FR2924809A1 - Procede et dispositif de mesure de l'effusivite thermique d'une surface d'etude - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un procédé et un dispositif de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un petit 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 l'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 a, 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'S) est sa capacité à échanger de l'énergie thermique avec son environnement. L'effusivité thermique d'un matériau est donnée par la formule E =.J2 pC , où a, 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 semiinfinis, 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. 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.

EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne 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, 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 . k-1 s-0's 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-'. k-1. 's. 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 la géométrie des pointes de façon à ce que la température d'interface, pour des durées de contact avec la surface d'épreuve supérieures à 10 secondes, soit à mi-chemin entre la température ambiante et la température d'extrémité des pointes, en l'absence de contact.

Avantageusement on mesure automatiquement, la variation de temps de transit dans une pointe pour différentes durées de contact et pour un écart de température déterminé et on obtient un thermogramme dont la pente, exprimée en nanoseconde par seconde de contact, sert de valeur quantitative caractérisant le toucher thermique. L'invention concerne également un dispositif de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un petit 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, disposées sur une base ayant une conductivité thermique élevée, formant une cavité acoustique, des moyens pour porter cette au moins une pointe à une première température Tb, au niveau de sa base, cette température étant supérieure à une seconde température Ta qui est celle de la surface d'étude, avec laquelle toutes les pointes sont mises en contact, et des moyens de sondage séquentiel de chaque pointe par excitation sélective d'ondes acoustiques de flexion. 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 30 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 15 permettent d'obtenir les résultats avantageux suivants . réalisation d'un doigt artificiel pour caractériser un toucher thermique, simplicité du mode opératoire 20 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 25 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 25 La figure 1A illustre des signaux mesurés avec le dispositif de l'invention, en utilisant une pointe de forme conique illustrée sur la figure 1B. La figure 2A illustre des signaux mesurés avec le dispositif de l'invention, en utilisant une 30 pointe de forme paraboloïde illustrée sur la figure 2B. 20 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 l'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 oeuvre 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 (1D) 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-'.k-1.s S, 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 Sc, 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 Sc, 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 to 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 ps (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 50°C à 60°C, 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 1A 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 1B, 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 r/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 Sc, 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 So 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(0) 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 So est v = 6 mm/us. 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 Ei (t-Ti, (~i) ou Ei désigne l'amplitude de l'impulsion appliquée au transducteur i (1 < i < P), Ti le retard avant application de l'impulsion et 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 Sc, 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 1MHz.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 So 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-1) 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 l'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 (cl)). 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 No 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 X' 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. 10 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-1 15 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 20 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 25 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 30 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 = O. 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 cens). 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 Gate 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 évènements, 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 ps 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- GP1 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 [Q0..Q16 ]= [0..0]) 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-GP1 à l'adresse de la carte +11. Le bit Q16 permet de référencer la mesure N par rapport à la mesure N-1. Par choix, un état bas de Q16 définit un cycle N-1, 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 [Q0..Q16] tourne cycliquement. Par la suite, dès que les conditions d'acquisitions du signal sont satisfaisantes, le compteur [Q0..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 ps. L'état de lecture de la mesure N ou N-1 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 [Q0..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 [Q0..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 ps 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 ps de la tête du paquet d'ondes à détecter. Donc 30 ps 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 ps 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 ps, 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 bard 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 ps 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) Il 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 (pC) Les valeurs de mesure fournie par le compteur principal 32 sont transmises au microcontrôleur (pC) 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 Matériau Effusivité (J.m z.K-1 s-o,5) Air 6 Acier inox 7 100 à 11 000 Aluminium 23 700 Argile humide 2 600 Béton 1 200 à 2 500 Bois 120 à 660 Calcaire 1 180 à 1 960 Composite verre/époxy 500 Cuivre 37 000 Diamant 31 000 Eau 1 590 Fer 15 800 Fonte 12 000 à 16 000 Glace 2 850 Granite 1 950 à 2 970 Inconel 6 200 à 7 600 Liège 100 à 110 Limon 500 à 900 Marbre 2 500 Or 28 000 Platine 14 000 Plâtre 770 Plexiglas 490 Plomb 7 100 PMMA 600 Polyéthylène 800 à 1 050 Polystyrène (mousse) 20 à 60 Polyuréthane (mousse) 40 à 70 PVC 480 à 650 Pyrex 1 350 Quartz (cristal) 3 600(a) à 4 800(c) Résine ABS 450 à 580 Sable humide 1 000 à 2 400 Sable sec 300 à 600 Silicium 14 300 Téflon 740 Verre (silice fondue) 1 500 Verre flint 950 REFERENCES [1] US 3,822,580 ou FR 2 118 346

Claims (25)

REVENDICATIONS

1. Procédé de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un petit 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-'. k-1 s-o,5

4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on choisit des pointes de profil conique lorsquela surface d'étude est en un matériau d'effusivité thermique inférieure à 2 500 J.m-'. k-1. s 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 .k 1. 5

6. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on choisit la géométrie des pointes de façon à ce que la température d'interface, pour des durées de contact avec la surface d'épreuve supérieures à 10 secondes, soit 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 on mesure automatiquement la variation de temps de transit dans une pointe pour différentes durées de contact et pour un écart de température déterminé, et on obtient un thermogramme dont la pente, exprimée en nanoseconde par seconde de contact, sert de valeur quantitative caractérisant le toucher thermique.

8. Dispositif de mesure de l'effusivité thermique d'au moins un petit 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) ayant une conductivité thermique élevée, formant une cavité acoustique, des moyens pourporter cette au moins une pointe à une première température Tb, au niveau de sa base, cette température étant supérieure à une seconde température Ta qui est celle de la surface d'étude, avec laquelle toutes les pointes sont mises en contact, et des moyens de sondage séquentiel de chaque pointe par excitation sélective d'ondes acoustiques de flexion.

9. Dispositif selon la revendication 8, qui 10 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 15 J . m k-1 s-°,5.

11. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque pointe (13) présente un profil conique, lorsque la surface d'étude est en un matériau 20 d'effusivité thermique inférieure à 2 500 J . m-' . k-1. 5

12. Dispositif selon la revendication 8, dans lequel chaque pointe (13) présente un profil 25 parabolique, lorsque la surface d'étude est en un matériau d'effusivité thermique supérieure à 2 500 J.m-'.k-1.s-0'5 .

13. Dispositif selon la revendication 8, 30 dans lequel chaque pointe (13) est recouverte d'unecouche d'élastomère chargé de fines 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, 10 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 15 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, 30 dans lequel les pointes sont distantes d'au moins une demi-longueur d'onde. 20 25

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 (2 0) .

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 14, 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.