Brevet FR2287676A1 — publié le 19760507

La présente invention, étudiée dans le cadre du Département MTI de la Société des Produits Industriels ITT, a pour objet un détecteur magnétique de proximité d'objets métalliques, ctest-à-dire un système appelé aussi capteur permettant de détecter la présence d'un objet métallique situé à une distance déterminée. Elle est applicable notamment dans les systèmes de comptage ou de position- nement de pièces à la sortie, par exemple, d'une chaîne de fabrication. Les systèmes de détection connus sont de deux types. Les systèmes du premier type comprennent notamment un circuit oscillant constitué d'une self et d'une capacité. Le champ magnétique eréé par la self induit des courants de Foueault dans tout objet métallique placé à proximité de cette self. I1 en résulte outre une variation de la fréquence des oscillations une diminution de ltamplitude de eelles-ei, consécutive à l'affaiblissement du facteur de qualité du circuit oscillant. L'oscillateur, grave à un couplage mou ne compense pas eet affaiblissement.Cette diminution de l'amplitude, sensiblement proportionnelle à la diminution de la distance séparant l'objet métallique de la self, est utilisée pour détecter la présence de cet objet. Le circuit oscillant est alors suivi de circuits de redressement et de filtrage; et d'une bascule, un trigger de Schmitt par exemple, qui fournit un signal à un premier niveau lorsque l'objet est suffisamment éloigné de la bobine, ce signal passant à un deuxième niveau dès que l'objet se rapproche de la bobine à une distance dite distance nominale de détection du système considéré.Ces systèmes de détection présentent l'inconvénient de manquer de précision et d'accuser une hystérésis importante ee qui les rend inaptes au positionnement de pièces par exemple. On peut améliorer la précision grâce à des circuits électroniques très performants donc très eoûteux. De plus, ces circuits contribuent à l'augmentation du temps de réponse du système de détection qui ntest alors plus apte à détecter, par exemple, la présence des objets metalliques animés d'une vitesse non négligeable avec la précision voulue. Les systèmes de détection du deuxième type comprennent essentiellement un oscillateur tel que ltapproche d'un objet métallique provoque l'arrêt des oscillations. Cet arrêt se traduit par une diminution de la consommation du courant continu fourni à eet oscillateur. Il suffit alors de détecter cette diminution de consommation qui est de 2 à 3 mA. Outre les inconvénients déjà rencontrés dans les systèmes de détection du premier type, ces systèmes possèdent une hystérésis très importante, de l'ordre de 3 à 10 % de l'étendue de mesure. La présente invention a donc pour objet un système non linéaire de détection d'objets métalliques fournissant un signal de sortie à deux niveaux de réalisation simple et peu coateux. En outre, la distance à laquelle un objet métallique provoque le passage du signal de sortie d'un niveau à l'autre est déterminée avec une préeision supérieure à la précision des systèmes actuellement connus, lthystérésis présentée par ce système pouvant être seulement de tordre du millième de ltétendue de mesure. Le détecteur magnétique objets métalliques de la présente invention se caractérise par le fait qu'il comprend un oscillateur possédant notamment une entrée de commande et un circuit oscillant à bobinage et qui fournit un signal alternatif, un circuit de redressement et de filtrage recevant ledit signal alternatif pour fournir un signal continu, un circuit de détection et d'amplification qui reçoit ce signai continu sur une première entrée et un signal de référence sur une deuxième entrée et qui fournit un signal de détection, dont est dérivé un signal de sortie à deux niveaux, et un circuit de réaction recevant ce signal de sortie pour fournir un signal de réaction sur l'entrée de commande dudit oscillateur ces circuits étant arrangés de telle façon quten ltabsence d'objet métallique au voisinage dudit bobinage le c?otortplzr fournit un signal dSun premier niveau et de telle façon quten présence d'un objet métallique au voisinage du bobinage, l'oscillateur fournit un signal alternatif tel que le signal de sortie passe à un deuxième niveau tel que le signal de réaction renforce l'effet produit sur ,oscillateur par l'objet métallique. Les différents objets et caractéristiques de l'invention vont maintenant autre détaillés dans la description qui va suivre, faite à titre d'exemple non limitatif, en se reportant aux figures annexées qui représentent - la figure 1, le schéma de principe d'un détecteur magnétique de proximité de pièces métalliques conçu