FR3094489A1 - Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l’utilisation de capteurs laser - Google Patents
Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l’utilisation de capteurs laser Download PDFInfo
- Publication number
- FR3094489A1 FR3094489A1 FR1903336A FR1903336A FR3094489A1 FR 3094489 A1 FR3094489 A1 FR 3094489A1 FR 1903336 A FR1903336 A FR 1903336A FR 1903336 A FR1903336 A FR 1903336A FR 3094489 A1 FR3094489 A1 FR 3094489A1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- specimen
- deformation
- laser beams
- laser
- force
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 61
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 81
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 30
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 23
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 claims description 8
- 238000004556 laser interferometry Methods 0.000 claims description 7
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 238000012360 testing method Methods 0.000 abstract description 28
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 46
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 19
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 5
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 5
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 5
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 4
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 3
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005520 electrodynamics Effects 0.000 description 2
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 239000004636 vulcanized rubber Substances 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000008685 targeting Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/08—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady tensile or compressive forces
- G01N3/18—Performing tests at high or low temperatures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/20—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying steady bending forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N3/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N3/32—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress by applying repeated or pulsating forces
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/0001—Type of application of the stress
- G01N2203/0005—Repeated or cyclic
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N2203/00—Investigating strength properties of solid materials by application of mechanical stress
- G01N2203/02—Details not specific for a particular testing method
- G01N2203/06—Indicating or recording means; Sensing means
- G01N2203/0641—Indicating or recording means; Sensing means using optical, X-ray, ultraviolet, infrared or similar detectors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l’utilisation de capteurs laser L’invention concerne un appareil de caractérisation de la raideur dynamique complexe d’une éprouvette (1) comprenant : - une enceinte thermique pour chauffer ou refroidir l’éprouvette (1) ;- un excitateur adapté pour appliquer une déformation à l’éprouvette ;- et un dispositif (19) pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau. Selon l’invention, l’appareil comporte un système de mesure différentielle de la déformation de l’éprouvette comportant au moins un jeu de deux capteurs laser (18a) comprenant des parties optiques d’émission et de réception (18b) de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par un support commun (22) situé à l’extérieur de l’enceinte thermique, ce système de mesure différentielle (18) mesurant les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser (F1, F2, …), d’une part, de points d’une structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique et d’autre part, de points d’une structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique. Figure pour l’abrégé : Fig. 3A.
Description
L’invention concerne un appareil de mesure des propriétés dynamiques de matériaux mettant en œuvre une mesure de déplacement différentiel entre deux points, à distance pour permettre des mesures en ambiances thermiques extrêmes, et totalement non intrusives (sans masse ni raideur ajoutées aux points de mesure), de la déformation appliquée à une éprouvette dont la raideur peut atteindre au cours d’un essai, au moins l’ordre de grandeur de celle des structures de l’appareil situées en série avec l’éprouvette, la mesure utilisant une technologie optique laser pour être en mesure d’atteindre une résolution nanométrique voire picométrique.
L’objet de l’invention relève du domaine de l’analyse mécanique dynamique (Dynamic Mechanical Analysis, DMA) qui permet de caractériser les propriétés viscoélastiques de matériaux polymères, dont les valeurs de module élastique et de facteur de perte peuvent varier de façon importante en fonction de la température et de la fréquence. Pour effectuer cette caractérisation, une éprouvette est soumise à une force dynamique générant une contrainte , ou à un déplacement dynamique différentiel engendrant une déformation , selon le principe de la Figure 1. Le déplacement dynamique différentiel ainsi que la force de déformation sont utilisées pour déterminer la raideur complexe de l’éprouvette selon la formule : K=F/X. La raideur et la géométrie de l’éprouvette ainsi que le mode de sollicitation utilisé permettent de déduire les caractéristiques viscoélastiques du matériau constitutif de l’éprouvette, à savoir un module élastique et un facteur de perte. Cette forme de caractérisation est appelée caractérisation en mode forcé selon le document ASTM D5995 – 96 (2011) - Adopted in 1996, reapproved in 2011, « Standard Guide for Dynamic Testing of Vulcanized Rubber and Rubber-Like Materials Using Vibratory Methods”. Ce document décrit également une forme de caractérisation en mode résonant par opposition au mode forcé.
La Figure 2 illustre de manière générale, un appareil de caractérisation d’une éprouvette 1. Les sollicitations sinusoïdales sont appliquées à l’éprouvette 1 au moyen d’un vibrateur ou excitateur 2 (pot électrodynamique, vérin électrohydraulique, …) piloté en fréquence et en amplitude. Ce vibrateur 2 comporte une partie fixe ou statique 3 montée sur un bâti rigide 4 et une partie mobile 5 par rapport à la partie statique. La déformation , mesurée par un capteur 6 intégré dans le vibrateur, correspond au déplacement de la partie mobile 5 du vibrateur relativement à sa partie fixe 3. La partie mobile 5 du vibrateur 2 est reliée via une colonne tubulaire 8 à la partie mobile 9 d’un support pour l’éprouvette 1. La partie fixe 11 du support de l’éprouvette 1 est montée solidaire du bâti 4 de l’appareil de caractérisation par une colonne tubulaire 13. Un capteur d’effort 14 est monté solidaire de la colonne tubulaire 13 pour mesurer la force F qui est la force transmise au bâti 4.
Le besoin de réaliser la caractérisation de façon maîtrisée dans un large domaine de température, couvrant au moins la plage de -150°C à 500°C, conduit à utiliser une enceinte thermique thermostatée 15 autour de l’éprouvette 1. Il s’ensuit que les dimensions des interfaces à savoir, les colonnes tubulaires 8, 13 et les parties fixe 11 et mobile 9 du support d’éprouvette sont guidées par la taille de l’enceinte thermique 15, la nécessité de positionner l’éprouvette 1 dans une zone proche du centre de l’enceinte et par le besoin de limiter les pertes par conduction thermique. Les conditions de température à l’intérieur de l’enceinte, rendent impossible la mise en œuvre de capteurs de déformation et de force de déformation dans l’environnement immédiat de l’éprouvette 1.
Le caractère éloigné de la position du capteur de déplacement 6 de la partie mobile 5 de l’excitateur par rapport à sa partie fixe 3 présente des conséquences néfastes pour la caractérisation des éprouvettes de forte raideur. C’est le cas par exemple pour les matériaux élastomères caractérisés selon un mode cisaillement dans le domaine de fréquences et de températures correspondant au plateau vitreux. En effet, le fait que le bâti mécanique 4 et que les pièces d’interface, incluant les colonnes tubulaires 8, 13 et les parties fixe 11 et mobile 9 du support d’éprouvette ne soient pas infiniment rigides, ne permet pas de mesurer avec précision la déformation appliquée à l’éprouvette 1 lorsque la raideur de celle-ci est supérieure à celles de l’ensemble de ces composants structuraux en série. En effet, la déformation mesurée avec le capteur de déplacement distant intègre tout autant les déformations des pièces de structure (bâti, colonnes, support d’éprouvette) que celle de l’éprouvette à proprement parler.
