Brevet FR2290653A1 — publié le 19760604

La présente invention, étudiée dans le cadre du Département XII de la Société des Produits Industriels ITT, a pour objet un détecteur capacitif de proximité d'objets de toute nature, c'est-à-dire un système appelé également capteur permettant de détecter la présence d'un objet, métallique ou non, situé à une distance déterminée. Elle est applicable notamment dans les systèmes de comptage ou de positionneoent de pièces à la sortie, par exemple, d'une chatne de fabrication. On connatt des détecteurs magnétiques de proximité d'objets métalliques de différents types. L'un de ceux-ci est décrit dans la demande de brevet français ne 74 34074, déposée le 10 Octobre 1974, au nom de la Société demanderesse pour un 'détecteur magnétique de proximité d'objets nétallique". Ce détecteur comprend notamment un oscillateur, du type Rartley par exemple, fournissant un signal alternatif, de fréquence égale à 500 kHz environ, à un circuit de redressement et de filtrage. En réponse, ce dernier fournit un signal continu à un circuit de détection et d'amplification qui reçoit également un signal de référence. Le circuit de détection et dtamplification fournit un signal de détection dont est dérivé un signal de sortie à deux niveaux. Par l'intermédiaire du circuit de réaction, une partie de ce signal est réinjectée à entrée de ltoscillateur. Ces circuits sont arrangés de telle façon, quten l'absence d'objet métallique au voisinage du bobinage de l'oscillateur, le détecteur fournit un signal de sortie d'un pressier niveau. La réinjection d'une partie de ce signal à l'entrée de l'oscillateur est sans effet sur le fonctionnement de celui-ci.Le champ magnétique créé par le bobinage de l'oscillateur induit des courants de Foucault dans tout objet métallique situé au voisinage de ce bobinage. Il en résulte, notamment, une diminution de l'amplitude des oscillations, consécutive à l'affaiblissement du facteur de qualité du circuit oscillant. Cette diminution d'amplitude est détectée par le circuit de détection et d'amplification qui fournit alors un signal tel que le signal de sortie du détecteur passe à un deuxime niveau. La réinjection d'une partie de ce signal à l'entrée de l'oscillateur renforce l'effet produit sur celui-ci par la présence de l'objet métallique. L'expérience montre que ce type de détecteur est inapte à la détection de la présence d'un objet non métallique. En effet, il n'y a pas dtinduction de courants de Foucault dans un tel objet, donc pas de diminution de l'amplitude des oscillations. La présente invention a donc pour objet un détecteur de proximité d'objets métalliques ou non réalisé à partir du détecteur précédemment cité et dans lequel on assure un découplage alternatif entre le circuit oscillant de l'oscillateur et la masse. Ce circuit oscillant crée alors non seulement un champ magnétique mais également un champ électrique au voisinage du bobinage, c'est-àdire un champ électromagnétique. Le détecteur capacitif de proximité d'objets de toute nature de la presente invention comprend un oscillateur possédant notamment un circuit oscillant à bobinage et fournissant un signal alternatif, wu circuit de redressement et de filtrage recevant ce signal alternatif pour fournir un signal continu, un circuit de détection et d'amplification recevant ce signal continu sur une première entrée et un signal de référence sur une deuxième entrée pour fournir un signal de sortie à deux niveaux et un circuit de découplage constitué d'une self de forte inductance et d'un condensateur de faible capacité connectés en parallèle, ce circuit de découplage étant connecté entre le circuit oscillant et le potentiel de référence. Les différents objets et caractéristiques de l'invention seront maintenant détaillés dans la description qui va suivre, donnée à titre d'exemple non limitatif, en se reportant à la figure annexée qui représente le schéma détaillé d'un exemple de réalisation du détecteur de la présente invention. Sur la figure, l'exemple de réalisation du détecteur de l'invention comprend un oscillateur OSC, un circuit de découplage CD, un circuit de redressement et de filtrage REF, un circuit de détection et d'amplification DEA et un circuit de réaction representé sous la forme d'une résistance RR. L'oscillateur OSC est constitué d'un circuit oscillant comprenant une self L1 et un condensateur Ci connectés en parallèle. Cette self peut être constituée par un bobinage enroulé sur une carcasse placée dans un demi-pot de ferrite. Le champ magnétique créé par la bobine alimentée peut entre représenté par des lignes de force circulant dans la ferrite et se refermant dans l'air. La présence d'un objet métallique à proximité du fond