Brevet FR2334089A1 — publié le 19770701

La présente invention concerne un dispositif de mesure de déplacement à distance sans contact d'un corps conducteur ou non de l'électricité7 par exemple la mesure de variation de l'épaisseur de matières plastiques ou encore la mesure de vibrations de corps. On connait déjà des capteurs capacitifs susceptibles de mesurer sans contact les déplacements de corps, le fonctionnement de ces capteurs capacitifs étant généralement basé sur la mesure de variation de fréquence due à la variation de capacité de la tête détectrice par rapport au corps considéré. Cependant, ces dispositifs connus sous l'appellation de capteurs capacitifs de déplacement à variation de fréquence, présentent l'inconvénient de délivrer un signal qui ne varie pas linéairement avec la distance, on sait que la capacité dûe à la tête détectrice dépend de la distance entre la tête détectrice et le corps considéré, et on constate qu'un déplacement perpendiculaire de même valeur, soit en augmentant ou en diminuant la distance ne correspond pas à une même variation de signal, la sensibilité étant inversement proportionnelle à la distance, cette non-linéarité est particulièrement génante dans le cas de variations rapides de déplacements, telle que la mesure de vibrations d'un corps.On- constate que des amplitudes symétriques produisent un signal dont les amplitudes sont asymétriques, en outre, le taux de distorsion d'amplitude varie avec la distance du corps au repos. La présente invention a notamment pour but d'éviter 1 'inconvé- nient des dispositifs mentionnés cidessus. Selon l'invention, le dispositif de mesure de déplacement à distance sans contact d'un corps conducteur ou non de l'électricité est remarquable en ce qu' il comporte au moins une tête détectrice capacitive, une diode au silicium à capacité variable, un oscillateur à circuit LC et un convertisseur susceptible de délivrer une tension continue proportionnelle à la fréquence produite par le dit oscillateur à circuit LC. On sait que si l'on polarise en inverse une diode au silicium, la capacité varie essentiellement comme où V est la tension inverse appliquée à la diode. On sait aussi que la capacité d'un condensateur dans l'air varie essentiellement comme : 1/e où e est la distance entre armatures. Par conséquent, si l'on branche en parallèle sur la tête détectrice une diode au silicium l'ensemble constitue une capacité qui varie avec l'entrefer de la tête détectrice et de la tension inverse appliquée à la diode. C'est ainsi que si l'on ajoute cette capacité variable aux bornes de la capacité d'accord d'un circuit oscillateur LC dont la fréquence de résonnance est conforme à la formule : F = dans laquelle L est la self induction et C la capacité d'accord ; Si C est la capacité variable que l'on ajoute en parallèle sur c la fréquence d'accord est modifiée et devient On peut donc en mesurant la fréquence, ou plus simplement en utilisant un convertisseur qui peut être un discriminateur de fréquence obtenir une tension continue proportionnelle a la fréquence qui lui est appliquée.Par suite, la tension délivrée par le convertisseur varie notamment avec la capacité variable d'une part par la tête détectrice capacitive formant un condensateur a air a entrefer variable, et d'autre part la diode au silicium à capacité variable. Pour que le dispositif selon l'invention délivre une tension continue proportionnelle à la distance, il est indispensable que la diode au silicium branchée en parallele sur la tête détectrice soit polarisée par la tension délivrée par le convertisseur. Dans le cas où la courbe de variation de capacité de la diode au silicium serait insuffisante pour linéariser complètement la tension de sortie du convertisseur, il serait évidemment possible de monter plusieurs diodes au silicium en parallèle ou en série. Dans un mode avantageux de réalisation, la fréquence de l'oscillateur a circuit LC doit être centrée pour une distance de la tête détectrice située à la moitié de la différence entre la distance minimum et la distance maximum, la capacité de la diode au silicium branchée en parallèle sur la tête détectrice est maximum lorsque la tension de polarisation est minimum. De toute façon, l'invention sera bien comprise a l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant a titre d'exemple non limitatif La Figure 1 est un schéma électrique simplifié. La Figure 2 est un graphique. Ce dispositif est constitué par un oscillateur du type CLAPP comprenant un élément actif 1 et un circuit LC constitué par une self induction 2 et une capacité composite formée par le condensateur 3 avec en parallèle le condensateur à air 5 dont la valeur de la capacité dépend de la surface de l'armature de la tête détectrice capacitive située en regard a une distance e0 11 de la surface du corps 