Brevet FR2271537A1 — publié le 19751212

La présente invention concerne les dispositifs détecteurs de mouvements rectilignes qui en mesurent les principaux paramètres:déplacement, vitesse et si désire, accélération De tels dispositifs trouvent notamment leur exploitation dans les systèmes de positionuement darne pièce mobile par rapport à une pièce fixe, en lesquels le mouvement de la pièce mobile est une translation rectiligne ou se traduit par une telle translation au niveau du palpeur qui convertit le mouvement en un signal électrique dont peuvent etre ensuite dérivées des composantes représentatives de ces paramètres. Ces systèmes incorporent usuellement des boucles d'asservis- sement en position, vitesse et, en de nombreux cas, accélération, Leurs performances sot d'autant plus élevées que les bandes passantes des borcles sont elus larges dans le domaine des basses et très basses fréquences, y compris la fréquence zéro, Le plus souvent toutefois la réponse electrique du détectour est affecté de composantes parasites Liées aux effets de l'accélération transverse qui excite des vibrations mécaniques dans les supports et(ou) le palpeur lui-même.Pour réduire ces composantes, on est alors conduit soit a repousser les fréquences propres et harmoniques de ces vibrations en dehors de la bande passante utile, si cela est possible, soit, le plus souvent, a réduire cette bande passante ce qui réduit les performances. Un but de 1 invention est de prevoir une structure de détec- teur exempte de modes d'excitation mécaniques dont les fréquences de résonance ou leurs harmoniques se situeraient dans la banue passante utile des circuies exploitant le si.-nal électrique issu du capteur Un autre but de l'invention est de prévoir des dispositifs exploitant au mieux une telle structure, Selon une caractéristique de 11 Invention, le palpeur consiste en une ligne de propagation d'ondes TEM en ultra-haute fréquence le long de laquelle se déplace un obstacle diffractant, entraîne parla pièce mobile, qui perturbe la distribution de ces ondes selon son déplacement. Selon une autre caractéristique de l'invention} cette ligne de propagation d'ondes est coaxiale avec un conducteur extérieur fendu selon une génératrice et l'obstacle perturbateur est une plaquette conductrice se déplaçant en suivant cette fente et y pénétrant pour avoisiner le conducteur central du coaxial, Selon une autre caractéristigue do l'invention, la ligne de propagation d'ondes, opérant en ondes stationnaires, fait partie intégrante du eirenit oseillant d'un oseillatour à ultra-haute fréquence, un disoriminateur de frdquence est couplé à cet oscillateur pour traduire la variation de fréquence due à un déplacement de l'obstacle perturbateur en un signal qui en est l'image électrique et un différentiateur de forme d'onde est connecté à une sortie du discriminateur de fréquence pour former un signal de mesure de la vitesse du deplacement de l'obstacle. Selon une autre caracténistique de l'invention, la ligne de propagation d'ondes, opérant en oudes progressives, est couplée à la sortie d'un oseillataur à altra-haute fréquence, un comparateur de phases est couplé ! la sortie de l'oscillateur et à une sortie d'onde réfléchie par l'obstacle perbateur dans la ligne pour traduire la variation de phase de l'onde réfléchie due à un dé-placement de l'obstacle et un démodulateur de la variation de fréquence liée à cette variation de phase forme un signal de mesure qùi est limage électrique de la vitesse du déplace.ent de l'obstacle. Ces caractéristiones, ainsi que d'autres encore venant en renforcer los effets, vont être exposées dans le détail en se reportant aux figures jointes, qui représentent: Pir,.l, un schéma en modules fonctionnels d'une première modalité de mise en pratique de l'invention, Figs. 2 et 3, des exemples d'exécution des parties haute et basse fréquence respectivement d'une telle modalité, et, Fig.4, un schéma en modules fonctionnels d'une seconde modalité de mise en pratique de liinvention. De ces exemples et de leur description peuvent directement se déduire toutes variantes de mise en oeuvre entrant dans le cadre de l'invention, La structure de lie e de