Brevet FR2568999A1 — publié le 19860214

-1 - La présente invention concerne les capteurs de déplacement inductifs comprenant un transformateur à couplage variable qui est alimenté en courant périodique et comporte deux enroulements primaire et secondaire disposés côte-à-côte et un noyau disposé dans ces enroulements. Le plus souvent, ces capteurs inductifs qui peuvent être utilisés notamment dans le domaine de l'électronique automobile, comportent un transformateur différentiel présentant deux enrou- lements secondaires disposés de part et d'autre de l'enroulement primaire, de sorte que, lorsque le noyau sort de l'un des enrou- lements secondaires, il pénètre dans l'autre d'une longueur égale. Mais ces capteurs à transformateur différentiel doivent être alimentés en courant sinusoïdal, ont un encombrement important et un prix de revient élevé, et sont difficilement adaptables à des systèmes numériques. La présente invention a pour objet un capteur de déplacement inductif qui remédie à ces inconvénients. Le capteur selon l'invention est caractérisé en ce que l'en- roulement primaire est court, à plusieurs couches et traversé en permanence par le noyau, en ce que l'enroulement secondaire est unique et allongé, sa longueur étant au moins égale à la course possible du noyau, et en ce qu'il comporte un tube culasse for- mant blindage et enveloppant l'ensemble des deux bobinages. Les deux enroulements peuvent être fixes et le noyau mobile dans les enroulements. Inversement le noyau peut être fixe et les enroulements solidairement mobiles sur le noyau. Dans un autre mode de réalisation, le noyau et l'enroulement primaire sont fixes, alors que l'enroulement secondaire est mobi- le sur le noyau. Dans un mode de réalisation, le noyau est rectiligne et les enroulements sont cylindriques; le capteur est alors un capteur de déplacement linéaire. Mais le noyau peut également avoir une forme en arc de cercle et relié à un arbre pivotant, les enroule- ments étant toroldaux; le capteur est alors un capteur de dépla- cement angulaire. La tension d'alimentation de l'enroulement primaire a de préférence une forme rectangulaire et une fréquence supérieure à KHz. Les enroulements primaire et secondaire sont de préférence connectés à un circuit d'interface comprenant des moyens pour -2- élaborer un signal rectangulaire et des moyens pour redresser le signal prélevé sur l'enroulement secondaire. Une diode dite de "roue libre" et constituée par exemple par une diode électro-luminescente peut être connectée aux bor- nes de l'enroulement primaire. Cette diode permet d'obtenir sur l'enroulement primaire un signal pratiquement symétrique par rap- port au zéro. Les moyens de redressement peuvent comporter un amplifica- teur opérationnel dont la sortie est reliée à l'une de ses en- trées par l'intermédiaire d'une diode et d'un réseau de résistan- ces. Le circuit d'interface peut comporter un circuit à diode et condensateur assurant l'alimentation négative de cet amplifica- teur. On a décrit ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, des modes de réalisation du capteur selon l'invention, avec réfé- rence aux dessins annexés dans lesquels: La Figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation du capteur; La Figure 2 est une vue en coupe transversale de la culasse; La Figure 3 est une vue en coupe axiale d'un second mode de réalisation du capteur; La Figure 4 en est une vue en coupe transversale suivant IV-IV de la Figure 3; La Figure 5 représente le circuit d'interface associé au capteur dans le cas o le redressement sans seuil est effec- tué en mode unidirectionnel; La Figure 6 représente ce môme circuit équipé d'une variante de redresseur sans seuil en mode bidirectionnel plus avanta- geux; La Figure 7 représente la variation de la tension de sortie de l'interface associée au capteur en fonction du déplace- ment du noyau. Tel qu'il est représenté aux Figures 1 et 2, le capteur de déplacement comprend un fourreau rectiligne 1, en matière plasti- que, dont l'une des extrémités est filetée, comme indiqué en la, de façon à pouvoir assurer sa fixation sur un support. Dans l'au- tre extrémité du fourreau est emmanché un noyau central creux 2 3 3 également en matière plastique. Ce noyau comporte une portée de guidage 2a ainsi que des épaulements annulaires 2b et 2c sur les- quels est disposée une carcasse 3 en un matériau ferro-magnéti- que. Celle-ci peut, par exemple, être en tôle et être munie d'une fente longitudinale 4; elle peut également être constituée par une tôle mince enroulée, chaque spire étant isolée pour évi- ter les courts-circuits. La culasse 3 est entourée dans sa par- tie centrale par une culasse secondaire 5. Un enroulement primaire 6 à couches multiples et relative- ment compact est bobiné sur le noyau 2 entre son épaulement 2b et un épaulement intermédiaire 2d, et relié à des conducteurs 7. Un