WO2020201656A1 - Apparatus for measuring properties of materials with improved precision by using laser sensors - Google Patents

Apparatus for measuring properties of materials with improved precision by using laser sensors Download PDF

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WO2020201656A1
WO2020201656A1 PCT/FR2020/050567 FR2020050567W WO2020201656A1 WO 2020201656 A1 WO2020201656 A1 WO 2020201656A1 FR 2020050567 W FR2020050567 W FR 2020050567W WO 2020201656 A1 WO2020201656 A1 WO 2020201656A1
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WO
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deformation
test piece
specimen
laser beams
laser
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/050567
Other languages
French (fr)
Inventor
Thierry Mazoyer
Pascal Vouagner
Antonio LUNA ARRIAGA
Original Assignee
Acoem France
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Publication date
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    • 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
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a device for measuring the dynamic properties of materials implementing a differential displacement measurement between two points, at a distance to allow measurements in extreme thermal environments, and completely non-intrusive (without mass or stiffness added to the measurement points), of the deformation applied to a test specimen, the stiffness of which can reach during a test, at least the order of magnitude of that of the structures of the apparatus located in series with the test specimen, the measurement using laser optical technology to be able to achieve nanometric or even picometric resolution.
  • the object of the invention falls within the field of dynamic mechanical analysis (Dynamic Mechanical Analysis, DMA) which makes it possible to characterize the viscoelastic properties of polymer materials, of which the values of elastic modulus and of loss factor can vary. significantly depending on temperature and frequency.
  • DMA Dynamic Mechanical Analysis
  • FIG. 2 generally illustrates an apparatus for characterizing a test piece 1.
  • the sinusoidal stresses are applied to the test piece 1 by means of a vibrator or exciter 2 (electrodynamic pot, jack
  • This vibrator 2 comprises a fixed or static part 3 mounted on a rigid frame 4 and a movable part 5 relative to the static part.
  • the deformation X measured by a sensor 6 integrated in the vibrator, corresponds to the displacement of the mobile part 5 of the vibrator relative to its fixed part 3.
  • the mobile part 5 of the vibrator 2 is connected via a tubular column 8 to the mobile part 9 a support for the test piece 1.
  • the fixed part 11 of the support for the test piece 1 is mounted integral with the frame 4 of the characterization apparatus by a tubular column 13.
  • a force sensor 14 is mounted integral with the tubular column 13 to measure the force F which is the force transmitted to the frame 4.
  • the fact that the mechanical frame 4 and that the interface parts, including the tubular columns 8, 13 and the fixed 11 and mobile 9 parts of the test piece support are not infinitely rigid, does not allow precise measurement of the deformation applied to the test piece 1 when the stiffness of the latter is superior to those of all of these structural components in series.
  • the deformation measured with the remote displacement sensor integrates the deformations of structural parts (frame, columns, specimen support) just as much as that of the specimen itself.
  • a solution to this problem consists in carrying out a characterization measurement with a specimen of so-called infinite stiffness in order to measure the deformation of structures mounted in series with the specimen supposedly infinitely stiff, and thus be able to determine a correction coefficient for "machine stiffness". to be applied to measurements carried out on conventional specimens.
  • this procedure has certain limits, in particular when the flexibility of the machine becomes significantly greater than that of the test piece to be characterized, the correction ratio then becoming very important.
  • the measurement errors are directly amplified by the correction, which sometimes leads to very significant variability in the characteristics measured for a material in the area of its glassy plate.
  • the correction terms may depend on parameters such as frequency and temperature, and that they may also vary as a function of the assembly and disassembly operations inherent in carrying out the tests.
  • the difficulty to be solved is then to be able to measure the dynamic stiffness of a test piece during a single test where the temperature can vary over a very wide range, where the material can be found as well in a rubber state therefore extremely soft at one time of the test, and in a vitreous state therefore very stiff at another time of the test.
  • Patent EP 2910922 describes a device making it possible to measure the variation in length of a specimen or else the force of deformation thereof.
  • a detector punch principle in the form of a rod resting on the specimen is used.
  • This system is equipped with a displacement sensor to measure the strain applied to the specimen and a force sensor to measure the force applied to the specimen.
  • This device does not solve the problem of characterizing stiff materials, the deformation of the needle being in series with that of the test piece.
  • HT Sériés "illustrates a device for the dynamic characterization of materials equipped with a device for controlling the applied deformations, based on the use of optical sensors.
  • the technology used is based on the use of linear detectors made up of CCD arrays. (Coupled Charge Device), illuminated by a laser beam.
  • Position measurement is performed by analyzing the light intensity measured on a set of adjacent arrays and averaged over a period of time called integration time. of these sensors does not allow measurement of very low
  • deformations potentially reaching values of the order of a few nanometers for a very stiff material.
  • the resolution to be expected is of the order of a tenth of the pitch of the bars (conventionally a few microns) for a static measurement, it deteriorates greatly for a dynamic measurement due to the reduction in the integration time.
  • the measurement is carried out in areas far from the specimen to be characterized, therefore the measurements of deformations measured also include those of structures located in series with the specimen.
  • Patent application US 2018/0120262 relates to a system and a method for characterizing the dynamic stiffness of the spindle shaft of a machine tool. It describes a tool for characterizing the movements of bending of the spindle shaft under the effect of a non-contact magnetic excitation, the deflection measurement being carried out using at least one laser velocimeter. This system does not make it possible to compensate for the flexibility of the structures of the machine tool.
  • the apparatus also comprises a light wave interferometer making it possible to carry out a measurement by laser interferometry making it possible to evaluate the mechanical properties of the test piece to be measured as a function of the force of inertia and of the displacement.
  • This patent describes a principle of inertial characterization since the force applied to the specimen is applied by the force of inertia of the specimen driven when vibrations are applied to the specimen itself. Such an apparatus is not suitable for allowing measurements of the deformation applied to a specimen whose stiffness is very high and in an extreme thermal environment.
  • the present invention aims to remedy the drawbacks of
  • the apparatus comprising:
  • an exciter suitable for applying, via the application structure and in a direction of stress, a deformation to the test piece
  • the apparatus comprising a system for differential measurement of the deformation of the test piece in the direction of the stress applied by the exciter, this differential measurement system comprising at least one set of two laser sensors comprising optical parts emission and reception of laser beams, mounted mechanically integral by a common support located outside the thermal enclosure, this differential measurement system measuring the vibratory amplitudes using laser beams, on the one hand, at least one point of the structure for applying a deformation to the test piece located inside the thermal enclosure and on the other hand, at least one point of the structure for receiving the force related to the deformation of the test piece located inside the thermal chamber, the device having a free path for the laser beams to pass between the optical transmission and reception parts and the measurement points on the structure of application of a deformation to the test piece and to the reception structure of the force linked to the deformation of the test piece.
  • the characterization apparatus thus comprises a laser differential measuring device, making it possible to measure the deformations of the test piece as close as possible to the part to be characterized.
  • the principle is to use a set of at least two distinct beams coming from laser sources mounted integrally and each targeting the different points whose relative movement is to be obtained, characteristic of a local deformation of the material to be characterized.
  • apparatus according to the invention may further comprise in combination at least one and / or the other of the following additional characteristics:
  • the differential measurement system comprises at least one set of three laser sensors comprising optical parts for emission and reception of laser beams, mounted mechanically integral by a common support located outside the thermal chamber, this system of differential measurement measuring the vibratory amplitudes using laser beams, on the one hand, from at least one point of the structure for applying a deformation to the test piece located inside the thermal chamber and on the other start from points of the structure for receiving the force linked to the deformation of the test specimen, located inside the thermal enclosure;
  • the vibratory amplitudes are measured using laser beams, at points located on either side of a deformable material on the one hand, on a part of the structure for applying a deformation to the specimen and on the other hand, on part of the structure for receiving the force linked to the deformation of the specimen;
  • the vibratory amplitudes are measured using laser beams, at points located on the mobile part of the specimen support structure or on a part of application of a deformation to the specimen, in direct contact with the deformable material;
  • the vibratory amplitudes are measured using laser beams, at points located on the fixed part of the specimen support structure or on a part receiving a deformation on the specimen, in direct contact with the deformable material;
  • the differential measurement system comprises several sets of two laser sensors mounted mechanically secured two by two by a support and whose laser beams are distributed according to the surface of the part of the structure for applying a deformation to the test piece and on the other hand, on a part of the structure for receiving the force linked to the deformation of the specimen;
  • the directions of the laser beams are parallel to the direction of the stress applied by the exciter with an angular tolerance preferably varying up to 20 °, or even up to 45 °;
  • the structure for receiving the force linked to the deformation is connected to the frame of the device and comprises, outside the thermal chamber, a sensor for measuring the force transmitted following the application of the deformation, this measurement being transmitted to the device to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece;
  • the reception structure of the force linked to the strain applied to the test piece comprises a reaction mass to form with the test piece a resonant damped mass-spring system, the exciter creating a vibration at the level of the structure for applying the deformation of the test piece;
  • the vibratory amplitudes are measured using the laser beams at points located on the reaction mass of the resonant damped mass-spring system and at points located on the mobile part of the supporting structure of the test piece;
  • the device for determining the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece comprises a system for determining the force applied by measuring the vibration of the reaction mass subjected to the force linked to the deformation applied to the test piece;
  • the non-contact differential measurement is performed using laser interferometry technology
  • the non-contact measurement is performed with laser interferometry technology by optical feedback;
  • this measuring system being composed of a set of at least one laser sensor for measuring so distant, from outside the thermal enclosure, and in a non-intrusive manner, the transverse deformation amplitudes of the deformable part of the test piece.
