Brevet FR2817036A1 — publié le 20020524

La présente invention concerne le domaine des capteurs. Plus précisément, la présente invention concerne un dispositif de mesure exploitant une mesure indirecte de permittivité entre deux corps électriquement conducteurs formant respectivement une sonde de mesure et un élément de référence, par exemple une sonde de référence. On a décrit dans le document WO-0025098 un dispositif dont la structure de base est schématisée sur la figure 1 annexée. Ce dispositif comprend deux corps électriquement conducteurs constituant respectivement une sonde de mesure 10 et une sonde de référence 20, des moyens d'alimentation électrique 30 aptes à délivrer une tension électrique continue d'amplitude contrôlée, un étage intégrateur 50 comprenant un système à commutation de capacité 53 et des moyens de commande 40 adaptés pour définir cycliquement, à une fréquence contrôlée, une suite de deux séquences : une première séquence T1 cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique 30 sont reliés à la sonde de mesure 10 pour appliquer un champ électrique entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20 et accumuler des charges électriques sur la sonde de mesure 10, puis une seconde séquence T2 au cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique 30 sont déconnectés de la sonde de mesure 10 et celle-ci est reliée à un point de sommation de l'étage intégrateur 50 pour transférer des charges dans l'étage intégrateur 50 et obtenir en sortie de celui-ci un signal représentatif de la permittivité existant entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20. Plus précisément encore, selon le document WO-0025098, l'étage intégrateur 50 comprend un amplificateur opérationnel 51, un premier condensateur d'intégration 52 monté en contre-réaction sur cet amplificateur 51 et un second condensateur 53 commuté entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur opérationnel 51 au rythme des séquences pilotées par les moyens de commande 40, de sorte que, en régime d'équilibre établi, on obtienne en sortie de l'amplificateur opérationnel 51, une tension d'équilibre égale à-E. Cs/C53, relation dans laquelle-E désigne l'amplitude de la tension aux bornes des moyens d'alimentation électrique 30 et Cs et C53 désignent respectivement les valeurs des capacités définies entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20 d'une part, et le second condensateur commuté 53 d'autre part. La commutation des moyens d'alimentation électrique 30 et du second condensateur 53 est assurée par des interrupteurs inverseurs 42, 43 pilotés par une base de temps 41. Le fonctionnement de ce dispositif connu est essentiellement le suivant. Supposons qu'à l'origine le condensateur d'intégration C52, le condensateur de commutation C53 et le condensateur Cs formé entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20 soient chacun totalement déchargés, soit QC52 = 0 QC53 = 0, et QCs = 0. Lors de la première séquence T1, le condensateur Cs est chargé sous la tension d'alimentation délivrée par le module 30, que l'on suppose ici égale à-E. A la fin de la séquence T1, on a donc : QCs =-E. Cs QC52 = 0 QC53 =0. = 0. Au cours de la séquence T2 suivante, les charges sont transférées de Cs vers C52 ; soit, les charges étant conservées et Cs et C53 étant reliés à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 51 d'impédance virtuelle nulle : - E. Cs = Vs2. C52, en appelant Vs2 la tension de sortie de l'amplificateur opérationnel 51 pendant la séquence T2. Au cours de la séquence T1 suivante, les deux condensateurs C52 et C53 sont placés en parallèle. On a alors : Vs = Vs2. C52/ (C52 + C53) = QC53/C53 = QC52/C52, soit QC53 = [Vs2. C52/ (C52+C53)]. C53 = [Vs2/ (1+C53/C52). C53 soit si C52= nC53 C53 QC53 Vs2. C53. A la séquence suivante T2, les charges contenues dans C53 viennent en opposition de celles Cs. La partie restante des charges de Cs est transférée dans C52, etc... La tension de sortie Vs, en sortie de l'amplificateur opérationnel 51 croît progressivement jusqu'à une tension Vs équilibre = QC53/C53 telle que QC53 = Vs équilibre. C53 =-E. Cs. Ainsi après x itérations le dispositif atteint un régime d'équilibre sur le point de sommation. Les charges QC53 de C53 viennent compenser les charges de la sonde Cs. Dès qu'une variation de capacité Cs est détectée, le supplément (ou la perte) de charges sur Cs vient charger (ou décharger) la capacité C52. Ainsi en régime établi la capacité de commutation C53 vient équilibrer les variations de charges de la sonde Cs. La présente invention a maintenant pour but de proposer un nouveau dispositif présentant des performances supérieures