FR2980846A1 - Procede de determination sans contact de l'epaisseur d'un echantillon, systeme correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un procédé de mesure d'une épaisseur Delta d'un échantillon (1), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes selon lesquelles - une source (2) d'un faisceau (20) de rayonnement de chauffage excite (S1) l'échantillon (1) de manière périodique à une fréquence (f), pour obtenir une excitation thermique périodique de l'échantillon (1) ; - un capteur (3) mesure (S2) une réponse thermique périodique de l'échantillon, en réponse à l'excitation thermique périodique ; - un processeur (4) détermine (S3) un déphasage (φ) entre l'excitation thermique périodique et la réponse thermique périodique ; la source (2) excitant l'échantillon pour une pluralité de fréquences (f) et le processeur (4) déterminant un déphasage pour chaque fréquence (f), et déterminant ainsi une pluralité de déphasages (φ) ; - le processeur (4) - détermine (S4) un minimum φ du déphasage (φ) grâce à la pluralité de déphasages ainsi déterminée, et - détermine (S5) l'épaisseur Delta de l'échantillon (1) par une formule du type : Delta = r *g(φ ) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, et g une fonction qui dépend du type de faisceau (20) de rayonnement de chauffage. L'invention concerne également un système de mise en oeuvre du procédé.

Description

DOMAINE TECHNIQUE GENERAL La présente invention concerne un procédé de mesure de l'épaisseur d'un 5 échantillon. Elle concerne également un système de mise en oeuvre du procédé. ETAT DE L'ART L'épaisseur est une caractéristique essentielle d'un échantillon. On connaît de très nombreuses techniques de mesures de 10 l'épaisseur d'un échantillon. Les techniques connues dépendent de l'échantillon (forme, matériau, etc.), de son environnement et des conditions de la mesure. Les techniques connues les plus simples consistent à utiliser des techniques mécaniques, utilisant un capteur du type palpeur. Elles ont 15 l'avantage d'être fiables, robustes et simples à mettre en oeuvre, mais elles ont l'inconvénient d'être lentes. Les techniques optiques connues se sont beaucoup développées depuis l'apparition des lasers dans les années 1960. Elles font appel à la mesure d'interférence ou de chemin optique. Elles sont précises et rapides, 20 mais sont réservées aux matériaux transparents aux longueurs d'onde de la source optique. Il existe également des techniques électriques, par exemple des mesures de résistivité ou de courants induits par un champ magnétique. Elles sont précises, rapides et relativement simples à mettre en oeuvre, 25 mais elles nécessitent une calibration (calibration qui doit en général être effectuée pour chaque type de conditions de mesure) et sont réservées aux matériaux présentant des caractéristiques de conductivité électrique, voire magnétique adéquates. Parmi les techniques électriques, la mesure des courants de 30 Foucault est la plus répandue. Elle consiste à approcher une bobine parcourue par un courant alternatif de la surface dont l'épaisseur est à mesurer. Le champ magnétique ainsi créé produit une densité de courant dans l'épaisseur du matériau qui, à son tour, provoque une variation de l'impédance dans une bobine secondaire, variation qui dépend de l'épaisseur. Cette technique connue nécessite que le matériau soit métallique et qu'un étalonnage soit réalisé. La gamme de mesure dépend de la conductivité électrique du matériau : - plus celle-ci sera grande, moins l'épaisseur mesurable sera importante ; - à l'inverse, pour les matériaux peu conducteurs, la question de la résolution se pose, partiellement compensée par l'utilisation d'une haute 10 fréquence de modulation du courant excitateur. De plus, la relation entre force électromagnétique et épaisseur est non-linéaire et son analyse nécessite une modélisation numérique quelque peu complexe. Enfin, pour effectuer une cartographie de l'épaisseur, la distance bobine-échantillon doit rester strictement constante. 15 En résumé, la technique précédente est bon marché, simple à mettre en oeuvre, mais - est limitée aux matériaux métalliques ; - nécessite une calibration, et ce pour chaque nouvelle condition de mesure, en particulier lorsque la température varie (FR 2 589 566 20 propose de remédier à cet inconvénient en appliquant deux tensions à deux fréquences différentes sur deux bobines distinctes) ; - nécessite un certain savoir-faire pour des mesures fiables ; et - doit être effectuée à distance faible de l'échantillon. 