Titre de l’invention : Dispositif de contrôle non destructif d’une structure, comprenant un organe de réduction de bruits électromagnétique

[0001] L’invention concerne le domaine du contrôle non destructif de structures longitudinales, par exemple un câble électrique, un rail de chemin de fer ou une canalisation, dans le but de contrôler l’état de santé de la structure et d’identifier la présence de défauts, par exemple une fissure, une amorce de cassure ou une cassure franche.

[0002] Les techniques actives d’inspection de structure par ondes ultrasonores consistent généralement à générer des ondes dans la structure ou à la surface de la structure à l’aide de capteurs, puis à mesurer les propriétés des ondes propagées à l’aide d’un ou plusieurs capteurs positionnés sur la structure.

[0003] Les ondes ultrasonores générées dans la structure à étudier peuvent se propager sur de grandes distances, a fortiori dans une structure longitudinale. Les ondes ultrasonores étant sensibles aux défauts, les mesures contiennent des informations concernant l’état de « santé >> de la structure. Les mesures effectuées permettent de détecter des défauts d’une grande variété. Dans certaines conditions, il est également possible de localiser et de quantifier certains défauts.

[0004] L’invention concerne plus particulièrement le domaine des dispositifs de contrôle non destructifs basés sur des transducteurs acoustiques électromagnétiques (EMAT) qui visent à générer une onde ultrasonore directement dans la pièce à inspecter par un couplage électromagnétique sans nécessité de se connecter physiquement sur la pièce.

[0005] Ce type de dispositif permet d’éviter l’utilisation de couplant qui induit des limitations pour des applications de surveillance de structures de grande longueur telles que des câbles électriques. Le fait de pouvoir réaliser un couplage électromagnétique sans contact direct permet par exemple d’embarquer le dispositif à bord d’un train pour réaliser l’inspection des rails à des vitesses élevées.

[0006] Un capteur de type EMAT présente un fonctionnement qui combine l’interaction d’un champ magnétique et des courants de Foucault induits dans le rail par une bobine à proximité de ce dernier. Ces courants se transforment en efforts à la surface du rail sous l’effet du champ magnétique qui génèrent à leur tour les ondes ultrasonores. Ce processus est réversible et peut être utilisé en émission comme en réception.

[0007] L’invention s’applique plus généralement pour tout type de capteur comprenant un émetteur et un ou des récepteur(s) électromagnétique de différentes formes de bobines électromagnétiques mais aussi des capteurs magnétiques de type magnétorésistance géante (GMR), magnétorésistance tunnel (TMR), ou magnétorésistance anisotrope (AMR).

[0008] L’environnement électromagnétique des câbles électrique ou des rails de chemins de fer est parfois bruité du fait des hautes tensions et forts courants qui peuvent transiter dans les câbles, les rails, la caténaire, etc...

[0009] De ce fait, les capteurs utilisés pour contrôler leur état de santé peuvent être perturbés par cet environnement bruité. En particulier, les signaux mesurés par un capteur fonctionnant en réception peuvent être perturbé par des signaux non souhaités (assimilables à du bruit) qui sont induits par des couplages de champs électriques et de champs magnétiques. Ces champs proviennent notamment des hautes tensions mises en jeu dans les câbles électriques de transport d’énergie, la caténaire d’une voie ferrée ainsi que les courants qui circulent dans l’environnement et dans les pièces à inspecter tel que des courants alternatifs ou hachés dans les câbles électriques, les courants de traction qui circulent dans le rail et dans la caténaire mais aussi des courants du circuit de signalisation qui circulent dans les rails de chemin de fer.

[0010] Ainsi l’analyse du signal utile peut être faussée de par la présence de ces signaux perturbateurs.

[0011] La protection du capteur par un blindage électromagnétique n’est pas toujours possible car, dans le présent cas d’application des capteurs Emat, cela réduirait conjointement le bruit et les signaux utiles.

[0012] Les champs électromagnétiques perturbateurs extérieur (ou provenant de la caténaire dans une application ferroviaire) pourraient éventuellement être réduits par ce type de blindage mais il n’est pas possible de protéger le capteur des champs électriques et magnétiques provenant de pièce à inspectée qui est au contact de la bobine de réception. En effet, le blindage s’intercale entre la source de perturbation et l’élément perturbé qui est ici la bobine de réception du transducteur. Une telle protection bloquerait également les champs électromagnétiques issus du signal utile.

