Brevet FR2614152A1 — publié le 19881021

PROCEDE DE COMPENSATION D'UN CIRCUIT A AMPLIFICATEUR DE CHARGE, NOTAMMENT POUR HYDROPHONE PIEZOELECTRIQUE La présente invention se rapporte aux procédés de compen- sation des circuits à amplificateur de charge. Elle est particuliè- rement adaptée aux circuits utilisés pour amplifier les signaux des hydrophones piézoélectriques, notamment de ceux utilisant un matériau en polymère piézoélectrique. Il est connu de fabriquer des antennes acoustiques avec des capteurs piézoélectriques dont le matériau est un polymère ou copolymère piézoélectrique tel que le PVF 2. On a représenté sur- la figure I une vue en coupe de la structure généralement utilisée pour un tel capteur. Celui-ci comporte deux couches de polymère 10 et Il 1 séparées par une couche conductrice 12 formant électrode. Ces deux couches sont polarisées dans la direction de leur épaisseur et dans des sens opposés. Elles sont revêtues sur leur face extérieure par des électrodes conductrices 13 et 14. Le signal électrique de sortie Ve est pris entre l'électrode centrale et ces deux électrodes externes qui sont reliées ensemble. Chacun de ces capteurs, dits surfaciques, peut se présenter sous la forme d'un rectangle de dimensions notables, pouvant dépasser la centaine de centimètres carrés. On sait réunir ces capteurs en parallèle pour constituer une antenne acoustique plane de grandes dimensions. En raison de leur souplesse, on sait aussi leur donner d'autres formes, par exemple une forme cylindrique en les plaçant à l'inté- rieur ou à l'extérieur d'un cylindre isolant. Pour amplifier le signal de sortie Ve du capteur, on utilise couramment un amplificateur de charge dont le schéma est repré- senté en figure 2. Le capteur 20 est connecté par l'une de ses électrodes à l'entrée d'un amplificateur différentiel 21 à très grand gain et à très grande impédance d'entrée. Ce genre d'amplificateur, connu sous le 2 6 1 4 1 5 2 nom d'amplificateur opérationnel, est tout à fait courant. L'entrée + de cet amplificateur est connectée à la masse, comme l'autre électrode du capteur. La sortie de l'amplificateur 21 est reliée à son entrée - par l'intermédiaire d'un condensateur de contre-réaction 22 de capacité Cr. Au point de vue électrique, le capteur 20 est un condensateur de capacité Ch. Le signal de sortie Vs est donc donné par: Ch - Cr Vs = - C Ve r En raison des dimensions du capteur, la capacité Ch est relati- vement importante, et en choisissant alors une valeur de C très r petite par rapport à Ch, l'amplification du montage est sensiblement égale à: Vs Ch Ve Cr Le capteur 20 ne réagit pas seulement aux signaux acoustiques qu'il reçoit en délivrant un signal Ve variable, mais il est également sensible à plusieurs paramètres extérieurs, notamment la pression hydrostatique et la température, qui font varier la capacité Ch. Ceci fait varier de manière importante, tant en amplitude qu'en phase, la fonction de transfert Vs/Ve, d'o une incertitude impor- tante sur les mesures. Cet inconvénient est particulièrement notable dans le cas des antennes acoustiques montées sur des véhicules dont l'immersion change, tels que les sous-marins ou les sonars remorqués. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose de remplacer la capacité 22 par une petite portion du capteur 20 lui- même, ce qui compensera automatiquement l'action des facteurs extérieurs. D'autres particularités et avantages de l'invention apparattront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif en regard des figures annexées qui représentent: -la figure 1, une vue en coupe d'un capteur piézoélectrique; 2 6 1 4152 - la figure 2, un'schéma d'un amplificateur de charge pour un tel capteur; - la figure 3, un schéma d'un amplificateur de charge muni d'un capteur modifié selon l'invention; - la figure 4, une vue en coupe du capteur 30 de la figure 3; et - la figure 5, une vue d'un capteur selon l'invention, de forme cylindrique. On a représenté sur la figure 3 un capteur 300 modifié selon l'invention et connecté à un amplificateur de charge 310, et sur la figure 4 une coupe de ce capteur. Ce capteur 300 comprend, comme sur la figure 1, deux couches piézoélectriques 30 et 31 polarisées en sens inverses, une électrode centrale 32 et deux électrodes externes 34 et 35. Les électrodes externes sont reliées en parallèle à l'entrée + de l'amplificateur 310, et l'électrode centrale à l'entrée -. Pour former le condensateur de contre-réaction, on découpe les électrodes externes pour former deux petites portions 36 et 37 isolées du reste de l'électrode, identiques et situées vis-à-vis l'une de l'autre. Sur la figure la découpe 38 qui forme la portion 36 à la forme d'un carré, mais elle peut être quelconque, par exemple circulaire. Chacune de ces portions forme avec l'électrode centrale un petit condensateur dont le