FR2689638A1 - Eddy current sensor for defect detection - has U shaped magnetic support with cylindrical segment supporting excitation coil while magnetic rod with measuring coil engages bore in support - Google Patents
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Abstract
Description
CAPTEUR A COURANTS DE FOUCAULT. EDDY CURRENT SENSOR.
DESCRIPTION
L'invention concerne un capteur à courants de Foucault comportant un bobinage d'excitation et un bobinage de mesure distincts dont l'agencement original permet d'obtenir un coefficient de couplage et une résolution spatiale particulièrement élevés.DESCRIPTION
The invention relates to an eddy current sensor comprising a separate excitation winding and measurement winding, the original arrangement of which makes it possible to obtain a particularly high coupling coefficient and spatial resolution.
Un tel capteur à courants de Foucault peut être utilisé dans de nombreux secteurs industriels parmi lesquels on citera uniquement à titre d'exemples les industries automobile, aéronautique et spatiale, ainsi que la robotique. I1 permet notamment de détecter la présence de défauts à l'intérieur d'une pièce au cours de sa fabrication ou lors d'une opération de maintenance et, de façon plus générale, de procéder à l'examen non destructif de la structure d'une pièce. Such an eddy current sensor can be used in numerous industrial sectors, among which the automotive, aeronautical and space industries, as well as robotics, will be cited as examples only. I1 makes it possible in particular to detect the presence of faults inside a part during its manufacture or during a maintenance operation and, more generally, to carry out the non-destructive examination of the structure of a piece.
Un tel capteur permet aussi de détecter une discontinuité de surface le long de laquelle on désire déplacer un organe tel qu'une torche de soudage.Such a sensor also makes it possible to detect a surface discontinuity along which it is desired to move a member such as a welding torch.
Rappelons brièvement qu'un capteur à courants de Foucault comprend un circuit magnétique ouvert sur lequel est placé un bobinage parcouru par un courant alternatif. Le champ magnétique émis par le capteur s'établit dans une zone de rayonnement qui dépend essentiellement de la géométrie du circuit magnétique. Let us recall briefly that an eddy current sensor comprises an open magnetic circuit on which is placed a winding traversed by an alternating current. The magnetic field emitted by the sensor is established in a radiation zone which essentially depends on the geometry of the magnetic circuit.
L'effet produit par l'approche d'une cible conductrice telle qu'une pièce à contrôler dans la zone sensible du capteur se caractérise par une variation de la topologie des lignes de champ, accompagnée de pertes électromagnétiques dues à la pénétration du champ à l'intérieur du matériau. L'impédance du bobinage d'excitation ou d'un bobinage de mesure associé dépend d'une part des caractéristiques du capteur (géométrie, distance entre la cible et le capteur, fréquence d'excitation, etc.) et d'autre part des propriétés de la cible (conductivité , perméabilité p, géométrie, etc.).The effect produced by the approach of a conductive target such as a part to be checked in the sensitive area of the sensor is characterized by a variation in the topology of the field lines, accompanied by electromagnetic losses due to the penetration of the field at inside the material. The impedance of the excitation winding or of an associated measurement winding depends on the one hand on the characteristics of the sensor (geometry, distance between the target and the sensor, excitation frequency, etc.) and on the other hand properties of the target (conductivity, permeability p, geometry, etc.).
La mesure de cette impédance, qui est assurée par exemple par un détecteur synchrone, constitue le signal de sortie du capteur.The measurement of this impedance, which is provided for example by a synchronous detector, constitutes the output signal from the sensor.
Il existe de nombreux types de capteurs à courants de Foucault, qui diffèrent principalement par la forme de leur circuit magnétique, par le nombre et la disposition des bobinages associés à ce circuit et par la conexion électrique des bobinages lorsque plusieurs bobinages sont utilisés. There are many types of eddy current sensors, which differ mainly by the shape of their magnetic circuit, by the number and arrangement of the windings associated with this circuit and by the electrical connection of the windings when several windings are used.
