Brevet FR2463415A1 — publié le 19810220

La présente invention a trait à un dispositif de mesure eosnportant un pont capacitif et permettant d'obtenir une tension fonction des variations que subissent les capacités des condensateurs du pont capacitif. La tension de sortie ainsi obtenue peut être utilisée pour commander la position d'un organe mobile en fonction de 1 l'information, qui correspond à la variation des capacités du pont capacitif. On sait qu'il peut être nécessaire de repérer la position d'un premier organe vis à vis d'un deuxième organe pour commander certaines seiitudes en fonction de la position relative des deux organes précités. C'est le cas, en particulier, lorsque l'on désire commander la position des projecteurs d'un véhicule automobile par rapport à la carrosserie en fonction de la position relative de la masse suspendue par rapport aux organes de roulement du véhicule. Le repérage de la position des deux organes à mouvement relatif peut s'effectuer avantageusement au moyen d'un capteur susceptible d'émettre un signal électrique fonction de la position relative des deux organes précités.Dans la demande de brevet français 79-12000 déposée le 11 mai 1979, on a déjà décrit un capteur de position angulaire de type capacitif, qui peut entre soumis aux variations de la position relative de la masse suspendue par rapport aux organes de roulement du véhicule et qui peut fournir une tension permettant la commande de la position des projecteurs dudit véhicule automobile. le capteur capacitif décrit est constitue d'un pont capacitif formé de deux condensateurs qui varient simultanément et en sens inverse; le capteur comporte un rotor et un stator et la tension de sortie est proportionnelle à l'angle de rotation du rotor par rapport au stator. La mise en oeuvre d'un pont capacitif nécessite, bien entendu, que ledit pont soit alimenté par un générateur de tension alternative et que la sortie du pont soit mesure par un circuit de détection approprie. Etant donnd que la sortie du pont capacitif est nécessairement une sortie alternative et que l'on désire, pour assurer la commande à laquelle le capteur est associé, disposer d'une tension continue, il convient d'utiliser un circuit de détection susceptible de transformer la tension alternative en une tension continue proportionnelle à l'amplitude du signal alternatif fourni par le pont capacitif. D'autre part, on cherche à réduire au maximum le prix de revient du dispositif de mesure, ce qui implique que le générateur de tension alternative que lton met en oeuvre soit un générateur peu comateux. Les dispositifs de mesure incluant des capteurs comportant un pont capacitif, qui sont décrits dans l'état de la technique, par exemple dans le brevet français 1 341 664 et ses certificats d'addition n 87 459 et 87 963, présentent à la fois l'inconvénient d'avoir un prix de revient élevé et de fournir une réponse qui n'est pas indépendante de la température, La présente invention a pour but de décrire un dispositif de mesure mettant en oeuvre un pont capacitif, ce dispositif étant d'un prix de revient peu élevé et fournissant une réponse, qui peut être aisément rendue indépendante de la température.Selon l'invention, on utilise comme générateur de tension alternative un générateur à relaxation, qui fournit une tension en créneaux, dont le rapport cyclique (c'est-à-dire le rapport du temps de conduction vis à vis de la période) est ----------- fonction des composants qui le constituent. I1 est connu que la réalisation de tels générateurs à relaxation est peu onéreuse dans la mesure où l'on peut utiliser des composants, et en particulier des résistances, de fabrication courante c'est--dire ayant une relativement large tolérance quant à la valeur de leurs caractéristiques électriques. Pour la réalisation d'un générateur à relaxation économique, on est donc conduit à utiliser des résistances ayant des tolérances d'environ 5 % de leur valeur ohmique.Il en résulte que les générateurs à relaxation de ce type peuvent présenter, dans une même surie en cours de fabrication, des rapports cycliques différents, Le fait que &commat; le rapport cyclique de la tension alternative, qui alimente le pont capacitif et qui se retrouve en sortie dudit pont à un coefficient d'amplitudeprés, puisse varier, peut avoir une influence non négligeable sur le résultat de la mesure obtenue, suivant le circuit de