La tomographie par courants de Foucault peut être utilisée pour évaluer la forme et le volume de défauts dans des plaques métalliques de générateur de vapeur de centrale nucléaire. L'objectif du travail présenté est de cartographier la distribution d'une grandeur représentative du défaut, ici la conductivité relative. Ce problème est difficile à résoudre car mal-posé et non-linéaire. Afin de le résoudre un modèle numérique est nécessaire. Nos travaux ont tout d'abord consisté à étudier les modèles directs existants pour choisir le plus adapté à notre cas. Il s'est avéré que les méthodes différentielles, différences finies ou éléments finis, étaient les plus adaptées à notre cas. Une fois que le modèle direct a été choisi, nous avons adapté les méthodes de type contrast source inversion (CSI) à ce modèle, puis proposé un nouveau critère à minimiser. Les méthodes de type CSI sont basées sur la minimisation de l'erreur quadratique pondérée des équations du modèle, observation et couplage. Par construction, elles autorisent une erreur sur ces équations. Il apparaît que les résultats de reconstruction s'améliorent lorsque l'erreur sur l'équation de couplage diminue. Afin de contraindre cette équation en évitant des problèmes de conditionnement, on a eu recours à une technique de Lagrangien augmenté. Enfin, le caractère mal-posé de ce problème peut être contourné en introduisant des informations a priori adéquates notamment sur la forme générale des défauts à reconstruire ainsi que sur les valeurs possibles de la conductivité relative. L'efficacité des méthodes développées est illustrée avec des cas simulés en 2D.

Les exigences au niveau de la qualité et en matière de sécurité deviennent de plus en plus contraignantes dans l'activité industrielle et expliquent l'importance croissante du contrôle non destructif. Parmi les méthodes utilisées, les courants de Foucault sont appelés à occuper une place de plus en plus grande. Mais l'augmentation des exigences met en défaut les méthodes de développement classique. En s'appuyant sur le contrôle des assemblages rivetés des voilures d'avions, ce travail a pour but de mettre en place de nouvelles méthodes permettant d'augmenter les performances des dispositifs à courants de Foucault. Pour cela. il est avant tout nécessaire d'avoir une connaissance aussi complète que possible du phénomène physique en utilisant les outils de modélisation 2D et 3D par éléments Finis. Les possibilités d'utilisation et les limitations des logiciels mis en oeuvre dans cette étude sont tout d'abord évaluées. La mise au point d'une méthode de détection par courants de Foucault pulsés est ensuite présentée. Après une caractérisation de ceux-ci sur des critères énergétiques, les différents éléments du dispositif sont optimisés (dimension du bobinage, position des éléments de mesure, spectre du signal d'excitation). Les performances du capteur sont évaluées expérimentalement à chaque étape pour valider les résultats fournis par la modélisation. La méthode précédente est lourde à mettre en oeuvre. L'introduction d'une méthode automatique d'optimisation utilisant un algorithme génétique permet d'alléger considérablement le travail de conception. L'ensemble de ces outils a permis de concevoir des capteurs plus performants que ceux existants.

Le travail présenté dans ce mémoire aborde les problématiques de détection et de classification pour le diagnostic de défauts. Deux approches différentes sont abordées. La première approche est l'approche de détection et classification simultanées où le problème global à K classes est scindé en sous-problèmes. Chaque sous-problème a en charge la détection d'une ou plusieurs classes de défauts et il est traité par une cellule qui enchaîne les phases de prétraitement des signaux, de choix de l'espace de représentation, de détection, puis de décision. La résolution complète du problème à K classes s'effectue par un agencement séquentiel des cellules selon un arbre de décision hiérarchique ou par une mise en parallèle des cellules avec règles de décision associées.<br />La seconde approche est l'approche de détection et classification successives. Elle consiste à traiter tout<br />d'abord les signaux issus du capteur de manière simple pour la délivrance d'un signal d'alarme indiquant la<br />présence possible d'un défaut. Dans ce cas, et dans ce cas seulement, des traitements haut niveau sont mis en<br />oeuvre dans le but d'analyser plus finement les signatures de ces défauts. Les outils pour la classification - les différents classifieurs linéaires, les classifieurs neuronaux et les machines à vecteurs de support - sont détaillés. L'accent est mis sur le réglage des marges des classifieurs linéaires, sur leurs capacités de généralisation et sur les estimateurs de cette capacité de généralisation.<br />L'ensemble de ces méthodes a été validé sur une application concernant la détection de défauts de surface de rail dans un contexte métro. Un démonstrateur temps réel et opérant en condition d'exploitation a permis de tester les solutions de l'approche détection et classification simultanées, en considérant les taux de bonne détection et de<br />fausse alarme sur 4 classes de défauts de rail. La transformée en ondelettes, le filtrage inverse et la séparation de sources par analyse en composantes indépendantes sont les outils de prétraitement qui ont été particulièrement détaillés dans ce contexte applicatif.<br />Une base de données, constituée à partir de mesures sur site labellisées, a permis de qualifier statistiquement les solutions de l'approche détection et classification successives. Une hiérarchisation des méthodes est proposée en fonction de leur capacité de généralisation, mais aussi de leur complexité et de leur aptitude à traiter le problème avec ou sans optimisation des espaces de représentation.