Le document ASTM D5995 – 96 (2011) - Adopted in 1996, reapproved in 2011, «Standard Guide for Dynamic Testing of Vulcanized Rubber and Rubber-Like Materials Using Vibratory Methods» décrit les méthodes vibratoires utilisables pour la caractérisation dynamique de matériaux élastomères. Ce document mentionne que lorsque cela est possible, le capteur de déplacement doit être implémenté de façon à mesurer la déformation de l’éprouvette seule. Quand ce n’est pas possible, l’opérateur doit être conscient de l’influence de la souplesse des structures en série avec l’éprouvette. Une parade à ce problème consiste à réaliser une mesure de caractérisation avec une éprouvette de raideur dite infinie afin de mesurer la déformation des structures montées en série avec l’éprouvette supposée infiniment raide, et pouvoir ainsi déterminer un coefficient de correction de « raideur machine » à appliquer aux mesures réalisées sur les éprouvettes classiques. Cette procédure présente toutefois certaines limites notamment lorsque la souplesse de la machine devient significativement plus importante que celle de l’éprouvette à caractériser, le rapport de correction devenant alors très important. En effet, les erreurs de mesure sont directement amplifiées par la correction, ce qui induit une variabilité parfois très importante des caractéristiques mesurées pour un matériau dans la zone de son plateau vitreux. À ceci, il faut rajouter que les termes de correction peuvent dépendre de paramètres tels que la fréquence et la température, et qu’ils peuvent également varier en fonction des opérations de montage et de démontage inhérentes à la mise en œuvre des essais. La difficulté à résoudre est alors de pouvoir mesurer la raideur dynamique d’une éprouvette au cours d’un seul et même essai où la température peut varier dans une plage très large, où le matériau peut se trouver aussi bien dans un état de caoutchouc donc extrêmement mou à un moment de l’essai, et dans un état vitreux donc très raide à un autre moment de l’essai.
Le brevet EP 2910922 décrit un dispositif permettant de mesurer la variation de longueur d’une éprouvette ou bien la force de déformation de celle-ci. Pour appliquer la déformation à l’éprouvette grâce à un moyen d’entraînement de type moteur pas à pas, un principe de poinçon détecteur sous forme d’une tige en appui sur l’éprouvette est utilisé. Ce système est équipé d’un capteur de déplacement pour mesurer la déformation appliquée à l’éprouvette et d’un capteur de force pour mesurer la force appliquée à l’éprouvette. Ce dispositif ne résout pas le problème de la caractérisation de matériaux raides, la déformation du pointeau étant en série avec celle de l’éprouvette.
Le document correspondant à une spécification techniqueNETZSCH-GABONGI_EPLEXOR_HT_en_web – Mars 2018 – “High-Force DMA EPLEXOR® HT Series” illustre un appareil de caractérisation dynamique de matériaux équipé d’un dispositif de contrôle des déformations appliquées, se basant sur l’utilisation de senseurs optiques. La technologie mise en œuvre est basée sur l’utilisation de détecteurs linéaires composés de barrettes CCD (Coupled Charge Device), éclairées par un faisceau laser. La mesure de position est effectuée grâce à l’analyse de l’intensité lumineuse mesurée sur un ensemble de barrettes adjacentes et moyennée sur un laps de temps appelé temps d’intégration. La résolution de ces capteurs ne permet pas de mesurer les très faibles déformations pouvant potentiellement atteindre des valeurs de l’ordre de quelques nanomètres pour un matériau très raide. La résolution à attendre est de l’ordre d’un dixième du pas des barrettes (classiquement quelques microns) pour une mesure statique, elle se dégrade fortement pour une mesure dynamique du fait de la réduction du temps d’intégration. De plus, la mesure est réalisée dans des zones éloignées de l’éprouvette à caractériser, donc les mesures de déformations mesurées intègrent également celles des structures situées en série avec l’éprouvette.
La demande de brevet US 2018/0120262 est relative à un système et une méthode de caractérisation de la raideur dynamique de l’arbre de broche d’une machine-outil. Il décrit un outillage de caractérisation des mouvements de flexion de l’arbre de broche sous l’effet d’une excitation magnétique sans contact, la mesure de déflexion étant opérée à l’aide d’au moins un vélocimètre laser. Ce système ne permet pas de compenser la souplesse des structures de la machine-outil.
La présente invention vise à remédier aux inconvénients des techniques antérieures en proposant un nouvel appareil adapté pour mesurer de manière précise les propriétés dynamiques de matériaux, en s’affranchissant des déformations des pièces d’interfaces de l’appareil tout en permettant de réaliser des mesures en ambiances thermiques extrêmes.
L’objet de l’invention vise donc un appareil de caractérisation de la raideur dynamique complexe d’une éprouvette comportant au moins un matériau déformable en contact d’un côté avec une structure d’application d’une déformation et en contact de l’autre côté, avec une structure de réception de la force liée à la déformation, l’appareil comprenant :
- une enceinte thermique pour chauffer ou refroidir l’éprouvette ;
- un excitateur adapté pour appliquer via la structure d’application et selon une direction de sollicitation, une déformation à l’éprouvette ;
- un système de mesure sans contact, de la déformation du matériau déformable de l’éprouvette ;
- et un dispositif pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette à partir de la mesure de la déformation de l’éprouvette, l’appareil comportant un système de mesure différentielle de la déformation de l’éprouvette dans la direction de la sollicitation appliquée par l’excitateur, ce système de mesure différentielle comportant au moins un jeu de deux capteurs laser comprenant des parties optiques d’émission et de réception de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par un support commun situé à l’extérieur de l’enceinte thermique, ce système de mesure différentielle mesurant les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser, d’une part, d’au moins un point de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique et d’autre part, d’au moins un point de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique, l’appareil présentant un libre chemin de passage des faisceaux laser entre les parties optiques d’émission et de réception et les points de mesure sur la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et sur la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette.
- une enceinte thermique pour chauffer ou refroidir l’éprouvette ;
- un excitateur adapté pour appliquer via la structure d’application et selon une direction de sollicitation, une déformation à l’éprouvette ;
- un système de mesure sans contact, de la déformation du matériau déformable de l’éprouvette ;
- et un dispositif pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette à partir de la mesure de la déformation de l’éprouvette, l’appareil comportant un système de mesure différentielle de la déformation de l’éprouvette dans la direction de la sollicitation appliquée par l’excitateur, ce système de mesure différentielle comportant au moins un jeu de deux capteurs laser comprenant des parties optiques d’émission et de réception de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par un support commun situé à l’extérieur de l’enceinte thermique, ce système de mesure différentielle mesurant les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser, d’une part, d’au moins un point de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique et d’autre part, d’au moins un point de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique, l’appareil présentant un libre chemin de passage des faisceaux laser entre les parties optiques d’émission et de réception et les points de mesure sur la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et sur la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette.
