Brevet FR2230122A1 — publié le 19741213

La présente invention se rapporte à un montage de modulation magnétique et concerne plus particulièrement un montage pour moduler une tension de sortie avec une grande sensibilite au moyen d'un signal d'entre constitué par un très faible champ magne tique Dans les modulateurs magnétiques et analogues, il est classique d'utiliser des montages à flux magnétique. Dans ces montages, on utilise généralement deux noyaux magnétiques de sorte qu'un léger écart des caractéristiques magnétiques de l'un ou de l'autre des noyaux se reflète dans le signal de sortie, Cette influence est représentée par un courant de repos, c'est à dire par un signal de sortie correspondant à l'absence d'un signal d'entrée.En conséquence, lorsqu'un très faible signal d'entrée est appliqué dans ces conditions, il devient dirficile de faire la distinction entre un signal réel et un bruit. Pour remédier à cette difficulté, on a proposé un noyau magnétique ayant des caractéristiques magnétiques parfaitement déterminées, mais un tel noyau est difficile à fabriquer, La présente invention a pour but de fournir un montage de modulation magnétique extr & ement sensible, ne présentant pas les inconvénients ci-dessus et qui permet d'obtenir un signal de sortie déterminé à partir d'un très faible signal d'entrée. L'une des particularités de l'invention consiste à relier deux circuits résonants composés d'une inductance non-linéaire et d'un condensateur de façon à former un circuit différentiel et à commander le signal de sortie au moyen d'un signal d'entrée de façon à moduler le signal de sortie au moyen d'un très faible signal d'entrée en utilisant ingénieusement les caractéristiques de phase à la résonance de ce circuit. Une autre particularité de l'invention réside en ce que le signal de sortie modulé est déterminé par une tension de résonance du circuit résonant, par une tension de polarisation alternative et par un signal d'entrée. La grandeur du signal d'entrée détermine celle du signal de sortie qui correspond à la durée de la tension de résonance, phénomène qui est utilisé dans un convertisseur analogique-numérique.Ce montage trouve son application dans de nombreux domaines nécessitant un c recuit de modulation petit et léger0 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple nullement limitatif, en référence au dessin annexé, dans lequel la fig.1 est une représentation schématique d'un montage conforme à l'invention; les fig.2a et 2b sont des vues schématiques montrant les noyaux magnétiques utilisés dans le montage de la fige1; les fig.3a et 3b sont des schémas par blocs illustrant des mottages conformes à l'invention; la figez est une représentation schématique d'un dispositif de modulation conforme à la présente invention; et les différentes vues de la fig.5 sont des diagrammes destinés à faciliter la compréhension du fonctionnement du dispositif de modulation magnétique de la fig.40 En se référant au dessin et notamment à la figez on voit le schéma de principe d'un montage de modulation magnétique conforme à l'invention0 Les références 1 et 2 désignent les bornes dtun circuit d'excitation destiné à appliquer un courant alternatif à un noyau magnétique 3.Le noyau magnétique 3 se compose d'un conducteur ayant des bornes 1 et 2 et d'une substance magnétique couvrant celui--ci Divers procédés peuvent dtre utilisés pour construire le noyau 3o C'est ainsi, par exemple, qu'une matière magnétique telle que le permalloy peut Btre déposée directement ou par un procédé d'électro-déposition sur la surface périphérique dtun conducteur, tel qu'un fil de cuivre; autrement, une mince pellicule d'une substance magnétique peut etre enroulée directement ou superposée sur le conducteur. Un exemple d'un noyau magnétique cylindrique construit par l'un des procédés ci-dessus est représenté sur la fig.2a. Le noyau peut aussi etre fabriqué en appliquant une matière isolante, telle que le verre, sur la surface périphérique dudit conducteur, et en déposant ensuite la substance magnétique autour de la surface périphérique ainsi isolée par l'un des procédés indiqués ci-dessus. En variante, la substance magnétique pourrait titre appliquée sur la surface périphérique extérieure