La problématique étudiée est le contrôle non destructif par courants de Foucault de matériaux ferromagnétiques à l'aide d'un capteur à magnétorésistance géante (GMR). Durant ces travaux deux aspects complémentaires ont été abordés : l'un concerne la mesure expérimentale pour essayer de quantifier et de s'affranchir du bruit de structure et du champ magnétique rémanent, l'autre le développement d'un modèle numérique d'interaction. En ce qui concerne la partie expérimentale plusieurs études avec un capteur GMR qui présente un intérêt particulier en raison de sa bonne sensibilité à basses fréquences, de sa dynamique et de la relative simplicité de mise en œuvre ont été conduites et ont permis d'identifier et quantifier les phénomènes d'artefacts spécifiques aux matériaux ferromagnétiques : le bruit de structure et le champ magnétique rémanent. Une solution basée sur une combinaison linéaire des données expérimentales obtenues à plusieurs fréquences est appliquée pour atténuer le bruit dû à la structure du matériau. Le champ magnétique rémanent a été analysé expérimentalement et un circuit d'asservissement permettant de fixer un point de polarisation dans la zone de fonctionnement linéaire de la GMR et ainsi d'atténuer les perturbations dues aux champs magnétiques rémanents est mis en place. En parallèle et dans l'optique de développer des outils de simulation permettant de mieux comprendre les phénomènes physiques et ainsi d'optimiser les procédés de contrôle, un modèle numérique d'interaction simulant le cas du contrôle d'une pièce plane ferromagnétique d'une ou plusieurs couches pouvant contenir un ou plusieurs défauts est développé. Il étend un modèle déjà existant dans un cas non-ferromagnétique déjà intégré dans la plateforme de simulation CIVA développé par le CEA-LIST et permettant la simulation du Contrôle Non Destructif par Courants de Foucault. Il est basé sur une méthode d'intégrales de volume (VIM) et l'utilisation des tenseurs ou dyades de Green. La solution est obtenue après la discrétisation du volume de calcul et l'application d'une variante de Galerkin de la Méthode des Moments (MoM). La réponse de la sonde est ensuite calculée en appliquant le théorème de réciprocité de Lorentz. Des collaborations avec deux laboratoires universitaires (le Laboratoire de Génie Électrique de Paris (LGEP) et l'Université de Cassino (Italie)) ont permis de comparer les résultats issus des trois différents modèles sur un cas de la littérature. Les résultats se sont révélés satisfaisants et plusieurs études de convergence ont permis d'analyser la stabilité du modèle.