à celles des dispositifs connus. Plus précisément encore, la présente invention a pour but de proposer des moyens présentant une dynamique de mesure supérieure à celle présentée par les dispositifs antérieurs connus. Ce but est atteint dans le cadre de la présente invention grâce à un dispositif comprenant au moins une tête de mesure comportant au moins une sonde de mesure, des moyens aptes à appliquer séquentiellement une tension d'alimentation contrôlée entre la sonde de mesure et un élément de référence et des moyens aptes à intégrer les charges électriques accumulées sur la sonde de mesure, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation électrique sont adaptés pour appliquer sur la sonde de mesure des tensions successives variables contrôlées et que le dispositif comprend en outre des moyens d'analyse de l'évolution des signaux en sortie de l'étage intégrateur en fonction des tensions d'alimentation appliquées. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels : - la figure 1 précédemment décrite représente schématiquement un dispositif conforme à l'état de la technique divulgué dans le document WO- 0025098, - la figure 2 représente schématiquement le diagramme de détection d'une tête de mesure conforme à la présente invention selon l'amplitude de la tension d'alimentation appliquée, - la figure 3 représente schématiquement un chronogramme du fonctionnement du dispositif conforme à la présente invention, et - la figure 4 représente schématiquement les tensions appliquées sur la sonde de mesure, dans le cadre d'une variante de la présente invention, et les tensions de sortie correspondantes obtenues. Le dispositif conforme à la présente invention comprend essentiellement, comme on l'a indiqué précédemment, au moins une tête de mesure comportant au moins une sonde de mesure et un élément de référence, des moyens aptes à appliquer séquentiellement une tension i d'alimentation contrôlée entre la sonde de mesure et l'élément de référence, et des moyens aptes à intégrer les charges électriques accumulées sur la sonde de mesure. Dans le cadre de la présente invention, l'élément de référence peut être formé d'une sonde de référence ou encore d'une masse constituée par exemple par la terre ou une masse métallique avoisinante, par exemple le chassis d'un véhicule automobile. Plus précisément encore, de préférence, le dispositif conforme à l'invention correspond au schéma connu illustré sur la figure 1 annexée précédemment décrite. Cependant, selon l'invention, pour améliorer la dynamique de mesure, la tête de mesure reçoit successivement, au cours de cycles de mesure successifs, sur la sonde de mesure 10, des tensions variables En. Ces tensions variables En peuvent être par exemple des tensions croissant successivement de volt en volt, de 3 à 8 volts. On évoquera néanmoins par la suite une variante selon laquelle on applique successivement deux séries de tensions respectivement de faible valeur et de forte valeur, pour permettre une discrimination entre un mode de détection proximal et un mode de détection lointain, et permettre ainsi une correction éventuelle des mesures. A chaque cycle de mesure, on obtient en sortie de la tête de mesure, c'est-à-dire en sortie de l'intégrateur 51, une valeur Vsn correspondant à une tension d'alimentation En. A chaque valeur de tension d'alimentation En, correspond une ligne de distribution isopotentielle qui se referme dans l'espace, par rapport à la sonde de référence 20, voire par rapport à une masse métallique avoisinante, par exemple le châssis d'un véhicule automobile, dans le cas d'une telle application, ou encore par rapport à la terre. Plus la valeur de la tension d'alimentation En est grande, plus la portée de la ligne équipotentielle est grande comme on l'a illustré sur la figure 2. L'homme de l'art comprendra que la valeur de la capacité ainsi détectée entre la sonde de mesure 10 et la sonde de référence 20 par intégration des charges électriques prélevées sur la sonde de mesure 10, dépend directement de la permittivité du milieu influençant le diagramme de détection de la tête de mesure, et bien entendu dépend de l'épaisseur de ce milieu. A titre d'exemple non limitatif, dans le contexte de la détection d'un usager sur un siège de véhicule automobile, notamment pour autoriser ou non la mise en oeuvre d'un coussin gonflant de protection, la présente invention permet par analyse de l'évolution des signaux en sortie de l'étage intégrateur 51 de la tête de mesure de discriminer, en fonction du diagramme de détection impliqué, entre la présence d'un corps humain et un phénomène parasite apparenté, tel que la présence d'humidité sur le