Le mouvement d’humidité dans le réseau poreux de certains matériaux est très souvent à l’origine de phénomènes préjudiciables pour la durabilité des constructions du génie civil. C’est en particulier le cas pour le séchage du bois, générateur de fissures et de délaminations aux interfaces de collage, et pour le béton en situation d’incendie où le mouvement d’humidité peut induire des désordres irréversibles (écaillage). Le recours à des modèles prédictifs de ruine des structures nécessite donc la simulation du mouvement d’humidité au sein des matériaux. Ces modèles de transfert de masse et de chaleur sont sophistiqués et nécessitent d’être confrontés à des mesures afin d’être validés. Peu de techniques expérimentales existent pour mesurer les mouvements ou gradients d’humidité dans les réseaux poreux, en particulier en régime transitoire (séchage, incendie). Les techniques existantes sont de plus généralement coûteuses et imposent des conditions sévères de sécurité pour les chercheurs. L’objectif de la thèse est donc de mettre au point un dispositif de mesure de gradients d’humidité basé sur l’imagerie Térahertz. Il s’agit d’une technique de mesure relativement peu onéreuse et permettant de réaliser des mesures en régime transitoire. Un banc expérimental existant sera donc adapté à la mesure du champ d’humidité sur éprouvettes de bois en conditions thermo-hydriques variables, et sur éprouvettes de béton en situation de chauffage. Les résultats constitueront une base de données utile à la compréhension des phénomènes de dégradation des matériaux et seront directement utilisables comme outil de validation de modèles de calcul. / The movement of moisture in the porous network of certain materials is very often at the origin of phenomena prejudicial to the durability of the constructions of the civil engineering. This is particularly the case for the drying of wood, which creates cracks and delaminations at bonding interfaces, and for concrete in situations of fire where the movement of moisture can induce irreversible disorders (chipping). The use of predictive models of structural ruin therefore requires the simulation of the moisture movement within the materials. These mass and heat transfer models are sophisticated and need to be confronted with measurements in order to be validated. Few experimental techniques exist to measure moisture movements or gradients in porous networks, especially in transient conditions (drying, fire). Existing techniques are often expensive and impose severe conditions of safety for the researchers. The objective of the thesis is therefore to develop a device for measuring gradients of moisture based on Terahertz imagery. This is a comparatively inexpensive measuring technique and makes it possible to carry out transient measurements. An existing experimental bench will therefore be adapted to the measurement of the moisture field on wood specimens under variable water-moisture conditions and on concrete specimens in a heating situation. The results will constitute a database useful for understanding the phenomena of degradation of materials and will be directly usable as a validation tool for calculation models.

Si dans les caméras actuelles, les matrices de photodétection sont planes, dans la nature, aucune surface focale n'est plane : la rétine est soit concave (œil humain), soit convexe (œil d'insecte). Ces architectures offrent deux solutions de miniaturisation et de simplification des systèmes de détection, qui ont fait l'objet des travaux de cette thèse. La courbure concave du détecteur permet de supprimer l'aberration de courbure de champ qui est particulièrement présente dans les instruments grand champ. L'étude théorique de cette solution, étayée par des applications concrètes, a permis de démontrer la simplification des architectures accessibles par cette approche, ainsi que les améliorations en termes de performances optiques. La courbure convexe permet quant à elle de miniaturiser les systèmes grand champ, en s'inspirant de l'œil composé des petits invertébrés. Cette architecture, constituée de groupes de pixels reliés par une métallisation souple, a été réalisée sur une matrice de détecteurs infrarouge en CdHgTe. Les composants obtenus sont fonctionnels et comparables en termes de performances aux valeurs standard. Ils ouvrent à la voie à des architectures grand champ extrêmement compactes. L'originalité du travail a porté sur la mise en forme sphérique de composants monolithiques, dont la couche active n'est pas modifiée, permettant ainsi de produire des systèmes avec un taux de remplissage de 100%. Après une étude de la souplesse d'échantillons de silicium aminci, le procédé de courbure a été transféré sur des composants fonctionnels: circuit de lecture Si-CMOS et matrice de micro-bolomètres infrarouge. La courbure concave des matrices de détection infrarouge de type micro-bolomètres, a mené à la réalisation de deux caméras. La première, constituée de deux lentilles du commerce, a permis de comparer les systèmes composés des détecteurs plan et courbe. Le gain lié à la courbure sphérique de la rétine sur l'uniformité de la réponse impulsionnelle a été prouvé grâce aux mesures de la fonction de transfert de contrastes (FTC). Enfin, à l'image d'un œil humain, un œil infrarouge composé d'une seule lentille et d'une matrice de micro-bolomètres courbée en concave a été réalisée. La qualité des images obtenues, ainsi que la FTC mesurée, ont mis en évidence le potentiel des plans focaux courbés pour des systèmes ultra-compacts, inenvisageables jusqu'à ce jour.

