Brevet FR2686703A1 — publié le 19930730

CAPTEUR DE CHAMP ELECTRIQUE La présente invention se rapporte aux capteurs de champ électrique qui permettent de mesurer un champ électrique continu ou variant avec une très faible fréquence. Lorsqu'un un champ électrique est continu ou qu!il varie à une fréquence très faible, il ne produit pas de phénomène d'induction détectable et la seule méthode connue jusqu'à aujourd'hui pour mesurer un tel champ consiste à procéder de manière directe en se rapportant à la définition du champ électrique. On sait en effet que le champ électrique E existant entre deux points distants d'une distance d est égal au rapport entre la différence de potentiel V entre ces deux points et cette distance. C'est-à-dire que E = V/d. En mesurant V entre deux électrodes distantes de d, on obtient donc E. Pour obtenir une précision suffisante, surtout pour un champ faible, il faut une distance d grande. Le dispositif de mesure a donc un encombrement important, ce qui ne permet pas toujours de l'utiliser là où l'on souhaite mesurer effectivement un champ. Par ailleurs on n'obtient de cette manière que la valeur moyenne du champ entre les deux points séparés par d, alors que ce champ peut très bien varier de manière importante entre ces deux points. I1 est également connu des dispositifs variés appelés moulins à champ qui comprennent une électrode tournante actionnée par un moteur. Outre que ces dispositifs ne résolvent pas le problème de la mesure ponctuelle ou quasi ponctuelle il faut en outre utiliser un moteur, ce qui complique singulièrement leur réalisation. 1l est par ailleurs connu de mesurer un champ magnétique en utilisant un noyau de matériau magnétique saturable que lton soumet à un champ magnétique de polarisation alternatif qui lui fait décrire un cycle d'hystérésis allant jusqu'à la saturation dans les deux sens du cycle. Le champ continu à mesurer s'ajoute au champ de polarisation, ce qui entraine une dissymétrie des niveaux auxquels la saturation est atteinte et cette dissymétrie permet de mesurer le champ magnétique. Cette technique est notamment connue du brevet français 1 388 894 intitulé "Perfectionnement aux appareils de mesure de champ magnétique". Ces dispositifs sont connus sous le nom anglo-saxon de magnétomètre de type "flux-gate". L'invention consiste à transposer dans le domaine des champs électriques cette technique connue dans le domaine des champs magnétiques. Selon une première caractéristique un capteur de champ électrique selon l'invention comprend au moins une sonde comportant un noyau de matériau ferroélectriqué situé entre deux électrodes formant avec ce noyau un condensateur pouvant être polarisé par le champ à mesurer, et des moyens de mesure de cette polarisation pour obtenir la valeur de champ électrique. Selon une deuxième caractéristique de l'invention les moyens de mesure comprennent des moyens pour appliquer à la sonde une tension électrique alternative de fréquence f permettant de saturer le noyau et des moyens pour mesurer la dissymétrie introduite par cette saturation dans le courant traversant la sonde et déterminer ainsi la valeur du champ à mesurer. Selon une troisième caractéristique de l'invention, les moyens de mesure comprennent un condensateur connecté en série avec la sonde, et des moyens pour analyser la tension apparaissant aux bornes de ce condensateur. Selon une quatrième caractéristique de l'invention, les moyens permettant de mesurer ladite dissymétrie comprennent des moyens permettant de déterminer le niveau de l'harmonique à la fréquence 2f du courant traversant la sonde. Selon une cinquième caractéristique de l'invention, les moyens de mesure comprennent en outre des moyens permettant d'appliquer à la sonde une tension continue de polarisation venant agir en sens inverse du champ à mesurer pour obtenir une mesure par rétroaction selon une méthode de zéro. Selon une sixième caractéristique de l'invention, le capteur comprend au moins deux sondes identiques et soumises au même champ à mesurer mais alimentées par des tensions alternatives de niveaux identiques et de polarités inverses. D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement dans la description suivante présentée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent - la figure 1, une courbe d'hystérésis d'un matériau ferromagnétique avec un champ continu nul - la figure 2, une coupe d'un capteur selon l'invention; - la figure 3, la courbe de la figure 1, en présence d'un champ continu ; et - les figures 4 et 5, les schémas de deux circuits électroniques utilisant le capteur de la figure 2. On connaît des matériaux ferroélectriques, tels que par exemple de la pérovskite de plomb, qui se comportent vis-à-vis du champ électrique d'une manière semblable aux matériaux ferromagnétiques vis-à-vis du champ magnétique. Ceci s'exprime