CH710013A1

CH710013A1 - integrated flexible sensor for monitoring faults and alarm generation methods to signal detection.

Info

Publication number: CH710013A1
Application number: CH01272/14A
Authority: CH
Inventors: Bernard Revaz; Marc Lany; Frédéric Monnier; Gilles Santi; Enrico Gasparin
Original assignee: Sensima Inspection
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2014-08-25
Publication date: 2016-02-29

Abstract

L’invention concerne un capteur à courant de Foucault permettant de surveiller des fissures existantes ou des zones critiques dans des structures ou des pièces mécanique. Ce capteur comporte des bobines (5) et une électronique de mesure (4) associés sur un même substrat flexible. L’invention concerne également des méthodes de génération d’alarme à partir des mesures des bobines ainsi que de capteurs de position et/ou de force et/ou de contrainte (3) ainsi que des méthodes de filtrage des données fournies par le capteur à courant de Foucault en utilisant les données mesurées par les capteurs de position et/ou de force et/ou de contrainte.An eddy current sensor for monitoring existing cracks or critical areas in structures or mechanical parts. This sensor comprises coils (5) and a measurement electronics (4) associated on the same flexible substrate. The invention also relates to alarm generation methods from coil measurements as well as position and / or force and / or stress sensors (3) as well as data filtering methods provided by the sensor to the sensor. eddy current using the data measured by the position and / or force and / or stress sensors.

Description

[0001] La détection des défauts dans les structures ou les pièces mécaniques a pour but d’éviter la fracture de ces pièces et les conséquences pour les autres parties en prenant des mesures de réparation ou de remplacement des pièces incriminées. Pour juger de la nécessité d’une réparation ou d’un remplacement, une évaluation de la criticalité du défaut est requise, ce qui est difficile. De plus, il est parfois nécessaire de hiérarchiser les opérations de maintenance pour des raisons économiques ou logistiques. En conséquence, plus que la présence d’un défaut, c’est son activité et son évolution qui sont intéressantes pour évaluer le danger qu’il présente pour la structure ou la machine dans son ensemble. Les fissures de fatigue sont les défauts les plus dangereux parce qu’ils sont difficiles à déceler visuellement et que, passé une certaine taille critique, leur croissance devient très rapide et mène à la cassure de la pièce. Les capteurs à courant de Foucault donnent les meilleurs résultats pour la détection de tels défauts se trouvant à la surface du matériau. Dans l’état actuel des techniques d’inspection, une telle mesure nécessite l’envoi d’un inspecteur muni d’un matériel relativement lourd, ce qui représente un investissement conséquent, surtout s’il doit revenir souvent pour évaluer la progression. Là où cela est possible, il est donc souhaitable de mettre un tel capteur à demeure sur la structure, au-dessus du défaut et de recevoir les informations du capteur sur un serveur de manière régulière, par exemple 1 fois par heure. The detection of defects in structures or mechanical parts is intended to avoid the fracture of these parts and the consequences for the other parties by taking measures to repair or replace incriminated parts. To judge the need for repair or replacement, an assessment of the criticality of the defect is required, which is difficult. In addition, it is sometimes necessary to prioritize maintenance operations for economic or logistical reasons. Consequently, more than the presence of a defect, it is its activity and its evolution that are interesting to evaluate the danger that it presents for the structure or the machine as a whole. Fatigue cracks are the most dangerous defects because they are difficult to detect visually and, after a certain critical size, their growth becomes very fast and leads to breakage of the part. Eddy current sensors provide the best results for detecting such defects on the surface of the material. In the current state of inspection techniques, such a measure requires the sending of an inspector with relatively heavy equipment, which represents a significant investment, especially if he has to come back often to assess progress. Where possible, it is therefore desirable to put such a sensor permanently on the structure, above the fault and receive the sensor information on a server on a regular basis, for example 1 time per hour.

[0002] La technique de détection de fissures à base de courants de Foucault a fait ses preuves dans le domaine du contrôle non-destructif (CND). La miniaturisation des composants électroniques, la baisse de leur consommation électrique, ainsi que le développement de plusieurs systèmes de communication sans fil rendent possible la réalisation d’un capteur autonome, suffisamment petit pour être fixé ou collé sur la structure à monitorer. [0002] The technique for detecting cracks based on eddy currents has proved its worth in the field of non-destructive testing (NDT). The miniaturization of electronic components, the reduction of their electrical consumption, as well as the development of several wireless communication systems make possible the realization of an autonomous sensor, small enough to be fixed or glued on the structure to be monitored.

