Brevet FR2176064A1 — publié le 19731026

La présente invention concerne une sonde magnétomètre pour la mesure de faibles champs magnétiques continus ou alternatifs et comprenant un noyau en matériau aimantable, un conducteur relié à une source de courant alternatif et produisant un champ magnétique alternatif, perpendiculaire au champ magnétique à mesurer et produisant une aimantation alternative du noyau, et une bobine de mesure entourant le noyau, d'axe parallèle au champ à mesurer et délivrant le signal de mesure. Des sondes magnétomètres sont connues pour la mesure de faibles champs magnétiques entre quelques oersteds (Oe) et quelques uoe. Leur fonctionnement repose sur la méthode des harmoniques, qui fait appel à la commande du flux magnétique et constitue un cas particulier de ltam plification paramétrique. Dans cette méthode des harmoniques, un matériau magnétique à grande perméabilité est soumis à un champ magnétique alternatif de saturation (champ de pompage). On obtient ainsi une modulation de la perméabilité du matériau par la fréquence de pompage fp, double de la fréquence du champ alternatif.Il en résulte que l'aimantation produite par le champ continu à mesurer (aimantation par le signal) est également modulée par la fréquence de pompage. I1 apparait ainsi dans la bobine de mesure une tension induite pouvant être mesurée à l'aide d'un détecteur sensible à la phase. Pour la mesure de champs magnétiques alternatifs, de fréquence f supérieure à la fréquence de relaxation du détecteur, il faut tenir compte de ce que la modulation de l'aimantation par le signal s'effectue aux fréquences fp + f et que l'attaque du détecteur sensible à la phase doit par suite se faire avec un signal de référence de fréquences fp + f. Les champs de pompage et de signal sont paralleles dans les sondes tiges connues. On a déjà proposé une sonde à noyau tubulaire et champs de pompage et de signal orthogonaux, présentant essentiellement l'avantage suivant par rapport à la sonde tige à champs de pompage et de signal parallèles le signal utile ou de mesure est délivré séparément du bruit de fond du générateur. La taille des sondes connues limite toutefois leur résolution locale à quelques mm. La présence d'une quantité relativement importante de r.atériau de sonde aimantable et le champ de pompage dispersé (dans le cas des sondes tiges) risquent de perturber notablement le champ magnétique à mesurer au voisinage de la sonde. L'invention a pour objet une sonde magnétomètre d'encombrement minimal, destinée à la mesure de faibles champs magnétiques, ne modifiant pas le champ à mesurer et présentant une résolution locale élevée pour une faible consommation électrique. L'invention a également pour objets des montages avantageux réalisés avec de telles sondes. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, le conducteur est constitué par un conducteur aller et un conducteur retour parallèles à l'axe longitudinal de la sonde, le noyau étant disposé entre les conducteurs aller et retour, et la bobine de mesure entoure les deux parties du conducteur entre lesquelles se trouve le noyau. Une forme de réalisation préférentielle de la sonde est caractérisée en ce que la partie aller du conducteur est disposée coaxialement à 1 'in- térieur de la partie retour de ce conducteur et le noyau est une bague cylindrique disposée entre les deux parties du conducteur qui sont reliées électriquement sur la tête de sonde. Une forme de réalisation de la sonde, d'encombrement extrêmement réduit et de fabrication particulièrement avantageuse, est caractérisée en ce que la partie aller du conducteur est une pièce ronde, dont la face extérieure porte le noyau sous forme d'une couche, au-dessous ou au-dessus d'une couche isolante, puis la partie retour du conducteur, les deux parties du conducteur étant reliées électriquement sur la tette de la sonde. Dans une autre forme de réalisation de l'invention, le conducteur est plat et le noyau ainsi que l'isolation sont des corps plats copla- naires, de sorte que la sonde est constituée par un empilage de corps plats. Le conducteur peut être constitué par un ruban ou un film plié en U, à l'intérieur duquel se trouvent une couche isolante et le