FR2851337A1 - Capteur de defaut comprenant une magnetoresistance et un circuit electrique de polorisation - Google Patents

Abstract

Le capteur pour la détection de défauts dans une pièce, comprend un bobinage électrique (3) alimenté par un courant variable, une magnétorésistance géante (2) ayant son axe de sensibilité sensiblement parallèle à une surface de la pièce à contrôler, le bobinage (3) ayant son axe disposé perpendiculairement à cette surface à contrôler. Ce capteur comprend également un circuit de polarisation incluant un conducteur électrique (6) disposé perpendiculairement à l'axe de sensibilité de la magnétorésistance et traversé par un courant continu destiné à polariser magnétiquement la magnétorésistance (2). Avec cet agencement, le circuit de polarisation génère un champ magnétique qui est orienté parallèlement à l'axe de sensibilité de la magnétorésistance dans celle-ci, ce qui permet d'ajuster finement la polarisation de la magnétorésistance pour améliorer la précision de mesure en l'exploitant dans un domaine où elle est linéaire.

Description

L'invention concerne un capteur pour la détection de défauts dans une

pièce, comprenant un bobinage électrique alimenté par un courant variable pour créer un champ magnétique pénétrant dans la pièce à contrôler, une magnétorésistance géante destinée à être disposée de manière à avoir son 5 axe de sensibilité sensiblement parallèle à une surface de la pièce à contrôler, le bobinage ayant son axe disposé perpendiculairement à cette surface à contrôler.

Le capteur selon l'invention est destiné à effectuer des contrôles non destructifs pour détecter la présence de défauts tels que des fissures dans 10 des pièces à contrôler électriquement conductrices. L'invention peut également s'appliquer à la détection de particules électriquement conductrices dans un matériau électriquement isolant.

Il existe différents capteurs, comme par exemple celui qui est décrit dans le document de brevet W00167085, comprenant une bobine excitatrice qui 15 génère dans la pièce à contrôler un champ magnétique alternatif. En présence d'un défaut dans la pièce, le champ alternatif donne lieu à des courants de Foucault dans la zone de ce défaut qui modifient la topologie du champ magnétique dans l'environnement du capteur. Une magnétorésistance couplée à une électronique de mesure équipe ces 20 capteurs pour détecter les variations de champ magnétiques dues à de tels courants de Foucault.

Dans un autre capteur connu du document de brevet US6150809, la magnétorésistance est placée entre un circuit excitateur et un circuit compensateur. Ces deux circuits sont parcourus par des courants alternatifs 25 déphasés l'un par rapport à l'autre de manière à assurer que le champ magnétique dans la magnétorésistance est nul lorsque la pièce ne comporte pas de défaut. Ces deux circuits peuvent être soit deux bobinages concentriques et entourant la magnétorésistance, soit deux conducteurs plans entre lesquels cette magnétorésistance est placée. Lors du passage 30 du capteur sur un défaut, la magnétorésistance délivre une tension non nulle. Cependant, la courbe caractéristique d'une telle magnétorésitance donnant sa tension en fonction du champ magnétique dans lequel elle baigne- comprend un hystérésis important autour des valeurs de champ magnétique faibles. Il s'ensuit que la précision de mesure de ce capteur pour 35 les défauts engendrant de faibles courants de Foucault générant eux-mêmes de faibles champs magnétiques n'est pas satisfaisante.

Le but de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un capteur dont la sensibilité est améliorée.

A cet effet, l'invention a pour objet un capteur pour la détection de défauts 5 dans une pièce, comprenant un bobinage électrique alimenté par un courant variable pour créer un champ magnétique pénétrant dans la pièce à contrôler, une magnétorésistance géante destinée à être disposée de manière à avoir son axe de sensibilité sensiblement parallèle à une surface de la pièce à contrôler, le bobinage ayant son axe disposé 10 perpendiculairement à cette surface à contrôler, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de polarisation incluant un conducteur électrique disposé à proximité de la magnétorésistance perpendiculairement à l'axe de sensibilité de celle-ci, ce conducteur électrique étant traversé par un courant continu destiné à polariser magnétiquement la magnétorésistance en vue de 15 la faire fonctionner dans un domaine linéaire. Avec cet agencement, le circuit de polarisation génère un champ magnétique continu qui est orienté parallèlement à l'axe de sensibilité de la magnétorésistance dans celle-ci, ce qui permet d'ajuster finement la polarisation de la magnétorésistance pour améliorer la précision de mesure en exploitant celle-ci dans un domaine o 20 elle a un comportement linéaire.