25 Une autre technique très utilisée est la mesure par ultrasons. Elle consiste à produire une onde ultrasonore dans le matériau, et à mesurer le temps entre l'émission et la réflexion aux interfaces. Ce temps va évidemment dépendre de la distance parcourue (épaisseur à mesurer) et de la vitesse du son dans le matériau (obtenue par calibration). Cette 30 technique est simple à mettre en oeuvre, bon marché et robuste, mais nécessite, comme les courants de Foucault, une calibration. Elle est limitée aux matériaux présentant une bonne impédance acoustique et dont l'épaisseur n'est pas trop faible. Par ailleurs, elle ne permet pas de mesurer l'épaisseur à distance, sauf à complexifier considérablement le système de mesure, par exemple en utilisant un laser pour créer l'onde acoustique. Il existe une dernière catégorie de techniques. Il s'agit des 5 techniques fondées sur les propriétés thermiques du matériau de l'échantillon et sur la mesure de la variation d'une réponse thermique émise comme suite à une élévation de la température. Il est connu par exemple qu'un corps, à une température donnée, émet un rayonnement électromagnétique qui ne dépend que de son émissivité (rapport compris 10 entre 0 et 1 ; si son émissivité vaut 1, le corps est appelé corps noir et le rayonnement qu'il émet est décrit parfaitement par la théorie de Planck du corps noir). Si on échauffe un échantillon avec une source extérieure de chauffage, la réponse thermique de l'échantillon va varier. Cette élévation 15 de la température va dépendre de nombreuses caractéristiques de l'échantillon dont, en particulier : - la conductivité thermique de l'échantillon, - la capacité calorifique de l'échantillon, - la densité de l'échantillon, 20 - l'environnement thermique de l'échantillon, - l'étendue et les caractéristiques de la source de chauffage. Pour un matériau donné avec une source de chauffage donnée, l'élévation de la température de l'échantillon dépend du volume chauffé, et donc de l'épaisseur. FR 2 863 048 par exemple décrit un système permettant de 25 mesurer l'épaisseur d'un échantillon en matière plastique. Mais là encore, il est nécessaire d'avoir une calibration préalable à la mesure. PRESENTATION DE L'INVENTION L'invention propose de pallier au moins un de ces inconvénients. A cet effet, on propose selon l'invention un procédé de mesure d'une 30 épaisseur A d'un échantillon, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes selon lesquelles - une source d'un faisceau de rayonnement de chauffage excite l'échantillon de manière périodique à une fréquence, pour obtenir une excitation thermique périodique de l'échantillon ; - un capteur mesure une réponse thermique périodique de l'échantillon, en 5 réponse à l'excitation thermique périodique ; - un processeur détermine un déphasage entre l'excitation thermique périodique et la réponse thermique périodique ; la source excitant l'échantillon pour une pluralité de fréquences et le processeur déterminant un déphasage pour chaque fréquence, et 10 déterminant ainsi une pluralité de déphasages ; - le processeur - détermine un minimum (pmin du déphasage grâce à la pluralité de déphasages ainsi déterminée, et - détermine l'épaisseur A de l'échantillon par une formule du type : 15 A = reg((pmin) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, et g une fonction qui dépend du type de faisceau de rayonnement de chauffage. L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques 20 suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison techniquement possible : - la fonction g est du type polynomiale, les coefficients du polynôme étant fonction du type de faisceau de rayonnement de chauffage ; - lorsque le faisceau de rayonnement de chauffage est du type gaussien, le 25 processeur détermine l'épaisseur A de l'échantillon, en pm, par la formule : = -r°100 0,227 . + 57,856. 9.2 + 5688,2. (pin;,, + 208620) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, en mm ; - lorsque le faisceau de rayonnement de chauffage est du type uniforme, le processeur détermine l'épaisseur A de l'échantillon, en pm, par la formule : 30 A = ro*(0,0032 (pmin 3 + 0,7405 (purin 2 + 64,894 (purin + 2163,3) pour (1,68<rotA<10) ; A = ro*(6E-05 (pmin4 + 0,0196 (purin 3 + 2,2587 (purin 2 + 125,58 (purin + 3046) pour (1,68<rotA<20) ; et A = ro*(2E-06 (pmin5 + 0,0007 (pmin4 + 0,0947 (pmin3 + 6,8299 (pmin2 + 261,57 (purin + 4627,7) pour (1,68<ro/A<100), où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, en mm ; - la source excite l'échantillon de manière périodique sinusoïdale ; - on a la relation : 1,5 . A < r0 < 20 . A .

