Brevet FR2287047A1 — publié le 19760430

La présente invention se rapporte à un magnétomètre utilisant un élément de détection orthogonal à film mince pour détecter et mesurer la grandeur et le signe d'un champ magnétique externe. Les magnétomètres orthogonaux classiques utilisent une matière magnétique en vrac comme élément de détection, de sorte que des moyens sont nécessaires pour augmenter la fréquence d'excitation afin d'améliorer la réponse en fréquence et la sensibilité, atou il résulte un accroissement des pertes par courants de Foucault. Pour résoudre ce problème, il a été proposé d'utiliser la matière magnétique sous la forme d'une couche isolée et stratifiée. Toutefois, dans ces matières magnétiques, la vitesse d'inversion des domaines magnétiques est très lente, de sorte que la fréquence d'excitation est limitée entre plusieurs dizaines de hertz et plusieurs dizaines de kilohertz. Le but de la présente invention est d'éliminer les incon ients ci-dessus et les limitations inhérentes aux dispositifs classiques en adoptant un mode d'excitation permettant une rotation rapide des domaines ragnétiques et, partant, une vitesse de cornutation très élevée. Un autre but de l'invention est de fournir un magnétomè- tre a film mince petit et léger comportant une bobine de détection et un fil plaqué ayant une anisotropie uniaxiale. Le magnétornètre film mince conforme la présente inven ticn comprend une source électrique produisant un courant d'excitation sinusoïdal, un élément de détection orthogonal, un circuit de détection de différence d'amplitudes pour détecter la différence entre les tensions de pointe positives et négatives, un circuit de rétroaction, des moyens de commande pour rétroappli quer les signaux de sortie du circuit de détection à a t bobine de détection et un indicateur pour afficher le champ magnétique détecté. La grandeur et le signe de ce champ magnétique sont détectés à partir du courant de rétroaction. Ce courant de rétro action annule aussi le champ magnétique externe appliqué àl'élE- ment de détection. 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 montre le déplacement du vecteur magnétique relatif à un domaine d'un film magnétique mince; - la Fig. 2 est un graphique expliquant la relation entre le comportant du vecteur magnétique et l'allure de la tension de sortie instantanée d'un élément de détection; - la Fig. 3a montre l'allure de la tension de sortie instantanée de l'élément de détection quand un champ magnétique externe positif est appliqué à un domaine de celui-ci; - la Fig. 3b montre l'allure de la tension de sortie instantanée de l'élément de détection quand un champ magnétique externe négatif est appliqué à un domaine de celui-ci;; - la Fig. 4a montre le comportement du vecteur magnétique d'un film mince ayant plusieurs domaines dans le cas de Hy=O; - la Fig. 4b montre le comportement du vecteur magnétique d'un film mince ayant plusieurs domaines dans le cas de Hy > O; - la Fig. 5 est une vue en perspective d'un élément de détection orthogonal utilisé dans le magnéòmètre de l'invention; - les Fig. 6a à 6f sont des graphiques montrant la tension de sortie correspondant au champ magnétique externe et au courant d'excitation; - la Fig. 7 est un graphique montrant la relation entre la valeur de crête de la tension de sortie et le champ magnétique externe; - la Fig. 8 est un schéma par blocs montrant le montage d'un magnétomètre à film mince conforme à la présente invention; - la Fig. 9 est un schéma par blocs d'un second mode de réalisation du magnétomètre de l'invention;; - la Fig. 10 est un schéma par blocs illustrant un troi sième exemple de réalisation du magnétomètre à film mince conforme à la présente invention; - les Fig. lia et llb sont des vues schématiques en éléva- tion montrant la structure de deux éléments de détection orthogonaux differents destinés à être utilisés dans le magnétomètre de l'invention; - les Fig. 12a et 12b sont des vues en élévation analogues montrant la construction de deux éléments de détection orthogonaux utilisant une matière magnétique