Selon un mode de réalisation préféré de l'invention le capteur est connecté à un circuit de contre-réaction qui ajuste la valeur du courant traversant le circuit de polarisation en fonction de la tension de la magnétorésistance. Ce circuit de contre-réaction est conçu pour ajuster en 25 temps réel le courant traversant le circuit de polarisation pour que la valeur moyenne de la tension de la magnétorésistance concide avec une valeur de consigne. Cet agencement est particulièrement avantageux pour le cas de pièces à contrôler en matériau ferromagnétiques dans lesquelles l'environnement magnétique varie en fonction de la position du capteur par 30 rapport à la pièce.

Avantageusement, le capteur comprend une pluralité de magnétorésistances montées côte à côte et ayant leurs axes de sensibilité respectifs parallèles, le circuit de polarisation étant formé par une nappe de fils électriquement conducteurs. Le capteur a ainsi une largeur utile 35 importante, de sorte qu'il est possible de contrôler une pièce en déplaçant le capteur seulement selon l'une des directions au lieu d'avoir à réaliser un balayage selon deux directions pour balayer toute la surface de la pièce à contrôler.

Selon un autre mode de réalisation particulier le capteur comprend un substrat souple tel que du Kapton sur lequel est montée chaque 5 magnétorésistance. Il est ainsi possible de réaliser à la demande des capteurs adaptés à des profils courbes de pièces à contrôler, pour un cot de fabrication faible.

L'invention sera maintenant décrite plus en détail, et en référence aux 10 dessins annexés qui en illustrent une forme de réalisation à titre d'exemple non limitatif.

La figure 1 est une représentation en coupe d'un capteur selon l'invention La figure 2 donne une représentation graphique de la courbe 15 caractéristique d'une magnétorésistance; La figure 3 est une représentation schématique d'un circuit de contreréaction équipant le capteur; La figure 4 est une vue de dessus de deux capteurs selon l'invention destinés à fonctionner conjointement; La figure 5 est une représentation en coupe de l'un des capteurs de la figure 4; La figure 6 est une représentation en perspective très schématique du capteur selon l'invention; La figure 7 est une représentation en coupe d'un capteur selon l'invention 25 destiné au contrôle d'une surface gauche.

Figure 1, un capteur de défauts comprend une magnétorésistance 2 qui est ici une magnétorésistance géante ou GMR, c'est à dire ayant une sensibilité élevée. Cette magnétorésistance qui est sensible selon un axe 30 privilégié est placée dans le capteur selon une position telle que cet axe soit parallèle à la surface d'une pièce à contrôler non représentée. Ce capteur comprend également une bobine excitatrice 3 enroulée sur une culasse 4 d'axe orienté perpendiculairement à la surface de la pièce à contrôler. La bobine excitatrice 3 ainsi que la magnétorésistance 2 sont ici montées sur 35 une sole 5 sensiblement plane qui est destinée à être déplacée parallèlement à la surface de la pièce à contrôler. Plus particulièrement, l'axe d'enroulement de la bobine excitatrice 3 est normal à cette sole et la magnétorésistance qui est plane est disposée parallèlement à la sole, son axe de sensibilité étant parallèle au plan que définit cette sole 5. Durant le contrôle d'une pièce, la bobine excitatrice 3 est parcourue par un courant 5 alternatif, de manière à générer un champ magnétique alternatif B destiné à pénétrer dans la pièce à tester.

Selon l'invention, le capteur comprend également un circuit de polarisation incluant un conducteur électrique 6 disposé à proximité de la magnétorésistance 2 selon une direction perpendiculaire à l'axe de 10 sensibilité de cette magnétorésistance. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le circuit de polarisation comprend cinq fils électriquement conducteurs disposés parallèlement les uns aux autres et parallèlement à la sole 5, selon une direction perpendiculaire à l'axe de sensibilité de la magnétorésistance 2. En fonctionnement, chaque fil conducteur est parcouru 15 par un courant continu pour générer un champ magnétique de polarisation B' continu, dans la magnétorésistance pour exploiter celleci dans un domaine linéaire. Compte tenu de la loi d'Ampère, les fils 6 étant perpendiculaires à l'axe de sensibilité de la magnétorésistance 2, ils génèrent à l'intérieur de celle-ci un champ magnétique B' qui est orienté selon cet axe de sensibilité, 20 ce qui permet d'ajuster la valeur du champ de polarisation B' très finement en modifiant simplement l'intensité du courant continu traversant les fils 6.

La figure 2 qui est une courbe représentative de la tension Vs d'une magnétorésistance 2 en fonction de la valeur du champ magnétique B + B' dans lequel elle baigne permet de visualiser qualitativement la 25 caractéristique d'une telle magnétorésistance. Cette courbe fait apparaître une hystérésis importante autour des faibles valeurs de champ magnétique, mais elle est linéaire pour des valeurs de champ magnétique plus élevées.

