La thermographie infrarouge est un moyen d'analyse du comportement mécanique des matériaux. Elle a connu un essor considérable depuis les années 80 avec l'apparition des premiers capteurs. Deux techniques principales ont pu être développées ; la calorimétrie quantitative et l'analyse des contraintes par thermoélasticité (TSA en anglais). Jusqu'à aujourd'hui, la majorité des travaux a été réalisée sur les métaux et les polymères. Le présent manuscrit relève le challenge d'appliquer ces techniques aux matériaux verres, en développant une méthodologie de débruitage des films thermiques, permettant de conserver la résolution spatiale des mesures thermiques. Cela permet de caractériser de forts gradients dans des champs de variations de température de faible intensité. Cette méthodologie a été utilisée pour débruiter des films thermiques d'échantillons de verre soumis à un chargement mécanique cyclique. Dans un premier temps, elle a été appliquée pour étudier la réponse thermique d'une empreinte à l'échelle microscopique. Dans un second temps, elle a été utilisée pour remonter à des champs de contraintes et de sources de chaleur à l'échelle macroscopique. Ce travail ouvre de nouvelles perspectives à l'étude du comportement thermomécanique des matériaux fragiles présentant une faible réponse thermique sous sollicitation mécanique et de forts effets de gradients spatiaux. Les applications visées sont la fissuration et l'identification de paramètres constitutifs. / The infrared thermography is used to analyse the mechanical behavior of materials. Since the 80's, it has rised with the appearance of the first sensors. Two principal techniques has been developed; the quantitative calorimetry and the thermoelastic stress analysis (TSA). Until today, most of the works has been carried out on metals and polymers. This manuscript takes-up the challenge of applying these techniques to glassy materials by developing a methodology to denoise infrared movies, which allows to preserve the spatial resolution of the thermal measurement. It allows to caracterise high gradients of low temperature variation fields. This methodology has been used to denoised thermal movies of glass samples submitted to a cyclic mechanical test. In a first time, it has been applied to study the thermal response of an imprint at the microscopic scale. In a second time, stress and heat sources fields have been determined at the macroscopic scale. This work provides new possibilities to study the thermomechanical behavior of brittle materials which present a low thermal response and high spatial gradients under mechanical loading. The target applications are the cracking phenomenom and the identification of constitutive parameters.

Cette étude novatrice consiste à mettre en oeuvre dans un même protocole expérimental, trois techniques de caractérisation non destructive en simultané : l’émission acoustique, la thermographie infrarouge et les ultrasons pour la caractérisation de l’endommagement des matériaux Composites à fibres continues et à Matrice Polymère (CMP) à plis croisés [0/90]S. Chaque technique a permis demontrer sa potentialité à révéler l’endommagement dépendant de ses spécificités intrinsèques. L'émission acoustique a été utilisée sous sa forme classique et couplée avec une classification de données obtenue par les k-means et la carte de Kohonen. La thermographie infrarouge a été étudiée selon ses deux formes passive et active, les méthodes ultrasonores ont été exploitées en termes d’amplitude et de vitesse des ondes longitudinales et des ondes de Lamb respectivement. Il a été montré que l’approche multitechnique adoptée dans ce travail est très intéressante pour obtenir un diagnostic complet sur l’état de santé du matériau au repos et sous différents niveaux de chargement mécanique en traction. Il s’est avéré aussi que l’aspect « complémentarité » entre les trois techniques était plus envisageable que celui de la « redondance ». La fusion des données a été utilisée pour avoir une prise de décision fiable, complète et plus crédible sur les différents mécanismes d’endommagement susceptibles d’apparaître dans un matériau CMP. Ceci n’a été possible que pour les deux techniques d’imagerie, le C-scan ultrasonore et la thermographie infrarouge. En conclusion, les résultats montrent que ces trois techniques sont potentiellement capables de qualifier l’état d’endommagement du matériau, mais qu’elles ne le quantifient pas de la même manière / This innovative study consists to implement in the same experimental procedure three non destructive techniques simultaneously: acoustic emission, infrared thermography and ultrasonic waves for the characterization of damage in cross ply Polymer Composite Materials (PCM) [0/90]S. Each technique has demonstrated its potential to reveal the damage that depends on its intrinsic characteristics. Acoustic emission has been used in its classical form and coupled with a data classification obtained by k-means and Kohonen map. Infrared thermography has been studied using both passive and active forms, ultrasonic methods have been used by exploiting amplitude and velocity of longitudinal and Lamb waves respectively. It has been shown that the adopted multi-technique approach is veryinteresting to obtain a full diagnostic of the health state of the material before and after uniaxial mechanical loading. The “complementarity” aspect between the three used techniques is showed more interesting that “redundancy” aspect. The data fusion theory was used to have a reliable, comprehensive and credible decision about the different damage mechanisms may appear in PCM material. This has been possible only for the two imaging techniques, ultrasonic C-scan and infrared thermography. All in all, the results show that these three techniques are potentially able to describe the damage state of the material, but they don’t quantify it with the same manner

