Brevet FR2834132A1 — publié le 20030627

La présente invention concerne, de façon générale, les systèmes de détection électromagnétiques, tels que les systèmes assurant la détection d'objets, par exemple des objets volés. Plus particulièrement, cette invention s'intéresse à un dispositif pour le pilotage des antennes d'émission, dans de tels systèmes de détection électromagnétiques. Dans plusieurs domaines d'activité on utilise des systèmes de détection qui exploitent les caractéristiques particulières de certains matériaux magnétiques pour informer l'utilisateur de la présence de tels matériaux dans un volume d'espace spécifique pour chaque type de système. Les domaines préférentiels pour l'utilisation de tels systèmes sont, par exemple, la protection anti-vol dans les magasins et entrepôts, l'authentification des produits et des supports d'information, la détection de produits chirurgicaux oubliés à l'intérieur du corps des patients après une opération, et tous autres domaines dans lesquels on cherche à mesurer de petites variations à l'intérieur d'un champ électromagnétique intense. Les systèmes de détection électromagnétiques actuellement connus utilisent le principe suivant : - Une première antenne ou, le plus souvent, un ensemble constitué de plusieurs antennes élémentaires, est alimentée par un amplificateur de puissance électronique qui force la circulation d'un courant alternatif dans l'antenne. Ce courant crée un champ électromagnétique alternatif dans un volume d'espace caractéristique de la forme de l'antenne et avec une intensité proportionnelle à la valeur du courant. Cette antenne est appelée antenne d'émission. - Une deuxième antenne, appelée antenne de réception ou, le plus généralement, un ensemble de plusieurs antennes élémentaires, est le siège d'un courant induit dépendant de la forme de cette antenne, et des variations du flux électromagnétique qui la traverse. - Un système de compensation, d'équilibrage et de filtrage, différent selon les divers systèmes, permet de rendre l'antenne de réception et ses circuits amplificateurs associés sensibles à la présence d'éléments de matériaux magnétiques particuliers lorsqu'ils sont excités par le champ d'émission. On utilise une grande diversité de tels "marqueurs" incorporant divers types de matériaux magnétiques. - Une unité de calcul, le plus souvent électronique, pilote le courant d'émission, met en forme les signaux de réception et évalue un diagnostic de présence ou non de "marqueur" ; elle assure également les liaisons entre les systèmes et les dispositifs extérieurs. Les systèmes de détection électromagnétiques actuels utilisent tous un circuit d'émission accordé, c'est-à-dire que l'antenne d'émission est associée à des composants capacitifs, inductifs et résistifs qui créent une surtension pour la ou les fréquences caractéristiques de chaque système. Les circuits d'émission accordés sont utiles, pour augmenter le courant dans les antennes d'émission sans utiliser d'amplificateur de puissance de taille trop importante. Par contre, comme dans tout circuit accordé présentant un facteur de surtension important, il faut ici un temps relativement long pour modifier l'amplitude ou la phase du courant alternatif circulant dans les antennes. De plus, si on souhaite modifier la fréquence d'émission il faut prévoir de modifier l'accord du circuit accordé, ce qui est coûteux car il s'agit d'un circuit de puissance dans lequel circulent des courants importants et qui utilise des composants coûteux et volumineux ; cette fonction est absolument indispensable dans de nombreux systèmes car il faut pouvoir synchroniser plusieurs dispositifs sur exactement la même fréquence afin qu'ils ne se perturbent pas les uns les autres lorsqu'ils sont placés dans un même environnement. La modification de la phase permet, quant à elle, de modifier les directions préférentielles des champs électromagnétiques émis et ainsi de détecter des "marqueurs" dont la direction de sensibilité maximale est variable. La présente invention vise à éliminer l'ensemble de ces inconvénients, et elle a donc pour but de simplifier fortement la partie "émission" pour les systèmes de détection électromagnétiques du genre ici concerné, en procurant ainsi une importante économie de coût, tout en donnant la possibilité de mettre en oeuvre très facilement, et sans dispositif annexe coûteux, des fonctions qui sont souhaitées comme la possibilité de piloter instantanément les fréquences, les amplitudes et les phases des courants circulant dans plusieurs éléments d'antenne, ceci en proposant un pilotage direct de l'antenne d'émission, sans élément d'accord entre l'amplificateur de puissance et l'antenne. A cet effet, l'invention a essentiellement pour objet un dispositif pour le pilotage des antennes d'émission des systèmes de détection électromagnétiques, le dispositif se composant principalement, et en combinaison : - d'au moins un élément d'antenne d'émission proprement dit, non accordé en fréquence, - d'au moins un amplificateur de puissance simplifié, notamment du genre"pont en H"ou"demi-pont"ou"quart de pont", le ou chaque élément d'antenne d'émission étant couplé directement à cet amplificateur de puissance, et - d'au moins un circuit électronique d'alimentation, dont la sortie est connectée à l'amplificateur de puissance. Ainsi, l'idée à la base de l'invention consiste à coupler directement l'antenne d'émission à son amplificateur de puissance, sans composants d'adaptation tels que transformateurs, inductances ou condensateurs, l'amplificateur étant préférentiellement du type dit"pont en H", mais pouvant aussi utiliser la topologie dite"demi-pont", voire"quart de pont", comme précisé v ci-après. Le couplage direct entre l'antenne d'émission et l'amplificateur