Comme représenté sur la figure, un choix approprié du courant traversant le circuit de polarisation 6 permet d'ajuster la valeur du champ B' pour exploiter 30 la magnétorésistance dans son domaine linéaire, ce qui permet d'améliorer significativement la précision de mesure. Plus particulièrement, l'application d'un champ magnétique comprenant une composante continue B' et une composante alternative B permet de générer un champ B2 dans la magnétorésistance 2, qui est de la forme B2 = Bo' + Bosin(wt), o Bo' et Bo 35 désignent des valeurs constantes, w et t respectivement la pulsation du champ alternatif et le temps. Selon l'invention, le fait d'ajuster la valeur du courant traversant le circuit de polarisation, permet d'ajuster la valeur du champ de polarisation Bo' pour déplacer la plage d'exploitation de la magnétorésistance vers la gauche ou vers la droite sur la figure 2 de manière à placer cette plage d'exploitation dans un domaine linéaire. 5 Comme représenté figure 2, la plage dans laquelle est exploitée la magnétoréistance 2 est comprise entre les valeurs Bo' - Bo et Bo' + Bo.

L'utilisation d'un circuit de polarisation comprenant au moins un conducteur électrique situé à proximité de la magnétorésistance permet de générer un champ de polarisation avec un très faible encombrement du 10 circuit de polarisation, comparativement à des capteurs utilisant une bobine de polarisation ou encore un aimant permanent. L'intensité du champ de polarisation peut ainsi être ajustée avec un potentiomètre qui module l'intensité du courant traversant le circuit de polarisation.

Dans un mode de réalisation préféré, le capteur fonctionne avec à un 15 circuit électronique de contre-réaction qui gère l'alimentation électrique du circuit de polarisation de manière automatique.

La figure 3 montre une pièce à tester 7 qui baigne dans un champ magnétique mesuré par une magnétorésistance 2, cette magnétorésistance étant connectée à un circuit de contre-réaction qui est ici donné à titre 20 d'exemple non limitatif. La tension de sortie analogique de cette magnétorésistance 2 est transmise à un convertisseur numérique 8 qui délivre en sortie la tension instantannée Vs sous forme numérique en vue d'une analyse par traitement du signal dans un appareillage non représenté.

Ce convertisseur analogique numérique 8 reçoit également par une autre 25 entrée une tension de consigne V, qui est comparée à la valeur moyenne Vo' de la tension de Vs pour piloter un élément d'amplification 9 de manière à augmenter ou réduire le courant d'alimentation du circuit de polarisation en fonction de l'écart entre Vc et Vo' . Plus particulièrement, cette boucle de contre-réaction est conçue pour 30 ajuster l'intensité du courant continu d'alimentation du circuit de polarisation 6 en comparant la valeur moyenne de la tension Vs de la magnétorésistance avec la valeur de la tension de consigne V0. Si la moyenne de Vs est supérieure à Vo le courant d'alimentation est augmenté, et il est diminué sinon. La valeur moyenne de Vs est par exemple calculée sur la base d'une 35 moyenne glissante sur un intervalle de temps prédéfini qui est supérieur à plusieurs périodes du courant alternatif d'excitation de la bobine 3. La présence de défauts dans la pièce est quant à elle évaluée par un appareillage de traitement du signal sur la base d'une analyse en phase et en amplitude de la tension alternative Vs par comparaison à une tension de référence de même fréquence.

Cette boucle de contre-réaction permet de s'affranchir des perturbations électromagnétiques de l'environnement en réajustant automatiquement le champ de polarisation pour qu'il corresponde à la valeur de consigne V0. La mise en oeuvre d'une telle chaîne de contre-réaction est particulièrement avantageuse dans le cas du contrôle de pièces ferromagnétiques générant 10 naturellement elles-mêmes un champ magnétique continu qui varie lentement à la surface de la pièce, puisqu'elle corrige automatiquement les perturbations magnétiques induites par de telles pièces ferromagnétiques.

Dans un mode de réalisation préféré de l'invention représenté sur les figures 4 et 5, le capteur comprend une pluralité de magnétorésistances 15 montées côte à côte et ayant leurs axes de sensibilité respectifs parallèles, en association avec une bobine excitatrice commune qui est disposée en vis à vis de l'ensemble des magnétorésistances.