De nos jours, l’apport de la miniaturisation a permis d’innombrables progrès scientifiques et techniques : de la microélectronique à la microfluidique et dernièrement les nanotechnologies. Autant de domaines où les enjeux économiques de suivi de qualité ou d’optimisation de production peuvent nécessiter une étape de caractérisation des propriétés intrinsèques des constituants. Parmi ces propriétés, les données thermophysiques permettent notamment de définir la capacité à stocker ou diffuser la chaleur (conductivité, effusivité ou conductivité thermique par exemple). Une manière d’estimer ces propriétés passe par la connaissance du champ de température. Aux échelles microscopiques, seules des mesures de températures sans contact sont plus adaptées. Les travaux de cette thèse rentrent dans cette catégorie en présentant une méthode de caractérisation de propriétés thermophysiques aux échelles microscopiques par le biais de la thermographie infrarouge. En prenant exemple sur les méthodes hétérodynes développées pour la thermoréflectance, nous avons mis au point un stroboscope électronique dédiée à la thermographie infrarouge et permettant de suivre des excitations thermiques locales et périodiques de fréquences caractéristiques de l’ordre du kilohertz avec fréquence d’acquisition caméra de 25 Hz. En couplant cette méthode, que nous qualifierons de méthode d’Hétérodynage, avec une observation microscopique nous pouvons ainsi observer des phénomènes de diffusion longitudinale localisée à la surface d’échantillons diffusifs tels que les métaux et impossible à obtenir avec les applications standard de thermographie infrarouge. A partir de ces données expérimentales, nous montrons sur deux échantillons la manière de remonter à des valeurs de diffusivité dans le plan et dans l'épaisseur. De ces résultats, nous discuterons sur les limitations des estimations notamment dues à l'effet filtre passe bas du temps d'intégration de la caméra prépondérant lorsque l'excitation devient haute fréquence ou à la présence d'une couche émissive (dépôt de spray de peinture noire pour augmenter le contraste thermique) qui peut empêcher la propagation des ondes thermiques de la source au sein du matériau à caractériser dés que la fréquence d'excitation dépasse un seuil dépendant des propriétés thermiques du bicouche étudié. D'une autre manière, nous montrerons que des estimations de diffusivité thermique dans le plan ou transverse peuvent également être possible par une méthode d'hétérodynage en flash périodique. A titre d'applications futures, nous présenterons une première approche académique de modèle de diffusion avec transport sur un disque tournant pour des futures applications d'écoulement en goutes pour la microfluidique, une extension des estimations de diffusivité dans le plan pour obtenir des cartographies en scannant la zone étudiée et des résultats d'hétérodynage en régime périodique transitoire qui pourraient s'assimiler à une réponse de température en échelon. / Nowadays, the contribution of the miniaturization has led to countless advances in science and technology: microelectronics, microfluidics, nanotechnologies... All areas where the economics of quality monitoring and the optimization of production may require a step of characterizing the intrinsic properties of these constituents. Among these porperties, the thermophysical datas can defined the ability to store or distribute the heat (thermal conductivity, effusivity, diffusivity for example). A way to estimate these properties needs the knowledge of the temperature field. At microscale, the measurement temperature without contact is well adapted. The work of this thesis fall into this category by offering a method to characterize the thermophysical properties at microscopic scales by means of infrared thermography. With the help of the heterodyne methods developed for the Thermoreflectance, an electronic stroboscope has been developped. This method is dedied to the infrared thermography and allowing to follow thermal local and periodical excitations with a characteristic frequency around with a frame camera frequency of . By coupling this heterodyne method with microscope lens, it is possible to observe thermal diffusion phenomena longitudinal and transverse localized to the surface of the diffusive sample like metals and impossible to obtain with standard infrared thermography. From experimental data, the values of in-plane or transverse thermal diffusivity are obtained on two samples. Depending of these results, a debate is organized about the limitation of these estimations as the lowpass filter effect of the intregation time of the infrared camera which becomes important with high frequency excitation or the presence of an emissive of thin layer on the surface of the sample (dark spray coating for enhancing the thermal contrast) which can stopped the thermal waves propagation into the layer sample to characterize soon as the excitation frequency exceeds a threshold dependent on the thermal properties of the sample studied. In another way, the estimation of thermal in-plane or transverse diffusivity with an heterodyne method with repeated flash is shown in first results. For future applications, a first academic approach of thermal diffusion model with transport on rotating disk, an extension of the thermal in-plane diffusivity estimation to obtain cartography by scanning the sample area and few heterodyne results in transient periodic regime which are assilimated to a response level were shown.