L'invention concerne également un système de mise en oeuvre du procédé. L'invention présente de nombreux avantages. L'invention permet une mesure d'épaisseur d'un matériau homogène, de manière non destructive, à distance, sans calibration et 15 indépendamment des caractéristiques physiques du matériau. Ainsi le procédé selon l'invention permet de déterminer l'épaisseur d'un échantillon sans connaitre sa conductivité thermique, sa capacité calorifique ou sa densité. L'échantillon peut être de forme quelconque, par exemple un tube ou 20 une plaque, et en tout matériau homogène, et ne doit donc pas forcément présenter des caractéristiques particulières de conductivité électrique et/ou magnétique, de transparence optique ou d'impédance acoustique. En particulier, la méthode peut être avantageusement entièrement optique et sans contact, et le milieu dans lequel est placé l'échantillon peut 25 être - irradiant (pour des applications dans le domaine nucléaire), et/ou - à haute température (pour des applications à des échantillons en cours de fabrication par exemple), et/ou - à basse température. 30 Une des conditions de la mesure est que l'échantillon doit être dans un fluide ou posé sur un substrat thermiquement peu conducteur ou, plus précisément, être entouré d'un milieu transparent qui a une effusivité (l'effusivité est une grandeur qui rend compte de l'aptitude d'un corps ou d'un milieu à changer de température lorsqu'il reçoit un apport d'énergie thermique et s'exprime en W.s°5/m2.K) très inférieure à celle de l'échantillon (par exemple l'air). Cette condition n'est cependant pas contraignante.

La mesure de l'épaisseur est rapide, et permet notamment une cartographie de l'échantillon. On peut notamment à cet égard utiliser un détecteur matriciel (comme par exemple une caméra thermique). En outre, la mesure a une résolution élevée, le point de mesure unitaire étant typiquement inférieur au millimètre.

PRESENTATION DES FIGURES D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente schématiquement un système possible de mise en 15 oeuvre d'un procédé selon l'invention, pour une mesure d'une épaisseur d'un échantillon, - la figure 2 représente schématiquement des étapes principales d'un procédé de mesure d'une épaisseur d'un échantillon selon l'invention ; - la figure 3 représente une courbe de la température de surface de 20 l'échantillon soumis à une excitation thermique périodique ; - la figure 4 représente l'influence de la diffusivité thermique sur le minimum d'un déphasage et sur des coefficients de sensibilité, pour une feuille de 300 pm d'épaisseur pour une taille de faisceau r0=3 mm, - figure 4(a) : diffusivité égale à 0,1 [x10-5m2/s], 25 - figure 4(b) : diffusivité égale à 1 [x10-5m2/s], et - figure 4(c) : diffusivité égale à 10 [x10-5m2/s] ; - la figure 5 représente l'influence de la répartition spatiale de l'énergie du faisceau laser sur le minimum d'un déphasage et sur des coefficients de sensibilité, pour une feuille de 600 pm d'épaisseur pour une taille de 30 faisceau r0=3 mm ; - la figure 6 représente un nomogramme de l'épaisseur de l'échantillon en fonction du minimum de déphasage pour des valeurs différentes du rayon du faisceau de chauffage ; - la figure 7 représente l'influence du rapport rotA sur le minimum d'un 5 déphasage et sur des coefficients de sensibilité, pour une feuille de 300 pm d'épaisseur et une diffusivité thermique de 10-5 m2/s - figure 7(a) : rapport rotA égale à 1; - figure 7(b) : rapport rotA égale à 1,5; - figure 7(c) : rapport rotA égale à 2; 10 - figure 7(d) : rapport rotA égale à 5; - figure 7(e) : rapport rotA égale à 20; - figure 7(f) : rapport rotA égale à 100 ; - la figure 8 représente une répartition gaussienne de l'énergie dans le faisceau de chauffage ; et 15 - les figures 9A, 9B et 9C montrent des mesures de déphasage de la réponse thermique en fonction de la fréquence d'excitation, respectivement pour des échantillons en acier inoxydable, en titane et en tungstène. Sur l'ensemble des figures, les éléments similaires portent des références numériques identiques. 20 DESCRIPTION DETAILLEE La figure 1 représente schématiquement un système possible de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention, pour une mesure d'une épaisseur A d'un échantillon 1, procédé dont des étapes principales sont représentées schématiquement à la figure 2. 25 L'échantillon 1 est de forme quelconque, par exemple un tube ou une plaque, et peut être en tout matériau homogène (c'est-à-dire un matériau non composite). Le matériau ne doit pas forcément présenter des caractéristiques de conductivité électrique et/ou magnétique, d'impédance acoustique ou de transparence optique particulières (on comprend qu'il doit 30 malgré tout être absorbant à la longueur d'onde d'excitation). Le matériau peut être par exemple à titre non limitatif de l'acier inoxydable, de l'aluminium, du titane, du tungstène, ou un alliage des métaux précités, ou du carbone. L'échantillon 1 doit être dans un fluide thermiquement peu conducteur ou posé sur un substrat thermiquement peu conducteur ou, plus précisément, être entouré d'un milieu, transparent et qui a une effusivité très inférieure à celle de la couche (par exemple l'air). Typiquement le rapport des effusivités entre l'échantillon 1 et le milieu peu conducteur doit être de l'ordre de 1000. Le système comporte principalement - une source 2 d'un faisceau 20 de rayonnement de chauffage de l'échantillon 1 (l'échantillon est donc opaque à la longueur d'onde du faisceau 20 utilisé) ; - un capteur 3 d'une réponse thermique de l'échantillon, en réponse à l'excitation thermique ; et - un processeur 4. La source 2 peut être toute source du faisceau 20 de rayonnement apte à chauffer l'échantillon 1. A titre d'exemple non limitatif, la source 2 peut être un laser ou une diode laser, par exemple émettant dans le proche infrarouge, qui est une gamme de longueurs d'onde bien absorbée par la plupart des échantillons d'intérêt, notamment métalliques. La répartition de l'énergie E(r) dans le faisceau 20 peut être par exemple : - circulaire, à savoir E(r) = (1- )2 (1+ -r)2 , 0<r<2r0 2r0 2r0 où r0 est le rayon du faisceau 20, - gaussienne, à savoir (r )2 E(r) = e ro , ou - uniforme, à savoir E(r) =1, 0<r<r0 et l'amplitude de la puissance de la source 2 est réglable : par exemple entre quelques milliwatts et quelques dizaines de watts en fonction de l'échantillon 1. A titre d'exemple, pour un rayon r0 d'un faisceau 20 égal à 2mm, la puissance moyenne nécessaire pour chauffer un échantillon: - d'acier inoxydable 304L est égale à 26W, et - de cuivre est égale à 2800W. Comme on le verra plus en détail dans la suite de la présente description, la source 2 est modulée pour exciter l'échantillon 1 de manière périodique, par exemple de manière sinusoïdale. La modulation peut être générée par un système extérieure à la source 2, par exemple un hacheur mécanique (appelé chopper en anglais) si la source 2 est continue. En réponse à l'excitation, l'échantillon 1 a une réponse thermique, le capteur 3 étant adapté pour mesurer la réponse thermique. Le pic de sensibilité du capteur 3 dépend de la température à laquelle s'effectue la 15 mesure. La réponse thermique de l'échantillon 1 peut ainsi être, à titre non limitatif : - une dilatation thermique de l'échantillon 1, - une variation de la réflectance d'une surface de l'échantillon 1, 20 c'est à dire le rapport de l'énergie réfléchie sur l'énergie incidente, généralement exprimée en décibel ou pourcentage ; - une variation de l'émissivité de l'échantillon, c'est à dire le rapport entre l'énergie qu'il rayonne et celle qu'un corps noir rayonnerait à la même température, rapport compris entre 0 et 1 ; 25 - une variation de la luminance, c'est-à-dire de l'intensité lumineuse calculée par rapport à une surface donnée (le m2), généralement exprimée en candela par mètre carré (cd/m2) ; - etc. A titre d'exemple non limitatif, pour mesurer une dilatation thermique 30 de l'échantillon et/ou une variation de la réflectance d'une surface de l'échantillon et/ou une variation de la luminance de l'échantillon, le capteur peut être un capteur optique ou acoustique.