d'une matière isolante, telle qu'un tube de verre, de la meme manière que celle décrite ci-dessus, puis un conducteur, par exemple un fil de cuivre, pourrait être introduit dans la matière isolante, Dans les procédés de construction ci-dessus, on utilise toujours le conducteur comme noyau.Or, la partie correspondant à ce conducteur pourrait être remplacée par la partie correspondant à la substance magnétique, sans que le noyau magnétique cesse de remplir sa fonction. Toutefois, ceci est tellement évident qu'il serait superflu de s'y étendre davantage La présente invention peut aussi titre mise en oeuvre en réalisant le conducteur et la substance magnétique,ou le conducteur, la matière isolante et la substance magnétique,sous la forme d'un élément plan, d'un prisme, d'une colonne, d'un cylindre, etc.., et en les superposant en un ensemble stratifiés I1 convient de souligner que la configuration du noyau magnétique 3 n'est pas limitée à une forme particulière quelconque et que le circuit magnétique peut aussi bien être ouvert que fermé.De plus, la substance magnétique utilisée peut etre une substance anisotropique ou isotropique et la direction de l'anisotropie est sans importance. De plus, la substance magnétique du noyau peut titre constituée par une mince pellicule ou par un solide et peut être soit un métal, soit un oxyde, De plus, la forme géométrique du noyau magnétique n'est pas critique, le mtme résultat pouvant être obtenu en plaçant et en formant judicieusement l'enroulement. I1 en résulte que le noyau peut avoir la forme d'un élément plan, d'une bande, d'un polygone, dtun anneau, d'une spirale, d'une tige, etc..., et qu'il peut Etre aussi bien poreux que non-poreux. Une bobine 4 est enroulée autour du noyau magnétique 3.La bobine 4 peut etre divisée en deux parties s'enroulant en sens inverse l'une par rapport à l'autre afin d'annuler les tensions induites aux bornes de sortie 8 et 9 (ou 10 et 11) résultant du couplage du champ magnétique alternatif avec la bobine 4. En variante, le noyau magnétique pourrait etre conçu de manière à n'engendrer aucune tension induite dans l'enroulement 4, comme le montre la fig.2b. Le noyau et l'enroulement 4 peuvent aussi titre étudiés de façon à éviter tout couplage avec le champ magnétique alternatif, c'est à dire que la direction du champ d'excitation alternatif soit perpendiculaire à l'enroulement 4. En plus du procédé décrit ci-dessus consistant à enrouler directement la bobine 4 autour du noyau magnétique 3, il est également possible d'enrouler indirectement la bobine 4 autour du noyau magnétique 3. C'est ainsi, par exemple, que la bobine pourrait titre auparavant enroulée autour d'un tube, par exemple d'un tube de verre, dans lequel le noyau magnétique 3 pourrait etre librement introduit, En utilisant ce procédé, le noyau magnétique peut être fabriqué à meilleur marché qu'avec le procédé consistant à bobiner directement l'enroulement 4 sur le noyau magnétique 3o En effet, lorsque les résultats ne sont pas satisfaisants avec un circuit fabriqué par le procédé précédent, non seulement la substance magnétique du noyau 3, mais encore l'enroulement 4 lui-meme sont perdus.Par contre,ion adopte le procédé consistant à bobiner l'enroulement 4 sur un tube creux, cet enroulement peut être utilisé avec d'autres noyaux magnétiques. On voit donc qu'il est non seulement économique, mais encore avantageux de vérifier les caractéristiques magnétiques pendant la fabrication. Un condensateur 5 est branché entre les bornes 8 et 9 de l'élément à inductance non-linéaire construit comme décrit ci-dessus afin de former un circuit résonant avec l'inductance. L'élément 6 est une impédance qui empoche le courant de résonance de circuler dans ledit circuit résonant. Le circuit compris entre les bornes 7 et 11 est un circuit de polarisation alternatif. Les éléments de circuit 12-19 correspondent respectivement aux éléments 4-11 ci-dessus, de sorte qu'on a jugé superflu de les décrire en détail. Ces deux circuits peuvent être construits séparément ou bien peuvent être combinés. L'élément de modulation magnétique conforme à la présente invention est produit comme il est expliqué ci-dessus mais, de plus, la méme fonction peut & re réalisée en