Brevet FR2654214A1 — publié le 19910510

La présente invention concerne la formation d'image de défauts dans des matériaux en utilisant des courants de Foucault et en particulier en utilisant la différence de phase pour déter- miner la profondeur des défauts. Dans l'art antérieur de la figure 1, des sondes à courant de Foucault sont consituées de deux bobines 14 a et 14 b qui sont simultanrment excitées par un oscillateur 16 à travers un circuit en pont 10 contenant des résistances 12 a et 12 b La sonde est disposée à proximité d'un matériau dont on veut exa- miner les défauts Les bobines de la sonde peuvent être placées de telle façon que toutes les deux soient dans un plan parallèle au matériau (géométrie différentielle) ou de telle sorte que l'une soit près du matériau et que l'autre serve de référence (géométrie absolue) Bien que l'on ne considère ici que les sondes de type différentiel, le même principe s'applique aux sondes à référence absolue Le signal reçu, c'està-dire la tension aux bornes des bobines, est mélarngé dans un mélangeur 30 b avec le signal d'excitation déphasé de 90 pour produire la composante en quadrature (Q) du signal De la même façon, le signal reçu est mélangé dans un mélangeur 30 a avec le signal d'excitation directement (c'est-à-dire déphasé de O ) pour produire une composante en phase (I) du signal Les signaux des mélangeurs 30 a et 30 b passent respectivement à travers des filtres 31 a et 31 b et après par des amplificateurs 32 a et 32 b. Les filtres 31 a et 31 b peuvent être passe-bas (fréquien de coupure typique 100 Hz), passe-haut (fréquenoe de coupure typique Hz), ou une combinaison des deux, c'est-à-dire un filtre passe-bande Les signaux de sortie des amplificateurs 32 a et 32 b scnt appliqués à des circuits de rotation 33 Le circuit 33 a produit un signal H = Icos(e) Qsin(G), alors que le circuit 33 b produit un signal V = Isin(e) + Qcos(e), o e est l'arngle de rotation voulu représenté par une tension de cxinande d'entrée continue appliquée à des circuits 33 qui génèrent sine et cose à partir de données stockées en Ro M, et H et V représentent respec- tivement les axes horizontal et vertical Ainsi, chacun des circuits 33 peut en outre conporber une paire de circuits multi- plieurs, dont chacun reçoit les signaux I ou Q et aussi le signal e, les sorties des multiplieurs dans les circuits de rotation respectifs 33 étant additionnées. Les bobines balayent le matériau à être examinér manuel- lement ou mécaniquement Au voisinage d'un défaut, il se produit un changement dans les signaux H et V Une de ces composantes (V dans la figure 1) passe alors dans un détecteur de seuil 34, tel qu'un amplificateur différentiel, ayant une amplitude de seuil prédétemirfée, fixée par exemple par un potentiomètre 35, pour la détection du défaut Le signal provenant du détecteur de seuil 34 peut être appliqué à une alarme (non représentée) Avec cette technique il est possible de mesurer des défauts qui ont une longueur minimum de 10 à 15 mils ( 0,254 à 0,381 mm) Par "lon- gueur" de défaut on désigne la plus lcangue des deux dimensions du défaut parallèle à la surfaoe balayée d'un matériau en plaque (non représenté en figure 1) Si désiré, le circuit 33 a peut être éliminé. Avec l'art antérieur, la profondeur du défaut (la dimension perpendiculaire à la surface balayée) ne peut pas être directement mesurée Des moyens pour caratériser quanti- tativement la profondeur des défauts rendent possible la distinc- tion entre défauts véritables et des défauts de surfaoe ou des rayures, déterminant ainsi la vraie qualité des matériaux Par ceséquent une technique de mesure de la profcondeur est d'un avantage potentiel immédiat. En conseéquence, un objet de l'invention est de déter- miner la profordeur des défauts débouchant à la surfaoe. Un appareil selon l'invention pour former l'image d'un objet par courants de Foucault en utilisant la différence de phase compreand une paire d'éléments d'inpxédance adaptés à être diposés à proximité de l'objet; des nxmoyens pour provoquer un rxmouvemeant relatif entre l'objet et les éléments; un oscillateur couplé aux éléments; une paire de détecteurs de phase couplés à l'oscillateur et aux éléments, l'oscillateur fournissant des signaux ayant la même phase aux deux détecteurs de phase, et des moyens pour comeparer les signaux de sortie des détecteurs de phase. Un procdé selon l'invention pour former l'image d'un objet par courants de Foucault utilisant la différence de phase ccxprend la mise en ncxxvement relative entre l'objet et au moins l'une