[0003] Les bobines sur circuits imprimés flexibles sont utilisées depuis quelque temps dans le domaine du CND avec succès pour les situations où il est nécessaire de se conformer à une surface à géométrie variable. The flexible printed circuit coils have been used for some time in the field of CND successfully for situations where it is necessary to comply with a variable geometry surface.

[0004] Dans l’état de l’art actuel, un système de mesure (ou d’inspection) à courants de Foucault requiert la présence d’un opérateur au moment de la mesure et d’un ensemble d’appareil totalisant un volume de l’ordre du décimètre cube et un poids de l’ordre du kilogramme. Ce qui complique l’application de cette technique aux endroits difficiles d’accès ou aux mesures de phénomènes lents tels que l’évolution d’une fissure de fatigue. In the state of the art, a measuring system (or inspection) eddy current requires the presence of an operator at the time of measurement and a set of device totaling a volume of the order of the cubic decimetre and a weight of the order of one kilogram. This complicates the application of this technique to hard-to-reach places or to slow-motion measurements such as the evolution of a fatigue crack.

[0005] L’invention consiste en une série de capteurs à courant de Foucault (appelés en anglais «Eddy current», «EC») ainsi que l’électronique d’acquisition et d’analyse de signal montés sur un circuit imprimé (appelé en anglais «Printed Circuit Board», «PCB») flexible ou flexible-rigide (1). Elle est destinée à être montée ou collée pour une longue période allant de quelques jours à quelques années sur une structure dont le matériau a des propriétés électriques conductrices et éventuellement magnétique (typiquement une structure métallique) que l’on souhaite monitorer, par exemple un pont, un élément de construction ou un élément d’une machine (11). Elle est positionnée sur un défaut existant (par exemple fissure de fatigue) ou à un endroit où un tel défaut est susceptible d’apparaître (zone critique) (8). Son but est de mesurer l’évolution du défaut. De plus, elle contient un ou plusieurs capteurs supplémentaires permettant de connaître les variations environnementales pouvant affecter la mesure à courant de Foucault; dans l’exemple présenté ici, il s’agit d’un accéléromètre permettant de connaître l’état de vibration, suivant les circonstances, il pourrait être remplacé ou complété par un capteur de température, un capteur de position ou des dérivées temporelles’ ou spatiales de celle-ci (par ex. vitesse), de force ou de contrainte (3). The invention consists of a series of eddy current sensors (called in English "Eddy current", "EC") and the electronics for acquisition and analysis of signal mounted on a printed circuit (called in English "Printed Circuit Board", "PCB") flexible or flexible-rigid (1). It is intended to be mounted or glued for a long period ranging from a few days to a few years on a structure whose material has conductive and possibly magnetic electrical properties (typically a metal structure) that one wishes to monitor, for example a bridge , a construction element or an element of a machine (11). It is positioned on an existing defect (for example fatigue crack) or in a place where such a defect is likely to appear (critical zone) (8). Its purpose is to measure the evolution of the defect. In addition, it contains one or more additional sensors to know the environmental variations that may affect the eddy current measurement; in the example presented here, it is an accelerometer to know the vibration state, depending on the circumstances, it could be replaced or supplemented by a temperature sensor, a position sensor or time derivatives' or space (eg speed), force or stress (3).

