Modélisation de la diffusion optique pour la mesure de température par thermoréflectométrie polychromatique - IMT Mines Albi-Carmaux Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Optical diffusion modelling for temperature measurement by polychromatic thermoreflectometry

Modélisation de la diffusion optique pour la mesure de température par thermoréflectométrie polychromatique

Résumé

Temperature measurement without contact, based on the observed radiance scene, is a valuable tool to optimize and control a process, and to anticipate material damages. The main problematic of these passive methods is the requirement of a previous knowledge of the emissivity of the targeted surface, which can evolve, especially at high temperature. Thermoreflectometry is an active method of true temperature measurement that does not require knowing the material emissivity. This last is measured on line, in an indirect way, by measuring the bidirectional reflectivity completed by a diffusion function model, which parameters are identified. The contributions of this thesis are the proposed models of diffusion function based on a physical description of the light/matter interaction on metallic surfaces. The approach of this work is to identify the models from geometrical optics and physical optics, with their validity domain and apply them to the case of rough surfaces, described statically by roughness parameter. The reflectivity distribution function (BRDF) is then simulated and used for the calculation of the spectral diffusion function, used in thermoreflectometry. These models are validated from roughness and spectrometric measurements in the near and mid infrared domain on metallic samples, covering a wide range of optical behaviors. Afterwards these models are applied to thermoreflectometry and their contributions (true temperature and model parameter identification) are evaluated. This validation is performed by simulation, using data from various materials characterizations, and experimentally with the thermoreflectometer on heated samples. The results demonstrated the well-founded of the approach and the developed device. Finally, it opens perspectives of the in-situ analysis of the surface state by the identification of the parameters of the physical model of the diffusion function.
La mesure de champs de température sans contact, basée sur l'analyse de la luminance de la scène observée avec une caméra infrarouge, s'avère précieuse pour optimiser, contrôler des procédés et anticiper l'endommagement des matériaux observés. La principale problématique de ces méthodes passives est qu'elles impliquent une connaissance a priori de l'émissivité des surfaces en présence, qui sont sujettes à des évolutions, en particulier à haute température. La thermoréflectométrie est une méthode active de mesure de champs de température vraie sans connaissance a priori de l'émissivité de la surface du matériau. Cette dernière est mesurée en ligne de manière indirecte par une mesure de la réflectivité bidirectionnelle complétée par un modèle de fonction de diffusion dont les paramètres sont identifiés. La contribution de cette thèse est la proposition de modèles physiques de fonction de diffusion basés sur la description de l'interaction rayonnement/matière à la surface d'un matériau métallique. La démarche consiste à identifier les modèles issus de l'optique géométrique et/ou ondulatoire, ainsi que leur domaine d'application, et d'extrapoler leur application à des surfaces décrites statistiquement selon leurs paramètres de rugosité pour simuler la fonction de distribution des réflectivités (BRDF). A partir de cette grandeur est calculée la fonction de diffusion spectrale, intervenant en thermoréflectométrie. Ensuite, ces modèles sont validés à partir de mesures de rugosité et de mesures spectrométriques, sur un domaine spectral du proche au moyen infrarouge, ceci sur des matériaux métalliques couvrant une large gamme de comportements optiques. Dans une seconde étape, ces modèles sont introduits dans le système de thermoréflectométrie polychromatique, et l'évaluation de l'apport pour la mesure de température et du suivi potentiel de l'état de surface est menée. Cette validation est conduite à la fois sur des données de simulations issues de multiples caractérisations des matériaux et sur des données expérimentales issues de mesures acquises sur un banc dédié. Les résultats révèlent le bien fondé et la pertinence de la démarche et du système développé. Enfin ils ouvrent des perspectives pour le suivi "in-situ" de l'évolution de l'état de surface des matériaux via l'identification des paramètres des modèles physiques de la fonction de diffusion.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03297819 , version 1 (23-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03297819 , version 1

Citer

Benjamin Javaudin. Modélisation de la diffusion optique pour la mesure de température par thermoréflectométrie polychromatique. Matériaux. Ecole des Mines d'Albi-Carmaux, 2021. Français. ⟨NNT : 2021EMAC0001⟩. ⟨tel-03297819⟩
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