Brevet FR2538535A1 — publié le 19840629

t S Ia présente invention concerne la détection avec une résolution élevée de la position d'un élément mobile à mouvement linéaire, et elle porte plus particulièrement sur un dispositif pour détecter avec une résolution élevée la position d'un élément en mouvement rapide, comme une tige d'accord d'un magnétron à agilité de fréquence. Il est fréquemment nécessaire de détecter la po- sition d'un élément se déplaçant rapidement avec un niveau de résolution élevé On trouve un exemple d'une telle exi- gence dans l'accord d'un magnétron à agilité de fréquence. On fait varier rapidement la fréquence de résonance du ma- gnétron en entraînant un plongeur d'accord à une vitesse très élevée Pendant l'entraînement du plongeur d'accord, il est nécessaire de connattre la fréquence de résonance du magnétron avec une résolution élevée En général, le plongeur d'accord a une course totale faible, inférieure de façon caractéristique à environ 25 mm, mais il se déplace très rapidement, de façon caractéristique à environ 0,63 mm/ ms Un système de détection rapide est nécessaire pour dé- tecter la position du plongeur d'accord avec une résolution élevée Par exemple, lorsque la vitesse est de 0,63 mm/ms et lorsqu'une résolution de 0,13 mm est nécessaire, il faut prélever au minimum 50 000 échantillons de position par se- conde. Des codeurs optiques dans lesquels un système op- tique compte des lignes sur un morceau de verre en mouve- ment permettent d'obtenir la résolution exigée Cependant, de tels codeurs optiques sont trop coûteux pour de nombreu- ses applications, sont sujets à des erreurs et créent des problèmes de montage en boîtier, en particulier lorsque l'équipement doit fonctionner dans des conditions d'environ- nement sévères. On a également utilisé des transformateurs dif- férentiels variables linéaires (ou en abrégé TDVL) pour dé- tecter avec précision la position d'un élément mobile à mouvement linéaire Le TDVI est un dispositif électromécani- que qui produit un signal de sortie électrique proportionnel au déplacement d'un noyau mobile séparé Une tension élec- trique alternative est appliquée à une bobine primaire La tension induite dans deux bobines secondaires dépend de la position du noyau mobile, qui est fixé à l'élément mobile auquel on s'intéresse la tension induite dans les bobines secondaires est échantillonnée à chaque cycle ou chaque de- mi-cycle pour assurer la détection de la position du noyau. Les TDVL offrent une bonne linéarité et une résolution éle- vée lorsque la vitesse du noyau est relativement faible. Cependant, lorsque la vitesse de déplacement du noyau aug- mente, la résolution de position diminue pour une fréquence d'excitation donnée On peut augmenter la fréquence d'exci- tation mais, à des fréquences d'excitation plus élevées, les performances du TDVL sont dégradées La fréquence d'ex- citation est limitée de façon caractéristique à environ 20 k Hz, ce qui correspond à une cadence d'échantillonnage à double alternance de 40 000 échantillons par seconde Ainsi, dans le passé, l'utilisation des TDVL a été limitée à des vitesses relativement faibles-de déplacement du noyau. Un but de l'invention est donc de procurer un dis- positif-de détection de position à résolution élevée d'un type nouveau. Un autre but de l'invention est de procurer un dispositif pour-la détection avec une résolution élevée de la position d'une pièce mobile pendant une translation li- néaire de cette pièce avec une vitesse élevée. Un autre but encore de l'invention est d'améliorer la résolution d'un dispositif de détection de position com- prenant des transformateurs différentiels variables linéai- res. Conformément à l'invention, un dispositif destiné à détecter la position d'une pièce mobile pendant sa trans- nation linéaire permet d'atteindre ces buts et avantages, ainsi que d'autres le dispositif comprend au moins deux transformateurs différentiels variables linéaires (TDVI), chacun d'eux comprenant un noyau magnétique accouplé à la pièce mobile, une bobine primaire et deux bobines secondai- res