L'exemple de la figure 1, non limitatif, décrit un capteur 3 optique mesurant une réponse thermique consistant en une variation de la luminance de l'échantillon 1. Le capteur 3 est ainsi un capteur HgCdZnTe, sensible entre 2 et 11 pm (infrarouge moyen), car les mesures s'effectuent pour des températures comprises entre 20°C et quelques centaines de degrés Celsius (typiquement 200°C). Sur la figure 1, le capteur 3 est un capteur de la marque VIGO avec une bande spectrale de 3-11 pm avec un temps de réponse de 7 ns. Le processeur 4 comporte classiquement tous les moyens de mémoire, de traitement et de calcul pour la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Il peut notamment comporter un amplificateur de détection synchrone, connu en soi par l'homme du métier, pour la mesure d'un déphasage comme on le verra plus en détail dans la suite de la présente description. D'autres moyens informatiques que l'amplificateur de détection synchrone sont bien entendu possibles. Pour pouvoir mesurer le déphasage entre une excitation thermique de l'échantillon 1 et une réponse thermique de l'échantillon 1 à l'excitation, le processeur 4 est relié d'une part au capteur 3 et d'autre part à un capteur 5 auxiliaire, observant directement l'excitation de l'échantillon 1. Le capteur 5 est avantageusement une photodiode silicium. L'observation directe de l'excitation de l'échantillon 1 par le capteur 5 auxiliaire permet d'éviter de devoir prendre en compte un déphasage parasitaire dû à la source 2 dans les calculs de mesure de l'épaisseur. Le déphasage parasitaire précité peut être par exemple dû à - un déphasage entre un signal électrique d'un générateur 21 de la source 2 et une émission du faisceau 20 par un laser 22 de la source 2 ; - un déphasage entre l'émission du faisceau 20 par le laser 22 de la source et une excitation réelle de l'échantillon 1, - etc.