propagation d'ondes TES en ultrahaute fréquence incorporée au palpour d'un disoositif selon l'invention est, sous une forme onéfére, indiquée en LC sur la Fig. 1. Elle consiste en un tronçon de conducteur coaxial dont le conducteur extérieur est fendu selon une génératrice, en F, sur une longueur détemminée par la course possible d'un obstacle perturbateur de la distribution de l'onde TEil à l'intérieur de la ligne. cet obstacle consiste, pour cette structure coaxiale, an une pami cuette P, conductrice par exemple, pénétrant dans le coaxial 7 ravers la fente F poun y avoisiner le conducteur central mais non 1fe contacter. L'obstacle P est rigidement lié au mobile E et peut done être entraînée dans les deux sens lorsque ce mobile se déplace. La ligne est montée, d'un côté, sur une fiche coaxiale B du type N connu. A son autre extrémité, la ligne est tenminée par une capactié ajustable de faible valeur CR, pour son exploitation en ondes stationnaires tout au moins. Pour son oxploitation en ondes progressives, Fig. 4, elle est terminée sur une charge réelle égasle à son impédance caractéristique, Zo. Dans l'exemple de la Fig. 1, la ligne est introduite, en tant que di@ole à caractère selfique, dans le cirouit oscillant d'un oscillateur OSC. La sortie de l'oscillatour est appliquée sur un discriminoteur de fréquence Df par un coupleur C adaptant les im pédances ent@e source et charge, ici entre oscillateur et disoriminateur. La sortie du discriminateur de fréquence est appliquée sur un detocteur d'enveloppe De et le signal de sortie de De est aiiplifié en Al. On a montré en A2, au point de vue fonctionnel, un amplificateur faisant suite à al polar délivrer le signal de mesure de déplacement K1x.La sortie de l'amplificateur Al attaque un circuit différentiateur de forme d'onde Dx et la forme d'onde ainsi différentiée, ou dérivée, est amplifiée par un amplificateur A3 qui délivre le signal de mesure de la vitesse du déplacement K2x. Dx aurait pu, tout aussi bien, être montré connceté à la sortie de A2 et c'est ce qi esG oe fait montré sur la Fig. 3. si un signal de mesure de l'aceélération devait être formé, on pourruit l'obtenir, de préférece, par une férivation en UHF, pour passage @@ motulation de phase à modulation de fréquence, suivie d'une différentiation en BF comme alors pour la vitese. Le cipouit d'alino@@ation on tonions V+ et V~ à partir de + urces oxtèieures non réprésenitées est in liqué ea S. Son déail est denné sur la Fig.3 pour l'allaontation le l'oscillateur OSC. Cet oscillateur, qui in corpore la ligne conxiale LC dans son circuit oscillaut, coxsiste en un montage de type Colpitts avec un trausistor T du type 2N 30-90 comme élément actif qui oseille sur une fré uence de base f. de l'ordre de 500 MHz lonsque le perturbateur P est. a mi-course de la fente F. Une des capacités de division du montage est la capacité parasite cj entre collecteur et emetteur. L'autre capacité de division est constituée par la combinaison parallèle du conden stour C3 do pied d'émetteur aiusta ble de 0 à 8 PF par cxeiple et de la ca@@cité parasite d'entrée base-metteur du transistor.La capacité totale d'accord est constituée de ces capacités sur lesqifel1es se greffent e;; parallèle la capacité parasite collecteur-base et la capacité d' accord C2 d'en- trée du coupleur (C), ajustable de O cl 8 pF par oxomple. La partie conjuguée du circuit oscillant est constituée du dirole selfique LC-CL. La capacité CL de liaison entre la ligne et le collecteur évite une possibilité de court-circuit du collecteur sur la ligne. Elle permet aussi d'accroître la stabilité en fréquence de lXos- cillateur en élevant le Q du circuit oscillant et, à cet égard, peut par exemple être prise de l'ordre de lO pF pour une ligne dont l'impédance caractéristique est de l'ordre de 50 chms. Le condensateur CR d'ajustement de la longueur électrique de la ligne et de la plage de linéarité de la perturbation peut être de 2 pF. La longueur mécanique de la ligne coaxiale est fixée -à la fois par la course désirée du perturbateur P et par la fréquence de travail qui définit la longueur ;ie ligne sur laquelle le champ électrique est maximum et presque constant (le perturbateur