comportement vis-à-vis des paramètres extérieurs est le même que celui du grand condensateur formé par le reste de l'électrode et l'électrode centrale. Pour assurer encore mieux l'identité de ces comportements, il est préférable de placer les portions 36 et 37 au centre du capteur. On peut néanmoins, pour faciliter les connexions notamment, les placer près des bords tout en gardant un fonctionnement très satisfaisant. On obtient le condensateur de contre-réation en reliant les deux portions 36 et 37 en parallèle à la sortie de l'amplificateur 310, lélectrode centrale étant reliée à l'entrée- comme on l'a vu plus haut. La capacité de ce condensateur est donc le double de celle des deux petits condensateurs ainsi mis en parallèle. Il en est de même pour la capacité du reste du capteur qui est aussi équivalent à deux 2 6 1 4 1 5 2 condensateurs en parallèle. On remarque que l'électrode centrale étant commune au condensateur capteur et au condensateur de contre-réaction, il est nécessaire de la relier à l'entrée- de l'amplificateur pour avoir effectivement une contre-réaction. En effet, selon les conventions habituelles, le gain de l'amplificateur est positif pour l'entrée + et négatif pour l'entrée -. De cette manière le condensateur de contre-réaction a le même comportement que le condensateur formé par le capteur et seules les valeurs des capacités différent, leur rapport étant égal au rapport des surfaces utilisées. On remarque d'ailleurs qu'il n'est plus alors nécessaire d'ajuster la valeur du condensateur de contre- réaction selon le capteur effectivement utilisé, dont la capacité peut varier d'un échantillon à l'autre, puisque le rapport voulu est obtenu automatiquement par construction. Il y a donc une compen- sation automatique quels que soient les paramètres perturbateurs appliqués au capteur, à condition, ce qui est le cas le plus fréquent, qu'ils soient uniformes sur l'étendue du capteur et non pas localisés à une partie de celui-ci. Il en résulte également une amélioration considérable de la reproductibilité des ensembles capteurs-préampli- ficateurs qui constituent l'antenne, puisque dans la plupart des réalisations on associe un certain nombre de capteurs munis d'un amplificateur comme sur la figure 3, cet amplificateur jouant dans ce cas le r8le d'un préamplificateur. D'autres formes du capteur sont tout à fait réalisables et on a représenté à titre d'exemple sur la figure 5 un capteur cylindrique modifié selon l'invention et dans lequel le condensateur de contre- réaction est formé par une petite couronne 56 délimitée sur l'électrode extérieure 55 par deux découpes circulaires 58 et 59. Une connexion 60 relie les deux parties de l'électrode 55 séparées par la couronne 56. Dans cette réalisation il n'y a qu'une couche de matériau piézoélectrique et deux électrodes dont celle qui est intérieure au cylindre (mais extérieure à la couche piézoélectrique) n'est pas découpée. Le fonctionnement est cependant tout à fait semblable à celui de l'exemple précédent, et on pourrait bien entendu utiliser un cylindre à deux couches et trois électrodes. 2 6 1 4 1 5 2 REVENDICATIONS 1. Procédé de compensation d'un circuit à amplificateur de charge, notamment pour hydrophone piézoélectrique, ce circuit comportant un capteur comprenant au moins une couche isolante (30) recouverte de deux électrodes conductrices (32, 35) formant avec cette couche un condensateur, un amplification opérationnel différentiel (21) comprenant deux entrées + et- reliées respecti- vement aux deux électrodes, et un condensateur (22) de contre- réaction connecté entre la sortie et l'entrée- de l'amplificateur, caractérisé en ce qu'on utilise pour former le condensateur de contreréaction au moins une petite portion (36) de l'électrode reliée à l'entrée -, cette petite portion étant isolée du reste de l'électrode et reliée à la sortie de l'amplificateur (21>. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capteur comprend deux couches isolantes (30, 31) séparées par une électrode conductrice centrale (32) et recouvertes par deux élec- trodes conductrices externes (34, 35) et que l'on utilise deux petites portions (36, 37) de respectivement chacune des électrodes externes, ces portions étant sensiblement identiques, situées en vis-à-vis et connectées en parallèle à la sortie de l'amplificateur. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la portion d'électrode (36, 37) est située sensiblement au centre du capteur. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 3, caractérisé en ce que le capteur est cylindrique (55) et que la portion d'électrode à la forme d'une couronne (56) découpée sur ce cylindre. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications I à 4, caractérisé en ce que le capteur est un hydrophone comprenant au moins une couche (30) de polymère piézoélectrique.