Brevet FR2461247A1 — publié le 19810130

1. La présente invention concerne un procédé de mesure ou de détection d'un changement d'état mécanique, telle qu'u- ne modification de charge mécanique, une flexion, un amorça- ge ou une propagation de fissures, une séparation dans la ma- tière ou bien une vibration,ou bien un changement d'état méca- nique par rapport au temps dans un corps soumis à des effets de magnétostriction lorsque, sous l'influence d'une force ma- gnétique d'activation (H), un flux magnétique associé est en- gendré au moins dans une partie du corps sur laquelle la va- riation d'état mécanique, par l'intermédiaire de la magnéti- sation (M) du corps, indique une perturbation mesurable ou dé- tectable. L'invention se rapporte également à un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. Depuis que Joule a démontré pour la première fois l'effet de magnétostriction en 1842, et que Villari a mis en évidence en 1865 le phénomène inverse appelé l'effet Villari, on a proposé de nombreux dispositifs et procédés de mesure qui ont fait intervenir un couplage entre le flux magnétique et la modification de l'état mécanique. Une caractéristique com- mune à tous ces procédés et dispositifs de mesure consiste en ce que la longueur moyenne du circuit magnétique peut varier en fonction de la modification de l'état mécanique. Comme ce- la est bien connu, la force de magnétisation est inversement proportionnelle à cette longueur moyenne. En conséquence, la magnétisation dépend de la modification de l'état mécanique et également de variations de la longueur moyenne du circuit ma- gnétique dans ces dispositifs de mesure. L'invention a pour objet d'éliminer, comme indiqué ci-dessus, la double influence agissant sur la magnétisation, de manière qu'elle ne dépende que de la modification de l'état mécanique. Ce problème est résolu en maintenant la force de magnétisation (H0) et la longueur moyenne (1) du circuit ma- gnétique essentiellement constantes et indépendantes de la va- riation de l'état mécanique lors d'une mesure ou d'une détec- tion. Le flux se compose en partie d'un flux principal (R) associé à la force magnétique d'activation (Ho) qui a une di- rection définie et une grandeur telle que les propriétés ma- gnétiques du corps s'écart ent de la zone d'irréversibilité, et& en partie d'un flux alternatif superpose ( v) qui statténue 2. graduellement. Ce flux alternatif doit avoir une grandeur initiale telle qu'on obtienne une saturation dans les deux directions du flux alternatif (# v), c'est-àdire que, d'une manière connue, on atteint un point de la courbe d'anhysté- résis lorsque le flux alternatif (#v) a disparu. Après la disparition du flux alternatif (#v), la perturbation provo- quée par le changement d'état mécanique est enregistrée sous la forme de tension qui est engendrée à son tour par la varia- tion de flux correspondant à la perturbation. D'autres avantages et caractéristiques de l'inven- tion seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux des- sins annexés dans lesquels: - la fig. 1 représente schématiquement un disposi- tif utilisé conformément à la présente invention lors de la mesure d'un changement de l'état mécanique d'un corps chargé, - la fig. 2 représente en traits pleins une moitié de la courbe de magnétisation d'un solide ferromagnétique et en traits interrompus, la partie correspondante de la courbe d'anhystérésis du corps, - la fig. 3 est une vue partielle à échelle agran- die de la fig. 2 montrant comment, pour une valeur donnée Ho de la force de magnétisation, le flux magnétique q peut pren- dre un certain nombre de valeurs, dont trois sont indiquées en particulier sur la figure, - la fig. 4 montre, à l'aide de trois courbes, com- ment le flux magnétique engendré dans un corps varie au cours du temps, quand ce corps est soumis à des impulsions de charge mécanique triangulaire, la courbe intermédiaire se rapportant à un processus de mesure conforme à l'invention tandis que les autres se rapportent à des processus de mesure classiques, - la fig. 5 représente en détail un mode de réalisa- tion du dispositif conforme à l'invention et permettant l'exé- cution de mesures sur un échantillon circulaire, - la fig. 6 représente en vue en projection un dis- positif conforme à l'invention, permettant d'effectuer des mesures sur un échantillon de flexion à encoche, qui est sou- mis à des forces de flexion s'exerçant en trois points. On va maintenant décrire un mode préféré de réalisa- 3. tion de l'invention. Sur la fig. 1, le corps ferromagnétique 1 est un échantillon d'essai, qui est soumis à une contrain- te mécanique due à une tension, une compression ou une tor- sion, comme indiqué par les flèches 2, les forces agissant individuellement ou bien en combinaison à savoir par tension- torsion ou par compression-torsion. Les contraintes produi- sent un changement d'état mécanique de l'échantillon qui peut subir une déformation élastique et plastique, une séparation à l'intérieur de la matière, un amorçage de fissures et une propagation de fissures et même une rupture. Il est à noter qu'un changement d'état mécanique peut également résulter de contraintes thermiques. Pour des mesures ou des détections de changements de l'état mécanique du corps, celui-ci est pourvu d'un certain nombre d'étriers ou de culasses 3, dont l'une est visible sur la figure et porte une bobine primaire 4 et une bobine secondaire 5. En utilisant un générateur de ten- sion 6, relié par l'intermédiaire d'un transformateur tension/ intensité 7 à la bobine primaire 4, on produit un courant qui engendre à son tour la force de magnétisation. Celle-ci en- gendre un flux dans un circuit magnétique, qui se compose de la culasse 3 et d'une partie de l'échantillon 1. La culasse doit être disposée par rapport à l'échantillon de façon que le circuit magnétique soit essentiellement exempt d'entrefers et de façon que la culasse ne soit pas affectée par la con- trainte. Ce problème peut être résolu en permettant à la cu- lasse 3 de coulisser le long de l'échantillon 1. Il est évi- dent que les bobines peuvent être placées en n'importe quel endroit, le long du circuit magnétique. L'emplacement des bo- bines est déterminé seulement par des considérations prati- ques. Pour obtenir un flux symétrique, on doit utiliser un certain nombre de culasses parallèles. Le changement d'état mécanique agit, par l'intermé- diaire de la magnétisation du corps (dans la zone désignée par M), sous la forme d'une perturbation du flux 9, qui est détectée par la bobine secondaire 5 et qui est indiquée sur un appareil indicateur 8 relié à la bobine. Conformément à la présente invention, la force de magnétisation, désignée dans la suite par Ho, et la longueur moyenne 1 du circuit magnéti- que doivent être maintenues essentiellement constantes et in- 4. dépendantes de la variation de l'état mécanique. Comme men- tionné précédemment, la longueur moyenne 1 est maintenue constante en permettant à au moins une des deux branches de la culasse de coulisser le long de l'échantillon. La force de magnétisation H0 est maintenue constante en alimentant la bo- bine 4 avec un courant continu constant. Ce courant est four- ni par un diviseur d'une tension U en utilisant un potentio- mètre 9. Par l'intermédiaire d'un point de sommation 10 du générateur de tension 6, la tension est appliquée au conver- tisseur 7, o la tension est transformée en courant continu. Comme le montre la fig. 2, chaque valeur de la force de magné- tisation H0 correspond à un certain nombre de valeurs du flux 0, dont deux, désignées par a et b, ont été repérées sur la courbe d'hystérésis du corps et une autre, désignée par c, a été repérée sur la courbe d'anhystérésis. Parmi lesdits points, c constitue celui qui correspond à la valeur du flux g pour laquelle l'échantillon a atteint son énergie électro- magnétique minimale pour la valeur donnée H0 de la force ma- gnétisante d'activation. Si on essaie, comme dans les procédés connus de me- sure ou d'indication, à partir du point a ou b, de mesurer par exemple une charge mécanique, variant cycliquement en forme de dents de scie, qui agit sur l'échantillon 1, le flux varie comme indiqué par les deux courbes extérieures de la fig. 4, c'est-à-dire que le flux n'est pas égal en deux points corres- pondants de deux cycles consécutifs de charge. Le changement d'état mécanique qui est engendré dans le corps par la charge ne peut par conséquent pas être déterminé de façon non ambiguë à partir de la perturbation du flux qui est causée par la charge. Conformément à la présente invention, au début de la mesure, on superpose par conséquent un flux alternatif av' qui s'atténue graduellement. Ce flux est engendré par un gé- nérateur 11 qui produit une tension ub diminuant au cours du temps jusqu'au point de sommation 10 de l'unité 6, fig. 1. Le rôle du flux alternatif ç v est d'amener le corps soumis aux essais jusque dans un état initial qui est stable du point de vue électromagnétique. Cela est le cas lorsqu'on part de la courbe d'anhystérésis. Cette courbe donne, à la différence de 5. la courbe d'hystérésis la relation entre la magnétisation M et la force de magnétisation H de façon non ambiguë. En ou- tre, du point de vue magnétique, on doit s'écarter de la zone d'irréversibilité du corps. Pour déterminer la valeur de la force magnétisante d'activation pour laquelle cela se pro- duit, une tension de forme triangulaire ut est appliquée au point de sommation 10 de l'unité 6, fig. 1. La courbe d'hys- térésis est alors enregistrée et, sur cette courbe, on sélec- tionne une valeur appropriée de la force magnétisante d'acti- vation Ho au-delà de la zone mentionnée ci-dessus. Ensuiteon