CH710013A1 - Capteur flexible intégré pour la surveillance de défauts et méthodes de génération d'alarme pour signaler leur détection. - Google Patents

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.

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.

[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.

[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.

[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.

[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).

[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 critique

[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.

[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 réguliers

[0009] Ces différentes unités peuvent être regroupées sur une puce (chip) ou réparties sur plusieurs.

[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)

[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.

[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.

[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 données

Légende des 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.

Claims (18)

1. Capteur de surveillance de défauts ou de zones critiques par courants de Foucault, caractérisé en ce qu’il comporte une pluralité de bobines associées à une électronique de mesure sur un même substrat flexible.

2. Dispositif suivant la revendication 1 dans lequel le substrat flexible est prédécoupé de sorte à pouvoir repositionner les bobines les unes par rapport aux autres.

3. Dispositif suivant la revendication 1 comprenant un capteur de position ou de dérivées temporelles ou spatiales de celle-ci (vitesse, accélération, choc,...) ou de force ou de contrainte.

4. Dispositif suivant la revendication 1 comprenant une ouverture au centre des bobines permettant un placement précis relativement à une fissure existante ou à une marque indiquant une zone critique.

5. Dispositif suivant la revendication 1 comprenant un capteur de mesure de la température.

6. Dispositif suivant la revendication 1 comprenant des bobines de géométries différentes.

7. Dispositif suivant la revendication 1 comprenant des bobines circulaires ainsi que des bobine allongées.

8. Dispositif suivant la revendication 1 muni d’un module de communication sans fil.

9. Dispositif suivant la revendication 1 permettant une mesure de la résistance d’une ou plusieurs bobines à courant constant.

10. (4û) Dispositif suivant la revendication 1 où tous les composants de l’électronique de mesure sont disposés sur une même face du substrat

11. Dispositif suivant la revendication 11 recouvert sur la face exempte de composants d’un adhésif prêt à l’emploi recouvert d’une bande de protection.

12. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la zone du substrat comportant les composants électroniques est rigidifiée

13. Méthode de génération d’une alarme utilisant un ou plusieurs dispositifs suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l’alarme est déclenchée lorsque l’impédance complexe d’une ou plusieurs bobines entre dans une zone prédéfinie du plan d’impédance.

14. Méthode de génération d’une alarme utilisant un ou plusieurs dispositifs suivant la revendication 1, caractérisée en ce que l’alarme est déclenchée lorsque la différence d’impédance complexe entre une bobine de référence et une autre bobine dépasse une valeur prédéfinie.

15. Méthode de génération d’une alarme utilisant un ou plusieurs dispositifs suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l’alarme est déclenchée lorsque la variation d’impédance d’une ou plusieurs bobines lors d’un changement de position mesuré par le capteur de position, de force ou la jauge de contrainte excède un seuil prédéfini.

16. Méthode de génération d’une alarme utilisant un ou plusieurs dispositifs suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l’alarme est déclenchée lorsque la variation de la différance d’impédance entre une bobine de référence et une ou plusieurs autres bobines lors d’un changement de position mesuré par le capteur de position, de force ou la jauge de contrainte excède un seuil prédéfini.

17. Méthode de filtrage des données utilisant le capteur de position, force ou contrainte pour sélectionner une zone temporelle dans les données.

18. Méthode de filtrage des données utilisant le capteur de position, force ou contrainte pour sélectionner une zone temporelle dans les données pour pondérer les données des capteurs à courants de Foucault.