Brevet FR2134347A1 — publié le 19721208

-i- 2134347 La présente invention est relative à un dispositif détecteur de champ magnétique pouvant détecter l'intensité et la polarité d'un champ magnétique externe avec une sensibilité élevée au moyen d'un élément détecteur magnétique utilisant un circuit 5 à résonance constitué par un noyau de détection magnétique (appelé ci-après noyau magnétique), une inductance non linéaire et un condensateur. Comme élément de détection magnétique employé dans un dispositif détecteur de champ magnétique classique, on peut faire 10 appel à une bobine exploratrice, à un élément de Hall» à un dispositif à flux, à un élément oscillateur à fréquences multipless etc.. Avec ces divers éléments, sauf celui à bobine exploratrice, la sensibilité de détection magnétique maximale peut être déterminée au moyen de la caractéristique magnétique du matériau cons-15 tituant l'élément de détection, par exemple la constante de Hall dans le cas de l'élément de Hall, la caractéristique magnétique d'un noyau magnétique dans le cas de l'élément à flux, et la valeur du flux dû à la rémanence magnétique dans le cas de l'élément oscillateur à fréquences multiples, de sorte qu'il est difficile 20 d'améliorer la sensibilité sans rechercher le matériau convenant, le mieux pour chaque élément. Pat exemple^ avec un dispositif de détection de champ magnétique utilisant un élément oscillateur à fréquences multiples classiques, en remarquant que la valeur du flux dû à la rémanence d'une composante axiale à aimantation dure 25 d'une pellicule magnétique mince est très faibles on tente d'éli- -miner cet inconvénient en rendant minimale la valeur du flux dû à la rémanence, mais il est difficile de fabriquer un matériau magnétique dont la valeur du flux dû à la rémanence est presque nulle, de sorte que cette solution n'est pas concluante® 30 If* invention a pour but de fournir un dispositif détecteur de champ magnétique destiné à détecter l'intensité et la polarité du champ magnétique faible de la composante axiale dfun élément détecteur magnétique en supprimant l'inconvénient indiqué ci-dessus et en utilisant la caractéristique de phase de la tension de ré-35 sonance d'un circuit de résonance, indépendamment de la caractéristique d'aimantation, et notamment la valeur du flux dû à la rémanence du matériau magnétique constituant un noyau magnétique et ceci en mode de modulation, d'oscillation ou de modulation-oscillation du circuit de résonance. 72 03943 —2— 2134347 Suivant l'invention, un dispositif détecteur de champ magnétique comprend un élément de détection magnétique, un circuit de résonance formé en connectant un condensateur aux bornes de l'élément de détection magnétique, un dispositif pour, appliquer un 5 courant de contre-réaction à l'élément de détection magnétique et un dispositif destiné à détecter l'amplitude et la polarité d'un champ magnétique externe a partir du courant de contre-réaction afin de détecter le chair.p magnétique externe. L'élément de détection magnétique se compose a-une bobine enroulée autour 10 d'un noyau magnétique qui est l'orné en recouvrant directement ou indirectement un noyau conducteur d'une couche ferromagnétique mince. On peut donc mesurer un champ magnétique externe au moyen du dispositif suivant l'invention, avec une sensibilité très —7 15 grande, comme par exemple lO Gauss, ce qui est bien supérieur à la sensibilité maximale d'environ 10-^ Gauss du dispositif classique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante, donnée uniquement 20 à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés, dans lesquels : les fig0la à le sont des schémas de l'élément de détection magnétique utilisé dans le dispositif suivant l'invention; les fig.2a et 2b sont des vues en perspective montrant un 25 mode de réalisation du noyau magnétique utilisé dans l'élément de la fig.l; la fig.3a représente la caractéristique de phase de la ten— ' sion du circuit de résonance; la fig.3b est une forme d'onde de la tension de résonance; 30 la fig.4 est un schéma de principe montrant le principe de construction du dispositif suivant l'invention; et la ±ig.5 est un schéma de principe d'un mode de réalisation suivant l'invention. On-décrit maintenant le mode de réalisation préféré. La 35 fig.l représente la construction fondamentale de l'élément de détection de champ magnétique utilisé dans le dispositif suivant l'invention, la fig.