siège. La permittivité relative d'un corps humain étant de l'ordre de 80 fois supérieure à la permittivité de matériaux impliqués dans la réalisation d'un siège de véhicule automobile et de son environnement, l'analyse des signaux de sortie de la tête de mesure permet en effet, de garantir la détection de présence d'une personne à proximité de la sonde de mesure 10 ainsi que de préciser sa position par rapport à celle-ci. On a schématisé sur la figure 3, l'évolution croissante de la tension d'alimentation, par exemple entre E1, E2, E3, E4... pendant les périodes T1 du séquencement, les périodes T2 illustrées sur la figure 3 correspondant aux périodes de liaisons de la sonde de mesure 10 à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel 51 et simultanément à la liaison du condensateur de commutation 53 sur cette même entrée inverseuse. Bien évidemment, à la fin du cycle de croissance de E1 à En, un cycle similaire de mesure est réitéré. Comme indiqué précédemment, selon une variante de la présente invention, on applique successivement sur la sonde de mesure 10, deux séries de tensions respectivement de faible valeur et de forte valeur, par exemple deux tensions E1 et E2 de faible valeur pour une détection en mode proximal et deux tensions E3 et E4 de forte valeur pour une détection en mode lointain, comme schématisé sur la figure 4. ; Un tel processus permet notamment de tenir compte de la présence de certains corps ou milieux perturbateurs, proches de la sonde de mesure 10, dans la détection de corps plus éloignés. A chaque valeur de En correspond une valeur Vsn qui est mémorisée. On obtient donc une série de couples de valeurs Vsn/En. A partir de ces données, les moyens d'analyse du dispositif peuvent calculer de manière indirecte la valeur de la capacité virtuelle définie entre la sonde de mesure 10 et l'élément de référence 20, respectivement en mode proximal, soit Cspro, et en mode lointain, soit Csloi. La capacité virtuelle détectée en mode lointain Csloi, peut être déterminée par la relation : dans laquelle c désigne la capacité du condensateur de commutation 53. Cette capacité Csloi traduit par exemple, dans le cas de la détection d'un usager dans un siège de véhicule automobile, la distance de l'usager au siège. De même la capacité virtuelle détectée en mode proximal Cspro, peut être déterminée par la relation : Cette capacité Cspro traduit par exemple, dans le cas d'une utilisation pour la détection d'un usager dans un siège de véhicule, la présence éventuel d'un obstacle ou corps perturbateur, tel qu'un tapis de billes ou une serviette, entre l'usager et le siège. Dans ce dernier cas (c'est à dire la présence d'un obstacle), la valeur Csloi est affectée et minorée. On peut corriger l'erreur résultante dans la distance exprimée pour l'usager, en corrigeant la valeur obtenue pour Csloi, sur la base de la valeur obtenue pour Cspro. Différents moyens de correction peuvent utilisés. Selon un mode de réalisation avantageux, on calcule le rapport K1/K2, et si ce rapport est supérieur à 1, on calcule une valeur corrigée de Csloi, soit Csloimod sur la base de la relation : Csloimod = Csloi. K = Csloi. (K1/K2). La valeur Csloimod ainsi corrigée donne une bonne approximation de la distance de l'usager intervenant dans la définition de Vs3 et Vs4 sous E3 et E4. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. La présente invention peut concerner un grand nombre d'applications. On a évoqué précédemment la détection de présence d'un usager sur un siège de véhicule automobile, notamment pour la commande d'un système de coussion gonflable de sécurité. Mais la présente invention n'est pas limitée à cette application particulière. La présente invention peut par exemple concerner également, entre autres, les domaines de détection anti-intrusion ou encore les détecteurs de niveau de fluide. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure comprenant au moins une tête de mesure comportant au moins une sonde de mesure (10), des moyens (30) aptes à appliquer séquentiellement une tension d'alimentation contrôlée entre la sonde de mesure (10) et un élément de référence (20) et des moyens (50) aptes à intégrer les charges électriques accumulées sur la sonde de mesure (10), caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation électrique (30) sont adaptés pour appliquer sur la sonde de mesure (10) des tensions successives variables contrôlées (E1, E2...) et que le dispositif comprend en outre des moyens d'analyse de l'évolution des signaux en sortie de l'étage intégrateur en fonction des tensions d'alimentation appliquées. 