Une conception sophistiquée de noyau en cuivre pour faire converger le contrôle des courants de Foucault rotatifs afin de détecter les fissures dans les matériaux conducteurs

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 5479 (2023) Citer cet article

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Les tests par courants de Foucault (CE) ont été sélectionnés comme candidat standard pour détecter les défauts des matériaux conducteurs au cours des dernières décennies. Néanmoins, inventer des sondes EC capables de détecter des défauts mineurs a toujours été un défi pour les chercheurs en raison du compromis entre les dimensions de la sonde et la résistance de l'EC générée à la surface de l'éprouvette. Ici, nous utilisons un noyau en cuivre de conception sophistiquée pour faire converger l'EC rotatif à l'extrémité du noyau en cuivre afin de détecter de petites fissures dans toutes les directions dans les matériaux conducteurs. Dans cette méthode, nous pouvons arbitrairement adapter une grande bobine d’excitation afin qu’un EC uniforme rotatif plus grand soit généré dans une petite zone de l’éprouvette. Ainsi, la sonde peut détecter des fissures dans toutes les directions dans les matériaux conducteurs.

Les petits défauts des composants structurels présentent des risques potentiels. En raison des avantages de vitesse, de sensibilité et d'efficacité élevées1,2,3,4, les tests par courants de Foucault (EC) sont les tests non destructifs dominants appliqués pour détecter les défauts des matériaux conducteurs dans diverses industries, telles que l'aviation5,6, les chemins de fer7, 8,9, l'industrie pétrochimique10 et le domaine du génie civil, comme dans le cas des ponts en acier11,12. Il s'agit d'une méthode essentielle pour collecter des informations sur les défauts dans le domaine de la maintenance13,14.

Hoshikawa et al.15 ont noté qu'un motif de ligne droite EC induit sur la surface de l'éprouvette peut augmenter le rapport signal/bruit (SNR). Cette technique est connue sous le nom de mesure par courants de Foucault uniformes (UEC) au Japon. Entre-temps, cette technique est appelée mesure de champ en courant alternatif en Amérique et en Europe. De plus, la réalisation de caractéristiques auto-différentielles et auto-annulantes pour les sondes EC peut réduire l'effet des signaux de bruit 16,17. La sonde UEC typique a été inventée par Hoshikawa et s'appelle la sonde Hoshi15,18,19,20,21,22,23,24,25. La structure de la sonde Hoshi se compose essentiellement d'une bobine d'excitation rectangulaire tangentielle et d'une bobine de détection circulaire ou rectangulaire. Le principe du transducteur UEC est que lorsqu'un défaut existe dans le matériau, il perturbe la répartition de l'UEC et altère le flux magnétique traversant la bobine de détection.

À ce jour, de nombreux chercheurs continuent d’étudier et de développer de nouvelles sondes EC permettant d’obtenir un SNR élevé afin de prédire la taille de défauts de plus en plus mineurs. Un noyau de ferrite a été appliqué comme matériau de noyau de la bobine d'excitation pour augmenter l'amplitude du champ magnétique et ainsi améliorer la capacité de détection des défauts en raison de sa haute perméabilité26,27,28,29,30,31. À ce jour, les sondes UEC présentaient un inconvénient dans la détection de petits défauts, car il est nécessaire de disposer d'une grande intensité de courant d'excitation et donc d'une grande structure de la sonde pour qu'une forte EC soit générée sur la surface de l'éprouvette afin d'augmenter la sensibilité de détection. Cependant, cela affecte la capacité de détection des petits défauts car la distribution de CE induite est trop grande par rapport à la taille des petits défauts. De plus, au lieu des capteurs ECT traditionnels, un capteur à courant de Foucault flexible et très sensible est également utilisé pour détecter les défauts microscopiques de surface32,33,34. En raison de la mesure de conductivité haute fréquence et du grand ampérage d'excitation, le champ magnétique diverge autour de la bobine d'excitation et couvre une grande surface, ce qui permet d'obtenir des performances élevées pour la détection des micro-défauts. Malgré cela, les sondes flexibles à courant de Foucault comportent généralement un petit nombre de tours de fil de cuivre. Par conséquent, les bobines plates nécessitent des mesures de conductivité à hautes fréquences pour pouvoir obtenir de bonnes performances (généralement entre 100 kHz et 10 MHz). Dans ce mode, il y aura évidemment beaucoup de bruit et un effet de peau superficiel. De plus, pour poursuivre la résolution spatiale, une sonde flexible à courant de Foucault a une grande résolution spatiale, ce qui sera désavantageux lors de l'examen d'éprouvettes avec une petite surface, d'autant plus qu'elle ne peut pas détecter les fissures adjacentes. Par conséquent, dans notre étude précédente, une sonde de convergence par courants de Foucault (ECC) avec un noyau en cuivre comportant des fentes, des creux et une plaque placée sous la bobine d'excitation a été considérée comme créant une EC extrêmement forte convergeant à l'extrémité du noyau en cuivre. . Néanmoins, pour la sonde ECC des travaux précédents, l'amplitude du signal de fissure était considérablement réduite lorsque les lignes EC étaient parallèles à la longueur de la fissure plutôt que perpendiculaires à la longueur de la fissure, conduisant à une évaluation considérablement affectée des caractéristiques de la fissure. Une méthode pour résoudre ce problème consiste à utiliser une paire de noyaux d’excitation avec la même fréquence et les mêmes courants avec une différence de phase de 90° pour générer un EC rotatif sur la surface de l’échantillon18,19,23,37. Cependant, notre étude précédente 35,36 a été gênée par la création d'une rotation des EC à la surface de l'éprouvette car cette rotation n'était pas directement générée par les bobines d'excitation mais par les EC convergeant à la pointe du noyau de cuivre. En d’autres termes, pour créer un EC rotatif uniforme sur la surface de l’éprouvette, les EC qui convergent à l’extrémité du noyau de cuivre capable d’une rotation uniforme doivent être contrôlés. Par conséquent, cette étude présente une nouvelle sonde rotative à convergence uniforme des courants de Foucault (RUECC) utilisant une conception sophistiquée d'un noyau de cuivre qui peut créer des EC rotatifs convergeant à la pointe du noyau de cuivre, entraînant la génération d'un EC rotatif extrêmement fort sur le Surface de l'éprouvette pour détecter les petites fissures dans toutes les directions. En ajustant la taille et le nombre de tours de la bobine d'excitation et la structure du noyau de cuivre pour produire des EC qui convergent vers la pointe du noyau de cuivre, la sonde RUECC peut surmonter l'inconvénient des sondes ECC dans les études précédentes . La capacité de détecter de petits défauts dans toutes les directions avec la sonde devrait également s'améliorer considérablement. En outre, une bobine de détection circulaire adhérant à des caractéristiques d'auto-annulation et auto-différentielles et permettant à la sonde RUECC d'éliminer les signaux de bruit (en particulier les signaux de bruit lors du levage). L'analyse par éléments finis a été réalisée pour confirmer la convergence des courants de Foucault à la pointe du noyau de cuivre. Cette étude a réussi à obtenir le RUECC à la pointe du noyau de cuivre en fabriquant le noyau de cuivre sur la base des résultats de l'analyse par éléments finis. Une excellente capacité de détection des défauts a été obtenue grâce à la conception spéciale du noyau en cuivre par rapport à la littérature existante.