FR2564585A1

FR2564585A1 - Appareil a mesurer une contrainte par procede electromagnetique

Info

Publication number: FR2564585A1
Application number: FR8503386A
Authority: FR
Inventors: Kenji Kashiwaya; Kunio Takeshita; Toshiyuki Ono; Masayuki Ito; Akiji Sugimura; Tetsuo Yamada
Original assignee: JAPANESE NATIONAL RAILWAYS HIT
Current assignee: JAPANESE NATIONAL RAILWAYS HIT
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1985-03-07
Publication date: 1985-11-22
Also published as: JPH04210B2; DE3508337A1; JPS60243526A; FR2564585B1

Abstract

DANS UN APPAREIL DE MESURE DE CONTRAINTE PAR VOIE ELECTROMAGNETIQUE SELON L'INVENTION, LA CONTRAINTE A LAQUELLE EST SOUMIS UN OBJET 4 A STRUCTURE MAGNETIQUE EST MESUREE EN DETECTANT UNE ANISOTROPIE MAGNETIQUE DE L'OBJET EN SE BASANT SUR LE FAIT QUE LE MAGNETISME DE L'OBJET EST MODIFIE PAR L'EFFET DE MAGNETOSTRICTION QUAND CET OBJET EST SOUMIS A UNE CONTRAINTE. CET APPAREIL COMPREND DES SONDES QUI SONT UTILISEES POUR CONSTRUIRE UN CIRCUIT MAGNETIQUE 5A, 5B, 5C, 5D DE DETECTION DE L'ANISOTROPIE MAGNETIQUE PAR CONTACT DIRECT AVEC L'OBJET ET QUI COMPRENNENT TROIS PORTIONS 2A, 2B, 2C D'EXTREMITE DES NOYAUX MAGNETIQUES DE DEUX ENROULEMENTS D'EXCITATION ET D'UN ENROULEMENT DE DETECTION, OU D'UN ENROULEMENT D'EXCITATION ET DE DEUX ENROULEMENTS DE DETECTION, DONT CHACUNE A LA FORME D'UN HEMISPHERE.

Description

APPAREIL A MESURER UNE CONTRAINTE PAR PROCEDE
ELECTROMAGNETIQUE
La présente invention concerne un appareil pour mesurer une contrainte par un procédé électromagnétique, conduisant même si la surface à mesurer du matériau (ou substance) magnétique de structures est courbe, à un résultat de mesure ayant une grande fiabilité et une grande reproductibilité puisqu'une extrémité d'un noyau magnétique d'un enroulement d'excitation et un enroulement de détection, c'est-à-dire une portion de sonde de cet appareil, est en contact étroit avec la surface du matériau magnétique de structures.

De façon classique, comme cela est décrit, par exemple, dans le "document MFG-83-87 du Groupe de Travail Magnétisme de la Société Electrique Japonaise, en date du 10 septembre 1983", on sait que l'on emploie un procédé simple et non destructif de mesure des contraintes pour mesurer une contrainte en détectant l'anisotropie magnétique du matériau magnétique de structures, par exemple de l'acier, provoquée par la contrainte. Tel qu'il est décrit dans le document ci-dessus, un capteur classique d'anisotropie magnétique tel celui qui est utilisé dans ce cas comprend deux paires d'enroulement d'excitation et d'enroulement de détection ayant chacun un noyau magnétique.Un circuit magnétique comprenant des enroulements d'excitation et des enroulements de détection est construit de manière que les extrémités de ces quatre noyaux magnétiques, qui sont placés dans un plan aux sommets respectifs d'un carré, ou dans un cas particulier d'un losange, soient en contact avec la surface du matériau de structure à mesurer.

Ainsi, Si la surface du matériau de structure à mesurer est plane, toutes les portions d'extrémité des moyaux magnétiques des enroulements peuvent être placées en contact étroit avec la surface du matériau de structure.