îa représentant l'élément destiné à détecter un champ magnétique parallèle, et les fig.la et le étant les éléments formés sous forme différentielle ou de différentiation 72 03943 — J — 2134347 afin de détecter un champ magnétique partiel ou la turbulence de celui-ci. Dans ces figures, 1 et 2 sont les bornes d'un circuit d'excitation et servent à appliquer un champ magnétique alternatif à un noyau magnétique 3. Par ailleurs, le noyau magnétique 3 5 est constitué par., un conducteur ayant pour bornes les bornes 1 et 2 et comprenant un matériau magnétique et, comme procédé de construction de ce noyau magnétique, on peut mentionner le procédé consistant a recouvrir directement un conducteur de matériau magnétique, un procédé consistant à recouvrir indirectement le 10 conducteur de matériau magnétique, etc.. Un mode de réalisation du premier procédé consiste à construire une bobine magnétique en faisant adhérer une substance magnétique 5, telle que du "Per-malloy", à la périphérie d'un conducteur 4 formant noyau, comme par exemple un fil de cuivre, par dépôt simple ou électrolytique, 15 ou à enrouler ou. à appliquer des couches magnétiques minces sur le conducteur formant noyau. La fig„2a montre un mode de réalisation du noyau magnétique en forme de barreau fabriqué suivant l'un de ces procédés0 Un mode de réalisation du dernier procédé, comme représenté 20 à la fig.2b consiste à enduire et recouvrir la périphérie du conducteur formant noyau 4 d'un matériau isolant 6 tel que du verre ou un matériau analogue et à appliquer ensuite la substance magnétique 5 à la périphérie de la couche ainsi isolée de la même manière que décrit ci-dessus, ou à recouvrir la périphérie 25 externe d'un matériau isolant tel qu'un tube de verre cylindrique de substance magnétique de la manière décrite ci-dessus, et à introduire alors un conducteur tel qu'un fil de cuivre dans le matériau isolant. Outre les procédés indiqués ci-dessus, on peut fabriquer le 30 noyau magnétique en donnant au conducteur et à la substance magnétique ou au conducteur, au matériau isolant et à la substance magnétique une forme plate, carrée, cylindrique, et en formant ensuite une couche simple ou une couche double» On décrit ci-après en détail une substance magnétique cons-35 tituant le noyau magnétique 3. L'invention n'est pas limitée par la construction d'un circuit magnétique ouvert ni d'un circuit magnétique fermé comportant une ligne droite ou une partie incurvée dans la direction de détection du champ magnétique ou ayant la forme d'un axe de 72 03943 2134347 parcours magnétique fermé, ni non plus dans la direction perpendiculaire à la direction axiale, mais elle n'est pas non plus limitée à l'anisotropie de la substance magnétique. Une bobine 7 est enroulée autour du noyau magnétique 3 et 5 elle est formée de manière à ne pas engendrer de tension induite sur les bornes 9 et 10 étant donné que la direction d'un courant alternatif d'excitation est perpendiculaire à celle-ci. Afin d'enrouler la bobine 7 autour du noyau magnétique 3, on peut considérer, outre le procédé consistant à enrouler directement 10 la bobine à la périphérie externe du noyau magnétique 3, un procédé consistant à enrouler indirectement la bobine 7 sur la périphérie externe du noyau magnétique 3. Par exemple, dans le cas d'une substance magnétique en forme de barreau convenant pour le dernier procédé, il existe un procédé consistant à enrouler préa-15 lablement la bobine 7 autour de la périphérie externe d'un tube creux, comme par exemple un tube de verre, et à introduire librement à l'intérieur la bobine magnétique 3 préparée préalablement. Suivant ce procédé, il est avantageux de fabriquer le noyau magnétique en comparaison du procédé consistant à enrouler direc-20 tement la bobine 7 autour du noyau magnétique 3. Autrement dit, si l'état du circuit n'est pas obtenu même après avoir appliqué le premier procédé, non seulement la substance magnétique du noyau 3 est perdue mais aussi la bobine 7 elle-même l'est, mais si le dernier procédé de bobinage de la bobine autour du tube 25 creux, tel qu'un tube de verre, est adopté, la bobine 7 peut être utilisée effectivement sur l'autre noyau magnétique, de sorte qu'il est non seulement économique mais également avantageux de détecter la caractéristique magnétique et les caractéristiques analogues, c'est à dire de déterminer si la substance magnétique 30 remplit ou non la fonction de noyau magnétique dans le procédé de fabrication de la substance magnétique. Un condensateur 8 est connecté entre les deux bornes 9 et 10 d'une inductance non linéaire constituée de la manière décrite ci-dessus afin de former un circuit de résonance. 