détection utilisé. En effet, ce signal étant un signal alternatif, il convient dc le transformer en un signal continu proportionnel à la valeur des amplitudes du signal alternatif. Pour ce faire, la solution la plus simple et la plus économique est d'utiliser un détecteur de crêtes.Ce détecteur de crêtes repère la valeur maximum atteinte par la tension fournie par le pont capacitif, ce repérage é tant effectué par rapport au potentiel de masse Or, pour un signal périodique en créneaux d'amplitude prédéterminée, Si l'on fait varier le rapport cyclique, on fait varier la valeur de la tension moyenne par rapport aux deux tensions extrêmes des créneaux.On sait, d'autre part, que la tension du signal délivr@ à la sortie du pont capacitif, moyenne s'autocentre sur le potentiel de masse : si l'on repère alors les crêtes positives par rapport à la masse, le repérage se trouve obligatoirement fonction du rapport cyclique. I1 se présente donc une difficult4, si lton désire à la fois utiliser un générateur à relaxation de construction économique et un détecteur de crêtes constituant le circuit de détection associé au pont capacitif. Selon l'invention, on a résolu le problème ci-dessus exposé en disposant une diode D1 entre la sortie du pont capacitif et celle des bornes d'alimentation dudit point, qui sert de référence de tension c'est-à-dire qui se trouve à la masse, ladite diode D1 étant passante vers la sortie du pont. En l'absence de cette diode D1, les créneaux de tension, qui sortaient du pont capacitif, avaient une valeur moyenne autocentrée sur le potentiel de masse pris comme zéro et par conséquent, les créneaux comportaient des crêtes de tension négatives et des crêtes de tension positives; le détecteur de crêtes repérait les crêtes positives par rapport à la masse, donc par rapport à la valeur moyenne du signal en créneaux.La présence de la diode D1 permet d'éviter l'autocentrage de la valeur moyenne, du signal en cré sensiblement neaux sur le potentiel de masse et amène sur le potentiel de masse les extrémités basses des créneaux du signal. De la sorte, le repérage du détecteur de crêtes s'effectue non plus entre la valeur moyenne du signal et les crêtes positives mais entre les extrémités basses du signal et les crêtes positives ce qui permet de s'affranchir complètement de la position de la valeur moyenne de la tension par rapport aux tensions extrêmes du signal en créneaux. De plus, en l'absence de la diode D1, le détecteur de crêtes mesure une tension comprise entre la valeur mpyenne de la tension en créneaux et les crêtes positives c'est-à-dire une tension correspondant approximativement à la moitié de l'amplicude du signal en créneaux si l'on suppose que le rapport cyclique est approximativement égal à 0,5; au contraire en utilisant la diode D1 sus-mentionnée, le repérage du détecteur de crêtes sensiblement s'effectue /sur toute l'amplitude du signal en créncaux puisque l'cxtr-'ité bassc du signal se trouve sensiblement à la masse, cc qui constitue un avantage supplémentaire quant à la précision de la détection En fait, la tension basse du signal en créneaux ne se trouve aJustée sur le potentiel de masse qu'à la chute de tenson pros de la diode D1 utilisée; cet écart n'est pas gênant dans la mesure où il est constant; cependant on sait que la chute de tension dans une diode, qui est approximativement de 0,6 - 0,7 volts, est fonction de façon assez sensible de la température ambiante.Dans ces conditions, la tension obtenue par le détecteur de crêtes va se trouver, pour un mEme signal fourni par le pont capacitif, fonction de la température ambiante, ce qui constitue un nouvel inconvénient. Bien entendu, on a déjà proposé, dans l'état de la technique, des moyes pour compenser les variations de la chute de tension d'une diode en fonction de la température mais, pour une structure particulière du circuit de détection, l'invention propose un moyen particulièrement simple et efficace pour réaliser cette compensation.Ce moyen suppose que le détecteur de crêtes comporte un amplificateur opérationnel, monté en amplificateur à gain unitaire, en amont d'une diode D2, dont la sortie est reliée à la masse par un condensateur et fournit la tension de mesure; l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel est reliée à la tension de mesure par l'interm- diaire d'une diode D3 et l'entrée positive reçoit la tension provenant du pont