Si dans les caméras actuelles, les matrices de photodétection sont planes, dans la nature, aucune surface focale n'est plane : la rétine est soit concave (œil humain), soit convexe (œil d'insecte). Ces architectures offrent deux solutions de miniaturisation et de simplification des systèmes de détection, qui ont fait l'objet des travaux de cette thèse. La courbure concave du détecteur permet de supprimer l'aberration de courbure de champ qui est particulièrement présente dans les instruments grand champ. L'étude théorique de cette solution, étayée par des applications concrètes, a permis de démontrer la simplification des architectures accessibles par cette approche, ainsi que les améliorations en termes de performances optiques. La courbure convexe permet quant à elle de miniaturiser les systèmes grand champ, en s'inspirant de l'œil composé des petits invertébrés. Cette architecture, constituée de groupes de pixels reliés par une métallisation souple, a été réalisée sur une matrice de détecteurs infrarouge en CdHgTe. Les composants obtenus sont fonctionnels et comparables en termes de performances aux valeurs standard. Ils ouvrent à la voie à des architectures grand champ extrêmement compactes. L'originalité du travail a porté sur la mise en forme sphérique de composants monolithiques, dont la couche active n'est pas modifiée, permettant ainsi de produire des systèmes avec un taux de remplissage de 100%. Après une étude de la souplesse d'échantillons de silicium aminci, le procédé de courbure a été transféré sur des composants fonctionnels: circuit de lecture Si-CMOS et matrice de micro-bolomètres infrarouge. La courbure concave des matrices de détection infrarouge de type micro-bolomètres, a mené à la réalisation de deux caméras. La première, constituée de deux lentilles du commerce, a permis de comparer les systèmes composés des détecteurs plan et courbe. Le gain lié à la courbure sphérique de la rétine sur l'uniformité de la réponse impulsionnelle a été prouvé grâce aux mesures de la fonction de transfert de contrastes (FTC). Enfin, à l'image d'un œil humain, un œil infrarouge composé d'une seule lentille et d'une matrice de micro-bolomètres courbée en concave a été réalisée. La qualité des images obtenues, ainsi que la FTC mesurée, ont mis en évidence le potentiel des plans focaux courbés pour des systèmes ultra-compacts, inenvisageables jusqu'à ce jour. / In natural world, plane retina, on which are based our cameras does not exist. The focal plane is either concave for human beings or convex in insects' eyes. Both curvatures offer novel solution to miniaturize and simplify the optical design, and both of them have been studied in this work.The concave curving of the focal plane suppresses one aberration, the field curvature, on which depends the image quality of large field of view instruments. Advantages in image quality and optical design have been studied by theoretical analysis and by real cases of instruments. The convex curvature results in a miniaturization achieved by reproducing the compound eye of small invertebrates. This design, which is composed of several groups of pixels interconnected by metallic lines, has been realized with cooled infrared detecting device. The performed detectors are still electrically functional with a comparable behaviour than conventional sensors. The originality of this work is the spherical curvature of monocrystalline and monolithic components; the active layer is not modified for this purpose. The process of curvature has been developed on thinned square silicon bare dies and then transferred to thinned functional devices: Si-CMOS and micro-bolometers. The concave curvature of bolometers leads to the realization of two cameras. The first one, composed of two commercial lenses, was dedicated to the comparison between a planar traditional camera and a curved detector system. Optical advantages, and especially the response uniformity, have been proved thanks to measures of the contrast modulation function (CMF). Finally, I have realized an infrared eye composed of a unique lens and a curved concave bolometer. Both the image quality obtained and CMF experiments proved the interest of the curved focal plane in miniaturized optical systems.