  • Figure 1 is a diagram illustrating the principle of
  • FIG. 2 schematically illustrates an apparatus for characterizing a test piece according to the prior art.
  • FIG. 3 is a general view of an apparatus according to the invention for characterizing a test piece stressed in double shear, implementing a differential measurement system according to the invention.
  • FIG. 3A-3C Figure 3A shows on a larger scale the differential measurement system according to the invention while Figures 3B and 3C illustrate variants of the differential measurement system in accordance with the invention implementing respectively three laser beams and five laser beams.
  • Figure 4 is a diagram illustrating the principle of
  • FIG. 4A is a general view of an apparatus in accordance with the invention for characterizing said in resonant mode for a test piece stressed in traction and compression, and implementing a measurement system
  • FIG. 4B is a view on a larger scale of an apparatus in accordance with the invention for characterization called in resonant mode for a test piece stressed in traction and compression, and implementing a differential measurement system in accordance with the invention. with three pairs of laser beams.
  • FIG. 5A is a general view of an apparatus in accordance with the invention for characterizing said to be in resonant mode for a specimen stressed in shear, and implementing a differential measurement system in accordance with the invention.
  • Figure 5B is a general view of an apparatus in accordance with the invention for characterizing said in resonant mode for a specimen stressed in shear, and implementing a differential measurement system in accordance with the invention with three pairs of beams laser.
  • Figure 6 is a view of the characterization apparatus according to the invention equipped with a non-contact measuring system of the deformation of the specimen in the direction transverse to that of the applied stress.
  • Figures 3, 3A, 3B, 3C illustrate by way of example, an apparatus I according to the invention for characterizing a test piece 1 according to the principle of characterization in forced mode ( Figure 1) while Figures 4A, 4B, 5A, 5B illustrate, by way of example, an apparatus I in accordance with the invention for characterizing a test piece 1 according to the principle of characterization in resonant mode, the principle of which is illustrated in Figure 4.
  • FIGS 3 and 3A illustrate an apparatus I according to the invention, for characterizing a test piece 1, the general structure of the apparatus I of which corresponds to the apparatus described in Figure 2.
  • the apparatus of characterization I according to the invention thus comprises a vibrator or exciter 2 (electrodynamic pot, electro-hydraulic cylinder, etc.) controlled in frequency and in amplitude to apply a deformation to the test piece 1 according to an application direction D.
  • a test piece 1 is composed of one or more deformable parts and possibly of rigid parts integral with the deformable part or parts. This construction responds to a need to be able to easily handle small specimens, or even to satisfy the hypotheses associated with the relation allowing to deduce the dynamic characteristics of the material constituting the deformable part (s) to from the measured dynamic stiffness.
  • the test piece 1 comprises at least one deformable material lm in direct contact on one side with a structure for applying a deformation and in direct contact on the other side, with a structure for receiving the force associated with or due to deformation.
  • This structure for applying a deformation and this structure for receiving the force associated with the deformation comprise one or more parts, some of which may form part of the test piece or of a support structure of the deformable material, conventionally called a door. - test tube.
  • the apparatus I aims at the characterization of a test piece 1 adapted to the double shear stress mode with a characterization in forced mode.
  • the test piece 1 comprises two deformable materials lm in direct contact with a common part for applying a deformation and in direct contact externally, with two parts for receiving the force linked to the deformation lr.
  • the test piece 1 comprises five parts, namely, a rigid part known as the application of a deformation, integral with two deformable materials lm which are integral with two rigid parts called reception of the force linked to the deformation lr.
  • the test piece 1 can have different configurations adapted to the mode of stress envisaged, which can be either tension, compression, combined tension-compression, single or multiple shear, single or multi-point bending.
  • This exciter 2 comprises a fixed or static part 3 mounted on a rigid frame 4 and a movable part 5 relative to the static part 3.
  • the movable part 5 of the exciter 2 is connected via a tubular column 8 to the movable part 9 of a support structure for the test piece 1. More precisely in the example illustrated, the movable part 9 of the support structure is connected to the application part of the deformation 1a of the test piece 1.
  • the apparatus I according to the invention thus comprises a structure for applying a deformation to the test piece comprising, the part for applying the deformation 1a of the test piece 1, the movable part 9 of the support structure, the tubular column 8 and the mobile part 5 of the exciter.
  • the characterization device I also comprises a structure for receiving the force linked to the deformation applied to the test piece 1 and located on the opposite side of the deformable material lm relative to the structure for applying a deformation to the test piece.
  • this structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece 1 is mounted integral with the frame 4 of the characterization apparatus.
  • this receiving structure comprises the parts for receiving the force linked to the deformation of the test piece lr and forming part of the test piece, a fixed part 11 of the support structure receiving the receiving parts lr and a tubular column 13 receiving the fixed part 11 of the support structure and fixed to the frame 4.
  • a force sensor 14 is mounted integral with the tubular column 13 to measure the force F which is the force transmitted to the frame 4. It should be noted that the structure for receiving the force linked or due to the deformation of the test piece 1 is said to be fixed according to the forced mode even if in fact it is itself driven by a movement created by the force of deformation of the test piece due to the flexibility of the structures in series with the receiving parts Ir of the force linked to the deformation of the specimen.
  • the characterization device I also comprises a thermostatted thermal enclosure 15 in which the test piece is placed 1.
  • This enclosure 15 comprises passages 15a for the tubular columns 8, 13.
  • This enclosure 15 is provided with a device for place the test piece at a
  • controlled temperature over a wide temperature range, covering at least the range of -150 ° C to 500 ° C.
  • the characterization apparatus according to the invention I also comprises a non-contact measuring system 18 of the deformation of the deformable material lm of the test piece 1.
  • the characterization apparatus according to the invention I also comprises a device 19 to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece from the measurement of the deformation of the test piece provided by the non-contact measuring system 18. This device 19 is not described in detail because it does not not precisely part of the object of the invention and is well known to those skilled in the art.
  • the characterization apparatus I comprises a system 18 ensuring a differential measurement without contact and in a non-intrusive manner, of the deformation of the test piece in the direction D of the applied stress. by the exciter 2.
  • This differential measurement system 18 comprises at least one set of two laser sensors 18a suitable for measuring the distance of at least two points whose relative movement is to be obtained and located inside the enclosure thermal 15. These two laser sensors 18a are mounted outside the thermal enclosure 15.
  • These two laser sensors 18a comprise optical parts 18b for transmitting and receiving for two laser beams F1, F2, as well as a unit 18c processing signals making it possible to deliver distance measurements to the device 19 for determining the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece.
  • Laser interferometry covers a set of measurement techniques for remotely characterizing the vibratory movements of a surface, and operating on the principle of optical interferometry. Counting the interference fringes makes it possible to determine the lengthening of the optical path of the beam associated with the displacement of the target. The analysis of the frequency modulation by Doppler effect of the interference fringes makes it possible to measure the vibratory speed of the point targeted by the beam.
  • Many devices on the market conventionally include an interferometer composed of mirrors,
  • the laser diode plays the role of both the source, the interferometer and the photo-detector. This is referred to as self-mixing in the sense that the light waves of the beam reflected by the target interfere, and therefore mix with the stationary light waves of the beam being amplified in the cavity of the laser diode.
  • the photo-detector integrated into the laser diode makes it possible to measure the variations in light intensity linked to the interference created in the cavity.
  • the optical transmission and reception parts 18b are mounted mechanically integral on a common support 22, being located close to one another.
  • the common support 22 is located outside the thermal enclosure 15 by being fixed for example on the frame 4.
  • the laser beams are associated with optical devices (laser source and focusing or collimating lenses. ) mechanically integral within the laser sensors.
  • the optical transmission and reception parts 18b are fixed on a common support 22 so that any deformations that the common support 22 could undergo similarly affect the positions of the optical transmission and reception parts 18b.
  • the laser sensors 18a are adapted in order to be able to measure remotely, from the outside of the thermal chamber 15, the vibratory amplitudes on the one hand, of points of the structure of application of a deformation to
  • these measurement points are located on either side and as close as possible to the deformable material lm of the test piece 1.
  • the characterization device I comprises a free passage path 23 of the laser beams F1, F2 between the optical parts 18b of transmission and reception and the measurement points located on either side of the material
  • the tubular column 13 which passes through the thermal enclosure 15 is advantageously used to internally delimit a portion of the passage path 23 for the optical beams.
  • the fixed part 11 of the support structure of the test piece 1 comprises openings 11a to delimit part of the passage path for the optical beams F1, F2.
  • the measurements of the deformation of the test piece 1 are carried out in the direction D of the stress applied by the exciter 2.
  • the optical beams Fl, F2 are parallel to the direction D of the mechanical stresses applied to the test tube.
  • other incidences of the optical beams with respect to the direction D can be used with an angular correction to allow integration into the structures of the characterization apparatus.
  • the directions of the laser beams are parallel to the direction of the stress applied by the exciter with an angular tolerance preferably varying up to 20 °, or even up to 45 °.
  • the differential displacement measuring system 18 comprises two laser beams F1 and F2, used to measure the relative movement between the mobile part 9 of the support structure the test piece and a part for receiving the force linked to the deformation lr, forming part of the test piece 1.