Submitted by Nadir Basilio (nadirsb@uninove.br) on 2018-07-16T21:50:43Z No. of bitstreams: 1 Yasmin El Hage.pdf: 1970287 bytes, checksum: a115ee670601d955883a00022faa7af9 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-16T21:50:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Yasmin El Hage.pdf: 1970287 bytes, checksum: a115ee670601d955883a00022faa7af9 (MD5) Previous issue date: 2016-12-12 / Introduction: Temporomandibular dysfunction (TMD) is a complex multifactorial dysfunction commonly associated with other conditions such as cervical spine disorders. Although there is evidence of the correlation between a TMD and neck dysfunctions, treatment approaches address local and direct. Since TMD etiology is multidimensional, the present study hypothetize that a cervical and thoracic approach could reduce the signs and symptoms of TMD. Purpose: To evaluate the effects of a manual therapy protocol applied to the cervical and thoracic region on the signs and symptoms of TMD, as well as the temperature of the temporomandibular joint (TMJ), masticatory and cervical muscles. Methods: 30 subjects with a diagnosis of TMD according to RDC/TMD classified as severe or moderate, according to the Fonseca’s Anamnestic Index (FAI) were randomized into two groups: experimental (miofacial release and joint mobilization) and placebo ultrassound. The interventions were performed twice a week, 8 sessions total. Volunteers were assessed for TMD severity by FAI; Pain in TMJ and masticatory muscles, using a Numerical Pain Scale (END); Mandibular range of motion (ROM), through pachymetry; Level of pain and craniofacial dysfunction, according to the Craniofacial Pain and Dysfunction Index (CF-IDD); Cervical dysfunction level, according to Neck Disorders Index (NDI); Regarding the surface temperature of the TMJ and the anterior temporal muscles, masseter and upper trapezius, under pre and post intervention conditions, and under a 30 days follow-up. The study was approved by the Ethics and Research Committee of Universidade Nove de Julho and is registered in Clinical Trials under the number NCT02822469.Statistical analysis: Data distribution was normal. ANOVA was performed followed by Tukey's multiple comparison for group versus time interaction. The category changes between the moments and the groups were analyzed following a contingency table using the proportional comparison test for each category. The level of significance of 5% was considered. Results: Of the 186 volunteers screened, only 28 complete the study. No statistically significant difference was found between groups for any of the variables studied. Conclusion: The proposed treatment protocol applied to the thoracic and cervical region did not alter pain, ROM, TMD severity, cervical dysfunction level and superficial temperature of the TMJ and the masseter, anterior temporal and upper trapezius muscles in patients with severe and/or moderate TMD. / Introdução: Disfunção temporomandibular (DTM) é uma disfunção complexa e multifatorial comumente associada à outras condições como desordens da coluna cervical. Apesar de haver evidências da correlação entre a DTM e disfunções cervicais, as propostas de tratamento incluem abordagem local e direta. Uma vez que a etiologia da DTM é multidimensional, o presente estudo hipotetiza que uma abordagem cervical e torácica poderia reduzir os sinais e sintomas de DTM. Objetivo: Avaliar os efeitos de um protocolo de terapia manual aplicado sobre a região cervical e torácica sobre os sinais e sintomas da DTM, bem como sobre a temperatura da articulação temporomandibular (ATM), músculos mastigatórios e cervicais. Metodologia: 30 sujeitos com diagnóstico de DTM conforme o RDC/TMD, classificada como grave ou moderada, de acordo com o Índice Anamnésico de Fonseca (IAF) foram randomizados em 2 grupos: experimental (liberação miofascial e mobilização articular) e ultrassom placebo. As intervenções foram aplicadas 2 vezes por semana, totalizando 8 sessões. Os sujeitos foram avaliados quanto à gravidade da DTM, pelo IAF; dor na ATM e nos músculos mastigatórios, utilizando a escala numérica de dor (END); amplitude de movimento mandibular (ADM), por meio da paquimetria; nível de dor e disfunção craniofacial, de acordo com o Índice de Dor e Disfunção Craniofacial (IDD-CF); nível de disfunção do cervical, conforme o Índice de Disfunção Cervical (NDI); e quanto a temperatura da superfície da ATM e dos músculos temporal anterior, masseter e trapézio superior, nas condições pré intervenção, pós intervenção e follow-up após 30 dias do término do protocolo. O estudo foi aprovado pelo comitê de ética e cadastrado no clinical trials sob o número NCT02822469. Análise estatística: Os dados apresentaram distribuição normal e foram analisados utilizando a ANOVA seguido de comparação múltipla de Tukey para a interação grupo versus momento. As mudanças de categorias entre os momentos e os grupos foram analisadas seguindo uma tabela de contingência por meio do teste de comparação de proporções para cada categoria. Considerou-se o nível de significância de 5%. Resultados: Dos 186 voluntários triados, apenas 28 completaram o estudo. Não foi encontrada diferença estatisticamente significante entre os grupos para nenhuma das variáveis estudadas. Conclusão: O protocolo de tratamento proposto, aplicado sobre a região torácica e cervical não alterou a dor, ADM, gravidade da DTM, nível de disfunção cervical e temperatura superficial da ATM e dos músculos masseter, temporal anterior e trapézio superior em pacientes com DTM grave e moderada.