peut effectuer la détection, conformément à la présente in- vention. Comme on l'a mentionné ci-dessus, le point c des fig. 2 et 3 correspond à la valeur du flux 0 pour laquelle le corps prend son état d'énergie électromagnétique le plus bas pour la force magnétisante H0. Pour d'autres valeurs de la force magnétisante, il existe évidemment des valeurs corres- pondantes du flux qui correspondent à des points de la courbe d'anhystérésis du corps. Lorsque, conformément à la présente invention, on mesure la réaction du flux à une charge mécani- que, c'est-à-dire la variation du flux au cours du temps en fonction de la charge s'exerçant sur le corps, et à partir d'une valeur initiale électromagnétiquement stable, on consta- te que le flux est une fonction non ambiguë de la charge. Lorsque par exemple la charge a une forme de dents de scie, b flux varie comme indiqué par la courbe intermédiaire de la fig. 4. Pour cette courbe, la variation du flux est égale en des points correspondants de deux cycles de charge identiques et consécutifs. La valeur moyenne de la courbe est invariante dans le temps pendant un ou plusieurs cycles. Cela n'est évi- demment pas le cas pour les deux courbes extérieures citées précédemment et qui mettent en évidence des mesures réalisées conformément à des procédés connus. La valeur moyenne de ces courbes n'est pas constante mais elle a tendance à se rappro- cher de la valeur moyenne de la courbe intermédiaire. On pou:- rait expliquer cela en supposant que de l'énergie est néces- saire pour amener le flux correspondant aux points a et b au meme niveau que le point c. Cette énergie est engendrée par le changement d'état mécanique, il ne peut par conséquent pas 6. être reproduit d'une manière stable dans le temps par des é- tudes du flux magnétique. Le changement de flux engendré par le changement d'état mécanique, et détecté par la bobine de mesure 5 sous la forme d'une tension, peut être utilisé d'un certain nombre de manière par l'appareil indicateur 8, comme indiqué sur la fig. 1. On obtient à la sortie A un signal pro- portionnel à cette tension et, à la sortie B un signal cor- respondant à l'intégrale de la tension dans le temps. Aux sorties C et D, on obtient des signaux correspondants à la tension après franchissement d'un filtre passe-haut et d'un filtre passe-bas et après intégration. En fonction de l'éva- luation ultérieure de la mesure, la tension peut être traitée d'autres manières, par exemple par un processus numérique. Sur les fig. 5 et 6, on a donné à des composants a- yant des fonctions identiques ou correspondantes à celles de la fig. 1 les mêmes références numériques que sur cette figu- re. Sur la fig. 5, le corps 1 est un échantillon d'essai de forme cylindrique classique o les déformations se produisent principalement dans la zone affaiblie, en supposant que son diamètre est considérablement plus petit que celui des autres parties de l'échantillon. La bobine primaire 4 et la bobine secondaire 5 sont enroulées sur un mandrin 13 de forme tubu- laire, comportant des parois extrêmes. Le trou central du man- drin de bobine a une dimension permettant une pénétration ai- sée du corps. Les bobines 4 et 5 sont protégées par un couver- cle 14. On a choisi le positionnement des bobines 4, 5 de fa- çon à obtenir une fuite aussi réduite que possible et un flux aussi homogène que possible. Pour créer un flux symétrique dans le corps 1, plusieurs culasses 3 ont été disposées symé- triquement autour du mandrin. Elles sont constituées par des plaques en forme de U qui peuvent coulisser dans des fentes radiales ménagées dans les parois extrêmes du mandrin 13. Le corps 1 peut glisser relativement librement dans le trou central du mandrin 13, ce qui confère une longueur mo- yenne constante au circuit magnétique, indépendamment des charges mécaniques appliquées. Les culasses 3 sont maintenues en place pendant la mesure sous l'action des forces magnéti- ques engendrées entre les culasses et le corps. Lorsqu'une me- sure n'est pas effectuée, les culasses peuvent être fixées 7. par exemple à l'aide de câbles élastiques ou de cercles fer- mant les culasses. On va maintenant décrire un autre mode de réalisa- tion de l'invention. Sur la fig. 6,le corps 1 est un échan- tillon classique d'essai de flexion en trois points, qui com- porte une section droite rectangulaire. Au centre de l'échan- tillon, il est prévu une encoche 15. Les bobines primaire et secondaire 4 et 5 sont placées sur des culasses 3, dont une seulement est visible sur la fig. 6. Les culasses sont pla- cées symétriquement par rapport à l'encoche, sur les côtés longitudinaux rejoignant le côté supérieur. Pendant la mesure, l'échantillon est sollicité par des forces, comme indiqué par les flèches sur la figure, de manière qu'il soit principalement soumis à des contraintes de flexion. Les forces