L'invention concerne en particulier les capteurs à courants de Foucault comprenant un circuit magnétique qui présente un axe de symétrie prévu pour être orienté perpendiculairement à la surface de la pièce et qui comprennent un bobinage d'excitation et un bobinage de mesure distincts montés de façon concentrique autour de cet axe de symétrie. The invention relates in particular to eddy current sensors comprising a magnetic circuit which has an axis of symmetry intended to be oriented perpendicular to the surface of the workpiece and which comprise a separate excitation winding and a measurement winding mounted in a manner concentric around this axis of symmetry.
Le document GB-A-2 109 112 décrit un capteur à courants de Foucault de ce type, de conception classique. Dans ce cas, le bobinage de mesure est enroulé sur un noyau de ferrite et connecté à un appareil de mesure, alors que le bobinage d'excitation est disposé directement autour du bobinage de mesure et connecté à un générateur de courant alternatif. Document GB-A-2 109 112 describes an eddy current sensor of this type, of conventional design. In this case, the measuring winding is wound on a ferrite core and connected to a measuring device, while the excitation winding is placed directly around the measuring winding and connected to an alternating current generator.
Un tel capteur à courants de Foucault a pour inconvénient de présenter un coefficient de couplage relativement faible et une résolution spatiale médiocre qui se traduisent par une sensibilité généralement peu satisfaisante. The drawback of such an eddy current sensor is that it has a relatively low coupling coefficient and poor spatial resolution, which results in a generally unsatisfactory sensitivity.
Par ailleurs, le document US-A-3 753 096 décrit un capteur à courants de Foucault comprenant deux bobinages concentriques montés respectivement sur un noyau tubulaire de grand diamètre et sur un noyau central de petit diamètre partiellement reçu à l'intérieur du noyau de grand diamètre, ces deux bobinages étant connectés au secondaire d'un transformateur dont le primaire est alimenté par un générateur de courant alternatif, de façon à former un pont avec ce secondaire. Dans ce capteur, les deux bobinages remplissent simultanément la fonction de bobinage d'excitation et de bobinage de mesure. Cependant, la différence de diamètre et de volume des deux noyaux a pour conséquence de rendre le bobinage placé sur le noyau central plus sensible à des défauts de petite taille présents dans le matériau et de rendre le bobinage placé sur le noyau tubulaire plus sensible aux variations de la distance capteur-cible. Afin que le coefficient de couplage entre la pièce et chacun des bobinages soit sensiblement le même, le bobinage placé sur le noyau interne fait normalement saillie au-delà de l'extrémité du bobinage placé sur le noyau tubulaire sur une distance éventuellement réglable. Furthermore, document US-A-3 753 096 describes an eddy current sensor comprising two concentric coils mounted respectively on a tubular core of large diameter and on a central core of small diameter partially received inside the core of large diameter, these two windings being connected to the secondary of a transformer, the primary of which is supplied by an alternating current generator, so as to form a bridge with this secondary. In this sensor, the two windings simultaneously fulfill the function of excitation winding and measurement winding. However, the difference in diameter and volume of the two cores has the consequence of making the coil placed on the central core more sensitive to small defects present in the material and of making the coil placed on the tubular core more sensitive to variations. of the sensor-target distance. So that the coupling coefficient between the part and each of the windings is substantially the same, the winding placed on the internal core normally protrudes beyond the end of the winding placed on the tubular core over a distance which may be adjustable.
Le capteur à courants de Foucault décrit dans le document US-A-3 753 096 a pour inconvénient de nécessiter la présence d'un transformateur entre le générateur de courant alternatif et les bobinages. De plus, les coefficients de couplage de chacun des bobinages avec la cible sont équilibrés en éloignant de cette dernière le bobinage de plus grand diamètre. Cela se traduit dans les deux cas par des pertes et en particulier par l'existence d'un coefficient de couplage relativement faible entre le capteur et la cible. The drawback of the eddy current sensor described in document US Pat. No. 3,753,096 has the drawback of requiring the presence of a transformer between the alternating current generator and the windings. In addition, the coupling coefficients of each of the windings with the target are balanced by moving the larger diameter winding away from the latter. In both cases, this results in losses and in particular in the existence of a relatively low coupling coefficient between the sensor and the target.