L’appareil de caractérisation selon l’invention comporte ainsi un dispositif de mesure différentielle laser, permettant de mesurer les déformations de l’éprouvette au plus près de la partie à caractériser. Le principe est d’utiliser un ensemble d’au moins deux faisceaux distincts issus de sources laser montées de façon solidaire et visant chacun les différents points dont on veut obtenir le mouvement relatif, caractéristique d’une déformation locale du matériau à caractériser.
De plus, l’appareil selon l’invention peut comporter en outre en combinaison au moins l’une et/ou l’autre des caractéristiques additionnelles suivantes :
- le système de mesure différentielle comporte au moins un jeu de trois capteurs laser comprenant des parties optiques d’émission et de réception de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par un support commun situé à l’extérieur de l’enceinte thermique, ce système de mesure différentielle mesurant les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser, d’une part, d’au moins un point de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique et d’autre part, de points de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette, situés à l’intérieur de l’enceinte thermique ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés de part et d’autre d’un matériau déformable d’une part, sur une partie de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et d’autre part, sur une partie de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés sur la partie mobile de la structure de support de l’éprouvette ou sur une partie d’application d’une déformation à l’éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés sur la partie fixe de la structure de support de l’éprouvette ou sur une partie de réception d’une déformation à l’éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable ;
- le système de mesure différentielle comporte plusieurs jeux de deux capteurs laser montés mécaniquement solidaires deux à deux par un support et dont les faisceaux laser sont répartis selon la surface de la partie de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et d’autre part, sur une partie de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette ;
- les directions des faisceaux laser sont parallèles à la direction de la sollicitation appliquée par l’excitateur avec une tolérance angulaire variant de préférence jusqu’à 20°, voire jusqu’à 45° ;
- la structure de réception de la force liée à la déformation est relié au bâti de l’appareil et comporte à l’extérieur de l’enceinte thermique, un capteur pour mesurer la force transmise à la suite de l’application de la déformation, cette mesure étant transmise au dispositif pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette ;
- la structure de réception de la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette comporte une masse de réaction pour constituer avec l’éprouvette, un système masse-ressort amorti résonant, l’excitateur créant une vibration au niveau de la structure d’application de la déformation de l’éprouvette ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser en des points situés sur la masse de réaction du système masse-ressort amorti résonant et en des points situés sur la partie mobile de la structure de support de l’éprouvette ;
- le dispositif pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette comporte un système de détermination de la force appliquée par la mesure de la vibration de la masse de réaction soumise à la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette ;
- la mesure différentielle sans contact est réalisée avec une technologie d’interférométrie laser ;
- la mesure sans contact est réalisée avec une technologie d’interférométrie laser par réinjection optique ;
- un système de mesure sans contact de la déformation de l’éprouvette dans la direction transverse à celle de la sollicitation appliquée par l’excitateur, ce système de mesure étant composé d’un ensemble d’au moins un capteur laser pour mesurer de façon distante, depuis l’extérieur de l’enceinte thermique, et de manière non intrusive, les amplitudes de déformation transverse de la partie déformable de l’éprouvette.
- le système de mesure différentielle comporte au moins un jeu de trois capteurs laser comprenant des parties optiques d’émission et de réception de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par un support commun situé à l’extérieur de l’enceinte thermique, ce système de mesure différentielle mesurant les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser, d’une part, d’au moins un point de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique et d’autre part, de points de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette, situés à l’intérieur de l’enceinte thermique ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés de part et d’autre d’un matériau déformable d’une part, sur une partie de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et d’autre part, sur une partie de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés sur la partie mobile de la structure de support de l’éprouvette ou sur une partie d’application d’une déformation à l’éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés sur la partie fixe de la structure de support de l’éprouvette ou sur une partie de réception d’une déformation à l’éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable ;
- le système de mesure différentielle comporte plusieurs jeux de deux capteurs laser montés mécaniquement solidaires deux à deux par un support et dont les faisceaux laser sont répartis selon la surface de la partie de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et d’autre part, sur une partie de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette ;
- les directions des faisceaux laser sont parallèles à la direction de la sollicitation appliquée par l’excitateur avec une tolérance angulaire variant de préférence jusqu’à 20°, voire jusqu’à 45° ;
- la structure de réception de la force liée à la déformation est relié au bâti de l’appareil et comporte à l’extérieur de l’enceinte thermique, un capteur pour mesurer la force transmise à la suite de l’application de la déformation, cette mesure étant transmise au dispositif pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette ;
- la structure de réception de la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette comporte une masse de réaction pour constituer avec l’éprouvette, un système masse-ressort amorti résonant, l’excitateur créant une vibration au niveau de la structure d’application de la déformation de l’éprouvette ;
- les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser en des points situés sur la masse de réaction du système masse-ressort amorti résonant et en des points situés sur la partie mobile de la structure de support de l’éprouvette ;
- le dispositif pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette comporte un système de détermination de la force appliquée par la mesure de la vibration de la masse de réaction soumise à la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette ;
- la mesure différentielle sans contact est réalisée avec une technologie d’interférométrie laser ;
- la mesure sans contact est réalisée avec une technologie d’interférométrie laser par réinjection optique ;
- un système de mesure sans contact de la déformation de l’éprouvette dans la direction transverse à celle de la sollicitation appliquée par l’excitateur, ce système de mesure étant composé d’un ensemble d’au moins un capteur laser pour mesurer de façon distante, depuis l’extérieur de l’enceinte thermique, et de manière non intrusive, les amplitudes de déformation transverse de la partie déformable de l’éprouvette.
Les Figures 3, 3A, 3B, 3C illustrent à titre d’exemple, un appareil I conforme à l’invention pour caractériser une éprouvette 1 selon le principe de caractérisation en mode forcé (figure 1) tandis que les Figures 4A, 4B, 5A, 5B illustrent à titre d’exemple, un appareil I conforme à l’invention pour caractériser une éprouvette 1 selon le principe de caractérisation en mode résonant dont le principe est illustré à la Figure 4.
Les Figures 3 et 3A illustrent un appareil I conforme à l’invention, de caractérisation d’une éprouvette 1, dont la structure générale de l’appareil I correspond à l’appareil décrit à la Figure 2. L’appareil de caractérisation I selon l’invention comporte ainsi un vibrateur ou excitateur 2 (pot électrodynamique, vérin électrohydraulique, …) piloté en fréquence et en amplitude pour appliquer une déformation à l’éprouvette 1 selon une direction d’application D. D’une manière classique, une éprouvette 1 est composée d’une ou de plusieurs parties déformables et éventuellement, de parties rigides solidaires de la ou des parties déformables. Cette construction répond à un besoin de pouvoir manipuler aisément des spécimens de petite taille, ou bien encore de satisfaire les hypothèses associées à la relation permettant de déduire les caractéristiques dynamiques du matériau constituant la (ou les) partie(s) déformable(s) à partir de la raideur dynamique mesurée.