noyau. Selon d'autres caractéristiques de l'invention > le noyau et la couche isolante sont disposés sous forme d'une couche sur une face du conducteur plat, ruban ou film de cette forme de réalisation. il est également pos sible de constituer toute la sonde, y compris la bobine de mesure le cas échéant, par une succession de couches La forme de réalisation de la sonde magnétornètre selon l'invention, dans laquelle la partie aller du conducteur est disposée coaxialement à l'intérieur de Int partie retour de ce conducteur, est appeLEe sonde cLindrtqno.Le champ de poSPl magnétique ne sort pas de cette pompe et, à l'intérieur, le mince noyau cylindrique présente une aimantation circulaire homogène. On obtient ainsi une sonde ayant un encombrement extrêmement réduit et par suite une résolution locale extrêmement élevée. La forme de réalisation selon l'invention dans laquelle les deux parties du conducteur sont formées par un ruban ou un film en g est appelée sonde film. Le circuit de pompage ouvert impose une épaisseur de la couche magnétique faible par rapport à la largeur de la sonde, afin d'obtenir un faible facteur démagnétisant. Une réduction notable de la dispersion du champ de pompage à l'ex térieur et du facteur démagnétisant est obtenue quand la sonde selon l'invention est constituée par deux conducteurs plats superposés et produisant des champs de pompage antiparallèles, avec un noyau et une isolation sous forme de corps plats coplanaires entourés par une bobine de mesure commune. Une nouvelle amélioration s'obtient avec un conducteur plat en méandres, séparés par un noyau plat et entourés par la bobine de mesure commune. Dans une autre variante de l'invention, destinée à la mesure de champs magnétiques circulaires (produits par le passage de courants entourés), la sonde est de forme annulaire. L'invention permet de réaliser des sondes magnétomètres qui, grâce à leur encombrement réduit et à la faible quantité de substances aimantables, se pretent particulièrement bien à l'emploi dans la recherche et le contrôle industriel, pour la détection et la mesure de petits corps magnétiques, tels que de minuscules aimants et inclusions magnétiques dans les roches ou matériaux, ou la détection de fissures dans des pièces magnétiques ou parcourues par un courant par exemple. Grâce à sa faible consommation, la sonde se prête particulièrement bien à l'emploi dans des appareils alimentés par piles, ballons météorologiques, sondes marines, satellites etc. L'encombrement réduit et la faible consommation de la sonde lui ouvrent un domaine d'emploi particulièrement important en permettant sa combinaison directe avec la technologie des circuits à semiconducteurs intégrés ou hybrides. I1 est ainsi possible de concevoir des magnéto- mètres complets, comprenant la sonde, ltoscillateur de pompage, l'ampli- ficateur avec démodulateur sensible à la phase, etc., et dont la dimension maximale n'est que de quelques millimètres. Il est possible, pour le traitement électronique de l'information de disposer les sondes en peigne pour la lecture d'enregistrements magnétiques multicanaux, avec un intervalle minimal entre canaux. Les sondes permettént en outre de concevoir des ampèremètres simples, reposant sur la mesure du champ magnétique du conducteur parcouru par le courant. I1 n'est donc pas nécessaire alors d'interrompre le circuit considéré. Un montage préférentiel pour cet usage est caractérisé par deux sondes disposées côte à côte, parallèlement. et branchées en opposition pour la compensation des champs magnétiques extérieurs homogènes et du hamp magnétique terrestre. Une variante de cette forme de réalisation est caractérisée par deux sondes disposées parallèlement l'une au-dessus de l'autre et branchées en opposition. Un autre montage selon l'invention est caractérisé par trois sondes disposées en équerre pour la mesure simultanée des trois composantes spatiales du champ, pour la détermination de la direction et de l'intensité d'un champ magnétique dans l'espace par exemple. I1 est dans ce cas aussi possible de compenser des champs magnétiques extérieurs homogènes et le champ magnétique terrestre en branchant chacune des trois sondes en oppo sition avec une autre sonde. