Brevet FR2656702A1 — publié le 19910705

I DETECTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE La présente invention concerne un détecteur de champ magnétique destiné, en particulier, à détecter le champ magnétique terrestre Ce détecteur comprend au moins un détecteur de champ magnétique à bobine qui est prévu pour produire un signal électrique proportionné à une valeur du champ magnétique détecté. Des dispositifs pour déterminer le champ magnétique terrestre sont connus depuis longtemps sous forme de boussoles Ceux-ci utilisent généralement une aiguille magnétique à pointe réglée sur les directions nord/sud du champ magnétique et relativement difficile à lire. Un équipement plus sophistiqué de boussoles utilise des détecteurs électromagnétiques comportant différents types de solénoïdes auxquels des tensions électriques sont appliquées et qui sont prévus pour fournir les signaux de mesure pour indiquer ou lire les instruments Un tel équipement est utilisé, par exemple, pour aider à la manoeuvre des navires et avions, et la conception relativement compliquée d'un tel équipement le rend très coûteux. L'objet de la présente invention est de fournir un instrument facilement lisible et fiable pour déterminer le champ magnétique terrestre, par un moyen relativement simple Cet objectif est atteint avec un dispositif du type précité dans lequel le moyen de détection du champ magnétique comprend un détecteur comportant un matériau magnétique bistable ayant une hystérésis à angle droit essentiellement Le détecteur est, au moins partiellement, entouré par au moins une bobine pour détecter le champ magnétique recherché, cette bobine étant prévue pour faire alterner le sens des magnétisations du détecteur. Le dispositif inventif est avantageusement composé d'un ou plusieurs filaments métalliques/fibres magnétiques amorphes ou microcristallins, ciaprès désignés uniquement sous le nom de fibres, qui ont deux états bistables de magnétisation Les fibres sont disposées d'une manière fixe par rapport à un objet dont le sens ou l'orientation par rapport au champ magnétique terrestre doit être déterminé. En appliquant un signal d'entraînement par la bobine entourant les fibres respectives, la fibre est soumise à un champ magnétique de référence qui est prévu pour alterner périodiquement et pour avoir une magnitude telle que les fibres passent d'un état bistable à l'autre, à temps, avec lesdits changements Ainsi, pour un procédé de fabrication avec un alliage et des fibres donné, les impulsions de tension induites dans la bobine auront un rapport clair avec tout le champ magnétique auquel la fibre est soumise Dans un mode de réalisation de l'invention, on mesure le délai d'impulsion qui se produit par rapport à un point de temps de référence se rapportant à la commutation périodique du champ magnétique ou à la différence de temps entre une impulsion positive et une impulsion négative et entre une impulsion négative et une impulsion positive En appliquant les impulsions de tension induites à un circuit de mesure, il est possible d'obtenir une mesure du champ magnétique terrestre recherché. La présente invention utilise les propriétés connues de certains alliages métalliques qui obtiennent une structure cristalline amorphe ressemblant au verre par le procédé de solidification dit rapide De tels alliages ont été produits sous forme de fils ou de fibres par un procédé spécial qui, en bref, implique d'injecter l'alliage en métal fondu dans un bain d'eau à l'intérieur d'un tambour tournant rapidement ("technique de trempe rapide dans de l'eau en rotation") décrit par I Ohnaka et al à Proc 4 ème Intl Conf sur les métaux à trempe rapide, 1982 Les fils magnétorestrictifs amorphes de ce type ont un sens unique de magnétisation avec seulement deux états autorisés et sont donc désignés normalement sous le nom de bistables Ce comportement est décrit par K Mohri et ai dans IEEE Trans Magn, MAG-20, 1984, page 1409. Le dispositif selon l'invention sera décrit maintenant plus en détail en référence aux différents modes de réalisation cités en exemples et illustrés par les figures du dessin joint, dans lequel: Figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un moyen de bobine de détection de