Mais, Si la surface du matériau de structure à mesurer est courbe, toutes les extrémités des noyaux ne peuvent pas nécessairement être placées en contact étroit avec la surface du matériau de structure. Ce cas pose un problème car les résultats obtenus manquent de fiabilité et de reproductibilité.

En conséquence, un objet de la présente invention consiste à proposer un appareil de mesure d'une contrainte par procédé électromagnétique grâce auquel les inconvénients de l'appareil déjà connu peuvent être supprimés et dans lequel une portion d'extrémité, plus précisément une sonde, d'un noyau magnétique peut toujours être amenée en contact étroit avec la surface d'un objet à mesurer, même si cette surface est courbe, ce qui permet d'obtenir ainsi un résultat fiable.

Pour réaliser objet ci-dessus selon la présente invention, trois enroulements à savoir deux enroulements d'excitation et un enroulement de détection ou un enroulement d'excitation et deux enroulements de détection, qui sont réalisés sur un substrat magnétique ayant une perméabilité magnétique élevée, sont employés pour détecter l'anisotropie magnétique de l'objet à mesurer. En employant ces trois enroulements, autrement dit trois noyaux magnétiques, les portions d'extrémité respectives ou sondes des trois noyaux magnétiques peuvent être amenées en contact étroit avec la surface de l'ob-jet à mesurer, même si la surface de cet objet est courbe. Dans ce cas, les portions d'extrémité des noyaux magnétiques sont usinées en forme d'hémisphère, afin de réaliser un contact étroit et régulier des portions d'extrémité des noyaux magnétiques avec la surface de l'objet.

La figure 1A est une vue avant illustrant une piece principale d'un appareil selon la présente invention qui comprend trois enroulements et trois sondes
la figure 1B est une vue en plan de la pièce principale de l'appareil
la figure 1C est une vue illustrant un enroulement d'excitation construit en connectant ensemble les enroule ment s 3A et 3C enroulés autour des noyaux 2A et 2C pour créer un flux magnétique 5a
la figure 1D est une vue illustrant une construction dans laquelle des flux magnétiques 5d, 5e sont respectivement créés sur deux trajets magnétiques d'un enroulement 3b enroulé autour d'un noyau 2b, servant d'enroulement d'excitation, ces trajets magnétiques etant perpendiculaires entre eux
la figure 2A est une vue schématique correspondant à la figure lC
la figure 2B est une vue schématique correspondant à la figure 1D
la figure 3A est une vue représentant un état dans lequel un couple de torsion est appliqué à un arbre servant d'objet
la figure 3B est une vue représentant un état dans lequel une contrainte principale est créé dans une direction à 450 par rapport à la contrainte de cisaillement
la figure 4 est une vue représentant un état dans lequel des sondes selon la présente invention sont mises en place pour la mesure en contact etroit avec l'arbre cidessus ;;
la figure 5 est une vue explicative illustrant un état dans lequel on mesure une contrainte axiale dans un rail au moyen d'un capteur d'anisotropie magnétique- et un champ magnétique perturbateur correspondant à ce cas
les figures 6, 7A et 7B et la figure 8 sont des vues expliquant la cause et l'effet du champ magnétique per turbateur ;
la figure 9 est une vue schématique représentant une pièce principale d'un autre mode de réalisation de la présente invention ; et
la figure 10 est une vue représentant un exemple de circuit de mesure de la contrainte axiale d'un rail utilisant un capteur d'anisotropie magnétique et en éliminant par un procédé électrique l'influence du champ magnétique perturbateur.

Il a été prouvé expérimentalement qu'une contrainte est proportionnelle à une perméabilité magnétique dans une limite élastique bien que cela n'ait pas été prouvé théoriquement de façon satisfaisante.

Un appareil de mesure des contraintes par procédé électromagnétique est construit en se basant sur le fait ci-dessus. Grâce à cet appareil, la direction de la contrainte est mesurée en détectant une direction dans laquelle un flux magnétique traverse facilement et une direction dans laquelle le flux magnétique traverse difficilement le matériau magnétique à mesurer, c'est- -dire en détectant une anisotropie magnétique-de ce matériau.