conformément à la présente invention - la figure 2, un exemple de réalisation de la self L de l'oscillateur OSC du détecteur de la figure 1 - la figure 3, le schéma détaillé d'un exemple de réalisation du détecteur magnétique de la figure 1. On décrira tout d'abord le principe de fonctionnement d'un détecteur magnétique de proximité conforme à ltinvention en se reportant à la figure 1. Le détecteur magnétique de la figure t comprend un oscillateur OSC, un circuit de redressement et de filtrage REF, un circuit de détection et d'amplification DET et un étage de puissance EPU connectés en série. Il comprend également un circuit de réaction RR. L'oscillateur OSC qui peut, par exemple, autre un oscillateur du type Hartley comprend notamment une self L et un condensateur C constituant le circuit oscillant entretenu par un transistor TR1. A l'équilibre l'oscillateur fournit un signal alternatif Vo d'amplitude et de fréquence constantes. Le circuit de redressement et de filtrage qui reçoit le signal Vo fournit en réponse un signal continu Vf dont l'amplitude est fonction de l'amplitude du signal Vo. Le circuit de détection et d'amplification DET reçoit le signal Vf sur sa première entrée et un signal de référence Vi sur sa deuxième entrée. I1 fournit un signal de détection Vd qui caractérise l'amplitude du signal Vf par rapport à celle du signal Vi. L'étage de puissance EPU reçoit le signal de détection Vd et fournit en réponse un signal Vs, ayant les caractéristiques requises pour l'utilisation2 à la sortie du détecteur et à l'entrée du circuit de réaction RR. Le circuit de réaction RR reçoit le signal Vs et fournit une partie Vr de ce signal sur une entrée de commande de l'oscillateur OSC. A l'équilibre et en l'absence de tout objet métallique au voisinage de la zone d'action du détecteur ltoscillateur OSC fournit un signal alternatif Vo d'amplitude maximale. Ce signal est redressé et filtré par le circuit REF qui fournit un signal continu Vf, dont l'amplitude est supérieure à l'amplitude du signal Vi, au circuit de détection et d'amplification DET. Ce dernier fournit un signal de détection Vd négatif à l'étage de puissance EPU. Ce circuit fournit en réponse un signal de sortie Vs d'un premier niveau, positif par exemple. Le circuit de réaction qui reçoit un signal Vs positif fournit un signal Vr-positif à l'entrée de commande de 12oscillateur OSC. Ce signal concourt au fonctionnement de ltoscillateur OSC dans un sens tel que l'amplitude du signal de sortie de celui-ci soit maximale. Ainsi, en l'absence de tout objet métallique au voisinage de sa zone réaction, le détecteur magnétique de la figure t fournit un signal Vs positif. On suppose maintenant qu'un objet métallique pénètre dans la zone d'action du détecteur magnétique. Par induction magnétique, des courants de Foucault prennent naissance dans cet objet. Ce phénomène se traduit, notamment, par une absorption de l'énergie fournie parl La diminution de l'amplitude du signal Vo se traduit par une diminution de l'amplitude du signal redressé Vf fourni à l'entrée du circuit de détection et d'amplification. Dès que l'amplitude du signal redressé Vf est inférieure à celle du signal de référence Vi, le circuit de détection et d'amplification DET fournit un signal Vd positif dont l'amplitude augmente avec la diminution de l'amplitude du signal Vf donc du signal Vo. L'étage de puissance EPU qui reçoit un signal Vd positif fournit en réponse un signal de sortie Vs d'un deuxième niveau, négatif ou nul. Le circuit de réaction RR qui reçoit un signal Vs négatif fournit un signal Vr négatif à l'entrée de commande de l'oscillateur OSC. Ce signal agit sur le fonctionnement de l'oscillateur OSC de manière que. l'amplitude du signal de sortie Vo diminue. Ainsi, en présence d'un objet métallique dans la zone d'action du détecteur magnétique de la figure 1, l'amplitude du signal de sortie de l'oscillateur OSC diminue et ce phénomène est confirmé ou maintenu par la réaction ce qui rend alors le système substantiellement insensible aux parasites éventuels. Le changement d'état de la boucle se produit dès que l'objet métallique est arrivé à une distance minimale déterminée. Un exemple de réalisation de la self L de ltoseillateur OSC de la figure 1 est représenté sur la figure 2. Selon l'exemple choisi, la self L est constituée par un bobinage BL enroulé sur une carcasse BB placée dans un demi-pot de ferrite PF. Le champ magnétique créé par la bobine alimentée est représenté par des lignes de force circulant dans la ferrite et se refermant dans l'air. La présence d'un objet métallique PM1 à proximité du fond du pot est sans effet. Par contre, si on