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait qu'il comprend deux corps électriquement conducteurs constituant respectivement une sonde de mesure (10) et un élément de référence (20), des moyens d'alimentation électrique (30) aptes à délivrer une tension électrique continue d'amplitude contrôlée, un étage intégrateur (50) comprenant un système à commutation de capacité (53) et des moyens de commande (40) adaptés pour définir cycliquement, à une fréquence contrôlée, une suite de deux séquences (T1, T2) : une première séquence au cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique (30) sont reliés à la sonde de mesure (10) pour appliquer un champ électrique entre la sonde de mesure (10) et l'élément de référence (20) et accumuler des charges électriques sur la sonde de mesure (10), puis une seconde séquence au cours de laquelle les moyens d'alimentation électrique (30) sont déconnectés de la sonde de mesure (10) et celle-ci est reliée à un point de sommation de l'étage intégrateur (50) pour transférer des charges dans l'étage intégrateur (50) et obtenir en sortie de celui-ci un signal représentatif de la permittivité existant entre la sonde de mesure (10) et l'élément de référence (20), l'étage intégrateur (50) comprenant en outre un amplificateur opérationnel (51), un premier condensateur d'intégration (52) monté en contre réaction sur cet amplificateur (51) et un second condensateur (53) commuté entre la sortie et l'entrée de l'amplificateur opérationnel (51) au rythme des séquences (T1, T2) pilotées par des moyens de commande (40), de sorte que en régime d'équilibre établi, on obtienne en sortie de l'amplificateur opérationnel (51), une tension"Vs équilibre"égale à : - Ecs/C53, relation dans laquelle-E désigne l'amplitude de la tension aux bornes des moyens d'alimentation électrique (30), et Cs et C53 désignent respectivement les valeurs des capacités définies entre la sonde de mesure (10) et l'élément de référence d'une part et le second condensateur commuté (53) d'autre part. 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément de référence est formé d'une sonde de référence (20). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'élément de référence (20) est formé d'une masse constituée par exemple par la terre ou une masse métallique avoisinante, par exemple le chassis d'un véhicule automobile. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que les incréments de tension d'alimentation sont constants. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé par le fait que les incréments de tension sont de l'ordre de 1 volt. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le i fait que les moyens d'alimentation électrique sont adaptés pour appliquer successivement sur la sonde de mesure (10), au moins deux séries de tensions respectivement de faible valeur et de forte valeur. 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les moyens d'alimentation électrique sont adaptés pour appliquer successivement sur la sonde de mesure (10) au moins deux tensions E1 et E2 de faible valeur pour une détection en mode proximal et deux tensions E3 et E4 de forte valeur pour une détection en mode lointain. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait que les moyens d'analyse sont adaptés pour calculer une capacité virtuelle en mode lointain Csloi, proportionnelle à K1 = (Vs4-Vs3) 1 (E4-E3) et une capacité virtuelle en mode proximal Cspro, proportionnelle à K2 = (Vs2- Vs1) 1 (E2-E1), relations dans lesquelles Vsn désigne la tension obtenue en sortie de l'étage intégrateur pour une tension d'alimentation En. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que les moyens d'analyse sont adaptés pour corriger une valeur Csloi obtenue en mode lointain avec des tensions de forte valeur, sur la base d'une valeur Cspro obtenue en mode proximal pour des tensions de faible valeur. 11. Dispositif selon l'une des revendications 9 à 10, caractérisé par le fait que les moyens d'analyse sont adaptés pour calculer le rapport K1/K2, et si ce rapport est supérieur à 1, calculer une valeur corrigée de la capacité virtuelle en mode lointain Csloi, soit Csloimod sur la base de la relation : Csloimod = Csloi. K = Csloi. (K1/K2). 12. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé par le fait qu'il comprend des moyens aptes à contrôler un fonctionnement sous forme de cycles successifs au cours desquels, d'un cycle à l'autre, la tension appliquée sur la sonde de mesure (10) évolue de manière contrôlée, chaque cycle étant divisé en deux séquences successives (T1, T2) au cours desquels respectivement la tension contrôlée est appliquée à la sonde de mesure (10), puis la sonde de mesure (10) est reliée à l'entrée de l'étage intégrateur (50). i