pour guider le flux magnétique externe; et, - la Fig. 13 est une vue en élévation montrant la construction d'un autre élément de détection orthogonal permettant une mesure tridimensionnelle du champ magnétique externe. Le magnétomètre conforme à l'invention utilise un mince film magnétique, de sorte que ses pertes par courants de Foucault sont inférieures à celles d'une matière magnétique en vrac. Dans l'invention, la vitesse d'inversion de la magnétisation est plus que ralentie dans la première alternance que dans la seconde. I1 en résulte une différence entre l'amplitude de la crête positive et celle de la crête négative de la tension de sortie alternative engendrée. La valeur de la différence de ces tensions de crête et son signe correspondent à l'intensité d'un champ magnétique interne et à sa polarité. De ce fait, dans l'invention, il est possible de mesurer un champ magnétique externe au moyen d'une différence d'amplitudes de la tension de sortie. L'invention utilise l'inversion du sens du flux de certains domaines pour obtenir une tension de sortie asymétrique et pour augmenter la réponse en fréquence.Pour atteindre les objectifs ci-dessus, on utilise un champ magnétique d'excitation sinusoIdale dont la valeur maximale est plus grande que la force coercitive du film ma gnétique. Le mince film magnétique utilisé dans l'invention com- prend un certain nombre de domaines magnétiques, de sorte que l'axe de magnétisation aisée de chaque domaine est dispersé sur une étendue de plusieurs degrés autour de l'axe de magnétisation aisée moyen (EA).En conséquence, l'amplitude de la tension de sortie peut être déterminée par la différence entre le nombre des domaines magnétiques dont la direction de magnétisation a tourne dans le sens des aiguilles d'une montre et celui des domaines ma gnétiques dont la magnétisation a tourné dans le sens qppos6. Le magnétomètre selon l'invention qui utilise positivemet ce phéno- mène est pourvu d'un moyen pour effacer le champ magEtique-ex- terne ajouté sur le film magnétique afin d'éviter que tous les domaines magnétiques ne tournent pas dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens oppose. Dans la présente invention, le film magnétique mince représente un circuit magnétique fermé pour le champ d'excitation afin d'assurer une action d'excitation efficace de celui-ci. La Fig. l montre le comportement d'un film magnétique mince ayant un seul domaine magnétique, quand on lui applique un champ magnétique externe Hy ( > 0). On voit que le passage de l'alternance positive à l'alternance négative du champ magnétique d'excitation sinusoïdal fait passer la direction de magnétisation M de positive à négative. On suppose que EA est l'axe magnétique aisé et que HA est l'axe magnétique dur. La Fig. 2 montre l'allure de la tension de sortie es obtenue en détectant une variation de la direction du flux vers l'axe magnétique dur, comme le montre la Fig. 1. Si l'on classe le comportement magnétique par l'intensité du champ magnétique d'excitation H celui-ci devient un comportement statique. Plus précisément, la vitesse de rotation de la magnétisation dans l'état II du comportement dynamique de M est plus lente que sa vitesse de rotation dans l'état III. Ceci est dû au fait que la valeur absolue de l'amplitude du champ d'excitation Hx augmente à tout instant. Cette particularité est utilisée par l'invention. Les Fig. 3a et 3b montrent la relation entre le champ ma gnétique d'excitation H et la tension de sortie e5 pour les va x leurs positives et négatives du champ magnétique externe. On voit que l'inversion du flux du domaine magnétique unique fait tourner l'axe de magnétisation M dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens contraire. De ce fait, on ne constate aucun changement de la valeur de crête de la tension de sortie en fonction de l1intensité du champ magnétique exne Hy et même si Hy=O, la tension es ne devient pas nulle, mais conserve une valeur de pointe constante, de sorte qu'on détermine simplement la polarité du champ magnétique par un changement de la