Utilisation des matériaux magnétostrictifs filaires comme capteurs de mesure de champ magnétique

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1 Utilisation des matériaux magnétostrictifs filaires comme capteurs de mesure de champ magnétique Eric CRESCENZO 1 Evagelos HRISTOFOROU 2 1) IXTREM 9 rue Edouard Denis Baldus, F-711 CHALON SUR SAONE Tél : 33 () / Fax : 33 () / [email protected] 2) NCSR "Demokritos" Grèce RESUME : Ce travail d étude a été réalisé dans le cadre d un projet de recherche européen intitulé "IMOSENS" visant le développement de nouvelles techniques de contrôle non destructif des matériaux principalement ferromagnétiques. L'objet de ces recherches a été en outre de concevoir et mettre au point des capteurs magnétiques filaires à propriété magnétostrictive remarquable (matériaux magnétiques amorphes) fonctionnant sur le principe de génération d'ondes acoustiques se propageant le long d'un fil magnétique à propriété magnétostrictive perturbées par la présence de gradients de champs magnétiques localisés. Plusieurs types de capteurs ont été réalisés: mesure ponctuelle du champ magnétique; mesure des variations du champ magnétique le long du fil magnétique de longueur 5 cm environ. Les performances obtenues peuvent être jugées comme pleinement satisfaisantes. En effet, des entailles de.2 mm de profondeur ont été détectées avec une résolution de l'ordre du mm. MOTS CLES: matériaux magnétostrictifs contrôle non destructif flux de dispersion 1

2 2. Objet: Les travaux de recherche ont été réalisés dans le cadre d'un projet européen (5 ième programme cadre) visant la mise au point de nouvelles techniques et capteurs de contrôle non destructif des matériaux ferromagnétiques. L'objectif à terme est de remplacer des barrettes linéaires de capteurs magnétiques type effet Hall ou magnétorésistances par des capteurs magnétiques "filaires" dont le principe de fonctionnement est basé sur l'effet magnétostrictif de certains matériaux magnétiques amorphes conditionnés sous forme de fils de quelques dizaines de µm de diamètre pour effectuer du contrôle non destructif par flux de dispersion ou perte de flux. Le principe de cette technique de contrôle non destructif consiste à saturer magnétiquement le matériau ferromagnétique; au droit des défauts il se produit des variations de flux magnétique dues aux différences de perméabilité magnétique entre l'air (interface d'air créée par la présence du défaut) et le reste du matériau. Ces gradients de champ magnétique sont mis en évidence en pulvérisant des liqueurs magnétiques (magnétoscopie) ou en utilisant des capteurs magnétiques type Hall ou magnétorésistances (techniques par flux de dispersion ou perte de flux). Cette technique devient rapidement onéreuse lorsqu'il y a obligation de contrôler de grandes surfaces ou des pièces à géométrie complexe nécessitant de concevoir des barrettes de capteurs adaptées à la forme de la pièce à contrôler. 3. Description des travaux de recherche et originalité de la démarche 3.2. Principe de mesure du capteur magnétique filaire a MDL Vo Bobine émettrice Bobine réceptrice Le fait de générer un pulse de courant dans la bobine émettrice génère un groupe de micro-contraintes qui se propagera le long du fil magnétique amorphe en produisant une déformation élastique qui se déplacera le long du fil. Par effet inverse, un récepteur constitué d'une bobine avec un nombre de spires suffisant génèrera à son tour une différence de potentiel dont l'amplitude sera fonction des conditions de propagation de l'onde acoustique qui elle même dépendra du champ magnétique avoisinant (variation de la perméabilité magnétique du matériau avec l'intensité de champ magnétisant). 2

3 Groupe de microcontraintes Onde acoustique en résultant Variation de flux magnétique engendré par la bobine réceptrice en retour La réponse de ce type de capteur dépend bien entendu des conditions de fabrication du fil magnétique amorphe (caractéristiques magnétiques) et de son état d'aimantation. On s'aperçoit rapidement que la sensibilité de ce type de capteur décroît rapidement avec l'intensité du champ magnétique. Des précautions de blindage magnétique du capteur s'imposent pour éviter de saturer le matériau amorphe et donc le rendre "aveugle" à toute variation de champ magnétique extérieur lorsque ce type de capteur est utilisé pour du contrôle non destructif par flux de fuite obligeant de saturer magnétiquement le matériau à contrôler. 3

4 2.2. Principe du capteur magnétique ponctuel et résultats obtenus Voltage output Vo (mv) Glass covered fiber Amorphous ribbon Amorphous fiber Bias field (Oe) Réponse du capteur en fonction de son aimantation MDL Ie Vo Principe du capteur magnétique ponctuel 6 4 Voltage output (mv) Applied field (A/m) Réponse du capteur en fonction de l'intensité du champ magnétique 4

5 Moyennant de préparer un fil magnétique amorphe à propriété magnétostritive adaptée (Fe Si B recuit à 38 C pendant 15 minutes sous atmosphère d'argon), il a été démontré la possibilité de caractériser les défauts en fonction de leurs morphologie et de leurs dimensions. Maximum output difference (mv) (a),2,4,6,8 1 Width of cracks (mm) Maximum output difference (mv) (b),2,4,6,8 1 Depth of cracks (mm) 5 Maxium output difference (mv) (c),2,4,6,8 1 Diameter of holes (mm) 5

6 2.3. Principe du capteur magnétique filaire susceptible de remplacer à terme des barrettes linéaires de capteurs magnétiques type Hall ou magnétorésistances Under test magnetic surface Ie MDL Voltage pulses due to cracks on the magnetic surface Comparativement à la configuration précédente, le récepteur est placé parallèlement à la surface du matériau à contrôler. Des entailles de profondeur.2 mm ont été détectées, toutefois la résolution de ces capteurs reste faible (5 mm environ). Une nouvelle génération de capteurs a depuis été mis au point à la suite de ce projet de recherche européen et a permis de détecter des entailles de.2 mm de profondeur avec une résolution de 1 mm. 3. Conclusions Les travaux de recherche réalisés ont permis de démontrer la possibilité d'utiliser des capteurs magnétiques filaires à effet magnétostrictif pour le contrôle non destructif par flux de dispersion ou perte de flux. La principale difficulté est de réaliser des matériaux magnétostrictifs adaptés dont le diamètre est très faible (5 à 7 µm) en les associant éventuellement à des matériaux conducteurs de l'électricité pour en augmenter la conductivité électrique afin de faire passer directement le courant dans le fil au lieu d'utiliser une bobine émettrice extérieure entourant le fil amorphe. Par ailleurs, les conditions de préparation de tels fils restent cruciales pour obtenir une bonne sensibilité et reproductibilité des résultats. 6