6 relié au point commun 8 de l'oscillateur et de la capacité 4 variable avec la tension, en série avec un condensateur 7 dont le rôle est d'isoler l'oscillateur de la composante continue issue du convertisseur 9 dont la tension VO de sortie 10 dépend de la fréquence de I'oscillateurl auquel il est relié.Lorsque la tension 10 est utilisée pour polariser la diode au silicium à variation de capacité 4 on constate que les variations en plus ou moins de la distance e0 11 détermine des variations proportionnelles de la tension de sortie. Le graphique de la figure 2 montre deux courbes de variation de la tension de sortie 10 du convertisseur 9, la courbe 20 représente la varie tion de tension 10. Sur le graphique de la figure 2, on a porté en abscisse la distance e séparant l'armature 5 de la tête détectrice capacitive du corps 6, et en ordonnée la tension 10 obtenue aux bornes du convertisseur 9. Lorsque le corps est au repos à une distance e0 la tension 10 représentée en 19 correspond à VO la courbe 20 donne la variation de tension 10 du dispositif quand la diode au silicium à variation de capacité 4 n'est pas polarisée, on voit que des variations symétriques + e de part et d'autre de la distance eO donnent des variations non symétriques de + V1 de part et d'autre de VO correspondant aux points 17 et 20.Par contre, sur la courbe 21 on voit la linéarisation de la tension obtenue quand la diode au silicium 4 est polarisée par la tension 10, les points 18 et 23 montrent des variations + V2 égales par rapport à VO pour des variations symétriques + e par rapport à la position au repos cO. Les applications de ce dispositif sont nombreuses soit pour les mesures de pression, d'épaisseur, de distance que l'on peut lire directement sur un voltmètre gradué en unités correspondantes, ou bien utiliser la tension obtenue dans des systèmes d'asservissement des paramètres cités cidessus. Une application particulière est celle de la mesure de vibrations de corps, depuis la fréquence zéro jusqu'à des fréquences très élevées sans perturber le régime de vibration puisque sans contact et ceci avec un taux de distorsion d'amplitude négligeable. Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas aux seuls exemples donnés à titre d'illustrations, 1'invention embrasse au contraire, toutes les variantes de réalisations, quelle que soit notamment la façon dont sont réalisés l'amplificateur et le convertisseur, pouvant être des circuits intégrés ; elle sera applicable chaque fois qu'il est intéressant d'obtenir une réponse à une variation de position d'un objet suivant une loi linéaire. REVENDICATIONS - - Dispositif de mesure de déplacement a distance sans contact d'un corps conducteur ou non de l'électricité, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une tête détectrice capacitive, une diode au silicium à capacité variable, un oscillateur à circuit LC et un convertisseur susceptible de délivrer une tension proportionnelle à la fréquence produite par l'oscillateur a circuit LC. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la capacité variable est constituée par la mise en parallèle de la tête détectrice capacitive et au moins une diode au silicium a capacité variable. 3 - Dispositif selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que une partie de la capacité variable est constituée par une ou plusieurs diodes au silicium à variation de capacité misent en parallèle ou en série. 4 - Dispositif selon les revendications 1 a 3 caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur à circuit LC dont la fréquence de résonnance peut varier suivant la valeur de la capacité variable constituée par la tête détectrice capacitive d'une part et d'autre part la capacité des diodes au silicium à capacité variable. 5 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur de fréquence qui peut être un discriminateur de fréquence qui délivre une tension continue proportionnelle à la fréquence qui lui est appliquée. 6 - Dispositif selon les revendications 1 à 5 prises dans leur ensemble, caractérisé en ce que la tension continue délivrée par le convertisseur est utilisée pour polariser les diodes au silicium à variation de capacité. 7 - Dispositif selon les revendications 1 et 6 caractérisé en ce que la tension continue délivrée par le convertisseur varie linéairement avec la distance entre la tête détectrice capacitive et la surface du corps conducteur ou non de l'électricité. 8 - Dispositif selon les revendications 1 a 7 prises dans leur ensemble caractérisé en ce que la mesure de distance peut être faite sur des corps au repos ou à variations lentes, aussi bien qu'à des variations très rapides, telles que des vibrations, l'appareil indicateur de mesure peut être un voltmètre à aiguille, numérique, ou un oscillographe a plume, un oscillographe a rayons cathodiques.