champ magnétique selon l'invention; Figure 2 illustre le sens caractéristique de la magnétisation d'un détecteur avec une configuration avec fibres amorphes selon l'invention; Figure 3 illustre schématiquement le moyen de bobine et les circuits d'entraînement associés pour un dispositif construit selon l'invention et destiné à être utilisé comme détecteur boussole; Figure 4 illustre les principes d'un mode de réalisation des circuits d'alimentation qui, avec la disposition du circuit d'entraînement selon la Figure 3, complètent un détecteur de champ magnétique selon la présente invention; Figure 5 est un diagramme de courbe illustrant les signaux d'entraînement et de mesure du circuit obtenus avec un détecteur selon les Figures 3 et 4, o les Figures 5 a et 5 b illustrent le sens des signaux lorsqu'ils ne sont pas influencés par le champ magnétique terrestre, alors que les Figures 5 c et 5 d illustrent le sens desdits signaux sous l'influence du champ magnétique terrestre. Figure 6 montre un bloc schématique d'un mode de réalisation préféré du circuit de mesure du détecteur selon l'invention; et Figure 7 est un diagramme des courbes des signaux en différents points du circuit illustré à la Figure 6. Le dispositif selon l'invention fournit un nouveau principe de mesure pour déterminer les champs magnétiques et leur sens directionnel par rapport à un objet Le dispositif comprend un moyen 1 de détection de champ magnétique, comme montré à la Figure 1 Dans le mode de réalisation préféré, le moyen de bobine l comprend une fibre amorphe 2 qui est prévue pour être montée d'une manière fixe sur l'objet (non montré) dont le sens relatif doit être déterminé La fibre 2 détecte ainsi le sens magnétique et le sens directionnel du champ magnétique environnant La fibre 2 montre un vecteur de magnétisation orienté axialement qui montre un effet important dit de Barkhausen quand le vecteur est inversé au moyen d'un champ magnétique de référence appliqué extérieurement dont la composante axiale dépasse une valeur prédéterminée Cela signifie que la remagnétisation de la fibre se produit essentiellement en une seule phase qui est un comportement bistable, puisque le vecteur magnétisant a seulement deux directions antiparallèles autorisées La remagnétisation se produit en présence d'un champ magnétique qui est caractéristique à la fibre et qui, dans le cas présent, est réalisé à l'aide d'une bobine d'entraînement 3 Chaque fois que la magnétisation de la fibre 2 est inversée, une impulsion de tension est engendrée dans une bobine de détection 4 qui a une configuration particulière dans le cas illustré et qui sera décrite plus en détail ci-après. Dans le cas du mode de réalisation décrit du moyen de bobine 1, la bobine d'entraînement 3 entoure la fibre amorphe 2 sur toute sa longueur, alors que l'extension axiale de la bobine de détection 4 est limitée à une partie de la fibre 2, de préférence sa partie centrale Dans un mode de réalisation pratique du moyen de bcb ine 1, on utilise une fibre amorphe 2 ayant un diamètre de 30 microns et qui est entourée d'une couche électriquement isolante 5 dont le diamètre extérieur est approximativement de 2 mm La couche isolante 5 supporte la bobine de détection 4, qui comporte un enroulement de fil de 280 spires La bobine d'entraînement 3 est placée à l'extérieur de la bobine de détection 4 et, dans le cas dudit mode de réalisation pratique, elle comporte un enroulement de fil de 800 spires. Une fibre bistable amorphe 2 a un sens de magnétisation caractéristique illustré à la Figure 2, qui illustre la magnétisation M de la fibre en fonction du champ magnétique externe H Quand le champ magnétique H augmente à partir du niveau H Il comme indiqué par la flèche PI, la magnétisation M ne change pas jusqu'à ce qu'un champ magnétique critique + HK soit atteint A ce moment-là, la magnétisation M passe rapidement au niveau M La magnétisation M ne change pas du fait de l'augmentation continue du champ magnétique H Quand le champ magnétique H diminue, un changement rapide de magnétisation se produit quand le champ magnétique H est égal à Hi(, comme indiqué par la flèche P 2. Puisque la fibre 2 a seulement deux états de magnétisation, la remagnétisation avec le champ magnétique H externe se produira très rapidement dès qu'un champ magnétique H Ksera dépassé Dans le cas d'une fibre à solidification rapide non-traitée, ce champ magnétique est d'environ 70 m Oe ( 5 A/m) Dans le cas d'une fibre traitée thermiquement d'un façon appropriée, le champ critique HK peut être prévu pour atteindre environ 1 Oe ( 80 A/m) (R Malmhâll et ai, IEEE Trans Magn ( 1987) La qualité et les propriétés des fils peuvent être ainsi changées par des procédés de traitement thermique différents. Quand on utilise le moyen de bobine 1 pour mesurer les champs magnétiques, un avantage est aporté quand la bobine d'entraînement 3 est alimentée par un courant I qui fournit un champ magnétique à ondes triangulaires H, dont l'amplitude, selon un mode de réalisation de la présente invention, est supérieure au champ magnétique critique Hi remagnétiser la fibre 2. La Figure 5 a illustre un tel champ magnétique à ondes triangulaires H le long de l'axe t, ledit champ magnétique H étant ainsi engendré par la bobine d'entraînement 3 alimentée par le courant I Chaque fois que l'amplitude du champ magnétique H dépasse les niveaux +Hiç et HK pour le champ magnétique critique, une courte impulsion de tension e est idnuite dans la bobine de détection 4, comme montré à la Figure 5 b L'intervalle de temps to entre chaque impulsion positive de tension est déterminé par la période de temps T (la fréquence f) du champ magnétique alternatif H. L'intervalle de temps to entre une impulsion positive et une impulsion négative de tension est la moitié du temps T et quand la fibre 2 n'est pas influencée par un autre champ magnétique. Si la fibre 2 est également influencée par un autre champ magnétique, par exemple le champ magnétique terrestre HA (Figure 5 c), l'intervalle de temps t>c, selon la Figure 5 d, entre une impulsion positive et une impulsion négative, variera de la moitié de la période de temps 5 Cet intervalle de temps constitue ainsi une mesure de la force de l'autre champ magnétique le long de l'axe de la fibre 2, selon H' = At + B, o A et B sont des constantes, dont les valeurs sont déterminées par l'intervalle de temps et l'amplitude du champ magnétique alternatif (triangulaire). Dans un cas arbitraire, o le champ magnétique Hj forme des angles avec le sens du fil, deux moyens de bobine sont convenablement disposés aux angles formés entre eux, de préférence des angles droits, afin de déterminer les composantes du champ magnétique inconnu Certains modes de réalisation peuvent utiliser trois moyens de bobine 1, par exemple quand on a un besoin de compenser des angles Dans ce cas-là, les trois moyens de bobine 1 sont disposés en nombre correspondant aux plans des surfaces perpendiculaires entre elles. Une telle disposition comprenant deux moyens de bobine de détection de champ magnétique est illustrée schématiquement à la Figure 3, sur laquelle les moyens de bobine sont référencés IA et l B Les bobines d'entraînement agissant conjointement avec les moyens de bobine respectifs sont respectivement référencées 4 A et 4 B d'une façon correspondante Les circuits de mesure des bobines de détection 4 A, 4 B sont décrits ci-dessous en même temps qu'un exemple de mode de réalisation illustré à la Figure 4 Le mode de réalisation des circuits d' traînement pour les bobines d'entraînement 3 A, 3 B sera décrit en premier. Les circuits d'entraînement pour les bobines d'entraînement 3 A, 3 B ont la même configuration, et de ce fait on ne décrira qu'un des circuits d'entraînement Chacun de ces circuits d'entraînement comprend un générateur d'ondes triangualires 10 et un étage d'entraînement 11, o le dernier étage comporte essentiellement un étage d'amplification à retour dont la sortie 12 est connectée à une extrémité de la bobine d'entraînement 3, alors que l'autre extrémité de ladite bobine d'entraînement est connectée à la terre. Chacun des générateurs d'ondes triangulaires 10 comprend, d'une façon connue, un étage 13 d'amplification ayant une valeur ohmique de retour réglable 14 avec laquelle l'amplitude de l'onde triangulaire est déterminée, et une résistance réglable 15 qui est connectée à la sortie de l'étage d'amplification 13 et avec laquelle la fréquence de l'onde triangulaire est déterminée