enroulement secondaire 8, formé d'une couche de spires, est bobiné sur le noyau, entre les épaulements 2b et 2c, et relié à des conducteurs 9. A l'intérieur du noyau 2 est monté coulissant un noyau ma- gnétique 10 revêtu d'un enrobage 11 et relié à un câble de com- mande 12. Ce noyau peut être, par exemple, en ferrite douce, en un alliage magnétique feuilleté, ou bien formé d'un ou plusieurs tubes concentriques en fer ou en acier doux, de préférence fen- dus et mutuellement isolés. Le noyau 10 s'étend constamment en regard de l'enroulement primaire 6 alors que, suivant sa posi- tion, il s'étend plus ou moins à l'intérieur de l'enroulement secondaire 8. La longueur de ce dernier enroulement est au moins égale à la course possible du noyau 10 et la longueur du noyau est au moins égale à la somme des longueurs de l'enroulement se- condaire 8. En fonctionnement, le couplage entre l'enroulement secon- daire 8 et l'enroulement primaire 6 dépend de la position du noyau 10. On recueille donc en 9 une tension dont la valeur dé- pend de la position du noyau c'est-à-dire de la pièce qui est liée à ce noyau par l'intermédiaire du câble 12. Les culasses 3 et 5 assurent la fermeture du flux et protègent le capteur des perturbations éventuelles dues au champ magnétique extérieur ou à la proximité immédiate de pièces ferro-magnétiques. Le capteur de déplacement représenté aux Figures 3 et 4 est identique dans son principe à celui des Figures 1 et 2, mais sert à détecter un mouvement angulaire. Le noyau magnétique 10' a une forme en arc de cercle et est fixé sur une patte 12' calée sur un arbre 13. Le noyau en matière plastique 2', les enroulements -4- 4- - 2568999 6' et 8' ainsi que la culasse 3' constituent des surfaces torol- dales coaxiales à l'arbre 13. La Figure 5 montre l'alimentation du capteur. Cette alimen- tation comporte un générateur de signaux carrés ayant une fré- quence supérieure à 10 KHz et inférieure à 150 KHz. Ce généra- teur comporte un circuit intégré 15 qui est par exemple un 555 et est monté de la façon usuelle; il est connecté à une ligne de tension continue positive 16 et à une ligne de tension négative 17, 1'alimentation étant filtrée par un condensateur 18. Le si- gnal carré obtenu à la borne 3 du circuit 15 commande un transis- tor de puissance 19 dont le collecteur est relié par une résis- tance 20 à l'une des bornes de l'enroulement primaire 6 ou 6', l'autre borne de cet enroulement étant connectée à la ligne 17. Une diode électro-luminescente 21 est connectée par sa cathode au point de connection 22 de la résistance 20 et de l'enroule- ment 6 ou 6', et par son anode à la ligne 17. Cette diode fonc- tionne comme "diode de roue libre" et par sa chute de tension directe permet d'établir un signal relativement symétrique sur le primaire 6 ou 6' du capteur. L'enroulement secondaire 10 ou 10' du capteur a ses bornes connectées respectivement à la ligne 17 et à l'entrée "moins" d'un amplificateurîopérationnel 23 par l'intermédiaire d'une ré- sistance 24. L'amplificateur opérationnel est alimenté à partir de la ligne positive 16 et d'un circuit comprenant un condensateur 26 connecté à la ligne 17, une résistance 27 connectée à l'entrée "moins" de l'amplificateur et une diode 28; celle-ci est elle- même connectée par une diode 29 à la ligne 17 et au point 22 par l'intermédiaire d'un condensateur 30, les diodes 28 et 29 étant passantes dans le sens diode 28, diode 29 et ligne 17. Ce circuit constitue une alimentation négative par rapport à la ligne 17, qui permet d'alimenter un amplificateur opérationnel suffisamment rapide sans avoir recours à une source extérieure négative. Le courant de sortie de l'amplificateur 23 traverse une dio- de 31 dont la sortie est reliée à la ligne 17 par une résistan- ce 32, ainsi qu'à une résistance 33; cette dernière est par ail- leurs connectée à l'entrée uplus" de l'amplificateur opération- nel et, par une résistance 34 à la ligne 17. Le courant de sortie est filtré par un condensateur 35. L'ensemble du circuit bouclé ainsi réalisé constitue un redresseur sans seuil unidirectionnel. On obtient ainsi à la sortie, aux bornes du condensateur 35 une tension continue dont la valeur est proportionnelle à l'en- foncement du noyau 10 ou 10' dans l'enroulement secondaire 8 ou 8' (voir Figure 7). Dans la variante bidirectionnelle autorégulée représentée à la Figure 6, le circuit d'interface comporte: I. Un système d'alimentation 36 du primaire en signaux de tension régulée comprenant: a) Un générateur de signaux carrés 15 b) Un transistor ballast d'alimentation 37 traversé par le courant primaire, dont la valeur rendue périodique- ment variable reste toujours supérieure à zéro, de fa- çon à éviter l'apparition d'oscillations caractéris- tiques du fonctionnement du transformateur en régime libre. Le transistor 37 est commandé conjointement d'une part par le générateur de signaux carrés 15, d'autre part, par un circuit d'asservissement comprenant: 1) Un circuit de prélèvement de la composante alterna- tive de la tension primaire à réguler transmise par la capacité 38, polarisée par une tension auxiliai- re Vl; ce circuit comporte un interrupteur bidirec- tionnel C MOS 39 échantillonnant la tension auxi- liaire stabilisée V1 et commandé en synchronisme avec le primaire. La tension auxiliaire V1 est mé- morisée par une capacité 40 sous la forme d'une ten- sion continue proportionnelle à la valeur moyenne Vp de l'alternance positive de la tension primaire augmentée de la tension de polarisation auxiliaire V1. 