est de type capacitif)* L'épaisseur du conducteur externe du coaxial est établie pour limiter au mieux le rayunnement électromagnétique de fuite à travers la fente F dont la largeur est définie en fonction de l'épaisseur de la plaquette P. En un exemple d'application, la courbe du perturbateur a été établie de 6 cm environ en sa partie assurant une variation linéaire de la fréquence de l'oscillateur. On peut-noter qu'en certains cas, il serait possible de substituer un guide d'ondes, voire une ligne bifilaire sous écran, à la ligne coaxiale du capteur. L'alimentation S, alimentée en V+ et V~ est symétrisée par ranport à la masse par le réseau (PR). La tension Y est appliquée à l'émetteur du transistor T à travers un double filtre en L, #3, qui bloque la transmission de la composante RF présente aux bornes de #4, qui C30 La tension V+ est appliquée au collecteur du transistor T à travers un simple filtre en L, OSC. bloque similairement cette composante , montré pour la commodité du dessin, dans le circuit de l'oscillateur quence, La liaison entre l'oscillateur et le discriminateur de frépauence, coupleur (C), consiste en une ligne quart d'onde Lk, de 75 ohms par exemple ayant sa charge partagée entre une résistance r de 50 ohms et l'entrée de Df. Un condensateur Cl évite le retour de la masse sur la sortie de l'oucillatour. On a inciqué en (CC) un diviseur capacitif qui permet une sise de coutrôle CRF fréquence et uiveau, si désiré. Le discrominatour de fréquence opère pour convertir la modulation de froquence en mochulation damplitude par la variation d' ispetance de deux tronçons de ligne Zf1 et Zf2 dont les entrées sont rcliées à la sortie du qsart d'onde L4 par des résistances Rf égules, de 50 chnss dans l'exemple choisi. Normalement, pour obtenir un système équilibré, l'un des trançons devrait être ouvert et l'autre fermé mais, pour la symétrie de fermeture de la composante continuo du détesteur d'envelopoe De qui fait suite an discriminateur Df, la ligne ouverte a été remplacée par une lingne fermée do longueur électrique excédeutaite d'un quart d'onde à la fréquence f0 sur la longueur de l'antre tronçon.Par exemple, la ligne Zf1 peut uyeir une longueur de nenf huitièmesde longueur d' onde et la ligue Zf2, sept huitièmes.Dans lexemple décrit, les impédances ramerées par les lignes Zf sont respecotivement # j Zc, Zc égalant 50 chms. Le détecteur d'enveloppe De est différentiel et comporte les deux diodes dl et d2 ayant chacune en série un filtre #1, respectivesent #2. Ces filtres sol t égaux et l'une des diodes est bran chée en sens inverse de l'nutre. Le lgual de sortie de la détec- tion d'enveloppe des signaux à hante fréquence cst délivré au point A. Il est différentiel et peut orandre des valeurs syétriques autour du potentiel zéro de la masse puisque s'élimineut les composounes continues obtenues à la fréquence fo de l'oscillateur. La profondeur de modulation en fréquence de l'oscillateur dépend dvidomdont l'excursion lousitudinale du perturbateur p et de son enfoncement dans le champ de l'onde en LC. La vitesse de la modnalation de fréquence dépend de la vitesse du déplacement de P. La bande passoute du disoriminateur Df dépend de cette profondeur de modulation alors que la bande passante du détecteur d'enveloppe I)e dépend aii contraire du spectre de la fonction vitesse de p, transformée de Fourier de v(t). La Fig.3 montre, à titre illustratif, une des réalisations possibles pour l'exploitation du siqunl d'enveloppe issu do la sortie A du détecteur De. Cette rèalisation fait appel à des éléments solides de type FET et elle est plus particulièrement destinée à l'obtention d'un signal de mesure de la vitesse du ddplacement particulièrement fiable.Elle comporte un premier amplificateur (A1/A2) à deux éléments FET1 et FET2. à la sortie duquel on pent prélever le signal klx renrèsentant la variation du donlacement de l'obstacle perturbateur P dans la ligne Srco A partir de cette sortie et par un circuit différentiateur classique à résistance R et capacité K formant la dérivée première de la forme d'onde du si pnal, klx, est attaqué un second amplificateur idencique au premier (A3), basé sur les éléments FET3 