Ainsi, l’éprouvette 1 comporte au moins un matériau déformable 1m en contact direct d’un côté avec une structure d’application d’une déformation et en contact direct de l’autre côté, avec une structure de réception de la force liée ou due à la déformation. Cette structure d’application d’une déformation et cette structure de réception de la force liée à la déformation comportent une ou plusieurs pièces dont certaines peuvent faire partie de l’éprouvette ou d’une structure de support du matériau déformable, appelée classiquement un porte-éprouvette.
Selon l’exemple illustré par les Figures 3 et 3A, l’appareil I vise la caractérisation d’une éprouvette 1 adaptée au mode de sollicitation en double cisaillement avec une caractérisation en mode forcé. Selon cet exemple, l’éprouvette 1 comporte deux matériaux déformables 1m en contact direct avec une partie commune d’application 1a d’une déformation et en contact direct extérieurement, avec deux parties de réception de la force liée à la déformation 1r. Selon cet exemple de réalisation, l’éprouvette 1 comporte cinq parties, à savoir, une partie rigide dite d’application 1a d’une déformation, solidaire des deux matériaux déformables 1m qui sont solidaires de deux parties rigides dites de réception de la force liée à la déformation 1r. Bien entendu, l’éprouvette 1 peut présenter des configurations différentes adaptées au mode de sollicitation envisagé pouvant être indifféremment de la traction, de la compression, de la traction-compression combinées, du cisaillement simple ou multiple, de la flexion simple ou multipoints.
Cet excitateur 2 comporte une partie fixe ou statique 3 montée sur un bâti rigide 4 et une partie mobile 5 par rapport à la partie statique 3. La partie mobile 5 de l’excitateur 2 est reliée via une colonne tubulaire 8 à la partie mobile 9 d’une structure de support pour l’éprouvette 1. Plus précisément dans l’exemple illustré, la partie mobile 9 de la structure de support est reliée à la partie d’application de la déformation 1a de l’éprouvette 1. L’appareil I selon l’invention comporte ainsi une structure d’application d’une déformation à l’éprouvette comprenant, la partie d’application de la déformation 1a de l’éprouvette 1, la partie mobile 9 de la structure de support, la colonne tubulaire 8 et la partie mobile 5 de l’excitateur.
L’appareil de caractérisation I comporte également une structure de réception de la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette 1 et située du côté opposé du matériau déformable 1m par rapport à la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette. Pour la caractérisation en mode forcé, cette structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette 1 est montée solidaire du bâti 4 de l’appareil de caractérisation. Dans l’exemple illustré, cette structure de réception comporte les parties de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette 1r et faisant partie de l’éprouvette, une partie fixe 11 de la structure de support recevant les parties de réception 1r et une colonne tubulaire 13 recevant la partie fixe 11 de la structure de support et fixée au bâti 4.
Un capteur d’effort 14 est monté solidaire de la colonne tubulaire 13 pour mesurer la force F qui est la force transmise au bâti 4. Il est à noter que la structure de réception de la force liée ou due à la déformation de l’éprouvette 1 est dite fixe selon le mode forcé même si en fait, elle est elle-même animée d’un mouvement créé par la force de déformation de l’éprouvette du fait de la souplesse des structures en série avec les parties de réception 1r de la force liée à la déformation de l’éprouvette.
L’appareil de caractérisation I comporte également une enceinte thermique thermostatée 15 dans laquelle est placée l’éprouvette 1. Cette enceinte 15 comporte des passages 15a pour les colonnes tubulaires 8, 13. Cette enceinte 15 est pourvue d’un dispositif pour placer l’éprouvette à une température maîtrisée dans un large domaine de température, couvrant au moins la plage de -150°C à 500°C.
L’appareil de caractérisation selon l’invention I comporte également un système de mesure sans contact 18, de la déformation du matériau déformable 1m de l’éprouvette 1. L’appareil de caractérisation selon l’invention I comporte également un dispositif 19 pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette à partir de la mesure de la déformation de l’éprouvette fourni par le système de mesure sans contact 18. Ce dispositif 19 n’est pas décrit en détail car il ne fait pas partie précisément de l’objet de l’invention et est bien connu de l’homme de l’art.
Conformément à l’invention, l’appareil de caractérisation I selon l’invention comporte un système 18 assurant une mesure différentielle sans contact et de manière non intrusive, de la déformation de l’éprouvette dans la direction D de la sollicitation appliquée par l’excitateur 2. Ce système de mesure différentielle 18 comporte au moins un jeu de deux capteurs laser 18a adaptés pour mesurer la distance d’au moins deux points dont on veut obtenir le mouvement relatif et situés à l’intérieur de l’enceinte thermique 15. Ces deux capteurs laser 18a sont montés à l’extérieur de l’enceinte thermique 15. Ces deux capteurs laser 18a comportent des parties optiques 18b d’émission et de réception pour deux faisceaux laser F1, F2, ainsi qu’une unité de traitement 18c des signaux permettant de délivrer des mesures de distance au dispositif 19 de détermination de la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette.
La détermination de ces mesures différentielles sans contact par faisceaux laser peut être réalisée par différentes technologies connues telles que l’interférométrie laser ou l’interférométrie laser par réinjection optique. L’interférométrie laser recouvre un ensemble de techniques de mesure pour caractériser à distance les mouvements vibratoires d’une surface, et fonctionnant sur un principe d’interférométrie optique. Le comptage des franges d’interférence permet de déterminer l’allongement du chemin optique du faisceau associé au déplacement de la cible. L’analyse de la modulation en fréquence par effet Doppler des franges d’interférence permet quant à elle de mesurer la vitesse vibratoire du point visé par le faisceau. Nombre de dispositifs commercialisés comprennent classiquement un interféromètre composé de miroirs, de séparateurs, d’une cellule de Bragg et de lentilles, pour faire interférer au niveau d’un photo-détecteur, un faisceau de référence et un faisceau réfléchi sur la cible en mouvement issus de la même source laser.
Dans la technique d’interférométrie par rétro-injection optique, la diode laser joue à la fois le rôle de la source, de l’interféromètre et du photo-détecteur. On parle alors de self-mixing dans le sens où les ondes lumineuses du faisceau réfléchi par la cible viennent interférer, donc se mélanger avec les ondes lumineuses stationnaires du faisceau en cours d’amplification dans la cavité de la diode-laser. Le photo-détecteur intégré à la diode-laser permet de mesurer les variations d’intensité lumineuse liées aux interférences créées dans la cavité.