du pot est sans effet. Par contre, si on approche un objet métallique de la partie ouverte du pot, les lignes de force se referment dans cet objet et donnent naissance à des courants de Foucault. L'utilisation d'un demi-pot de ferrite permet ainsi de délimiter une zone à l'intérieur de laquelle la présence d'un objet métallique ne peut être décelée. C'est dans cette zone que l'on disposera les différents circuits composant le détecteur. Conne on le verra par la suite, la meme disposition permettra de créer un champ électromagnétique permettant la détection d'objets non métalliques. L'oscillateur OSC comprend également un transistor TR1 du type NPN dont le collecteur est connecté à une source de tension constante +Vc par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R2 dtimpédance sensiblement égale à 300 n. L'émetteur est connecté à une prise intermédiaire de la self Lt du circuit oscillant. L'électrode de base de TR1 est connectée, d'une part, à la source de tension constante +Vc par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation R1, d'autre part, à l'anode d'une diode Dt. Cette dernière a pour role de compenser les dérives consécutives aux variations des caractéristiques de la jonction base-éretteur du transistor TR1 avec la température. Sn effet, les caractéristiques de la jonction anode-cathode de la diode DI varient dans le mêre sens que celles de la jonction base-émetteur du transistor TRi. Donc toute augrentation, par exemple, de la résistance base-é etteur qui entratnerait une diminution du courant si la base était portée à un potentiel constant est compensée par une augmentation de ce potentiel consécutive à une aug entation de la résistance anodecathode de la diode Dt. Le circuit de découplage CD, connecté entre le circuit oscillant Lt-C1 et le potentiel de référence, la masse par exemple, comprend une self L2 de forte inductance (supérieure à t iH) et un condensateur C2 de faible capacité (200 pF par exemple) connectés en parallèle. Le circuit de redressement et de filtrage RBF est constitué d'une diode D2 dont l'anode est connectée à la cathode de la diode D1 de l'oscillateur OSC et d'une cellule de filtrage constituée d'un condensateur C3 et d'une résistance R3 connectés en parallèle entre la cathode de cette diode et la masse. Le circuit de détection et d'amplification DA est constitué d'un amplificateur différentiel AO à grand gain alimenté entre la masse et la tension +Vc et dont l'entrée inverseuse est connectée à la source de tension constante +Vc, l'entrée suiveuse étant connectée à la cathode de la diode D2 du circuit de redressement et de filtrage REF. La sortie de cet amplificateur est connectée à la sortie S du détecteur. La résistance de réaction RR d'impédance voisine de 120 ko est connectée entre la sortie de l'amplificateur AO et le collecteur du transistor TR1 de l'oscillateur OSC. On suppose tout d'abord qu'aucun objet n'est présent dans la zone d'action du détecteur, ctest-à-dire au voisinage de la self L1. Le circuit oscillant L1-C1 fournit des oscillations entretenues par le transistor TRI. L'oscillateur OSC fournit donc un signal alternatif Vo de fréquence (500 kHz environ) et d'amplitude constantes 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 constante +Vc, à l'entrée suiveuse de l'amplificateur AO du circuit de détection et d'amplification DEA. En réponse, cet amplificateur fournit sur la sortie S un signal Vs écrêté positif d'amplitude voisine de l'amplitude de la tension d'alimentation de l'oscillateur.Ce signal est également fourni à l'extrémité de la résistance de réaction RR, qui doit alors être considérée comme connectée en parallèle aux bornes de la résistance R2 de charge du collecteur du transistor TR1. La valeur de la résistance RR étant en général beaucoup plus grande que la valeur de la résistance R2, cette mise en parallèle ne modifie que très peu la polarisation du collecteur du transistor TR1. Le fonctionnement de ltoscillateur OSC n'est donc pas affecté. Ce dernier fournit un signal de sortie Vo de m8me amplitude que précédemment et le système est à l'équilibre en position non détection". On suppose maintenant qu'un objet, métallique par exemple, pénètre dans la zone d'action du détecteur, c'est-à-dire- au voisinage de la self L1 de l'oscillateur OSC. Le champ magnétique créé autour du circuit oscillant induit des courants de Foucault dans cet objet. Il en résulte une'augmentation des pertes, dans le circuit oscillant, d'abord compensées par le transistor TRI. Au fur et à mesure que l'objet métallique se rapproche de la self Li, ces pertes augmentent et cessent entre 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 dininuer. Il en est par conséquent de mdme