2) Un circuit de comparaison et d'amplification cons- titué essentiellement par un amplificateur diffé- rentiel 41 qui reçoit, sur son entrée inverseuse, la tension continue mémorisée par le condensateur et, sur son entrée non inverseuse, une tension de référence stabilisée V2, de valeur prédéterminée, servant de comparaison. Un condensateur de filtrage 42 peut être monté entre - 6 - l'entrée inverseuse et la sortie de l'amplifica- teur 41 dont la tension V3 est proportionnelle à v2 - (v1 + Vp) soit V3 = K. [ (v2-V - V V]. Cette tension de contre-réaction amplifie donc l'écart entre la valeur de consigne V2 - V1 et la tension à réguler V. II. Un système de redressement sans seuil 43 par commutation bidirectionnelle, comportant essentiellement: - Un interrupteur bidirectionnel 44 par exemple de tech- nologie C.MOS, dont l'électrode de commande est action- née en synchronisme avec l'alternance positive de la tension primaire. - Un condensateur mémoire 45 connecté entre la sortie de l'interrupteur 44 et la ligne de masse 17, et qui transforme en tension continue la tension pulsée déli- vree par l'interrupteur 44. - Un amplificateur opérationnel 46 pouvant être monoten- sion, qui travaille en amplificateur continu et en adaptateur d'impédance; cet amplificateur lit la ten- sion du condensateur 45 et délivre entre sa borne de sortie et la masse un signal continu de valeur propor- tionnelle à l'enfoncement du noyau du capteur dans l'enroulement du secondaire 8 ou 8'. Cette deuxième configuration présente les avantages suivants: I. En ce qui concerne la partie alimentation pulsée auto- régulée a) Suppression des inconvénients du dispositif de "roue libre", le conducteur 37 restant en conduction, le courant de décharge de l'inductance du primaire se soustrait de la composante continue de ce courant -lors de l'alternance négative de la tension primaire. b) Elimination des erreurs dues à l'échauffement du cap- teur, grace au système de régulation basé sur l'in- tégration des ondes positives prélevées en synchro- nisme avec l'alimentation primaire et le même mode de prélèvement utilisé pour la mesure du signal se- - 7 - condaire. Ainsi sont éliminées les dérives dues aux variations de composantes et notamment celles dues à l'échauffement du bobinage primaire. II. En ce qui concerne le redresseur à interrupteur bidi- rectionnel a) Temps de réponse très réduit, notamment dans les phases de décroissance rapide du capteur, le conden- sateur mémoire 45 pouvant se décharger à travers l'in- terrupteur 44 lors de sa conduction. b) L'amplificateur opérationnel 46 reçoit à Vl'entrée un signal continu positif. Sa bande passante n'est pas critique et il peut être avantageusement du type monotension4 c) Le signal de sortie correspond à la valeur moyenne de l'alternance positive du signal secondaire dans la phase de conduction, ce qui augmente l'immunité aux parasites. d) Certains composants volumineux (condensateurs élec- tro-chimiques) sont éliminés. Le bobinage du capteur objet de l'invention ne comporte que deux enroulements et est donc économique. Il est fiable dans l'en- vironnement automobile car il est protégé des poussières, des pro- jections d'eau, d'huile et de carburant, et des interférences ma- gnétiques. Il est également protégé des champs magnétiques ester- nes et de l'effet des pièces ferro-magnétiques qui peuvent se trouver à proximité. Il peut effectuer sans inconvénients plu= sieurs centaines de millions de manoeuvres de faible amplitudes Il va de soi que la présente invention ne doit pas être con- sidérée comme limitée aux divers modes de réalisation décrits et représentés, mais en couvre, au contraire, toutes les variantes. - 8 - REVENDICATIONS 1. Capteur de déplacement inductif comprenant un transfor- mateur à couplage variable qui est alimenté en courant périodi- que et comporte deux enroulements dont un primaire 6 ou 6' et un secondaire 8 ou 8', disposés côte à côte et un noyau 10 ou 10' disposé dans ces enroulements, caractérisé en ce que l'enroule- ment primaire 6 ou 6' est court, à plusieurs couches et traversé en permanence par le noyau 10 ou 10', en ce que l'enroulement secondaire 8 ou 8' est unique et allongé, sa longueur étant au moins égale à la course possible du noyau, et en ce qu'il compor- te un tube culasse 3 formant blindage et enveloppant l'ensemble des deux bobinages. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ensemble formé par les enroulements, le noyau et la culasse est enfermé dans un fourreau 1 en matière plastique. 3. Capteur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enrouliment secondaire 8 ou 8' comporte une seule couche de spires à pas fixe ou variable. 4. Capteur selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que la longueur du noyau 10 ou 10' est au moins égale à la somme des longueurs de l'enroulement primaire 6 ou 6' et de l'enroulement secondaire 8 ou 8'. 5. Capteur selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que la tension d'alimentation de l'enroulement primaire a une forme approximativement rectangulaire et une fré- quence supérieure à 10 KHz. 6. Capteur selon l'une des revendications précédentes, ca- ractérisé en ce que l'enroulement primaire et l'enroulement se- condaire sont connectés à un circuit d'interface comprenant des moyens pour élaborer un signal rectangulaire et des moyens pour redresser le signal prélevé sur l'enroulement secondaire. 7. Capteur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu' une diode 21 dite de "roue libre" et constituée par exemple par une diode électro-luminescente est connectée aux bornes de l'en- roulement primaire. 8. Capteur selon l'une des revendications 6 ou 7, caractéri- - 9 2568999 sé en ce que les moyens de redressement comportent un amplifica- teur opérationnel 23 dont la sortie est reliée à l'une de ses entrées par l'intermédiaire d'une diode 31 et d'un réseau de ré- sistances 32 à 34. 9. Capteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de redressement sans seuil comportent un interrup- teur bidirectionnel 44, par exemple de technologie C.MOS, dont la commande est effectuée en synchronisme avec l'alimentation du bo- binage primaire 6, dont l'électrode d'entrée est reliée au secon- daire du capteur éventuellement par l'intermédiaire d'un circuit de protection contre les tensions négatives, et dont l'électrode de sortie est reliée à un condensateur mémoire 45 dont la tension est lue par un amplificateur continu à grande impédance d'entrée 46. 10. Capteur selon les revendications 6 et 9, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation comportent un transistor ballast 37 dont le courant ne s'annule pas lors du fonctionnement. 11. Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que des moyens particuliers de régulation sont prévus dans le circuit de commande du transistor d'alimentation 37, pour asservir à une valeur de consigne prédéterminée l'alternance positive ou les deux alternances de la composante alternative de la tension pri- maire. 12. Capteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que les moyens de régulation comprennent des moyens 39 de prélèvement de la composante alternative du signal primaire, des moyens de mé- morisation de cette composante par charge d'un condensateur 40 à une tension continue proportionnelle Vl, des moyens de comparai- son 41 avec une tension continue de référence V2 et des moyens d'amplification de l'écart entre les deux tensions V2 et V1 pour fournir une contre-réaction efficace. 13. Capteur selon la revendication 12, caractérisé en ce que les moyens de prélèvement de la composante alternative du signal primaire sont essentiellement constitués par un interrupteur bi- directionnel, par exemple de type C MOS, commandé en synchronisme avec l'onde positive du primaire, dont l'électrode d'entrée est reliée d'une part au primaire 6 du bobinage du capteur, à travers un circuit comportant au moins un condensateur 38 monté en série, - 10 - d'autre part à une borne portée à un potentiel positif de pola- risation V1 servant de référence auxiliaire, de valeur suffi- sante pour interdire tout fonctionnement dans une plage négative, et dont l'électrode de sortie est reliée d'une part au condensa- teur de mémorisation 40, d'autre part à l'entrée inverseuse d'un amplificateur différentiel 41 dont l'entrée non inverseuse est connectée à une deuxième tension de référence V2 supérieure à la \ référence auxiliaire précitée de la valeur de consigne choisie pour la valeur moyennne de l'alternance positive de la composan- te alternative de la tension primaire du capteur, les deux ten- sions de référence pouvant être prélevées en deux points diffé- rents d'un même diviseur de tension alimentés sous tension régu- lée. 14. Capteur selon la revendication 6 ou 9, caractérisé en ce que les moyens de mesure du signal secondaire et les moyens de régulation de la tension primaire utilisent des interrupteurs de prélèvement identiques 39 et 44 fonctionnant simultanément et en synchronisme avec l'alimentation du primaire 6 pour charger chacun un condensateur de mémorisation de la tension échantillon- née correspondante.