capacitif; la diode D3, qui est ainsi associée à l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel, introduit sur la tension de cette entre le même décalage que la diode D1 associée à la sortie du pont capacitif.L'amplificateur opérationnel a donc le même décalage de tension sur ses deux entrées et, comme il s'agit d'un amplificateur à gain unitaire, les deux décalages s'annulent, ce qui rend la tension de mesure sensiblement indépendante de la température. On voit donc que l'invention permet d'utiliser un générateur à relaxation économique et un détecteur de crêtes pour exploiter le signal produit par un pont capacitif, en fournissant une tension continue de commande qui ntest pas influencée par les larges tolérances sur les composants entrant dans la constitution du générateur à relaxation non plus que par les variations de la température. La présente invention a, en conséquence, pour objet un dispositif de mesure mettant en oeuvre un pont capacitif, qui comporte au moins deux condensateurs variables disposés en série et alimentés par un générateur de tension alternative, la sortie du pont étant a tension en un point situé entre deux condensateurs dudit pont et étant reliée à un circuit de détection, caractérisé par le fait qu'en premier lieu, le générateur de tension alternative est un générateur à relaxation, qu'en deuxième lieu le circuit de détection est un détecteur de crêtes et qu'en troisième lieu une diode D1 est interposée entre la sortie du pont et celle de ses bornes d'alimentation, qui sert de référence de tension, ladite diode D1 étant passante vers la sortie du pont. Le générateur à relaxation comporte un amplificateur opérationnel monté en comparateur, dont les deux entrées sont reliées à la sortie par des résistances, l'entrée négative étant reliée à la référence de tension par un condensateur et l'entrée positive recevant une tension continue définie par un pont de résistance et positive par rapport à la référence de tension; le détecteur de crêtes comporte un amplificateur opérationnel monté en amplificateur et alimentant une diode D2, dont la sortie est reliée à la référence de tension par un condensateur et fournit la tension de mesure, l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel recevant la tension, qui provient du pont capacitif, et étant reliée à la référence de tension par une résistance d'adaptation, l'entrée négative dudit amplificateur opérationnel étant reliée, d'une part, à la sortie de la diode D2 et, d'autre part, à la masse par une résistance d'adaptation; la liaison entre la sortie de la diode D2 et l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel du détecteur de crêtes s'effectue à travers une diode D3' qui est passante vers ladite entrée négative. Dans le cas où le dispositif selon l'invention est utilisé sur un véhicule automobile, la référence de tension est la masse du véhicule, qui est connecté à la borne néga- tive de la batterie, et l'alimentation positive est fournie par la borne positive de la batterie. Le pont capacitif peut comporter uniquement deux condensateurs variables en série, les variations des capaci- tés de ces deux condensateurs étant liées et s'effectuant en sens inverse; le pont capacitif peut, par exemple, être constitué d'un disque mobile en rotation par rapport à un disque fixe, le disque mobile comportant une pluralité de secteurs électro-conducteurs d'angle Le dispositif de mesure selon l'invention trouve une application particulièrement intéressante pour l'orientation des projecteurs d'éclairage d'un véhicule en fonction de la position de la carrosserie par rapport au chemin de roulement. Dans ce cas, on peut avantageusement prévoir que le pont capacitif a son disque mobile lié aux organes de roulement d'un véhicule automobile et son disque fixe porté par la carrosserie dudit véhicule ou inversement, la tension de mesure fournie par le circuit étant utilisée pour la commande de l'orientation des projecteurs d'éclairage du véhicule. Pour mieux faire comprendre l'objet de l'invention, on va décrire ci-après, à titre d'exemple purement illustratif et non limitatif, un mode de réalisation représenté sur le dessin annexé. Sur ce dessin - la figure unique représente schématiquement un dispositif de mesure selon l'invention. En se référant au dessin, on voit que l'on a dé8i- gné par 1 dans son ensemble un générateur à relaxation, qui est branché