par la relation P ~ D = , où D est le vecteur déplacement électrique, P le vecteur polarisation électrique et E le vecteur champ électrique. La relation f est pour les matériaux ferroélectriques non linéaire, contrairement à ce qui se passe pour les matériaux ordinaires. En supposant, pour simplifier, que les vecteurs D et E sont colinéaires selon une direction z, la relation peut être représentée par la courbe 100 sur la figure I, dans laquelle E est en abscisse et D en z z ordonnée. On constate que pour des valeurs Es et -Es du champ le matériau se sature à des valeurs de déplacement D et -D . Ce cycle d'hystérésis est représenté ici d'une manière s schématique, en particulier la rémanence faible a été négligée, et l'ordre de grandeur du champ électrique E est par exemple s de 1 kV/mm. En disposant alors comme représenté sur la figure 2, un échantillon 200 d'un tel matériau, que nous appelerons noyau par commodité, entre deux plaques conductrices 201 et 202 on obtient un condensateur. Si l'on applique alors, entre les connexions A et I reliées à ces électrodes une tension alternative VAI (t) = V0sin t, on soumet le noyau à un champ électrique alternatif Ez(t). En choisissant pour V0 une valeur supérieure à Es. d, dans laquelle d est la distance qui sépare les deux électrodes 201 et 202, le champ maximum appliqué au matériau dépasse le champ de saturation Es et, comme on le voit sur la figure 1, la fonction Dz(t) représentant le déplacement électrique en fonction du temps a, l'aspect d'une sinusoïde tronquée. Une telle fonction ne comporte, du fait de sa symétrie, que des harmoniques impaires, que l'on peut mettre en évidence par exemple par une décomposition en série de Fourier. Si le condensateur de la figure 2 est plongé dans un M champ électrique comportant une composante E M parallèle à z la direction z, ce champ étant continu ou variable à une fréquence très inférieure à celle du champ d'excitation (par exemple dans un rapport d'au moins 10), le déplacement électrique qui résulte du champ total appliqué au noyau n'est plus symétrique, ainsi qu'on l'a représenté sur la figure 3, et comporte donc des harmoniques paires pouvant elles aussi être mises en évidence par une décomposition en série de Fourier. En première approximation on peut considérer que le taux d'harmonique 2 du signal Dz(t) est proportionnel à la valeur de EzM. On peut donc mesurer E M en mesurant z de z le niveau relatif de l'harmonique 2 du signal Dz (t) par rapport au niveau du fondamental. On remarque que ce raisonnement suppose qu'on puisse assimiler le déplacement électrique D à la polarisation P, ce qui est toujours le cas pour les matériaux ferro-électriques dans lesquels la permitivité relative est largement supérieure à 1000. Pour procéder à la mesure de E M on peut utiliser z différents montages, à partir du condensateur de la figure 2 utilisé comme sonde de mesure. Dans un premier type de montage, représenté en figure 4, on utilise une seule sonde 401 placée en série avec un condensateur 402 par une borne commune I, les bornes d'entrée de l'ensemble étant A et B. Un générateur de tension sinusoïdale 403 permet d'appliquer entre A et B une tension alternative sinusoïdale de fréquence f et de valeur crête suffisante pour dépasser la tension de polarisation du noyau de la sonde 401. Pour que la tension V AI soit très proche de VAB, on utilise un condensateur 402 dont la valeur est grande devant la capacité de la sonde 401. De cette manière le champ appliqué est bien proportionnel à la tension et correspond bien à la courbe Ez (t) des figures 1 ou 3. Le courant qui traverse l'ensemble par contre est lui proportionnel aux charges Q qui s'accumulent sur les électrodes de la sonde 401 et du condensateur 402 et il correspond donc à la polarisation ou au déplacement, dont on a vu qu'ils sont sensiblement égaux, c'est-à-dire à la courbe Dz(t) des figures 1 ou 3. Pour mesurer ce courant on ne peut pas bien entendu prendre la tension aux bornes de la sonde puisque par principe même la réponse de celle-ci n'est pas linéaire mais par contre on peut utiliser la tension aux bornes du condensateur 402, qui quoique faible est tout à fait mesurable. Cette tension aux bornes du condensateur 402 est filtrée par un filtre 405 centré sur 2f, f étant la fréquence fondamentale du signal appliqué par le générateur 403, de manière à affaiblir dans un premier temps les harmoniques différentes de l'harmonique 2. Le signal en sortie de ce filtre 405 est appliqué à un détecteur synchrone 406, qui reçoit également du générateur 403, à titre de référence, un signal à la fréquence 2f ayant la phase convenable. On obtient ainsi un signal proportionnel au taux d'harmonique 2 dans la tension aux bornes du condensateur 402, elle-même représentative du déplacement Dz Ce signal est amplifié dans un amplificateur 407 