Brevet FR2601132A1 — publié le 19880108

- 1 L'invention a pour objet un dispositif capteur d'ondes de pression du type piézo-électrique et un procédé pour sa fabrication. Le dispositif selon l'invention trouve ses applications notamment dans le domaine de la prospection sismique o l'on utilise des dispositifs de réception constitués d'un nombre souvent élevé de récepteurs sismiques disposés à intervalles les uns des autres et connectés à un laboratoire central d'enregistrement. Des ondes acoustiques étant émises dans le sol, on capte au moyen de cet ensemble de récepteurs 10 les signaux qui ont été réfléchis ou réfractés par les différentes interfaces du sous-sol. L'enregistrement et le traitement des signaux captés permettent d'obtenir un ensemble de traces représentatives de la configuration du sous-sol, comme il est bien connu. Chaque récepteur comporte un capteur élémentaire ou plusieurs capteurs interconnectés en série et/ou en parallèle, pour accroître leur sensibilité en tension et en charge, respectivement. Pour les applications marines, les récepteurs sont disposés tout le long d'une gaine étanche ou flûte sismique remorquée en immersion par un navire. 20 Les capteurs couramment utilisés sont du type piézo-électrique. Ils comportent des disques de dimensions relativement faibles réalisés en un matériau piézo-électrique et associés chacun à une paire d'électrodes. Ces disques sont contenus dans des boYtiers comportant 25 une ou plusieurs faces transparentes aux ondes acoustiques. De tels capteurs sont décrits par exemple dans le brevet français N. 1.556.971 et deux de ses additions N. 95.668 et 96.556. Par le brevet français N. 2.145.099, on connait un dispositif capteur -30 constitué d'au moins un élément sensible en forme de bande. Cette 2 601132 -- 2 -bande est d'un ruban souple en matériau piézo-électrique et deux électrodes de part et d'autre du ruban et plus généralement de plusieurs éLéments sensibles interconnectés en série, de manière à augmenter la sensibilité de l'ensemble en tension électrique. Suivant 5 un agencement, on constitue, un récepteur sismique en enroulant en spirale sur un noyau cylindrique isolant une première bande sensible associée à ses deux électrodes. Une bande souple isolante est superposée par enroulement à la première bande sensible. Par dessus, on enroule encore suivant une spirale de sens inverse de la première, 10 une seconde bande sensible. Des bagues en contact respectivement avec les électrodes des deux bandes sensibles sont reliées par des fils conducteurs de manière à réaliser une interconnexion en série. Dans sa réalisation pratique, un tel agencement présente des 15 inconvénients. La connexion électrique des électrodes des' deux bandes sensibles est effectuée généralement aux extrémités du support par l'intermédiaire des bagues conductrices. La résistance des films conducteurs constituant les électrodes n'étant pas négligeable, dans une combinaison en parallèle des deux bandes sensibles par exemple, la 20 longueur des électrodes peut contribuer à limiter La bande passante du capteur. En outre, il se prête mal à une réalisation industrielle dans la mesure o le positionnement des bagues collectrices à chaque extrémité 25 de chaque section de récepteur, doit être effectué à plusieurs stades différents de la fabrication, de manière à se trouver en contact avec les électrodes qui leur correspondent avant de procéder à l'enroulement d'autres couches. Le dispositif capteur et le procédé de fabrication selon l'invention permettent d'éviter les inconvénients ci-dessus mentionnés. Le dispositif capteur comporte au moins deux éléments sensibles constitués chacun d'un ruban en matériau synthétique plastique 35 possédant des propriétés piézo-électriques et associé à deux électrodes disposées de part et d'autre du ruban, les deux éléments sensibles étant superposés sur un support tubulaire et disposés suivant deux enroulements hélicoldaux croisés. Il est caractérisé en ce qu'il comporte un ruban conducteur souple transparent aux ondes acoustiques, enroulé en hélice et superposé à l'enroulement inférieur de manière à recouvrir les bords latéraux de toutes ses spires, le ruban conducteur établissant le contact entre l'électrode externe de l'élément sensible qu'il recouvre et 10 l'électrode intérieure de l'élément sensible qui lui est superposé. Le dispositif peut comporter au moins un ensemble collecteur en contact électrique avec les électrodes associées aux deux éléments sensibles. Cet ensemble collecteur comporte par exemple une première 15 bande conductrice entourant le support tubulaire et au moins une seconde bande conductrice plus étroite que la première, les deux bandes conductrices étant superposées et séparées l'une de l'autre par une couche isolante, et en ce que l'élément sensible inférieur est en contact avec la bande conductrice la plus large. 