Les capteurs à courants de Foucault

La détection de microfissures via un capteur à courants de Foucault s’inscrit dans les méthodes de contrôles non destructifs. C’est un vaste domaine regroupant toutes les technologies permettant de déterminer si une pièce mécanique est apte à remplir la fonction à laquelle elle est destinée, sans avoir besoin de la préparer. On évite par exemple les phases de découpage et de polissage nécessaires à une métallographie. Par analogie, on pourrait comparer ces méthodes de contrôles avec le « diagnostic que le médecin formule lors de l’examen de son patient » . Les différentes techniques de contrôle peuvent être classées en fonction du degré de profondeur qu’elles peuvent atteindre lors de l’analyse :

♦︎ Les méthodes permettant de contrôler la surface des objets :
● Les contrôles visuels ;
● Le ressuage ;
♦︎ Les méthodes permettant de contrôler la surface ainsi que les zones proches de la surface (peau) :
● La magnétoscopie ;
● Les courants de Foucault ;
● Les jauges de contraintes extensiométriques ;
♦︎ Les méthodes permettant de contrôler tout le volume des objets :
● La radiographie ;
● Les ultrasons ;

Toutes ces méthodes d’analyse ne seront pas explicitées dans le cadre de ce travail, seule la famille des capteurs qui contrôlent la peau de la structure métallique.

Les capteurs à courants de Foucault

La première technologie qui sera présentée est celle concernant les capteurs à courants de Foucault. La naissance de courants de Foucault dans des pièces métalliques est indissociable du principe de l’induction électromagnétique. Le contrôle par courants de Foucault consiste à « soumettre une pièce à contrôler à l’action d’un champ magnétique variable dans le temps, de manière à induire des courants électriques (dits de Foucault) en circuit fermé dans le matériau » . Ce champ magnétique variable est souvent créé par une bobine parcourue par du courant alternatif. Sous l’action de ces courants induits se forme alors un champ magnétique secondaire opposé au champ primaire.

Ces deux champs sont en équilibre lorsque le matériau composant la pièce étudiée est homogène et que le capteur reste à une distance constante. Lorsqu’une fissure ou un champ de déformation plastique en pointe de celle-ci apparaît dans le champ de détection d’une bobine, l’impédance de ladite bobine change. Les contrôles par courants de Foucault se basent sur la mesure de cette variation d’impédance. Les résultats peuvent être représentés sous la forme d’un vecteur dont le point de départ se trouve sur l’origine du système. L’analyse peut se faire soit de manière cartésienne (traitement des composantes en X et Y du vecteur) ou polaire (norme du vecteur et angle formé avec l’axe des X). C’est la première manière qui sera appliquée. Ces capteurs peuvent être engagés sur la plupart des matières conductrices, à l’air ou sous l’eau, et ne sont pas influencés par des recouvrement fins non-conducteurs (p.ex. peinture).

La magnétoscopie

Le contrôle par magnétoscopie consiste à générer un champ magnétique dans une pièce que l’on veut étudier par le biais d’une bobine parcourue par un courant électrique. De cette façon, à la manière d’un aimant permanent, la pièce va se polariser. Si celle-ci possède à sa surface des défauts, un nouveau champ magnétique apparaît aux abords de celui-ci que l’on appelle champ de fuite. La détection par magnétoscopie consiste à asperger les pièces à analyser d’un liquide contenant des particules ferromagnétiques en suspension. Les champs de fuite vont alors attirer vers eux ces particules qui vont remplir le défaut et créer un contraste sur la pièce. Selon l’environnement, il existe deux types de magnétoscopie :

❖ La magnétoscopie noir-blanc : utilisée pour le travail en lumière blanche, les particules ferromagnétiques apparaissent en noir dans les défauts, c’est pourquoi il est souvent préférable d’appliquer une sous-couche blanche sur la pièce.
❖ La magnétoscopie fluorescente : Les particules réagissent à la lumière UV, aucune sous-couche n’est nécessaire et la résolution de détection est nettement supérieure qu’en noir-blanc.