Le succès de la chirurgie cardiaque dépend essentiellement de la préservation des tissus durant l'opération. Afin d'optimiser cette dernière, une protection myocardique est appliquée à travers la perfusion d'une cardioplégie hypothermique lui permettant de tolérer l'ischémie provoquée par l'absence de vascularisation. Malgré ces progrès techniques et les connaissances accumulées, la chirurgie cardiaque reste une chirurgie à risque dont les complications sont parfois de nature inconnue. Il n'existe pourtant pas de suivi opérationnel de la protection myocardique et les seules indications disponibles pour le chirurgien sont l'arrêt contractile du cœur en début de cardioplégie ou l'apparition de fibrillations cardiaques dénonçant une inefficacité à long terme de la cardioplégie. Parmi les paramètres de mesure pouvant contribuer à la surveillance du myocarde sous cardioplégie, le suivi du changement de température induit par celle-ci pourrait devenir un indicateur pertinent. L'objectif de ce travail de thèse est donc de mettre en place un dispositif de suivi thermique du cœur permettant d'évaluer concrètement la diffusion et l'efficacité de perfusion cardioplégique durant la chirurgie cardiovasculaire.Parmi les méthodes de suivi thermique non invasives implantables en salle d'opération, la thermométrie par ultrasons (TUS) et la thermographie par infrarouges (TIR) ont retenu notre attention. Dans un premier temps, une méthode directe de thermométrie par ultrasons basée sur le principe "d'écho tracking" est expérimentée via un capteur ultrasonore $2,25 MHz mono-élément sur une gamme de température de 10 à 30°C. Cependant la caractérisation du muscle cardiaque par ultrasons et les expérimentations menées en laboratoire ont mis en avant la complexité du milieu nécessitant une calibration préalable, difficile à mettre en place en conditions opératoires. La technique présente tout de même une précision de mesure satisfaisante pour une variation de température inférieure à 10°C. Un modèle d'ajustement est alors proposé afin d'identifier la tendance de réchauffement interne du cœur à partir de la température de surface mesurable via une caméra thermique à infrarouge et par l'estimation volumique du milieu par ultrasons. Le modèle est validé dans un premier temps par simulation par éléments finis et dans un second temps durant des expérimentations sur fantômes et cœur in-vitro.Au final, le dispositif multi-physique TIR et TUS est expérimenté sur modèle in-vivo lors d'opérations, durant lesquelles des sessions de refroidissement par cardioplégie hypothermique sont effectuées. L'étude se conclut sur des premiers résultats de suivi thermique satisfaisants où les températures surfaciques acquises par TIR et l'estimation de l'épaisseur des parois ventriculaires par ultrasons permettent d'obtenir efficacement la tendance de réchauffement du myocarde. Le dispositif multi-physique a également démontré la possibilité d'appliquer une calibration directe de la thermométrie ultrasonore. Cette étude de faisabilité a démontré la possibilité d'un monitoring thermique du cœur de manière non invasive et applicable en temps réel. Ce dispositif pourrait être, après adaptation spécifique, implémenté durant les interventions cardio-vasculaire et fournir un indicateur précieux aux chirurgiens quant à l'efficacité de la protection myocardique. / The success of cardiac surgery essentially depends on tissue preservation. To optimize this latter, a myocardial protection is applied thanks to a hypothermic cardioplegia that confers a marked protective effect to the heart under ischemia. Despite these technical developments, cardiac surgery still presents risks and complications are sometimes of an unknown nature. However, no operational real-time monitoring of myocardial tissue exists. Among the metrics that could be analyzed, the temperature change measurement may be a relevant indicator. The objective of the present thesis is therefore to establish a thermal monitoring system of the heart in a way to evaluate the quality of the cardioplegia perfusion during cardiovascular surgery.Among the non-invasive thermal monitoring methods implantable in the operating room, the ultrasonic thermometry and infrared thermography caught our attention. In the first stages of the study, a direct method of ultrasonic thermometry based on the echo tracking is performed on in-vitro samples with 2.25 MHz ultrasonic sensor in a temperature range between 10 to 30°C. The ultrasonic characterization of the heart muscle and the laboratory experiments brought to the forth an environmental complexity requiring prior calibration that may be difficult to implement in operational conditions. However, the technique has a satisfactory measurement accuracy for temperature variations of less than 10°C.An adjustment model is then proposed to identify the in-depth warming trend of the heart thanks to the surface temperature measurement performed by thermal infrared camera and the medium thickness estimated by ultrasound. The model is validated by finite element simulations and experiments realized on ghosts and in-vitro heart samples.Finally, the device is experimented on in-vivo animal models while hypothermic cardioplegia were conducted. Conclusive results were obtained on the heart thermal monitoring. In particular, the surface temperatures acquired by infrared thermography and the thickness estimation of the ventricular walls by ultrasound allowed an estimation of the myocardial-warming trend.This feasibility study has demonstrated the possibility of heart thermal monitoring, noninvasively and appropriate in real time. After specific adaptation, this device could be implemented during cardiovascular interventions and provide a valuable indicator for the surgeons about the efficacy of myocardial protection.