L'amplitude de la contrainte peut être mesurée puisque l'on obtient la différence de direction de la perméabilité magnétique comme résultat de mesure en ayant établi précédemment une relation entre la perméabilité magnétique et la contrainte sur une éprouvette de même matériau que le matériau magnétique à mesurer.

L'installation de deux enroulements respectifs d'excitation et de deux enroulements de détection qui détectent la différence des flux magnétiques créés par les enroulements d'excitation sur deux trajets magnétiques de directions différentes l'un de l'autre dans le matériau magnétique à mesurer est suffisante pour détecter l'anisotropie magnétique mais n'est pas nécessaire.

Les circuits magnétiques sur lesquels les flux magnétiques sont créés par deux enroulements dlexcitation sr deux trajets magnétiques différents l'un de l'autre, comprennent un seul noyau magnétique commun. Dans ce cas, la détection de l'anisotropie magnétique peut être réalisée par deux enroulements d'excitation et un enroulement de détection -n enroulant l'enroulement de détection autour du noyau magnétique précédent. De même, la détection de l'anisotropie magnétique peut être obtenue grâce à un seul enroulement d'excitation et à deux enroulements de détection.

De toute façon, la détection de l'anisotropie magnétique peut être effectuée selon la présente invention en employant trois enroulements, autrement dit trois noyaux magnétiques.

Ainsi, trois sondes qui constituent les portions d'extrémités des noyaux magnétiques peuvent être placées en contact étroit avec une surface courbe libre sauf s'il existe une zone limite sur cette surface.

L'invention va maintenant être décrite en se référant aux dessins annexés.

La figure 1A est une vue de face illustrant une pièce principale d'un appareil selon la présente invention qui comprend trois enroulements et trois sondes installés sur un substrat commun en matériau magnétique ayant une forte perméabilité magnétique. La figure 1B est une vue en plan de la pièce principale précédente. Sur les dessins, le numéro de référence 1 désigne un socle commun des noyaux constitué, par exemple de permalloy, par exemple, ou autres matériaux semblables, 2a, 2b et 2c désignent des noyaux fabriqués, par exemple en permalloy et 3a, 3b et 3c désignent des enroulements perpendiculaires au socle des noyaux 1 et placé sur les sommets respectifs d'un triangle rectangle isocèle situé dans un plan perpendiculaire en un certain point du noyau 2b.

La figure 1C est une vue illustrant un enroulement d'excitation construit en reliant les enroulements 3a et 3c, enroulés sur les noyaux 2a et 2c, pour créer un flux magnétique 5a. Sur les dessins, le numéro de référence 4 désigne un objet à mesurer, et les autres numéros de référence sont les mêmes que ceux des figures 1A et 1B.

Dans ce cas, les enroulements 3a et 3c créent non seulement le flux magnétique 5a, mais aussi le flux magnétique 5b et 5c sur des trajets magnétiques respectivement perpendiculaires entre eux. Lorsque l'anisotropie magnétique est créée, les valeurs ux et py de la perméabilité magnétique indiquées sur les dessins sont différentes. Ainsi, le flux magnétique correspondant à la différence des flux magnétiques 5b et 5c qui sont créés sur les deux trajets magnétiques circulent dans le noyau 2b de l'enroulement 3b. La différence est donc détectée par l'enroulement 3b.

La figure lD est une vue illustrant une construction dans laquelle les flux magnétiques respectifs 5d et 5e sont créés sur deux trajets magnétiques de l'enroulement 3b enroulé autour du noyau 2b servant d'enroulement d'excitation, et qui sont perpendiculaires entre eux. Lorsque l'objet à mesurer crée l'anisotropie magnétique, les valeurs px et py des perméabilités magnétiques deviennent différentes. Ainsi, dans ce cas, les flux magnétiques respectifs 5 et 5e sont détectés par les enroulements 3a et 3c. Ensuite, les deux résultats de la détection sont converyis électriquement et relativement retranchés l'un de l'autre.