phase de la tension de sortie es .Par contre, dans l'invention, la valeur de crête de la tension de sortie est proportionnelle à l'intensité du champ magnétique externe Hy (- O)et on utilise un film mince produit par électrodéposition ou plaqué ayant de multiples domaines magnétiques pour détecter la différence d'amplitudes. Les Fig. 4a et 4b montrent le comportement de la magnétisation M dans un film magnétique mince ayant des domaines multiples. En l'absence de tout champ magnétique externe Hy (Fig. 4a), l'axe magnétique M est dispersé sur une étendue de plusieurs degrés autour de l'axe magnétique aisé moyen EA. Cette dispersion peut être considérée comme régie par la loi de Gauss,5 cause de la structure des domaines magnétiques. En conséquence, la direction de rotation de chaque axe magnétique M s'effectue soit dans la direction des aiguilles d'une montre, soit dans la direction contraire,et le nombre des domaines magnétiques tournant dans chaque direction devient égal. Il en résulte, à la différence du cas représenté sur la Fig. 1, que la tension de sortie induite dans l'enroulement destiné à détecter les variations de flux en direction de l'axe magnétique dur HA devient nulle.En d'autres termes, dans le cas d'un champ magnétique externe Hy? > O (Fig. 4b), le nombre des domaines magnétiques dont l'axe tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre pendant l'alternance négative du champ d'excitation devient superieur a celui des domaines magnétiques dont le vecteur tourne dans le sens des aiguilles, et on peut observer une tension de sortie correspondante. La Fig. 5 montre le principe de la construction d'un élé- ment de détection orthogonal utilisant un film magnétique mince conforme l'intervention. On voit qu'un courant sinusoïdal d'excitation i est appliqué aux deux bornes 1 et 2 d'un fil magnétique p ou plaque 3 afin d'engendrer un champ magnétique d'excitation. Le fil plaqué 3 est constitué par un film magnétique mince 5 (d'en- viro 1 micron d'épaisseur) ayant une anisotropie triaxiale dans le sens circonferentiel, applique par électrodéposition sur un noyau conducteur 4. Le film magnétique 5 est fait d'une matière magnétique à haute perméabilité.Un enroulemert de détection 7 entoure le fil plaqué 3 et ses deux extrémités sont reliées aux bornes de sortie lu et 11. Les Fig. 6a à 6f montrent l'allure des tensions de sortie eout que 1'cn observe quand on fait circuler un courant de lMHz entre les bornes 1 et- 2 de l'élément de détection de la Fig. 5. On ccnçoit que la tension de sortie eout augmente en même temps que l'amplitude du champ magnétique externe Hy. De plus, il est également clair que la tension de sortie wOut peut présenter une allure asymétrique. La Fig. 7 montre les valeurs réellement mesurées de chaque pointe et les différences des amplitudes des pointes de la tension de sortie de l'élément de détection de la Fig. 5. Même si l'on mesure le champ magnétique externe à partir de l'amplitude de cette tension de sortie, et si l'on utilise-un dispositif de détection commun- (par exemple, un redresseur demi-onde), on obtient simplement la courbe formée par les valeurs de crête posi tives continues que montre la figure, de sorte qu'il est impossible de déterminer la polarité du champ magnétique externe et même si la valeur absolue de ce champ magnétique externe est la même, la valeur indiquée de la tension de sortie détectée devient différente à cause de la polarité du champ magnétique externe. De plus, en procédant à un redressement pleine onde ou des deux alternances de la tension de sortie, on ne peut également pas déterminer la polarité du champ magnétique externe. Par contre, dans l'invention, on détecte la différence entre les valeurs de crete positives et négatives de la tension de sortie eout et on détermine l'intensité et la polarité du champ magnétique externe par la valeur de la tension de différence résultante et de son signe. La Fig, 8 montre le schéma de principe d'un montage conforme à l'invention. En se référant à cette Fig. 8, on voit un générateur de tension sinusoidale