Le signal provenant de la résistance 15 est fourni à l'étage d'entraînement Il par un autre amplificateur 16. Les bobines de détection 4 A et 4 B appartenant aux moyens de bobine de détection du champ magnétique respectifs l A, l B se trouvent dans le mode de réalisation de la Figure 4 et chacune d'elles est connectée à un circuit de mesure 20 Les circuits de mesure 20 sont identiques et, par conséquent, on ne décrira qu'un seul circuit. Chaque circuit de mesure 20 comprend une phase 21 d'amplification qui est alimentée à partir d'une bobine de détection ass ociée 4 La sortie de l'étage 21 d'amplification est connectée à un étage de formation d'impulsions 23 qui, à son tour, est connecté à un étage 22 de différence de temps. Le signal fourni par la bobine 4 de détection se compose de "pointes" er du genre décrit ci-dessus, en référence aux Figures 5 b et 5 d, ces signaux étant amplifiés et ensuite transmis à l'étage de formation des impulsions 23 Les circuits de l'étage 23 de formation des implusions sont conventionnels et le traitement des signaux une onde carrée U, dont la relation impulsion/largeur constitue une mesure de la force du champ magnétique détecté par la bobine 4 de détection L'onde carrée U est évaluée au moyen de l'étage 22 de différence de temps, afin d'obtenir, à la sortie de l'étage, un signal d'exécution t/T qui est directement proportionnel à ladite force de champ magnétique et qui peut être utilisé comme moyen d'indication (non montré) pour indiquer, par exemple, la direction de la barre du navire sur laquelle le détecteur de champ magnétique (dans ce cas-ci une boussole) est installé Dans ce cas-là, les bobines de détection 4 A, 4 B forment un angle entre elles et les signaux t A et t B d'exécution produits diffèrent l'un de l'autre du fait de l'influence différente du champ magnétique terrestre sur la fibre dans chaque moyen de bobine auquel appartiennent les bobines 4 A et 4 B de détection. Dans un mode de réalisation préféré du détecteur de champ magnétique selon l'invention, le procédé de commutation de circuit décrit précédemment a été encore simplifié en contrôlant la méthode à l'aide d'un microprocesseur MCU, décrit ci-après avec référence aux Figures 6 et 7. Ainsi, la Figure 6 montre un bloc schématique illustrant un détecteur de champ magnétique dans lequel le détecteur comprend une fibre bistable amorphe (non montrée) entourée d'une seule bobine 103 qui fonctionne à la fois comme bobine d'entraînement et comme bobine de détection La bobine 103 est alimentée par un signal l Ola d'entraînement à partir d'un intégrateur 101 et produit un signal de sortie l O a qui est influencé par le champ magnétique inconnu et qui est amplifié dans un étage d'amplification et de détection 121 Cet étage 121 produit ainsi un signal amplifié 121 a qui se compose seulement des parties de signal qui correspondent au champ magnétique inconnu, c'est-à-dire des "pointes" et, qui sont fournies à un comparateur 123 dans lequel les "pointes" e r obtenues contre le champ magnétique inconnu sont divisées en signaux dépendants biphasés 123 a et 123 b Ces signaux dépendants biphasés 123 a et 123 b sont prévus pour activer une bascule bistable 122, dont le signal de sortie 122 a est appliqué à l'intégrateur 101 comme "signal de spire" Selon le sens directionnel des pointes obtenues du comparateur 123, la sortie de la bascule 122 est réglée à un niveau haut ou à un niveau bas qui, à son tour, commande alternativement le sens directionnel de l'intégrateur 101 (le champ magnétique engendré par le champ lui-même, par l'intermédiaire de la bobine 103) La bascule 122 est ainsi prévue pour adopter une position qui inverse le sens du courant et, de ce fait, également le sens de direction du champ magnétique Quand le champ magnétique en direction contraire correspond au champ d'inversion de la fibre, la fibre est inversée, du fait que l'impulsion de tension induite à l'intérieur inverse encore le sens du courant Le circuit oscillera ainsi à une fréquence donnée (normalement 8 k Hz). Si aucun champ magnétique externe n'est appliqué, le circuit oscillera symétriquement par rapport au niveau de référence, c'est-à-dire que la valeur moyenne rectifiée prendra la valeur OV relativement