Dans les méthodes de liaison ci-dessus, la position des sondes dans laquelle on détecte la sortie maximale des enroulements de détection correspondant à la différence entre les flux magnétiques créés sur deux circuits magnétiques se coupant à angle-droit, est déterminée en décalant pas à pas la position dans laquelle les sondes sont en contact étroit avec l'objet à mesurer. Dans ce cas, la mesure révèle que les contraintes principales se situent dans les deux directions des côtés symétriques du précédent triangle rectangle isocèle.

La figure 2A est une vue schématique correspondant à la figure lC. Sur cette figure, les enroulements 3a et 3c sont reliés à un oscillateur 8 et servent d'enroulements d'excitation. La sorti de l'enroulement de détection 3b est amplifiée par un amplificateur 9 et redressée par un démodulateur 10 synchronisé avec la tension de l'oscillateur 8.

La figure 2B est une vue correspondant à la figure 1D.

Sur cette figure, l'enroulement 3b est connecté à l'oscillateur 8 et joue le rible d'enroulement d'excitation. Les flux magnétiques créés sur les deux circuits magnétiques dont les directions sont perpendiculaires entre elles sont détectés par les enroulements 3a et 3c respectivement. La sortie VO correspondante est obtenue à travers l'amplifi- cateur 9 et le démodulateur 10.

La figure 3A est une vue représentant un état dans lequel un couple de torsion est appliqueà un arbre qui constitue l'objet à mesurer. De ce fait, comme l'indique la figure 3B, une contrainte maximale de cisaillement w1 est créée, et puis des contraintes principales a1 et -a1 sont créées dans des directions à 450 de la direction de la contrainte maximale de cisaillement T Dans ce cas si d est le diamètre de l'arbre et T un couple, la formule suivante peut être établie

La figure 4 est une vue représentant un état dans lequel les sondes selon l'invention sont placées dans la position à mesurer en contact étroit avec l'arbre.D'après les indications mentionnées ci-dessus, etant donné que la contrainte est proportionnelle à la perméabilité magnétique, on peut établir la formule suivante Px - py = k (+#i) - k (-o1) = k . 2a 2a1
Ainsi, la sortie VO est donnée par
V = K
o o
Et, puisque

Ko (2#1) (Ko : constante)
pr consequent on obtient

Ainsi, dans l'appareil de l'invention, trois sondes peuvent être placées exactement en contact étroit avec la surface de l'objet à mesurer même si la surface du matériau à structure magnétique qui doit être mesurée n'est pas une surface plane, mais une surface cylindrique comme celle d'un arbre ou autre surface du même type, ou une surface concave dans un orifice etc, ou une surface courbe, comme par exemple une surface sphérique, ou une surface courbe complexe comprenant à la fois des portions concaves et des portions convexes ou autres surfaces analogues En conséquence, la mesure de la contrainte peut être effectuée avec une grande fiabilité, une grande stabilité et une grande reproductibilité.

Dans les modes de réalisation précédents, il peut être nécessaire de modifier la direction des trois enroulements par rapport à la surface-de l'objet à mesurer pour détecter réellement l'amplitude magnétique. Dans ce cas, pour obtenir un contact serré et régulier entre les portions d'extrémité des noyaux magnétiques et la surface de l'objet à mesurer, les extrémités des noyaux magnétiques sont usinées en forme d'hémisphère.

Grâce à l'appareil précédent, dans le cas ou l'objet à mesurer a été aimanté, il est également possible de mesurer avec précision la contrainte en désaimantant l'objet par l'application d'un courant alternatif immédiatement avant la mesure de la contrainte, comme cela est décrit dans la référence précédente : "Document MFG-83-87, du Groupe de Travail du Magnétisme de la Société Electrique
Japonaise, en date du 10 septembre 1983".

Maintenant, en considérant la figure 5, on va examiner l'installation d'un capteur 13 d'anisotropie magnétique sur un rail 14 pour mesurer la force axiale appliquée au rail posé 14. Habituellement, des courants complexes utilisés pour entraîner un train, ainsi que des signaux de centrale, circulent dans le rail 14. Ainsi, dans ce cas, un champ magnétique 16 est créé selon la règle des trois doigts de la main droite.