L'invention a précisément pour objet un capteur à courants de Foucault du type comprenant un bobinage d'excitation et un bobinage de mesure concentriques, mais qui présente à la fois un coefficient de couplage et une résolution spatiale sensiblement améliorés par rapport aux capteurs existants de ce type. The invention specifically relates to an eddy current sensor of the type comprising an excitation winding and a concentric measurement winding, but which has both a coupling coefficient and a spatial resolution significantly improved compared to existing sensors of this guy.
Selon l'invention, ce résultat est obtenu au moyen d'un capteur à courants de Foucault comprenant un support en matériau magnétique, sur lequel sont montés un bobinage d'excitation et un bobinage de mesure coaxiaux, caractérisé par le fait que le bobinage d'excitation est monté sur une partie tubulaire du support, le bobinage de mesure étant monté à l'intérieur de cette partie tubulaire, autour d'une tige cylindrique du support. According to the invention, this result is obtained by means of an eddy current sensor comprising a support made of magnetic material, on which are mounted an excitation winding and a coaxial measurement winding, characterized in that the winding d excitation is mounted on a tubular part of the support, the measurement winding being mounted inside this tubular part, around a cylindrical rod of the support.
Grâce à cet agencement, on réalise un capteur à courants de Foucault présentant un coefficient de couplage très élevé, ainsi qu'une résolution spatiale sensiblement améliorée, autorisant une scrutation pratiquement ponctuelle des pièces. Thanks to this arrangement, an eddy current sensor is produced having a very high coupling coefficient, as well as a significantly improved spatial resolution, allowing a practically punctual scanning of the parts.
Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, la partie tubulaire présente une épaisseur supérieure au diamètre de la tige cylindrique, cette épaisseur pouvant notamment être sensiblement égale à ce diamètre augmenté de l'épaisseur du bobinage de mesure. According to a preferred embodiment of the invention, the tubular part has a thickness greater than the diameter of the cylindrical rod, this thickness possibly being notably equal to this diameter increased by the thickness of the measurement winding.
On décrira à présent, à titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation préféré de l'invention, en se référant aux dessins annexés, dans lesquels
- la figure 1 est une vue en perspective et en coupe représentant un capteur à courants de Foucault réalisé conformément à l'invention ; et
- la figure 2 représente le plan d'impédance normalisé sur lequel ont été tracées en trait interrompu la courbe obtenue en faisant varier la fréquence pour une distance capteur-cible donnée, avec un capteur conforme à l'état de la technique et, en trait plein, la courbe obtenue en faisant varier la fréquence, pour la même distance capteur-cible, avec le capteur de la figure 1.A preferred embodiment of the invention will now be described, by way of non-limiting example, with reference to the accompanying drawings, in which
- Figure 1 is a perspective view in section showing an eddy current sensor produced in accordance with the invention; and
- Figure 2 shows the standardized impedance plane on which the dashed line has been drawn by varying the frequency for a given sensor-target distance, with a sensor conforming to the state of the art and, in line full, the curve obtained by varying the frequency, for the same sensor-target distance, with the sensor of Figure 1.
Comme l'illustre schématiquement la figure 1, le capteur à courants de Foucault conforme à l'invention présente un axe de symétrie XX' prévu pour être orienté perpendiculairement à la surface S d'une pièce P dont on désire, par exemple, contrôler la qualité. As illustrated diagrammatically in FIG. 1, the eddy current sensor according to the invention has an axis of symmetry XX ′ intended to be oriented perpendicular to the surface S of a part P of which it is desired, for example, to control the quality.
