Étude et mise en oeuvre de résonateurs magnétostrictifs, application à la mesure de givrage

Study and Implementation of magnetostrictive resonators, application to the icing measure

• Auteur / Autrice : Yannick Le Bras
• Direction : Jean-Marc Greneche, Frédéric Mazaleyrat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 19/12/2011
• Etablissement(s) : Le Mans
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique de l'état condensé (Le Mans) - LPEC

Mots clés

Mots clés contrôlés

Capteurs (technologie)

Mots clés libres

Capteur de givre

Résonateur magnétostrictif

Fréquence de résonance

Coefficient de couplage

Sensor frost

Magnetostrictive resonator

Resonant frequency

Coupling coefficient

Résumé

Une recherche bibliographique a permis de faire un état de l'art, d'une part des différents principespermettant de détecter le givre et d'autre part de l'application de matériaux magnétostrictifs à la mesure defaibles masses. La faisabilité et l’applicabilité de certains alliages amorphes et nanocristallins à la réalisationde capteurs de givre ont été démontrées.Suite à cet état de l'art, le principe de détection par résonateur magnétostrictif qui a été retenu, a faitl'objet d'une étude approfondie aboutissant à l'établissement d'un nouveau modèle analytique complet desrésonateurs magnétostrictifs sous forme de ruban. L'intérêt principal de ce modèle est la prise en compte depertes mécaniques et l'expression finale contenant la fonction de transfert complète entre les entrées et sortiesélectriques. Ainsi, la réponse en fréquence du modèle est vraiment similaire aux réponses expérimentales. Deplus, il apporte une explication aux retournements observés, pour certains harmoniques entre les fréquencesde résonance et d'antirésonance, pour lesquels l’origine n’avait pu être clairement identifiée.La mise en œuvre de ce nouveau modèle pour la caractérisation de rubans amorphes a montré qu'ilest possible de déterminer le coefficient de couplage à partir de la réponse en fréquence ainsi que le moduled'Young ou l'amortissement. On a donc pu tracer pour des rubans de 2605SC et 2826MB les évolutions avecle champ de polarisation des paramètres du résonateur. De l'évolution de ces paramètres, il est possible dereconstruire les courbes de magnétostriction d'un ruban, ce qui constitue actuellement une méthode decaractérisation.La mise en œuvre d'un prototype a permis de détecter du givre et ainsi de confirmer la faisabilité dela détection de givrage par ce moyen, mais les essais préliminaires qui sont très prometteurs n’ont puapporter une réponse quantitative du capteur soumis à un dépôt de givre. Des mesures utilisant des enceintesde givrage contrôlées en température et en hygrométrie constituent une première perspective. Par ailleurs, lesrésultats présentés dans ce manuscrit s’avèrent une bonne base pour la valorisation de ces travaux,notamment pour la réalisation d’un prototype de capteur, son conditionnement et sa mise en œuvre dans devraies conditions de givrage.

A review of literature allowed first to a state of the art of the different routes to detect the ice on theone hand and of the use of magnetostrictive materials to measure small masses. Both the feasibility andapplicability of metglasses and nanocrystalline alloys to frost resonating sensors have been clearlyestablished.The principle of magnetostrictive sensing resonator was developed and a new comprehensiveanalytical model of ribbonshaped magnetostrictive resonators was successfully achieved. The present modelincludes mechanical losses and the final expression contains the complete transfer function between the inputand output powers. Thus, the predicted frequency response of the model fairly fits to the experimental one.In addition, it clearly explains henceforth the reversals of some harmonic frequencies which occur from theresonance and antiresonance phenomena.The implementation of this new model for the characterization of amorphous ribbons showed thusthat it is now possible to well estimate the coupling coefficient from the frequency response and the Young'smodulus or damping. So we could draw developments with the bias field parameters of the resonator for2826MB and 2605SC amorphous ribbons. The evolution of these parameters allows the magnetostrictioncurves to be well established, that consists in a new characterization method.The implementation of a first prototype permits to detect frost, confirming thus the feasibility ofdetecting icing this way, but these promising preliminary tests could not bring quantitative data to model thefrost deposition on a resonating sensor. Measurements using pregnant icing controlled temperature andhumidity are a first perspective. Finally, it is important to emphasize that the present results appear as a goodsupport for the valorization of this study, especially to elaborate of a prototype sensor based onmagnetostrictive ribbons, its packaging and its implementation in in situ icing conditions.