et FET4.Ce second amplificateur délivre ie signal k2x représentant la variation de vitesse dtt déplacement. À ce montage simple d'amplificateurs flottant entre deux sources V+ et V symétriques pourrait être substitué un montage d'amplificateur push-pull à deux étages avec des paires d' éléments PET complémentaires, la sortie du détecteur d'enveloppe De étant alors à prises syétriques, ou alors, pour une détection d'enveloppe qui ne soit pas différentielle, diodes dans le même sens avec une polarité de composante continue, pour fo, compatible avec le canal de l'élément PET d'entrée, on pourrait utiliser un amplificateur différentiel à deux étages utilisant des éléments PET appairés et délivrant un signal amplifié symétrisé autour de zéro. En tous les cas, la partie réelle de ltimpédance du réseau différentiateur doit présenter une valeur très grande vis à vis de l'impédance de sortie du premier étage, l'amplificateur du signal de déplacement, tout en restant petite devant l'impédance d'entrée du second étage, l'amplificateur du signal de vitesse, Pour amé- liorer le signal de déplacement, de plus, on peut comme indiqué en fat sur la Fig.1, établir un amplificateur de ce signal distinct et plus élaboré, à la sortie du détecteur d'enveloppe De. alors que, dans le premier mode de mise en pratique qui vient d'être décrit, on assure la dérivation de forme d'onde sur un signal démodulé en basse fréquence, un second mode de mise en pratique de l'invention permet d'opérer cette différentiation en haute fréquence. Le schéma fonctionnel de la Fig.4 permet de façon sur- fisante de le décrireO- La structure de la ligne LC-est convertie en une structure de guidage d'une onde TEM progressive et fermés sur une charge Zc. L'obstacle perturbateur P, qui n'est pas totalement refléchissant introduit un légen taux d'ondes stationnaires dont l'argument est fonction de sa position. La ligne est alimentée par un oscillateur UHF de fréquence fo fixe et de haute stabilité, l0~6 par exemple. La phase de onde réfléchie dépend à la fois de la longueur élec- trique du trajet, donc de la pesition de l'obstacle, et de ltar- gument du taux d'oncles stationnaires, donc de l'enfoncenent de P et il est done possible de régler l'écart de phase à zéro pour la pesition médliane de l'costacle sur la ligne. Un coupleur bidirectionnel CSD transmet à la ligme la quasi-totalité de l'oscillation urovenant de l'oscillateur et, en tême temps, en dérive une petite partie vers la sertie de référonce (s). ce conpleur dirige égalemont partie ac moins de l'oscillation réflécoie dans la ligne sur sa snrtie (rlO Cos sortios (d) et (r) sont relides aux entrées d'un montage homodvne OCT1 qui opère une démodulation en HF.Ce montage peut reoevoir diverses formes et, notamment, celle d'un octopole hybride ou do tout autre réseau hybride quatre portes tel qu'un réseau annulaire coaxial ou un Té anxique, délivrant sur ses deux voies de sortie des sigmaux représentant la somme et la différence vecn toriellos des ondes entrantes. Ces signaux sont appliqués sur un détecteur d'enveloppe Del puis la sortie du détecteur est amplifiée en A4 pour obtenir un signal de mesure du déplacement klxO L'onde réfléenie sortant en (r) du coupleur CBD est, d'autre part, par un coupleur CAF, dirigée sur deux lignes ou voies de transmission do longueurs différentes, L1 et L2. Ces lignes attaquent un réseau hybride, par exemple octopole OCT2 qui opère alors une démodulation de fréquence. Le signal démodulé est détecté dans le détecteur d'enveloppe Dé2 et à la sortie de l'amplificateur A5 qui fait-suite au détecteur De2 paparait un signal qui est l'image électrique de la vitesse ae déplacement de l'obstacle P dans la ligne LC. Une disposition complémentaire bien que. non impérative consiste à assurer une modulation do faible profondeur de l'oscillation appliquée sur la ligne LC et, à cet effet, on a indiqué sur le schéma de la Fig.4, qu'un modulateur MOD pouvait être associé à l'arlificnteur OSC. La fréquence de la modulation est basse vis à vis de la RF de l'oscillateur mais relative-ent élevée toutefois pour ne pas être génée par les bruits BF, en particulier ceux pro- venant de l'erfet flicker au