entre l'alimentation positive 4 de la batterie d'un véhicule et la masse 5 elle-même connectée à la borne négative de ladite batterie. Le générateur à relaxation 1 alimente un pont capacitif 2, qui comporte deux condensateurs variables 2a, 2b montés en série; les condensateurs 2a et 2b varient en sens inverse l'un de l'autre et ils constituent un capteur capacitif différentiel, qui comporte un rotor manoeuvré par l'axe 2c et un stator.Le rotor est un disque mobile, qui se déplace en vis-d-vis d'un disque fixe constituant le stator, avec interposition entre les deux d'une couche de diélectrique. Pour réaliser un tel capteur capacitif différentiel, on prévoit que le disque mobile est constitué de quatre secteurs électro-conducteurs de 45 chacun et de secteurs isolants de même angle alternés avec les précédents et que le disque fixe est constitué d'un premier ensemble de quatre secteurs électro-conducteurs de 450 et d'un deuxième ensemble de quatre secteurs électro-conducteurs de 45 , les secteurs des deux ensembles étant alternés, les deux ensembles étant isolés l'un de l'autre et constituant chacun avec le disque mobile l'un des condensateurs variables 2a ou 2b, le disque mobile pouvant tourner par rapport au disque fixe d'un angle au plus égal à 45 Un dispositif de ce type a été décrit en détail dans la demande de brevet français 79-12000. La sortie du pont capacitif 2 est prise entre les deux condensateurs 2a et 2b et elle est reliée à un circuit de détection désigné par 3 dans ccn ensable, circuit qui constitue un détecteur de crêtes et qui fournit sur sa borne de sortie 6 une tension continue susceptible d'entre utilisée pour commander l'orientation de ojecteurs d'éclairage d'un véhicule automobile, dont la carrosserie est liée au stator du capteur capacitif susmentionné alors que les organes de roulement sont liés au rotor dudit capteur. Le générateur à relaxation 1 est constitué d'un amplificateur opérationnel 7 monté en comparateur. L'entrée positive de l'amplificateur 7 est reliée au point de jonction de deux résistances 8 et 9 disposées en série entre l'alimen- tation positive 4 et la masse 5; cette entrée positive est également reliée à la sortie de l'amplificateur 7 par l'ln- termédiaire d'une résistance 10. L'entrée négative de l'amplificateur 7 est reliée à la sortie dudit amplificateur par l'intermédiaire d'une résistance 11 et à un condensateur 12, qui est interposé entre ladite entrée négative et la masse 5. Ce générateur a relaxation, de type connu, permet d'obtenir un signal de sortie en créneaux, la tension de la sortie passant de zéro (masse) à + 14 volts (tension de l'alimentation positive 4). Le rapport cyclique, c'est-à-dire le rapport du temps pendant lequel le signal de sortie reste à 14 volts vis-à-vis de la période du signal obtenu, est essentiellement fonction des composants électroniques constituant le générateur à relaxation 1, c'est-à-dire de la valeur des résistances 8, 9, 10, lu, et de la capacité 12. On sait que si l'on veut utiliser des résistances peu onéreuses, il faut se contenter de résistances, dont les valeurs ohmiques effectives se trouvent à plus ou moins 5 7n de la valeur ohmique nomina le. En effet, si la sortie est portée à la tension de référence l'entrée positive 7a de l'amplificateur 7 se trouve à une tension V1, définie par les résistances 8, 9, 10, l'entrée négative 7b de l'amplificateur 7 se trouve à une tension U, qui évolue en fonction de la décharge du condensateur 12 dans la résistance 11. Lorsque la tension U vient à être égale à la tension Vî, la sortie bascule et passe à la tension + 14 volts. Dans ce nouvel état, la tension V de l'entrée 7a a une valeur V2 définie par les résistances 8, 9, 10 (qui est supérieure à V1) et la tension U de l'entrée 7b évolue au cours du temps en fonction de la charge du condensateur 12 à travers la résistance 11. Quand la tension U atteint la valeur V2, la tension de la sortie de l'amplificateur 7 bascule à nouveau. Les temps de charge et de décharge dépendant de la différence de tensions aux bornes de la capacité et cette différence de tensions étant liée soit à V1 et soit à V2, on voit qu'une fluctuation éventuelle des valeurs des résistances 8, 9, 10, 11 influence le rapport cyclique du signal dé livré par le générateur à relaxation. Il est donc clair que si l'on réalise le générateur à relaxation 1 avec des résistances de faible