connectées en série le dispositif comporte des moyens d'entrée destinés à appliquer un signal d'excitation à la bobine primaire de chaque TDVL Tous les signaux d'excita- tion ont la même fréquence, mais chacun d'eux est déphasé par rapport aux autres signaux d'excitations et ils indui- sent des tensions secondaires dans les bobines secondaires des TDVIJ Le dispositif comprend en outre des moyens de sor- tie destinés à détecter la valeur de crête et la polarité de chaque tension secondaire, et à produire un signal qui en est représentatif La valeur de cr 8 te et la polarité de chaque tension secondaire correspondent à la position du noyau magnétique respectif. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d-'un mode de réalisation et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels: La figure 1 est un schéma d'un dispositif destiné à détecter une position avec une résolution élevée, confor- mément à l'invention; la figure 2 est une représentation graphique du fonctionnement du dispositif de la figure 1 7 et Ia figure 3 est un schéma montrant l'application du dispositif de la figure 1 à un dispositif à cavité réson- nante accordée. la figure 1 représente un dispositif conforme à l'invention Des moyens d'entraînement (non représentés) soumettent une pièce mobile -10 à un mouvement de translation linéaire le long de l'axe Y le dispositif destiné à détec- ter la position de la pièce mobile 10 avec une résolution élevée comprend un ensemble de transformateurs différentiels variables linéaires (TDVI), des moyens d'entrée destinés à appliquer un signal d'excitation à chacun des TDVL, et des 258535 s moyens de sortie destinés à détecter les signaux des sortie des TDVL et à produire un signal de sortie Un TDVL 12 com- prend un noyau magnétique 15 accouplé à la pièce mobile 10, une bobine primaire 16 et une paire de bobines secondaires 17, 18 Un TDVL 14 comprend un noyau magnétique 19, une bo- bine primaire 20 et une paire de bobines secondaires 21, 22 les bobines primaire et secondaires de chaque TDVL sont placées de façon coaxiale et sont disposées de façon que le niveau de couplage entre la bobine primaire et les bobines secondaires dépende de la position du noyau magnétique Un exemple de TDVL approprié correspond au type 250 MHR (cour- se de + 6,35 mm, fréquence maximale de fonctionnement de k HZ), fabriqué par Schaevitz On peut faire fonctionner des types similaires jusqu'à 20 k Hz Les moyens d'entrée du dispositif de détection de la figure 1 comprennent une sour- ce de signal alternatif 30, ayant une sortie connectée à la bobine primaire 16 du TDVL 12, et un déphaseur de 900 por- tant la référence 32 L'entrée du déphaseur 32 est connectée à la sortie de la source 30 Le signal de sortie de la sour- ce 30 est de façon caractéristique une sinusoiïde à environ k Hz la sortie du déphaseur 32 est connectée à la bobine primaire 20 du TDVL 14 Les bobines secondaires 17, 18 du TDVL 12 sont connectées en série et en opposition, de façon que les deux tensions secondaires induites aient des polarités opposées. De façon similaire, les bobines secondaires 21, 22 du TDVL 14 sont connectées en série et en opposition Les tensions secondaires résultantes qui forment les signaux de sortie des TDVL 12, 14 dépendent des positions des noyaux magnéti- ques respectifs 15, 19 Les moyens de sortie du dispositif de détection de la figure 1 comprennent des détecteurs syn- chrones 34, 36 et un additionneur 38 Le détecteur syn- chrone 34 reçoit un signal d'entrée provenant des bobines secondaires 17, 18 connectées en série, et un signal de syn- chronisation provenant de la source de signal alternatif 30. -5 Le détecteur synchrone 36 reçoit un signal de sortie prove- nant des bobines secondaires 21, 22 connectées en série et un signal de synchronisation provenant du déphaseur 32. Chaque signal de synchronisation est en phase avec le signal d'excitation respectif pour chaque bobine primaire Les dé- tecteurs synchrones 34, 36 détectent la valeur de créte et la polarité des tensions secondaires résultantes qui pro- viennent des TDVL