Brevet FR2689638A1 — publié le 19931008

CAPTEUR A COURANTS DE FOUCAULT. 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. 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. 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. 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. 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.). La mesure de cette impédance, qui est assurée par exemple par un détecteur synchrone, constitue le signal de sortie du capteur. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. REVENDICATIONS 1. Capteur à courants de Foucault comprenant un support (10) en matériau magnétique, sur lequel sont montés un bobinage d'excitation (14) et un bobinage de mesure (22) coaxiaux, caractérisé par le fait que le bobinage d'excitation (14) est monté sur une partie tubulaire (12) du support, le bobinage de mesure (22) étant monté à l'intérieur de cette partie tubulaire, autour d'une tige cylindrique (20) du support. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la partie tubulaire (12) présente une épaisseur supérieure au diamètre de la tige cylindrique (20). 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'épaisseur de la partie tubulaire (12) est sensiblement égale au diamètre de la tige cylindrique (20) augmenté de l'épaisseur du bobinage de mesure (22). 4. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la partie tubulaire (12) et la tige cylindrique (20) présentent des extrémités actives situées sensiblement dans un même plan.