utilisant plus d'un de ces noyaux magnétiques en prévoyant simplement le circuit de polarisation à courant continu afin de réaliser l'élément à induc tance non-linéaire0 On va expliquer maintenant le fonctionnement du circuit de modulation magnétique conforme la présente invention en se référant aux fig.1, 4 et Sur la fig.1, le courant alternatif d'excitation appliqué entre les bornes i et 2 n'a pas besoin d'avoir une forme particulière quelconque à condition que les deux circuits résonants composés dudit élément à inductance non-linéaire et dudit condensateur puissent astre amenés à résonner. La phase de la tension de résonance engendrée dans ledit circuit résonnant (0 ou 1r) est déterminée par la polarité du signal d'entrée ou par le champ magnétique alternatif de polarisation0 En tant que signal d'entrée, on peut utiliser le courant, le champ magnétique et les variations de phase de la tension de résonance dues à des forces extérieures. Pour bien comprendre le fonctionnement du montage selon l'invention, on va examiner en détail le cas d'un champ magnétique typique utilisé comme signal d'entrée. Les autres cas n'ont pas été considérés, se comprenant d'eux-mtmesO Tout d'abord, on va-examiner le fonctionnement de l'élément de modulation magnétique quand il est exposé à un champ magnétique parallèle.Dans ce cas, on considère comme exemple de montage le circuit de sortie différentiel résultant de l'interconnexion des bornes Il et 19. Ce circuit sera décrit plus loin en se réfé- rant aux fig.1 et 4o En considérant la fig.1, si l'on applique un courant d'excitation alternatif entre les bornes 1 et 2, une tension de résonance dont la phase est O ou 1r est engendrée dans le circuit résonnant composé du condensateur 5 et de l'enroulement 4 (qui sera qualifié ci-après de circuit résonnant A) et dans le circuit résonnant composé du condensateur 13 et de l'enroulement 12 (qualifié ci-après de circuit résonnant B).Si, ensuite, un courant de polarisation alternatif ibX tel que représenté sur la fig.5a, est appliqué au circuit de polarisation alternatif 7-68-4-9-11 (qualifié ci-après de circuit de polarisation alternatif A) et au circuit de polarisation alternatif 15-14-16-12-17-19 (qualifié ci-après de circuit de polarisation alternatif B), par les bornes 7 et 15, les phases des tensions engendrées dans les circuits résonnants A et B sont toujours en opposition.En conséquence, la tension de sortie qui apparat aux bornes 10 et 18 du circuit de sortie différantiel est la somme des tensions des deux circuits résonnants, quand les phases des tensions de résonance coïncident En conséquence, lorsque les circuits résonnants oscillent, la tension de sortie s'annule Si, dans ces conditions, on applique un champ magnétique parallèle, il se produit un déphasage de chacune des tensions de résonance e A et e3 des circuits résonnants A et B, comme le montre les fig5^ et 5r, de sorte que l'on observe entre les bornes 10 et 18, comme le montre la fig.5d, une tension de résonance e0 provenant du décalage des phases G et T conformément à la polarité du champ magnétique parallèle. De plus, la période de cette tension de sortie dépend de l'intensité du champ magnétique parallèle Ensuite, on va examiner le cas d'un champ magnetique partiel, par exemple celui où le signal d'entrée est la différence entre le champ magnétique appliqué aux circuits résonnants A et 3. Dans ce cas, le courant de polarisation alternatif appliqué par les bornes 7 et 15 et le champ magnétique de polarisation alternatif ont la meme direction dans le noyau magnétique 3. Le circuit de sortie différentiel est réalisé en court-circuitant les bornes 11 et 18 de manière à détecter la tension apparaissant entre les bornes de sortie 10 et 19. Le fonctionnement de ce montage s'explique en considérant le cas du champ magnétique parallèle, de sorte qu'on a jugé superflu ae s'y étendre en détail0 Le circuit de sortie différentiel ci-dessus est construit de manière que la tension de sortie apparaisse comme la somme des tensions de résonance quand un champ magnétique est appliqué comme signal d'entrée. Toutefois, il existe un autre mode ae construction dans lequel le circuit produit une tension de sortie qui est la différence des tensions