On comprend que le processeur 4 peut également être relié à la source et non à un capteur auxiliaire si le déphasage dû à la source 2 est pris en compte dans les calculs de mesure de l'épaisseur.

Selon un procédé possible de mesure de l'épaisseur A de l'échantillon 1, lors d'une étape 51, la source 2 excite l'échantillon 1 de manière périodique grâce au faisceau 20, pour obtenir une excitation thermique périodique de l'échantillon 1, par chauffage. Comme le montre la courbe Cl de la figure 3, l'excitation de manière périodique s'effectue par exemple de manière sinusoïdale, mais peut également être une excitation périodique, en créneau par exemple ou autre. La courbe Cl de la figure 3 est tracée pour une fréquence d'excitation f d'une seconde par exemple. Comme on peut le constater sur la courbe C2 de la figure 3, lors d'une étape S2, le capteur 3 mesure une réponse thermique périodique de l'échantillon 1, en réponse à l'excitation thermique périodique. La réponse thermique est par exemple ici la variation de la luminance de l'échantillon due à la variation de température de l'échantillon 1. Lors d'une étape S3, le processeur 4 détermine expérimentalement un 20 déphasage cp entre l'excitation thermique périodique et la réponse thermique périodique, c'est-à-dire l'écart par exemple entre un sommet de la courbe Cl et un sommet correspondant de la courbe C2. La source 2 excite l'échantillon 1 pour une pluralité de fréquences f (typiquement une quinzaine de fréquences, les fréquences étant comprises 25 par exemple entre 1Hz et 10kHz, en fonction de l'échantillon 1) et le processeur 4 détermine un déphasage pour chaque fréquence f d'excitation, et déterminant ainsi une pluralité de déphasages (p. Lors d'une étape S4, le processeur 4 détermine un minimum (purin du déphasage cp grâce à la pluralité de déphasages ainsi déterminée. La 30 méthode d'interpolation de (purin à partir de la pluralité de déphasages déterminée par le processeur 4, et utilisée pour obtenir le minimum (purin, est connue de l'homme du métier, par exemple une interpolation polynomiale ou autre. La détermination de (purin est importante pour la détermination de l'épaisseur A.

Les inventeurs ont en effet découvert que, comme le montre la figure 4, de manière tout à fait inattendue, la valeur de (purin est indépendante des variations des propriétés thermiques de l'échantillon, et permet de déterminer l'épaisseur A de l'échantillon 1, comme expliqué ci-après.

ETAPE PRELI MI NAI RE La figure 4 reprend la courbe de la phase (p(f), avec l'équation (El ), connue de l'homme du métier : 0,5 - e-°,252 (p(f) argf 2 x A - 4 r ,\ 0 Ccp, 2 le, a où A- ''° ( ( 2a - e If )(1 RksK2)± e /(13' - e-a4 ksK2 + a )1fc,K1 et où D = + e-2K1A)k c 2 + - 2 A X1 RksK2 ), kcici \ 2 Ccpc _ kc K2 \ \ 2 K1 = ro ) i2 i2 Csps pro/ ks où variable indépendante, c - capacité calorifique massique, [J/kg.K], p - densité [kg/m3], k- conductivité thermique, [W/m.K], R - résistance thermique éventuelle entre l'échantillon et le milieu, [m2KW-1], a - coefficient d'absorption de l'échantillon à la longueur d'onde d'excitation, [m-1], et 0 où les indices c et s correspondent respectivement à l'échantillon et au milieu, Pour mieux comprendre comment chaque paramètre influence la courbe de la phase (p(f) de la figure 4 (et en conséquence la possibilité d'extraire ces paramètres à partir de cette courbe), on procède à une analyse numérique de sensibilité pour chacun desdits paramètres thermophysiques de l'échantillon 1. Des coefficients X de sensibilité réduits sont définis, et obtenus par modélisation: ac,9 X,rx = x ax Chaque coefficient X de sensibilité indique comment la phase cp est modifiée pour une variation relative donnée du paramètre x. On comprend en effet qu'on ne peut identifier un paramètre x que si la phase cp est sensible à sa variation.

