Brevet FR2193192A1 — publié le 19740215

L'invention concerne un dispositif de mesure de déplacemente linéaires ou angulaires Dans le brevet français NO 1.341.664 et son premier Certificat d'Addition N 83.384 , est décrit un mode de réalisation d'un capteur capacitif de déplacement utilisant le circuit représenté à la figure 1 , constitué par deux capacités variant li néairement et en sens contraire en fonction du déplacement .La détection différentielle, constituée par les deux diodes 1 et 1' et les deux résistances 2 et 2', connectées à l'appareil de lecture dont la charge est capacitive 6 et résistive 7, est un circuit à basse impédance , ce qui fait que les capacités 3 et 3' alimentées par la source à haute fréquence 4 travaillent pratiquement à différence de potentiel alternative d'amplitude constante et le signal transmis varie en conséquence très linéairement svec le déplacement .L'utilisation d'unc alimentation à haute fréquence permet de plus de recueillir une puissance de signal importante sans amplification ultérieure , à partir de capacités relativement faibles de quelques picofarade , dont le faible valeur est imposée pratiquement par la technologie de réalisation . La fidélité d > un tel capteur est directement liée à la stabilité d'amplitude de la source HF appliquée aux capacités . Mais de plus , il s1a vâre que de tous les composants incriminés les diodes sont les plus sensibles aux effets thermiques .L'effet déterminant est la variation thermique des caractéristiques des diodes en conduction et ceci se traduit par une dérive de pente ainsi que , ce qui peut être plus gênant encore , une dérive de zéro si les diodes ne sont pas appairées soigneusement Ayant pour but d'éviter ces inconvénients afin d'obtenir des capteurs très peu sensibles aux effets thermiques , la présente invention a pour objet un dispositif de mesure de déplacements linéaires ou angulaires , du type comprenant deux capacités identiques variant en sens contraire linéairement en fonction du dXpla- cement 8 mesurer , deux diodes de détection branchées chacune entre l'une des capacités et la masse , deux secondes capacités en parallèle sur les diodes , et deux résistances reliant chacune des dites capacités à un point commun de mesure , caractérisé en ce que l'alimentation du circuit est assurée par des signaux carrés de basse fréquence Selon un mode de réalisation particulier de l'invention , la basse fréquence d'alimentation est de l'ordre de 30 k Hz .S-ur le dessin annexé on peut voir :: Figure 1 , un schéma électrique simplifié du dispositif de mesure connu d'après le brevet français NO 1.341.664 et son Certificat d'Addition NO 83.384 Figure 2 , une représentation des signaux de tension relevés , lorsqu'il est alimenté en signaux carrés a- à ltentrFe A du circuit de la Figure 1 b- au point B c- au point C Figure 3 , un schéma électrique simplifié d'un mode de ré alisation d'un appareil de mesure conforme à l'invention En se reportant au dessin , on peut voir que le circuit utilisé est pratiquement identique mais.:: a) la source à haute fréquence est remplacée par une source délivrant des signaux carrés de basse fréquence présentant des temps de montée et de descente brefs (Fig.2 a) b) les résistances 2 et 22 sont plus élevées et calculées de manière à constituer , avec les capacités 5 et St existant du fait de la technologie de réalisation et éventuellement du fait de l'adjonction de capacités supplémentaires , des circuits R C dont la constante de temps est inférieure tout en restant de l'ordre de grandeur de la période des signaux carrés à basse fréquence délivrés par la nouvelle source 4 La figure 2 montre la forme des signaux obtenus dans ces conditions aux bornes de la diode 1 (Fig. 2b ) et de la diode 1t ( Fig.2c ) pour une valeur égale des capacités 3 et 3' c'est-àdire pour la position centrale du capteur qui fournit un signal nul. On constate par exemple sur la courbe de la Fig.2b relative à la diode 1 que cette dernière demeure en polarisation inverse pendant le temps de décharge du circuit 2-5 alars que le temps pendant lequel elle se trouve en conduction est extrêmement bref . A chaque période la quantité d'électricité transférée par la résistance 2 au niveau du point de mesure D est liée à l'aire algébrique de la courbe considérée ctest-à-dire à l'aire hachurée diminuée de l'aire correspondant à la période brève de conduction , laquelle est beaucoup plus faible .Or ,un calcul élémentaire montre que si on suppose que la résistance en conduction inverse de la diode est infiniment grande devant la résistance 2 l'aire hachurée correspondant à la période de polarsation inverse de la diode est liée au produit C VO exclusivement , où C est la valeur de la capacité 3 et VO l'amplitude des signaux carrés délivrés par la source 4 , et ce indépendamment des valeurs de la capacité 5 et de la résistance 2 Par ailleurs , le signal correspondant à le polarisation directe de la diode est affecté par les variations thermiques su bies par les carac~téristiques de la diode mais il concerne une aire très réduite en regerd de l'aire précédente , dont les fluctuations ne peuvent affecter notablement le courant