35 Une impédance 11 peut servir à empêcher totalement un courant de résonance i de circuler dans le circuit de résonance, et un XJT . . „ circuit 12-11-9-7-10-14 est un circuit de contre-réaction destiné à fournir un courant compensant le champ magnétique externe» De plus, avec l'élément de détection magnétique utilisé dans 72 03943 -5- 2134347 le dispositif suivant l'invention, un courant alternatif d*excitation appliqué entre, les bornes 1 et 2 n'est pas limité aussi longtemps que si ce courant alternatif d'excitation i^ était appliqué entre les bornes 1 et 2, un circuit de résonance est 5 formé par l'élément d'inductance non linéaire et le condensateur. La phase d'une tension de résonance e^ engendrée dans ce circuit de résonance est O ou tr, ce qui peut être déterminé par la polarité du champ magnétique devant être détecté et qui est appliqué dans la direction axiale de détection,» . ÎO Ensuite, dans le cas où le circuit de résonance est à l'état oscillant, la relation entre l'intensité d'un champ magnétique H et la tension de résonance e^£, peut être représentée par une caractéristique tension—phase et par une forme d'onde de tensicr? de résonance représentée aux fig®3a et 3b s mais il apparaît «n 15 phénomène d'hystérésis sur cette caractéristique tension-phases de sorte qu'il est difficile de détecter un champ magnétique inférieur à 2 A Hh correspondant à la largeur d'une hystérésis et ce champ magnétique 2 à Hh détermine la sensibilité maximale de détection du champ magnétique» 20 Par suite, afin de résoudre ce problème, il est prévu un moyen pour appliquer au circuit de contre-réaction des courants de contre-réaction correspondant à un champ magnétique à détecter et au champ magnétique alternatif ayant la valeur maximale ^Hh et on peut alors réussir à mesurer le champ magnétique avec la 25 plus grande sensibilité» On décrit maintenant en détail le fonctionnement du dispositif de détection magnétique suivant l'invention et comprenant l'élément de détection magnétique comportant un noyau magnétique dans lequel la direction d'aimantation facile dfune pellicule 30 magnétique mince présentant une anisotropie uniaxiale est dirigé® vers la périphérie. A la fig.4, 15 est une source d'alimentation en énergie alternative d'excitation, 16 est un élément magnétique de détection^ 17 est un dispositif de traitement de signaux, 18 est un disposi-35 tif de commande et 19 est un champ magnétique externe. Dans ce cas, si le courant alternatif d'excitation i^ ayant une fréquence f^ est engendré par la source 15 et s'il est appliqué aux bornes 1 et 2 de l'élément de détection magnétique 16, on peut observer une tension de résonance & sur les bornes 13 et 40 14 du circuit de résonance» 72 03943 5~ 2134347 Ensuite, comme représenté à la fig.3b,si le traitement nécessaire d'un signal est effectué afin d'obtenir une différence d'amplitude entre les amplitudes positive et négative de l'onde de sortie de l'élément de détection magnétique 16, un 5 signal de différence d'amplitude proportionnel à la phase de la tension de résonance peut être obtenu et ce signal est intégré et amplifié et, comme représenté à la fig.4, ce signal amplifié est appliqué à partir du dispositif de commande 18 à l'élément de détection magnétique 16 sous la forme d'un courant de contre-lO réaction afin de compenser le champ magnétique à détecter, le champ magnétique peut être alors détecté en extrayant des courants de contre-réaction un signal qui est fonction du champ magnétique externe. Afin de comprendre facilement le fonctionnement du disposi-15 tif de l'invention, on décrit maintenant le cas dans lequel le circuit de résonance est à l'état oscillant. En supposant que la phase de la tension de résonance est *TT et que le courant de contre-réaction est appliqué entre les bornes 12 et 14 afin de compenser le champ magnétique externe H dans 6X 20 cet état, le champ magnétique Hex appliqué à l'élément de détection magnétique 16 est compensé. Toutefois, comme indiqué par la caractéristique tension-phase représentée à la fig.3a, les valeurs de la phase et de l'amplitude de la tension de sortie ne sont pas modifiées, mais si le courant de contre-réaction est 25 encore augmenté, le champ magnétique ayant une polarité opposée à celle du champ magnétique à détecter est appliqué à l'élément de détection magnétique, de sorte que la phase de la tension de résonance est ramenée à la valeur 0 par un champ magnétique de' compensation et, par suite, le courant de contre-réaction est 30 