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à l'aide de la description détaillée ci-dessous d'exemples de réalisation et des dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une coupe longitudinale fortement agrandie de la forme de réalisation de l'invention appelée sonde cylindrique; la figure 2 est une coupe longitudinale fortement agrandie de la forme de réalisation de l'invention appelée sonde film; la figure 3 est une élévation latérale d'un montage comportant deux sondes superposées dans un même plan, avec une aimantation alternative antiparallèle; la figure 4 est une élévation latérale d'une sonde à conducteur plat en méandres; la figure 5 représente le montage de deux sondes disposées paralleLement côte à cote, pour mesure du courant sans interruption du circli.;; la figure 6 représente un montage de deux sondes disposées partllèlement l'une au-dessus de l'autre, pour la mesure du courant; la figure 7 représente un montage de trois sondes en équerre pour la mesure simultanée des composantes spatiales du champ, pour la u;tr~lUiEtatiOII du sens et de l'intensité d'un champ magnétique dans l'espace par exemple; et la figure 8 représente une forme de réalisation annulaire de la sonde selon l'invention. La sonde cylindrique 10 représentée à la figure 1 comporte une pièce conductrice linéaire et ronde L2, alimentée en courant alternatif I par un fil de connexion L1. La face extérieure de la pièce conductrice L2, constituant la partie aller du conducteur, porte une mince couche de matériau aimantable, constituant un noyau M cylindrique creux. Une mince couche isolante S est déposée sur ce noyau, pour l'isoler de la partie retour L4 du conducteur, disposée sur la face extérieure. Cette partie L4, dont la résistance est sensiblement égale à celle de la partie intérieure L2 du conducteur, est reliée par un fil de connexion L5 à la source du champ magnétique de pompage circulaire. Les parties intérieure L2 et extérieure L4 sont reliées électriquement par une pièce conductrice L3 sur la tête de la sonde 10.Une bobine de mesure W, dont la sortie est désignée par U, entoure cette sonde dont elle est isolée. Les diverses pièces de la sonde 10 peuvent être des éléments préfabriqués. Pour obtenir un encombrement extrêmement réduit de la sonde et simplifier la fabrication, il est toutefois préférable de déposer la couche isolante S, le noyau M et la partie retour L4 du conducteur sur la partie L2, sous forme de couches. I1 est évidemment possible d'in- tervertir l'ordre du noyau M et de la couche isolante S. Le courant I du champ magnétique de pompage circulaire est inJecté par les fils de connexion L1, L5 et circule dans la partie aller L2 du conducteur, la pièce de tête L3 et la pièce extérieure de retour L4. I1 en résulte que le champ de pompage magnétique s'annule totalement à l'extérieur de la sonde 10. A l'intérieur, ce champ de pompage produit une aimantation circulaire homogène de la mince couche magnétique constituant le noyau M. Le champ magnétique H à mesurer est parallèle à la sonde 10. Il produit une aimantation longitudinale du noyau M, modulée par le champ de pompage et mesurée par la bobine W, servant de bobine d'induction et comportant la sonde 10 comme noyau. La fabrication d'une telle sonde, et notamment le dépôt des minces couches magnétique, conductrice et isolante, peut faire appel à divers procédés, tels que l'évaporation sous vide poussE, la galvanoplastie, l'oxydation ou le vernissage. Il est ainsi possible de fabriquer des sondes très petites, ayant un diamètre à partir d'environ 20 bm et une longueur d'environ 1 mm, le courant de pompage nécessaire décroissant linéairement avec le diamètre de la partie intérieure L2 du conducteur. La réalisation d'une sonde cilyndrique de ce type déjà essayée est décrite ci-dessous, à titre d'illustration et sans aucune limitation de l'invention. Conducteur intérieur bronze au béryllium, diamètre 85 Um Couche magnétique Permalloy 80 Ni/20 Fe, dépôt électroly tique, épaisseur 0,6 Um Couche isolante Résine binaire, épaisseur 15 Sm Couche du conducteur extérieur or, évaporation sous vide poussé puis épaississement électrolytique, épaisseur 25 um Connexion entre les conducteurs