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11
Aspects expérimentauxdu contrôle non destructif par courants de Foucault
Yann Le Bihan
Laboratoire de Génie Electrique de ParisGif-sur-Yvette
CNRS UMR 8507 – Supelec – Université Pierre et Marie Curie – Université Paris-Sud 11
3ème Colloque sur l’Inductique, Université Mouloud MAMMERI, 23 - 25 Avril 2013
22
• Contrôle non destructif par courants de Foucault• Contrôle non destructif (CND)• CND par courants de Foucault (CF)
• Dispositif expérimental• Structures de sondes• Types d’excitation• Instrumentation en régime harmonique
• Correction des mesures• Comportement en fréquence d’une bobine• Prise en compte de la chaîne de mesure
• Exemple d’application• Correction et étalonnage des mesures• Comparaison mesures-simulations
• Conclusions
Plan
33
CND
Le Contrôle non destructif (CND)Caractérisation de l'état d'une pièce ou d'un matériau sans porter
atteinte à son intégrité :- détection et caractérisation de défauts(fissure, délaminage…)- mesure de paramètres dimensionnels ou constitutifs (épaisseur, état de contraintes…)
Répond à des enjeux de sécurité, disponibilité, coûts…
Différents domaines d’application : transport, énergie…
Fissuration
Contrôle dimensionnel
44
Excitation
Emetteur Récepteur
Pièce contrôlée
Réponse
Différentes techniques : ultrasons, radiographie, thermographie, courants de Foucault, micro-ondes, …
Principe du CND
CND
Génération par un émetteur d’un signal qui est perturbé par la pièce à contrôler
un récepteur permet de recueillir la réponse due à la pièce
55
Excitation
Emetteur Récepteur
Pièce contrôlée
Réponse
Différentes techniques : ultrasons, radiographie, thermographie, courants de Foucault, micro-ondes, …
Principe du CND
CND
Génération par un émetteur d’un signal qui est perturbé par la pièce à contrôler
un récepteur permet de recueillir la réponse due à la pièce
(milieux conducteurs)
66
Excitation
Emetteur Récepteur
Pièce contrôlée
Réponse
Principe du CND
CND
Génération par un émetteur d’un signal qui est perturbé par la pièce à contrôler
un récepteur permet de recueillir la réponse due à la pièce
Différentes techniques : ultrasons, radiographie, thermographie, courants de Foucault, micro-ondes, …(milieux conducteurs)
Sonde
77
Technologies pour l’excitation et la réception
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Emetteur :(induction des CF)
• Bobine enroulée
• Bobine gravée
Récepteur : • Bobine
• Capteur de champ (directement sensible au champ)
(GMR, GMI, Fluxgate…)
Fréquence
BobineSensibilité
Capteur de champ
Circuit magnétique
K×f
K1+j2πfτ
dtdΦ e −=
BF HF
88
Différents types de sondes
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
à fonction double absolue
Sonde
r∼RéceptionSource
Emission
à fonctions séparées absolue
Sonde
r∼RéceptionSource
à fonctions séparées différentielle
Emission
à fonction double différentielle (pont)
Sonde
r∼
Réception
Source
Emission
Sonde
∼RéceptionSource
Emission
r r
ER
ER
IV
EIVR
EIVRΔ
ER
E
IV RΔ
99
Types d’excitationHarmonique : source (V ou I) sinusoïdale (100 Hz < fréquence < 10 MHz)
Pulsée : source (V ou I) impulsionnelle (impulsion : carré, sinus…)
t
t
• excitation et réception assez simples à réaliser
• possibilité de faire du mutifréquence
(séquentiel ou parallèle)
• le plus courant
• spectre très riche en fréquence
• excitation et réception plus complexe à réaliser
• moins répandu
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
1010
SondeF.T. =
M.exp(jϕ)∼
EmissionRéception
×
-π/2
cos(ωot)
Détection synchrone (régime harmonique)
×
M.cos(ωot+ϕ)
sin(ωot)
Calculateur
M.cos(ϕ) = R
M.sin(ϕ) = I
M
ϕ
Environnement électromagnétique
Source
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
1111
Détection synchrone : Réalisation
Réalisation analogique ou mixte
Réalisation numérique Conversion analogique→numérique
puis traitement numérique du signal
Appareil CF ou analyseur BF
DISPOSITIF EXPERIMENTAL
Multiplieur analogique, ampli-op, oscillateur, conditionneur LVDT …
Instrumentation en régime harmonique
1212
Comportement d’une bobine
Réalité Modélisation (analytique, MEF…)
j0
bob0 S
NI j =
• Bobine de N spires (uniformément distribuées)
• Fils de cuivre Résistance
• couplages capacitifs interspires, entre spires et environnement
Capacité
• Densité de courant uniforme dans la section de la bobine