This thesis deals with an experimental study regarding the effects of the thermal conductivity of contact bodies on the friction, lubricant film thickness and temperature distribution in EHL contact. The thesis focuses on the configuration of the ball on disc contact. The contact body materials are characterized by a wide range of thermal properties. New contact pairs are proposed and used in the study in order to make the contact bodies’ thermal properties dependent on the behaviour of EHL contact. The colorimetric interferometry method is used to measure the lubricant film thickness and the infrared thermography method is used to observe the temperature distribution in EHL contact. The author presents the assumed mechanism of heat transfer within EHL contact on the basis of different heat transfer mechanisms. The same conditions – such as the Hertz pressure, mean entrainment speed, sliding speed and ambient temperature – are induced for all the contact pair combinations. That is why the differences in the results are attributed to the different thermal phenomena in the contact, caused by the thermal properties of the contact bodies. In the case of contact bodies with a reduced heat dissipation capability, a reduction of the friction coefficient of up to 50 % is observed, which is attributed to an increase in the lubricant temperature, resulting in a decrease in its viscosity. This is confirmed by the infrared thermography method, whereby a significantly higher lubricant temperature is observed in the case of a combination of contact materials with a lower heat dissipation capability.

La problématique associée à ce travail de thèse concerne la détermination des causes de fatigue thermique dans des conduites hydrauliques. Ce travail porte plus particulièrement sur l’étude d’une zone de mélange orthogonale dans laquelle débouchent deux écoulements à différentes températures et présentant des régimes dynamiques turbulents. Ce type de configuration est utilisé afin de favoriser la baisse de température de l’écoulement (ou l’augmentation de température selon les cas). Pour des valeurs élevées du nombre de Reynolds et des écarts de températures des écoulements en confluence, la charge thermique engendrée par les fluctuations pariétales de température peut entraîner la formation de fissures dans les canalisations.Pour faire face à ce problème, les méthodes de dimensionnement des conduites hydrauliques mettent en évidence la nécessité de connaître la charge thermique imposée sur la paroi sensible. Le besoin attendu en termes de caractérisation dynamique et thermique de ces écoulements est à l’origine de ce projet de recherche qui s’attache ainsi à déterminer pour une configuration industrielle simplifiée, les phénomènes dynamiques et thermiques instationnaires et tridimensionnels à proximité de la paroi. Pour cela, l’étude s’organise en deux phases. Une approche expérimentale, faisant appel à la vélocimétrie par images de particules et la thermographie infrarouge, est mise en oeuvre dans un écoulement turbulent à la jonction entre une conduite de section rectangulaire et un piquage cylindrique. L’étude expérimentale permet de mesurer l’effet de différents paramètres de l’écoulement (régime dynamique, rapport des vitesses de l’écoulement, écart de température). Une des configurations expérimentales est de plus modélisée par simulations des grandes échelles dans laquelle le transfert thermique conjugué entre le fluide et la paroi d’intérêt est pris en compte. Les champs statistiques de vitesse et température issus du calcul numérique sont comparés à la base de données expérimentale. L’analyse des mécanismes thermodynamiques près de la paroi et dans la paroi, est de plus réalisée au moyen des grandeurs statistiques de l’écoulement, des corrélations de vitesse-température et de l’enregistrement temporel de sondes numériques placées dans l’écoulement et dans la paroi. / This research work originates from thermal stress issues in hydraulic pipes. It specifically focuses on determination of thermal load created by mixing flows in orthogonal pipe junctions. Such mixing zones are commonly used to cool or heat the main flow. For high Reynolds number values and high difference of temperature of the two flows, thermal load created by strong temperature fluctuations at the wall can initiate and propagate cracks through the pipe. Standards in pipe design pointed out the need in knowing these thermal loads applied at the downstream junction wall. Thus, this study aims to characterize three-dimensional and unsteady dynamical and thermal phenomena in a simplified industrial configuration. First, an experimental investigation based on particle image velocimetry and infrared thermography has been carried out on a cylindrical jet pipe flowing through a main rectangular channel flow. Different parameters have been studied such as Reynolds number influence, velocity ratio between secondary and main flow and temperature difference. One of the experimental configurations has also been investigated using numerical simulations. LargeEddy Simulations with conjugate heat transfer model has been developed and compared to the experimental database. Dynamics and Thermal mechanisms have been analysed near the wall and within the wall with obtained statistical flow fields, velocity-temperature moments and numerical probes extracted from fluid and solid parts.