20 Avec cet agencement, on réalise un dispositif capteur comportant deux éléments sensibles connectés en parallèle par la mise en contact électrique de deux électrodes. Le ruban conducteur mince interposé entre les deux enroulements est transparent aux ondes acoustiques et 25 transmet donc avec une atténuation négligeable les pressions à mesurer. Par le contact étroit qu'il a avec les électrodes des deux éléments sensibles, les déformations mécaniques subies du support tubulaire et résultant de flexions par exemple, sont également transmises aux deux éléments sensibles, ce qui facilite la 30 compensation des tensions parasites nées de ces déformations. En outre, le ruban conducteur permet une parfaite mise en contact des électrodes en regard des deux éléments sensibles ce qui diminue la résistance électrique des connexions et améliore la fiabilité électrique. En outre, les électrodes de chaque élément sensible étant souvent de -4 largeur égale à celle du substrat piézo-électrique, il peut se produire des courts-circuits entre des spires aux croisements des deux enroulements. Le ruban conducteur en recouvrant les bords de l'élément sensible inférieur, évite cet inconvénient. Le procédé qui est aussi l'objet de l'invention concerne la réalisation d'un dispositif capteur tel qu'il est défini ci-dessus. Il est caractérisé en ce qu'il comporte: - l'utilisation d'un support tubulaire de grande longueur sur lequel, à intervalles réguliers, sont fixes des ensembles collecteurs comportant chacun une première bande conductrice entourant le support tubulaire, deux secondes bandes conductrices adjacentes et disjointes superposées à la première bande et séparées de celle-ci 15 par une couche isolante, une partie de la première bande, à chacune de ses extrémités, n'étant pas recouverte par les deux secondes bandes conductrices; - l'enroulage hélicoïdal, tout au long du support tubulaire, 20 successivement du premier élément sensible, du ruban conducteur et du second élément sensible; - le sectionnement de l'élément tubulaire pourvu de ses enroulements, dans l'intervalle entre deux secondes bandes conductrices 25 adjacentes; - le découpage des enroulements à l'extrémité de chaque section, de manière à mettre les électrodes associées à l'élément sensible inférieur en contact électrique respectivement avec la première 30 bande conductrice et une seconde des bandes conductrices; et la fixation de bagues en matériau conducteur respectivement autour de la première bande conductrice, d'une seconde bande conductrice et d'une électrode de l'élément sensible extérieur. 35 Le procédé selon l'invention permet de faciliter la réalisation en - 5 série d'un grand nombre de capteurs à partir d'un support tubulaire de grande longueur pré-équipé d'ensembles collecteurs et d'obtenir une très bonne qualité de fabrication. D'autres caractéristiques et avantages du dispositif et du procédé selon l'invention apparaîtront à la lecture de la description ci-après de deux modes de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs, et en se référant aux dessins annexés o: - la figure 1 montre la support tubulaire et les différents enroulements qui le recouvrent; - la figure 2 montre une partie d'un support tubulaire portant deux ensembles collecteurs, avant l'enroulage des éléments sensibles et 15 du ruban conducteur; - la figure 3 montre schématiquement en coupe et très grossies pour la clarté de la description, une partie du support tubulaire au voisinage d'un ensemble collecteur et les connexions qui sont 20 établies entre celui-ci et les différents enroulements; et - la figure 4 montre une vue analogue d'un autre mode de réalisation du dispositif. Le dispositif capteur comporte (fig. 1) un support tubulaire allongé 1 réalisé en un matériau plastique suffisamment rigide pour résister à l'écrasement mais suffisamment souple pour subir des flexions. Ceci est nécessaire pour de nombreuses applications, en prospection sismique marine notamment o les capteurs sont disposés à l'intérieur 30 de flûtes sismiques. Elles sont enroulées sur des tourets et, pour les besoins de la prospection, sont déroulées derrière un navire et remorquées en immersion. Au cours des manoeuvres les capteurs sismiques inclus subissent des contraintes mécaniques très diverses. Pour donner aux flûtes sismiques une certaine flottabilité, on les 35 remplit généralement d'hydrocarbures. En conséquence on choisit pour réaliser les supports tubulaires des matériaux plastiques résistant - 6 aux hydrocarbures. Sur le support tubuLaire est enroulé en hélice suivant une première direction, un élément sensible 2 d'un type connu comportant une bande 5 de matériau plastique piézo-éLectrique, et de part et d'autre, deux films métalliques servant d'électrodes. Le pas d'enroulement de l'élément sensible est choisi, supérieur à sa largeur afin d'éviter tout recouvrement des spires. Par dessus, est enroulé dans le même sens un ruban conducteur 3 constitué par-exemple d'une bande mince de 10 cuivre. Les spires sont jointives ou légèrement disjointes et le ruban est disposé par rapport au premier éLément sensible enrouLé de manière qu'il recouvre ses bords latéraux. Un second éLément sensible 4 est enroulé en hélice par dessus le ruban conducteur 