dont la sortie est connectée à la borne A de la sonde 401 par l'intermédiaire d'une résistance 408 et d'une inductance de filtrage 409. Ia polarité de la sortie de l'amplificateur 407 est choisie pour que le signal ainsi appliqué à la sonde contrecarre les effets du champ E à mesurer. Ceci correspond à une mesure par une méthode de zéro dont les avantages sont bien connus. La tension représentant le champ à mesurer est alors obtenue en sortie de L'amplificateur. Dans un autre mode de réalisation, représenté en figure 5, on utilise deux sondes afin de pouvoir réjecter les harmoniques impaires, en particulier le fondamental dont le niveau très important peut gêner les mesures. Ces deux sondes sont le plus identiques possible, c'est-8-dire qu'elles ont la même géométrie et sont constituées du même matériau ferroélectrique. Elles sont orientées dans le même sens et placées le plus près possible l'une de l'autre pour que le champ à mesurer soit sensiblement le même pour l'une ou pour l'autre. Par rapport à la réalisation représentée sur la figure 4, les seules différences concernent la présence des deux sondes et leur alimentation par un transformateur 414 dont le secondaire comprend un point milieu relié à la masse et à une connexion du condensateur de mesure 402. Les deux extrémités du secondaire sont reliées respectivement aux électrodes B1 et B2 des sondes 411 et 421. Les deux autres électrodes de ces sondes sont réunies en un point A correspondant à l'autre connexion du condensateur 402. Ainsi en l'absence de champ électrique extérieur, il n'y a pas de déséquilibre et les sondes sont alimentées par des tensions VABI et VAB2 de même valeur mais de polarités opposées. Ces tensions créent des champs électriques identiques et opposés dans les sondes et les charges Q1 et Q2 qui apparaissent dans celles-ci sont elles aussi identiques et opposées. En présence d'un champ électrique extérieur, pour lequel la composante E M selon z n'est pas nulle, la z polarisation apportée aux sondes entraîne l'apparition d'un déséquilibre entre les charges apparaissant sur l'une et celles apparaissant sur l'autre, d'où un courant qui traverse le condensateur 402 et l'apparition d'une tension VAI non nulle, à la fréquence 2f, dont la valeur correspond au niveau relatif de cette harmonique 2f. Ce signal est alors utilisé par les circuits 405 à 409 pour ramener une tension de contre-réaction au point A comme dans le cas de la figure 4. Ainsi qu'on l'a montré, ce dispositif rejette le fondamental à la fréquence f et on peut voir qu'il en est de même pour les autres harmoniques impaires de la fréquence f. On obtient ainsi une meilleure sensibilité du système par élimination des signaux non utiles. Dans un exemple de réalisation d'un tel dispositif on a utilisé comme matériau ferro-magnétique de la péroxyde de plomb pour laquelle la polarisation de saturation apparaît à environ 0,1 coulomb/m2. On utilise un noyau d'une épaisseur de lmm et d'une surface de lcm2, avec un champ électrique d'excitation de lkV à une fréquence de lkHz REVENDICATIONS 1. Capteur de champ électrique, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une sonde comportant un noyau (200) de matériau ferroélectrique situé entre deux électrodes (202, 202) formant avec ce noyau un condensateur pouvant être polarisé par le champ à mesurer, et des moyens de mesure (403-409) de cette polarisation pour obtenir la valeur de ce champ électrique. 2. Capteur selon la revendication i, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent des moyens (403,404) pour appliquer à la sonde une tension électrique alternative de fréquence f permettant de saturer le noyau (200) et des moyens (405-409) pour mesurer la dissymétrie introduite par cette saturation dans le courant traversant la sonde et déterminer ainsi la valeur du champ à mesurer. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent un condensateur (402) connecté en série avec la sonde, et des moyens (405-407) pour analyser la tension apparaissant aux bornes de ce condensateur. 4. Capteur selon l'une quelconque des revendication 2 et 3, caractérisé en ce que les moyens permettant de mesurer ladite dissymétrie comprennent des moyens (405-407) permettant de déterminer le niveau de l'harmonique à la fréquence 2f du courant traversant la sonde. 5. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les moyens de mesure comprennent en outre des moyens (408, 409) permettant d'appliquer à la sonde (401) une tension continue de polarisation venant agir en sens inverse du champ à mesurer pour obtenir une mesure par rétroaction selon une méthode de zéro. 6. Capteur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux sondes (411,421) identiques et soumises au même champ à mesurer mais alimentées (403, 414) par des tensions alternatives de niveaux identiques et de polarités inverses.