respectifs 12, 14, et ils fournissent des échantillons qui en sont représentatifs L'additionneur 38 combine en un signal de sortie les échantillons que four- nissent les détecteurs synchrones 34, 36. Lorsque la bobine primaire de chaque TDVL est ex- citée, des tensions sont induites dans les bobines secon- daires Le noyau mangétique établit un chemin pour le flux magnétique reliant les bobines primaire et secondaires Du fait que les bobines secondaires sont connectées en série et en opposition, le signal de sortie résultant du TDVU est la différence entre ces tensions, qui est égale à zéro lors- que le noyau est à la position centrale Lorsque le noyau est déplacé à partir de la position centrale, la tension induite dans la bobine vers laquelle le noyau est déplacé augmente, tandis que la tension induite dans la bobine op- posée diminue La tension secondaire résultante varie selon une fonction linéaire des changements de la position du noyau, et sa phase s'inverse lorsque le noyau passe d'un côté à l'autre de la position centrale. On décrira le fonctionnement du dispositif de la figure 1 en se référant à la figure 2 qui montre diverses quantités en fonction du temps L'emplacement de chaque si- gnal est indiqué par la référence numérique correspondante sur la figure 1 Les divers signaux sont placés de façon que des valeurs alignées verticalement apparaissent simulta- nérnent Le signal de sortie de la source 30 est représenté par un signal d'excitation sinusoïdal 40, tandis que le si- gnal de sortie du déphaseur 32 est représenté par un signal 2 $i 85 15 d'excitation sinusoïdal 42, qui est déphasé de 900 'par rap- port au signal 40 La position de la pièce mobile 10 à un instant quelconque est représentée par une position Y 44. Une valeur zéro de la position y 44 représente la position dans laquelle les noyaux magnétiques 15, 19 sont respective- ment centrés dans les TDVL 12, 14 La tension résultante in- duite dans les bobines secondaires 17, 18 est représentée par une tension secondaire 46, tandis que la tension résul- tante induite dans les bobines secondaires 21, 22 est re- présentée par une tension secondaire 48 les amplitudes des tensions secondaires 46, 48 varient linéairement en fonction de la position Y 44 de la pièce mobile 10 On notera en ou- tre que les tensions secondaires 46, 48 changent de polarité lorsque la position Y 44, change de polarité, c'est-à-dire lorsque les noyaux magnétiques 15, 19 passent par la posi- tion centrale des TDVL respectifs 12, 14. les signaux de sortie des détecteurs synchrones 34 et 36 sont respectivement représentés par des échantil- lons de tension secondaire 50, 52 lies échantillons de ten- sion secondaire 50 représentent la valeur de crête et la po- larité de la tension secondaire 46, tandis que les échantil- lons de tension secondaire 52 représentent la valeur de crête et la polarité de la tension secondaire 48 les détec- teurs synchrones 34, 36 fonctionnent conformément à des techniques de détection connues Par exemple, ils détectent les passages par zéro du signal de synchronisation (prove- nant soit de la source 30, soit du déphaseur 32) et, au bout d'un retard d'un quart de cycles ils échantillonnent -la tension secondaire Ceci garantit le prélèvement des échantillons à la valeur de crete des tensions secondaires 46, 48 les échantillons sont prélevés à la fois dans les demi-cycles positifs et négatifs des tensions secondaires 46, 48, pour obtenir le nombre maximal de points de données. Du fait que les tensions secondaires 46 et 48 sont mutuelle- ment déphasées de 900, les échantillons de tension secondaire sont décalés dans le temps de façon similaire par rapport aux échantillons 52 Lorsque la position Y 44 de l'élément mobile 10 est négative, les tensions secondaires 46, 48 ont une polarité opposée à celle des signaux d'excitation res- pectifs 40, 42 et les échantillons de tension secondaire correspondants 50, 52 sont négatifs L'additionneur 38 ad- ditionne les échantillons de tension secondaire 50 et 52 pour former un signal de sortie 54 ayant des échantillons qui