EDF exploite sur son parc de production de nombreuses machines électriques tournantes. Les contraintes thermiques subies par celles-ci engendrent des échauffements locaux qui nuisent à leur intégrité. Le présent travail contribue à fournir des méthodes de calcul adaptées à la détection et à la localisation des points chauds. Il participe à améliorer la compréhension des écoulements en rotation et leurs effets sur les transferts thermiques. Plusieurs dispositifs expérimentaux, de complexité ascendante, ont été utilisés pour comprendre et valider les simulations numériques. Une première étude sur une marche descendante (demi-pôle) parcourue par un jet de paroi non-confiné a mis en avant des différences par rapport à un jet confiné ; ces deux cas existent dans un alternateur. Une seconde étude menée sur une cavité tournante confinée a analysé l’impact d’un écoulement de Taylor-Couette-Poiseuille sur la température et la position des points chauds créés, en balayant l’ensemble des régimes d’écoulement. Ces études ont mis en exergue une première méthode de calcul fiable, fondée sur l’étude numérique CHT. Une autre méthode, basée sur la FEM couplée à une méthode inverse, a été testée sur une maquette d’alternateur hydraulique afin de pallier aux temps de calcul longs de la première. Cette méthodologie remonte aux coefficients d’échanges convectifs numériques à partir des mesures du champ thermique du rotor, mais n’est envisageable que lorsque l’on dispose de données expérimentales suffisantes. Ces travaux ont aussi mis en évidence de nouvelles techniques de mesures sans contact, comme l’utilisation d’un pyromètre à haute fréquence pour la mesure de température sur des machines tournantes. / EDF operates a large number of electrical rotating machines in its electricity generation capacity. Thermal stresses which affect them can cause local heating, sufficient to damage their integrity. The present work contributes to provide methodologies for detecting hot spots in these machines, better understanding the topology of rotating flows and identifying their effects on heat transfer. Several experimental scale model were used by increasing their complexity to understand and validate the numerical simulations. A first study on a turbulent wall jet over a non-confined backward-facing step (half-pole hydrogenerator) notes significant differences compared to results from confined case : both of them are present in an hydrogenerator. A second study was done on a small confined rotating scale model to determinate the effects of a Taylor-Couette-Poiseuille on temperature distribution and position of hot spots on the heated rotor, by studying the overall flow regimes flow. These studies have helped to obtain a reliable method based on conjugate heat transfer (CHT) simulations. Another method, based on FEM coupled with the use of an inverse method, has been studied on a large model of hydraulic generator so as to solve the computation time issue of the first methodology. It numerically calculates the convective heat transfer from temperature measurements, but depends on the availability of experimental data. This work has also developped new no-contact measurement techniques as the use of a high-frequency pyrometer which can be applied on rotating machines for monitoring temperature.

La mesure simultanée des champs cinématiques et thermiques est très importante pour les procédures thermomécaniques. Les caméras à base de silicium sont largement utilisées pour l'observation en temps réel des champs cinématiques, principalement grâce à la corrélation d'images numériques. De plus, ils sont aussi connus pour sa sensibilité dans le spectre du proche infrarouge, ce qui permet d’acquérir des champs thermiques à l’aide d’une caméra à base de silicium. Cependant, pour la caméra à base de silicium, il y a deux problèmes principaux d’obtenir simultanément des champs cinématiques et thermiques. D’abord, dans le spectre du proche infrarouge, une petite variation de température entraînera une modification importante du niveau de gris de l'image, ce qui entraînera facilement une mauvaise qualité des images. Deuxième, la corrélation d’images numériques nécessite une surface hétérogène et contrastée, tandis que la thermographie dans le proche infrarouge nécessite une surface homogène et constante. Dans cette thèse, une technique innovante a été proposée pour ajuster automatiquement le temps d'exposition de la caméra afin d'obtenir des images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique, quel que soit l'évolution de température à la surface de l'objet observé. Cette technique a été validée par expériences différentes, notamment des expériences de chauffage d’un corps noir et des expériences de chauffage d’un échantillon réel. Les modèles radiométriques du corps noir et de la surface des échantillons calibrent respectivement. Basé sur les modèles radiométriques, des champs thermiques ont été reconstruits sur les images exploitables pour l’analyse cinématique et thermique. L'expérience à haute température est réalisée pour le ballonnement des tubes où les champs cinématiques et thermiques sont observés. La corrélation d'images numériques a été effectuée globalement afin d'obtenir des champs cinématiques. Pour effectuer la thermographie du proche infrarouge sur la surface de l’échantillon, le modèle radiométrique est étalonné selon une partie des pixels les plus brillants. Dans ce cas, 20% des pixels les plus brillants sont utilisés pour effectuer l'étalonnage des modèles radiométriques. Basée sur le modèle en utilisant 20% des pixels plus brillants, les champs thermiques sont reconstruits. Combiné avec les coordonnées connues du champ cinématique par corrélation d'images numériques, le champ thermique et le champ cinématique dans les mêmes coordonnées peut être obtenu. / Simultaneous measurement of kinematic and thermal full fields are very important for thermomechanical procedures. Silicon-based cameras are widely used to perform real-time observation of the kinematic fields, mainly thanks to digital image correlation. Moreover, they are known to be as well sensitive in the near-infrared spectral range, thus the acquirement of thermal fields using silicon-based cameras is possible. However, there are two main problems for the silicon-based camera to obtain simultaneously kinematic and thermal fields. One is that in the near-infrared spectral range, a small temperature variation will lead to a large modification in the image gray level, which easily leads to poor quality images. Another is that digital image correlation needs a heterogeneous and contrasting surface, while the near-infrared thermography needs a homogeneous and constant surface. In this thesis, an innovative technique was proposed to automatically adjust the exposure time of the camera to obtain kinematically and thermally exploitable images whatever the temperature evolution occurs on the surface of the observed object. This technique was validated by different experiments, including blackbody heating experiments and realistic specimen heating experiments. Radiometric models of blackbody and specimen surfaces ware calibrated respectively. Based on the radiometric models, thermal fields have been reconstructed on the kinematically and thermally exploitable images. High temperature tube ballooning experiment is conducted to perform both kinematic and thermal fields. Global digital image correlation was performed to obtain kinematic fields. To perform near-infrared thermography on the specimen surface, radiometric model is calibrated based on portions of the brightest pixels. In this case 20% of the brightest pixels are used to perform radiometric model calibration. Based on the radiometric model using 20% of the brightest pixels, the thermal fields are reconstructed. Combined with the known coordinates of kinematic fields by digital image correlation, the thermal fields at the same coordinates as kinematic fields can be obtained.