[0006] La partie courant de Foucault consiste en <tb>1.<SEP>Une série de bobines inductives imprimées sur un PCB flexible disposées en ligne ou matrice (2). L’ensemble de ces bobines fait quelques centimètres carrés. Dans l’exemple, il y a 4 bobines disposées en ligne. <tb>2.<SEP>En général, les bobines sont identiques, mais suivant les problèmes, un mélange de plusieurs types est possible <tb>3.<SEP>Chaque bobine (5) a les caractéristiques suivantes <tb><SEP>a)<SEP>Une fenêtre prédécoupée (6) en son centre ou sur les côtés de celle-ci pour permettre de voir la structure métallique en dessous et le défaut, s’il existe ou une marque de positionnement. La taille de cette fenêtre est de quelques millimètres carrés <tb><SEP>b)<SEP>Une forme adaptée à la mesure de l’évolution de la longueur du défaut. Dans l’exemple, la bobine est rectangulaire avec le long axe destiné à être aligné avec la direction de propagation de la fissure. D’autres formes sont cependant possibles, par exemple: <tb><SEP><SEP>i)<SEP>Circulaire (par ex. si une mesure indépendante de la direction est souhaitable) <tb><SEP><SEP>ii)<SEP>Rectangulaire avec le long axe orienté perpendiculairement à la direction de propagation de la fissure (par ex. pour maximiser la probabilité que la bobine soit traversée lors de la croissance du défaut si la direction de propagation n’est pas connue) <tb><SEP>c)<SEP>Les différentes couches du PCB peuvent être utilisées pour augmenter le nombre de tours et l’inductance de la bobine. En l’état actuel, seules les couches supérieure et inférieure sont utilisées pour conserver une flexibilité suffisante du PCB. <tb><SEP>d)<SEP>Bobinage en spirale pour maximiser le nombre de tours <tb>4.<SEP>Des marques de découpage (prédécoupage) sont placées entre les bobines de manière à pouvoir les séparer pour positionner chacune indépendamment si la situation l’exige (7). Ceci permet d’avoir des éléments sensibles (bobines) qui peuvent être positionnés indépendamment tout en restant électriquement connectés. <tb>5.<SEP>L’arrangement des bobines permet de suivre avantageusement la propagation d’une fissure. Pour cela, une des 2 bobines centrales est centrée sur la tête de la fissure (9) dont on veut surveiller la propagation à l’aide des fenêtres prédécoupées. La ligne des bobines est alors alignée sur la direction de oronasation nrévue de la fissure. <tb>6.<SEP>Le signal généré par les capteurs à courant de Foucault contient beaucoup plus d’information que la longueur de celui-ci, en particulier les propriétés magnétiques des matériaux, ces capteurs à courant de Foucault peuvent être utilisés pour mesurer de tels effets, par exemple la modification des propriétés magnétiques locales provoquées par les contraintes locales, en particulier pour détecter un précurseur à une fissure. <tb>7.<SEP>Une bobine de référence (10) peut être placée dans une zone non critiqueThe common part of Foucault consists of <tb> 1. <SEP> A series of inductive coils printed on a flexible PCB arranged in line or array (2). All of these coils are a few square centimeters. In the example, there are 4 coils arranged in line. <tb> 2. <SEP> In general, the coils are identical, but depending on the problem, a mixture of several types is possible <tb> 3. <SEP> Each coil (5) has the following characteristics <tb> <SEP> a) <SEP> A pre-cut window (6) at its center or on the sides of it to allow to see the metal structure underneath and the defect, if it exists or a positioning mark . The size of this window is a few square millimeters <tb> <SEP> b) <SEP> A form suitable for measuring the evolution of the fault length. In the example, the coil is rectangular with the long axis to be aligned with the direction of propagation of the crack. Other forms are however possible, for example: <tb> <SEP> <SEP> i) <SEP> Circular (eg if independent measurement of direction is desirable) <tb> <SEP> <SEP> ii) <SEP> Rectangular with the long axis oriented perpendicular to the propagation direction of the crack (eg to maximize the probability that the coil will be traversed during the growth of the defect if the direction of propagation is not known) <tb> <SEP> c) <SEP> The different layers of the PCB can be used to increase the number of turns and the inductance of the coil. As it stands, only the top and bottom layers are used to maintain sufficient flexibility of the PCB. <tb> <SEP> d) <SEP> Spiral winding to maximize the number of turns <tb> 4. <SEP> Cutting marks (pre-cut) are placed between the rolls so that they can be separated to position each one independently if the situation requires it (7). This makes it possible to have sensitive elements (coils) which can be positioned independently while remaining electrically connected. <tb> 5. <SEP> The arrangement of the coils makes it possible to advantageously follow the propagation of a crack. For this, one of the two central coils is centered on the head of the crack (9) which one wants to monitor the propagation using precut windows. The line of the coils is then aligned with the oronation direction of the crack. <tb> 6. <SEP> The signal generated by eddy current sensors contains much more information than the length of the eddy current, especially the magnetic properties of the materials, these eddy current sensors can be used to to measure such effects, for example the modification of the local magnetic properties caused by the local stresses, in particular for detecting a precursor at a crack. <tb> 7. <SEP> A reference coil (10) can be placed in a non-critical area