destiné à exciter le film magnétique mince 5 et qui comprend un oscillateur et un amplificateur. La référence 16 désigne un élément de détection magnétique conforme a l'invention, tel que celui représenté sur la Fig. 5.Quand le courant d'excitation sinusoïdal est applique aux bornes 1 et 2, on observe entre les bornes de sortie 10 et 11 une tension de sortie eout - En modulant en amplitude la tension de sortie eout au moyen d'un champ magnétique externe 22, une tension de différence d'amplitu- des de eout peut être developpée. La référence 17 désigne un détecteur de différence d'amplitudes qui se compose principalement de diodes et d'un circuit de filtrage. La grandeur de la tension de sortie du détecteur 17 et son signe correspondent à l'intensité du champ magnétique externe 22 et à sa polarité. Toutefois, comme il ressort de la Fig. 7, quand le champ magnétique externe Hy devient supérieur à environ 0,40e, on ne constate plus de variation de l'amplitude de la tension de sortie e out et, de ce fait, le champ magnétique externe ne peut pas être mesuré. Ceci est du à ce que chaque domaine magnétique du film mince 5 tourne dans la même direction. En conséquence, en superposant un champ magnétique pour effacer le champ magnétique externe Hy et dont la direction est entièrement différente de celle de ce champ magnétique Hy sur le mince film magnétique 5, la plage de mesures du champ magnétique peut etre étendue. La référence 18 désigne un dispositif de commande permettant d'atteindre ce but et qui comprend un amplificateur et une résistance de contre-réaction 8. La référence 21 désigne le conducteur complétant le circuit de contre-réaction. Le courant d'effacement qui traverse la résistance de contre-réaction 8 est appliqué à la borne 10 de l'enroulement de détection 7 et circule vers la borne 11 qui est reliée à la masse. Ainsi, le courant circulant dans l'enroulement de détection 7 engendre un champ magnétique d'effacement qui annule le champ ma gnétique externe appliqué au film magnétique mince 5. Ainsi, l'in tensité et le signe du champ magnétique externe peuvent être déterminés par la grandeur et la polarité du courant d'effacement et la plage de mesures du champ magnétique est considérablement étendue. La référence 19 désigne un dispositif indicateur comprenant essentiellement un filtre et un ampèremetre. La référence 20 désigne une source à courant continu variable pour annuler le champ magnétique externe 22. Cette source de courant continu 20 peut être utilisée pour la détection d'un champ micromagnétique superposé sur le puissant champ magnétique externe 22. Le mode de réalisation représenté sur la Fig. 9 est adapté pour les cas ot le champ magnétique externe 22 est un champ alternatif.La référence 23 désigne un amplificateur qui a pour fonction d'amplifier une composante alternative en fixant une-pha- se. De ce fait, le champ magnétique alternatif peut être détecté avec une grande sensibilité. La Fig. 10 montre un mode de réalisation comportant plusieurs enroulements de détection 7, tels que celui de la Fig.5, entourant un seul fil plaqué. I1 convient pour mesurer des champs magnétiques locaux ou partiels.De plus, en alignant plusieurs éléments de détection suivant le plan X-Y, on peut mesurer la distribution magnétique dans ce plan X-Y. Les modes de réalisation des Fig. lia et llb se rapportent à des éléments de détection différentiels permettant d'annuler des champs magnétiques externes uniformes et de détecter seulement les champs magnétiques externes perturbés localement. La Fig. lia représente un mode de réalisaticr n'utilisant qu'un seul fil plaqué, tandis que sur la Fig. Ilb deux fils plaqués sont utilisés. Les Fig. 12a et 12b se rapportent à des modes de realisa- tion permettant de mesurer un champ magnétique externe dans un étroit espace 24. La référence 25 désigne une matière magnétique à haute perméabilité pour induire un flux autour de l'espace 24 afin de détecter le champ magnétique dans cet espace au moyen d'un élé- ment de détection orthogonal. Cet élément de détection est adapté