  • the system 18 measures the vibratory amplitudes of the interface parts located on either side and as close as possible to the deformable material lm of the test piece.
  • the system 18 measures using of the laser beams Fl, F2, the distance variations in the form of time signals xl (t) and x2 (t) so that the amplitude of the deformation is equal to the relative displacement xl (t) -x2 (t) under the condition that the two laser sensors are mechanically integral.
  • Figure 3B illustrates an alternative embodiment in which is used a third beam F3 to measure the movement of the two receiving parts lr of the deformation belonging to the test piece.
  • the differential measurement system 18 comprises at least one set of three laser sensors 18a comprising optical parts for emission and reception of laser beams, mounted mechanically integral with the common support 22 located outside of the thermal enclosure 15.
  • This differential measurement system 18 measures the vibratory amplitudes of time signals xl (t), x2 (t), x3 (t) using three laser beams F1, F2, F3, of a on the one hand, from a point of the part of the structure for applying the deformation of the specimen, namely the mobile part 9, and on the other hand, from points of the structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece, namely the two receiving parts of the force linked to the deformation of the test piece lr.
  • the three laser beams F1, F2, F3, are used to measure the relative movement between the movable part 9 of the supporting structure of the specimen and each part for receiving the force linked to the deformation of the specimen lr.
  • the system 18 measures the vibratory amplitudes of the interface parts located on either side and as close as possible to each deformable material lm of the test piece.
  • This variant embodiment thus gives the possibility of highlighting a behavior not symmetrical of the set by comparing the relative displacements xl (t) -x3 (t) to xl (t) -x2 (t), and take this asymmetry into account in the treatment of the measurements and the analysis of the results, under the form of an average for example.
  • Figure 3C illustrates by way of example and in a simplified manner, a set of beams F1 to F5 used to demonstrate a rotation of the interfaces of the test piece or else to finely characterize these parasitic deformations to take them into account in exploitation of results.
  • a pair of optical beams F3, F5 and F2, F4 is used to measure the distance of two measurement points taken respectively on each receiving part lr of the force linked to the deformation of the test piece 1.
  • differential measurement system 18 can also be implemented in the case of the principle of
  • the structure for receiving the force linked to the deformation applied to the test piece 1 comprises a reaction mass 27 to form with the test piece 1, a resonant damped mass-spring system.
  • the structure for receiving the deformation applied to the test piece corresponds to a reaction mass 27 of mass m, in direct contact with the deformable material lm.
  • the mass 27 in contact with the deformable material 1m on the side opposite to the application structure is shaped to form, with the deformable material, a resonant damped mass-spring system.
  • the test piece 1 comprises only a deformable material lm.
  • This deformable material lm is mounted integral with the reaction mass 27 and opposite the reaction mass 27, from the movable part 9 of the support structure connected via the tubular column 8, to the part mobile 5 of the exciter 2.
  • the mobile part 9 in direct contact with the deformable material lm undergoes the vibratory movements of the exciter 2.
  • the vibratory movement Xm of this reaction mass 27 depends on the movement Xe of the mobile part 9 and on the complex stiffness characteristics K of the test piece 1.
  • the device I is aimed at
  • the test piece 1 to be characterized comprises only a deformable material lm which is placed between, on the one hand, the movable part 9 of the support structure and, on the other hand, the reaction mass 27.
  • the The test piece 1 can have different configurations adapted to the shear stress mode as illustrated for example in FIG. 5A.
  • the differential measurement system 18 is implemented according to the measurement principle described above.
  • the system 18 measures the deformation of the test piece 1 in the direction D of the stress applied by the exciter.
  • This differential measurement system 18 comprises at least one set of two laser sensors comprising optical parts for emitting and receiving laser beams, mounted mechanically integral with a common support located outside the thermal enclosure.
  • This differential measurement system measures the vibratory amplitudes using the laser beams F1, F2, on the one hand, from points of the structure for applying a deformation to the test piece located inside the enclosure.
  • the apparatus has a free path 23 for the laser beams to pass between the optical emission and transmission parts.
  • the thermal enclosure 15 comprises a closure cap 15a provided with holes 15b adapted to ensure the free passage of the laser beams F1, F2.
  • the device I comprises a system for determining the force applied, by measuring by laser beam, the vibration of the reaction mass 27 subjected to the force associated with the strain applied to the test piece. This measurement of the force allows the device 19 to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece. This measurement is carried out in a non-intrusive manner, that is to say without disturbing the dynamic behavior of the resonant damped mass-spring system.
  • the mass and the cables of accelerometers used in more traditional methods are liable to cause measurement disturbances, the more so as one works at a high frequency.
  • a differential laser measurement makes it possible to measure the relative movements of the mobile structure 9 with a beam F1 and of the reaction mass 27 with a beam F2 .
  • the laser measurements are carried out from outside the thermal enclosure 15 by mechanically secured laser sensors, as explained previously.
  • FIG. 4B illustrates, for a tensile-compression stress, how it is possible to use a set of laser sensors mechanically secured in pairs, to trap parasitic movements other than pure translation, for example.
  • the first F1, third F3 and fifth F5 laser beams measure the movements of the reaction mass 27 while the second F2, fourth F4 and sixth F6 laser beams measure the movements of the mobile structure 9, considering that the first, third and fifth laser beams on the one hand, and the second, fourth and sixth laser beams on the other hand have a substantially identical angular distribution in a plane perpendicular to the direction of stress D.
  • the device I is aimed at
  • the test piece 1 to be characterized comprises a deformable material lm shaped in an annular form mounted integral with its central part, with the movable part 9 of the support structure connected via the tubular column 8 to the movable part 5 of the 'exciter 2 and mounted integral at its outer part with the reaction mass 27.
  • a differential laser measurement makes it possible to measure the movements of the mobile structure 9 with a beam F1 and of the reaction mass 27 with a beam F2 in a non intrusive, that is to say without disturbing the
  • FIG. 5B illustrates for a shear stress how it is possible to use a set of laser sensors mechanically secured in pairs, to trap parasitic movements other than pure translation for example.
  • the first, third and fifth laser beams measure the movements of the mobile structure 9 while the second, fourth and sixth laser beams measure the movements of the reaction mass 27, considering that the first, third and fifth laser beams of a on the one hand, and the second, fourth and sixth laser beams on the other hand have a substantially identical angular distribution in a plane perpendicular to the direction D of the stress.
  • the contactless measurement system 18 makes it possible to measure with very high precision, the deformations of a test piece 1, both according to the principle of characterization in forced mode than according to the principle of characterization in resonant mode.
  • the non-contact measuring system 18 has not been shown in all the figures, by way of simplification of the drawings and its representation in Figure 3 is given by way of illustration only.
  • the measurement of the deformation of the test piece 1 by the non-contact measuring system 18 according to the invention allows the device 19 to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material.
  • the formula K F / X is used, with F the force measured by the force system 14 and X being the displacement measured by the laser sensors.
  • FIG. 6 illustrates the application of optical technology for measuring, in a non-intrusive manner, the amplitudes of deformations of the test piece 1 in a direction transverse to that of the stress.
  • a variation of the transverse dimensions of the test piece results when it is subjected to an axial force.
  • FIG. 6 shows how a non-contact measuring system 30 by a beam F'1 aimed directly at the test piece 1 makes it possible to measure the transverse deformation of the test piece subjected to a stress in tension-compression.
  • the contactless measurement system is composed of a set of at least one laser sensor for measuring remotely, from outside the thermal chamber 15, the transverse deformation amplitudes of the deformable part of the test piece 1
  • a series of beams parallel to each other and perpendicular to the direction D of the stress in order to make it possible to finely characterize the shape taken by the test piece during the traction-compression test.

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Abstract

The invention relates to an apparatus for characterizing the complex dynamic stiffness of a specimen (1), comprising: - a thermal enclosure for heating or cooling the specimen (1); - an exciter suitable for applying a deformation to the specimen; - and a device (19) for determining the complex dynamic stiffness of the material. According to the invention, the device comprises a system for measuring the differential of the deformation of the specimen comprising at least one set of two laser sensors (18a) comprising optical parts for transmitting and receiving (18b) laser beams, rigidly mechanically mounted by a common support (22) located outside the thermal enclosure, the differential measurement system (18) measuring the vibratory amplitudes using the laser beams (F1, F2,...), on one hand, of points of a structure for applying a deformation to the specimen located inside the thermal enclosure and, on the other hand, of points of a structure for receiving the force related to the deformation of the specimen located inside the thermal enclosure.

Description

Description Description
Titre de l'invention : Appareil de mesure des propriétés de matériaux à précision améliorée par l'utilisation de capteurs laser Title of the invention: Device for measuring the properties of materials with improved precision by the use of laser sensors
Domaine Technique Technical area
[0001] L'invention concerne un appareil de mesure des propriétés dynamiques de matériaux mettant en oeuvre 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. The invention relates to a device for measuring the dynamic properties of materials implementing a differential displacement measurement between two points, at a distance to allow measurements in extreme thermal environments, and completely non-intrusive (without mass or stiffness added to the measurement points), of the deformation applied to a test specimen, the stiffness of which can reach during a test, at least the order of magnitude of that of the structures of the apparatus located in series with the test specimen, the measurement using laser optical technology to be able to achieve nanometric or even picometric resolution.