[0007] La partie sensible contient également un ou plusieurs capteurs additionnels avec des marques de découpage pour pouvoir les positionner indépendamment. Dans l’exemple présenté, le capteur supplémentaire est un accéléromètre permettant de corréler les mesures courant de Foucault avec les vibrations dans la structure. D’autres capteurs peuvent être ajoutés sur le même principe, par exemple un capteur de température pour permettre une compensation de la réponse des bobines en fonction de la température. The sensitive part also contains one or more additional sensors with cutting marks to be able to position them independently. In the example presented, the additional sensor is an accelerometer for correlating the eddy current measurements with the vibrations in the structure. Other sensors can be added on the same principle, for example a temperature sensor to allow compensation of the response of the coils according to the temperature.

[0008] L’électronique d’acquisition et de traitement du signal se trouve à l’autre bout des pistes de connexion sur le même PCB. Cette partie du PCB peut être rigide (dans le cas d’un PCB flexible-rigide). Elle est prévue pour être surmoulée de manière à protéger les éléments sensibles, mais elle pourrait être montée dans un boîtier adéquat. De plus, elle pourrait être montée sur un ou plusieurs PCBs indépendants avec un connecteur pour relier la partie sensible. Elle consiste en: <tb>1.<SEP>Une ou plusieurs unités de génération du signal d’excitation <tb>2.<SEP>Une unité d’acquisition du signal par bobine <tb>3.<SEP>Une unité de multiplexage pour l’excitation et/ou la lecture du signal permettant d’adresser les différentes bobines <tb>4.<SEP>Un microcontrôleur pour commander les différentes unités et pour effectuer les opérations d’agrégation des données et de traitement du signal avec une mémoire permanente permettant de stocker le micro-logiciel embarqué (firmware) nécessaire au fonctionnement du capteur ainsi que les éventuelles données de calibration nécessaire au traitement du signal. Le microcontrôleur est capable de se mettre en veille profonde entre les périodes de mesure afin d’économiser l’énergie. <tb>5.<SEP>Une unité de communication (par ex. port USB) pour connecter à un ordinateur qui peut aussi être utilisée comme connexion à une source d’alimentation <tb>6.<SEP>Une unité d’alimentation (par ex. batterie, panneau solaire) <tb>7.<SEP>Une unité de mesure de temps permettant d’envoyer des puises électriques au microcontrôleur avec une période paramétrable afin de le réactiver (le sortir de la veille profonde) à intervalles réguliersThe acquisition electronics and signal processing is at the other end of the connection tracks on the same PCB. This part of the PCB can be rigid (in the case of a flexible-rigid PCB). It is intended to be overmoulded to protect sensitive elements, but it could be mounted in a suitable housing. In addition, it could be mounted on one or more independent PCBs with a connector to connect the sensitive part. It consists of: <tb> 1. <SEP> One or more units for generating the excitation signal <tb> 2. <SEP> A coil signal acquisition unit <tb> 3. <SEP> A multiplexing unit for the excitation and / or the reading of the signal making it possible to address the different coils <tb> 4. <SEP> A microcontroller to control the different units and to carry out the data aggregation and signal processing operations with a permanent memory for storing the embedded firmware (firmware) required for the sensor operation as well as any calibration data needed for signal processing. The microcontroller is able to go into deep sleep between measurement periods to save energy. <tb> 5. <SEP> A communication unit (eg USB port) to connect to a computer that can also be used as a connection to a power source <tb> 6. <SEP> A power supply unit (eg battery, solar panel) <tb> 7. <SEP> A time measurement unit that sends electrical pulses to the microcontroller with a configurable period of time to reactivate it (remove it from deep sleep) at regular intervals

[0009] Ces différentes unités peuvent être regroupées sur une puce (chip) ou réparties sur plusieurs. These different units can be grouped on a chip or spread over several.