approche un objet métallique PM2 de la partie supérieure du pot, les lignes de force se referment dans cet objet donnant naissance à des courants de Foucault.C'est cette propriété que l'on utilise, comme on l'a vu dans le détecteur de la figure t. De plus, l'utilisation d'un demi-pot en ferrite permet de délimiter une zone à l'intérieur de laquelle la présence d'un objet métallique ne peut autre décelée. C'est dans cette zone que lton disposera les différents circuits composant le détecteur de la figure 1. On décrira maintenant un exemple de réalisation détaillé d'un détecteur magnétique de proximité conforme au schéma de principe de la figure 1 en se référant à la figure 3. On retrouve dans le schéma de la figure 3 l'oscillateur OSC, le circuit de redressement et de filtrage REF, le circuit de détection et d'amplification DET, l'étage de puissance EPU et le circuit de réaction RR, représenté sous la forme d'une résistance. L'oscillateur OSC, qui peut autre un oscillateur du type Hartley, est constitué dtun transistor TR1 du type NPN dont l'électrode de base est connectée, d'une part, à une source Vz de tension constante Vc, constituée dtun ensemble diode Zener Zt- résistance de charge R5 connecté à une source de tension +Va, par 12intermédiaire dtune résistance de polarisation RI, d'autre part, à une entrée d'un circuit oscillant CO comprenant, notamment, une self L et un condensateur C. L'émetteur du transistor TR7 est connecté à une autre entrée du circuit oscillant CO.Le collecteur de ce transistor est connecté à la source de tension constante Vz par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R2 de 500il environ. Le circuit de redressement et de filtrage REF est constitué d'une diode D1 dont l'anode est connectée à la sortie du circuit oscillant CO et dont la cathode est connectée à une cellule de filtrage constituée d'un condensateur C1 et d'une résistance R3 connectés en parallèle entre la cathode de la diode D1 et le potentiel de référence, la terre par exemple. Le circuit de détection et d'amplification DET est constitué d'un amplificateur différentiel AO à grand gain, de l'ordre de 5.104, dont l'entrée inverseuse est connectée à la cathode de la diode D1 et dont l'entrée suiveuse est connectée à la source de tension +Vz. Le circuit de détection et dtamplifica- tion DET comprend également une résistance de charge R4 et une diode D2 connectées en série à la sortie de l'amplificateur AO. L'étage de puissance EPU est constitué d'un transistor TR2 du type NPN dont la base et l'émetteur sont respectivement connectés à la sortie du circuit de détection et dtamplification DET et à la terre. Le collecteur de ce transistor est connecté, d'une part, à la source de tension Va par l'intermédiaire dtune résistance de polarisation R6 de 5 Kn environ, d'autre part, au collecteur du transistor TR1 de l'oscillateur OSC par l'intermédiaire de la résistance de réaction RR de 800 Kn environ. On suppose tout d'abord qu'aucun objet métallique n'est présent dans la zone d'action du détecteur. Le circuit oscillant CO oscille et fournit des oscillations entretenues par le transistor TR1. L'oscillateur OSC fournit donc un signal alternatif Vo d'amplitude constante à l'entrée du circuit de redressement et de filtrage REF. Ce dernier fournit en réponse un signal continu positif Vf, d'amplitude sensiblement égale mais néanmoins toujours supérieure à l'amplitude de la tension dtalimen- tation Vc, à l'entrée inverseuse de l'amplificateur différentiel AO du circuit de détection et d'amplification DET. En réponse, cet amplificateur fournit sur sa sortie un signal continu d'amplitude nulle ou au plus égale à la tension de seuil de la diode D2. Le signal Vd fourni par le circuit de détection et d'amplification DET sur la cathode de cette diode est donc nul. Le transistor TR2 de l'étage de puissance EPU dont l'électrode de base reçoit un signal nul est bloqué et sa tension de collecteur est voisine de la tension d'alimentation +Va. L'amplitude du signal de sortie Vs du détecteur de la figure 3 est donc voisine de +Va. Le courant de collecteur du transistor TR2 étant nul, le signal réinjecté Vr l'est également. Le fonctionnement de ltoseillateur OSC n'est donc pas affecté. Ce dernier fournit un signal de sortie Vo de même amplitude que précédemment et le système est à l'équilibre en position non détection. On suppose maintenant qu'un objet métallique pénètre dans la zone d'action du détecteur, ctest-à-dire au voisinage de la self L du circuit CO. Le champ magnétique créé autour du circuit oscillant induit des courants de Foucault dans cet objet. I1 en résulte une augmentation des pertes, dans le circuit