Technique antérieure Prior art
[0002]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 F(t) générant une The object of the invention falls within the field of dynamic mechanical analysis (Dynamic Mechanical Analysis, DMA) which makes it possible to characterize the viscoelastic properties of polymer materials, of which the values of elastic modulus and of loss factor can vary. significantly depending on temperature and frequency. To perform this characterization, a test specimen is subjected to a dynamic force F (t) generating a
contrainte a(t)f ou à un déplacement dynamique différentiel X(t) engendrant une déformation e(ί), 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. stress a (t) f or at a differential dynamic displacement X (t) generating a strain e (ί), according to the principle of Figure 1. The differential dynamic displacement as well as the strain force are used to determine the complex stiffness of the test piece according to the formula: K = F / X. The stiffness and the geometry of the test piece as well as the mode of stress used make it possible to deduce the viscoelastic characteristics of the material constituting the test piece, namely an elastic modulus and a loss factor. This form of characterization is called forced mode characterization according to the 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. ”This document also describes a form of characterization in resonant mode as opposed to forced mode.
[0003] 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 [0003] FIG. 2 generally illustrates an apparatus for characterizing a test piece 1. The sinusoidal stresses are applied to the test piece 1 by means of a vibrator or exciter 2 (electrodynamic pot, jack
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 X, 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.electrohydraulic, ...) controlled in frequency and amplitude. This vibrator 2 comprises a fixed or static part 3 mounted on a rigid frame 4 and a movable part 5 relative to the static part. The deformation X, measured by a sensor 6 integrated in the vibrator, corresponds to the displacement of the mobile part 5 of the vibrator relative to its fixed part 3. The mobile part 5 of the vibrator 2 is connected via a tubular column 8 to the mobile part 9 a support for the test piece 1. The fixed part 11 of the support for the test piece 1 is mounted integral with the frame 4 of the characterization apparatus by a tubular column 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. A force sensor 14 is mounted integral with the tubular column 13 to measure the force F which is the force transmitted to the frame 4.
[0004] 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 oeuvre de capteurs de déformation et de force de déformation dans l'environnement immédiat de l'éprouvette 1. [0004] The need to carry out the characterization in a controlled manner over a wide temperature range, covering at least the range of -150 ° C to 500 ° C, leads to the use of a thermostated thermal chamber 15 around the specimen 1. It It follows that the dimensions of the interfaces, namely the tubular columns 8, 13 and the fixed 11 and movable 9 parts of the test piece support are guided by the size of the thermal enclosure 15, the need to position the test piece 1 in a zone close to the center of the enclosure and by the need to limit losses by thermal conduction. The temperature conditions inside the enclosure make it impossible to use deformation and deformation force sensors in the immediate environment of the test piece 1.
[0005] 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 [0005] The remote nature of the position of the displacement sensor 6 of the movable part 5 of the exciter with respect to its fixed part 3 has harmful consequences for the characterization of test specimens of high stiffness. This is the case, for example, for elastomeric materials characterized by a shear mode in the frequency and temperature range.
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. corresponding to the vitreous plateau. Indeed, the fact that the mechanical frame 4 and that the interface parts, including the tubular columns 8, 13 and the fixed 11 and mobile 9 parts of the test piece support are not infinitely rigid, does not allow precise measurement of the deformation applied to the test piece 1 when the stiffness of the latter is superior to those of all of these structural components in series. In fact, the deformation measured with the remote displacement sensor integrates the deformations of structural parts (frame, columns, specimen support) just as much as that of the specimen itself.
[0006] 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 oeuvre 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. [0006] The 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" describes the vibratory methods that can be used for the dynamic characterization of materials elastomers. This document mentions that when possible, the displacement sensor should be implemented so as to measure the deformation of the specimen alone. When this is not possible, the operator should be aware of the influence of the flexibility of structures in series with the specimen. A solution to this problem consists in carrying out a characterization measurement with a specimen of so-called infinite stiffness in order to measure the deformation of structures mounted in series with the specimen supposedly infinitely stiff, and thus be able to determine a correction coefficient for "machine stiffness". to be applied to measurements carried out on conventional specimens. However, this procedure has certain limits, in particular when the flexibility of the machine becomes significantly greater than that of the test piece to be characterized, the correction ratio then becoming very important. In fact, the measurement errors are directly amplified by the correction, which sometimes leads to very significant variability in the characteristics measured for a material in the area of its glassy plate. To this, it should be added that the correction terms may depend on parameters such as frequency and temperature, and that they may also vary as a function of the assembly and disassembly operations inherent in carrying out the tests. The difficulty to be solved is then to be able to measure the dynamic stiffness of a test piece during a single test where the temperature can vary over a very wide range, where the material can be found as well in a rubber state therefore extremely soft at one time of the test, and in a vitreous state therefore very stiff at another time of the test.
[0007] 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. [0007] Patent EP 2910922 describes a device making it possible to measure the variation in length of a specimen or else the force of deformation thereof. To apply the deformation to the specimen by means of a stepping motor type drive means, a detector punch principle in the form of a rod resting on the specimen is used. This system is equipped with a displacement sensor to measure the strain applied to the specimen and a force sensor to measure the force applied to the specimen. This device does not solve the problem of characterizing stiff materials, the deformation of the needle being in series with that of the test piece.
[0008] Le document correspondant à une spécification technique NETZSCH- GABO NGI_EPLEXOR_HT_en_web - Mars 2018 - "High-Force DMA EPLEXOR® [0008] The document corresponding to a technical specification NETZSCH- GABO NGI_EPLEXOR_HT_en_web - March 2018 - "High-Force DMA EPLEXOR®
HT Sériés" 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 HT Sériés "illustrates a device for the dynamic characterization of materials equipped with a device for controlling the applied deformations, based on the use of optical sensors. The technology used is based on the use of linear detectors made up of CCD arrays. (Coupled Charge Device), illuminated by a laser beam. Position measurement is performed by analyzing the light intensity measured on a set of adjacent arrays and averaged over a period of time called integration time. of these sensors does not allow measurement of very low
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. deformations potentially reaching values of the order of a few nanometers for a very stiff material. The resolution to be expected is of the order of a tenth of the pitch of the bars (conventionally a few microns) for a static measurement, it deteriorates greatly for a dynamic measurement due to the reduction in the integration time. In addition, the measurement is carried out in areas far from the specimen to be characterized, therefore the measurements of deformations measured also include those of structures located in series with the specimen.
[0009] 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. [0009] Patent application US 2018/0120262 relates to a system and a method for characterizing the dynamic stiffness of the spindle shaft of a machine tool. It describes a tool for characterizing the movements of bending of the spindle shaft under the effect of a non-contact magnetic excitation, the deflection measurement being carried out using at least one laser velocimeter. This system does not make it possible to compensate for the flexibility of the structures of the machine tool.
[0010]Le brevet US 6 918 304 décrit un appareil pour mesurer les propriétés [0010] US patent 6,918,304 describes an apparatus for measuring the properties
mécaniques dynamiques d'une éprouvette. Une extrémité de l'éprouvette est fixée au bâti de l'appareil tandis que l'autre extrémité est fixée à une masselotte. Un marteau applique des vibrations sur le système masse-ressort formé par l'éprouvette et sa masselotte. L'appareil comporte également un interféromètre à ondes lumineuses permettant de réaliser une mesure par interférométrie laser permettant d'évaluer les propriétés mécaniques de l'éprouvette à mesurer en fonction de la force d'inertie et du déplacement. Ce brevet décrit un principe de caractérisation inertiel puisque la force appliquée à l'éprouvette est appliquée par la force d'inertie de l'éprouvette entraînée lorsque des vibrations sont appliquées à l'éprouvette elle-même. Un tel appareil n'est pas adapté pour permettre des mesures de la déformation appliquée à une éprouvette dont la raideur est très élevée et dans une ambiance thermique extrême. dynamic mechanics of a specimen. One end of the test piece is fixed to the frame of the apparatus while the other end is fixed to a weight. A hammer applies vibrations to the mass-spring system formed by the test piece and its weight. The apparatus also comprises a light wave interferometer making it possible to carry out a measurement by laser interferometry making it possible to evaluate the mechanical properties of the test piece to be measured as a function of the force of inertia and of the displacement. This patent describes a principle of inertial characterization since the force applied to the specimen is applied by the force of inertia of the specimen driven when vibrations are applied to the specimen itself. Such an apparatus is not suitable for allowing measurements of the deformation applied to a specimen whose stiffness is very high and in an extreme thermal environment.
Exposé de l'invention Disclosure of the invention
[0011] La présente invention vise à remédier aux inconvénients des The present invention aims to remedy the drawbacks of
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. prior techniques by proposing a new device adapted to accurately measure the dynamic properties of materials, freeing itself from deformations of the interface parts of the device while allowing measurements to be made in extreme thermal environments.