[0010] De plus, elle contient une ou plusieurs des unités suivante: <tb>1.<SEP>Une unité de stockage de donnée (par ex. un lecteur de mémoire flash qui peut être une carte microSD) <tb>2.<SEP>Une unité de communication ethernet (type filaire, RJ-45 ou sans fil, Wifi) <tb>3.<SEP>Une unité de communication sans fil (radio) de type Bluetooth ou autre <tb>4.<SEP>Une unité de communication sans fil pour les réseaux de téléphonie mobile (par ex. GSM)In addition, it contains one or more of the following units: <tb> 1. <SEP> A data storage unit (eg a flash memory drive that can be a microSD card) <tb> 2. <SEP> An ethernet communication unit (wired, RJ-45 or wireless type, Wifi) <tb> 3. <SEP> A wireless communication unit (radio) of the Bluetooth or other type <tb> 4. <SEP> A wireless communication unit for mobile networks (eg GSM)

[0011] La connexion entre les capteurs – c’est à dire la partie sensible composée des bobine à courant de Foucault et des capteurs additionnels – et l’électronique est une succession de pistes avec les marques de découpe sur le même PCB flexible que la partie sensible et pouvant se terminer par un connecteur. La longueur de cette bande de connexion est typiquement de quelques centimètres à un mètre en fonction des besoins. Dans l’exemple présenté, toutes les parties décrites ci-dessus sont sur un même PCB et donc sans connecteur et la bande de connexion fait 10 cm. L’absence de connecteur permet d’assurer l’étanchéité du système et donc permettre son utilisation en extérieur, soumis aux intempéries, voire sous l’eau, les parties électroniques sensibles étant dans ce cas encapsulées dans une résine (surmoulage). Pour ces cas, les ports physiques de communication USB ou ethernet, ainsi que l’accès au lecteur de carte mémoire flash peuvent être optionnels. The connection between the sensors - that is to say the sensitive part composed of eddy current coil and additional sensors - and the electronics is a succession of tracks with the cutting marks on the same flexible PCB as the sensitive part and ending with a connector. The length of this connection strip is typically a few centimeters to one meter depending on the needs. In the example presented, all the parts described above are on the same PCB and therefore without a connector and the connection band is 10 cm. The absence of connector makes it possible to ensure the tightness of the system and thus to allow its use outdoors, subjected to the weather, or even under water, the sensitive electronic parts being in this case encapsulated in a resin (overmoulding). For these cases, physical USB or Ethernet communication ports, as well as access to the flash card reader, may be optional.

[0012] Le micro-logiciel embarqué agrège les données des différents types de capteurs. Il gère les différents composants électroniques ainsi que les configurations de mesure. Il effectue tout ou partie des tâches de traitement du signal, en particulier les analyses de corrélation entre les informations venant de Paccéléromètre et/ou dz capteur de température et les signaux provenant des capteurs à courant de Foucault. Il peut être complété par un logiciel d’analyse de données tournant sur un ordinateur externe. Il est responsable du stockage des données sur l’éventuelle carte mémoire, du transfert des données vers un serveur à travers une des interfaces de communication. Il peut optionnellement être capable de recevoir les paramètres de configuration de la mesure à distance par une des unités de communication. Il est également responsable de la gestion de l’énergie et en particulier de mettre le capteur en veille profonde après chaque séquence de mesure. The onboard firmware aggregates the data of different types of sensors. It manages the various electronic components as well as the measurement configurations. It performs all or part of the signal processing tasks, in particular the correlation analyzes between the information from the accelerometer and / or the temperature sensor and the signals from the eddy current sensors. It may be supplemented by data analysis software running on an external computer. It is responsible for storing data on the possible memory card, the transfer of data to a server through one of the communication interfaces. It may optionally be able to receive the configuration parameters of the remote measurement by one of the communication units. He is also responsible for the management of energy and in particular to put the sensor in deep sleep after each measurement sequence.