• milieu non conducteur (pas d’ effet de peau)
• modélisation magnétodynamique (pas d’effet capacitifs)
N spiresCourant I
CORRECTION DES MESURES
100 101 102 103 104 10510-2
100
102
104
Bobine (33 spires): Module
|Z| (
ohm
s)
100 101 102 103 104 105-100
-50
0
50
100Bobine (33 spires): Phase
Fréquence (kHz)
Arg(
Z) (°
)
Nombre de spires
Hauteur(mm)
Rayon externe (mm)
Rayon interne(mm)
33 1.45 4.34 2.42
1313
Réponse en fréquence
Exemple :
Bobine idéale (Lω)
Bobine idéale (π/2)
RL C
Plage d’utilisation
CORRECTION DES MESURES
100 101 102 103 104 10510-2
100
102
104
Bobine (33 spires): Module
|Z| (
ohm
s)
100 101 102 103 104 105-100
-50
0
50
100Bobine (33 spires): Phase
Fréquence (kHz)
Arg(
Z) (°
)
RL
C
1414
Modèle équivalent (simplifié)
Plage d’utilisation
L
R
C
CORRECTION DES MESURES
1515
Influence des câbles et de la connectique
r I1l
g c
I2
V1 V2
Instrument de mesureSonde (double fonction)
Câbles
Pièce
Mesuré
Recherché
CORRECTION DES MESURES
1616
Correction des mesuresEtalonnage : présentation d’étalons
Instrument de mesure
Câbles
Compensation : Détermination de lois de correction sans utilisation d’étalons et sans ouvrir le circuit
CC CO charge
Nécessité de disposer d’étalons et de pouvoir les présenter dans le plan d’étalonnage
Plan d’étalonnage
Plan de mesure
Extrémité des câbles non accessibles, étalons indisponibles, prise en compte effet capacitif bobine …
CORRECTION DES MESURES
1717
Sonde à double fonction :
Sonde à fonctions séparées :
SondeCâbles et
connectiqueR
∼Source M MesureE R
SondeCâbles et
connectiqueE/R
∼Source MMesure
E/R
Correction des mesures
Câbles et connectique
E
CORRECTION DES MESURES
1818
Contrôle de petits défauts
APPLICATION
FissureSonde
Bobine
Noyau magnétique
(déplacement)
Paramètres de la sonde :Diamètre noyau: 0.8 mmHauteur noyau : 4 mmDiamètre externe bobine : 1.2 mmHauteur bobine : 1.4 mmNombre de spires : 110
Grandeur de sortie : impédance de la bobineFréquence : 2 MHz
Paramètres de la pièce :Conductivité : 0.76 MS/mépaisseur : 3 mm
Variation du signal CF due au défaut
(ΔZ)Paramètres de
la sonde MEFChamp
électrique incident
Signal CF sans défaut (Z)
MIF
Paramètres de la pièce(plaque, tube) Paramètres de la fissure
Sans défaut Avec défaut
Modélisation :
1919
Validation expérimentale
Défauts :
15 entailles distribuées selon :- 5 longueurs : 800 µm, 600 µm, 400 µm, 200 µm, 100 µm- 3 profondeurs : 400 µm, 200 µm, 100 µm- Ouverture : 100 µm
Dispositif expérimental :
- Sonde CF- Analyseur d’impédance 4192A- Robot 3 axes- Cale avec défauts étalons
Dispositif expérimental
APPLICATION
2020
Correction des effets capacitifs
Hypothèse : R0 et L0 (résistance et inductance à vide) identiques en BF qu’à la fréquence de travail (f = 2 MHz).
Détermination de R0 et L0 par une mesure BF à vide (Rcables >> R0)
Mesure de l’impédance Zm de la sonde à vide à f = 2 MHz
Ym = Yp + Y0 on en déduit : Yp = Ym - Y0 (Y0-1= Z0 = R0 + jL0ω)
Loi de correction :
APPLICATION
Instrument de mesure
SondeCâbles
Pièce
L
R
CbobCcablesRcables
Zp Z
Instrument de mesure
(utile)(parasite)
Zm (totale)
Ycorrigé = Ymesuré - Yp Effet de la correction : 10% sur R, 5% sur L
2121
Estimation du lift-off (distance sonde-pièce)
APPLICATION
• La conductivité est bien connue (mesurée)
• La valeur du lift-off est imparfaitement connue
Estimation par minimisation de l’écart entre expérimentation et calcul pour le cas
d’une pièce sans défaut
10 15 20 25 30 35 40 45 503
4
5
6
7
8
9
10
Lift-off estimé à 17 µm
Lift-off (µm)
(%) alc
alcxp
c
ce
ΔZΔZΔZ −
(ΔZ dû à la présence de la pièce)
2222
Comparaison calcul/expérimentation
APPLICATION
800 µm (longueur) × 400 µm (profondeur)
200 µm (longueur) × 200 µm (profondeur)
400 µm (longueur) × 200 µm (profondeur)
100 µm (longueur) × 200 µm (profondeur)
– : Calcul× : Mesures
Partie ImaginairePartie réelle
Fissure
|Zi| = 500 Ω
2323
APPLICATION
Partie réelle
Partie réelle
Partie imaginaire
Partie imaginaire
Calcul
Expérimentation
Comparaison calcul/expérimentationEntaille : 400 µm (longueur) × 200 µm (profondeur)
2424
La technique et l’instrumentation CF reposent sur un principe simple
Différentes structures de sondes mais un même principe de mesure
Différences modèle / réalité (effets capacitifs…)
Il peut être nécessaire de mettre en œuvre des procédures de correction des mesures
Conclusions
252525
Merci pour votre attention