L'utilisation de caméras infrarouges bas coûts pour la surveillance long-terme d'infrastructures est prometteuse grâce aux dernières avancées technologiques du domaine. Une mesure précise de la température des surfaces observées in-situ se heurte au manque de connaissance des propriétés radiatives de la scène. L'utilisation d'une instrumentation multi-capteurs permet d'affiner le modèle de mesure afin d'obtenir une estimation plus précise de la température. A contrario, il est montré qu'il est toujours possible d'exploiter des données climatiques en ligne pour pallier un manque de capteur. Des méthodes bayésiennes d'estimation conjointe d'émissivité et de température sont ensuite développées et comparées aux méthodes de la littérature. Un simulateur d'échanges radiatifs diffus de scènes 3D a été implémenté afin de tester ces différentes méthodes. Ce logiciel utilise l'accélération matérielle de la machine pour réduire les temps de calcul. Les résultats numériques obtenus mettent en perspective une utilisation avancée de la thermographie infrarouge multi-spectrale pour la surveillance de structures. Cette estimation conjointe permet alors d'obtenir un estimé de la température par thermographie infrarouge avec une incertitude connue. / The latest technological improvements in low-cost infrared cameras have brought new opportunities for long-term infrastructures monitoring. The accurate measurement of surfaces' temperatures is facing the lack of knowledge of radiatives properties of the scene. By using multi-sensors instrumentation, the measurement model can be refined to get a better estimate of the temperature. To overcome a lack of sensors instrumentation, it is shown that online and free available climatic data can be used. Then, Bayesian methods to estimate simultaneously the emissivity and temperature have been developed and compared to literature's methods. A radiative exchange simulator of 3D scenes have been developed to compare those different methods on numerical data. This software uses the hardware acceleration as well as a GPGPU approach to reduce the computation time. As a consequence, obtained numerical results emphasized an advanced use of multi-spectral infrared thermography for the monitoring of structures. This simultaneous estimation enables to have an estimate of the temperature by infrared thermography with a known uncertainty.

Le marché des diodes électroluminescentes (LEDs) de puissance est en perpétuelle croissance depuis une vingtaine d’années. Le marché de l’éclairage évolue car les besoins ont changé : nous souhaitons, par exemple, aujourd’hui réduire la consommation électrique, ou avoir des éclairages plus flexibles (couleur, cycle d’allumage, encombrement, …). Les LEDs de puissance permettent d’apporter des solutions où les autres éclairages font défauts. Une étude comparative est menée entre les LEDs et les autres sources d’éclairages. Une LED de puissance émettant une lumière blanche est constituée d’une puce semi-conductrice, d’un substrat, d’un PAD et d’une optique primaire. Différentes méthodes permettent d’obtenir de la lumière blanche avec des LEDs : plusieurs puces, une puce avec un ou des luminophores, ou la méthode PRS-LED. Le luminophore a un rôle optique important et un rôle thermique non négligeable. Après avoir été excité par la lumière émise de la puce, il réémet de la lumière dans une longueur d’onde supérieure. L’efficacité de ce processus dépend de nombreux paramètres, comme la mise en oeuvre du luminophore ou le type de luminophore utilisé. L’étude et la caractérisation des propriétés optiques et thermiques sont faites pour des LEDs commerciales, composées d’une même puce émettant de la lumière bleue, avec et sans luminophore jaune. Afin de maitriser le maximum de facteurs, nous avons mené une étude et un dimensionnement du circuit imprimé (PCB) sur lequel va être implanté nos LEDs. Dans le but d’évaluer les matériaux constituant les LEDs, des analyses au microscope à balayage électronique et par microsonde ont été menées. Ces travaux ont permis de révéler, notamment, la position de la jonction p-n dans la puce et la composition de la couche de luminophore par deux types différents. De plus, afin d’améliorer notre compréhension, une étude comparative a été menée sur trois luminophores jaunes. Ensuite, les deux types de LEDs, puce nue et puce avec luminophore, ont été testés dans le but d’obtenir le flux lumineux et le rendement des LEDs. La caractérisation optique nous a amené à créer un banc pour obtenir la luminance énergétique spectrale sur une partie minime de la puce. D’autre part, nous nous intéressons à la température de jonction de la puce nue, que nous mesurons par différentes méthodes, dont la thermographie infrarouge. Pour cela, l’émissivité a été estimée pour la puce nue et la puce avec luminophore. Puis