Brevet FR2671870A1 — publié le 19920724

Capteurs de force à ferrofluide La présente invention concerne des capteurs de force à membrane, et leur utilisation comme capteur de pression ou comme capteur accélérométrique. Les capteurs accélérométriques sont utilisés pour acquérir des données concernant le mouvement du sol induit par les séismes en champ libre et dans les structures. Cette application présente un intérêt croissant depuis quelques années. En effet, l'étude des risques naturels est devenue une préoccupation des organismes scientifiques et des pouvoirs publics. Ils peuvent également être utilisés comme capteurs de pression. On connaît un certain nombre de capteurs accélérométriques du type oscillateur amorti. La masse de ces capteurs est constituée par une pièce mobile, dont la fabrication nécessite un usinage délicat, entraînant des coûts de production très élevés. On connaît également les capteurs accélérométriques comportant un barreau cylindrique aimanté maintenu en lévitation dans un fluide magnétique remplissant un tube fin constitué par un matériau non magnétique (Cf. K. RAJ, R. MOSKOWITZ, J. of Magnetism and Magnetic Materials 85 (1990) 233-245 ). Dans un tel dispositif, un pièce mobile est déplacée dans un liquide visqueux. La sensibilité est par conséquent faible et ces accéléromètres ne conviennent que pour des fréquences inférieures à 1Hz. La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des systèmes existants en fournissant un capteur de force à membrane ne présentant pas de pièce mobile. L'invention a également pour objet l'utilisation d'un tel capteur comme capteur de pression. L'invention a en outre pour objet l'utilisation d'un tel capteur comme capteur accélérométrique. Le capteur de force à membrane de la présente invention est caractérisé en ce que la membrane est constituée par un ferrofluide maintenu par un champ magnétique. Dans un mode de réalisation particulier, le capteur selon la présente invention comporte un tube contenant un matériau ferrofluide, un aimant permanent annulaire qui entoure ledit tube et dont le champ magnétique maintient le ferrofluide sous forme de membrane dans le tube, trois bobines qui entourent le tube et qui sont supportées par un mandrin annulaire situé entre ledit tube et l'aimant, un système électronique de détection et d'amplification auquel sont reliées les trois bobines. La bobine médiane est alimentée par une tension alternative. Les deux bobines latérales détectent une tension à la même fréquence par effet inductif, les trois bobines jouant le râle de transformateur. Au repos, les deux bobines latérales sont mises en opposition de manière à obtenir une tension nulle. Les ferrofluides utilisables dans les capteurs de la présente invention doivent présenter une bonne stabilité physicochimique dans le temps et en fonction de la température, une faible viscosité et une forte aimantation dans le domaine de température d'utilisation. Parmi les ferrofluides, on peut citer par exemple ceux qui sont décrits dans FR 90.06484. Ces ferrofluides ont une grande densité de particules mobiles dans le fluide porteur. Ils ont une grande sensibilité et une grande stabilité dans le temps. Ils sont obtenus en fixant à la surface de particules magnétiques précurseurs qui portent des charges superficielles, des molécules chargées du signe opposé. Les molécules fixées peuvent être des hétéropolyanions, des agents tensio-actifs saturés ou non, ou les deux simultanément, ou encore un ou plusieurs composés polyacide polyalcool ou polyacide thiol. L'aimant permanent annulaire est un aimant classique. Il est choisi de telle sorte que le champ d'induction en son centre soit suffisant pour maintenir la membrane de ferrofluide. Le mandrin est constitué par un matériau isolant électrique, non magnétique et ayant un faible coefficient de dilatation. A titre d'exemple, on peut citer certaines matières plastiques telles que Cestidur, commercialisé par la Société Cestidur-Plastiques Industriels SA. Le tube est constitué par un matériau non magnétique, inerte vis-à-vis du ferrofluide utilisé et présentant un faible coefficient de dilatation. Suivant les utilisations du capteur, le matériau constituant le