Le capteur à courants de Foucault illustré sur la figure 1 comporte un support 10 en un matériau magnétique tel que de la ferrite, formant un circuit magnétique ouvert du côté de la pièce P. Plus précisément, le support 10 présente la forme d'un U, en section selon un plan radial passant par l'axe XX', l'ouverture de ce
U étant orientée parallèlement à cet axe XX' et prévue pour être tournée vers la surface S de la pièce P.The eddy current sensor illustrated in FIG. 1 comprises a support 10 made of a magnetic material such as ferrite, forming a magnetic circuit open on the side of the part P. More specifically, the support 10 has the shape of a U , in section along a radial plane passing through the axis XX ', the opening of this
U being oriented parallel to this axis XX 'and intended to be turned towards the surface S of the part P.
A proximité de l'axe de symétrie XX', le support 10 forme une partie tubulaire 12 centrée sur cet axe XX' et sur laquelle est monté un bobinage d'excitation 14. Comme on l'a représenté très schématiquement sur la figure 1, ce bobinage d'excitation 14 est prévu pour être branché directement aux bornes d'un générateur 16 de courant alternatif. Near the axis of symmetry XX ′, the support 10 forms a tubular part 12 centered on this axis XX ′ and on which is mounted an excitation winding 14. As shown very schematically in FIG. 1, this excitation winding 14 is designed to be connected directly to the terminals of an alternating current generator 16.
La partie tubulaire 12 du support 10 délimite intérieurement un alésage cylindrique 18, de diamètre constant, dans lequel est introduite une tige cylindrique 20 sur laquelle est enroulé un bobinage de mesure 22. La tige cylindrique 20 constitue une partie démontable du support 10, également réalisée en un matériau magnétique tel que de la ferrite. The tubular part 12 of the support 10 internally delimits a cylindrical bore 18, of constant diameter, into which is introduced a cylindrical rod 20 on which is wound a measurement winding 22. The cylindrical rod 20 constitutes a removable part of the support 10, also produced made of a magnetic material such as ferrite.
Comme on l'a représenté schématiquement sur la figure 1, le bobinage de mesure 22 est connecté électriquement aux bornes d'un appareil de mesure 24 tel qu'un détecteur synchrone, apte à mesurer la tension aux bornes du bobinage 22 en prenant pour référence le courant d'excitation. As shown diagrammatically in FIG. 1, the measuring winding 22 is electrically connected to the terminals of a measuring device 24 such as a synchronous detector, capable of measuring the voltage across the terminals of the winding 22 taking as reference the excitation current.
Les différentes parties du support 10 ainsi que les bobinages 14 et 22 sont agencés de telle sorte que la partie tubulaire 12 sur laquelle est monté le bobinage d'excitation 14 ainsi que la tige cylindrique 20 sur laquelle est monté le bobinage de mesure 22 présentent des extrémités actives situées sensiblement dans un même plan orienté radialement par rapport à l'axe XX' et prévu pour être tourné vers la surface S de la pièce P. The different parts of the support 10 and the windings 14 and 22 are arranged such that the tubular part 12 on which the excitation winding 14 is mounted as well as the cylindrical rod 20 on which the measurement winding 22 is mounted have active ends situated substantially in the same plane oriented radially with respect to the axis XX 'and intended to be turned towards the surface S of the part P.
Les dimensions relatives des différentes parties du capteur illustré sur la figure 1 sont choisies de telle sorte que le diamètre de la tige cylindrique 20 soit très faible par rapport au diamètre extérieur de la partie cylindrique 12 portant le bobinage d'excitation 14. The relative dimensions of the different parts of the sensor illustrated in FIG. 1 are chosen so that the diameter of the cylindrical rod 20 is very small compared to the outside diameter of the cylindrical part 12 carrying the excitation winding 14.