[0013] Les capteurs EMAT basés sur des transducteurs ayant une bobine en forme de méandre en réception présentent une forte sélectivité en fréquence. L’expérience montre que la haute tension environnante et les courants traversant la pièce à inspecter (câbles électriques, caténaire, rails d’une locomotive électrique) créent un bruit significatif (de l’ordre du signal utile) à la fréquence de sensibilité du capteur.

[0014] Une autre solution pour lutter contre ce bruit consiste à filtrer le signal mesuré par le capteur pour ne conserver que le signal comportant le contenu fréquentiel du signal utile. Cependant, cette approche, ne permet de supprimer que le bruit dans des bandes de fréquences différentes du signal utile. L’utilisation d’un filtre n’est pas efficace pour supprimer le bruit dans la même bande de fréquence que le signal utile.

[0015] Une autre solution consiste à réaliser une détection synchrone ou démodulation cohérente du signal, par exemple en modulant le champ magnétique. Cependant, cette technique est difficile à mettre en oeuvre pour une inspection embarquée dans le contexte ferroviaire car l’inspection se fait à des vitesses importantes.

[0016] Dans le cas d’application ferroviaire, la demande de brevet W02008137231 propose encore une méthode de réduction de bruits basée sur une mesure différentielle pour supprimer le bruit électromagnétique du moteur de locomotive sur les bobines de communication d’un système de signalisation. Cette méthode n’est pas applicable pour un dispositif de contrôle non destructif car elle ne permet pas d’analyser l’état de santé d’un rail. En effet, le dispositif proposé dans cette demande de brevet est basé sur deux capteurs positionnés sur deux rails distincts et ne prévoit pas la génération d’une onde ultrasonore se propageant dans un même rail dans le but de contrôler l’état de ce rail.

[0017] La présente invention propose un dispositif intégrant un organe de réduction des bruits électromagnétiques captés par le transducteur de réception. La réduction de bruit est réalisée en soustrayant le signal perturbateur capté par le transducteur d’émission au signal utile capté par le transducteur de réception.

[0018] L’invention tire avantage du fait que les signaux perturbateurs sont reçus de façon synchrone par le transducteur d’émission et le transducteur de réception alors que l’onde ultrasonore (signal utile) se propage entre ces deux transducteurs avec un temps de propagation dépendant de la distance entre les deux transducteurs.

[0019] L’invention a pour objet un dispositif de contrôle non destructif d’une structure, comprenant un premier transducteur apte à générer une onde ultrasonore principale se propageant dans la structure, un second transducteur apte à capter l’onde ultrasonore principale après sa propagation dans la structure et à la convertir en signal électrique principal et un capteur de bruit, le capteur de bruit et le second transducteur étant aptes à capter un ou plusieurs signaux perturbateurs électromagnétiques et à les convertir en un signal électrique secondaire, le dispositif comprenant un module d’acquisition configuré pour mesurer, sur une même fenêtre temporelle d’acquisition, les signaux captés par le capteur de bruit et par le second transducteur, le dispositif comprenant en outre un organe de réduction de bruit connecté au capteur de bruit et au second transducteur et configuré pour soustraire le signal électrique secondaire mesuré par le capteur de bruit au signal électrique principal mesuré par le second transducteur.

[0020] Selon un aspect particulier de l’invention, le signal électrique secondaire est mesuré simultanément par le capteur de bruit et par le second transducteur.

[0021] Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur de bruit est réalisé par le premier transducteur.

[0022] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur et le deuxième transducteur comportent chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) identiques.

[0023] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur et le deuxième transducteur comportent chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) différentes et l’organe de réduction de bruit est configuré pour normaliser l’amplitude du signal électrique secondaire mesuré par le premier transducteur par rapport à l’amplitude du signal électrique principal mesuré par le second transducteur.

[0024] Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur de bruit est réalisé par un troisième transducteur, le premier transducteur et le deuxième transducteur comportant chacun une ou plusieurs bobine(s) inductrice(s) différentes.