tube doit également être résistant aux chocs et aux vibrations. On peut utiliser par exemple un acier inoxydable amagnétique. Lorsque le capteur est utilisé comme accéléromètre, le tube est fermé et la membrane de ferrofluide présente une ouverture circulaire en son centre. Le principe du capteur accélérométrique est basé sur celui d'un oscillateur amorti (masse + ressort) dont le déplacement de la masse est donné par une mesure inductive. L'aimant permanent, grâce à la géométrie de son champ magnétique, permet de maintenir en place la membrane de ferrofluide dans le tube scellé. L'inertie de cette membrane de ferrofluide joue le râle de masse de l'oscillateur. La force de rappel (l'équivalent du ressort) est donnée par le gradient de champ créé par l'aimant permanent. L'amortissement du système est directement lié à la viscosité du ferrofluide. Sous l'action d'une accélération parallèle à l'axe du tube, la membrane se déforme, donnant naissance à une différence de potentiel entre les bobines latérales. Cette différence de potentiel est amplifiée, passée à travers une détection synchrone, amplifiée et filtrée. Lorsque le capteur est utilisé comme capteur de pression, le tube est ouvert et la membrane est une membrane fermée. Une différence de pression entre les zones situées de part et d'autre de la membrane déforme cette membrane et induit un variation de flux dans les bobines. Cette variation de flux se traduit par une différence de potentiel aux bornes des bobines proportionnelle à la différence de pression. Cette différence de potentiel est amplifiée, passée à travers une détection synchrone, amplifiée et filtrée. Le capteur comportant un tube ouvert et une membrane fermée peut également être utilisé comme débitmètre pour de très faibles débits gazeux. La membrane fonctionne alors comme une soupape qui est fermée pour des différences de pression inférieures à la pression de rupture, qui est ouverte pour des différences de pression supérieures à la pression de rupture et qui se referme automatiquement si la différence de pression redescend sous la pression de rupture. Les capteurs selon la présente invention peuvent être utilisés en position verticale, horizontale ou oblique. Il suffit de régler le zéro du dispositif incorporant le capteur avant sa mise en place sur le lieu où il doit être utilisé, en tenant compte de la position prévue. Dans tous les cas, les caractéristiques du capteur de la présente invention peuvent être adaptées à l'usage particulier auquel est destiné le capteur en modifiant la composition du ferrofluide et/ou la géométrie des lignes de champ de l'aimant permanent. La présente invention est décrite ci-après de façon plus détaillée par référence aux figures données à titre illustratif mais non limitatif. La figure 1 représente un capteur accélérométrique selon l'invention vu par dessus La figure 2 représente une vue en coupe suivant AA du capteur de la figure 1. La figure 3 représente la courbe d'étalonnage d'un capteur accélérométrique selon la présente invention. La figure 4 représente un capteur de pression selon l'invention vu par dessus. La figure 5 représente une vue en coupe suivant BB du capteur de la figure 4. La figure 6 représente la courbe d'étalonnage du capteur des figures 4 et 5 pour des valeurs inférieures à la pression de rupture de la membrane. La figure 7 représente la courbe d'étalonnage du capteur des figures 4 ou 5 pour des valeurs supérieures à la pression de rupture de la membrane. La figure 8 représente un montage en débitmètre du capteur des figures 4 et 5. Les figures 1 et 2 représentent un capteur selon la présente invention utilisé comme capteur accélérométrique, respectivement vu par dessus et vu en coupe. Ce capteur comporte un tube (1) dans lequel se trouve une membrane de ferrofluide (3) présentant une ouverture en son centre. Le tube est fermé par un bouchon (4). Un aimant annulaire (8) entoure le tube (1). Les lignes de champ au centre de l'aimant sont axiales. Un mandrin (2) est situé entre l'aimant (8) et le tube (1). Il supporte une bobine centrale (14) et deux bobines latérales (15) et (16) constituées chacune de 300 spires de fil de cuivre émaillé. Le tube (1), l'aimant (8) et le