On trace également sur la figure 4 les coefficients X de sensibilité pour les paramètres x suivants : - l'épaisseur A de l'échantillon 1 ; - le rayon r0 du faisceau 20 de rayonnement de chauffage ; - la conductivité thermique kc de l'échantillon 1 ; et - la capacité calorifique ccpc de l'échantillon 1. Les courbes de la figure 4 ont été ainsi réalisées avec différentes valeurs numériques de la diffusivité thermique de l'échantillon par exemple, c'est-à-dire la grandeur physique qui caractérise la capacité de l'échantillon à transmettre la chaleur d'un point à un autre de celui-ci par conduction ; la 25 diffusivité thermique est égale au rapport de la conductivité thermique sur la capacité calorifique volumique, et s'exprime en m2/s et est généralement notée a. Sur la figure 4, la diffusivité thermique prend les valeurs 0,1x10-5 m2/s (figure 4(a)), 1x10-5 m2/s (figure 4(b) et 10x10-5 m2/s (figure 4(c)). Sur la figure 4, on voit que la variation des propriétés thermiques de 30 l'échantillon 1, sous la forme de la diffusivité thermique, translate certes la courbe de déphasage cp dans le domaine des fréquences plus élevées lorsque la diffusivité augmente, mais que le minimum de déphasage de (prnir, reste toujours indépendant de la diffusivité thermique et a toujours la même valeur. On constate de plus que pour la valeur de la fréquence d'excitation donnant (prnin, les coefficients de sensibilité Xcp,kc et Xcp,ccpc s'annulent, c'est-à-dire qu'à cette fréquence, la phase ne dépend pas de la conductivité thermique kc de l'échantillon 1 ni de la capacité calorifique ccpc de l'échantillon 1. En revanche, pour cette valeur de la fréquence d'excitation, (prnir, dépend de l'épaisseur A de l'échantillon 1 et du rayon r0 du faisceau 20 de rayonnement de chauffage (car les sensibilités correspondantes sont non nulles, et sont en fait corrélées : cela signifie que la valeur (prnir, dépend du rapport Afro). Comme le montre la figure 5, la fréquence d'excitation donnant le minimum (prnir, et sa valeur absolue varie certes en fonction de la forme du faisceau (pour une distribution d'énergie dans le faisceau respectivement circulaire, gaussienne ou uniforme), mais restent indépendantes de la diffusivité (car les sensibilités Xcp,kc et Xcp,ccpc correspondantes sont non nulles). En d'autres termes, le rayon r0 du faisceau étant connu, il est possible de déterminer, à partir de wmin, la valeur de l'épaisseur A de l'échantillon 1, 20 et ce sans connaître la conductivité thermique kc de l'échantillon 1 ni sa capacité calorifique ccpc. Or il n'y a pas de formule analytique qui donne directement la valeur de l'épaisseur A en fonction : - du minimum wmin de déphasage, et 25 - de la dimension r0 du faisceau laser. Par conséquent, lors d'une étape préliminaire au procédé, on trace donc une pluralité de courbes selon la figure 4, à partir de calculs numériques conformément à (E1 ), pour différentes valeurs numériques de l'épaisseur A et du rayon ro. 30 A partir de la pluralité de valeurs de (prnir, numériques ainsi obtenues, on trace les courbes de la figure 6, reprenant la valeur de l'épaisseur A en fonction de chaque (prnir, numérique obtenu, par exemple pour trois valeurs numériques du rayon r0 du faisceau 20 de chauffage gaussien, à savoir respectivement 10 mm, 1 mm et 100 pm (on rappelle ici que pour une répartition spatiale différente du faisceau, les courbes seraient différentes). On constate que les courbes de la figure 6, obtenues numériquement, 5 sont parallèles pour les différentes valeurs de ro, et l'on en déduit que la phase wmin dépend du rapport 4/ro. Les courbes de la figure 6 sont obtenues numériquement, mais il est possible de trouver, également lors de l'étape préliminaire précitée, une fonction analytique g qui approxime une desdites courbes obtenues 10 numériquement, comme le montre la courbe en pointillés de la figure 6 (exemple d'une approximation polynomiale de degré 3 pour approximer la courbe tracée pour r0 égal à 10 mm). On détermine ainsi, à partir d'une des courbes numériques de la figure 6, une fonction approximative g(wmin) telle que : 15 4/ro=g(9,in), où g est une fonction qui dépend du type de faisceau 20 de rayonnement de chauffage. La fonction g peut prendre toute forme d'approximation analytique pour une des courbes de la figure 6. 20 Préférentiellement, mais non limitativement, la fonction g est du type polynomiale (voir figure 6), les coefficients du polynôme étant fonction du type de faisceau 20 de rayonnement de chauffage. Le degré du polynôme peut être quelconque (plus le rapport KVA est grand, plus l'utilisation d'un polynôme de degré élevé est nécessaire pour obtenir une bonne précision), 25 par exemple 5, 4 ou 3. Cette approximation g peut être ainsi faite, par exemple, grâce une formule du type (polynôme de degré 3) : 4/r0 = (a - + f3 - + y - (p +S)min3où le quadruplet (a, 3, y, Ô) est fonction du type de faisceau de 30 rayonnement de chauffage, 0 étant exprimé en pm et r0 en mm.

