La méthode des courants de Foucault (CF) est très largement utilisée en milieu industriel pour l’évaluation non destructive (END) de pièces ou de structures électriquement conductrices, parce qu’elle est sensible, robuste peu couteuse et non polluante. Toutefois, dans le cas général, l’évaluation quantitative des paramètres caractéristiques d’une structure est un problème difficile, d’une part parce que les données CF disponibles sont généralement incomplètes, d’autre part parce qu’il est nécessaire de faire appel à des modèle numériques élaborés pour rendre compte des interactions sonde / structure, et enfin, parce que le problème inverse consistant à estimer les paramètres de la structure à partir de la connaissance des interactions physiques et des données CF disponibles est « mal posé ».Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème particulier de l’évaluation de jeux entre pièces dans un assemblage métallique. Pour contourner les difficultés liées à la mise en oeuvre de l’évaluation quantitative par CF, nous avons choisi de placer nos travaux dans un cadre multifréquence afin d’enrichir les données d’observation fournies par la sonde, et d’adopter une démarche consistant à élaborer des modèles comportementaux issus de l’analyse statistique des interactions sonde / structure. Partant de l’analyse de l’effet d’un jeu apparaissant entre les plaques d’un assemblage de plaques d’aluminium sur la variation de l’impédance normalisée de la sonde, menée expérimentalement et par simulations à l’aide de codes éléments finis, nous avons tout d’abord bâti un modèle comportemental approché d’interactions reposant sur la linéarité de la relation observée dans une bande de fréquences d’examen liée aux dimensions de la structure étudiée. Dans ce cadre, nous avons proposé, implanté et discuté des performances de plusieurs algorithmes de résolution du problème inverse, permettant d’estimer le jeu entre pièces et l’épaisseur de la pièce « cachée » de l’assemblage. Ensuite, nous avons étendu l’approche proposée à l’aide de réseaux de neurones artificiels, puis appliqué la méthode comportementale proposée à un second problème : celui de la caractérisation de fissures de fatigue réelles dans des pièces massives. Les résultats obtenus inclinent à considérer que la démarche proposée est généralisable à d’autres configurations en END par CF. / The eddy current (EC) method is widely used in the industry for the nondestructive evaluation (NDE) of electrically conductive structures, because it is sensitive, robust, cost effective and non polluting. However, in the general case, the quantitative evaluation of the parameters of a structure is a difficult problem, because the available EC data are generally incomplete, because it is necessary to have numerical models developed to account for the probe / structure interactions, and finally, because the inverse problem which consists in estimating the parameters of an inspected structure from the knowledge of those physical interactions and the available EC data is "ill-posed".In this work, we focus on the evaluation of air gaps between the parts of a metallic assembly. In order to cope with the difficulties associated with the implementation of an EC quantitative evaluation, we choose to use a multi-frequency approach so as to increase the data provided by the EC probe, and to build behavioral models from the statistical analysis of the probe / structure interactions. Experimental data and simulated data based on finite elements modeling are analyzed. A first approach behavioral model of the probe/structure interactions is deduced from these analyses, which is based on the linear relationship observed (in a particular excitation an frequency band depending on the dimensions of the studied structure) between the variations of the sensor normalized impedance and the air gap to evaluate. Moreover, we propose, implement and discuss the performances of several algorithms designed to solve the inverse problem dealing with the estimation of both the multilayered structure air gap and "hidden" plate thicknesses. Then, we extend the proposed multi-frequency behavioral approach thanks to artificial neural networks, and we apply the proposed behavioral method to a second problem : that of the characterization of real fatigue cracks in metallic massive parts. The obtained results let the generalization of the proposed approach to other EC NDE configurations to be envisaged.

This master’s thesis discourses the problematics of eddy current sensors of transformer type dedicated for measuring non-contact distances of unferomagnetic and feromagnetic objects. This thesis contains the design, realization and finding of the optimal values for the sensor usage. The sensor properties are measured and certified by empirical calculations and simulations in the Comsol Multiphysics programme.