Conformément à l’invention, les parties optiques 18b d’émission et de réception sont montées mécaniquement solidaires sur un support commun 22, en étant situées à proximité l’une de l’autre. Le support commun 22 est situé à l’extérieur de l’enceinte thermique 15 en étant fixé par exemple sur le bâti 4. Il doit être compris que les faisceaux laser sont associés à des dispositifs optiques (source laser et lentilles de focalisation ou de collimation) mécaniquement solidaires au sein des capteurs laser. Les parties optiques 18b d’émission et de réception sont fixées sur un support commun 22 afin que les éventuelles déformations que pourrait subir le support commun 22 affectent de manière similaire les positions des parties optiques 18b d’émission et de réception.
Les capteurs laser 18a sont adaptés afin de pouvoir mesurer de façon distante, depuis l’extérieur de l’enceinte thermique 15, les amplitudes vibratoires d’une part, de points de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situés à l’intérieur de l’enceinte thermique 15 et d’autre part, de points de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette situés à l’intérieur de l’enceinte thermique 15. Avantageusement, ces points de mesure sont situés de part et d’autre et au plus près du matériau déformable 1m de l’éprouvette 1. Toutefois, il est possible de choisir des points de visée plus éloignés, si les pièces de structure situées entre ces points de visée, incluant tant les parties rigides éventuelles de l’éprouvette que les parties mobile et fixe du support d’éprouvette, offrent par conception une raideur en série préférentiellement au moins 10 fois supérieure à celle du matériau déformable de l’éprouvette 1, voire également au moins supérieure à celle du matériau déformable de l’éprouvette 1.
L’appareil de caractérisation I comporte un libre chemin de passage 23 des faisceaux laser F1, F2 entre les parties optiques 18b d’émission et de réception et les points de mesure situés de part et d’autre du matériau déformable 1m, situés à l’intérieur de l’enceinte thermique 15. Dans l’exemple illustré, la colonne tubulaire 13 qui traverse l’enceinte thermique 15 est utilisée avantageusement pour délimiter intérieurement une partie du chemin de passage 23 pour les faisceaux optiques. De même, la partie fixe 11 de la structure de support de l’éprouvette 1 comporte des ouvertures 11a pour délimiter une partie du chemin de passage pour les faisceaux optiques F1, F2.
Comme indiqué, les mesures de la déformation de l’éprouvette 1 sont réalisées dans la direction D de la sollicitation appliquée par l’excitateur 2. Aussi, les faisceaux optiques F1, F2 sont parallèles à la direction D des sollicitations mécaniques appliquées à l’éprouvette. Toutefois, d’autres incidences des faisceaux optiques par rapport à la direction D, peuvent être utilisées moyennant une correction angulaire pour permettre une intégration dans les structures de l’appareil de caractérisation. Ainsi, les directions des faisceaux laser sont parallèles à la direction de la sollicitation appliquée par l’excitateur avec une tolérance angulaire variant de préférence jusqu’à 20°, voire jusqu’à 45°.
Selon l’exemple de la Figure 3A, illustrant un montage pour solliciter en double cisaillement une éprouvette 1, le système 18 de mesure de déplacement différentiel comprend deux faisceaux laser F1 et F2, utilisés pour mesurer le mouvement relatif entre la partie mobile 9 de la structure de support de l’éprouvette et une partie de réception de la force liée à la déformation 1r, faisant partie de l’éprouvette 1. Le système 18 mesure les amplitudes vibratoires des pièces d’interface situées de part et d’autre et au plus près, du matériau déformable 1m de l’éprouvette. Bien entendu, il peut être prévu de mesurer les amplitudes vibratoires à l’aide du faisceau laser, en un point pris sur la partie d’application 1a d’une déformation à l’éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable 1m. De même, il peut être prévu de mesurer à l’aide des faisceaux laser, les amplitudes vibratoires en des points situés sur la partie fixe 11 de la structure de support de l’éprouvette 1. Ainsi, le système 18 mesure à l’aide des faisceaux laser F1, F2, les variations de distance sous la forme de signaux temporels x1(t) et x2(t) de sorte que l’amplitude de la déformation est égale au déplacement relatif x1(t)-x2(t) sous la condition que les deux capteurs lasers soient mécaniquement solidaires.
La Figure 3B illustre une variante de réalisation dans laquelle est utilisé un troisième faisceau F3 pour mesurer le mouvement des deux parties de réception 1r de la déformation appartenant à l’éprouvette. Selon cette variante de réalisation, le système de mesure différentielle 18 comporte au moins un jeu de trois capteurs laser 18a comprenant des parties optiques d’émission et de réception de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par le support commun 22 situé à l’extérieur de l’enceinte thermique 15. Ce système de mesure différentielle 18 mesure les amplitudes vibratoires de signaux temporels x1(t), x2(t), x3(t) à l’aide de trois faisceaux laser F1, F2, F3, d’une part, d’un point de la partie de la structure d’application de la déformation de l’éprouvette, à savoir la partie mobile 9, et d’autre part, des points de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette, à savoir les deux parties de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette 1r. Les trois faisceaux laser F1, F2, F3, sont utilisés pour mesurer le mouvement relatif entre la partie mobile 9 de la structure de support de l’éprouvette et chaque partie de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette 1r. Ainsi, le système 18 mesure les amplitudes vibratoires des pièces d’interface situées de part et d’autre et au plus près, de chaque matériau déformable 1m de l’éprouvette. Cette variante de réalisation donne ainsi la possibilité de mettre en évidence un comportement non symétrique de l’ensemble en comparant les déplacements relatifs x1(t)-x3(t) à x1(t)-x2(t), et prendre en compte cette asymétrie dans le traitement des mesures et l’analyse des résultats, sous la forme d’une moyenne par exemple.
La Figure 3C illustre à titre d’exemple et de façon simplifiée, un ensemble de faisceaux F1 à F5 utilisés pour mettre en évidence une rotation des interfaces de l’éprouvette ou bien encore caractériser finement ces déformations parasites pour en tenir compte dans l’exploitation des résultats. Ainsi, une paire de faisceaux optiques F3, F5 et F2, F4 est utilisé pour mesurer la distance de deux points de mesure pris respectivement sur chaque partie de réception 1r de la force liée à la déformation de l’éprouvette 1.
Comme déjà indiqué, le système de mesure différentielle 18 conforme à l’invention peut aussi être mis en œuvre dans le cas du principe de caractérisation en mode résonant illustré à la Figure 4, par opposition au mode forcé présenté précédemment et dont le principe est illustré à la Figure 1. Selon ce mode de caractérisation, l’excitateur 2 applique en tant que déformation, une vibration à la structure d’application de la déformation à l’éprouvette. Ce mode de caractérisation est préféré lorsqu’on veut obtenir les propriétés d’un matériau déformable dans un domaine de fréquences plus élevées.