[0012] 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 The object of the invention is therefore an apparatus for characterizing the complex dynamic stiffness of a test specimen comprising at least one deformable material in contact on one side with an application structure of a
déformation et en contact de l'autre côté, avec une structure de réception de la force liée à la déformation, l'appareil comprenant : deformation and in contact on the other side with a structure for receiving the force associated with the deformation, the apparatus comprising:
- une enceinte thermique pour chauffer ou refroidir l'éprouvette ; - a thermal enclosure for heating or cooling the test piece;
- un excitateur adapté pour appliquer via la structure d'application et selon une direction de sollicitation, une déformation à l'éprouvette ; an exciter suitable for applying, via the application structure and in a direction of stress, a deformation to the test piece;
- un système de mesure sans contact, de la déformation du matériau déformable de l'éprouvete ; - a non-contact measuring system of the deformation of the deformable material of the test;
- et un dispositif pour déterminer la raideur dynamique complexe du matériau déformable de l'éprouvete à partir de la mesure de la déformation de - and a device for determining the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece from the measurement of the deformation of
l'éprouvete, l'appareil comportant un système de mesure différentielle de la déformation de l'éprouvete 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'éprouvete 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'éprouvete 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'éprouvete et sur la structure de réception de la force liée à la déformation de l'éprouvete. the test piece, the apparatus comprising a system for differential measurement of the deformation of the test piece in the direction of the stress applied by the exciter, this differential measurement system comprising at least one set of two laser sensors comprising optical parts emission and reception of laser beams, mounted mechanically integral by a common support located outside the thermal enclosure, this differential measurement system measuring the vibratory amplitudes using laser beams, on the one hand, at least one point of the structure for applying a deformation to the test piece located inside the thermal enclosure and on the other hand, at least one point of the structure for receiving the force related to the deformation of the test piece located inside the thermal chamber, the device having a free path for the laser beams to pass between the optical transmission and reception parts and the measurement points on the structure of application of a deformation to the test piece and to the reception structure of the force linked to the deformation of the test piece.
[0013] L'appareil de caractérisation selon l'invention comporte ainsi un dispositif de mesure différentielle laser, permetant de mesurer les déformations de l'éprouvete 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. [0013] The characterization apparatus according to the invention thus comprises a laser differential measuring device, making it possible to measure the deformations of the test piece as close as possible to the part to be characterized. The principle is to use a set of at least two distinct beams coming from laser sources mounted integrally and each targeting the different points whose relative movement is to be obtained, characteristic of a local deformation of the material to be characterized.
[0014] 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 : [0014] In addition, the apparatus according to the invention may further comprise in combination at least one and / or the other of the following additional characteristics:
- 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 ; - the differential measurement system comprises at least one set of three laser sensors comprising optical parts for emission and reception of laser beams, mounted mechanically integral by a common support located outside the thermal chamber, this system of differential measurement measuring the vibratory amplitudes using laser beams, on the one hand, from at least one point of the structure for applying a deformation to the test piece located inside the thermal chamber and on the other start from points of the structure for receiving the force linked to the deformation of the test specimen, located inside the thermal enclosure;
- 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 ; - the vibratory amplitudes are measured using laser beams, at points located on either side of a deformable material on the one hand, on a part of the structure for applying a deformation to the specimen and on the other hand, on part of the structure for receiving the force linked to the deformation of the specimen;
- 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 ; - the vibratory amplitudes are measured using laser beams, at points located on the mobile part of the specimen support structure or on a part of application of a deformation to the specimen, in direct contact with the deformable material;
- 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 ; - the vibratory amplitudes are measured using laser beams, at points located on the fixed part of the specimen support structure or on a part receiving a deformation on the specimen, in direct contact with the deformable material;
- 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 ; - the differential measurement system comprises several sets of two laser sensors mounted mechanically secured two by two by a support and whose laser beams are distributed according to the surface of the part of the structure for applying a deformation to the test piece and on the other hand, on a part of the structure for receiving the force linked to the deformation of the specimen;
- 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° ; the directions of the laser beams are parallel to the direction of the stress applied by the exciter with an angular tolerance preferably varying up to 20 °, or even up to 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 ; - the structure for receiving the force linked to the deformation is connected to the frame of the device and comprises, outside the thermal chamber, a sensor for measuring the force transmitted following the application of the deformation, this measurement being transmitted to the device to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece;
- 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 ; - the reception structure of the force linked to the strain applied to the test piece comprises a reaction mass to form with the test piece a resonant damped mass-spring system, the exciter creating a vibration at the level of the structure for applying the deformation of the test piece;
- 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 ; the vibratory amplitudes are measured using the laser beams at points located on the reaction mass of the resonant damped mass-spring system and at points located on the mobile part of the supporting structure of the test piece;
- 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 ; the device for determining the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece comprises a system for determining the force applied by measuring the vibration of the reaction mass subjected to the force linked to the deformation applied to the test piece;
- la mesure différentielle sans contact est réalisée avec une technologie d'interférométrie laser ; - the non-contact differential measurement is performed using laser interferometry technology;
- la mesure sans contact est réalisée avec une technologie d'interférométrie laser par réinjection optique ; - the non-contact measurement is performed with laser interferometry technology by optical feedback;
- 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. - a non-contact measuring system for the deformation of the specimen in the direction transverse to that of the stress applied by the exciter, this measuring system being composed of a set of at least one laser sensor for measuring so distant, from outside the thermal enclosure, and in a non-intrusive manner, the transverse deformation amplitudes of the deformable part of the test piece.
Brève description des dessins Brief description of the drawings
[0015] [Fig. 1] La Figure 1 est un schéma illustrant le principe de [0015] [Fig. 1] Figure 1 is a diagram illustrating the principle of
caractérisation dit en mode forcé, pour une éprouvette soumise à une force dynamique F (t). characterization said in forced mode, for a test piece subjected to a dynamic force F (t).
[0016] [Fig. 2] La Figure 2 illustre de manière schématique, un appareil de caractérisation d'une éprouvette selon l'art antérieur. [0016] [Fig. 2] FIG. 2 schematically illustrates an apparatus for characterizing a test piece according to the prior art.
[0017] [Fig. 3] La Figure 3 est une vue générale d'un appareil conforme à l'invention de caractérisation d'une éprouvette sollicitée en double cisaillement, mettant en œuvre un système de mesure différentielle conforme à l'invention. [0017] [Fig. 3] FIG. 3 is a general view of an apparatus according to the invention for characterizing a test piece stressed in double shear, implementing a differential measurement system according to the invention.
[0018] [Fig. 3A-3C] La Figure 3A représente à plus grande échelle le système de mesure différentielle conforme à l'invention alors que les Figures 3B et 3C illustrent des variantes du système de mesure différentielle conforme à l'invention mettant en œuvre respectivement trois faisceaux lasers et cinq faisceaux lasers. [0018] [Fig. 3A-3C] Figure 3A shows on a larger scale the differential measurement system according to the invention while Figures 3B and 3C illustrate variants of the differential measurement system in accordance with the invention implementing respectively three laser beams and five laser beams.
[0019] [Fig. 4] La Figure 4 est un schéma illustrant le principe de [0019] [Fig. 4] Figure 4 is a diagram illustrating the principle of
caractérisation dit en mode résonant, pour une éprouvette soumise à une vibration Xe (t) et associée à une masselotte de réaction. characterization in resonant mode, for a test piece subjected to a vibration Xe (t) and associated with a reaction weight.
[0020] [Fig. 4A] La Figure 4A est une vue générale d'un appareil conforme à l'invention de caractérisation dit en mode résonant pour une éprouvette sollicitée en traction-compression, et mettant en œuvre un système de mesure [0020] [Fig. 4A] FIG. 4A is a general view of an apparatus in accordance with the invention for characterizing said in resonant mode for a test piece stressed in traction and compression, and implementing a measurement system
différentielle conforme à l'invention. differential according to the invention.
[0021] [Fig. 4B] La Figure 4B est une vue à plus grande échelle d'un appareil conforme à l'invention de caractérisation dit en mode résonant pour une éprouvette sollicitée en traction-compression, et mettant en œuvre un système de mesure différentielle conforme à l'invention avec trois paires de faisceaux laser. [0021] [Fig. 4B] FIG. 4B is a view on a larger scale of an apparatus in accordance with the invention for characterization called in resonant mode for a test piece stressed in traction and compression, and implementing a differential measurement system in accordance with the invention. with three pairs of laser beams.
[0022] [Fig. 5A] La Figure 5A est une vue générale d'un appareil conforme à l'invention de caractérisation dit en mode résonant pour une éprouvette sollicitée en cisaillement, et mettant en œuvre un système de mesure différentielle conforme à l'invention. [0022] [Fig. 5A] FIG. 5A is a general view of an apparatus in accordance with the invention for characterizing said to be in resonant mode for a specimen stressed in shear, and implementing a differential measurement system in accordance with the invention.
[0023] [Fig. 5B] La Figure 5B est une vue générale d'un appareil conforme à l'invention de caractérisation dit en mode résonant pour une éprouvette sollicitée en cisaillement, et mettant en œuvre un système de mesure différentielle conforme à l'invention avec trois paires de faisceaux laser. [0023] [Fig. 5B] Figure 5B is a general view of an apparatus in accordance with the invention for characterizing said in resonant mode for a specimen stressed in shear, and implementing a differential measurement system in accordance with the invention with three pairs of beams laser.
[0024] [Fig. 6]La Figure 6 est une vue de l'appareil de caractérisation conforme à l'invention équipé d'un système de mesure sans contact de la déformation de l'éprouvette dans la direction transverse à celle de la sollicitation appliquée. [0024] [Fig. 6] Figure 6 is a view of the characterization apparatus according to the invention equipped with a non-contact measuring system of the deformation of the specimen in the direction transverse to that of the applied stress.
Description des modes de réalisation Description of embodiments
[0025] 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. Figures 3, 3A, 3B, 3C illustrate by way of example, an apparatus I according to the invention for characterizing a test piece 1 according to the principle of characterization in forced mode (Figure 1) while Figures 4A, 4B, 5A, 5B illustrate, by way of example, an apparatus I in accordance with the invention for characterizing a test piece 1 according to the principle of characterization in resonant mode, the principle of which is illustrated in Figure 4.