3. Le pas entre spires est identique à celui du premier élément sensible 3 mais le 15 sens d'enroulement est opposé au premier. Le ruban de cuivre évite les courts- circuits qui peuvent se produire aux intersections de deux spires de sens contraire et comme on l'a vu, il facilite le couplage tant mécanique qu'électrique des électrodes en regard l'une de l'autre des deux éléments sensibles. Pour la réalisation en série des dispositif capteurs, on utilise un support tubulaire de grande longueur (de quelques mètres à quelques dizaines de mètres et même beaucoup plus) sur lequel on fixe à intervalles réguliers (1 m par exemple) des ensembles collecteurs 5 25 (fig. 2) constitués chacun d'une première bande ou bague métallique 6 à laquelle on superpose deux secondes bandes ou bagues métalliques 7. Deux couches isolantes 8 sont interposées respectivement entre la première bague 6 et chacune des deux bagues secondaires. Les deux bagues secondaires sont séparées L'une de l'autre. La largeur de la 30 première bague 6 est choisie de manière que ses deux parties terminales opposées 9 soient découvertes. Avec une machine à bobiner d'un type connu, on enroule sur toute la longueur du support tubulaire le premier elément sensible 2 puis dans 35 le même sens le ruban conducteur 3. Par dessus, on enroule le second élément sensible 4. On sectionne alors le support tubulaire au niveau - 7 de tous les ensembles collecteurs 5 (ou de certains d'entre entre eux selon La longueur des capteurs que L'on souhaite obtenir). La découpe est effectuée suivant le plan médian 15 entre les deux bagues secondaires 7. On raccourcit alors les enroulements de manière à 5 réaliser les contacts électriques montrés plus en détail sur les figures 3 et 4. Suivant le mode de réalisation de la figure 3, le premier élément sensible 2 est découpé de manière que l'électrode inférieure de sa 10 dernière spire vienne s'appuyer contre la partie découverte 9 de la première bague 6 (fig. 2). Une couche isolante 10 est enroulée par dessus. Le ruban conducteur est découpé de manière que sa dernière spire vienne en contact avec la seconde bague 7. Une autre couche isolante 11 est enroulée sur le ruban conducteur au niveau de la 15 partie découverte et donc superposée à la couche isolante 10. On découpe alors le second élément sensible 4 de manière que sa dernière spire vienne s'appliquer contre la couche isolante 11. Trois bagues métalliques de fixation maintiennent un contact étroit 20 entre les enroulements et assurent les connexions électriques. Une première 12 est en contact de la première bague 6. Une seconde 13 applique le ruban conducteur 3 contre la seconde bague 7. Une troisième 14 est serrée par dessus le second élément sensible 4 au niveau des couches isolantes 10 et 11. 25 Des conducteurs électriques peuvent être soudés sur les trois bagues. Selon les cas, on relie directement les bagues 12 et 14 de manière à mettre les deux éléments sensibles en parallèle, ou bien on prélève séparément les tensions électriques qu'ils engendrent entre les bagues 30 12 et 13 d'une part et les bagues 13 et 14 d'autre part. Les deux tensions sont alors appliquées à des étages d'amplification et de filtrage (non représentés) avant d'être éventuellement additionnées. Dans ce mode de réalisation les deux éléments sensibles sont coupés 35 suivant la même section droite et c'est le ruban conducteur 3 qui est prolongé jusqu'à la seconde bague. -- 8 -Suivant le mode de réalisation de la figure 4, le ruban conducteur 3 est interrompu à proximité de la couche isolante 10 et le second élément sensible est prolongé de manière que sa dernière spire vienne en contact de la second bague 7. Ici, c'est l'électrode inférieure du 5 second élément sensible 4 qui assure le transfert des charges électriques du ruban conducteur 3 jusqu'à la bague 14. Le second mode de réalisation présente l'avantage d'être moins épais dans sa partie terminale. Pour conserver aux deux éléments sensibles 10 une longueur identique et permettre par là une meilleure compensation des tensions parasites dues aux flexions du support tubulaire, on raccourcit symétriquement le second élément sensible 4 à l'extrémité opposée du dispositif capteur. L'espace intermédaire o passe le plan de sectionnement 15 entre les deux bagues secondaires 7 d'un même ensemble collecteur 5 étant dépourvu d'enroulement, la fixation des capteurs à leur support (à l'intérieur d'une flûte sismique par exemple) se fait par des colliers (non représentés) serrés autour du support tubulaire, au niveau de cet 20 espace intermédiaire. On ne sortirait pas du cadre de l'invention en enroulant les deux éléments sensibles 2, 4, à spires jointives sur un support tubulaire - et en fixant bords à bords les enroulements réalisés, de manière à 25 pouvoir ensuite ôter le support tubulaire. _- 9 _REVENDICATIONS 1. - Dispositif capteur d'ondes de pression de structure continue du type piézo-électrique comportant au moins deux éléments sensibLes (2, 4) chacun d'eux étant constitué d'un ruban en matériau synthétique plastique possédant des propriétés piézo-électriques et associé à deux 5 électrodes disposées de part et d'autre du ruban, les deux éléments sensibles étant superposés (1) et disposés suivant deux enroulements hélicoldaux croisés, caractérisé en ce qu'il comporte un ruban conducteur souple (3) transparent aux ondes acoustiques, enroulé en hélice et superposé à l'enroulement inférieur de manière à recouvrir 10 les bords latéraux de toutes ses spires, le ruban conducteur (3) établissant le contact entre l'électrode externe de l'élément sensible (2) qu'il recouvre et l'électrode interne de l'élément sensible (4) qui lui est superposé. 2. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'iL comporte au moins un ensemble collecteur (5) en contact électrique avec les électrodes associées aux deux éléments sensibles. 3. - Dispositif selon La revendication 2, caractérisé en ce que chaque 20 ensemble collecteur (5) comporte une première bande conductrice (6) entourant le support tubulaire (1) et au moins une seconde bande conductrice (7) plus étroite que la première, les deux bandes conductrices étant superposées et séparées l'une à l'autre par une couche isolante (8), et en ce que l'élément sensible inférieur (2) est 25 en contact avec la bande conductrice la plus large. 4. - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le ruban conducteur (3) est enroulé par dessus le premier élément sensible (2) jusqu'à venir en contact avec la bande conductrice 30 supérieur (7) plus étroite, les deux éléments sensibles étant interrompus suivant une même section transversale du support tubulaire 2 601132 - 10 et venant se superposer par l'intermédiaire d'une couche isolante (10) sur la partie non recouverte de la bande conductrice La plus large (6), et en ce que chaque ensemble collecteur comporte également trois bagues (12, 13, 11) réalisées en un matériau conducteur et en contact 5 respectivement avec les deux bandes conductrices (6, 7) et une électrode de l'élément sensible extérieur. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément sensible inférieur (2) et l'élément sensible supérieur (4) 10 sont respectivement en contact avec la bande conductrice inférieure (6) et la bande conductrice supérieure (7) plus étroite, le ruban conducteur (3) étant interrompu au voisinage d'une extrémité de la bande conductrice inférieure (6) et en ce que chaque ensemble collecteur comporte également trois bagues (12, 13, 14) réalisées en 15 un matériau conducteur et en contact respectivement avec les deux bandes conductrices (6, 7) et une électrode de l'élément sensible extérieur (4). 6. - Procédé pour la réalisation d'un dispositif capteur d'ondes de 20 pression de structure continue du type piézo-électrique comportant au moins deux éléments. sensibles (2, 4) constitués chacun d'un ruban en matériau synthétique plastique possédant des propriétés piézo-électriques et associé à deux électrodes disposées. de part et d'autre du ruban, les deux éléments sensibles étant superposés sur un 25 support et disposés suivant deux enroulements hélicoldaux croisés, caractérisé en ce qu'il comporte - l'utilisation d'un support tubulaire (1) de grande longueur sur lequel, à intervalles réguliers, sont fixes des ensembles 30 collecteurs (5) comportant chacun une première bande conductrice (6) entourant le support tubulaire, deux secondes bandes conductrices (7) adjacentes (8), une partie de la-première bande 6), à chacune de ses extrémités, n'étant pas recouverte par les deux secondes bandes conductrices (7); l'enroulage hélicoidal, tout au long du support tubulaire, - 11 successivement du premier éLément sensible (2) d'un ruban conducteur (3) et du second élément sensible (4); - le sectionnement de l'élément tubulaire (1) pourvu de ses 5 enroulements dans l'intervalle entre deux secondes bandes conductrices adjacentes; - Le découpage des enroulements à l'extrémité de chaque section, de manière à mettre les électrodes associées à l'élément sensible 10 inférieur (2) en contact électrique respectivement avec la première bande conductrice (6) et une seconde des bandes conductrices (7); et - la fixation de- bagues (12, 13, 14) en matériau conducteur respectivement autour de la première bande conductrice (6) d'une 15 seconde bande conductrice (7) et d'une électrode de l'élément sensible extérieur (4). 7. - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte le découpage du ruban conducteur (3) de manière qu'il vienne 20 en contact de la seconde bande conductrice (7) les deux éléments sensibles (2, 4) étant sectionnés à la même longueur et étant mis en contact respectivement avec la première bande conductrice (6) et avec une bague conductrice (14). 8. - Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte le découpage des deux éléments sensibles (2, 4) à des longueurs inégales, de manière qu'ils soient en contact électrique respectivement avec la première bande conductrice (6) et avec une seconde bande conductrice (7), le ruban conducteur (3) étant sectionné 30 au voisinage d'un bord latéral de la première bande conductrice (6).