Le travail présenté dans cette thèse s’inscrit dans le cadre de différents programmes de recherches sur la modélisation et la conception des machines synchrones à aimants permanents, pour des applications de transports terrestres. En effet, la tendance actuelle, que ce soit dans la traction ferroviaire, ou dans les véhicules électriques et/ou hybrides électriques, est d’utiliser de tels moteurs pour leurs grandes performances massiques et leur bon rendement. Cette tendance est également observable dans les grandes éoliennes à attaque directe. Toutefois, un inconvénient de ces machines est l’existence de pertes pouvant être importantes dans les aimants permanents. Ces pertes sont d’une part à l’origine d’une dégradation du rendement, mais elles peuvent aussi être à l’origine d’échauffements excessifs des aimants, avec des risques de désaimantation d’une part et des risques de décollement d’autre part. Dans ce contexte, l’objectif de notre travail de thèse a été d’établir de nouveaux modèles, plus précis, des pertes par courants de Foucault dans les aimants. Les modèles utilisés actuellement sont généralement des modèles bidimensionnels qui ignorent donc le fait que les courants de Foucault ont une répartition tridimensionnelle dans les aimants. Afin de valider le modèle développé, une maquette expérimentale a été mise en place. Dans un premier temps, le modèle de calcul des pertes par courants induits dans les pièces massives a été validé en utilisant une approche qui combine les résultats expérimentaux et ceux calculés analytiquement et numériquement. Ensuite différentes grandeurs globales et locales issues du modèle analytique ont été comparées aux éléments finis aussi bien en 2D qu'en 3D de même qu'aux mesures expérimentales. Les modèles et méthodes de calcul et de mesures proposés pourront être efficacement utilisés ultérieurement pour estimer les pertes par courants induits dans les aimants permanents de moteurs synchrone à aimants. / The work presented in this thesis is part of various research programs on the modeling and design of permanent magnet synchronous machines for land transport applications. Indeed, the current trend, whether in railway traction, or in electric and / or hybrid electric vehicles, is to use such engines for their high mass performance and good efficiency. This trend is also observable in large direct-attack wind turbines. However, one disadvantage of these machines is the existence of significant losses in the permanent magnets. These losses can cause a deterioration in efficiency, and also be the cause of excessive heating of the magnets, with risks of demagnetization and risks of. In this context, the aim of our thesis work was to establish new, more accurate models of eddy current losses in magnets. The models currently used are generally two-dimensional models which therefore ignore the three-dimensional distribution of eddy currents in the magnets. In order to validate the model developed, we set up an experimental test bench. In a first step, the calculation of induced current losses in massive pieces was validated using an approach that combines the experimental results with those calculated analytically and numerically. Then, different global and local quantities from the analytical model were compared to the finite elements in both 2D and 3D as well as experimental measurements. The models and methods of computation and measurements proposed can be effectively used later to estimate eddy current losses in the permanent magnets of synchronous magnet motors.

La problématique étudiée est le contrôle non destructif par courants de Foucault de matériaux ferromagnétiques à l’aide d’un capteur à magnétorésistance géante (GMR). Durant ces travaux deux aspects complémentaires ont été abordés : l’un concerne la mesure expérimentale pour essayer de quantifier et de s’affranchir du bruit de structure et du champ magnétique rémanent, l’autre le développement d’un modèle numérique d’interaction. En ce qui concerne la partie expérimentale plusieurs études avec un capteur GMR qui présente un intérêt particulier en raison de sa bonne sensibilité à basses fréquences, de sa dynamique et de la relative simplicité de mise en œuvre ont été conduites et ont permis d’identifier et quantifier les phénomènes d’artefacts spécifiques aux matériaux ferromagnétiques : le bruit de structure et le champ magnétique rémanent. Une solution basée sur une combinaison linéaire des données expérimentales obtenues à plusieurs fréquences est appliquée pour atténuer le bruit dû à la structure du matériau. Le champ magnétique rémanent a été analysé expérimentalement et un circuit d’asservissement permettant de fixer un point de polarisation dans la zone de fonctionnement linéaire de la GMR et ainsi d’atténuer les perturbations dues aux champs magnétiques rémanents est mis en place. En parallèle et dans l’optique de développer des outils de simulation permettant de mieux comprendre les phénomènes physiques et ainsi d’optimiser les procédés de contrôle, un modèle numérique d’interaction simulant le cas du contrôle d’une pièce plane ferromagnétique d’une ou plusieurs couches pouvant contenir un ou plusieurs défauts est développé. Il étend un modèle