Plus précisément, l'épaisseur de la partie tubulaire 12 est supérieure au diamètre de la tige 20 et, par exemple, égal à ce diamètre augmenté de l'épaisseur du bobinage de mesure 22. Ainsi et uniquement à titre d'exemple, si la tige cylindrique présente un diamètre de 1,5 mm, la partie tubulaire 12 peut présenter un diamètre extérieur d'environ 6,5 mm et un diamètre intérieur d'environ 2,5 mm. More specifically, the thickness of the tubular part 12 is greater than the diameter of the rod 20 and, for example, equal to this diameter increased by the thickness of the measurement winding 22. Thus and only by way of example, if the cylindrical rod has a diameter of 1.5 mm, the tubular part 12 can have an outside diameter of about 6.5 mm and an inside diameter of about 2.5 mm.
Le capteur à courants de Foucault qui vient d'être décrit permet, lorsque le bobinage d'excitation 14 est alimenté en courant électrique alternatif par le générateur 16, de créer un champ magnétique inducteur qui s'établit en face de la partie ouverte du support 10 dans une zone de rayonnement dont l'étendue radiale correspond approximativement au diamètre extérieur de la partie tubulaire 12 du support. The eddy current sensor which has just been described allows, when the excitation winding 14 is supplied with alternating electric current by the generator 16, to create an inductive magnetic field which is established opposite the open part of the support. 10 in a radiation area whose radial extent corresponds approximately to the outside diameter of the tubular part 12 of the support.
Lorsqu'une cible non magnétique et électriquement conductrice telle que la pièce P se trouve dans cette zone de rayonnement, la topologie des lignes de champ est modifiée et des pertes électromagnétiques dues à la pénétration du champ à l'intérieur du matériau se produisent. Ces deux phénomènes sont liés uniquement aux courants de Foucault qui sont induits dans le matériau par le champ magnétique inducteur. Ces courants de
Foucault créent à leur tour un champ magnétique induit qui s'oppose au champ inducteur et qui se trouve localisé uniquement dans la partie centrale de la tige cylindrique 20.When a nonmagnetic and electrically conductive target such as the part P is in this radiation zone, the topology of the field lines is modified and electromagnetic losses due to the penetration of the field inside the material occur. These two phenomena are linked only to the eddy currents which are induced in the material by the inductive magnetic field. These currents of
Foucault in turn creates an induced magnetic field which opposes the field of induction and which is located only in the central part of the cylindrical rod 20.
Grâce à son très faible diamètre, le bobinage de mesure 22 est essentiellement sensible à la partie du champ magnétique inducteur localisée dans la tige cylindrique 20 et au champ magnétique induit. La part prise par ce dernier dans la valeur de la tension transmise au système de mesure 24 est donc relativement importante, ce qui confère au capteur une sensibilité et une résolution particulièrement bonnes par rapport aux capteurs à bobinage d'excitation et à bobinage de mesure concentriques de l'art antérieur. Thanks to its very small diameter, the measurement winding 22 is essentially sensitive to the part of the inductive magnetic field located in the cylindrical rod 20 and to the induced magnetic field. The share taken by the latter in the value of the voltage transmitted to the measurement system 24 is therefore relatively large, which gives the sensor a particularly good sensitivity and resolution compared to sensors with excitation coil and concentric measurement coil. of the prior art.
Cette observation est confirmée par des mesures comparatives qui ont été faites, d'une part, avec un capteur à courants de Foucault dont le bobinage d'excitation et le bobinage de mesure étaient placés tous deux autour de la partie tubulaire 12 de la structure 10, conformément à l'art antérieur, et avec un capteur réalisé de la manière décrite précédemment en se référant à la figure 1. Les résultats de ces mesures ont été portés en traits discontinus pour le capteur selon l'art antérieur et en trait plein pour le capteur conforme à l'invention sur la figure 2. This observation is confirmed by comparative measurements which have been made, on the one hand, with an eddy current sensor whose excitation winding and measurement winding were both placed around the tubular part 12 of the structure 10 , in accordance with the prior art, and with a sensor produced in the manner described above with reference to FIG. 1. The results of these measurements have been plotted in broken lines for the sensor according to the prior art and in solid line for the sensor according to the invention in FIG. 2.
