Brevet FR2558599A1 — publié le 19850726

PROCEDE ET DISPOSITIF DE COMPENSATION AUTOMATIQUE DES ERREURS MECANIQUES D'UN GRADIENTMETRE MAGNETIQUE La présente invention se rapporte aux procédés permettant de com- penser automatiquement les erreurs mécaniques des dispositifs destinés à mesurer le gradient d'un champ magnétique, connus sous le nom de gradient- mètres magnétiques. Elle concerne également les dispositifs permettant de mettre en oeuvre ce procédé, et les gradientmètres qui en sont équipés. Il est connu de mesurer le gradient de la composante d'un champ magnitique seion une direction déeerminee sur un axe y en un point de cet axe en poi.açan sur l'ax: de part et d'autre de ce point deux sondes de r....u.e eau magneéomètres- directives séparées par une faible distance 6y. i i'-.' k-y est la diXfé ronce des rmesures de deux sondes, la valeur du gradientà mesu;zr est donnée par ô Hy My plut des caEuses d'ereurs dues aux défauts propres aux sondes prises individue:le. ent: à,..' l.,ect.onique associée, une source d'erreur importante est le (dléui d-e coliiéarite des axes de mesure des deux sondes. La Dernandecesse a proposé dans sa demande de brevet francais NI 83 15701 déposée le 4 octobre 1983 de réaliser un gradientmètre magnétique intégré dans lequel l'axe de mesure est défini par un seul faisceau lumineux qui traverse une couche mince dans son épaisseur, ce qui élimine de manière intrinsèque les erreurs d'alignement. Un tel dispositif n'est pas adapté à toutes les configurations de mesures, notamment lorsque la distance py n'est pas très faible. Par ailleurs on souhaite souvent, pour des raisons de coot, pouvoir associer des magnétomnètres disponibles couramment afin de réaliser un gradientmètre. Afin de pouvoir corriger de manière automatique et électronique l'erreur d'alignement d'un tel gradientmètre, l'invention propose de lui ajouter deux magnetomètres supplémentaires perpendiculaires à l'axe de mesure du gradient et perpendiculaires entre eux. Les mesures de ces magnetomètres permettent, compte tenu de coefficients obtenus par un étalonnage proasable, d'obtenir deux termes d'erreurs principaux à soustraire de la mesure du gradient. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clai- rement dans la description suivante faite en regard des figures annexées qui représentent: - la figure 1, un système d'axe définissant un gradientmètre; - la figure 2, le schéma d'un gradientmètre selon l'invention; - la figure 3, le schéma des moyens de calcul de ce gradientmètre. Afin de pouvoir évaluer l'erreur due au défaut de colinéarité, on a représenté sur la figure 1 un trièdre de référence trirectangle Oxyz dont l'axe oy est celui de l'un des magnétomètres d'un gradientmètre. Un second trièdre OXYZ est défini par l'axe OY du deuxième magnéto- mètre du gradientmètre et par les axes OX et OZ de deux autres magneto- mètres dont le rôle sera défini ultérieurement. Ce second trièdre est légèrement distinct du premier et donc non trirectangle, à cause des erreurs, inévitables, d'orientation des magnétomètres qui le définissent. Les projections X' et Y' des axes X et Y sur le plan oxy, et Z' de l'axe Z sur le plan yoz sont définies par les angles Y,, s, a, na et représentés sur la figure 1. Le champ magnétique dont on désire mesurer le gradientmètre est représenté par un vecteur t dont l'orientation est définie par les angles 0 et 1p représentés sur cette figure. Avec ces définitions, les composantes du champ sur les six axes ainsi définis sont données par: Hx = F cos 0 sin ? Hy=Fcos0cosL? Hz = F sin 0 HX = F [cos 0 sin 0 cos 6 cos f- cos 0 cos y sin 6 cos '+ sin 0 sin J HY= F [cos 0 cos p cos cos +cosO sin ' sin p cos s + sinOsin ú HZ = F [sin 0 cos 8 cos a - cos 0 cos (f sin 1 cos a - cos 0 sin f sin a] Le gradientmètre formé par les deux magnétomètres d'axes oy et OY donne une mesure du gradient du champ dans une direction intermédiaire entre ces deux axes. L'erreur portant sur la direction est peu importante, mais il reste à apprécier l'erreur portant sur la mesure elle-même. Si le champ est uniforme, et donc le gradient nul, la différence des mesures des deux magnétomètres devrait être nulle. Ce n'est pas le cas à cause de l'erreur de colinéarité et on obtient une valeur donnée par: A = HY - Hy = F[cos 0 cos t(cos cos E - 1) + cos 0 sin Usiné cos C + sin 0 sin E Cette différence mesure donc l'erreur de colinéarité suivant Oy et est formée de trois termes qui prennent des valeurs maximales selon l'orien- tation du gradientmètre. Dans