[0026] 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. Figures 3 and 3A illustrate an apparatus I according to the invention, for characterizing a test piece 1, the general structure of the apparatus I of which corresponds to the apparatus described in Figure 2. The apparatus of characterization I according to the invention thus comprises a vibrator or exciter 2 (electrodynamic pot, electro-hydraulic cylinder, etc.) controlled in frequency and in amplitude to apply a deformation to the test piece 1 according to an application direction D. Conventionally, a test piece 1 is composed of one or more deformable parts and possibly of rigid parts integral with the deformable part or parts. This construction responds to a need to be able to easily handle small specimens, or even to satisfy the hypotheses associated with the relation allowing to deduce the dynamic characteristics of the material constituting the deformable part (s) to from the measured dynamic stiffness.
[0027] Ainsi, l'éprouvette 1 comporte au moins un matériau déformable lm 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. Thus, the test piece 1 comprises at least one deformable material lm in direct contact on one side with a structure for applying a deformation and in direct contact on the other side, with a structure for receiving the force associated with or due to deformation. This structure for applying a deformation and this structure for receiving the force associated with the deformation comprise one or more parts, some of which may form part of the test piece or of a support structure of the deformable material, conventionally called a door. - test tube.
[0028] 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 lm en contact direct avec une partie commune d'application la d'une déformation et en contact direct extérieurement, avec deux parties de réception de la force liée à la déformation lr. Selon cet exemple de réalisation, l'éprouvette 1 comporte cinq parties, à savoir, une partie rigide dite d'application la d'une déformation, solidaire des deux matériaux déformables lm qui sont solidaires de deux parties rigides dites de réception de la force liée à la déformation lr. 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. According to the example illustrated by Figures 3 and 3A, the apparatus I aims at the characterization of a test piece 1 adapted to the double shear stress mode with a characterization in forced mode. According to this example, the test piece 1 comprises two deformable materials lm in direct contact with a common part for applying a deformation and in direct contact externally, with two parts for receiving the force linked to the deformation lr. According to this exemplary embodiment, the test piece 1 comprises five parts, namely, a rigid part known as the application of a deformation, integral with two deformable materials lm which are integral with two rigid parts called reception of the force linked to the deformation lr. Of course, the test piece 1 can have different configurations adapted to the mode of stress envisaged, which can be either tension, compression, combined tension-compression, single or multiple shear, single or multi-point bending.
[0029] 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 la 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 la 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. This exciter 2 comprises a fixed or static part 3 mounted on a rigid frame 4 and a movable part 5 relative to the static part 3. The movable part 5 of the exciter 2 is connected via a tubular column 8 to the movable part 9 of a support structure for the test piece 1. More precisely in the example illustrated, the movable part 9 of the support structure is connected to the application part of the deformation 1a of the test piece 1. The apparatus I according to the invention thus comprises a structure for applying a deformation to the test piece comprising, the part for applying the deformation 1a of the test piece 1, the movable part 9 of the support structure, the tubular column 8 and the mobile part 5 of the exciter.
[0030] 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 lm 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 lr et faisant partie de l'éprouvette, une partie fixe 11 de la structure de support recevant les parties de réception lr et une colonne tubulaire 13 recevant la partie fixe 11 de la structure de support et fixée au bâti 4. The characterization device I also comprises a structure for receiving the force linked to the deformation applied to the test piece 1 and located on the opposite side of the deformable material lm relative to the structure for applying a deformation to the test piece. For characterization in forced mode, this structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece 1 is mounted integral with the frame 4 of the characterization apparatus. In the example illustrated, this receiving structure comprises the parts for receiving the force linked to the deformation of the test piece lr and forming part of the test piece, a fixed part 11 of the support structure receiving the receiving parts lr and a tubular column 13 receiving the fixed part 11 of the support structure and fixed to the frame 4.
[0031] 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 Ir de la force liée à la déformation de l'éprouvette. A force sensor 14 is mounted integral with the tubular column 13 to measure the force F which is the force transmitted to the frame 4. It should be noted that the structure for receiving the force linked or due to the deformation of the test piece 1 is said to be fixed according to the forced mode even if in fact it is itself driven by a movement created by the force of deformation of the test piece due to the flexibility of the structures in series with the receiving parts Ir of the force linked to the deformation of the specimen.
[0032] 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 The characterization device I also comprises a thermostatted thermal enclosure 15 in which the test piece is placed 1. This enclosure 15 comprises passages 15a for the tubular columns 8, 13. This enclosure 15 is provided with a device for place the test piece at a
température maîtrisée dans un large domaine de température, couvrant au moins la plage de -150°C à 500°C. controlled temperature over a wide temperature range, covering at least the range of -150 ° C to 500 ° C.
[0033] L'appareil de caractérisation selon l'invention I comporte également un système de mesure sans contact 18, de la déformation du matériau déformable lm 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. The characterization apparatus according to the invention I also comprises a non-contact measuring system 18 of the deformation of the deformable material lm of the test piece 1. The characterization apparatus according to the invention I also comprises a device 19 to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece from the measurement of the deformation of the test piece provided by the non-contact measuring system 18. This device 19 is not described in detail because it does not not precisely part of the object of the invention and is well known to those skilled in the art.
[0034] 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 Fl, 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. According to the invention, the characterization apparatus I according to the invention comprises a system 18 ensuring a differential measurement without contact and in a non-intrusive manner, of the deformation of the test piece in the direction D of the applied stress. by the exciter 2. This differential measurement system 18 comprises at least one set of two laser sensors 18a suitable for measuring the distance of at least two points whose relative movement is to be obtained and located inside the enclosure thermal 15. These two laser sensors 18a are mounted outside the thermal enclosure 15. These two laser sensors 18a comprise optical parts 18b for transmitting and receiving for two laser beams F1, F2, as well as a unit 18c processing signals making it possible to deliver distance measurements to the device 19 for determining the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece.
[0035] 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 The determination of these contactless differential measurements by laser beams can be carried out by various known technologies such as laser interferometry or laser interferometry by optical feedback. Laser interferometry covers a set of measurement techniques for remotely characterizing the vibratory movements of a surface, and operating on the principle of optical interferometry. Counting the interference fringes makes it possible to determine the lengthening of the optical path of the beam associated with the displacement of the target. The analysis of the frequency modulation by Doppler effect of the interference fringes makes it possible to measure the vibratory speed of the point targeted by the beam. Many devices on the market conventionally include an interferometer composed of mirrors,
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. separators, a Bragg cell and lenses, to interfere with a photo-detector, a reference beam and a beam reflected on the moving target from the same laser source.
[0036] 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. In the optical retro-injection interferometry technique, the laser diode plays the role of both the source, the interferometer and the photo-detector. This is referred to as self-mixing in the sense that the light waves of the beam reflected by the target interfere, and therefore mix with the stationary light waves of the beam being amplified in the cavity of the laser diode. The photo-detector integrated into the laser diode makes it possible to measure the variations in light intensity linked to the interference created in the cavity.
[0037] 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. According to the invention, the optical transmission and reception parts 18b are mounted mechanically integral on a common support 22, being located close to one another. The common support 22 is located outside the thermal enclosure 15 by being fixed for example on the frame 4. It should be understood that the laser beams are associated with optical devices (laser source and focusing or collimating lenses. ) mechanically integral within the laser sensors. The optical transmission and reception parts 18b are fixed on a common support 22 so that any deformations that the common support 22 could undergo similarly affect the positions of the optical transmission and reception parts 18b.
[0038] 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 The laser sensors 18a are adapted in order to be able to measure remotely, from the outside of the thermal chamber 15, the vibratory amplitudes on the one hand, of points of the structure of application of a deformation to
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 the test piece located inside the thermal enclosure 15 and on the other hand, of points of the reception structure of the force related to the deformation of
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 lm 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. the test piece located inside the thermal enclosure 15. Advantageously, these measurement points are located on either side and as close as possible to the deformable material lm of the test piece 1. However, it is possible to choose more distant aiming points, if the structural parts located between these aiming points, including both any rigid parts of the specimen and the mobile and fixed parts of the specimen support, by design offer stiffness in series preferentially at less than 10 times greater than that of the deformable material of the test piece 1, or also at least greater than that of the deformable material of the test piece 1.
[0039] L'appareil de caractérisation I comporte un libre chemin de passage 23 des faisceaux laser Fl, F2 entre les parties optiques 18b d'émission et de réception et les points de mesure situés de part et d'autre du matériau The characterization device I comprises a free passage path 23 of the laser beams F1, F2 between the optical parts 18b of transmission and reception and the measurement points located on either side of the material
déformable lm, 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 lia pour délimiter une partie du chemin de passage pour les faisceaux optiques Fl, F2. deformable lm, located inside the thermal enclosure 15. In the example illustrated, the tubular column 13 which passes through the thermal enclosure 15 is advantageously used to internally delimit a portion of the passage path 23 for the optical beams. Likewise, the fixed part 11 of the support structure of the test piece 1 comprises openings 11a to delimit part of the passage path for the optical beams F1, F2.