[0025] Selon un aspect particulier de l’invention, le capteur de bruit est réalisé par une bobine. [0026] Selon un aspect particulier de l’invention, le troisième transducteur est identique au deuxième transducteur.

[0027] Selon un aspect particulier de l’invention, le second transducteur est un capteur magnétique de type magnétorésistance géante, magnétorésistance tunnel, ou magnétorésistance anisotrope et l’organe de réduction de bruit est configuré pour appliquer un déphasage au signal électrique secondaire mesuré par le capteur de bruit.

[0028] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur est un transducteur acoustique électromagnétique.

[0029] Selon un aspect particulier de l’invention, l’onde ultrasonore principale est un signal impulsionnel ayant une durée inférieure au temps de propagation de l’onde dans la structure entre le premier transducteur et le second transducteur.

[0030] Selon un aspect particulier de l’invention, la fenêtre temporelle d’acquisition débute à un instant supérieur à la somme de l’instant de génération de l’onde ultrasonore principale et de la durée du signal impulsionnel et a une durée au moins égale au temps de propagation de l’onde ultrasonore entre le premier transducteur et le second transducteur.

[0031] Selon un aspect particulier de l’invention, la structure à contrôler est une structure longitudinale, par exemple un rail de chemin de fer, un câble électrique ou une canalisation.

[0032] Selon un aspect particulier de l’invention, le premier transducteur, le second transducteur et le capteur de bruit sont destinés à être positionnés au-dessus de la structure à contrôler avec un même entrefer et une même orientation par rapport à l’axe longitudinal de la structure.

[0033] D’autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit en relation aux dessins annexés suivants.

[0034] [Fig. 1] représente un schéma de principe d’un transducteur acoustique électromagnétique,

[0035] [Fig. 2] représente un schéma illustrant l’influence de signaux perturbateurs sur le fonctionnement d’un dispositif de contrôle non destructif appliqué à un rail, [0036] [Fig. 3] représente un schéma d’un dispositif selon un premier mode de réalisation de l’invention,

[0037] [Fig. 4] représente un schéma d’un dispositif selon un deuxième mode de réalisation de l’invention,

[0038] [Fig. 5] représente un schéma d’un dispositif selon un troisième mode de réalisation de l’invention.

[0039] L’invention est décrite par la suite pour une application de contrôle de l’état de santé de rails de chemins de fer mais elle est applicable de façon plus générale à toute structure longitudinale, par exemple un câble électrique d’énergie, ou une canalisation, dont l’environnement est soumis à des perturbations électromagnétiques.

[0040] La figure 1 représente plusieurs schémas illustrant le fonctionnement d’un transducteur acoustique électro-magnétique ou transducteur EMAT (ElectroMagnetic Acoustic Transducer). Ce type de transducteur est constitué d’une ou plusieurs bobines inductrices B et d’un ou plusieurs aimants permanents (ou électro-aimants) A. Les bobines peuvent prendre différentes formes (méandres, cylindriques...). Ces éléments induisent des courants de Foucault et rayonnent des excitations électromagnétiques (dynamique et statique) qui interagissent avec la microstructure de la pièce inspectée (milieu conducteur, magnétique ou non). Ces interactions génèrent les sources dynamiques (volumiques et surfaciques) à l’origine de l’onde ultrasonore générée par le transducteur dans le milieu : il s’agit d’un couplage électro magnéto-élastique.

[0041] Autrement dit, un transducteur est composé d’une bobine apte à générer un courant de Foucault et d’un aimant ou d’un électro-aimant apte à générer un champ magnétique. L’interaction entre ces deux éléments permet la génération ou la détection d’ondes ultrasonores dans la structure à contrôler.

[0042] Les transducteurs EMAT permettent la génération et la réception d’ondes ultrasonores sans contact et donc sans couplant mécanique avec la pièce. Ils sont capables de générer et recevoir une grande variété de types d’ondes (surfaciques, volumiques et guidées) et de polarisations selon la configuration géométrique des bobines et la polarisation des aimants permanents. [0043] Dans un autre mode de réalisation de l’invention, un transducteur fonctionnant en réception peut être réalisé par un capteur magnétique de type magnétorésistance géante (GMR), magnétorésistance tunnel (TMR), ou magnétorésistance anisotrope (AMR). Dans ce cas, le transducteur comporte toujours un aimant ou électroaimant mais la bobine est remplacée par un circuit intégré ou une puce sur silicium sensible aux champs magnétiques.