moyen apporté par la résistance 2 au point de mesure 6 Naturellement , la conduction en polarisation inverse de la diode n'est pas tout à fait nulle comme on l'a supposé précédemment , mais l'expérience montre que la fluctuation thermique de la correction apportée par ce phénomène à la quantité d'électricité transférée au point de mesure reste extrêmement faible Enfin , si la résistance 7 , c'est-à-dire la charge apportée par l'appareil de lecture est telle que le signal de mesure reste très faible devant les signaux précédents les courbes des figures 2b et 2c gardent leur forme an variant proportionnellement aux valeurs C et C' des capacités 3 et 3' lorsqu'on déplace l'armature mobile du capteur reliée au point A , ce qui fait que le courant moyen délivré à l'appareil de lecture par les résistances 2 et 2' vaut ( C-C') Vof , où f est la fréquence des signaux carrés déli virés par la source 4 et ce , à la correction près du courant délivré par les diodes qui dans tous les cas reste faible , indépendamment des valeurs des autres composants intervenant dans le circuit de détection , ctest-à-dire des résistances 2-Z' , des capacités 5-5' et de la charge résistive 7 présentée par l'appareil de lecture à qui on demande de mesurer un courant et non une tension On peut donner un exemple de réalisation conduisant à des résultats très satisfaisants (Fig.3) à partir de capacités 3 et 3' de quelques picofarads . Les signaux carrés ont en A une amplitude de l'ordre de 100 V et une fréquence de l'ordre de 30 k Hz. Ils sont très commodément obtenus au niveau du capteur gr ce à un transistor video 8 monté en hacheur découpant une tension continue VO. Le capteur 9 ne contient que ce transistor outre le circuit de la figure 1 . Le bottier d'alimentatìn10 est constitué d'une alimentation stabilisée 11 fournissant la tension continue Vo et d'un multivibrateur 12 à circuits intégrés de fréquence très stable délivrant le courant de commande de base du transistor 8 via la résistance 13 .Les temps de montée et de descente des signaux délivrés aux capacités 3 et 3' doivent être suffisamment brefs , ce qui impose dans le montage décrit ici une résistance 14 de collecteur assez faible Le cible de liaison 15 est à 3 fils sous blindagecommun de type câble de microphone et sa longueur est indifférente , ce qui constitue un avantage supplémentaire sur les capteurs connus Le boitier d'alimentation contient en outre un filtre passe-bas constitué par les résistances 16 et les capacités 17 permettant de supprimer la fréquence f et ses harmoniques sans modifier le courant mayen délivré à l'appareil de lecture 18 L'amplitude des signaux décrits aux figures 2b et 2c peut atteindre 10 à 30 volts et reste fonction de la valeur des capacités 5 et 5' au regard des capacités 3 et 3'. Les résistances 2 et 2' sont de tordre de 100 k # . On peut utiliser comme appareil de lecture un voltmètre électronique shunté par une résistance de charge 7 de l'ordre de 10 kn ce qui conduit à des signaux de mesure de l'ordre de + 100 m V Un tel circuit réalisé à partir de composants ordinaires présente une dérive thermique inférieure à 50.10-6 par degré aussi bien en ce qui concerne la pente que la dérive de zéro rapportée à la gamme totale REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure de déplacements linéaires ou angulaires , du type comprenant deux capacités identiques variant an sens contraire linéairement en fonction du déplacement à mesurer deux diodes de détection branchées chacune entre l'une des capacités et la masse , deux secondes capacités en parallèle sur les diodes , et deux résistances reliant chacune desdits capacités b un point commun de mesure , caractérisé en ce que ltalimentation du circuit de mesure est assurée par des signaux carrés de basse fré quence 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les signaux carrés de basse fréquence sont obtenus par découpage d'une tension continue stabilisée au moyen d'un transistor com- mandé par un multivibrateur de fréquence stabilisée 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé an ce qu'il est constitué d'un bloc d'alimentation comprenant une alimentation en tension continue stabilisée , un multivibrateur de fréquence stabilisée et un circuit de filtrage du signal de mesure t d'un capteur du déplacement à mesurer comprenant deux capacités identiques variant linéairement an ens inverse an fonction du déplacement à mesurer , deux diodes de détection , deux secondes capacités en parallèle sur les diodes , deux résistances reliant chacune desdites capacités à un point commun de mesure , et un transistor dont le collecteur est relié à l'alimentation en tension stabilisée et à l'armature commune des deux capacités identiques , et dont la base est reliée au multivibrateur ; ; d'un câble blindé reliant le bloc d'alimentation au capteur et comportant trois fils , deux fils transmettant respectivement au capteur la tension continue d'alimentation et le signal du multivibrateur , le troisième fil transmettant le signal de mesure du capteur au circuit de filtrage ; et d'un appareil de lecture alimenté par le signal de mesura par l'intermédiaire du circuit de filtrage