ensuite réduite Si la phase O est maintenue pendant plus d'une certaine période, toutefois, le courant de contre-réaction est réduit progressivement et la phase de la tension de résbnance est mise de nouveau en résonance avec la phase TTinitiâl*e0 35 Ainsi, la sortie de l'élément de détection magnétique 16 de vient une sortie ayant la polarité correspondant à la phase et à l'amplitude de sa tension de sortie et augmente ou diminue proportionnellement à la polarité et à la durée de cette phase, mais ce côté de sortie de 1'élément de détection magnétique 16 constitue 40 le circuit de contre-réaction, de sorte que la sortie du dispositif 72 03943 -7- 2134347 17 de traitement de signaux devient un courant de contre-réaction contenant une composante de courant alternatif ayant la valeur maximale d'un courant correspondant à et un courant corres pondant au champ magnétique à détecter. 5 Par suite, lorsqu'on utilise un dispositif permettant d'éli miner la composante de courant alternatif, le bruit, etc.. du courant de contre-réaction et pour n'extraire que le courant correspondant au champ magnétique à détecter, par exemple au moyen d'un filtre ou d'un circuit intégrateur et lorsqu'on règle avec le 10 champ magnétique de référence la valeur du courant correspondant au champ magnétique à détecter ainsi que sa polarité, la mesure du champ magnétique devient possible. Par ailleurs, le dispositif de commande 18 doit avoir pour fonction d'appliquer le signal de contre-réaction à l'élément de 15 détection magnétique, d'extraire et d'indiquer le signal correspondant au champ magnétique externe à partir du signal de contre-réaction, d'engendrer le signal de commande et de compenser le champ magnétique ambiant ou analogue. Par exemple, le. dispositif de commande 18 est construit de façon telle que le courant de 20 sortie du dispositif 17 de traitement de signaux est appliqué à l'élément de détection magnétique 16 sous la forme, d'un courant de contre-réaction, tandis qu'une partie de celui-ci passe dans un filtre ou un circuit intégrateur et amplificateur afin d'éliminer la composante de courant alternatif, le bruit, etc.o, et 25 la valeur du courant ainsi que sa polarité correspondant au champ magnétique à détecter sont simplement indiqués au moyen d'un appareil indicateur à aiguille ou numérique. De plus, l'invention n'est pas limitée par le mode de fonctionnement du circuit de résonance, c'est â dire du type modulation ou du type modulation-30 oscillation à fréquences multiples. Par ailleurs, pour le type modulation, l'hystérésis de la caractéristique tension-phase est perdue, de sorte que la composante de courant alternatif, telle qu'elle apparaît en mode d'oscillation sous la forme d'un courant de contre-réaction, ne circule pas et c'est le courant correspon-35 dant au champ magnétique externe qui apparaîto La fig.5 montre en détail un exemple d'appareil suivant l'invention. L'alimentation en énergie alternative d'excitation représentée à la fig.4 se compose d'un oscillateur 21 et d'un amplificateur 22, et un élément de détection magnétique 16 est 72 03943 2134347 excité par une onde continue de sortie de l'amplificateur 22» Si ce courant d'excitation est déterminé de manière que le circuit de résonance de l'élément de détection magnétique 16 entre en résonance avec des fréquences multiples et soit maintenu à 5 l'état oscillant, la sortie de l'élément 16 devient une forme d'onde de tension oscillante à fréquences multiples. Un dispositif de traitement de signaux 17 se compose d'un détecteur 23, d'un amplificateur 24 et d'un circuit intégrateur 25. Le signal de sortie de l'élément 16 est donc appliqué au détecteur 23, de 10 sorte qu'une différence d'amplitude de la tension oscillante à fréquences multiples est convertie une fois en une tension continue. Cette tension continue est amplifiée par l'amplificateur 24, est intégrée par le circuit intégrateur 25 qui présente une constante de temps convenable et est appliquée ensuite au dispo-15 sitif de commande 18. Ce dispositif de commande 18 se compose d'une source d'énergie 20 de compensation du champ magnétique ambiant, d'un amplificateur 26 et d'un dispositif indicateur de signaux 27. La sortie du circuit intégrateur 25 est amplifiée par l'amplificateur 26 et est appliquée en contre-réaction à l'élé-20 ment de détection magnétique 16 afin de former un circuit oscillant à hystérésis, et il est ensuite superposé au courant de contre-réaction une composante du signal correspondant au champ magnétique externe, la composante