apparaissent au double de la cadence des échantillons dans l'un ou l'autre des trains d'échantillons de tension secondaire 50, 52 Lorsque, par exemple, les signaux d'exci- tation 40, 42 ont une fréquence de 20 k Hz, les échantillons , 52 ont une cadence de répétition de 40 k Hz, à cause de l'échantillonnage à double alternance des tensions secondai- res 46, 48, et le signal de sortie 54 a une cadence de ré- pétition de 80 k Hz. Comme indiqué précédemment, les TDVL ont une fré- quence maximale de fonctionnement déterminée, et donc une résolution limitée lorsque la position Y 44 de la pièce mo- bile 10 change rapidement le dispositif de la figure 1 double la résolution: effective en employant deux TDVL et des signaux d'excitation déphasés La figure 2 illustre l'amélioration de résolution Entre' des échantillons de tension secondaire 50 successifs, la position-Y 44 peut changer d'une quantité Y Par conséquent, un seul TDVI produisant un seul ensemble d'échantillons de tension se- condaire 50 a une résolution de AY^ La résolution est amé- liorée jusqu'à LY/2 lorsque la cadence d'échantillonnage de la position Y 44 est doublées comme l'indique la repré- sentation du signal de sortie 54 sur la figure 2 L'inven- tion procure donc un dispositif capable de doubler la ré- solution de détection de position, sans augmenter-la fré- quence de fonctionnement du TDVL. On peut encore améliorer la résolution de la me- sure de la position d'une pièce mobile, en augmentant le zsloses; $ 355 155 nombre de TDVI utilisés pour détecter la position de la piè- ce mobile Lorsqu'on utilise trois TDVL, les signaux-d'exci- tation sont déphasés de O , 60 et 1200 pour produire un triplement effectif de la cadence d'échantillonnage De fa- çon similaire, lorsqu'on utilise quatre TDVL, les signaux d'excitation sont déphasés de O , 45 , 90 et 135 , pour produire un quadruplement de la cadence d'échantillonnage. On peut en outre utiliser d'autres techniques d'échantillon- nage Par exemple, on peut convertir directement sous forme numérique les échantillons des tensions secondaires 46, 48, au moyen de convertisseurs analogique-numérique connectés aux sorties respectives des TDV On peut produire un signal de sortie à résolution élevée par la transmission sélective des signaux de sortie des convertisseurs analogique-numéri- que Il n'est pas obligatoire que les noyaux magnétiques 15, $ 9 soient disposés en alignement La condition à respecter consiste en ce que chaque noyau magnétique doit 9 tre accou" plé à la pièce mobile de façon que tous ces éléments se dé- placent en un seul ensemble. La figure 3 montre une application du dispositif de la figure 1 au controle de la fréquence d'un dispositif à cavité résonnante Un dispositif à cavité résonnante 60, de type accordable, comprend une enceinte à vide 62 qui li- mite une chambre à vide 64 fermée hermétiquemento Une cavi- té résonnante 66, qui peut avoir une forme annulaire, se trouve à l'intérieur de l'enceinte à vide 62 la cavité ré- sonnante 66-possède une fréquence de résonance associée qui peut 9 tre modifiée par le mouvement d'un plongeur d'accord 68 Le plongeur d'accord 68 est accouplé à une structure d'accord qui fait varier la position du plongeur d'accord 68 selon une configuration d'accord déterminée Le plongeur d'accord 68 est accouplé par l'intermédiaire d'un soufflet à une tige d'accord allongée 72, à l'extérieur de la chambre à vide 64 la tige d'accord-72 est accouplée à des moyens d'entraînement tels qu'un moteur linéaire 74, qui 2 $ 8535 entraînent la tige 72 et le plongeur d'accord 68 à une vi- tesse élevée Un magnétron coaxial à agilité de fréquence constitue un exemple particulier d'un tel dispositif à ca- vité résonnante Les magnétrons coaxiaux sont connus de façon générale dans la technique et comprennent des éléments supplémentaires qui ne sont pas représentés sur la figure 3. Un dispositifdestiné à détecter avec une résolu- tion élevée la position de la tige d'accord 72 comprend des TDVL 82, 84 qui sont montés en position coaxiale par rapport à la tige d'accord 72 Les TDVL 82, 84 correspondent