des bobines d'une paire de bobines; la mesure de la réac- taonce effective dans chacune des bobines; et la comparaison des changements des réactances mesurées. Ces objets, caractéristiques et avantages ainsi que d'autres de la présente invention seront exposés plus en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite en relation avec les figures jointes parmi lesquelles: La figure 1 représente l'art antérieur sous forme schématique et fncictionnelle; La figure 2 représente un exemple de réalisation de l'invention sous forme schématique et fcotionnelle; La figure 3 représente en perspective un objet ayant un défaut et une sonde à bobine différentielle; et La figure 4 est un graphique représentant la différenoe de phase en fonetion de la fréquence pour diverses profoxdeurs de défauts, obtenue au moyen d'une sonde à bobine différentielle et rxrmalisée à la réponse de la sonde dans une région sans défauts. Dans les dessins, de mêmes rtférerné= sont utilisées pour des éléments correspcxnants. La figure 2 montre les oemposants du circuit de détec- tion de base Un pont d'impédances équilibré 10 coiprend une paire d' inpédanes, telles que des résista Ices ou des inductances 12 a et 12 b, et uns paire d' inpédances telles que des bobines de sonde 14 a et 14 b Dans un cas type, si les éléments d' inimpéda I 12 sont des résistarnces, ils ont une résistance d'environ 150 ohms, alors que les bobines 14 ont une réactarce d'environ 150 ohms à la fréqueie d'excitation, bien que d'autres valeurs puis- sent être utilisées pour les:inçdanres 12 et les bobines 14. Toutefois, pour que le pont 10 soit équilibré, les in'mamr Es 12 doivent avoir la mnme résistance ou reactance et les bobines 14 doivent avoir la mâme inductance Le point de raoxrdement des bobines 14 est couplé à une tension de référence telle que la masse Le point de raccordement des éléments d'impédance 12 est excité par un signal alternatif délivré par l'oscillateur 16, qui dans un cas type a une fréquence d' environ 0,1 à 10 M Hz. Plusieurs fréquaxers peuvent être utilisées, mais seulement une à la fois. La figure 3 montre les bobines 14 a et 14 b respecti- vement disposées sur des noyaux en ferrite 18 a et 18 b d'un support en ferrite en forme de cuvette 20 Une géométrie à bobines différentielles est illustrée en figure 2, mais il en est de mnme pour des bobines du type absolu Les bobines 14 sont représentées comme bobinées en sens contraires, mais elles peuvent être bobinées dans le même sens Les noyaux 18 sont en forme de D quand ils sont vus de dessous en coupe, alors que la cuvette 20 est circulaire dans un plan de coupe et a un diamètre typique de 0,060 pouce ( 1,524 mm) Les bobines 14 a et 14 b pro- duisent respectivemnt les lignes de flux 22 a et 22 b, qui créent des courants de Foucault dans des objets cmxhucteurs à proximité, telle qu'une plaque en mnétal 24 La plaque 24 a des surfaces principales 25 a et 25 b et une fissure 26, qui a les dimensions de longueur " 1 " et épaisseur '"w" parallèle à la surfaoe 25 a et une profondeur "d" perpendiculaire à la surface 25 a Dans un cas typique, l'épaisseur de la plaque 24 (la distance entre les surfaoes 25 a et 25 b) est comprise entre 0,5 et 3 pouces ( 1,27 à 7,62 cm) Un manipulateur X-Y classique 29 déplace la cuvette 20 linraireoent dans la direction "X" indiquàe par une flèche 28 Si on le souhaite, le manipulateur 29 peut alors incrémenter la cuvette 20 d'une unité dans la direction "Y" et à nouveau déplacer la cuvette 20 dans la direction "X" Ceci est répété jusqu'à oe qu'un balayage à deux dimensions soit achevé A titre de variante, la plaque 24 peut être déplacée, alors que la cuvette 20 reste immobile puisque ceci produit aussi des mouve- ments relatifs Toutefois, étant donnr que la plaque 24 est normalement plus lourde que l'élément 20, ceci n'est normalement pas fait Si le manipulateur 29 est un manipulateur rotatif conventionnel, la cuvette 20 peut être mise en rotation pour détecter des fissures dans des trous, dans oe cas la cuvette 20 serait placée perpendiculairement à l'axe de rotation Il sera noté que le support de bobine 20 n'est pas neoessairement en forme de cuvette et que l 1 'objet 24 peut être de forme autre qu'une plaque. Les signaux provenant des bobines 14 a et 14 b sont respectivement appliqués aux détecteurs de phase 30 a et 30 b, tels que le pont à quatre diodes du type RAY-6 fabriqué par Mini Circuits Co Inc, Brooklyn, N Y Les détecteurs de phase 30 sont en fait des circuits mélangeurs En pratique, le signal d'exci- tation de référene provenant