Die Modellierung natürlicher und technischer Systeme spielt eine wichtige Rolle, um deren Verhalten zu simulieren und vorherzusagen. Die Impedanzspektroskopie ist in diesem Zusammenhang eine interessante Methode, da die Impedanz oft einfach messbar ist. Die herausfordernde Aufgabe ist die Interpretation gemessener Daten. Das Verständnis des Zusammenhanges zwischen realen Effekten und gemessener Impedanz anhand eines Impedanzmodells ist eine zentrale Problemstellung. Die Herleitung solcher Modelle wird in dieser Arbeit anhand drei verschiedenartiger Beispiele aus dem Gebiet der Messtechnik untersucht. Wirbelstromsensoren werden allgemein zur Messung von Abstand und Materialeigenschaften eingesetzt. Anhand eines Modells wird untersucht, wie diese Größen simultan bestimmbar sind. Die Messung der Zusammensetzung von Materialgemischen ist vielfach technisch relevant. Am Beispiel von Waschlaugen und Dispersionen mit Carbon Nano Tubes wird gezeigt, wie deren Zusammensetzung die Impedanz beeinflusst und welche Eigenschaften messbar sind. Batterien spielen eine wichtige Rolle zur Speicherung elektrischer Energie. Mit einem fraktionalen Differentialgleichungsmodell erfolgt eine Simulation der Batteriespannung unter wechselnden Einsatzbedingungen. Anhand der Anwendungen wird deutlich, dass es keinen Automatismus zur Modellerstellung und kein Modell für alles geben kann. Um so mehr liefert das vorgeschlagene Vorgehen einen Einstieg in die Modellerstellung. / Modeling natural and technical systems is important in order to simulate and predict their behavior. Impedance spectroscopy is an interesting method in the field of modeling because the impedance often is easily measurable. Nevertheless, interpretation of measured data is the challenging task in this field. The fundamental problem is understanding the relationship between real physical effects, measured impedance and impedance model. Fundamentals and advanced methods for deriving impedance models are investigated for three different problems in the field of measurement and sensor technology in this work. Eddy current sensors are commonly used to measure distance and material properties. Based on a model, it is investigated how these quantities can be determined simultaneously. Measuring the composition of material mixtures has many technical applications. Using the example of dispersions containing laundry detergents and dispersions with carbon nanotubes shows how their composition effects the impedance and measurable quantities. Batteries play an important role for storing electrical energy. Applying a fractional differential equation model allows a simulation of the battery voltage under varying operating conditions. Based on these applications it becomes clear, there can be no fully automated model creation method. A scientific analysis of the underlying problem is always required. The more the proposed approach provides an introduction to modeling.

This thesis has been a collaboration between the Royal Institute of Technology (KTH) and Siemens Energy which invest in the research facility at KTH. The objective was to investigate the use of eddy current sensors in real-time monitoring of turbine blades. The main focus has been on finding a use for blade tip clearance and a correlation for the insufficient sampling that eddy current sensors suffer from. At the same time, it was desirable to also investigate the use of the same sampled data for blade tip vibration. The research on eddy current sensors is important for their relative low price compared to other instruments and how resistance it is to contamination found in turbines, enabling real-time monitoring.  The testing has been conducted at the Energy Technology department which utilizes a scaled version of a full-sized turbine to investigate performance measurements. It is scaled to have the same stage loading for both blisks investigated. Two different blisks have been used for this project, one with thicher but fewer blades and one with thinner but more blades. On each blisk different types of sampling have been done in order to capture suitable data for both tip timing and tip vibration. This resulted in sampling with static RPM and sweeps over certain regions as well as full sweeps from design RPM to standstill.  