niveau de. l'oscillateur et élevée aussi relativement aux composantes hautes du spectre du signal de déplacement. Cette modulation facilite l'amplification du signal BF de déplace ent en permettant d'utiliser un amplificateur sélectip en sortie de la détection d'enveloppe, suivi d'une démodulastion basse fréquence. Au niveau de la démodulation de vitesse, la modulation d'amplitrde Zournit une raie parasite qui est, pour sa réjection, traitée comme une sous-porteuse. L'amplificateur A5 est établi sélectif. Le coupleur bidirectionnel CBD peut être remelacé par un coupleur capacitif aur l'onde incidonte et un circulateur, c'est à dire un hexapola non réciproque pour les équations de Maxwell, pour l'onde réfiéchie. R D V E N D I C A T I O N S. 1. - Disbositif détoctenr de mouve ent revtiligne d'un mobile pour la mesure de son débiacement et de Sa vitesse, sur un parcours ligité, caractérisé on ce que son palpeur comprend uhe lique de pronagation d'ordes @@@ à ultra-baute fréquence dont la distrigution est perturbie par le déplacctont le long de la ligne d'un obstacle diffractant entraîné pur le mobile. 2. - Dispositi selon la revendication 1, caractérisé en ee que cette ligne est coaxiale et son condueteur extéricur ost fendu tour la pénétration d'une plaquette au voisinage de son conducteur central. 3. - Dispositif selon la revenaication 1, caractérisé en ce que la ligne de propagation, de longueur électri@ne ajustable, fait catie du circuit oscillant d'un oscillateur à ultra-harte fréquence, un discrimideieur de fréquence smivi d'un détecteur d' envelopec est couplé 7 cet pscillateur pour traduire la variation de fréquence due à an déclacement de l'obstacle en nn sipnal de mesure de ce déplaxement et un différentiateur de forme d'onde de ce signal de mesure le convertit en an signal de mesure de la vitesse du déplacement. 4. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qûe la Elle de pronogation est couplée à la sortie d'un oscillateur à altra-haute fréquence, un comparateur de phases opérant en démodniatent est couplé à la sortie de l'oscillateur et à une sortie d'onde réflécuie par l'obstacle perturbateur dans la ligne et est suivi d'un détecteur d'enveloppe pour former le siznal de mesure du d@placement et un démodulateur de variation de fréquence, suivi d1un détecteur d'enveloppe est couplé à cette sortie d'on de réfléchie pour former le signal de mesure de la vitesse du déplacement. 5. - Dispositif- selon la revendication. 3, caractérisé en ce que le disorimineteur de fréquence opere par variation d'impédance de deux troncdons de lignes de transmission fermées, reliés par un coupleur quant d'onde à la sortie de l'oscillateur, les lon gueurs électriques des tronçons différant d'un quart d'onde à la fréquence de base de l'oscillateur. 6. - Disnositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que le détecteur d'enveloppe du discriminateur de fréquence est suivi d'une voie d'amplification, l'ensemble dotecteur-voie d'am plification délivrant des signaux symétrises autour du zero. 7. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisd en ce que le comparateur de chases cousiste en un montare d'homodyne opérant une démodulation de phase en haure fréquonce et le démodulateur de fréquence a ses entrées reliées aux sorties de lignes de transmission de lonmuours électriques inégales recavant onsemble l'onde réfléchie. 80 - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que ltoscillateur à à ultra-haute fréquence est modulé en amplitude à fable profondeur à une fréquence relativement basse, les détecteurs d'enveloppes sont suivis d'amplificateurs sélectifs, celui de la voie de mesure du déplacerent étant suivi d'un démodu- lateur d'amplitude basse fréquence et un réjecteur éliminant la raie parasite de la modulation d'amplitude nanas le démodulateur de variation de fréquence0 9, - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les démodulateurs sont choisis dans le groupe des réseaux hybrides quatre portes. 10. - Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que les coupleurs d'ondes sont choises dans le groupe formé des coupleurs bidirectionnels, des coupleurs capacitifs et des circu lateurs o