Selon ce mode de caractérisation, la structure de réception de la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette 1 comporte une masse de réaction 27 pour constituer avec l’éprouvette 1, un système masse-ressort amorti résonant. Selon ce mode de caractérisation, la structure de réception de la déformation appliquée à l’éprouvette correspond à une masse de réaction 27 de masse m, en contact direct avec le matériau déformable 1m. En d’autres termes, la masse 27 en contact avec le matériau déformable 1m du côté opposé à la structure d’application, est conformée pour constituer avec le matériau déformable, un système masse-ressort amorti résonant. Selon ce mode de caractérisation et les exemples qui suivent, l’éprouvette 1 comporte uniquement un matériau déformable 1m. Ce matériau déformable 1m est monté solidaire de la masse de réaction 27 et à l’opposé de la masse de réaction 27, de la partie mobile 9 de la structure de support reliée via la colonne tubulaire 8, à la partie mobile 5 de l’excitateur 2. La partie mobile 9 en contact direct avec le matériau déformable 1m subit les mouvements de vibration de l’excitateur 2.
Le mouvement vibratoire Xm de cette masse de réaction 27 dépend du mouvement Xe de la partie mobile 9 et des caractéristiques de raideur complexe K de l’éprouvette 1. Dans ce cas, la raideur de l’éprouvette à une fréquence f donnée est déterminée par la relation : K = (2πf)².m.Xm/(Xm-Xe).
Selon l’exemple illustré par la Figure 4A, l’appareil I vise la caractérisation d’une éprouvette 1 adaptée au mode de sollicitation en traction-compression avec une caractérisation en mode résonant. Selon cet exemple, l’éprouvette 1 à caractériser comporte uniquement un matériau déformable 1m qui est disposée entre d’une part, la partie mobile 9 de la structure de support et d’autre part, la masse de réaction 27. Bien entendu, l’éprouvette 1 peut présenter des configurations différentes adaptées au mode de sollicitation cisaillement comme illustré par exemple à la Figure 5A.
Le système de mesure différentielle 18 conforme à l’invention est mis en œuvre selon le principe de mesure décrit précédemment. Le système 18 mesure la déformation de l’éprouvette 1 dans la direction D de la sollicitation appliquée par l’excitateur. Ce système de mesure différentielle 18 comporte au moins un jeu de deux capteurs laser comprenant des parties optiques d’émission et de réception de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par un support commun situé à l’extérieur de l’enceinte thermique. Ce système de mesure différentielle mesure les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser F1, F2, d’une part, de points de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situés à l’intérieur de l’enceinte thermique 15 et d’autre part, de points de la masse de réaction 27 situés à l’intérieur de l’enceinte thermique 15. L’appareil présente un libre chemin de passage 23 des faisceaux laser entre les parties optiques d’émission et de réception et les points de mesure sur la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et sur la masse de réaction. Par exemple, l’enceinte thermique 15 comporte un bouchon de fermeture 15a pourvu de perçages 15b adaptés pour assurer le libre passage des faisceaux laser F1, F2.
Selon ce mode de caractérisation, il est à noter que l’appareil I comporte un système de détermination de la force appliquée, par la mesure par faisceau laser, de la vibration de la masse de réaction 27 soumise à la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette. Cette mesure de la force permet au dispositif 19 de déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette. Cette mesure est réalisée de façon non intrusive, c’est-à-dire sans en perturber le comportement dynamique du système masse-ressort amorti résonant. En effet, la masse et les câbles d’accéléromètres utilisés dans des méthodes plus traditionnelles sont susceptibles de provoquer des perturbations de mesure d’autant plus que l’on travaille à fréquence élevée.
Dans l’exemple illustré à la Figure 4A pour une sollicitation en traction-compression, une mesure laser différentielle permet de mesurer les mouvements relatifs de la structure mobile 9 avec un faisceau F1 et de la masse de réaction 27 avec un faisceau F2. Les mesures laser sont opérées depuis l’extérieur de l’enceinte thermique 15 par des capteurs laser mécaniquement solidaires, comme expliqué précédemment.
La Figure 4B illustre pour une sollicitation en traction-compression comment il est possible d’utiliser un ensemble de capteurs laser mécaniquement solidaires deux à deux, pour piéger des mouvements parasites autres que de la translation pure par exemple. Selon cet exemple, il est prévu d’associer un premier faisceau laser F1 avec un deuxième faisceau laser F2, un troisième faisceau laser F3 avec un quatrième faisceau laser F4, un cinquième faisceau laser F5 avec un sixième faisceau laser F6. Les premier F1, troisième F3 et cinquième F5 faisceaux laser mesurent les mouvements de la masse de réaction 27 tandis que les deuxième F2, quatrième F4 et sixième F6 faisceaux laser mesurent les mouvements de la structure mobile 9, en considérant que les premier, troisième et cinquième faisceaux laser d’une part, et les deuxième, quatrième et sixième faisceaux laser d’autre part présentent une répartition angulaire sensiblement identique dans un plan perpendiculaire à la direction de sollicitation D.
Selon l’exemple illustré par la Figure 5A, l’appareil I vise la caractérisation d’une éprouvette 1 adaptée au mode de sollicitation en cisaillement avec une caractérisation en mode résonant. Selon cet exemple, l’éprouvette 1 à caractériser comporte un matériau déformable 1m conformé sous une forme annulaire monté solidaire à sa partie centrale, avec la partie mobile 9 de la structure de support reliée via la colonne tubulaire 8 à la partie mobile 5 de l’excitateur 2 et monté solidaire à sa partie extérieure avec la masse de réaction 27.
Dans l’exemple illustré à la Figure 5A pour une sollicitation en cisaillement, une mesure laser différentielle permet de mesurer les mouvements de la structure mobile 9 avec un faisceau F1 et de la masse de réaction 27 avec un faisceau F2 de façon non intrusive, c’est-à-dire sans en perturber le comportement dynamique.
La Figure 5B illustre pour une sollicitation en cisaillement comment il est possible d’utiliser un ensemble de capteurs laser mécaniquement solidaires deux à deux, pour piéger des mouvements parasites autres que de la translation pure par exemple. Selon cet exemple, il est prévu d’associer un premier faisceau laser F1 avec un deuxième faisceau laser F2, un troisième faisceau laser F3 avec un quatrième faisceau laser F4, un cinquième faisceau laser F5 avec un sixième faisceau laser F6. Les premier, troisième et cinquième faisceaux laser mesurent les mouvements de la structure mobile 9 tandis que les deuxième, quatrième et sixième faisceaux laser mesurent les mouvements de la masse de réaction 27, en considérant que les premier, troisième et cinquième faisceaux laser d’une part, et les deuxième, quatrième et sixième faisceaux laser d’autre part présentent une répartition angulaire sensiblement identique dans un plan perpendiculaire à la direction D de la sollicitation.
Il ressort de la description qui précède que le système de mesure sans contact 18 conforme à l’invention permet de mesurer avec une très grande précision, les déformations d’une éprouvette 1, aussi bien selon le principe de caractérisation en mode forcé que selon le principe de caractérisation en mode résonant. Il est à noter que le système de mesure sans contact 18 n’a pas été représenté sur toutes les Figures, à titre de simplification des dessins et sa représentation à la Figure 3 est donnée à titre d’illustration uniquement.