A computer model was developed to evaluate the sampled data. In the model, the sample points were interpolated to compensate for the insufficient sampling, enabling tip gap measurements. Measurements and calibration were done on the blisks for the possibility of using a compensation curve in order to be able to compensate for the signal error. The results show that eddy current sensors and setup used here have a good capability of capturing the tip clearance with precision in the range of hundreds of millimeter on the blisk with thicker blades and up to a certain rotational speed on the blisk with thinner blades. In regards to the tip vibration, eddy current system had problems capturing the time of arrival with sufficient precision correctly. / Den här uppsatsen har varit ett sammarbete mellan Kunglig Tekniska Högskolan (KTH) och Simens Energy vilka investerar i forskningen som bedrivs på KTH. Målet var att undersöka användningen av eddy current sensors för övervakning av turbinbliskar. Huvudfokus har varit att hitta användning av sensorerna för topspelsmätningar och ta fram en korregering av den otillräckliga insamlingen av data som eddy current sensorer lider av. Samtidigt var det önskvärt att samtidigt undersöka samma insamlade data för att utvärdera bladvibrationer. Forskning på eddy current sensorer är viktig för dess relativt låga pris jämfört med andra alternativ samt att de dess höga motståndskraft mot smuts som ofta finns i miljöer där turbiner används. Testerna har gjorts på instutitionen för Energiteknik vilka använder en nedskalad versioner av den verkliga storleken på turbinen för att utföra mätningar på. Två olika bliskar har använts för detta projekt, en med grövre men färre blad samt en med tunnare och fler blad. Stegbelastningen är dock samma för båda. På båda bladen har olika typer mätningar gjorts för att kunna fånga passade data för båda topspelsmätningar och bladvibrationer. Detta gav data med statiskt varvtal, långsamma svepningar över specialla regioner och svepningar över från designvarvtal ner till stillastående. En datormodell har utvecklats för utvärdera insamlade data. I modellen sker en interpolering som kompenserar för de låga antalet samplade punkter på bladet. Mätnigar och kalibreringar är gjorda på bliskarna för att skapa en kompenseringskurva åt signalfel i utdatan. Resultatet visar att eddy current systemet har goda möjligheter att visa rätt toppspel med god precition för blisken med tjocka blad och upp till ett visst varvtal på den med tunnare blad. När det kommer till bladvibrationer hade sensorerna och datormodellen svårt att fånga rätt ankomst tid för bladet med tillräckligt hög precision.

Die Modellierung natürlicher und technischer Systeme spielt eine wichtige Rolle, um deren Verhalten zu simulieren und vorherzusagen. Die Impedanzspektroskopie ist in diesem Zusammenhang eine interessante Methode, da die Impedanz oft einfach messbar ist. Die herausfordernde Aufgabe ist die Interpretation gemessener Daten. Das Verständnis des Zusammenhanges zwischen realen Effekten und gemessener Impedanz anhand eines Impedanzmodells ist eine zentrale Problemstellung. Die Herleitung solcher Modelle wird in dieser Arbeit anhand drei verschiedenartiger Beispiele aus dem Gebiet der Messtechnik untersucht. Wirbelstromsensoren werden allgemein zur Messung von Abstand und Materialeigenschaften eingesetzt. Anhand eines Modells wird untersucht, wie diese Größen simultan bestimmbar sind. Die Messung der Zusammensetzung von Materialgemischen ist vielfach technisch relevant. Am Beispiel von Waschlaugen und Dispersionen mit Carbon Nano Tubes wird gezeigt, wie deren Zusammensetzung die Impedanz beeinflusst und welche Eigenschaften messbar sind. Batterien spielen eine wichtige Rolle zur Speicherung elektrischer Energie. Mit einem fraktionalen Differentialgleichungsmodell erfolgt eine Simulation der Batteriespannung unter wechselnden Einsatzbedingungen. Anhand der Anwendungen wird deutlich, dass es keinen Automatismus zur Modellerstellung und kein Modell für alles geben kann. Um so mehr liefert das vorgeschlagene Vorgehen einen Einstieg in die Modellerstellung. / Modeling natural and technical systems is important in order to simulate and predict their behavior. Impedance spectroscopy is an interesting method in the field of modeling because the impedance often is easily measurable. Nevertheless, interpretation of measured data is the challenging task in this field. The fundamental problem is understanding the relationship between real physical effects, measured impedance and impedance model. Fundamentals and advanced methods for deriving impedance models are investigated for three different problems in the field of measurement and sensor technology in this work. Eddy current sensors are commonly used to measure distance and material properties. Based on a model, it is investigated how these quantities can be determined simultaneously. Measuring the composition of material mixtures has many technical applications. Using the example of dispersions containing laundry detergents and dispersions with carbon nanotubes shows how their composition effects the impedance and measurable quantities. Batteries play an important role for storing electrical energy. Applying a fractional differential equation model allows a simulation of the battery voltage under varying operating conditions. Based on these applications it becomes clear, there can be no fully automated model creation method. A scientific analysis of the underlying problem is always required. The more the proposed approach provides an introduction to modeling.