oscillant, d'abord compensées par le transistor TR1. Au fur et à mesure que objet métallique se rapproche de la self L, ces pertes augmentent et cessent terre compensées lorsque la distance séparant cet objet de la self correspond à la distance de détection. L'amplitude du signal de sortie Vo de l'oscillateur OSC commence à diminuer. I1 est par conséquent de meme de l'amplitude du signal Vf du circuit de redressement et de filtrage REF qui devient inférieure à l'amplitude de la tension Ve. L'amplificateur différentiel à grand gain AO, dès que son entrée suiveuse a un niveau supérieur à l'amplitude du signal Vf fourni sur son entrée inverseuse, atteint très rapidement la saturation et fournit un signal de sortie éereté positif. Ce signal est fourni sur la base du transistor TR2 de l'étage de puissance EPU. Ce transistor se sature. Sa tension de collecteur devient alors voisine de sa tension d'émetteur, nulle selon exemple choisi. L'amplitude du signal de sortie Vs du détecteur devient donc nulle. Le collecteur du transistor TR2 étant pratiquement au potentiel de référence la résistance RR doit autre considérée comme connectée en parallèle aux bornes de la résistance R2. I1 en résulte une diminution de lténergie d'alimentation en courant continu de l'oscillateur OSC donc une diminution de l'amplitude du signal de sortie Vo de cet oscillateur. Cette diminution est sans effet sur l'amplitude du signal de sortie Vd du circuit de détection et d'amplification DET dont l'amplificateur AO a atteint la saturation. Le transistor TR2 de étage de puissance EPU est maintenu en état de saturation et l'amplitude du signal de sortie Vs du détecteur est donc maintenue à zéro.Le système est en équilibre en position détection, l'oscillateur OSC étant verrouillé. Ce verrouillage est tel que des parasites éventuels sont sans effet. Ainsi, le détecteur de la figure 3 fournit un signal de sortie Vs dont l'amplitude peut prendre soit la valeur +Va (absence dtobjet métallique dans la zone d'action), soit la valeur zéro (présence dlau moins un objet dans la zone d'action à une distance au plus égale à la distance de détection), le passage d'une valeur à l'autre étant substantiellement accéléré par la réinjection d'une partie de ce signal de sortie à l'entrée de l'oscillateur. I1 en résulte une augmentation de la précision du détecteur qui peut atteindre le millième de la distance de détection (îo /um pour une distance nominale de détection de 10 mm). L'expérience montre que la distance de détection varie avec la nature de objet métallique, en particulier avec sa conductivité et sa perméabilité magnétique, mais quelle est remarquablement constante, toutes choses égales par ailleurs. REVENDICATIONS 1. Détecteur magnétique de proximité d'objets métalliques caractérisé par le fait qu'il comprend un oscillateur possédant notamment une entrée de commande et un circuit oscillant à bobinage et qui fournit un signal alternatif, un circuit de redressement et de filtrage recevant ledit signal alternatif pour fournir un signal continu, un circuit de détection et d'amplification qui reçoit ce signal continu sur une première entrée et un signal de référence sur une deuxième entrée et qui fournit un signal de détection dont est dérivé un signal de sortie à deux niveaux, et un circuit de réaction recevant ce signal de sortie pour fournir un signal de réaction sur l'entrée de commande dudit oscillateur, ces circuits étant arrangés de telle façon quten l'absence dtobjet métallique au voisinage dudit bobinage le détecteur fournit un signal de sortie d'un premier niveau et de telle façon quten présence d'un objet métallique au voisinage du bobinage l1oscilla- teur fournit un signal alternatif tel que le signal de sortie passe à un deuxième niveau tel que le signal de réaction renforce effet produit sur 1'oscillateur par l'objet métallique. 2. Détecteur magnétique de proximité tel que défini en i, caractérisé par le fait que l'oscillateur est du type Hartley. 3. Détecteur magnétique de proximité tel que défini en 1, caractérisé par le fait que le circuit de détection et d'amplification est un amplificateur différentiel. 4. Détecteur magnétique de proximité tel que défini en 1, caractérisé par le fait qutil comprend en outre un étage de puissance connecté entre le circuit de détection et dtamplification et le circuit de réaction. 5. Détecteur magnétique de proximité tel que défini en 4, caractérisé par le fait que l'étage de puissance est un transistor du type NPN connecté en émetteur commun. 6. Détecteur magnétique de proximité tel que défini en 1, caractérisé par le fait que le bobinage est placé dans un demi-pot de ferrite.