à lire des caractères imprimés avec une encre magnétique, à contrôler la qualité des matériaux, etc. Le mode de réalisation représenté sur la Fig. 12a est susceptible de détecter les champs magnétiques parasites, de sorte qu'il peut être nécessaire de l'enfermer dans un blindage. La Fig. 12b montre une variante de réalisation du dispositif de la Fig. 12a, qui se présente sous la forme d'un élément de détection différentiel conçu pour ne pas détecter les champs magnétiques externes uniformes qui ne sont pas appliqués à l'espace 24. La Fig. 13 montre un mode de réalisation comportant trois éléments de détection disposés suivant trois axes x, y et z afin de mesurer trois composantes du champ magnétique. I1 est à noter que les bornes 10 et 11 des éléments de détection des Fig. lia à 13 sont reliées au circuit de détection 17. REVENDICATIONS 1. Magnétomètre à film mince utilisant un mécanisme de rotaion du vecteur magnétique comprenant un élément de détection orthogonal qui comprend un fil plaqué pourvu d'un mince film ferromagnétique entouré d'une bobine de détection, ce fil plaqué et cette bobine formant un élément de détection magnétique ayant une entrée et une sortie; une source électrique alternative d'excita ticn couplée a l'entrée dudit élément de détection magnétique pour exciter le mince film ferromagnétique de celui-ci; un circuit de détection de différence d'amplitudes couplé à la sortie dudit élément de détection pour détecter la différence entre les pointes de tension positives et négatives et pour produire un signal de sortie indiquant cette difference; un circuit de rétroaction ayant deux extrémités; des moyens de commande connectées pour rétroappli qutr le signal de sortie dudit circuit de détection à ladite bobine de détection travers ledit circuit de rétroaction, et dont l'une des extrémités est couplée à ladite bobine de détection, tandis que autre est couplée auxdits moyens de commande; et, un ir- dicateur couplé maudits moyens de commande et produisant une indication concernant le champ uétique détecter, ce qui fait que la grandeur et le signe du champ magnétique externe sont détectés à partir d'un courant de rétroaction qui annule le champ magnétique externe appliqué audit élément de détection. 2. Magnetomètre selon la revendication 1,caractérisé en ce que, pour mesurer un champ micromagnétique superposé sur un champ ma gnétique externe, une source électrique à courant continu destinée à engendrer un champ magnéticue pour annuler le champ magnétique externe qui est inutile pour la mesure est reliée à l'élément de détection orthogonal. 3. Magnétomètre selon la revendication l,caractérisé en ce que l'indicateur est constitué par un amplificateur fixé en phase associé à un ampèremètre. 4. Magnétomètre selon la revendication 1,caractérisé en ce que l'enroulement de détection de l'élément de détection orthogonal comprend plusieurs bobines entourant un seul fil magnétique plaqué à différentes positions, et en ce que des circuits de traitement de signaux sont reliés à chacune de ces bobines, de manière à former un circuit à plusieurs flux. 5. Magnétomètre selon la revendication 1 caractérisé en ce que les bobines de l'élément de détection orthogonal sont bobinées différentiellement sur le fil plaqué. 6. Magnétomètre selon la revendication 1,caractérisé en ce que les bobines de l'élément de détection orthogonal sont bobinées différentiellement sur deux fils magnétiques plaqués afin d'uniformiser le champ magnétique externe. 7. Magnétométre selon la revendication 3,caractérisé en ce qu'on ajoute à l'élément de détection orthogonal une matière ma gnétique pour y induire un flux magnétique. 8. Magnétomètre selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on ajoute à l'une des bobines de l'élément de détection orthogonal une matière magnétique pour y induire un flux magnétique. 9. Magnétomètre selon la revendication 1,caractérisé en ce qu'il comprend trois éléments de détection orthogonaux qui sont -arrangés orthogonalement entre eux afin de mesurer le champ magnétique suivant trois directions.