Comme déjà indiqué, la mesure de la déformation de l’éprouvette 1 par le système de mesure sans contact 18 conforme à l’invention permet au dispositif 19 de déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable. Dans le cas du principe de caractérisation en mode forcé, est utilisée la formule K=F/X, avec F la force mesurée par le système d’effort 14 et X étant le déplacement mesuré par les capteurs laser. Dans le cas du principe de caractérisation en mode résonant, est utilisée la relation K = (2πf)².m.Xm/(Xm-Xe), avec Xm étant le déplacement mesuré par le capteur laser de la masse de réaction 27, Xe étant le déplacement de la partie mobile 9 de la structure de support, m étant la masse de la masse de réaction 27, et f étant la fréquence de la vibration.
La Figure 6 illustre l’application de la technologie optique pour mesurer de manière non intrusive, les amplitudes de déformations de l’éprouvette 1 dans une direction transversale à celle de la sollicitation. Pour tous les matériaux dont le coefficient de Poisson n’est pas nul, il s’ensuit en effet une variation des dimensions transversales de l’éprouvette lorsqu’elle est soumise à une force axiale. Par exemple, la Figure 6 montre comment un système de mesure sans contact 30 par un faisceau F’1 visant directement l’éprouvette 1 permet de mesurer la déformation transverse de l’éprouvette soumise à une sollicitation en traction-compression. Le système de mesure sans contact est composé d’un ensemble d’au moins un capteur laser pour mesurer de façon distante, depuis l’extérieur de l’enceinte thermique 15, les amplitudes de déformation transverse de la partie déformable de l’éprouvette 1. Bien entendu, il peut être envisagé d’utiliser une série de faisceaux parallèles entre eux et perpendiculaires à la direction D de la sollicitation pour permettre de caractériser finement la forme prise par l’éprouvette au cours du test de traction-compression.
Claims (14)
- Appareil de caractérisation de la raideur dynamique complexe d’une éprouvette (1) comportant au moins un matériau déformable (1m) en contact d’un côté avec une structure d’application d’une déformation et en contact de l’autre côté, avec une structure de réception de la force liée à la déformation, l’appareil comprenant :
- une enceinte thermique (15) pour chauffer ou refroidir l’éprouvette (1) ;
- un excitateur (2) adapté pour appliquer via la structure d’application et selon une direction de sollicitation (D), une déformation à l’éprouvette ;
- un système de mesure (18) sans contact, de la déformation du matériau déformable de l’éprouvette ;
- et un dispositif (19) pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette à partir de la mesure de la déformation de l’éprouvette, l’appareil étant caractérisé en ce que le système de mesure sans contact (18) est un système de mesure différentielle de la déformation de l’éprouvette dans la direction de la sollicitation (D) appliquée par l’excitateur, ce système de mesure différentielle comportant au moins un jeu de deux capteurs laser (18a) comprenant des parties optiques d’émission et de réception (18b) de faisceaux laser, montées mécaniquement solidaires par un support commun (22) situé à l’extérieur de l’enceinte thermique (15), ce système de mesure différentielle (18) mesurant les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser (F1, F2, …), d’une part, d’au moins un point de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique (15) et d’autre part, d’au moins un point de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique, l’appareil présentant un libre chemin de passage (23) des faisceaux laser (F1, F2, …) entre les parties optiques d’émission et de réception (18b) et les points de mesure sur la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et sur la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette. - Appareil selon la revendication 1, selon lequel le système de mesure différentielle (18) comporte au moins un jeu de trois capteurs laser (18a) comprenant des parties optiques d’émission et de réception (18b) de faisceaux laser (F1, F2, F3, …), montées mécaniquement solidaires par un support commun (22) situé à l’extérieur de l’enceinte thermique (15), ce système de mesure différentielle (18) mesurant les amplitudes vibratoires à l’aide des faisceaux laser, d’une part, d’au moins un point de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette situé à l’intérieur de l’enceinte thermique (15) et d’autre part, de points de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette, situés à l’intérieur de l’enceinte thermique (15).
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés de part et d’autre d’un matériau déformable (1m) d’une part, sur une partie de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et d’autre part, sur une partie de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette.
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés sur la partie mobile (9) de la structure de support de l’éprouvette ou sur une partie d’application (1a) d’une déformation à l’éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable (1m).
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser, en des points situés sur la partie fixe (11) de la structure de support de l’éprouvette ou sur une partie de réception (1r) d’une déformation à l’éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable (1m).
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, selon lequel le système de mesure différentielle (18) comporte plusieurs jeux de deux capteurs laser montés mécaniquement solidaires deux à deux par un support (22) et dont les faisceaux laser sont répartis selon la surface de la partie de la structure d’application d’une déformation à l’éprouvette et d’autre part, sur une partie de la structure de réception de la force liée à la déformation de l’éprouvette.
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, selon lequel les directions des faisceaux laser sont parallèles à la direction de la sollicitation (D) appliquée par l’excitateur (2) avec une tolérance angulaire variant de préférence jusqu’à 20°, voire jusqu’à 45°.
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, selon lequel la structure de réception de la force liée à la déformation est relié au bâti (4) de l’appareil et comporte à l’extérieur de l’enceinte thermique, un capteur (14) pour mesurer la force transmise à la suite de l’application de la déformation, cette mesure étant transmise au dispositif (19) pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette.
- Appareil selon l’une des revendications 1 à 7, selon lequel la structure de réception de la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette comporte une masse de réaction (27) pour constituer avec l’éprouvette (1), un système masse-ressort amorti résonant, l’excitateur (2) créant une vibration au niveau de la structure d’application de la déformation de l’éprouvette.
- Appareil selon la revendication 9, selon lequel les amplitudes vibratoires sont mesurées à l’aide des faisceaux laser en des points situés sur la masse de réaction (27) du système masse-ressort amorti résonant et en des points situés sur la partie mobile (9) de la structure de support de l’éprouvette.
- Appareil selon la revendication précédente, selon lequel le dispositif (19) pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l’éprouvette comporte un système de détermination de la force appliquée par la mesure de la vibration de la masse de réaction (27) soumise à la force liée à la déformation appliquée à l’éprouvette.
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, selon lequel la mesure différentielle sans contact est réalisée avec une technologie d’interférométrie laser.
- Appareil selon la revendication 12, selon lequel la mesure sans contact est réalisée avec une technologie d’interférométrie laser par réinjection optique.
- Appareil selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend un système de mesure sans contact (30) de la déformation de l’éprouvette dans la direction transverse à celle de la sollicitation (D) appliquée par l’excitateur (2), ce système de mesure étant composé d’un ensemble d’au moins un capteur laser pour mesurer de façon distante, depuis l’extérieur de l’enceinte thermique, et de manière non intrusive, les amplitudes de déformation transverse de la partie déformable de l’éprouvette (1).