[0013] Par rapport à l’état de l’art décrit ci-dessus, l’invention présentée apporte les innovations suivantes: <tb>1.<SEP>L’intégration du système d’acquisition et de traitement de données au capteur lui-même grâce à une utilisation judicieuse de la miniaturisation de l’électronique <tb>2.<SEP>L’adaptation au problème spécifique de la surveillance d’un défaut existant ou d’une zone critique à l’aide de la flexibilité du capteur et des fenêtres de positionnement placées aux endroits clés sur la partie sensible (typiquement au centre des bobines utilisées par les capteurs à courant de Foucault. <tb>3.<SEP>La possibilité du stockage des données en interne ou leur envoi instantané vers un serveur via les moyens de communication sans fil <tb>4.<SEP>L’intégration de capteurs sensibles aux données environnementales (par ex, vibrations, température) pouvant affecter la mesure à courants de Foucault ainsi que leur utilisation dans le traitement des donnéesCompared to the state of the art described above, the invention presented brings the following innovations: <tb> 1. <SEP> The integration of the data acquisition and processing system with the sensor itself through the judicious use of the miniaturization of electronics <tb> 2. <SEP> Adaptation to the specific problem of monitoring an existing defect or critical area using sensor flexibility and positioning windows placed at key locations on the sensitive part (typically at the center of the coils used by eddy current sensors. <tb> 3. <SEP> The possibility of internally storing data or sending it instantly to a server via the wireless communication means <tb> 4. <SEP> The integration of sensors sensitive to environmental data (eg vibration, temperature) that may affect eddy current measurement and their use in data processing

Légende des figuresLegend of figures

[0014] <tb>Fig. 1 :<SEP>Description des blocs fonctionnels du capteur <tb>Fig. 2 :<SEP>Exemple typique d’implémentation avec 4 capteurs courant de Foucault en ligne <tb>Fig. 3 :<SEP>Schéma bloc de l’électronique de mesure <tb>Fig. 4 :<SEP>Exemple d’utilisation du capteur flexible en ligne <tb>Fig. 5 :<SEP>Exemples d’utilisation du capteur sur des fissures ou zones critiques courbées <tb>Fig. 6 :<SEP>Exemple de positionnement de bobines sur un élément structurel.[0014] <Tb> Fig. 1: <SEP> Description of Sensor Function Blocks <Tb> Fig. 2: <SEP> Typical implementation example with 4 eddy current sensors online <Tb> Fig. 3: <SEP> block diagram of the measurement electronics <Tb> Fig. 4: <SEP> Example of using the flexible sensor online <Tb> Fig. 5: <SEP> Examples of sensor usage on cracks or critical critical areas <Tb> Fig. 6: <SEP> Example of positioning of coils on a structural element.

Claims

1. Sensor for monitoring faults or critical zones by eddy currents, characterized in that it comprises a plurality of coils associated with a measurement electronics on the same flexible substrate.

2. Device according to claim 1 wherein the flexible substrate is pre-cut so as to reposition the coils relative to each other.

3. Device according to claim 1 comprising a position sensor or temporal or spatial derivatives thereof (speed, acceleration, shock, ...) or force or stress.

4. Device according to claim 1 comprising an opening in the center of the coils for precise placement relative to an existing crack or a mark indicating a critical zone.

5. Device according to claim 1 comprising a sensor for measuring the temperature.

6. Device according to claim 1 comprising coils of different geometries.

7. Device according to claim 1 comprising circular coils and elongate coils.

8. Device according to claim 1 provided with a wireless communication module.

9. Device according to claim 1 for a measurement of the resistance of one or more coils constant current.

10. (4û) Device according to claim 1 wherein all the components of the measurement electronics are arranged on the same face of the substrate

11. Device according to claim 11 coated on the component-free face of a ready-to-use adhesive covered with a protective strip.

12. Device according to claim 1 characterized in that the area of the substrate comprising the electronic components is stiffened.

13. A method of generating an alarm using one or more devices according to claim 1, characterized in that the alarm is triggered when the complex impedance of one or more coils enters a predefined area of the impedance plane.

A method of generating an alarm using one or more devices according to claim 1, characterized in that the alarm is triggered when the complex impedance difference between a reference coil and another coil exceeds a predefined value.

15. A method of generating an alarm using one or more devices according to claim 3, characterized in that the alarm is triggered when the impedance variation of one or more coils during a change of position measured by the Position sensor, force sensor or strain gauge exceeds a predefined threshold.

16. A method of generating an alarm using one or more devices according to claim 3, characterized in that the alarm is triggered when the variation of the impedance difference between a reference coil and one or more other coils when a position change measured by the position, force or strain gauge sensor exceeds a predefined threshold.

17. Data filtering method using the position, force or constraint sensor to select a time zone in the data.

18. Data filtering method using the position, force or constraint sensor to select a time zone in the data to weight the eddy current sensor data.