de l'amplitude du signal Vf du circuit de redressement et de filtrage REF qui devient inférieure à l'amplitude de la tension +Vc. L'amplificateur différentiel à grand gain AO, des que le signal fourni sur son entrée suiveuse a une amplitude inférieure à l'amplitude du signal +Vc fourni sur son entrée inverseuse, atteint très rapidement la saturation et fournit sur la sortie S un signal Vs nul. L'extrémité de la résistance de réaction RR connectée à la sortie du circuit de détection et d'amplification DEA est donc à la masse. Cette résistance doit donc être maintenant considérée comme connectée en série avec la résistance R2 de polarisation de collecteur entre la tension +Vc et la masse.Une partie du courant précédemment fourni au collecteur du transistor TRI à travers la résistance R2 est donc déviée vers la résistance de réaction RR. il en résulte une diminution de l'énergie d'alimentation en courant continu de ltoscillateur OSC donc un renforcement de l'effet produit par l'objet métallique sur le fonctionnement de cet oscillateur. Le signal de sortie Vs du détecteur est donc maintenu à zéro. Le système est en équilibre en position "détection", l'oscillateur étant verrouillé. Ce verrouillage est tel que des parasites éventuels sont sans effet. On suppose maintenant que, le système étant en équilibre en position "non détection", un objet non métallique pénètre dans la zone d'action du détecteur. Le condensateur C2 à faible capacité et la self L2 à forte inductance assurent un découplage haute fréquence suffisant du circuit L1-C1 par rapport à la masse pour que la self Li crée non seulement un champ magnétique mais également un champ électrique, c'est-à-dire un champ électromagnétique dténergie égale à la somme des énergies des champs électrique et magnétique. En l'absence de tout objet au voisinage de la self L1 une faible partie de ces rayonnements est absorbée par le milieu ambiant. il en résulte des pertes d'énergie du circuit oscillant L1-C1, compensées par le transistor TRI.En présence d'un objet non métallique au voisinage de la self L1, par un phénomène qui peut s'expliquer par une augmentation du couplage avec l'environ nement, ces pertes d'énergie augmentent et ce d'autant plus que objet se rapproche de la self L1. Ces pertes cessent d'être compensées lorsque la distance séparant cet objet de la self correspond à la distance de détection. L'amplitude du signal de sortie Vo de ltoscillateur OSC commence à diminuer. On est alors ramené au fonctionnement précédemment décrit du détecteur- lorsqu'un objet métallique se rapproche de la self L1. Ainsi, le détecteur de la présente invention fournit sur sa sortie S un signal Vs dont l'amplitude peut prendre soit la valeur +Vc (absence d'objet dans la zone d'action), soit la valeur zéro (présence d'un objet, métallique ou non, 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 à l'entrée de l'oscillateur. L'expérience montre que cette distance de détection varie avec la nature de l'objet, en particulier avec sa conductivité, sa perméabilité magnétique et sa constante diélectrique, mais qu'elle est remarquablement constante, toutes choses égales par ailleurs. il est bien évident que la description qui précède n'a été donnée qu'à titre d'exemple non limitatif et que de nombreuses variantes peuvent être envisagées sans sortir pour autant du cadre de l'invention. Les valeurs numériques notamment n'ont été fournies que pour faciliter la compréhension et peuvent varier avec chaque application. REVENDIGATIONS 1. Détecteur capacitif de proximité d'objets de toute nature comprenant un oscillateur possédant notamment un circuit oscillant à bobinage et fournissant un signal alternatif, un circuit de redressement et de filtrage recevant ce signal alternatif pour fournir un signal continu et un circuit de détection et d'asplification recevant ce signal continu sur une première entrée et un signal de référence sur une deuxième entrée pour fournir un signal de sortie à deux niveaux, caractérisé par le fait qutil comprend en outre un circuit de découplage alternatif connecté entre le circuit oscillant et le potentiel de référence. 2. Détecteur capacitif de proximité tel que défini en 1, caractérisé par le fait que le circuit de découplage est constitué d'une self de forte inductance et d'un condensateur de faible capacité connectés en parallèle. 3. Détecteur capacitif de proximité tel que défini en 1, caractérisé par le fait que 1'oacillateur comprend notamment un transistor du type NPN dont ltélectrode de base est connectée, d'une part, à une source d'alimentation par l'intermédiaire d'une résistance de polarisation, d'autre part, à l'anode d'une diode dont la cathode est connectée au circuit oscillant.