Les avantages par rapport aux capteurs à courants de Foucault sont la sensibilité de détection (jusqu’à 1 micron d’épaisseur de défaut) et la lisibilité des résultats, puisque ceux-ci apparaissent directement sur la pièce à contrôler. Cette méthode possède cependant plusieurs inconvénients :
❖ Les pièces à analyser doivent être magnétisées ce qui peut être très contraignant pour le contrôle d’organes volumineux ;
❖ Si les fissures se propagent dans la même direction que le champ magnétique, le champ de fuite sera très faible et le défaut risque de ne pas apparaître ;
❖ Seuls les matériaux ferromagnétiques peuvent être analysés ;
❖ Des utilisations dans l’eau, sur des revêtements isolants, ou des revêtements magnétiques de plus d’un centième de millimètre sont impossibles ;

Les jauges de contraintes extensométriques

Les jauges de contraintes mesurent par le biais d’un pont de Wheatstone la différence de résistance électrique d’une branche du pont dûe à un allongement de la matière. Cette variation de résistance trouble l’équilibre du pont, lequel renvoie une valeur de tension non-nulle qu’il est possible de convertir en contrainte ou en allongement. L’échantillon doit être en contact intime avec la pièce, tout glissement fausse le résultat et risque d’endommager le capteur. Les jauges de contraintes sont une solution bon marché, fiable et facile d’accès. Cependant, elles ne tolèrent que de faibles déformations (de l’ordre de quelques microns), et leur consommation électrique est supérieure à celle d’une bobine d’induction.

Le capteur de Sensima Inspection Sarl

Le capteur conçu par Sensima Inspection se compose de quatres bobines émettrices-réceptrices. Chacune d’entre elles induit son propre champ magnétique et analyse la réponse d’impédance de celui-ci. Son poids réduit, la faible épaisseur de la zone des capteurs ainsi que la plaque aimantée qui est fixée sur la partie rigide rendent son positionnement facile. La partie contenant les bobines est très flexible et peut donc s’adapter à des reliefs de surface très variés. Il est entièrement étanche et peut à ce titre être engagés sous l’eau. La communication avec le Software d’acquisition se fait ici par prise USB, mais d’autres moyens de communication sans fils (Bluetooth, GSM) sont également compatibles, ce qui lui permet de fonctionner sur des organes tournants. Il est capable de fournir une mesure directe de la longueur de fissure en traitant les signaux des bobines.

Applications actuelles

Ce type de capteurs est actuellement utilisé dans des projets variés, mais orientés vers des applications plutôt statiques dans le génie civil. Des études ont par exemple été menées sur le pont de Kirchenberg, qui est un nœud important du traffic routier en ville de Berne. Cet important flux de véhicule fait constamment varier la charge supportée par le pont, recréant des efforts de fatigue dans les barres qui le composent. Il est également engagé à Genève, dans la centrale électrique au fil de l’eau du Seujet. Avant que l’eau n’entre dans les turbines, des grilles sont chargées de filtrer les déchets qui pourraient y causer des dommages. Le capteur a permis de déceler des fissures de taille importante causées par la soudure de l’assemblage. Les défauts étaient impossibles à repérer à l’œil nu à cause d’une épaisse couche de rouille qui les recouvrait, mais le capteur a pu connaître leur position exacte.

Table des matières

1. INTRODUCTION
1.1. Buts
1.2. Contexte
2. ÉTAT DE L’ART
2.1. Les capteurs à courants de Foucault
2.2. La magnétoscopie
2.3. Les jauges de contraintes extensométriques
2.4. Le capteur de Sensima Inspection Sarl
2.5. Applications actuelles
3. BASES THÉORIQUES
3.1. Mécanique de la rupture
3.1.1. ??? la résistance à la propagation de fissure
3.1.2. La zone de plastification
3.2. Interactions entre matériau et champ magnétique
3.3. Fatigue
4. MÉTHODOLOGIE
4.1. Calibration et montage du capteur
4.2. Déchirement
4.3. Fatigue
5. CALCULS, RÉSULTATS ET ANALYSES
5.1. Simulation par éléments finis
5.2. Essais de déchirement
5.2.1. Essai de traction
5.2.2. La zone plastifiée
5.2.3. La résistance à la propagation de fissure, ???
5.2.4. Les signaux du capteur : composante Y
5.2.5. Les signaux du capteur : composante X
5.3. Les essais de fatigue
5.4. Comparaison entre déchirement et fatigue
5.5. La surface de rupture
6. SYNTHÈSE
7. PERSPECTIVES
8. CONCLUSION
9. REMERCIEMENTS
10. SIGNATURE
11. ANNEXES

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