Brevet FR2637690A1 — publié le 19900413

Société Anonyme :METRAVIB R. D. S. DISPOSITIF POUR MESURER LES VARIATIONS DE DEUX IMPEDANCES COMPLEXES DIFFERENTIELLES D'UN CAPTEUR La présente invention concerne le domaine technique des dispositifs ou circuits électriques appelés conditionneurs, destinés à etre associés à des capteurs des types capacitif et inductif, pour traduire, sous la forme d'un signaL éLectrique, Les variations d'impédance des capteurs Liées aux évoLutions d'une grandeur physique à mesurer, telLe que, par exemple, une force, une position ou un déplacement. L'invention vise, plus spécialement, les dispositifs électriques permettant de mettre en oeuvre Les méthodes de mesure pour deux capacités différentielles d'un condensateur doubLe constitutif d'un capteur ou pour deux inductances différentielles d'un enroulement double formant un capteur. Les méthodes de mesure différentielLe constituent des modes opératoires qui sont particulierement appropriés et utiLises pour permettre La réduction des erreurs de mesure dont leur amplitude et Leur signe sont considérés comme aléatoires, tout en affectant de façon identique les deux capacités ou inductances. L'art antérieur propose, principalement, deux types de dispositifs adaptés pour des mesures différentielles. Le premier type concerne les montages en pont d'impédances, qui sont conçus pour transférer t'information liée aux variations d'impédances des capteurs, sur l'ampLitude du signal de mesure. Ces montages presentent t'inconvénient majeur d'imposer, soit La mise en oeuvre de transformateurs d'isoLement pour symétriser Les tensions appliquées, ce qui ne permet pas d'obtenir une miniaturisation de ces circuits de mesure ou soit des chaînes différentielLes complexes nécessitant un réglage. De plus, il apparaît que ces montages sont très sensibLes aux capacités parasites et aux perturbations éLectriques, cette sensibilité étant d'autant plus grande que Les capacités ou Les inductances mesurées sont de faiblies valeurs. Le second type est relatif aux oscillateurs à fréquence variable, qui transfèrent l'information, liée aux variations d'impédancesdes capteurs, sur La fréquence du signal de mesure. Dans Le cas de mesure différentieLle, il apparait nécessaire d'utiliser deux osciLLateurs de fréquence, ce qui augmente le coût d'un tet dispositif. De plus, les oscillateurs présentent La particuLarité, par aiLleurs, d'être sensibles aux capacités parasites et, éventuellement, aux perturbations éLectriques. IL apparalt donc le besoin de disposer d'un dispositif adapté pour La mise en oeuvre d'une méthode de mesure, d'une part, pour deux capacités différentielles d'un condensateur double constitutif d'un capteur et, d'autre part, pour deux inductances différentielles d'un enroulement double formant un capteur et, présentant une bonne insensibilité aux capacités parasites et aux perturbations électriques, pour autoriser la mesure de capacités ou d'inductances de faible valeur et permettre ainsi de déceler Les faiblies évolutions de la grandeur physique à mesurer. La présente invention vise, justement, à atteindre cet objectif, en proposant un dispositif de mesure différentielle affectant Les caractéristiques énoncées ci-dessus. L'objet de l'invention vise, également, à offrir un dispositif de mesure apte à être miniaturisé, voire même intégré. Pour atteindre Les objectifs ci-dessus, le dispositif selon L'invention, pour mesurer les variations de deux impédances différentielles d'un capteur, comprend : - un générateur d'une onde porteuse alternative et d'amplitude stable, - un amplificateur opérationnel dont L'entrée inverseuse est reLiée, d'une part, au générateur par L'intermédiaire de la première impédance et, d'autre part, à la sortie de L'amplificateur par la seconde impédance, t'amplificateur déLivrant un signal modulé en amplitude en reLation avec le rapport des deux impédances, - et un détecteur du signaL modulé, monté à La sortie de l'amplificateur opérationneL et adapté pour produire un signal de sortie image de la variation du rapport des deux impédances. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent; à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de L'objet de l'invention. La fig. 1 ilLustre un schéma d'un dispositif de mesure conforme à L'invention, adapté pour un capteur capacitif. La fig. 2 est une vue d'un exemple de capteur formé de deux capacités différentielles. Les fig 3A à 3D sont des diagrammes montrant Les formes de signal en divers points du dispositif de mesure selon L'invention. La fig. 4 iLlustre un schéma d'un dispositif de mesure selon L'invention, adapté pour un capteur inductif. La fig. 5 est une vue d'un exempLe de capteur inductif formé d'un enroulement double. Le dispositif selon l'invention est conçu pour mesurer Les variations d'impédances complexes différentiel Les de capteurs du type capacitif ou inductif, destinés à détecter Les évoLutions d'une grandeur physique, telle que, par exemple, un déplacement, une force, une position ou un niveau. La fig. 1 ilLustre un dispositif conforme à L'invention, adapté pour mesurer les variations de deux capacités différentieLles d'un condensateur doubLe formant un capteur. D'une manière générale, il doit être compris, par capteur capacitif, tous les types de capteurs constitués sous La forme d'un condensateur double différentiel, de structure et de principe de détection quelconques, et dont l'un des éléments constitutifs subit L'infLuence de la grandeur physique à traduire, entrainant une variation, en sens inverse, des capacités des deux condensateurs. A titre d'exempLe, le condensateur peut etre du type à surface variable et à déplacement rotatif ou rectiligne, ou à écartement variable. A titre d'exempLe, La fig. 2 illustre un capteur capacitif 2 à surface variable, permettant de détecter un déplacement rectiligne. Ce capteur comprend deux armatures tubulaires fixes 3, 4, montées coaxiaLes et distantes L'une de L'autre. Une armature mobile 5 est déplacée entre les deux armatures fixes 3, 4 pour constituer un premier condensateur C1 formé entre les armatures 3 et 5 et un second condensateur C2 formé entre les armatures 4 et 5. Les capacités des condensateurs C1 C2 varient en sens contraire, en relation avec te déplacement linéaire de l'armature mobile 5. Le dispositif de mesure selon L'invention comprend un générateur 6 d'une onde porteuse alternative, conçu pour obtenir la stabilisation de t'amplitude de L'onde. Le générateur 6 utiLisé est de tout type connu de l'homme du métier pour assumer une teille fonction de stabilisation. La forme de L'onde et sa fréquence sont déterminées en relation avec les capacités à mesurer et la bande passante choisie. Tel qu'illustré à La fig 3A, L'onde V1, dé livrée par le générateur 6, est, par exemple, du type sinusotdal. Le générateur 6 est connecté à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 7, par L'intermédiaire de L'un des condensateurs, par exemple C1 de capacité variabLe. L'amplificateur 7 comporte te condensateur C2 de capacité variable dans sa boucLe de contre-réaction, c'est-à-dire entre L'entrée inverseuse et sa sortie. L'entrée non inverseuse de L'ampLificateur 7 est reliée à la masse. L'amplificateur opérationel 7, câblé en convertisseur de charge, présente une très faible impédance d'entrée. De plus, étant donné que L'entrée non inverseuse est à La masse, L'entrée inverseuse est une masse virtuelle, tet que cella est ilLustré à la fig. 38. L'amplificateur 7 produit, en sortie, un signaL V3 moduLe en amplitude en relation avec Le rapport des deux capacités des condensateurs C11 C2 (fig. 3C). La sortie de L'amplificateur 7 est connectée à un détecteur 8 du signal modulé V3, adapté pour séparer de L'onde porteuse V1 Le signal modulateur résultant de la variation du rapport des capacités. Le détecteur 8 assure la détection des crêtes du signal V3 pour produire un signal de sortie v4 tfig. 3D), image de La variation du rapport des deux capacités et correspondant à l'enveloppe supérieure du signal V3, Le détecteur 8 est de tous types connus de l'homme du métier pour assumer les fonctions ci-dessus. Par exempte, le détecteur 8 comporte un redresseur