mandrin (2) sont supportés par un support aimantmandrin (7). Un couvercle (6) est fixé par une vis (5) sur le support (7). Un circuit imprimé (11) comportant l'électronique du système est fixé au support (7) par l'intermédiaire de trois entretoises (12) et trois entretoises (13).Trois vis (9) permettent le positionnement précis de l'aimant (8) par rapport au mandrin (2), et par conséquent par rapport aux bobines, permettant le réglage du zéro du dispositif en fonction de la position du capteur lors de son fonctionnement. Les figures 4 et 5 représentent un capteur selon la présente invention utilisé comme capteur de pression, respectivement vu par dessus et vu en coupe. Ce capteur comporte un tube (1) dans lequel se trouve une membrane de ferrofluide (3) fermée. Un aimant annulaire (8) entoure le tube (1). Les lignes de champ au centre de l'aimant sont axiales. Un mandrin (2) est situé entre l'aimant (8) et le tube (1). Il supporte une bobine centrale (14) et deux bobines latérales (15) et (16) constituées chacune de 300 spires de fil de cuivre émaillé. Le tube (1), l'aimant (8) et le mandrin (2) sont supportés par un support aimant-mandrin (7). Un couvercle (6) est fixé par une vis (5) sur le support (7). Un circuit imprimé (11) comportant l'électronique du système est fixé au support (7) par l'intermédiaire de trois entretoises (12) et trois entretoises (13). Trois vis (9) permettent le positionnement précis de l'aimant (8) par rapport au mandrin (2). Lorsqu'une membrane est soumise à une différence de pression inférieure à la pression de rupture, elle se déforme et induit une variation de flux dans les bobines. Cette variation de flux se traduit par une différence de potentiel à la sortie du système électronique, propor tionnelle à la différence de pression exercée sur la membrane. La courbe d'étalonnage de la figure 6 représente la tension de sortie V, en mV, du capteur, en fonction de la pression, pour des pressions inférieures à la pression de rupture AP de la membrane. Lorsqu'une membrane est soumise à une différence de pression supérieure à la pression de rupture, la courbe d'étalonnage est donnée sur la figure 7. Sur cette figure, la tension de sortie du capteur, exprimée en mV, est reportée en fonction de la pression, AP représentant la pression de rupture de la membrane. Le capteur selon la présente invention peut être utilisé pour des mesures de pression absolue. La limite inférieure d'utilisation en mesure absolue est fixée par les pressions de vapeur saturante du fluide porteur présent dans le ferrofluide. Lorsque le capteur de pression selon l'invention est utilisé en débitmètre, il est monté en dérivation tel que représenté sur la figure 8. Il s'agit de mesurer le débit de gaz Q passant dans le tube (17). Le capteur de pression (18) est placé sur le capillaire (19). Le débit Q est proportionnel à la différence de pressions aux bornes du capteur (18). La précision est de l'ordre de 10-12 m3/s pour un capteur monté en dérivation avec un capillaire de 200 ym de diamètre et de 10 cm de longueur. Le système électronique utilisé pour détecter et amplifier le signal émis par les bobines secondaires du capteur est classique. La bobine centrale (14) est attaquée par un oscillateur comprenant d'une part un générateur de signaux carrés fabriqué autour d'un circuit intégré spécialisé, et d'autre part un filtre passe-bande à surtension élevée dont la fréquence centrale est réglée sur la fréquence du signal carré, ce filtre transformant le signal carré en signal sinusoïdal. Les bobines (15) et (16) sont montées en opposition pour être identiques et donnent un signal nul (à +100pV près) lorsque l'aimant et le ferrofluide sont enlevés. Le signal émis par les deux bobines (15) et (16) montées en opposition est traité par: un amplificateur; par un déphaseur à ampli opérationnel dont l'amplitude de sortie est indé pendante de la phase, le déphasage variant de 0 à -X; par un filtre actif passe-bande à surtension élevée qui permet d'éliminer le bruit, la fréquence d'accord étant celle du signal de modulation; par une détection synchrone constituée par un amplificateur opérationnel et un circuit intégré contenant le commutateur analogique, le signal