coût, on aura, dans une même fabrication, des générateurs à relaxation ayant des rapports cycliques différents en raison des valeurs différentes des résistances qui les constituent. Or, la valeur du rapport cyclique influe sur la position de la valeur moyenne du signal par rapport aux tensions extrêmes des créneaux. On constate donc que la con8truction économique d'un générateur à relaxation entrasse que l'écart entre la valeur moyenne du signal et la crête positive de ce signal devient aléatoire puisqu'il est fonction du rapport cyclique. Le détecteur 3 est constitué d'un amplificateur opérationnel 16 monté en amplificateur. L'entrée positive 16a de l'amplificateur 16 reçoit le signal émis par le pont capacitif 2 et elle est reliée à la masse par l'intermédiaire d'une résistance d'adaptation 17. L'entrée négative 16b de l'amplificateur 16 est reliée à la masse par l'intermédiaire de la résistance d'adaptation 18. Sur la sortie de l'amplifi cateur 16, on a disposé une diode D2 désignée par la référence 19, dont la sortie est reliée à la masse par un condensateur 20 et fournit la tension de mesure que l'on obtient par le détecteur de crêtes. La sortie de la diode 19 est renvoyée sur l'entrée négative 16b par l'intermédiaire d'une diode D3 désignée par la référence 21. Dans le dispositif de mesure selon l'invention, la sortie du pont capacitif 2 est reliée à la masse par un diode D1 désignée par la référence 22, diode qui est passante de la masse vers la sortie du pont capacitif 2. La présence de cette diode 22 permet d'amener le niveau bas du signal de sortie en créneaux à être égal, à la chute de tension près dans la diode à la tension de référence constituée par la masse. Le signal de sortie fourni par le pont capacitif 2 est le même, à un coefficient de proportionnalité près, que le signal de sortie fourni par le générateur à relaxation l, le détecteur de crêtes 3 repère, par rapport à la masse, le niveau positif maximum des créneaux du signal qu'il reçoit.Si la diode 22 n'avait pas été mise en place, la valeur moyenne de la tension du signal en créneaux fournie par le pont capacitif 2 aurait été autocentrée sur la tension de la masse, de sorte que le détecteur de crêtes aurait détecté l'écart entre cette valeur moyenne et le niveau haut des c@ créneaux. Or, on a vu que cet écart est essentiellement fonction du rapport cyclique du signal fourni par le générateur à relaxation l. La sortie du détecteur de crêtes 3 aurait donc été fonction des caractéristiques constructives de l'appareil et aurait été différente d'un dispositif à l'autre pour une même indication du pont capacitif 2 et, par conséquent, pour une même position angu- faire de l'axe 2c du rotor du capteur capacitif correspondant. Au contraire, la présence de la diode 22 permet d'éviter cet inconvénient car le niveau bas du signal en créneaux, fourni par le capteur capacitif 2, est amene à la tension de la ma@se, de sorte que le détecteur 3 repère toute l'amplitude du signal en créneaux entre son niveau bas et son niveau haut. On obtient ainsi simultanément deux avantages - En premier lieu, la tension de sortie n'est plus fonction du rapport cyclique du générateur à relaxation et, - en second lieu, la mesure du détecteur s'effectue sur la totalité de l'amplitude du signal au lieu de s'effectuer sur à peu prè8 la moitie de cette amplitude. Comme on l'a précédeninent indiqué, la présence de la diode 22 amène le niveau bas du signal fourni par le pont capacitif 2 à être égal à la tension de la masse, à la chute de tension dans la diode 22 près. Il est connu que cette chute de tension est fonction la température. Le signal qui alimente le détecteur 3 est donc fonction de la température et le résultat de la mesure également. Pour éviter cet inconvénient, on a inséré dans la boucle de contre-réaction de l'amplificateur 16 la diode 21. L'amplificateur 16 est, en fait, un amplificateur à gain unitaire et la présence de la diode 21 entrain sur son entrée négative 16b une chute de tension égale à la chute qui se produit dans la diode 21.On a donc sur l'entrée négative 16b la même chute de tension que celle que l'on trouve sur l'entrée positive 16a qui est due au décalage introduit entre la masse et le niveau bas du signal en créneau par la diode 22. Ces deux décalages de tension s'annulent, de sorte que la sortie de l'amplificateur 16 n'est plus fonction de la température et que le