de résonance. De plus, un circuit ayant la meme fonction que celui décrit ci-dessus peut & re construit en montant deux noyaux magnétiques cylindriques en parallèle sur le méme circuit résonnant.Le fonctionnement d'une telle variante de réalisation est évident à la lumière des explications qui précèdent, de sorte qu'on ne s'y étendra pas. De plus, la conception d'un élément de modulation magnétique conforme à l'invention en utilisant plusieurs noyaux magnétiques est conforme à ce qui a été décrit ci-dessus, mais un montage pour obtenir une tension de sortie modulée à chaque composant en séparant le signal d'entrée appliqué à chacun de ceux-ci grâce à l'utilisation d'un ou de plusieurs noyaux magnétiques (par exeple de noyaux annulaires) peut naturellement aussi & re envisagé. Dans les explications qui précèdent, on a supposé que les caractéristiques des deux circuits résonnants sont parfaitement identiques. Toutefois, lorsque ces caractéristiques sont différentes, elles peuvent & re facilement ajustées par un réglage juaicieux au courant alternatif des circuits de polarisation A et B. On peut ainsi réaliser une courbe caractéDisti~ue sans hysté régis Ci-dessus, on a utilisé comme signal d'entrée le champ magnétique de base.Lorsque l'on désire utiliser un courant comme signal d'entrée, ceci peut être facilement réalisé en prévoyant un circuit d'entrée pour engendrer le champ magnétique mentionne ci-dessus0 C'est ainsi par exemple, qu'il est possible de superposer un courant en tant que signaux d'entrée sur le circuit de polarisation alternatif, et qutil est également possible de produire un circuit d'entrée en enroulant un bobinage autour du noyau magnétique 3. De plus, d'un autre point de vue, sauf dans le cas où la phase de la tension de résonance n'est pas changée par le signal d'entrée, comme il a été expliqué ci-dessus, il est possible de modifier activement les caractéristiques en utilisant le signal d'entrée0 Dans ce cas, n'importe quel signal d'entrée qui peut modifier les conditions de résonance convient. Ceci est possible à cause du phénomène qui fait que la tension de sortie est fonction de l'écart entre les phases des tensions des circuits résonnants. On va décrire maintenant un exemple d'un dispositif de modulation magnétique en référence aux fig.3a, 3b et 4o Sur la figea le bloc 21 représente une source de polarisation alternative, le bloc 22 une source d'énergie d'oscillation (ou d'excitation), le bloc 23 un circuit de modulation magnétique et le bloc 24 un récepteur traitant (ou utilisant) les signaux0 La forme de la tension alternative appliquée au bloc de modulation magnétique 23 par la source d'énergie de polarisation alternative 21 peut titre quelconque, à condition autre stable. De plus, comme il a été expliqué ci-dessus; la valeur de pointe de la tension alternative de polarisation doit etre réglée pour obtenir une tension de résonance ayant une phase sur ou O quand le signal d'entrée est présent et pour opérer en un état dé surexcitation par rapport au signal d'entrée0 La fonction principale de la source d'énergie d'excitation 22 est de produire une excitation paramétrique maintenant l'élé- ment de modulation magnétique en état de fonctionnement.Lorsqu'il y a plusieurs éléments de modulation magnétique 23 qui doivent etre sélectionnés, cette sélection devra s'effectuer en agissant sur l'énergie éléctrique d'alimentation et en effectuant des actions de coupure et de rétablissement de cette énergie d'alimentation0 Il est évidemment aussi possible de commander chaque composant de la tension d'excitation conformément au signal d'entrée.A cette fin, la fonction de commande est contenue dans la section de traitement 24 des signaux0 Comme signal d'entrée pour la sectionde modulation magnétique 23, on peut utiliser n'importe quel composant capable d'influencer la phase de la tension de référence, de sorte que la construction du bloc de modulation magnétique 23 peut titre modifiée conformément à la nature du signal d'entrée afin de convertir celui-ci pour satisfaire le but recherché, C'est ainsi, par exemple, que quand on utilise un champ magnétique comme signal d'entrée, le bloc de modulation magnétique 23 est conçu pour que le champ magnétique croise