intérieur et extérieur brasure tendre Fils de connexion cuivre, diamètre 100 Um Dimensions du corps de sonde diamètre 176,2 bm, longueur 6 mm Bobine dtinduction fil de cuivre émaillé, diamètre 13 Sm, 10 couches, 2500 spires environ au total, diamètre extérieur 0,5 mm Ajustage de la bobine inutile Quantité de matériau aimantable environ 8 bg 1 0,000 008 g L'encombrement réduit de cette sonde permet de la placer à 0,2 mm environ des échantillons. La quantité extrêmement faible de substance aimantable (8 bg) ne modifie pas sensiblement la distribution du champ au voisinage de la sonde. La perturbation ne représente qu'environ 3 %o de celle d'une sonde tige de même diamètre. Avec un courant de pompage sinusotdal de 250 mA et de fréquence 5-100 kHz (fréquence de mesure de champs continus : 10-200 kHz), on obtient une stabilité et par suite une sensibilité de 0,1 mOe, la mesure étant effectuée avec des appareils de laboratoire courantes, sans stabi lisation de la température et du courant de pompage. La puissance de pompage électrique nécessaire est d'environ 25 mW. La figure 2 représente une variante de l'invention appelée sonde film. Ces sondes ont une structure plate au lieu de la structure ronde de la sonde selon figure 1. Les pièces correspondantes des figures 1 et 2 portent les mêmes repères, avec un signe 'sur la figure 2. La mince couche de matériau aimantable, constituant le noyau M', et la couche isolante S' coplanaires se trouvent dans l'espace compris entre deux couches conductrices planes, formant les parties aller L'2 et retour L'4 du conducteur. M et S' sont représentés en deux couches sur la figure 2, compte tenu d'une opération de fabrication avantageuse, décrite ultérieurement; des couches simples conviennent toutefois également bien. Le courant de pompage I circule dans les deux parties L'2 et L'4 du conducteur, formées par un film, de sorte que la couche M' du noyau est aimantée perpendiculairement au plan du dessin. La couche isolante S' interdit un court-circuit dans le circuit de pompage. Le champ magnétique longitudinal H à mesurer produit dans la bobine d'induction W' une tension de signal U de fréquence fp + f. Le circuit de pompage magnétique étant ouvert, il faut pour obtenir un faible facteur démagnétisant veiller à ce que l'épaisseur des couches magnétiques soit faible par rapport à la largeur ou fermer le circuit de pompage magnétique par dépit d'un second noyau spécial M avec champ de pompage de sens inverse. Cette dernière solution est représentée à la figure 3, sur laquelle la bobine de mesure commune entoure deux sondes selon figure 2, disposées cote à cote avec champ de pompage de sens inverse. Le flux de pompage magnétique est de même fermé à l'extérieur par l'emploi de sondes films à conducteur plat en méandres, avec interposition de couches magnétiques M"', comme le montre la figure 4. Un mode de production particulièrement avantageux d'une sonde film selon figure 2 consiste à plier en U un film multicouche, constitué par les couches L', M' et S', puis à disposer la bobine de mesure W' autour de cette sonde 10'. Pour la construction de sondes films particulièrement petites, il est favorable de produire la sonde avec la bobine de mesure par une suite d'opérations d'évaporation, avec emploi de masques appropriés. Tu figure 5 représente la disposition de deux sondes 12, 14 dis posees parallelement cdte à cote et avec un certain écartement, branchées en opposition et permettant par exemple de mesurer le courant Q par le passage du courant. Le couplage en opposition des deux sondes 12, 14 compense les champs magnétiques extérieures homogènes et le champ magnétique terrestre. Il est naturellement possible de mesurer aussi le courant dans le conducteur, quand ce dernier est placé en Q', près de la sonde 14.Les champs magnétiques extérieurs homogènes et le champ magnétique terrestre sont également compensés dans ce cas. I1 en est de meme pour un montage selon figure 6, dans lequel deux sondes 15, 16 branchées en opposition sont disposées parallèlement l'une au-dessus de l'autre, le conducteur Q" dont le courant doit être mesuré étant placé près d'une sonde 15. Le montage de la figure 7 comporte trois sondes 17, 18, 19 en