nous comparons aussi ces différentes méthodes pour le calcul de la résistance thermique Rth j-PAD entre la jonction et le PAD. Le maillage de fils conducteurs implanté sur la surface de la puce est modélisé électriquement. Cette étude, qui est composée de niveaux progressifs de modélisation, permet de comprendre la répartition du courant électrique qui traverse la jonction, et ainsi d’appréhender la répartition du flux lumineux et de la température au niveau de la surface de la puce. Après, un modèle thermo-optique décrit les phénomènes présents au niveau de la jonction d’une puce nue : la conversion de la puissance électrique en lumière bleue et en chaleur, et les transferts de chaleur. Nous complétons ce premier modèle pour obtenir un modèle d’une puce avec le luminophore. Ce dernier modèle prend en compte la photo-conversion du luminophore avec le calcul de flux lumineux à la sortie du luminophore et le calcul de la chaleur due à la photo-conversion. La résolution de ce modèle nous permet d’obtenir la température de jonction d’une puce avec luminophore. La conservation d’énergie du modèle est aussi vérifiée. Le modèle thermo-optique est appliqué à une cartographie de température de surface afin d’obtenir une cartographie de la température de jonction. Ces cartographies sont regroupées avec les clichés de thermographie infrarouge et de luminance énergétique. / The high brightness LED market is constantly growing last twenty years. The lighting market is changing as needs have changed: we would like, for example, reduce power consumption, or have more flexible lighting (color, lighting cycle, dimensions ...). High brightness LEDs help provide solutions where others are lighting defects. A comparative study is conducted between the LEDs and other lighting sources.The operation of a high brightness LED emitting white light is explained with the description of each element: chip, substrate, the PAD and optics. Then the different methods of obtaining white light with LEDs are compared: several chips, a chip with one or more phosphors, or PRS-LED method. The phosphor has a significant optical role and an important thermal role. After being excited by the light emitted from the chip, it re-emits light in a greater wavelength. The effectiveness of this process depends on many parameters, such as the implementation of the phosphor, or the type of phosphor used. The study and characterization of optical and thermal properties are made for commercial LEDs, composed of a single chip emitting blue light with and without yellow phosphor. To master the maximum factors, we conducted a study and design of the printed circuit board (PCB) on which will be implanted our LEDs. In order to evaluate the materials constituting the LEDs, analyzes made at scanning electron microscope, and by microprobe were conducted. This work has revealed in particular the position of the p-n junction in the chip, and the composition of the phosphor layer of two different types. Moreover, to improve our understanding, a comparative study will be conducted on three yellow phosphors. Then the two types of LEDs, bare chip and chip with phosphor, were tested in order to obtain the luminous flux and efficiency of LEDs. The optical characterization has led us to create a bench for spectral radiance over a small portion of the chip. Furthermore, we are interested in the junction temperature of the bare chip, which we measure by various methods, including infrared thermography. For this, the emissivity was estimated for the bare chip and the chip with phosphor. Then we also compare these different methods to calculate the thermal resistance Rth j-PAD between the junction and the PAD. The mesh of conductive wires, implanted on the surface of the chip, is electrically modeled. The study, which is composed of three progressive levels of modeling, provides an understanding of distribution of the electric current through the junction, and thus to understand the distribution of the light flow and temperature at the surface of the chip. Afterwards, an optical-thermal model describes the phenomena present at the junction of a bare chip: converting electrical power into blue light and heat, and heat transfer. We complete this first model for a model of a chip with the phosphor. This model takes into account the photo-conversion of the phosphor with the calculation of the luminous flux at the output of the phosphor and the calculation of the heat due to the photo-conversion. The resolution of this model allows us to obtain the junction temperature of a chip with phosphor. The model of energy conservation is also verified. The optical-thermal model is applied to a surface temperature mapping in order to obtain a mapping of the junction temperature. These maps are combined with pictures of infrared thermography and radiance.