[0044] Le transducteur fonctionnant en émission comporte, quant à lui, toujours une bobine.

[0045] La figure 2 représente un schéma d’un dispositif de contrôle non destructif pour la surveillance de l’état de santé d’un rail de chemin de fer. Il est constitué d’un premier transducteur E apte à générer une onde ultrasonore qui se propage dans le rail et d’un second transducteur R apte à capter l’onde ultrasonore et à la convertir en signal électrique. L’analyse des caractéristiques de ce signal permet d’identifier un défaut dans la section du rail située entre les deux transducteurs.

[0046] L’onde ultrasonore générée est de type discontinue (par exemple : impulsions, train d’impulsions sinusoïdale, etc..).

[0047] Comme indiqué en préambule, l’environnement électromagnétique du rail et des transducteurs est perturbé par des champs électriques EC et/ou des champs magnétiques MC issus de la caténaire C et des courants de traction ou de signalisation circulant dans le rail qui génèrent également des champs magnétiques MR.

[0048] Ces courants et champs magnétiques secondaires engendrent un signal électrique secondaire SP qui perturbe le signal utile Su mesuré par le second transducteur R comme représenté sur le diagramme sur la droite de la figure.

[0049] Le signal électrique secondaire SP est constitué en réalité d’une addition de plusieurs signaux électriques perturbateurs provenant des différentes sources indiquées ci-dessus. Pour simplifier, on considère par la suite ce signal électrique perturbateur de façon globale.

[0050] Les transducteurs E et R sont avantageusement placés au-dessus du même rail avec un entrefer préférablement identique pour les deux transducteurs. Ils sont orientés de façon identique entre eux et préférentiellement parallèle à l’axe du rail. A cet effet, les transducteurs E et R sont distincts et positionnables à distance l’un de l’autre pour pouvoir identifier un défaut dans la section du rail située entre les deux transducteurs.

[0051] Dans un mode de réalisation de l’invention, les transducteurs E et R sont positionnés à bord d’un train, préférablement sous un wagon et au-dessus d’un rail, dans son alignement. De cette façon, il est possible d’analyser en continu l’état de santé du rail pendant que le train circule.

[0052] La figure 3 schématise un exemple de dispositif de contrôle non destructif selon un mode de réalisation de l’invention qui consiste en une adaptation du dispositif décrit à la figure 2.

[0053] Le signal électrique secondaire Sp issu des différentes sources de perturbations décrites ci-dessus, est reçu de façon synchrone (ou avec un déphasage constant pour les récepteurs magnétiques GMR, etc.) par les deux transducteurs E, R. En effet, le premier transducteur E comporte toujours une bobine qui est sensible au courant électrique et peut donc capter les signaux perturbateurs.

[0054] Par ailleurs, le signal électrique secondaire se propage dans le rail à la vitesse du courant électrique qui est très supérieure à la vitesse de propagation des ondes ultrasonores.

[0055] Pour ces raisons, le signal électrique secondaire est reçu quasi simultanément par les deux transducteurs si ceux-ci comportent des bobines identiques et qu’ils sont positionnés dans un même plan parallèle à l’axe du rail et de la caténaire.

[0056] A l’opposé, l’onde ultrasonore générée par le premier transducteur E n’est reçue par le second transducteur R qu’après un temps de propagation égal à la distance entre les deux transducteurs divisés par la vitesse de propagation de l’onde ultrasonore.

[0057] L’invention consiste alors à soustraire au signal mesuré par le second transducteur R, celui capté par le premier transducteur E qui ne comporte que le signal de perturbation. En effet, le signal utile reçu par le récepteur R étant retardé par rapport au temps d’émission, la soustraction des deux signaux n’a pas d’influence sur le signal utile en dehors de la fenêtre de temps d’émission. [0058] Le dispositif selon l’invention comporte ainsi un organe ORG de réduction de bruit constitué d’un soustracteur dont une première entrée reçoit le signal utile mesuré par le second transducteur R et une seconde entrée reçoit le signal capté par le premier transducteur E.