aux TDVL 12, 14 représentés sur la figure 1 et décrits ci-dessus. Les noyaux magnétiques des TDVI 82, 84 sont incorporés dans la tige d'accord 72 et se déplacent avec elle Les TDVL 82, 84 sont connectés à un circuit d'excitation et de détection 86, qui comprend des éléments correspondant à la source de signal 30, au déphaseur 32, aux détecteurs synchrones 34, 36 et à l'additionneur 38, représentés sur la figure 1 le dispositif de détection de position de la figure 3 fonction- ne de la mgme manière que le dispositif représenté sur la figure 1 et décrit ci-dessus Chaque position de la tige d'accord 72 correspond à une fréquence de fonctionnement déterminée de la cavité résonnante 66 Le dispositif de dé- tection de position est donc utilisé pour contr 6 ler la fré- quence de fonctionnement du dispositif à cavité résonnante 60. Il va de soi que de nombreuses modifications-peu- vent être apportées au dispositif décrit et représenté, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif destiné à détecter la position d'une pièce mobile ( 10) pendant sa translation linéaire, caracté- risé en ce qu'il comprend: au moins deux transformateurs différentiels variables linéaires (TDVI) ( 12, 14), chacun d'eux comprenant un noyau magnétique ( 15, 19) accouplé à la pièce mobile, une bobine primaire ( 16, 20) et deux bobines secondaires ( 17, 18; 21, 22) connectées en série; des moyens d'entrée ( 30, 32) destinés à appliquer un signal d'excitation ( 40, 42) à la bobine primaire ( 16, 20) de cha- cun des TDVI, ces signaux d'excitation ayant tous la même fréquence mais étant déphasés par rapport aux autres signaux d'excitation et induisant des tensions secondaires ( 46, 48) dans les bobines secondaires ( 17, 18; 21, 22) des TDVD; et des moyens de sortie ( 34, 36, 38) destinés à détecter la va- leur de cr 8 te et la polarité de chacune des tensions secon- daires ( 46, 48) et à produire un signal de sortie qui en est représentatif, la valeur de crête et la polarité de chaque tension secondaire correspondant à la position du noyau ma- gnétique ( 15, 19) respectif. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que les moyens d'entrée comprennent une source de signal alternatif ( 30) et des moyens déphaseurs ( 32) desti- nés à fournir des signaux d'excitation déphasés. 3 Dispositif selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que les moyens de sortie comprennent des détecteurs synchrones ( 34, 36) connectés aux bobines secondaires ( 17, 18; 21, 22) de chacun des TDVL ( 12, 14) et produisant un échantillon de la valeur de crete et de la polarité de cha- que tension secondaire ( 46, 48); et des moyens ( 38) desti- nés à combiner les échantillons pour former le signal de sortie ( 54). 4 Dispasitif selon la revendication 3, caractéri- sé en ce que les signaux d'excitation ( 40, 42) sont déphasés de façon que les échantillons présents dans le signal de 25385 15 1 1 sortie soient séparés dans le temps, grace à quoi le signal de sortie a une fréquence qui est un multiple entier de la fréquence des signaux d'excitation. Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce qu'il comporte deux TDVI ( 12, 14) et deux signaux d'excitation ( 40, 42) dont l'un est déphasé de 90 par rap- port à l'autre. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que les moyens destinés à combiner les échantillons comprennent un additionneur ( 38) pour additionner les échan- tillons ( 50, 52). 7 Dispositif selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que la pièce mobile ( 10) est une tige allongée ( 72) qui est soumise à une translation axiale, et chacun des TDVL ( 82, 84) est monté de façon coaxiale par rapport à la tige. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que la tige allongée ( 72) est accouplée à un plon- geur d'accord ( 68) dans un dispositif à cavité résonnante ( 60), grace à quoi la fréquence de résonance de la cavité résonnante varie sous l'effet d'une translation de la tige. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractéri- sé en ce que le dispositif à cavité résonnante ( 60) est un magnétron.