le champ terrestre (F = 50000nT) et avec des valeurs (courantes) de e et m égales à 0,2 degré, ces valeurs maximales sont respectivement: 0, 6nT pour W = 6 = O 175nTpour 0= O et u = r /2 nT pour 9 = r /2 et I quelconque. Or les magnétomètres, par exemple du type dit "flux-gate", utilisés dans les gradientmètres ont des sensibilités bien plus faibles, typiquement inférieures à 0,1nT. Il est donc tout à fait nécessaire de corriger au moins les deux derniers termes de l'erreur. Pour cela selon l'invention on effectue un étalonnage qui permet de déterminer les paramètres constants de ces deux termes. Cet étalonnage permet ensuite de calculer ces termes et de les retrancher de la mesure pour obtenir une mesure corrigée. 2a ' Ces paramètres constants sont ceux qui dépendent des angles 4l et E, soit sin t cos c pour le premier terme et sin C pour le deuxième terme. On peut isoler ces paramètres pour des valeurs particulières des angles 0 et tp. On obtient alors pour 4 orientations du gradientmètre les valeurs suivantes de a, Hx et Hz: 0 = 0 et ' = -- L = F sin cosú;Hz=0;Hx=F 0= et = --A2=Fsin c;Hx=0;Hz=F 0 = fret C - = > - F sin ' cos c; Hz =; Hx =-F O= 2-_ et Xf=.2_-4 A=-F sin E;Hx O0;Hz -F Ces quatre orientations peuvent être obtenues en plaçant le gradient- mètre dans le champ terrestre avec une orientation Est-Ouest de son axe, ce qui donne tp = et Hy = 0. En faisant alors tourner le gradientmètre autour de cet axe Oy, on obtiendra les quatre orientations voulues en mesurant les extinctions des signaux de deux magnétomètres supplémentaires placés selon deux avec perpendiculaires à Oy. Lorsque l'un de ces magnétomètres délivre un signal nul, l'autre délivre un signal qui mesure F ou - F selon le cas. Ceci permet de calculer: l A3 sin pcos = F =- à2 A4 sin E =F = F On constate qu'il suffit dans le cas d'un gradient nul de deux mesures selon deux orientations orthogonales. En fait le gradient est rarement nul et de plus on n'a pas tenu compte de l'erreur de positionnement des deux gradientmètres supplémentaires, correspondant en fait aux angles a,, et 8, ce qui est en partie justifié par la faiblesse de ces angles. En présence d'un gradient local Le, la valeur mesurée A m est donnée par Am= Ae+A. Lorsque l'on fait tourner le gradientmètre autour de son axe y, le gradient local Ae reste constant, mais A prend successivement les quatre valeurs précédentes et on peut alors éliminer e, et en même temps moyenner les erreurs de positionnement: ae A1 e 3 1-à3 2F = 2F = sin cos C = kx àe à 2- Le-A4 -A2- A4 2 = 2F- F =sin = kz Ces paramètres étant déterminés, on peut mesurer le gradient A m pour une orientation (, (Q) quelconque du gradientmètre, et obtenir par ailleurs les deux valeurs Hxm et Hzm des composantes de F données par les deux magnétomètres supplémentaires. En tenant compte de ce que Hxm = F cos O sin q et Hzm = F sin 0, la valeur A c du gradient corrigé sera alors donnée par: Ac= Am-kxHxm -kzHz Le gradientmètre selon l'invention comporte donc comme représenté sur la figure 2 une première partie sondes 20 comprenant deux magnéto- mètres 201 et 202 alignés sur un axe oy et permettant de mesurer le gradient selon la méthode connue, et deux magnétomètres 203 et 204 disposés selon deux axes ox et oz perpendiculaires entre eux et à l'axe oy. Une deuxième partie 21 comprend d'une part des circuits électroniques destinés à alimenter les magnétomètres et à obtenir les signaux Hy, H'y, Hx et Hz, et dautrt part des ciéuits électroniques permettant à partir de ces signaux de calculr la valeur de A c qui est disponible sur une sortie. Ces ciscuits edtroniques dz:aicuul' permettent également de calculer dans un er" ?emps, s le -,a..lur. ides coefficienis kx et kz lorsque l'on procède à 1_0 l'.-i-'..-.. e..?: un interrupteur 22 permet de passer d'une position mesur:.-: -.,-, p c!-:c, cea!ibron% et dans cette position un bouton poussoir m3 p:'i- eeml s-' e prendre en compte les valeurs de Hx et Hz OD;r-..,De M:s les.'ju.,r sitir c dlns de'éalonnage. Pour cela, l'taxe oy du --- --....,?,..'e0on Lune direction Est-Ouest, on le fait tourner ... '-;,,:a-t c a sq:_î c 'e qu' Fune des sorties Hx ou Hz délivre un signal vu-CL 1,::.-:.iur e bouton poussoir 23 pour prendre en compte la ve. non i:! 