aspects expérimentaux du contrôle non destructif par courants...

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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

http://www.supelec.fr/

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



(milieux conducteurs)

66

Excitation

Emetteur Récepteur

Pièce contrôlée

Réponse

Principe du CND

CND



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


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


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


1111

Détection synchrone : Réalisation

Réalisation analogique ou mixte

Réalisation numérique Conversion analogique→numérique

puis traitement numérique du signal

Appareil CF ou analyseur BF


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


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


1515

Influence des câbles et de la connectique

r I1l

g c

I2

V1 V2

Instrument de mesureSonde (double fonction)

Câbles

Pièce

Mesuré

Recherché


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 …


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


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


SondeCâbles

Pièce

L

R

CbobCcablesRcables

Zp Z


(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)




– : 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

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