[0040] 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 Fl, 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°. As indicated, the measurements of the deformation of the test piece 1 are carried out in the direction D of the stress applied by the exciter 2. Also, the optical beams Fl, F2 are parallel to the direction D of the mechanical stresses applied to the test tube. However, other incidences of the optical beams with respect to the direction D can be used with an angular correction to allow integration into the structures of the characterization apparatus. Thus, the directions of the laser beams are parallel to the direction of the stress applied by the exciter with an angular tolerance preferably varying up to 20 °, or even up to 45 °.
[0041] 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 Fl 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 lr, 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 lm 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 la d'une déformation à l'éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable lm. 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 Fl, F2, les variations de distance sous la forme de signaux temporels xl(t) et x2(t) de sorte que l'amplitude de la déformation est égale au déplacement relatif xl(t)-x2(t) sous la condition que les deux capteurs lasers soient mécaniquement solidaires. According to the example of Figure 3A, illustrating an assembly for applying double shear a specimen 1, the differential displacement measuring system 18 comprises two laser beams F1 and F2, used to measure the relative movement between the mobile part 9 of the support structure the test piece and a part for receiving the force linked to the deformation lr, forming part of the test piece 1. The system 18 measures the vibratory amplitudes of the interface parts located on either side and as close as possible to the deformable material lm of the test piece. Of course, provision can be made to measure the vibratory amplitudes using the laser beam, at a point taken on the application part 1a of a deformation to the test piece, in direct contact with the deformable material lm. Likewise, provision may be made to measure, using laser beams, the vibratory amplitudes at points situated on the fixed part 11 of the support structure of the test piece 1. Thus, the system 18 measures using of the laser beams Fl, F2, the distance variations in the form of time signals xl (t) and x2 (t) so that the amplitude of the deformation is equal to the relative displacement xl (t) -x2 (t) under the condition that the two laser sensors are mechanically integral.
[0042] 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 lr 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 xl(t), x2(t), x3(t) à l'aide de trois faisceaux laser Fl, 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 lr. Les trois faisceaux laser Fl, 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 lr. 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 lm 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 xl(t)-x3(t) à xl(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. Figure 3B illustrates an alternative embodiment in which is used a third beam F3 to measure the movement of the two receiving parts lr of the deformation belonging to the test piece. According to this variant embodiment, the differential measurement system 18 comprises at least one set of three laser sensors 18a comprising optical parts for emission and reception of laser beams, mounted mechanically integral with the common support 22 located outside of the thermal enclosure 15. This differential measurement system 18 measures the vibratory amplitudes of time signals xl (t), x2 (t), x3 (t) using three laser beams F1, F2, F3, of a on the one hand, from a point of the part of the structure for applying the deformation of the specimen, namely the mobile part 9, and on the other hand, from points of the structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece, namely the two receiving parts of the force linked to the deformation of the test piece lr. The three laser beams F1, F2, F3, are used to measure the relative movement between the movable part 9 of the supporting structure of the specimen and each part for receiving the force linked to the deformation of the specimen lr. Thus, the system 18 measures the vibratory amplitudes of the interface parts located on either side and as close as possible to each deformable material lm of the test piece. This variant embodiment thus gives the possibility of highlighting a behavior not symmetrical of the set by comparing the relative displacements xl (t) -x3 (t) to xl (t) -x2 (t), and take this asymmetry into account in the treatment of the measurements and the analysis of the results, under the form of an average for example.
[0043] La Figure 3C illustre à titre d'exemple et de façon simplifiée, un ensemble de faisceaux Fl 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 lr de la force liée à la déformation de l'éprouvette 1. Figure 3C illustrates by way of example and in a simplified manner, a set of beams F1 to F5 used to demonstrate a rotation of the interfaces of the test piece or else to finely characterize these parasitic deformations to take them into account in exploitation of results. Thus, a pair of optical beams F3, F5 and F2, F4 is used to measure the distance of two measurement points taken respectively on each receiving part lr of the force linked to the deformation of the test piece 1.
[0044] 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 As already indicated, the differential measurement system 18 according to the invention can also be implemented in the case of the principle of
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. characterization in resonant mode illustrated in Figure 4, as opposed to the forced mode presented previously and whose principle is illustrated in Figure 1. According to this mode of characterization, the exciter 2 applies as a deformation, a vibration to the structure d application of the strain to the test piece. This mode of characterization is preferred when it is desired to obtain the properties of a deformable material in a domain of higher frequencies.
[0045] 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 lm. En d'autres termes, la masse 27 en contact avec le matériau déformable lm 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 lm. Ce matériau déformable lm 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 lm subit les mouvements de vibration de l'excitateur 2. According to this mode of characterization, the structure for receiving the force linked to the deformation applied to the test piece 1 comprises a reaction mass 27 to form with the test piece 1, a resonant damped mass-spring system. According to this mode of characterization, the structure for receiving the deformation applied to the test piece corresponds to a reaction mass 27 of mass m, in direct contact with the deformable material lm. In other words, the mass 27 in contact with the deformable material 1m on the side opposite to the application structure, is shaped to form, with the deformable material, a resonant damped mass-spring system. According to this mode of characterization and the examples which follow, the test piece 1 comprises only a deformable material lm. This deformable material lm is mounted integral with the reaction mass 27 and opposite the reaction mass 27, from the movable part 9 of the support structure connected via the tubular column 8, to the part mobile 5 of the exciter 2. The mobile part 9 in direct contact with the deformable material lm undergoes the vibratory movements of the exciter 2.
[0046] 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 = (2nf)2.m.Xm/(Xm-Xe). The vibratory movement Xm of this reaction mass 27 depends on the movement Xe of the mobile part 9 and on the complex stiffness characteristics K of the test piece 1. In this case, the stiffness of the test piece at a given frequency f is determined by the relation: K = (2nf) 2 .m.Xm / (Xm-Xe).
[0047] Selon l'exemple illustré par la Figure 4A, l'appareil I vise la According to the example illustrated in Figure 4A, the device I is aimed at
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 lm 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. characterization of a test piece 1 adapted to the tension-compression stress mode with a characterization in resonant mode. According to this example, the test piece 1 to be characterized comprises only a deformable material lm which is placed between, on the one hand, the movable part 9 of the support structure and, on the other hand, the reaction mass 27. Of course, the The test piece 1 can have different configurations adapted to the shear stress mode as illustrated for example in FIG. 5A.
[0048] Le système de mesure différentielle 18 conforme à l'invention est mis en oeuvre 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 Fl, 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 Fl, F2. [0049] 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. The differential measurement system 18 according to the invention is implemented according to the measurement principle described above. The system 18 measures the deformation of the test piece 1 in the direction D of the stress applied by the exciter. This differential measurement system 18 comprises at least one set of two laser sensors comprising optical parts for emitting and receiving laser beams, mounted mechanically integral with a common support located outside the thermal enclosure. This differential measurement system measures the vibratory amplitudes using the laser beams F1, F2, on the one hand, from points of the structure for applying a deformation to the test piece located inside the enclosure. thermal 15 and on the other hand, points of the reaction mass 27 located inside the thermal enclosure 15. The apparatus has a free path 23 for the laser beams to pass between the optical emission and transmission parts. reception and measurement points on the application structure of a strain on the test piece and on the reaction mass. For example, the thermal enclosure 15 comprises a closure cap 15a provided with holes 15b adapted to ensure the free passage of the laser beams F1, F2. According to this mode of characterization, it should be noted that the device I comprises a system for determining the force applied, by measuring by laser beam, the vibration of the reaction mass 27 subjected to the force associated with the strain applied to the test piece. This measurement of the force allows the device 19 to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece. This measurement is carried out in a non-intrusive manner, that is to say without disturbing the dynamic behavior of the resonant damped mass-spring system. In fact, the mass and the cables of accelerometers used in more traditional methods are liable to cause measurement disturbances, the more so as one works at a high frequency.
[0050] 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 Fl 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. In the example illustrated in FIG. 4A for a tensile-compression stress, a differential laser measurement makes it possible to measure the relative movements of the mobile structure 9 with a beam F1 and of the reaction mass 27 with a beam F2 . The laser measurements are carried out from outside the thermal enclosure 15 by mechanically secured laser sensors, as explained previously.
[0051] 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 Fl 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 Fl, 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. FIG. 4B illustrates, for a tensile-compression stress, how it is possible to use a set of laser sensors mechanically secured in pairs, to trap parasitic movements other than pure translation, for example. According to this example, provision is made to associate a first laser beam F1 with a second laser beam F2, a third laser beam F3 with a fourth laser beam F4, a fifth laser beam F5 with a sixth laser beam F6. The first F1, third F3 and fifth F5 laser beams measure the movements of the reaction mass 27 while the second F2, fourth F4 and sixth F6 laser beams measure the movements of the mobile structure 9, considering that the first, third and fifth laser beams on the one hand, and the second, fourth and sixth laser beams on the other hand have a substantially identical angular distribution in a plane perpendicular to the direction of stress D.
[0052] Selon l'exemple illustré par la Figure 5A, l'appareil I vise la According to the example illustrated in Figure 5A, the device I is aimed at
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 lm 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. characterization of a specimen 1 adapted to the mode of stress in shear with resonant mode characterization. According to this example, the test piece 1 to be characterized comprises a deformable material lm shaped in an annular form mounted integral with its central part, with the movable part 9 of the support structure connected via the tubular column 8 to the movable part 5 of the 'exciter 2 and mounted integral at its outer part with the reaction mass 27.