De façon plus précise, la figure 2 représente pour les deux capteurs le plan d'impédance normalise, en faisant varier la fréquence entre 1 MHz et 13 MHz, et en amenant directement chacun des deux capteurs en contact avec la surface d'une même pièce. Rappelons que la représentation du plan d'impédance normalisé consiste à porter en abscisse la valeur réelle normalisée RCn et en ordonnée la valeur imaginaire normalisée Xcn de l'impédance du capteur. Ces valeurs normalisées sont obtenues en appliquant les formules suivan tes
Rc ~ Ro Xc
Rcn = Rc - R0 et Xcn = Xc XO XO dans lesquelles Ro et XO représentent les parties réelle et imaginaire de l'impédance du capteur en l'absence de cible et Rc et Xc représentent les parties réelle et imaginaire de l'impédance du capteur en présence de la cible. Ces différentes valeurs sont mesurées directement par le détecteur synchrone 16.More precisely, FIG. 2 represents for the two sensors the normalized impedance plane, by varying the frequency between 1 MHz and 13 MHz, and by bringing each of the two sensors directly into contact with the surface of the same part. . Recall that the representation of the normalized impedance plane consists in plotting the normalized real value RCn on the abscissa and the normalized imaginary value Xcn of the sensor impedance on the ordinate. These normalized values are obtained by applying the following formulas
Rc ~ Ro Xc
Rcn = Rc - R0 and Xcn = Xc XO XO in which Ro and XO represent the real and imaginary parts of the sensor impedance in the absence of target and Rc and Xc represent the real and imaginary parts of the sensor impedance in the presence of the target. These different values are measured directly by the synchronous detector 16.
Les valeurs réelle et imaginaire Ro et XO de l'impédance du capteur en l'absence de cible sont obtenues dans un premier temps en effectuant des mesures en plaçant les capteurs simplement dans l'air. Les valeurs réelle et imaginaire Rc et Xc sont obtenues quant à elles en amenant les capteurs au contact de la cible et en faisant varier comme on l'a déjà mentionné la fréquence du courant alternatif délivré par le générateur 16. The real and imaginary values Ro and XO of the sensor impedance in the absence of a target are first obtained by carrying out measurements by simply placing the sensors in the air. The real and imaginary values Rc and Xc are obtained by bringing the sensors into contact with the target and by varying, as already mentioned, the frequency of the alternating current delivered by the generator 16.
L'observation de la figure 2 fait apparaître clairement l'un des avantages procuré par le capteur selon l'invention. En effet, on déduit des informations données sur cette figure que le coefficient de couplage obtenu avec ce capteur est de 0,95, c'est-à-dire très proche du couplage idéal de 1, alors que le capteur selon l'art antérieur ne présente qu'un coefficient de couplage de 0,58. The observation of FIG. 2 clearly shows one of the advantages provided by the sensor according to the invention. Indeed, it is deduced from the information given in this figure that the coupling coefficient obtained with this sensor is 0.95, that is to say very close to the ideal coupling of 1, while the sensor according to the prior art has only a coupling coefficient of 0.58.
Par ailleurs, d'autres mesures effectuées avee les mêmes capteurs en présence de pièces étalons comportant des défauts connus ont montré à l'évidence que la résolution spatiale est très sensiblement améliorée avec le capteur selon l'invention. Plus précisément, ce dernier autorise une mesure pratiquement ponctuelle, contrairement à celle effectuée par le capteur selon l'art antérieur. Furthermore, other measurements carried out with the same sensors in the presence of standard parts having known defects have shown clearly that the spatial resolution is very significantly improved with the sensor according to the invention. More precisely, the latter authorizes a practically one-off measurement, unlike that carried out by the sensor according to the prior art.
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| FR2689638B1 FR2689638B1 (en) | 1996-08-09 |
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