Figure 4, un premier capteur 1 et un second capteur 1' selon l'invention sont représentés. Le premier capteur 1, qui est aussi représenté en coupe 20 figure 5, est agencé sur une sole 3 qui est ici sensiblement rectangulaire, et il comprend une pluralité de magnétorésistances 2 qui sont montées côte à côte selon la grande longueur du rectangle que forme la sole 3 en étant placées sensiblement sur son axe médian. Chaque capteur 1, 1' comprend un bobinage inductif 3, 3' qui s'étend sur une culasse sensiblement 25 rectangulaire, ces deux culasses ayant chacune des dimensions inférieures à celles des soles 5 et 5'. Ces capteurs comprennent également des connecteurs 10, 10' destinés à relier électriquement les magnétorésistances 2, 2' à un circuit de mesure électronique et à la boucle de contre-réaction décrite plus haut. Chaque magnétorésistance 2, 2' est représentée sous 30 forme d'une flèche indiquant son axe de sensibilité.

Un capteur tel que 1 ou 1' est sensible sur une grande largeur de sorte qu'il est possible de contrôler une pièce 7 en déplaçant le capteur seulement le long d'un axe, comme représenté schématiquement figure 6, au lieu d'avoir à effectuer un balayage selon deux axes de toute la surface de la 35 pièce à contrôler.

Dans le premier capteur 1, toutes les magnétorésistances sont montées de manière à avoir leurs axes de sensibilité respectifs parallèles à la grande longueur de la sole 3. Dans le second capteur 1', les magnétorésistances 2' sont montées de manière à avoir leurs axes de sensibilité perpendiculaires 5 au long côté de la sole 3'. Avantageusement, les deux capteurs 1 et 1' peuvent être utilisés conjointement. Ceci permet d'augmenter encore la précision de contrôle en détectant la présence de courants de Foucault dus à des défauts dans la pièce sur la base de deux directions 2 et 2' de sensibilité au champ magnétique généré par ces courants de Foucault.

Le circuit de polarisation de ces capteurs qui n'est pas représenté dans les figures 4 et 5 pourra avantageusement être réalisé sous forme de nappes de fils fixés le long des soles 3, 3' de manière à générer le champ magnétique continu de polarisation B'.

La figure 7 est une représentation schématique d'une variante du capteur 15 selon l'invention, destiné au contrôle de pièces courbes ou gauches. Plus particulièrement, chaque magnétorésistance est montée sur un substrat souple comme par exemple du Kapton, de sorte qu'il est possible de réaliser à moindre cot un capteur à profil courbe tel que celui qui est représenté schématiquement figure 7. Dans ce mode de réalisation, les 20 magnétorésistances sont montées sur une sole 5 souple en Kapton de manière à former un élément de base du capteur. Selon le profil souhaité, un bobinage correspondant pourra être réalisé à la demande de manière à épouser la forme courbe à contrôler, ce bobinage recevant ensuite la sole souple comprenant les magnétorésistances. De cette manière, la fabrication 25 de capteurs à la demande, pour le contrôle de pièces à profil courbes ou gauche est réduite à la réalisation du bobinage épousant la forme du profil courbe à contrôler, ce qui réduit d'autant le cot de fabrication d'un tel capteur dédié.

Claims (4)

REVENDICATIONS

1/ Capteur pour la détection de défauts dans une pièce, comprenant un bobinage électrique (3, 3') alimenté par un courant variable pour créer un 5 champ magnétique pénétrant dans la pièce à contrôler, une magnétorésistance géante (2, 2') destinée à être disposée de manière à avoir son axe de sensibilité sensiblement parallèle à une surface de la pièce à contrôler, le bobinage (3, 3') ayant son axe disposé perpendiculairement à cette surface à contrôler, caractérisé en ce qu'il comprend un circuit de 10 polarisation incluant un conducteur électrique (6) disposé à proximité de la magnétorésistance (2, 2') parallèlement à la surface à contrôler, et perpendiculairement à l'axe de sensibilité de la magnétorésistance, ce conducteur électrique (6) étant traversé par un courant destiné à polariser magnétiquement la magnétorésistance (2, 2') en vue de la faire fonctionner 15 dans un domaine linéaire.

2/ Capteur selon la revendication 1, comprenant un circuit de contreréaction pour ajuster la valeur du courant continu traversant le circuit de polarisation (6) de manière à faire concider la tension moyenne de la 20 magnétorésistance (2, 2') avec une valeur de consigne.

3/ Capteur selon l'une des revendications 1 ou 2, comprenant une pluralité de magnétorésistances (2, 2') montées côte à côte et ayant leurs axes de sensibilité respectifs parallèles. 25 4/ Capteur selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le circuit de polarisation (6) est formé par une nappe de fils électriquement conducteurs.

5/ Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant un substrat 30 souple (5) tel que du Kapton sur lequel est montée chaque magnétorésistance (2, 2').