à angle droit l'enroulement de sortie afin d'applique effectivement le composant à mesurer à 11élément de modulation.Lorsqu'on utilise les variations de caractéristique dues à une force extérieure comme signal d'entrée, le bloc de modulation magnétique est conçu pour qu'une distorsion, une variation de tension, etc.., soit appliquée directement et indirectement et agisse sur la section de modulation magnétique 23. De plus, un signal d'entre peut Qtre appliqué par la source d'énergie d'excitation ou la source d'énergie de polarisation à l'élément de modulation magnétique 23o Le bloc 24 est utilisé pour traiter le signal converti par le bloc de modulation magnétique 23o Quand on utilise plusieurs blocs de modulation 23, un nombre égal de circuits de traitement devra etre prévu et chaque bloc 23 est commandé par un circuit à balayage. A l'entrée de la section de traitement 24 est appliquée une onde alternative (onde alternative intermittente dans l'état d'oscillation) modifiée proportionnellement au signal d'entrée, de sorte que l'on peut utiliser, au besoin, un circuit de détection de tension de crête un détecteur de phase, un détecteur d'inversion, un circuit de détection à diode, un générateur de phase de référence, un générateur de tension de référence, un circuit de comptage dlimpulsions, un circuit de comparaison de durée et de détection d'impulsions, un filtre, un circuit conditionnel, un circuit de différentiation, un circuit d'integrations un circuit d'amplification, un circuit d'amplification différentiel, un circuit d'indication, etc0.0 En particulier, dans l'état d'oscillation, il est avantageux que le bloc de modulation magnétique 23 remplisse par lui-mtme une fonction de conversion analogique-numérique. Sur la fig,3b, on a représenté un exemple d'un montage fournissant une indication numérique ou digitale après conversion, qui comporte une source d'énergie de polarisation alternative 21, une source d'énergie d'excitation 22 et un circuit de modulation magnétique 23 qui sont identiques à ceux de la fig.3aO De plus, on a prévu un circuit conditionnel 25 et un circuit de comptage d'impulsions ou un circuit indicateur digital 26 servant de circuit de traitement de signaux. Il ressort de l'exposé ci-dessus que conformément à l'invention, le champ magnétique alternatif de commande est appliqué au noyau magnétique auquel le courant d'excitation alternatif et le signal d'entrée sont applicables0 Le courant de polarisation alternatif est appliqué à l'inductance non-linéaire du circuit de sortie différentiel composé de deux circuits résonants comprenant une inductance non-linSaire et un condensateur, de sorte que le signal de sortie de ce circuit différentiel peut Qtre commandé en fonction du signal d'entrée, ce qui permet de moduler le signal de sortie avec une sensibilité élevée, au moyen d'un très petit signal d'entrée. De plus, le fait que la tension de sortie modulée est déterminée par la tension de résonance du circuit résonnant, par la tension de polarisation alternative et par le signal d'entrée et que la grandeur du signal d'entrée détermine une tension de sortie correspondant à la durée de la résonance fait que le montage peut titre utilisé comme convertisseur analogique-numérique quand les circuits résonnants sont en oscillation REVEND ICATI ON Montage de modulation magnifique qui comprend deux circuits résonnants à excitation paramétrique connectés différentlellement, chaque circuit comprenant un élément à inductance non-linéaire, une inductance et un condensateur; des moyens pour fournir un courant d'excitation alternatif auxdits éléments non-linéaires afin d'engendrer dans ceux-ci un champ magnétique alternatif; des moyens pour fournir un courant de polarisation alternatif à chacun desdits circuits afin d'inverser périodiquement la phase de la tension desdits circuits; et des moyens pour fournir un signal d'entrée, tel qu'un signal magnétique externe, à chacun desdits circuits afin de commander les périodes d';nversion de la phase dans chacun des dits circuits, ce qui fait que le signal de sortie des circuits résonnants à excitation paramétrique connectés différentiellement est modulé en accord avec la période du courant de polarisation alternatif0