par rapport au niveau de référence, qui est la moitié de la tension d'alimentation D'autre part, si un champ magnétique externe est appliqué (le champ magnétique terrestre), la valeur moyenne de la tension en dents de sc ie produite sera une valeur de tension positive ou une valeur de tension négative par rapport à la tension de référence Cette tension est directement proportionnelle au champ magnétique externe appliqué Hj. L'intégrateur 101 fournit un signal d'entraînement 101 c à un étage de lissage 106, les signaux l Ola et 101 c étant avantageusement identiques Un signal d'exécution 106 a est fourni depuis l'étage de lissage 106 à un microprocesseur 107 Suivant la magnitude du signal d'exécution 106 a, le microprocesseur 107 délivre un signal 107 a à un étage de l'utilisateur 108, qui peut, par exemple, être l'étage de visualisation du type LCD et qui fonctionne pour fournir toute information directe en ce qui concerne les dimensions et le sens directionnel du champ magnétique D'autres unités peuvent également être connectées au mocroprocesseur 107. Dans un mode de réalisation o l'on a préféré le mode de réalisation du détecteur de champ magnétique afin de l'utiliser comme di sposition de boussole d'indication, on utilise également deux fibres qui sont disposées substantiellment à angles droits, le longdes axes x et y-, avec les bobines associées 103 Chaque bobine est entraînée de la façon illustrée à la Figure 6, bien que le microprocesseur 107 soit commun aux deux bobines, comme indiqué par les entrées 100 en pointillé sur le microprocesseur 107. Un signal de contrôle 122 b est appliqué au microprocesseur 107, en plus dudit signal d'exécution 106 a Le signal de contrôle 122 b est obtenu à partir de la bascule 122 et il est prévu pour assumer la fréquence précédemment mentionnée Cette fourniture de fréquence cessera en cas de perturbations de radio ou autres défaillances ou erreurs dans le circuit, qui sont immédiatement détectées dans le microprocesseur 107 Le microprocesseur 107 essaiera alors de faire redémarrer le circuit, en envoyant à la bascule 122 un signal d'horloge 107 b, ce qui fera changer l'intégrateur 101 de direction Si la perturbation a cessé et si le circuit est exempt d'erreur, le processus redémarrera. Les signaux ci- dessus mentionnés 101 a, 103 a, 121 a, ep, 123 a, 123 b, 122 a, 101 c, 106 a et 107 a sont illustrés par le diagramme de courbe reproduit à la Figure 7. Comme on le verra à la Figure 7, on a également utilisé, dans ce mode de réalisation préféré, un signal d'entraînement 101 a, 101 c du type à onde triangulaire On notera, cependant, que l'amplitude du signal d'entraînement 101 a, 101 c ne dépasse jamais le niveau +Hk et -H, mais reste entre ces valeurs de pointe Il en résulte une économie d'énergie qui n'est pas sans importance, par comparaison avec le dispositif illustré aux Figures 3 à 5 Quand la bobine 103 détecte le champ magnétique extérieur à détecter, les valeurs de pointe du signal d'entraînement 101 a, 101 c sont superposées avec les "pointes" er, comme le montre le diagramme pour le signal de sortie 103 a Le "signal de pointe" est cultivé dans l'étage d'amplification et de détection 121, comme cela deviendra évident sur la diagramme 121 a, et le signal est divisé, dans le comparateur 123, en signaux dépendant de la phase 123 a, 123 b selon le diagramme correspondant de la Figure 7 Le diagramme 122 a montre les impulsions d'horloge référencées "signaux de spires" qui contrôlent l'intégrateur 101 Le diagramme le plus bas 106 a montre le niveau de tension de courant continu formant le signal d'exécution appliqué au microprocesseur 107. Ce niveau de tension de courant continu est proportionnel au champ magnétique terrestre H qui, dans ce cas, est le champ magnétique à détecter. Les circuits utilisés dans ce mode de réalisation préféré du détecteur de champ magnétique selon l'invention, sont aussi grandement simplifiés, pendant que, dans le même temps, on fait des économies de consommation de courant. Bien que le dispositif de l'invention ait été décrit ci-dessus avec référence aux dessins en ce qui concerne certains modes de réalisation pris comme exemples, avec l'électronique pour les étages du circuit actuellement les plus