[0053] 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 Fl et de la masse de réaction 27 avec un faisceau F2 de façon non intrusive, c'est-à-dire sans en perturber le In the example illustrated in Figure 5A for a shear stress, a differential laser measurement makes it possible to measure the movements of the mobile structure 9 with a beam F1 and of the reaction mass 27 with a beam F2 in a non intrusive, that is to say without disturbing the
comportement dynamique. dynamic behavior.
[0054] 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 Fl 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. [0054] FIG. 5B illustrates for a shear stress how it is possible to use a set of laser sensors mechanically secured in pairs, to trap parasitic movements other than pure translation for example. According to this example, provision is made to associate a first laser beam F1 with a second laser beam F2, a third laser beam F3 with a fourth laser beam F4, a fifth laser beam F5 with a sixth laser beam F6. The first, third and fifth laser beams measure the movements of the mobile structure 9 while the second, fourth and sixth laser beams measure the movements of the reaction mass 27, considering that the first, third and fifth laser beams of a on the one hand, and the second, fourth and sixth laser beams on the other hand have a substantially identical angular distribution in a plane perpendicular to the direction D of the stress.
[0055] 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. [0056] 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 It emerges from the foregoing description that the contactless measurement system 18 according to the invention makes it possible to measure with very high precision, the deformations of a test piece 1, both according to the principle of characterization in forced mode than according to the principle of characterization in resonant mode. It should be noted that the non-contact measuring system 18 has not been shown in all the figures, by way of simplification of the drawings and its representation in Figure 3 is given by way of illustration only. As already indicated, the measurement of the deformation of the test piece 1 by the non-contact measuring system 18 according to the invention allows the device 19 to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material. In the case of the principle of characterization in forced mode, the formula K = F / X is used, with F the force measured by the force system 14 and X being the displacement measured by the laser sensors. In the case of the principle of
caractérisation en mode résonant, est utilisée la relation K = (2nf)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. characterization in resonant mode, the relation K = (2nf) 2 .m.Xm / (Xm- Xe) is used, with Xm being the displacement measured by the laser sensor of the reaction mass 27, Xe being the displacement of the part mobile 9 of the support structure, m being the mass of the reaction mass 27, and f being the frequency of the vibration.
[0057] 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. [0057] FIG. 6 illustrates the application of optical technology for measuring, in a non-intrusive manner, the amplitudes of deformations of the test piece 1 in a direction transverse to that of the stress. For all materials for which the Poisson's ratio is not zero, a variation of the transverse dimensions of the test piece results when it is subjected to an axial force. For example, FIG. 6 shows how a non-contact measuring system 30 by a beam F'1 aimed directly at the test piece 1 makes it possible to measure the transverse deformation of the test piece subjected to a stress in tension-compression. The contactless measurement system is composed of a set of at least one laser sensor for measuring remotely, from outside the thermal chamber 15, the transverse deformation amplitudes of the deformable part of the test piece 1 Of course, it can be envisaged to use a series of beams parallel to each other and perpendicular to the direction D of the stress in order to make it possible to finely characterize the shape taken by the test piece during the traction-compression test.

Claims

Revendications Claims
[Revendication 1] Appareil de caractérisation de la raideur dynamique [Claim 1] Apparatus for characterizing dynamic stiffness
complexe d'une éprouvette (1) comportant au moins un matériau déformable (lm) 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 : complex of a specimen (1) comprising at least one deformable material (lm) in contact on one side with a structure for applying a deformation and in contact on the other side with a structure for receiving the force related to deformation, the apparatus comprising:
- une enceinte thermique (15) pour chauffer ou refroidir l'éprouvette (1) ; - a thermal enclosure (15) for heating or cooling the specimen (1);
- un excitateur (2) adapté pour appliquer via la structure d'application et selon une direction de sollicitation (D), une déformation à l'éprouvette ; - an exciter (2) suitable for applying via the application structure and in a direction of stress (D), a deformation to the test piece;
- un système de mesure (18) sans contact, de la déformation du matériau déformable de l'éprouvette ; - a non-contact measuring system (18) of the deformation of the deformable material of the test piece;
- 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 (Fl, 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 (Fl, 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. - and a device (19) for determining the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece from the measurement of the deformation of the test piece, the device being characterized in that the contactless measurement system (18) is a system for differential measurement of the deformation of the specimen in the direction of the stress (D) applied by the exciter, this differential measurement system comprising at least one set of two laser sensors (18a) comprising optical parts d 'emission and reception (18b) of laser beams, mounted mechanically integral by a common support (22) located outside the thermal chamber (15), this differential measurement system (18) measuring the vibratory amplitudes at the '' using the laser beams (Fl, F2, ...), on the one hand, from at least one point of the structure for applying a deformation to the test piece located inside the thermal chamber (15) and on the other hand, at least one point of the receipt structure ption of the force linked to the deformation of the test piece located inside the thermal enclosure, the device having a free passage (23) of the laser beams (Fl, F2, ...) between the parts transmission and reception optics (18b) and the measurement points on the structure for applying a deformation to the test piece and on the structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece.
[Revendication 2] 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 (Fl, 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). [Claim 2] Apparatus according to claim 1, wherein the differential measurement system (18) comprises at least one set of three laser sensors. (18a) comprising optical parts for transmitting and receiving (18b) laser beams (F1, F2, F3, ...), mounted mechanically integral by a common support (22) located outside the enclosure thermal (15), this differential measurement system (18) measuring the vibratory amplitudes using laser beams, on the one hand, from at least one point of the structure for applying a deformation to the specimen located inside the thermal enclosure (15) and on the other hand, points of the structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece, located inside the thermal enclosure (15 ).
[Revendication 3] 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 (lm) 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. [Claim 3] Apparatus according to one of the preceding claims, according to which the vibratory amplitudes are measured using the laser beams, at points situated on either side of a deformable material (lm) on the one hand , on a part of the structure for applying a deformation to the test piece and, on the other hand, on a part of the structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece.
[Revendication 4] 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 (la) d'une déformation à l'éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable (lm). [Claim 4] Apparatus according to one of the preceding claims, according to which the vibratory amplitudes are measured using the laser beams, at points situated on the movable part (9) of the support structure of the test piece or on an application part (la) of a deformation to the test piece, in direct contact with the deformable material (lm).
[Revendication 5] 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 (lr) d'une déformation à l'éprouvette, en contact direct avec le matériau déformable (lm). [Claim 5] Apparatus according to one of the preceding claims, according to which the vibratory amplitudes are measured with the aid of the laser beams, at points situated on the fixed part (11) of the support structure of the test specimen or on a receiving part (lr) of a deformation on the test piece, in direct contact with the deformable material (lm).
[Revendication 6] 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. [Claim 6] Apparatus according to one of the preceding claims, according to which the differential measurement system (18) comprises several sets of two laser sensors mounted mechanically secured in pairs by a support (22) and the laser beams of which are distributed according to the surface of the part of the structure for applying a deformation to the test piece and, on the other hand, to a part of the structure for receiving the force linked to the deformation of the test piece.
[Revendication 7] 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°. [Claim 7] Apparatus according to one of the preceding claims, according to which the directions of the laser beams are parallel to the direction of the stress (D) applied by the exciter (2) with an angular tolerance preferably varying up to 20 °, or even up to 45 °.
[Revendication 8] Appareil selon l'une des revendications précédentes, [Claim 8] Apparatus according to one of the preceding claims,
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. according to which the structure for receiving the force associated with the deformation is connected to the frame (4) of the apparatus and comprises, outside the thermal chamber, a sensor (14) for measuring the force transmitted as a result of application of the deformation, this measurement being transmitted to the device (19) to determine the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece.
[Revendication 9] 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. [Claim 9] Apparatus according to one of claims 1 to 7, wherein the structure for receiving the force related to the deformation applied to the test piece comprises a reaction mass (27) to form with the test piece (1) , a resonant damped mass-spring system, the exciter (2) creating a vibration at the level of the application structure of the deformation of the specimen.
[Revendication 10] Appareil selon la revendication 9, selon lequel les [Claim 10] An apparatus according to claim 9, wherein the
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. Vibration amplitudes are measured using the laser beams at points located on the reaction mass (27) of the resonant damped mass-spring system and at points located on the moving part (9) of the support structure of the test tube.
[Revendication 11] 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. [Claim 11] Apparatus according to the preceding claim, wherein the device (19) for determining the complex dynamic stiffness of the deformable material of the test piece comprises a system for determining the force applied by measuring the vibration of the reaction mass. (27) subjected to the force linked to the deformation applied to the specimen.
[Revendication 12] Appareil selon l'une des revendications précédentes, [Claim 12] Apparatus according to one of the preceding claims,
selon lequel la mesure différentielle sans contact est réalisée avec une technologie d'interférométrie laser. according to which the non-contact differential measurement is carried out with laser interferometry technology.
[Revendication 13] Appareil selon la revendication 12, selon lequel la mesure sans contact est réalisée avec une technologie d'interférométrie laser par réinjection optique. [Revendication 14] 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). [Claim 13] An apparatus according to claim 12, wherein the non-contact measurement is performed with optical feedback laser interferometry technology. [Claim 14] Apparatus according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises a non-contact measuring system (30) of the deformation of the specimen in the direction transverse to that of the stress (D) applied by the exciter (2), this measuring system being composed of a set of at least one laser sensor for measuring the deformation amplitudes remotely from outside the thermal chamber and in a non-intrusive manner transverse of the deformable part of the test piece (1).
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