Par exemple, lorsque le faisceau 20 de rayonnement de chauffage est du type gaussien, et comme le montre la figure 6, g est donné par la formule : 1 = 0,227 9.n3 + 57/856. (p. 2 + 5688,2 - 9 n + 208620) r0 100 Selon un autre exemple, lorsque le faisceau 20 de rayonnement de chauffage est du type uniforme : Air° = (0,0032 (pmin 3 + 0,7405 (purin 2 + 64,894 (pmin + 2163,3) pour (1,68<rotA<10) Air° = (6E-05 (pmin4 + 0,0196 (pmin 3 + 2,2587 (pmin2 + 125,58 (purin + 3046) 10 pour (1,68<ro/A<20) Air° = (2E-06 (pmin5 + 0,0007 (pmin4 + 0,0947 (pmin3 + 6,8299 (pmin2 + 261,57 (pmin + 4627,7) pour (1,68<rotA<100) La détermination de la fonction g approximative d'une des courbes de 15 la figure 6 est effectuée lors d'une étape préliminaire au déroulement du procédé (par exemple avant l'étape 51), mais ne correspond pas à une étape de calibration par rapport à l'échantillon comme dans l'art antérieur. En effet, les courbes de la figure 4 sont obtenues numériquement à partir de la relation (El), et les courbes de la figure 6, reprenant les valeurs 20 numériques de wmin, sont, comme on l'a vu, indépendantes des caractéristiques du matériau. La réalisation des courbes de la figure 4, de celles de la figure 6 et la détermination de g par interpolation peuvent être réalisées par des moyens classiques de traitement et de calcul, par exemple mais pas 25 nécessairement, le processeur 4. Après avoir décrit ci-dessus l'étape préliminaire de détermination de g, on reprend le cours de la description d'un exemple d'un procédé selon l'invention.

30 Une fois qu'il a déterminé expérimentalement wmin, lors de l'étape S4, grâce à la pluralité de déphasages cp sur l'échantillon 1, le processeur 4 peut donc ensuite déterminer, lors de l'étape S5, l'épaisseur A de l'échantillon 1 par une formule du type : A = ro*g((pmin). Avec les exemples précédents, lorsque le faisceau 20 de rayonnement 5 de chauffage est du type gaussien, le processeur 4 détermine, lors de l'étape S5, l'épaisseur A de l'échantillon 1, en pm, par la formule : = -r°100 (0,227. + 57,856. 9.2 + 5688,2. + 208620) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, en mm. De même, lorsque le faisceau de rayonnement de chauffage est du 10 type uniforme, le processeur 4 détermine l'épaisseur A de l'échantillon 1, en pm, par la formule : A = ro*(0,0032 (pmin 3 + 0,7405 (purin 2 + 64,894 (pmin + 2163,3) pour (1,68<ro/A<10) ; A = ro*(6E-05 (pmin4 + 0,0196 (pmin3 + 2,2587 (pmin2 + 125,58 (purin + 3046) 15 pour (1,68<ro/A<20) ; et A = ro*(2E-06 (pmin5 + 0,0007 (pmin4 + 0,0947 (pmin3 + 6,8299 (pmin2 + 261,57 (purin + 4627,7) pour (1,68<ro/A<100) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, en mm.

20 Les figures 7 montrent que des résultats de simulation de déphasage d'un échantillon 1, avec une diffusivité thermique a=10-5 m2/s et une épaisseur A de 300 pm, pour différents rapports de rO/A. On constate sur les figures 7 que dans le cas d'un rapport précité égal 25 à 1 (figure 7(a)), il n'existe pas de minimum pour les coefficients de sensibilité Xcp,kc et Xcp,ccpc. L'apparition d'extrema indépendants de la diffusivité commence à partir du rapport r0/Az-1,5 (figure 7(b)). Lorsque la valeur du rapport rO/A continue d'augmenter, on perd la sensibilité du minimum par rapport à l'épaisseur de la couche, et quand le rayon r0 30 devient cent fois plus grand que l'épaisseur A (figure 7(f)), l'extraction du minimum devient quasi impossible. Par conséquent, on a la relation 1,5 . A < r0 < 20 . A . Comme le montrent les figures 9, des mesures ont été effectuées pour : - des échantillons en forme de tôles d'acier inoxydable d'épaisseurs 5 comprises entre 100 et 400 pm (figure 9A) ; - un échantillon en forme de plaque de titane, d'épaisseur égale à 1,3mm (r0=2,07mm) (figure 9B) ; et - un échantillon en forme de plaque de tungstène, d'épaisseur égale à 1 mm (r0=2,07mm) (figure 9C).