équerre. Un tel montage permet de mesurer simultanément les trois composantes spatiales du champ pour la détermination du sens et de l'intensité d'un champ magnétique dans l'espace par exemple. Le branchement d'une autre sonde en opposition avec chacune des sondes 17, 18, 19 permet dans ce cas aussi de compenser des champs continus extérieurs homogènes et le champ magnétique terrestre. La figure 8 représente une sonde magnétomètre 20 annulaire selon l'invention, se prestant à la mesure de champs magnétiques circulaires (produits par le passage de courants entourés). Cette forme de réalisation de lfinvention se prote particulièrement bien aussi à l'emploi en ampèremètre fixe, pour la mesure sans interruption du courant dans un conducteur Qe tt, Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art au principe et aux dispositifs qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention. Revendications 1. Sonde magnétomètre pour la mesure de faibles champs magnétiques, comprenant un noyau en matériau aimantable, un conducteur relié à une source de courant alternatif pour la production d'un champ magnétique alternatif, perpendiculaire au champ à mesurer et produisant l'aimantation alternative du noyau, et une bobine de mesure entourant le noyau, dont l'axe est parallèle au champ à mesurer et délivrant le signal de mesure, ladite sonde étant caractérisée en ce que le conducteur est constitué par deux conducteurs d'aller et retour parallèles à l'axe longitudinal de la sonde, le noyau étant disposé entre les conducteurs aller et retour, et la bobine de mesure entoure les deux parties du conducteur entre lesquelles se trouve le noyau. 2. Sonde selon revendication 1, caractérisée en ce que la partie aller du conducteur est disposée coaxialement à l'intérieur de la partie retour de ce conducteur et le noyau est une bague cylindrique, disposée entre les deux parties du conducteur qui sont reliées électriquement sur la tête de la sonde. 3. Sonde selon revendication 2, caractérisée en ce que la partie aller du conducteur est constituée par une pièce ronde dont la face extérieure porte le noyau sous forme d'une couche, au-dessous ou au-dessus d'une couche isolante, puis la partie retour du conducteur, les deux parties du conducteur étant reliées électriquement sur la tête de la sonde. 4. Sonde selon revendication 1, caractérisée en ce que le conducteur est plat et le noyau ainsi que l'isolation sont des corps plats copla naires. 5. Sonde selon revendication 4, caractérisée en ce que le conducteur est constitué par un ruban ou un film plié en U, à l'intérieur duquel se trouvent une couche isolante et le noyau. 6. Sonde selon une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le noyau et la couche isolante sont déposés sur une face du conducteur plat, ruban ou film, sous forme de couches. 7. Sonde selon revendication 1, caractérisée en ce que l'ensemble de la sonde, y compris la bobine de mesure le cas échéant, est constitué par une suite de couches. 8. Sonde selon une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisée en ce qu'elle est constituée par deux conducteurs plats superposés, produisant des champs de pompage antiparallèles, avec des corps plats coplanaires formant le noyau et la couche isolante, autour desquels est disposée une bobine de mesure commune. 9. Sonde selon revendication 4, caractérisée en ce que le conducteur plat est en méandres, avec interposition de corps plats formant le noyau et entourés par la bobine de mesure commune. 10. Sonde selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée par une forme annulaire. 11. Montage de sondes selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par deux sondes branchées en opposition et disposées parallèlement côte à côte, avec un certain écartement. 12. Montage de sondes selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par deux sondes branchées en opposition et disposées parallèlement, l'une au-dessus de l'autre. 13. Montage de sondes selon une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par trois sondes respectivement en équerre. 14. Montage selon revendication 13, caractérisé en ce que chacune des trois sondes est branchée en opposition avec une autre sonde.