déjà existant dans un cas non-ferromagnétique déjà intégré dans la plateforme de simulation CIVA développé par le CEA-LIST et permettant la simulation du Contrôle Non Destructif par Courants de Foucault. Il est basé sur une méthode d’intégrales de volume (VIM) et l’utilisation des tenseurs ou dyades de Green. La solution est obtenue après la discrétisation du volume de calcul et l’application d’une variante de Galerkin de la Méthode des Moments (MoM). La réponse de la sonde est ensuite calculée en appliquant le théorème de réciprocité de Lorentz. Des collaborations avec deux laboratoires universitaires (le Laboratoire de Génie Électrique de Paris (LGEP) et l’Université de Cassino (Italie)) ont permis de comparer les résultats issus des trois différents modèles sur un cas de la littérature. Les résultats se sont révélés satisfaisants et plusieurs études de convergence ont permis d’analyser la stabilité du modèle. / The aim of this work is the eddy-current testing (ECT) of ferromagnetic materials within magnetic sensors, such as Giant Magneto-Resistances (GMR). Two complementary aspects have been studied. Experimental measurements have been carried out in order to quantify and minimize the noise coming from the materials structure and residual magnetization. On the other hand, a model has been developed in order to be able to simulate the electromagnetic interactions between a ferromagnetic specimen and the EC probe. The GMR sensors are characterized by high sensitivity at low frequency, large dynamic range and are relatively easy to implement. The studies carried out during this thesis allowed us to identify and analyse the “ghost signals” due to magnetic materials. In order to minimize the noise coming from the materials structure, a linear multi-frequencies combination of experimental signals has been employed successfully and the detection of buried flaws has been improved. The residual magnetization in ferromagnetic materials has been experimentally analyzed and an electronic system has been realized to fix the polarisation point of the sensor in the linear response zone of the GMR. Thus, disturbances caused by residual magnetization are successfully reduced. Beside, in order to develop simulation tools aiming at improving the understanding of experimental signals and optimizing the performances of ECT procedures, a model has been developed to simulate the ECT of planar, stratified and ferromagnetic materials affected with multiple flaws. CEA developed for many years semi-analytical models embedded into the simulation platform CIVA dedicated to non-destructive testing. Following a previous work carried out at the laboratory and already integrated in the simulation platform CIVA, developed at CEA-LIST, the new model extends CIVA functionalities to the ferromagnetic planar case. Simulation results are obtained through the application of the Volume Integral Method (VIM) which involves the dyadic Green’s functions. Two coupled integral equations have to be solved and the numerical resolution of the system is carried out using the classical Galerkin variant of the Method of Moments (MoM). Finally, the probe response is calculated by application of the Lorentz reciprocity theorem. A collaboration with the University of Cassino (Italy) and Laboratoire de Génie Electrique de Paris (France) allowed us to compare the three models on experimental and numerical results from literature. Results showed a good agreement between the three models and the model stability has been analyzed.

La complexité grandissante des processus industriels et des pièces fabriquées, les exigences croissantes en termes de sûreté de fonctionnement ainsi que la volonté d'optimisation de la durée de vie des pièces conduisent à mettre en place des contrôles qualité de plus en plus poussés. Les fissures submillimétriques débouchantes, parmi l'ensemble des anomalies à considérer, doivent faire l'objet d'une attention particulière. Elles constituent en effet souvent des amorces de fissures plus grandes pouvant entraîner la destruction des pièces. Les techniques de ressuage sont actuellement largement utilisées pour ce type de défauts, en raison de leurs bonnes performances. Elles devront cependant à terme être abandonnées pour des raisons de normes environnementales. Au sein des solutions de remplacement envisageables, l'utilisation des courants de Foucault (CF) est pour les pièces conductrices une alternative fiable, rapide et peu coûteuse. L'étude porte sur la conception et l'utilisation de structures multiéléments de sondes CF exploitant des microcapteurs pour le contrôle non destructif. Une méthodologie a été établie afin de mettre au point de telles structures et de comparer leurs performances dans le cadre de la recherche de fissures submillimétriques débouchantes. Ces structures ont été employées pour l'évaluation de fissures calibrées sur un banc d'acquisition spécialement réalisé. Des algorithmes originaux de détection et de caractérisation de défauts ont été conçus et mis en œuvre pour les signaux acquis, permettant de déterminer la structure la plus efficace, de quantifier la qualité de détection des fissures et d'estimer les caractéristiques géométriques de ces défauts.