De nos jours, les matériaux composites sont très largement utilisés dans l’industrie aéronautique et aérospatiale car ils ont de très bonnes tenues mécaniques, mais ces matériaux comportent de fortes hétérogénéités dues aux fibres et aux liants qui les constituent. Ainsi, depuis de nombreuses années, l’équipe TIFC «Thermal Imaging Fields and Characterization » du département TREFLE de l’institut I2M développe des méthodes de mesure des propriétés thermophysiques de matériaux hétérogènes dans le plan ou dans l’épaisseur. Ces méthodes sont très variées du point de vue des méthodes inverses (transformée intégrale, double décomposition en valeurs singulières, …) ou expérimentale (Flash, diode laser, …). Le faible coût des diodes lasers et des systèmes de déplacement de miroirs galvanométriques ont permis de développer un système complet de scanner optique laser, monté sur un banc de mesure. Il permet de revisiter les différents types de sollicitations thermiques et de réaliser une infinité de combinaisons spatiotemporelles d’excitations thermiques par méthode laser. Ceci est une des principales originalités de ce travail. De nouvelles méthodes inverses basées sur la réponse thermique au point source impulsionnel et sur la séparabilité des champs de température ont été proposées. Ces méthodes ont permis d’estimer le tenseur de diffusivité thermique selon les axes principaux d’anisotropie, mais aussi hors des axes du repère de l’image, où il est possible de déterminer l’orientation des axes d’anisotropie, lorsque le transfert de chaleur s’effectue hors des axes du repère de l’image. Ces méthodes ont permis d’obtenir des résultats intéressants comptetenu de leur simplicité. De plus, elles ont permis d’obtenir des cartographies de diffusivités thermiques dans le plan car, comparées aux autres méthodes, elles permettent d’obtenir des estimations du tenseur de diffusivité thermique localement grâce à l’obtention d’une cartographie de flux thermique surfacique via le scanner optique laser. / Nowadays, composite materials are widely used in the aeronautic and aerospace industries because of their high mechanical resistance. However, they have a large heterogeneity due to the fiber and matrix they are made of. In this way, for many years, the TIC team «Thermal Imaging Fields and Characterization » from TREFLE department of I2M laboratory develops methods to measure thermal in-plane properties of heterogeneous materials such as inverses (integral transforms, double singular value decomposition…) or experimental (Flash, laser diode…) methods. The recent progress made in optical control, lasers and infrared (IR) cameras enables the development of a new scanning system (based on galvanometer-mirror) which allows the easy control of a laser hot spot spatial and temporal displacements over a plane surface. The low cost of laser diodes and optical control (galvanometric mirror) systems allows to develop a laser scanning system fixed on a test bench. We can revisit the different types of thermal excitation and realize infinite spatio-temporal combinations of thermal excitations by laser method. This is one of this thesis aims. New inverse methods based on the thermal response to an instantaneous point source heating, and temperature fields separability, have been proposed. These methods allow to estimate the thermal diffusivity tensor along the main axes of anisotropy, but also out of those axes, where it is possible to estimate the anisotropy axes orientation when the heat transfer takes place out of the image axes. These methods have produced interesting results in view of their simplicity. Moreover, they made it possible to obtain in-plane thermal diffusivities maps because, compared to the other methods, they allow to obtain, locally, thermal diffusivity tensor estimations by getting a surface heat flux map using the laser optical scanner.