[0059] Dans le cas d’un récepteur magnétique GMR, TMR, etc., l’organe de réduction de bruit applique également un déphasage constant au signal du premier transducteur E avant la soustraction.

[0060] Le dispositif selon l’invention comporte également un module d’acquisition ACQ qui permet de commander l’acquisition synchrone des deux transducteurs E,R sur une fenêtre temporelle prédéterminée.

[0061 ] Le module d’acquisition ACQ réalise une acquisition analogique des signaux. Un convertisseur analogique numérique (non représenté à la figure 3) est chargé de convertir les signaux acquis numériquement.

[0062] L’organe de réduction de bruit ORG peut être réalisé sous forme numérique et être alors placé après le convertisseur analogique numérique mais il peut également être réalisé sous forme analogique et être placé avant le convertisseur analogique numérique.

[0063] Si le transducteur émetteur E génère le signal utile à un instant t ₀ , la fenêtre temporelle d’acquisition (pour les deux transducteurs) débute à un instant to+timp, avec Lmp la durée de l’impulsion générée et a une durée au moins égale au temps de propagation de l’onde ultrasonore entre les deux transducteurs.

[0064] La soustraction des deux signaux permet de réduire voire d’annuler les signaux perturbateurs synchrones et de conserver uniquement le signal utile. L’invention permet ainsi d’améliorer le rapport signal à bruit.

[0065] Cela est représenté schématiquement sur les diagrammes D1 , D2, D3 qui représentent temporellement respectivement les signaux captés par le premier transducteur E, le second transducteur R et le signal obtenu en sortie de l’organe de réduction de bruit ORG ainsi que la fenêtre temporelle d’acquisition FT en pointillés. Comme la fenêtre temporelle d’acquisition débute à to+timp, cela permet d’éliminer le signal d’excitation généré par le premier transducteur émetteur E. [0066] Pour s’assurer de ne supprimer que les signaux perturbateurs, une condition à vérifier est que le temps de propagation de l’onde entre les deux transducteurs E,R doit être plus grand que la durée ti _mp de l’impulsion du signal utile.

[0067] Dans une variante de réalisation de l’invention, si les bobines des deux transducteurs E,R sont différentes, dans ce cas, le dispositif selon l’invention comporte un troisième transducteur R’ dont la bobine est identique au deuxième transducteur R qui a la fonction de récepteur. Ce troisième transducteur R’ a pour rôle de capter les signaux perturbateurs. L’organe de réduction de bruit ORG est alors connecté, par une première entrée au deuxième transducteur R et par une seconde entrée au troisième transducteur R’. Cette variante est représentée à la figure 4. Le troisième transducteur R’ est distinct du deuxième transducteur R et positionnable à distance de lui.

[0068] Avantageusement, le troisième transducteur ne comporte pas d’aimant (il ne comporte qu’une bobine ou un capteur magnétique) pour ne capter que le signal électrique secondaire et ne pas être sensible au signal utile ultrasonore. Cette variante est représentée à la figure 5

[0069] Si le troisième transducteur R’ comporte un aimant (figure 4), un second signal utile déphasé peut perturber l’acquisition réalisée sur ce transducteur R’. Il faut donc que le début de la fenêtre temporelle d’acquisition soit adapté pour tenir compte de la position du troisième transducteur R’ et du temps de propagation du signal entre le transducteur émetteur E et ce troisième transducteur.

[0070] La figure 4 donne l’indication de la fenêtre temporelle d’acquisition FT en pointillés pour le cas où le transducteur R’ comporte un aimant.

[0071] La figure 5 illustre le même principe pour un transducteur R’ sans aimant.

[0072] Dans une autre variante de réalisation de l’invention, au lieu d’utiliser un troisième transducteur, l’organe de réduction de bruit comprend un atténuateur ou un amplificateur pour appliquer un gain d’atténuation ou d’amplification à l’un des deux signaux d’entrée afin de le normaliser par rapport à l’autre signal avant d’effectuer la soustraction des deux signaux.