Since many buildings in Canada were built prior to the advent of national and provincial energy codes and standards, quantifying building envelope thermal performance in existing buildings is an important step in identifying retrofit opportunities. Due to the lack of building codes or standards for existing buildings in Canada, development of a rapid and robust quantitative approach to evaluate and rank buildings for vertical envelope retrofits is required. Hence, this dissertation sought to develop quantitative approaches to evaluate existing building envelope thermal performance in Canada and beyond. Following current professional practices, in Chapter 1, a comprehensive study was conducted on 49 campus buildings at the University of Victoria (UVic) to evaluate potential energy savings from vertical envelope retrofits, and to further validate those savings through more detailed energy models and parametric analyses for a subset of buildings. To this end, the thermal performance of a building envelope was quantified based on its heat loss coefficient (UA), obtained from multiplying its surface area (A) by its thermal transmittance (U-value). Heat loss calculations were used as a metric to inform envelope rehabilitation prioritization, while considering other data such as age and physical condition in parallel. Archetype energy models for selected buildings were used to evaluate the impacts of envelope retrofits on energy and GHG savings. The outcomes of this study allowed the University to weigh the benefits of improved energy performance from envelope retrofits against associated capital cost expenditures. Also, the implemented methodology and studied parameters unveiled a new horizon in evaluating the thermal performance of existing building envelopes in Canada, where a building code for existing buildings has not yet been established. Considering the economic findings of the envelope retrofits studied, it was concluded that in the absence of an existing building energy code, the University would likely require additional incentives, such as higher utility costs, higher carbon taxes, or qualifying for utility incentive programs to justify improving existing building envelope performance on the basis of energy only. The strength of the proposed methodology in Chapter 1 was in its balance of effort and ultimate decision-making utility, where reasonable thermal bridging approximations based on simulation models for existing buildings can yield data accurate enough to inform a ranking exercise on a large breadth of subject buildings. However, since numerical models do not consider degradation of building materials, real moisture content, and errors associated with manufacturing and installation, actual building envelope thermal performance differs from 3D simulation models. To study this limitation, in-situ thermal assessments of building envelopes were performed to quantify their actual thermal performances. To this end, Chapters 2 to 4 of this dissertation attempted to determine the viability of an external infrared thermography (IRT) survey technique for quantification of heat losses through the opaque building envelope, and also explores its potential application in identifying and comparing sources of air leakage. The experiments were performed on wood-framed wall assemblies commonly used in Canada due to growing interest among designers, builders, and governments to encourage the use of wood as a building material. In these studies, (Chapter 2 to Chapter 4), thermal transmittances (U-values) of wall assemblies were estimated with external IRT and compared with 3D computer simulations. Furthermore, the impact of the accuracy of U-values estimated with IRT on the deviation of energy simulation outputs with metered data was examined. Finally, a novel relative quantitative infrared index (IRI) was proposed as a means to facilitate rapid evaluation and subsequent ranking of building envelope thermal performance. From the experiments in Chapters 2 & 3, it was found that the U-values obtained with IRT were comparable with simulated values suggesting IRT can be a reliable tool for estimating the thermal performance of wood-framed wall assemblies. Results also demonstrated that thermal imaging artefacts including nonlinear characteristics of infrared (IR) camera focal array, a.k.a. non-uniformity corrections (NUC) and vignetting could have a substantial influence on the accuracy of results, in particular energy model outputs. This limitation was resolved by introducing a practical approach where thermal images were taken from different incident angle. Overall, IRI was found to be a reliable metric for relative quantitative comparison of building envelope thermal performance regardless of boundary conditions. Moreover, outcomes of the IRT air leakage study in Chapter 4 indicated that combined qualitative and quantitative IRT approaches could potentially be implemented by practitioners to identify sources of air leakage and thermal bridges in buildings and compare their relative severity. Since blower door testing is gradually being introduced as a building code requirement to measure building envelope airtightness in an increasing number of Canadian jurisdictions, performing IRT simultaneously is potentially valuable exercise in this context. Ultimately, the methodologies outlined in Chapters 2 to 4 can help decision-makers to characterize building envelope retrofits from a performance perspective, and potentially serve as a basis for governments to develop policies to improve existing building energy performance. The methodologies in Chapters 2 to 4 prompted opportunities to utilize the emergent technology of small unmanned aerial vehicles (UAVs) equipped with an infrared camera for quick thermal assessments of building envelopes. The last chapter of this dissertation, Chapter 5, outlines advantages and limitations of aerial IRT (UAV-IRT) surveys compared to conventional stationary IRT. Furthermore, a set of best practices for UAV-IRT were presented to minimize dynamic measurement uncertainty. It was concluded that with the current IR camera technology, aerial surveys for quantitative thermal assessment of building envelope are not as accurate as with conventional infrared thermography; further investigations by manufacturers and researchers are recommended. / Graduate