10 Les zones de fréquences d'excitation trop élevées ne doivent bien entendu pas être prises en compte. Dans tous les cas des figures 9, la précision obtenue sur la mesure de l'épaisseur A est comprise entre 2% et 10%, avec une valeur comprise généralement autour de 5%. 15

Claims (9)

1. REVENDICATIONS1. Procédé de mesure d'une épaisseur A d'un échantillon (1), caractérisé en ce qu'il comporte les étapes selon lesquelles - une source (2) d'un faisceau (20) de rayonnement de chauffage excite (51) l'échantillon (1) de manière périodique à une fréquence (f), pour obtenir une excitation thermique périodique de l'échantillon (1) ; - un capteur (3) mesure (S2) une réponse thermique périodique de l'échantillon, en réponse à l'excitation thermique périodique ; - un processeur (4) détermine (S3) un déphasage ((p) entre l'excitation thermique périodique et la réponse thermique périodique ; la source (2) excitant l'échantillon pour une pluralité de fréquences (f) et le processeur (4) déterminant un déphasage pour chaque fréquence (f), et déterminant ainsi une pluralité de déphasages ((p) ; - le processeur (4) - détermine (S4) un minimum (pmin du déphasage ((p) grâce à la pluralité de déphasages ainsi déterminée, et - détermine (S5) l'épaisseur A de l'échantillon (1) par une formule du type : A = reg((pmin) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, et g une fonction qui dépend du type de faisceau (20) de rayonnement de chauffage.
2. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel la fonction g est du type polynomiale, les coefficients du polynôme étant fonction du type de faisceau (20) de rayonnement de chauffage.
3. 3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel, lorsque le faisceau (20) de 30 rayonnement de chauffage est du type gaussien, le processeur (4) détermine (S5) l'épaisseur 0 de l'échantillon (1), en pm, par la formule :r0 n3+57,856.9 n2 +5688,2.9. + 208620) A 100 0,227.9 où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, en mm.
4. 4. Procédé selon la revendication 1, dans lequel, lorsque le faisceau de rayonnement de chauffage est du type uniforme, le processeur (4) détermine (S5) l'épaisseur A de l'échantillon (1), en pm, par la formule : A = ro*(0,0032 (pmin 3 + 0,7405 (purin 2 + 64,894 (purin + 2163,3) pour (1,68<ro/A<10) ; A = ro*(6E-05 (pmin4 + 0,0196 (purin 3 + 2,2587 (Purin 2 + 125,58 (purin + 3046) pour (1,68<ro/A<20) ; et A = ro*(2E-06 (pmin5 + 0,0007 (pmin4 + 0,0947 (pmin3 + 6,8299 (pmin2 + 261,57 (purin + 4627,7) pour (1,68<ro/A<100) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, en mm.
5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel la source (2) excite (S1) l'échantillon (1) de manière périodique sinusoïdale.
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel on a la 20 relation : 1,5.4 < r0 < 20. A .
7. 7. Système de mesure d'une épaisseur A d'un échantillon (1), caractérisé en ce qu'il comporte 25 - une source (2) d'un faisceau (20) de rayonnement de chauffage, pour exciter (S1) l'échantillon (1) de manière périodique, pour obtenir une excitation thermique périodique de l'échantillon (1) ; - un capteur (3), pour mesurer (S2) une réponse thermique périodique de l'échantillon, en réponse à l'excitation thermique périodique ; 30 - un processeur (4) pour- déterminer (S3) un déphasage ((p) entre l'excitation thermique périodique et la réponse thermique périodique pour chaque fréquence de la pluralité de fréquences (f), - déterminer (S4) un minimum (purin du déphasage ((p) ainsi 5 déterminé, et - déterminer (S5) l'épaisseur A de l'échantillon (1) par une formule du type : A = ro*g((pmin) où r0 est le rayon du faisceau de rayonnement de chauffage, et 10 g une fonction qui dépend du type de faisceau (20) de rayonnement de chauffage.
8. 8. Système selon la revendication 7, dans lequel la source (2) est un laser ou une diode laser. 15
9. 9. Système selon l'une des revendications 7 ou 8, dans lequel le capteur (3) est un capteur optique ou acoustique. 20