simple constitué par une diode 9 montée à La sortie de l'ampLificateur 7.Le détecteur 8 comporte, égaLement, un fiLtre passe-bas formé par un condensateur 10 et par une résistance 11 montés en parallèLe et reliés à la cathode de ta diode 9. Le dispositif de mesure selon l'invention constitue un circuit éLectrique, de conception simpLe, d'un coût de fabrication réduit et pouvant être miniaturise, voire même intégré, en raison de la nature des composants utilisés. De pLus, Le dispositf de mesure permet de mettre toutes Les armatures des condensateurs C11 C2 du capteur en des points à faible impédance, de manière à obtenir une bonne insensibilité aux capacités parasites et aux perturbations électriques. De ce fait, un tel dispositif autorise la mesure de capacités de faible valeur, assurant la détection des faibles évolutions de la grandeur physique à mesurer. Par ailleurs, le dispositif de mesure selon l'invention permet de linéariser directement une variation hyperbolique des capacités, en plaçant, dans la boucle de contre-réaction de l'amplificateur 7, la capacité qui varie en relation inverse du dépLacement. Cette variation apparaît, notamment, dans le cas d'armatures se dépLaçant normalement à Leur plan. La fig. 4 illustre un dispositif conforme à L'invention, destiné à mesurer tes inductances différentielles d'un enroulement double formant un capteur. La fig. 5 illustre, à titre d'exempLe, un capteur inductif comportant un premier enroulement L1 et un second enroulement L2 reliés ensemble en un point milieu M. Le capteur comporte un noyau ferromagnétique N placé à L'intérieur des enroulements. L'inductance des enrouLements L1, L2 varie en sens inverse, en relation avec le déplacement du noyau N. Les enroulements L1, L2 du capteur sont connectés aux éléments du dispositif de mesure selon l'invention, de façon identique aux capacités C1, C2. Le dispositif de mesure assume Les fonctions décrites ci-dessus. Ainsi, l'amplificateur 7 produit en sortie un signal V3 moduLe en amplitude en relation avec Le rapport des deux inductances des enroulements L1, L2. Le détecteur 8 engendre un signal de sortie V4 image de La variation du rapport des deux inductances. L'invention n'est pas Limitée aux exempLes décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Dispositif pour mesurer Les variations différentielles d'une première et d'une seconde impédances d'un capteur, caractérisé en ce qu'il comprend - un générateur (6) d'une onde (V1) porteuse alternative et d'amplitude stable, - un amplificateur opérationnel (7) dont L'entrée inverseuse est reliée, d'une part, au générateur par l'intermédiaire de la première impédance et, d'autre part, à la sortie de l'amplificateur par La seconde impédance, L'amplificateur délivrant un signal (V3) modulé en amplitude en relation avec le rapport des deux impédances, - et un détecteur (8) du signal modulé, monté à la sortie de L'amplificateur opérationnel et adapté pour produire un signal de sortie (Vq) image de la variation du rapport des deux impédances. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les impédances sont du type capacitif pour un capteur formé d'un condensateur double (C1, C2). 3 - Dispositif selon La revendication 1, caractérisé en ce que les impédances sont du type inductif, pour un capteur formé d'un enroulement double CL1, L2). 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur (8) est du type à détection d'enveloppe et comporte un redresseur et un filtre-bas. 5 - Dispositif selon La revendication 2, caractérisé en ce que le redresseur est formé par une diode reliée à la sortie de l'amplificateur (7), tandis que te filtre passe-bas est formé d'une résistance (11) et d'un condensateur (10) montés en parallèle et reliés à la cathode de la diode redresseuse. 6 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'amplificateur opérationnel (7) comporte une entrée non inverseuse reliée à la masse. 7 - Dispositif selon La revendication 2, caractérisé en ce que le condensateur (C2) comporte une capacité qui varie, en relation inverse du déplacement de l'une de ses armatures.