alternative déterminée par la constante de temps du circuit intégrateur 25 et la largeur d'hys-25 térésis de la caractéristique tension-phase. Par suite, le signal correspondant au champ magnétique externe peut être extrait du courant de contre-réaction et être indiqué par le dispositif indicateur 27 Comme mode d'indication, l'invention envisage l'indication 30 analogique, 1'indication numérique, etc.., mais le signal extrait peut être utilisé comme signal de commande d'un autre dispositif d'utilisation,, Par ailleurs, la composante continue et la tension continue peuvent être alternatives si elles sont suffisamment plus petites 35 que la fréquence d'excitation. Une source d'énergie électrique 20 est destinée à compenser le champ magnétique ambiant et à détecter le champ micromagnétique désiré contenu par le champ magnétique ambiant. Par conséquent, si un courant de compensation correspondant à la valeur du champ magnétique ambiant ou du champ magnéti-40 que désiré est fourni par la source 20 à l'élément de détection 72 03943 -9- 2134347 magnétique et à la bobine 7, on peut compenser le champ magnétique ambiant. De plus, cet enroulement peut être fourni additionne 11 emen t. En ce qui concerne le dispositif de traitement de signaux, 5 en utilisant un amplificateur opérationnel pour éliminer les 'fréquences multiples de la tension de sertie, les fonctions d'un détecteur, d'un amplificateur et d'un circuit intégrateur peuvent être synthétiséeso Il ressort de la description détaillée ci-dessus du dispo-10 sitif suivant l'invention, en comparaison des dispositifs classiques, que le champ magnétique externe peut être détecté avec une grande sensibilité et une grande précision par le dispositif de détection de champ magnétique de 11 invention, de sorte que le dispositif de l'invention a «ne gamme étendue d'applications com-15 me dispositif de mesure de courant de précision, dispositif de détection de morceaux de métal magnétique ou analogue tel que du minerai de fer ou du fer, dispositif de lecture de caractères et de chiffres magnétiques, dispositif de lecture de cartes magnétiques, dispositif de lecture d'enregistrements magnétiques, 20 récepteur de système de communication dans l'eau, sur terre et dans l'air, et entre autres, comme dispositif de lecture d'information analogique enregistrée magnétiquement, de détection de fissures, etc... 72 03943 -10- 2134347 REVENDICATIONS 1) Dispositif de détection de champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend un élément d'inductance non linéaire, un circuit de résonance, un dispositif pour appliquer un courant de 5 contre-réaction à l'élément d'inductance non linéaire et un dispositif pour détecter à partie du courant de contre-réaction l'amplitude et la polarité d'i'n champ magnétique externe au moye$ d'une propriété asymétrique de l'amplitude d'une tension oscillante engendrée dans le circuit de résonance, de sorte que le champ 10 magnétique externe peut être détecté. 2) Dispositif de détection de champ magnétique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément d'inductance non linéaire est constitué par un noyau magnétique et une bobine enroulée autour de ce dernier, le noyau magnétique étant formé 15 en recouvrant directement ou indirectement un conducteur constituant le noyau d'une couche mince de matériau ferromagnétique. 3) Dispositif de détection de champ magnétique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le circuit de résonance est formé en connectant un condensateur aux bornes de l'élément 20 d'inductance non linéaire. 4) Dispositif de détection de champ magnétique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif pour appliquer un courant de contre-réaction à l'élément d'inductance non linéaire se compose d'une source d'énergie afin de compenser le 25 champ magnétique externe, d'un amplificateur et d'un dispositif indicateur» 5) Dispositif de détection de champ magnétique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une alimentation en énergie alternative d'excitation et un dispositif de 30 traitement de signaux» 6) Dispositif de détection de champ magnétique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'alimentation en énergie alternative d'excitation se compose d'un oscillateur et d'un amplificateur, l'oscillateur fournissant une tension de résonance 35 de phase TT° 7) Dispositif de détection de champ magnétique suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de signaux se compose d'un détecteur, d'un amplificateur et d'un circuit intégrateur.