de l'oscillateur 16 est appliqué avec suffisamment d'amplitude pour saturer les diodes du mélan- geur, de sorte que le mélangeur se conporte comme un détecteur de phase Les signaux de sortie des détecteurs de phase 30 a et 30 b représentent la phase des signaux des bobines 14 a et 14 b, respec- tivement, par rapport au signal d'oscillation Apres avoir respectivement traversé les filtres 31 a et 31 b qui comprennent, dans un cas type, des filtres passe-bande de bandes passantes environ 5 Hz et environ 100 Hz, et avoir été respectivement amplifiés par des amplificateurs 32 a et 32 b, les signaux reprê- sentatifs de la phase sont alors cxmparés en utilisant un ampli- ficateur différentiel 34 Ceci produit un signal de sortie spéci- fique de la différenoe de phase relative entre les signaux des bobines 14 a et 14 b Le signal de sortie de l'amplificateur 34 est numnrisé par un convertisseur analogique-numérique 36 La conver- sion est répétée pour un quadrillage uni ou bi-dimensionnel selon le balayage effectue par le manipulateur 29 Ces résultats peuvent être traités pour minimiser les effets dus à la o Enfigu- ration du systèe spécifique, comme par exemple, la soustraction d'un signal provenant d'un objet sans défauts pour augmenter le contraste Les données sont affichées sous forme d'une image de phase en utilisant l'affichage 40 (par exemple un moniteur vidéo), représentant la différence de phase en fnction de la position à une frequence d'oscillation donnée Si des différences de phase à plusieurs fréquences ont été acquises, la différence maxinum pour chaque position indépendante de la fréquence peut être aussi affichée. Quand la cuvette 20 n'est pas à proximité d'un défaut, le pont 10 est équilibré et des signaux égaux sont ainsi fournis à l'amplifacteur différentiel 34 Par conséquent la sortie de l'amplificateur 34 est à zéro, et l'affichage 40 montre une valeur de zero Quand l'une des bobines 14 est à proximité d'un défaut 26, elle subit un changement d'indxucaxce, et par consé- quent de réactance, dû à un chargeent dans les courants de Foucault, ayant pour résultat un chaneaint de la tension aux bornes de la bobine Notamment, étant donné que la cuvette 20 se déplace linrwirpment comme indiqué par la flèche 28, un change- ment de tension est induit dans la bobine 14 a qui s'approche du défaut, et la différence de phase entre les côtés opposés du pont sera différente de zéro Alors, un charlement de tension est induit dans la bobine 14 b alors que celle-ci passe au-dessus du défaut, et la différernce de phase sera de même amplitude mais de signe différent Quand la sonde passe audessus d'un défaut, la sortie de l'amplificateur différentiel 34 varie suivant la séquence: zéro, une grande valeur positive, une grande valeur négative, zéro Le signal de sortie de l'amplificateur 34 est appliqué à un ccovertisseur analogique-numérique 36 Les signaux numériques du cc ertisseur 36 sont stockés dans un registre 38, qui peut être lu après que le balayage soit terminé Par cxxonsé- quent, une image spatiale bi-dimensiaoelle de 1 'objet analysé avec l'amplitudle de défaut ndirxquée par une échelle de gris ou une échelle de couleur peut être affichée sur un affichage 40. Les résultats de la détection des différencoes de phase sont montrés dans la figure 4 Les ourbes dans la figure correspordent à la différence d'angle de phase en degrés entre les bobines 14 en fonction de la fréquence du signal provenant de l'oscillateur 16, pour dix rainures de profondeur variable usinées par faisceaux d'électrons dans une plaque à alliage de nickel, tel que du type "Inzxnel 718 " fabriqué par International Nickel Co Inc, N Y, avec des profondeurs allant de 1 à 10 mils ( 0,0254 à 0,254 mm) et une longueur de 500 mils ( 1,27 ca) Chaque courbe représente la répoense de la sonde quand une bobine est située approximativement directement au-dessus du centre de chaque rainure de défaut Ces courbes ont été normalisées en soustrayant des données qui représentent la réponse de la même sonde pour une zone sans défauts du mûme matériau On estime que les fréquences spécifiques auxquelles les courbes sont le plus séparées (près de 1 M Hz et de 10 M Hz dans la figure 4) et la fréquence à laquelle les courbes se croisent (près de 3 M Hz) dépendent de l'/minç ae particulière du pont 10 et de la longueur des câbles (ncn représenté) entre le pont 10 et les détecteurs de phase 30 La variation en gros lnirairp du signal en fncition de la profondeur des rainures montre l'efficacité de l'utilisation de signaux de différence de phase