la présente invention, il devient notamment possible d' imager un champ de température d'un objet situé derrière des matériaux comme le béton, le bois, ou encore le plastique. Ainsi, la présente invention trouve de nombreuses applications avantageuses pour mesurer et contrôler les variations de température notamment pour le contrôle et la maintenance de la stabilité en températures d'infrastructures industrielles sensibles.
Il devra être observé que cette description détaillée porte sur un exemple de réalisation particulier de la présente invention, mais qu'en aucun cas cette description ne revêt un quelconque caractère limitatif à l'objet de l'invention ; bien au contraire, elle a pour objectif d'ôter toute éventuelle imprécision ou toute mauvaise interprétation des revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de mesure optique de température d'un objet (O) positionné à l'intérieur d'une enceinte (E), comportant les étapes suivantes :
- une étape d'émission (SI) consistant à émettre en direction dudit objet (O) une première onde électromagnétique incidente (Wl_inc) présentant une fréquence d'émission déterminée, et
une étape de mesure (S2) comprenant la mesure (S2_3) à l'aide d'un capteur (20) d'une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique d'une seconde onde électromagnétique (W2_réf, W2_tra) pour déterminer une variation de température dudit objet (O), cette dite deuxième onde (W2_réf, W2_tra) étant une onde réfléchie (W2_réf) ou transmise (W2_tra) par ledit objet (O) en fonction de ses propriétés optiques,
procédé de mesure dans lequel ladite fréquence d'émission déterminée est de type Téra hertz, ledit capteur (20) est sensible au rayonnement Téra Hertz, et ladite enceinte est transparente ou semi-transparente à ladite fréquence d'émission déterminée
2. Procédé de mesure selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de mesure (S2) comprend une modulation (S2_l) à une fréquence de modulation déterminée de la première (Wl_inc) ou de la deuxième (W2_réf, W2_tra) onde, cette fréquence de modulation déterminée étant de préférence comprise entre de l'ordre de quelques hertz à quelques Méga hertz.
3. Procédé de mesure selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étape de mesure (S2) comprend une détection synchrone (S2_2) de la deuxième onde (W2_réf,
W2_tra).
4. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite fréquence d'émission déterminée est comprise entre de l'ordre de 100 GHz à 30 THz.
5. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape de mesure (S2), le capteur (20) est déplacé de façon matricielle par rapport à l'objet (O), ou inversement.
6. Procédé de mesure selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que, lors de l'étape de mesure (S2), le capteur (20) est déplacé sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet (O).
7. Procédé de mesure selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une étape de construction (S3) consistant notamment à reconstruire une cartographie ou une tomographie (C) du champ de variation de température d'un objet (O), à partir des variations de températures mesurées lors de l'étape de mesure (S2).
8. Procédé de mesure selon la revendication 7, le capteur (20) étant déplacé lors de l'étape de mesure (S2) sur un même plan à différentes positions angulaires autour de l'objet (O), caractérisé en ce que l'étape de construction (S3) utilise les transformées de Radon pour une construction de la tomographie (C) en 3 dimensions.
9. Système de mesure optique (100) de température d'un objet (O) positionné à l'intérieur d'une enceinte (E) comportant :
un module d'émission (10) configuré pour émettre en direction dudit objet (O) une première onde électromagnétique incidente (Wl_inc) présentant une fréquence d'émission déterminée, cette dite fréquence d'émission déterminée étant de type Téra hertz, et ladite enceinte étant transparente ou semi- transparente à cette dite fréquence d'émission déterminée, et
un capteur (20) configuré pour mesurer une variation d'amplitude du rayonnement électromagnétique d'une deuxième onde électromagnétique (W2_réf, W2_tra) pour déterminer une variation de température dudit objet (O), cette dite deuxième onde (W2_réf, W2_tra) étant une onde réfléchie (W2_réf) ou transmise (W2_réf) par ledit objet (O) en fonction de ses propriétés optiques, et ledit capteur (20) étant sensible au rayonnement Téra hertz.
10. Système de mesure selon la revendication9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens configurés pour la mise en œuvre des étapes du procédé de mesure selon l'une quelconques des revendications 2 à 8.
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