avantageux, il est évident, pour l'homme de l'art, que les résultats correspondants peuvent également être obtenus avec l'aide d'autres modes de réalisation de circuits. REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection de champ magnétique, particulièrement pour la détection du champ magnétique terrestre, comprenant au moins un moyen de bobines de détection de champ magnétique ( 1) qui est prévu pour produire un signal électrique comme valeur du champ magnétique détecté, carctérisé en ce que le moyen de bobines ( 1) comprend un détecteur ( 2) fait dans un matériau magnétique principalement à angle droit, ledit détecteur étant entouré partiellement par au moins une bobine ( 3, 4; 103) opérative pour détecter le champ magnétique recherché, qui est prévu pour faire alterner la magnétisation du détecteur. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le détecteur ( 2) comprend une partie allongée faite d'un ou plusieurs fils métalliques ou fibres amorphes bistables magnétiques qui sont orientés dans la direction de l'axe long de ladte pièce. 3 Dispositif selon les revendicatiosn 1 et 2, caractérisé en ce que le détecteur ( 2) comprend une première bobine ( 4), qui fonctionne pour détecter le champ magnétique recherché, et une seconde bobine ( 3) qui fonctionne pour engendrer un champ magnétique de référence, dans lequel la seconde bobine ( 3) a un enroulement de magnétisation qui est connecté à un circuit d'entraînement (Figure 3) et qui est prévu pour influencer l'état de magnétisation du ou des fils ( 2) inclus dans ledit membre, de telle sorte que ledit membre passe d'un état à l'autre, à temps, avec le champ magnétique alternant. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le circuit d'entraînement (Figure 3) comprend un générateur de signal ( 10) qui est prévu pour engendrer une onde triangulaire, ladite onde étant délivrée à la seconde bobine ( 3) par une phase d'amplification ( 11). Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première bobine ( 4) est connectée à un circuit de mesure (Figure 4) qui fonctionne pour enregistrer la différence de temps entre les impulsions de tension (e) induites séquentiellement dans la première bobine. 6 Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'unique bobine ( 103) incluse dans le détecteru ( 2) est entraînée au moyen d'un signal de contrôle (l Ola) produit par un intégrateur ( 1), dans lequel le champ magnétique recherché donne naissance à un signal d'impulsion ( 122 a) qui est superposé au signal de contrôle et qui fonctionne pour activer une bascule ( 122) pour le contrôle directionnel de l'intégrateur ( 101). 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par deux ou plusieurs moyens de bobines de détection de champ magnétique ( 1) orientés en formant, ensemble, un angle, de préférence des angles droits, et en ce que les bobines de détection de champ magnétique ( 4 A, 4 B; 103), à l'intérieur de chaque moyen de bobines sont connectés à un circuit de mesure commun qui fonctionne pour déterminer le sens directionnel et la magnitude du champ magnétique détecté. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit de mesure comprend un étage de formation de l'impulsion ( 23) pour chacune desdites bobines de détection de champ magnétique ( 4 A, 4 B), et en ce que les signaux de sortie des étages de formation d'impulsion sont appliqués à un étage de différence de temps ( 22) qui produit, à sa sortie, un signal (t/T) qui constitue une mesure de la force du champ magnétique recherché. 9 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que chaque bobine ( 103) de détection de champ magnétique est assignée à un intégrateur ( 101) et en ce que le circuit de mesure (Figure 6) comprend un microprocesseur ( 107) auquel un signal d'exécution (l Olc, 106 a) est délivré à partir de chaque intégrateur ( 101) et également auquel un signal de contrôle ( 122 b) est délivré à partir de la bascule respective ( 122) dans les circuits des bobines de détection de champ magnétique. Dispositif selon les revendications 6 et 9, caractérisé en ce que le microprocesseur ( 107) est prévu pour délivrer un signal de re-démarrage ( 107 b) à la bascule respective ( 122), en l'absence d'un signal de contrôle ( 122 b).