pour obtenir une information de profondeur quantitative En particulier, les courbes sont bien séparées et distinctes les unes des autres, notamment près de 1 M Hz nême pour une profondeur de 1 mil Ceci se compare à une longueur de résolution minimale de 10 mils de l'art antérieur et pas de détermination directe de la profondeur du défaut. REVENDICATIONS 1 Appareil pour former l'image d'un objet ( 24) par courants de Foucault utilisant une détection de différenre de phase, caractérisé en ce qu'il comprend: une paire d'éléments d'impédan e ( 14) dont au moins un élément est adapté à être disposé à proximité de l'objet ( 24); des moyens ( 29) pour provoquer un xnmiveent relatif entre l'objet ( 24) et les éléments ( 14); un oscillateur ( 16) couplé aux éléments ( 14); une paire de détecteurs de phase ( 30) couplés à l'oscillateur ( 16) et aux éléments ( 14), l'oscillateur fournis- sant des signaux ayant la même phase aux deux détecteurs de phase; et des moyens ( 34) pour coparer les signaux de sortie des détecteurs de phase. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'impédance ( 14) comprennent des bobines. 3 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits éléments ( 14) sont couplés dans un circuit en pont ( 10). 4 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens ( 29) pour provoquer un mouvaement relatif compren- nent un manipulateur linéaire; Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens ( 29) pour provoquer un nxxuvent relatif compren- nent un manipulateur rotatif. 6 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur ( 16) a au moins une fréquence d'oscillation entre environ 0,1 à 10 M Hz. 7 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite fréquence est d'environ 1 M Hz. 8 Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite fréquence est d'environ 10 M Hz. 9 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens ( 34) pour cornpaer comnrenoent un amplifacteur différentiel. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en oe qu'il comprexnd en outre un convertisseur analogique-rnumrique ( 36) ouplé auidits nmoyens pour comnparer ( 34), un registre ( 38) couplé à oe convertisseur ( 36), et un moyen d'affichage ( 40) couplé à ce registre ( 38) pour afficher deux dimensions spa- tiales. 11 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il cnomprend en outre une paire de filtres passe-bande ( 31) ouplés entre les détecteurs de phase ( 30), respectivement, et les moyens pour comparer ( 34). 12 Appareil selon la revendication 11, caractérisé en ce que chacun des filtres passe-bande ( 31) a des fréquencres de coupure d'environ 5 et 100 Hertz. 13 Appareil pour former l'image d'un objet ( 24) par courants de Foucault utilisant une détection de différence de phase, caractérisé en ce qu'il comprend: un circuit en pont ( 10) comprenant une paire de bobines ( 14), au moins une de oes bobines étant adaptée à être disposée à proximité de l'objet ( 24); un oscillateur ( 16) couplé au circuit en pont ( 10); une paire de détecteurs de phase ( 30) respectivement couplés aux bobines ( 14), chacun de ces détecteurs ( 30) étant couplé à l'oscillateur ( 16) pour recevoir des signaux de la même phase; et un amplificateur différentiel ( 34) ayant une paire d'entrées respectivement couplées auxdits détecteurs ( 30). 14 Procédl de formation de l'image d'un objet ( 24) par courants de Foucault utilisant la détection de différence de phase, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: produire un mouveaent relatif entre l'objet ( 24) et au moins l'une des bobines ( 14); mesurer la ré'actaxnce effective dans chacune des bobioes ( 14); et coxparer des valeurs de réactanoe mesurées. Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la mise en nmouvement est une mise en nmouvement linèaire des bobines ( 14). 16 Procédé selon la revendication 14, cara Actérisé en ce que la mise en nmouvement est une mise en rotation des bobines ( 14). 17 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce que la mesure consiste à mélanger respectivement les signaux provenant des bobines ( 14) avec des signaux de référence ayant la même phase. 18 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en oe que la cmparaiscn consiste à soustraire les valeurs des réac- tances détectées. 19 Procédé selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il consiste en autre à convertir les valeurs comparées des réactances en un signal numérique, à stocker ce signal numérique, et à afficher la valeur de ce signal numérique en fonction de la position spatiale.