5 e 1-3x ou Hzz. On continue ensuite à tourner le gradient- i..t... sur se oy xe nur recoimencer cete manipulation trois lois. >.7, qu c sists que la 'o!lérance sur l'orientation Est-Cuest lors de h l'--a.'rwnag-e Ctcait tres large et pouvait atteindre g0 en permettant de nesraei. u.n..r.dr.n- de.nT dans le champ terrestre (50000nT). :s le cas de circuits analogiques on peut simplifier les circuits onlen-, dans la Cari e 21 en effectuant l'étalonnage avec des moyens ïs.;arée par xemple des appareils de mesure de laboratoire. Les valeurs-des ee. iacients k1 et kz seront alors calculées manuellement et introduites dans la partie 21, par exemple en réglant des potentiomètres. Ceci est justifié par le fait que ces coefficients sont des constantes qui ne dépendent pas des conditions de mesures et qui n'évoluent que très lentement en fonctiondu vieii!issement des sondes de la partie 20. Une r4ai.s..on d'un tel circuit analogique est représentée sur la :/gure 3, Les valeurs de Hy et H'y sont appliquées à un soustracteur 301 qui délivre le gradi.ent mesur. Am = HFy - H'y. Les valeurs de k et kz sont obtenues à partir d'une source de tension + par deux potentiomètres 302 et 303 calés en fonction de l'étalonnage. Les deux termes de correction de l'erreur sont obtenus en multipliant ces valeurs des coefficients respectivement par les valeurs de Hx et Hz dans deux multiplicateurs 304 et 305. Ces deux termes sont ensuite additionnés dans un additionneur 306 qui délivre donc le signal de correction A. Ce signal A est soustrait de A m dans un soustracteur 307 qui délivre donc la valeur corrigée A c du gradient. Ce traitement peut être réalisé P'aide de circuits numeriques, formés avantageusement d'un microprocesseur convenablement programmé. Il est alors plus intéressant d'intégrer les inoycns de calibration dans le dispositif puisque ceux-ci peuvent alors être ïormés d'une simnple extension du programme du microprocesseur, ce qui permet de se passer des moyens extérieurs et de répéter l'étaionnage aussi souvent qu'on le souhaite. REVENDICATIONS 1. Procédé de compensation automatique des erreurs mécaniques d'un gradientmètre magnétique, dans lequel on mesure le gradient A m selon une direction oy, d'un champ F d'orientation quelconque, en soustrayant à la mesure de la composante Hy de F, obtenue par un premier magnétomètre de mesure (201) aligné selon l'axe oy, la mesure de la composante H'y de F, obtenue par un deuxième magnétomètre de mesure (202) situé à une faible distance du premier et aligné selon un axe OY présentant avec l'axe oy une légère erreur d'alignement, caractérisé en ce que l'on soustrait de Am deux termes d'erreur k Hxm et kz Hzm dans lesquels kx et kz sont deux coefficients obtenus par un étalonnage préalable du gradientmètre et Hxm et Hzm les mesures des composantes de F obtenues par deux'magnétomètres supplémentaires (203, 204) alignés selon deux axes ox et oz perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à l'axe oy. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on effectue l'étalonnage permettant d'obtenir les coefficients k et k en orientant l'axe oy du gradientmètre (20) selon une direction Est-Ouest dans le champ magnétique terrestre et en mesurant les composantes de ce champ avec les magnétomètres supplémentaires (203-204). 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on fait tourner le gradientmètre autour de son axe oy et que l'on relève deux mesures Ai et A2 du gradient pour lesquelles respectivement le premier et le deuxième magnétomètre supplémentaire (203-204) donne une mesure nulle le deuxième et le premier magnétomètres supplémentaires donnant alors AI A2 une valeur F et les coefficients étant donnés par: kx = 1 et kz = F 2 4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'on fait tourner le gradientmètre autour de son axe oy et que l'on relève quatre mesures A 1, A2, A3 et A4 pour lesquelles respectivement le premier et le deuxième, puis de nouveau le premier et le deuxième magnétomètre supplémentaire (203-204) donne une mesure nulle; le deuxième et le premier magnétomètre supplémentaire donnant alors une valeur F, puis une valeur - F, et les coefficients étant donnés par AI A3A A kx 2F et ky- 2F 5. Dispositif de compensation automatique des erreurs mécaniques d'un gradientmètre mécanique du type comportant deux magnétomètres de mesure (201-204) alignés selon un axe oy, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce qu'il comprend deux magnétomètres supplémentaires (203, 204) alignés selon deux axes perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à l'axe oy, et des moyens (21) pour calculer à partir des.mesures des magnétomètres supplémentaires deux termes d'erreur et pour soustraire ces termes de la valeur mesurée du gradient.