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1903336A FR3094489B1 (fr) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l’utilisation de capteurs laser |
| PCT/FR2020/050567 WO2020201656A1 (fr) | 2019-03-29 | 2020-03-16 | Appareil de mesure des proprietes de materiaux a precision amelioree par l'utilisation de capteurs laser |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR1903336A FR3094489B1 (fr) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l’utilisation de capteurs laser |
| FR1903336 | 2019-03-29 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3094489A1 true FR3094489A1 (fr) | 2020-10-02 |
| FR3094489B1 FR3094489B1 (fr) | 2021-08-27 |
Family
ID=67742632
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1903336A Active FR3094489B1 (fr) | 2019-03-29 | 2019-03-29 | Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l’utilisation de capteurs laser |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3094489B1 (fr) |
| WO (1) | WO2020201656A1 (fr) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113917125B (zh) * | 2021-10-09 | 2024-05-14 | 深圳先进电子材料国际创新研究院 | 一种表征树脂复合材料填充层内应力的装置及测试方法 |
| CN113984543B (zh) * | 2021-12-23 | 2022-05-17 | 武汉位错科技有限公司 | 基于机械差分法的非热稳态力学测试装置及其应用方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6918304B2 (en) * | 2003-11-11 | 2005-07-19 | Gunma University | Material testing method |
| EP2910922A1 (fr) | 2014-02-19 | 2015-08-26 | Netzsch Gerätebau GmbH | Dispositif et procédé de mesure d'une modification de longueur d'un échantillon et/ou de mesure d'une force de déformation sur un échantillon |
| US20180120262A1 (en) | 2016-10-28 | 2018-05-03 | Industrial Technology Research Institute | Non-contact dynamic stiffness measurment system and method |
-
2019
- 2019-03-29 FR FR1903336A patent/FR3094489B1/fr active Active
-
2020
- 2020-03-16 WO PCT/FR2020/050567 patent/WO2020201656A1/fr active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6918304B2 (en) * | 2003-11-11 | 2005-07-19 | Gunma University | Material testing method |
| EP2910922A1 (fr) | 2014-02-19 | 2015-08-26 | Netzsch Gerätebau GmbH | Dispositif et procédé de mesure d'une modification de longueur d'un échantillon et/ou de mesure d'une force de déformation sur un échantillon |
| US20180120262A1 (en) | 2016-10-28 | 2018-05-03 | Industrial Technology Research Institute | Non-contact dynamic stiffness measurment system and method |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ASTM: "Standard Guide for Dynamic Testing of Vulcanized Rubber and Rubber-Like Materials Using Vibratory Methods", GUIDE FOR DYNAMIC TESTING OF VULCANIZED RUBBER AND RUBBER-LIKE MATERIALS USING VIBRATORY METHODS, 31 December 2018 (2018-12-31), West Conshohocken, PA, XP055654823, Retrieved from the Internet <URL:http://www.astm.org/cgi-bin/resolver.cgi?D5992-96R18> [retrieved on 20200106], DOI: 10.1520/D5992-96R18 * |
| BONFIGLIO PAOLO ET AL: "A simplified compression test for the estimation of the Poisson's ratio of viscoelastic foams", POLYMER TESTING, ELSEVIER, AMSTERDAM, NL, vol. 61, 30 May 2017 (2017-05-30), pages 324 - 332, XP085132797, ISSN: 0142-9418, DOI: 10.1016/J.POLYMERTESTING.2017.05.040 * |
| NETZSCH: "Analyzing & Testing High-Force DMA GABO EPLEXOR HT Series up to 1500°C Dynamic-Mechanical Testing Systems", 11 April 2019 (2019-04-11), XP055654842, Retrieved from the Internet <URL:https://www.netzsch-thermal-analysis.com/media/thermal-analysis/brochures/NGI_EPLEXOR_HT_en_web.pdf> [retrieved on 20200106] * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| FR3094489B1 (fr) | 2021-08-27 |
| WO2020201656A1 (fr) | 2020-10-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3147673B1 (fr) | Capteur physique opto-mecanique a sensibilite amelioree | |
| JP2015010921A (ja) | 屈折率計測方法、屈折率計測装置および光学素子の製造方法 | |
| US20110304854A1 (en) | Instantaneous, phase measuring interferometer apparatus and method | |
| FR2520499A1 (fr) | Mesureur de deformation | |
| FR3094489A1 (fr) | Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l’utilisation de capteurs laser | |
| EP3069185B1 (fr) | Dispositif et methode de mise au point tridimensionnelle pour microscope | |
| EP3847464A1 (fr) | Système de mesure de l'absorption d'un rayonnement laser d'un échantillon | |
| KR20160145496A (ko) | 굴절률의 계측방법, 계측장치와, 광학소자의 제조방법 | |
| FR3054380A1 (fr) | Systeme et procede de spectrometrie acoustique resonante | |
| EP2569593B1 (fr) | Dispositif de mesure optique d'un paramètre physique | |
| JP6157241B2 (ja) | 屈折率計測方法、屈折率計測装置および光学素子の製造方法 | |
| EP2684006B1 (fr) | Dispositif de mesure de l'etat de surface d'une surface | |
| FR3085756A1 (fr) | Systeme de mesure de l'absorption d'un rayonnement laser d'un echantillon | |
| FR3064349A1 (fr) | Dispositif et procede de reflectometrie a faible coherence a detection temps-frequence | |
| EP3839488B1 (fr) | Dispositif de détermination de contraintes résiduelles par diffraction | |
| EP2294379B1 (fr) | Procédé et dispositif pour la mesure de distances focales d' un système dioptrique quelconque | |
| Wolfer et al. | Characterization of the dynamics of encapsulated silicon MEMS devices using low-coherence heterodyne LDV technology | |
| Heymann et al. | Laser interferometry to evaluate the performance of local displacement transducers | |
| WO2000009978A1 (fr) | Appareil de mesure de la longueur d'onde d'un faisceau lumineux | |
| US9638513B2 (en) | Device and method for the interferometric measuring of an object | |
| EP3491396B1 (fr) | Dispositif d'analyse volumetrique d'un echantillon organique ou inorganique | |
| JP7247075B2 (ja) | レーザ光集光装置、レーザ光受光装置、およびレーザ光集光方法 | |
| EP3861282B1 (fr) | Dispositif de mesure confocale chromatique d'une hauteur et/ou d'une orientation locale d'une surface d'un échantillon et procédés correspondants de mesure d'une hauteur ou d'une rugosité d'un échantillon | |
| FR2971335A1 (fr) | Dispositif de mesure d’un champ de temperature d’une zone d’analyse d’un objet tel qu’un microsysteme | |
| JP2015210241A (ja) | 波面計測方法、波面計測装置、及び光学素子の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20201002 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 3 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 6 |