P/2 sont appliquées par le haut, symétri- quement par rapport à l'encoche 15, tandis que la force P agit par le bas dans la zone de l'encoche 15. Conformément à la présente invention, la contrainte ne doit pas avoir d'influ- ence sur la longueur moyenne du flux. En conséquence, les cu- lasses 3 sont disposées de manière à pouvoir glisser par rap- port à l'échantillon. La mesure doit être effectuée comme dé- crit ci-dessus en référence à la fig. 1. Il est évident que l'invention ne doit pas être considérée comme étant limitée aux modes de réalisation dé- crits ci-dessus. Au contraire, le procédé de mesure peut, com- me cela sera précisé dans les revendications, être utilisé dans de nombreuses applications de mesure. Avec une ou plusi- eurs culasses, pourvues de bobines primaire et secondaire et mises en place sur un corps magnétisable de façon arbitraire, par exemple un poteau, une poutre, une barre ou une plaque sollicitée par une charge, on peut mesurer le changement d'é- tat mécanique engendré par la charge. On suppose dans ce cas qu'on part d'un point de la courbe d'anhystérésis du corps et que la longueur moyenne du flux n'est pas affectée par la charge. Dans les applications décrites ci-dessus, le flux magnétique principal est engendré à l'aide d'une ou plusieurs bobines primaires mais, comme cela ressort d'une caractéristi- que particulière de l'invention, il peut être également pro- 8. duit par des aimants permanents. Ceux-ci sont agencés de ma- nière que le flux principal reste constant. Pour la mesure du flux, il est possible d'envisager des solutions autres que la bobine secondaire décrite ci-des- sus. Dans ce but, on peut utiliser par exemple, ce qu'on ap- pelle un élément Hall. 9. REVENDICATIONS. 1. Procédé pour mesurer ou détecter un changement d'état mécanique, par exemple un changement dans la charge mécanique, la flexion, l'amorçage de fissures, la propagation de fissures, la séparation dans la matière ou bien la vibra- tion, ou bien la dérivée dans le temps du changement d'état mécanique dans un corps présentant des effets de magnétostric- tion, lorsque, sous l'influence d'une force magnétisante d'- activation (H), un flux magnétique associé est engendré dans au moins une partie du corps, le changement d'état mécanique agissant sur le flux précité, par l'intermédiaire de la ma- gnétisation (M) sous la forme d'une perturbation mesurable ou détestable, procédé caractérisé en ce que la force magnéti- sante d'activation (Ho) et la longueur moyenne (1) du circuit magnétique sont maintenues essentiellement constantes et in- dépendantes du changement d'état mécanique, en ce que le flux se compose en partie d'un flux principal (54.) associé à la force magnétisante d'activation (H0), ayant une direction dé- finie et une grandeur telle que les propriétés magnétiques du corps s'écartent de la zone d'irréversibilité, et en partie d'un flux alternatif et s'atténuant graduellement (# v), ce flux étant superposé au flux principal, en ce que le flux al- ternatif doit avoir une grandeur initiale telle qu'on obtien- ne une saturation dans les deux directions du flux alternatif (Ov), c'està-dire de telle sorte que, d'une manière connue, on atteigne un point de la courbe d'anhystérésis du corps o le flux alternatif (O#v) a disparu, la perturbation engendrée par le changement d'état mécanique étant ensuite indiquée ou enregistrée sous la forme d'une tension, qui est engendrée par le changement de flux correspondant à la perturbation. 2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé se- lon la revendication 1, comprenant un moyen pour engendrer le flux dans le corps, dispositif caractérisé en ce que ledit moyen est agencé pour former un circuit magnétique avec au moins une partie du corps, ce circuit étant essentiellement exempt d'entrefers et ayant une longueur moyenne (1) qui est indépendante du changement d'état mécanique, et pour engen- dr&e en partie le flux principal (P') et esr partie le flux alternatif superpose (4J), ledit dispositif comiprenant un en 10. semble de bobines qui sont reliées à un équipement de mesure ou d'indication agencé pour détecter le changement de flux. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un ensemble de bobines pour- vues de culasses qui forment, en combinaison avec le corps, ledit circuit magnétique, et un générateur de courant agencé de manière à fournir à l'ensemble de bobines, en partie un courant continu correspondant au flux principal et en partie un courant alternatif diminuant au cours du temps et corres- pondant au flux alternatif décroissant. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit moyen comprend un ensemble d'aimants perma- nents servant à engendrer le flux principal. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la ou les culasses sont disposées de manière à pou- voir coulisser sur le corps.