Comme représenté sur la figure 6, le champ magnétique 16 crée un flux magnétique 16-1 dans un enroulement d'excitation 11 et un flux magnétique 16-2 dans un enroulement de détection 12. Mais, la sortie de l'enroulement de détection est si importante qu'elle pourrait saturer la gamme dynamique de l'amplificateur. Le champ magnétique 16 est créé par les courants circulant dans le rail, il est perpendiculaire à la direction axiale du rail. Ainsi, le champ magnétique 16 est un champ magnétique de perturbation différent du flux magnétique créé par la contrainte dans la direction axiale du rail, ce champ magnétique étant mesuré par le capteur d'anisotropie magnétique.

La figure 7 représente la direction de circulation des courants dans le rail 14, la direction du champ magnétique 16 généré par les courants ci-dessus et les directions respectives de l'enroulement d'excitation 11 et de l'enroulement de détection 12. La figure 7A représente un état dans lequel le flux magnétique de la direction axiale du rail à mesurer peut être facilement détecté grâce à l'enroulement de détection 12. La figure 7B représente un état dans lequel l'enroulement de détection peut être facilement influencé par le champ magnétique pertrubateur 16.

Habituellement, dans le capteur d'anisotropie magnétique précédent, un système d'enroulements qui comprend l'enroulement d'excitation et l'enroulement de détection peut tourner globalement par rapport à l'objet à mesurer.

La figure 8 représente un état dans lequel l'enroulement de détection est influencé par le champ magnétique perturbateur et par conséquent l'amplificateur saturé. Sur le dessin, un angle &commat; e = o pris comme point de départ corres- pont à la position dans laquelle l'enroulement de détection ne génère pas de signal de sortie. Ainsi, autrement dit, la figure 8 représente une relation entre l'angle e compris dans la gamme 0 - 3600 et la sortie VO de l'enroulement de détection.

Au cours de la mesure de la contrainte axiale dans le rail au moyen d'un capteur d'anisotropie magnétique, il est nécessaire d'exciter le rail par l'enroulement d'excitation et de détecter l'état d'excitation du rail par l'enroulement de détection. Dans ce cas, le plan respectif formé par l'enroulement d'excitation et l'enroulement de détection est habituellement orienté dans une direction à 450 du rail. En conséquence, on peut voir d'après la figure 8, qu'il existe un axe facile à aimanter et que l'importance de la facilité d'aimantation de à la contrainte créée dans la direction axiale du rail ne peut pas être détectée du tout dans le cas où le plan formé par l'enroulement de détection se trouve dans une direction faisant un angle de 450 par rapport au rail.

Sur cette vue, l'appareil dans lequel la contrainte axiale du rail peut être détectée en utilisant un capteur croisé d'anisotropie magnétique sans être influencée par le champ magnétique perturbateur va être expliqué cidessous.

La figure 9 est une vue illustrant la partie principale d'un autre mode de réalisation selon l'invention.

Sur le dessin, les enroulements de détection 22-1 et 22-2 de l'unique capteur 20-1 qui sont connectés en série sont considérés comme un seul enroulement. De même, les enroulements de détection 24-1 et 24-2 de l'autre capteur 20-2 qui sont connectés en série, sont considérés comme un seul enroulement. Maintenant, quand les capteurs 20-1 et 20-2 sont disposés à angle droit par rapport au reil, la tension créée par le flux magnétique perturbateur induit dans les enroulements de détection 22-1-et 22-2 est égale à la tension dae au flux magnétique perturbateur induit dans les enroulements de détection 24-1 et 24-2.D'autre part, lorsque les enroulements de détection 22-1, 22-2 et les autres enroulements de détection 24-1, 24-2 sont connectés en montage différentiel, les deux champs magnétiques perturbateurs induits dans les enroulements de détection 22-1, 22-2 et dans les enroulements de détection 24-1, 24-2 s'annulent et on n'obtient aucune sortie.