de synchronisation étant le signal carré utilisé pour fabriquer le signal de modulation; par un amplificateur de sortie dont le gain varie de 1 à 10 et qui permet d'adapter le signal de sortie au niveau d'amplitude et de bruit de la chaîne de mesure; par un filtre "passe-bas" de sortie permettant de supprimer le signal de modulation et laissant passer uniquement le signal d'erreur. Le capteur selon l'invention, utilisé comme accéléromètre, a été testé d'une part en laboratoire, d'autre part sur le terrain. Le capteur utilisé comportait un tube de verre ayant un diamètre interne de 20 mm et un aimant générant en son centre un champ d'induction de 0,055 T. Le ferrofluide utilisé présentait une aimantation à saturation Ms de 32 kAm-l. Il s'agissait d'un ferrofluide sur lequel sont fixées des molécules d'un surfactant du type ester d'acide phosphorique dans l'huile PDP38 commercialisée par Kluber. En laboratoire, on a utilisé un banc d'étalonnage de sismomètres. La figure 3 montre la variation d'amplitude et de phase entre l'accélération linéaire d'excitation et la mesure de la tension à la sortie du capteur accélérométrique en fonction de la fréquence, la tension de sortie étant exprimée en unités arbitraires et la phase en degrés. Les courbes représentées correspondent à celles d'un oscillateur amorti. A 3 dB près, la courbe de réponse en amplitude est plate entre 0 et 30 Hz. Ces courbes sont similaires à celles données par un accéléromètre classique. Il apparaît que l'accéléromètre de l'invention donne une réponse linéaire en fonction de l'amplitude d'excitation et qu'il mesure la projection de l'accélération sur l'axe du système. Des tests sur le terrain ont été effectués à la station sismique d'Arette (Pyrénnées), d'une part avec le capteur selon l'invention, d'autre part avec un capteur Sundstrand Q700. Les signaux émis par les différents capteurs ont été enregistrés par une station classique Lennartz 5800, lors d'un microséisme de quelques mms-2. Les courbes enregistrées ont montré la bonne corrélation entre le capteur de référence et le capteur accélérométrique de l'invention. La sensibilité de l'accéléromètre selon l'invention est de 4.10-2 Vm-1s2 ou de 25 ms-2V-1, avec un bruit de fond de l'ordre de 20ssV. REVENDICATIONS 1. Capteur de force à membrane, caractérisé en ce que la membrane est constituée par un ferrofluide maintenu par le champ magnétique créé par un aimant permanent. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un tube contenant un matériau ferrofluide, un aimant permanent annulaire qui entoure ledit tube et dont le champ magnétique maintient le ferrofluide sous forme de membrane dans le tube, trois bobines qui entourent le tube et qui sont supportées par un mandrin annulaire situé entre ledit tube et l'aimant, un système électronique de détection et d'amplification auquel sont reliées les trois bobines. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube est fermé et la membrane présente une ouverture centrale circulaire. 4. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube est ouvert et la membrane est une membrane fermée. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ferrofluide est obtenu en fixant à la surface de particules magnétiques précurseurs qui portent des charges superficielles, des molécules chargées du signe opposé. 6. Capteur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les molécules fixées sont choisies parmi les hétéropolyanions, les agents tensio-actifs saturés ou non, ou les deux simultanément, les composés polyacide polyalcool ou polyacide thiol. 7. Capteur selon l'une quelconque des revendication 1 à 6, caractérisé en ce que le mandrin est constitué par un matériau isolant électrique, non magnétique et ayant un faible coefficient de dilatation. 8. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le tube est constitué par un matériau non magnétique, inerte vis-à vis du ferrofluide utilisé et présentant un faible coefficient de dilatation. 9. Application d'un capteur selon la revendication 3 comme capteur accélérométrique. 10. Application d'un capteur selon la revendication 4 comme capteur de pression. 11. Application d'un capteur selon la revendication 4 comme débitmètre.