Capteurs de déplacement de surface

Plusieurs capteurs originaux ont été mis au point au laboratoire. Ces capteurs ont permis de réaliser des expériences de physique fondamentale. Ils présentent un intérêt pour les applications au contrôle non destructifs et certains ont été commercialisés.

1 - Mesure de grands déplacements mécaniques

Christophe Barrière, Daniel Royer

L’interféromètre optique hétérodyne, développé au laboratoire a été conçu pour mesurer des déplacements mécaniques (20 pm à 20 nm) très petits devant la longueur d’onde optique Λ avec une large bande passante (B = 40 MHz) à partir de la modulation de phase Φ(t) = 4πu/Λ produite par le déplacement u(t) normal à la surface sur laquelle se réfléchit le faisceau sonde. La nécessité de mesurer de grands déplacements se fait de plus en plus sentir, par exemple pour caractériser la pression acoustique émise par les transducteurs ultrasonores focalisés de forte intensité utilisés en hyperthermie ou en lithotritie, ou encore pour analyser les vibrations de pièces industrielles. Nous avons modifié le circuit électronique de détection de la sonde : une électronique à deux voies fournit deux signaux en quadrature de phase. La modulation de phase Φ(t) déroulée est extraite de la reconstruction du signal analytique [Bar 2001a]. Nous avons ainsi repoussé de deux ordres de grandeur la limite des déplacements mesurables (typiquement 2 μm dans le cas d’une vibration de fréquence centrale 1 MHz). La dynamique de l’instrument, limitée par la bande passante qui réduit le nombre d’harmoniques détectées, atteint actuellement 100 dB. Pour l’augmenter encore, il est possible de doubler la fréquence d’hétérodynage (140 MHz au lieu de 70 MHz) à l’aide d’une configuration optique à double passage dans la cellule de Bragg.

2 - Sonde acoustique active

Christophe Barrière, Daniel Royer

Une sonde ultrasonore a été conçue sur le même principe que l’interféromètre hétérodyne : elle détecte la variation de phase d’un faisceau acoustique de haute fréquence réfléchi par une surface vibrant à plus basse fréquence dans un liquide. L’analyse montre que le phénomène physique intervenant dans la construction des images est l’interaction non-linéaire du faisceau sonde avec l’ébranlement transmis au fluide par la surface en mouvement [Bar 2001b]. Dans le cas d’une interaction faiblement non linéaire, les signaux peuvent être extraits par démodulation de la phase de la porteuse de haute fréquence. Un prototype, fonctionnant à 30 MHz dans l’eau, a été construit. La bande passante (0,05 à 5 MHz) et la résolution latérale (0,3 mm) de ce capteur ont été déterminées expérimentalement, par comparaison avec la sonde optique.
Cette sonde a été employée pour relever des champs acoustiques se propageant dans l’eau. A cette fin, une fine membrane en aluminium (10 μm), jouant un rôle de filtre mécanique, transmet les ondes de basse fréquence et réfléchit en partie la porteuse à 30 MHz. La détection de la modulation de phase du signal réfléchi donne la vitesse particulaire de basse fréquence dans le plan de la membrane. Cet instrument a aussi été utilisé dans le cadre de contrats industriels, notamment pour mesurer le champ rayonné par des capteurs ultrasonores destinés au contrôle de vis dans les cuves des réacteurs à eau pressurisée. Le bon accord avec les relevés obtenus à l’aide de l’interféromètre optique dans les mêmes configurations expérimentales a montré les capacités du dispositif à fonctionner dans des situations industrielles complexes.

3 - Détection locale et sélective d’un mouvement parallèle au plan d’une surface

Daniel Royer

La sonde interférométrique hétérodyne mesure la composante du déplacement mécanique normal à la surface. Pour avoir accès à l’autre composante un capteur, constitué d’une pointe munie d’un transducteur piézoélectrique, sensible au déplacement dans le plan de la surface a été mis au point. Il a été utilisé au CEA Saclay pour prouver l’existence de conversion de modes dans les soudures bimétalliques assurant la liaison entre la tubulure de cuve et la tuyauterie primaire des réacteurs à eau pressurisée. Au laboratoire, ces sondes ont permis de réaliser les expériences de renversement du temps dans des cavités chaotiques en Silicium (voir thèses de Carsten Drager et Julien de Rosny).


Configuration expérimentale.

Déplacement transverse mesuré suivant l’axe Z

Références :

- D. Royer and E. Dieulesaint "Optical probing of the mechanical impulse response of a transducer" Appl. Phys. Lett. 49, 1056 (1986) APL 1986

- D. Royer and E. Dieulesaint "Optical Detection of Sub-Angstrom Transient Mechanical Displacements" Proceedings of the 1986 IEEE Ultrasonics Symposium IEEE, New York, 1986, p. 527 IEEE 1986

- Christophe Barrière and Daniel Royer
Optical measurement of large transient mechanical displacement
Appl. Phys. Lett. 79 (6), pp 878-880, 2001. Bar2001a

- Christophe Barrière and Daniel Royer
Diffraction effects in the parametric interaction of acoustic waves : application to measurements of the nonlinearity parameter B/A in liquids
IEEE Trans. Ultrason., Ferroelec., Freq. Contr. 48 (6), pp 1706-1715, 2001. Bar2001b

Haut de page