détecteur de crêtes constitué par la diode 19 et par le condensateur 20 fournit une tension continue qui, pour une même position du rotor du capteur capacitif 2 est indépendante à la fois de la température et du rapport cyclique du générateur 1. I1 convient de remarquer, en outre, que la présence de la diode 22 permet de protéger l'entrée positive 16a de l'amplificateur 16 qui, en l'absence de cette diode, serait amenée à recevoir des tensions qui sortiraient de sa plage normale de fonctionnement. Il est bien entendu que le mode de réalisation cidessus décrit n'est aucunement limitatif et pourra donner lieu à toutes modifications désirables, sans sortir pour cela du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de mesure mettant en oeuvre un pont capacitif, qui comporte au moins deux condensateurs variables disposés en série et alimentés par un générateur de tension alternative, la sortie du pont étant la tension en un point situé entre deux condensateurs dudit pont et étant reliée à un circuit de détection, caractérisé par le fait qu'en premier lieu, le générateur de tension alternative est un générateur à relaxation, qu'en deuxième lieu, le circuit de détection est un détecteur de crêtes et qu'en troisième lieu, une diode D1 est interposée entre la sortie du pont et celle de ses bornes d'alimentation, qui sert de référence de tension, ladite diode D1 étant passante vers la sortie du pont. 2 - Dispositif selon la revendication l, caractérisé par le fait que le générateur à relaxation comporte un amplificateur opérationnel monté en comparateur, dont les deux entrées sont reliées à sa sortie par des résistances, l'entrée négative étant reliée à la référance de tension par un condensateur et l'entrée positive recevant une tension continue définie par un pont de résistance et positive par rapport à la référence de tension. 3 - Dispositif selon l'une des revendications l ou 2, caractérisé par le fait que le détecteur de crêtes comporte un amplificateur opérationnel monté en amplificateur et alimentant une diode D2, dont la sortie est reliée à la référence de tension par un condensateur et fournit la tension de mesure, l'entrée positive dudit amplificateur recevant la tension qui provient du pont capacitif et étant reliée à la référence de tension par une résistance d'adaptation, 1 l'entrée négative dudit amplificateur étant reliée, d'une part, à la sortie de la diode D2 et, d'au@re part, à la référence de tension par une résistance d'adaptation. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérise par le fait que la liaison entre la sortie de la diode D2 et l'entrée négative de l'amplificateur opérationnel du détec- teur s'effectue à travers une diode D3, qui est passante vers ladite entrée négative. 5 - Dispositif selon une des revenuications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il est utilisé sur un véhicule automobile, la référence de tension étant la masse du véhicule qui est connectée à la borne négative de la batterie et l'alimentation positive étant fournie par la borne positive de la batterie. 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que le pont capacitif comporte uniquement deux condensateurs variables en série, les variations de capacité de ces deux condensateurs étant liées et s'effectuant en sens inverse. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le pont capacitif est constitué d'un disque mobile en rotation par rapport à un disque fixe, le disque mobile comportant une pluralité de secteurs électro conducteurs d'anglet et de secteurs isolants de même angle alternés avec les précédents et le disque fixe étant constitué d'un premier ensemble de secteurs électro-conducteurs d'angleoçet d'un deuxième ensemble de secteurs dlectro-con- ducteurs de même angle, les secteurs des deux ensembles étant alternés, les deux ensembles étant isolés l'un de l'autre et constituant chacun avec le disque mobile un condensateur variable, le disque mobile pouvant tourner par rapport au disque fixe d'un angle au plus égal a à. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé par le fait que le pont capacitif a son disque mobile lié aux organes de roulement d'un véhicule automobile et son disque fixe porté par la carrosserie dudit véhicule ou inversement, et que la tension de mesure fournie par le circuit est utilisée pour la commande de l'orientation des projecteurs d'éclairage dudit véhicule.