Mais, dans ce cas, les signaux de sortie à mesurer qui sont induits par les enroulements d'excitation 21-1, 21-2 et 23-1, 23-2 sont également annulés en même temps que l'annulation des champs magnétiques perturbateurs.

Pour cela, les enroulements d'excitation 23-1 et 23-2 sont connectés en opposition de phase, si bien que les signaux de tension induits dans les enroulements de détection 22-1 et 22-2 sont en opposition de phase Puisque ces enroulements de détection sont connectés en montage différentiel avec les enroulements de détection 20-1 et 20-2, les signaux de sortie s'ajoutent. Par conséquent, le signal de sortie détecté représentant l'aimantation du rail provoquée par l'enroulement d'excitation du capteur d'anisotropie magnétique devient deux fois plus grand, et le signal de sortie dû aux enroulements d'excitation à mesurer peut être détecté comme certain, puisque les champs magnétiques perturbateurs s'annulent.

Avec cette méthode, les champs magnétiques perturbateurs agissent également sur les capteurs respectifs 20-1 et 20-2 indépendamment de leurs directions et de leurs intensités. Egalement, bien que les champs magnétiques perturbateurs puissent s'annuler lorsque le capteur 20-2 n'est pas excité, le signal de sortie est égal à celui que l'on obtient avec un seul capteur. Il est préférable de mesurer d'avance la relation entre la contrainte et les tensions de sortie sur une éprouvette de même matériau que le rail avant de procéder à la mesure réelle de la contrainte.

En outre la figure 10 représente un exemple de circuit de mesure de la contrainte axiale (ou de la force) dans le rail, en utilisant un capteur d'anisotropie magnétique et en éliminant électriquement l'influence du champ magnétique perturbateur. L'addition de la tension du signal détecté par le capteur 20 et du signal magnétique perturbateur est amplifiée par un amplificateur 25 et est transformée en tension continue par un démodulateur 26.

Ensuite, le signal de sortie est gardé dans un circuit d'échantillonnage et maintien 28-1. Et puis, les commutateurs 27 sont reliés aux bornes respectives opposées.

Ainsi, on obtient un état d'excitation nul si bien que la
tension perturbatrice peut être gardée dans un circuit d'échantillonnage et de maintien 28-2. Donc, seul le
signal de sortie à détecter peut être appliqué à un ampli
ficateur différentiel 29.

Comme cela a été expliqué en détail ci-dessus, selon
l'invention, il est possible de disposer les sondes en
contact étroit avec la surface du matériau (de la structure) magnétique à mesurer, même si la surface de ce dernier est courbe. En conséquence, on peut obtenir un résultat -précis et fiable dans la mesure de la contrainte. En outre, il est possible de mesurer la contrainte axiale du rail
sans être gêné par le champ magnétique perturbateur ni par la saturation de l'amplificateur.

Claims

REVENDICATIONS

1. Appareil pour mesurer une contrainte par voie électromagnétique dans lequel la contrainte (o) imposé à un objet (4) en matériau magnétique pour structures est mesurée en détectant une anisotropie magnétique de l'objet (4) en se basant sur le fait que le magnétisme de l'objet (4) est modifié par l'effet de magnétostriction lorsqu'il existe une contrainte (a) dans l'objet (4), caractérisé en ce que des sondes servant à établir un circuit magnétique (5a, 5b, 5c, 5d) pour la détection de l'anisotropie magnétique par contact direct avec l'objet (4), sont constituées par trois portions d'extrémité des noyaux magnétiques (2a, 2b, 2c) de deux enroulements d'excitation et d'un enroulement de détection, ou d'un enroulement d'excitation et de deux enroulements de détection, chacune de ces portions ayant la forme d'un hémisphère.

2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les noyaux magnétiques des trois enroulements (3a, 3b, 3c) sont situés dans un plan aux trois sommets correspondants d'un triangle rectangle isocèle (1).