permet de faire varier rapidement la fréquence du champ électromagnétique émis par l'antenne, et de faire aussi varier rapidement la phase du champ électromagnétique émis par cette antenne. Dans la mesure où l'antenne d'émission et l'amplificateur sont alimentés par un circuit d'alimentation électronique du type"correcteur de facteur de puissance", il est aussi possible de faire varier rapidement l'amplitude du champ électromagnétique émis par l'antenne, par variation de la tension électrique fournie à l'amplificateur de puissance par un tel circuit d'alimentation. Ces fonctionnalités prennent ici toute leur efficacité, du fait que l'antenne n'est pas accordée, et elles permettent d'améliorer considérablement la fiabilité et la sensibilité de la détection. Dans une forme de réalisation préférée de l'invention, le ou chaque amplificateur d'émission est un amplificateur du genre"pont en H", à quatre branches comprenant chacune un élément de commutation actif et un élément de récupération passif, montés en parallèle, les quatre branches étant reliées à des alimentations, et leurs éléments de commutation étant aussi reliés, par l'intermédiaire d'étages de commande, à un étage électronique de mise en forme des signaux de commande. Dans une autre forme de réalisation avantageuse de l'invention, le ou chaque amplificateur d'émission est un amplificateur du genre"demi-pont en H", à quatre branches dont deux comprennent un élément de commutation actif et un élément de récupération passif, montés en parallèle, tandis que les deux autres banches sont réalisées par au moins un condensaeur et/ou au moins une alimentation, les éléments de commutation des deux premières banches éant reliés, par l'intermédiaire d'au moins un étage de commande, à un étage électronique de mise en forme des signaux de commande. Dans une troisième forme de réalisation, le ou chaque amplificateur d'émission est un amplificateur du genre"quart de pont en H", à quatre branches dont une seule comprend un élément de commutation actif et un élément de récupération passif, montés en parallèle, tandis que les autres branches sont réalisées par au moins un condensateur et/ou par au moins une alimentation, l'élément de commutation de la première branche étant relié, par l'intermédiaire d'un étage de commande, à un étage électronique de mise en forme des signaux de commande. Toutefois, dans cette dernière forme de réalisation, les performances de l'amplificateur sont dégradées, car l'unique élément actif ne peut piloter le courant dans l'antenne d'émission que dans un seul sens. Il est aussi à noter que les condensateurs utilisés dans les branches passives des ponts en H, pour les réalisations"demi-ponf'ou"quart de pont", ont pour rôle de fournir des points de retour du courant de l'antenne d'émission, avec des tensions électriques adaptées ; ces condensateurs ont, en général, une capacité de grande valeur et ils ne sont pas utilisés ici pour accorder le circuit qu'ils composent avec l'inductance de l'élément d'antenne associé. Selon un autre aspect de l'invention, le ou chaque amplificateur de puissance est prévu pour faire circuler, dans l'élément d'antenne d'émission directement couplé à cet amplificateur, un courant essentiellement de forme "triangulaire". A cet effet, les amplificateurs d'émission sont eux-mêmes pilotés avantageusement par des signaux "carrés" et d'amplitude maximale, ce qui permet de simplifier à l'extrême leur conception, de diminuer le nombre des composants et de réduire la dissipation thermique, ainsi que la surface des dissipateurs thermiques utilisés pour évacuer la chaleur produite. En fonction des variations du signal "carré" de pilotage des amplificateurs, le courant circulant dans le ou chaque élément d'antenne d'émission, donc le champ électromagnétique émis par cet élément d'antenne, peut être modulé en fréquence eVou en phase eVou en amplitude, ceci selon toute loi de variation désirée par exemple sinusoïdale, triangulaire, carrée ou aléatoire. On notera que l'augmentation de la fréquence d'émission permet de réduire l'amplitude du champ électromagnétique émis, lorsqu'il n'est pas souhaitable ou pas possible de diminuer la tension électrique fournie par l'alimentation à l'amplificateur. Selon une autre caractéristique de l'invention, le ou chaque circuit de compensation, recevant le signal issu d'un élément d'antenne de réception, comprend un circuit d'adaptation et d'amplification, des condensateurs, des inducteurs et des commutateurs, agencés pour affaiblir les signaux transitoires créés dans l'élément d'antenne de réception, notamment lors des inversions de tension au moment où l'amplificateur est commuté, et également lors des inversions de courant dans l'antenne, pour compenser les effets du passage du courant dans l'amplificateur alternativement dans le ou les éléments de commutation actifs et dans le ou les éléments de récupération passifs. Les composants utilisés pour réaliser la fonction de compensation peuvent également réaliser la fonction d'équilibrage entre plusieurs éléments d'antenne de réception, afin d'atténuer les signaux créés dans l'antenne de réception par la proximité de l'antenne d'émission et de matériaux magnétiques. La solution d'un circuit de compensation, intercalé dans la voie de réception, est plus efficace et moins coûteuse que des adaptateurs réalisés sur l'amplificateur d'émission, par exemple en multipliant les éléments de commutation actifs ou en utilisant des alimentations de polarisation complémentaires pour les éléments de commutation actifs et les éléments de récupération passifs. De toute façon, l'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé représentant, à titres d'exemples, quelques formes d'exécution de ce dispositif pour le pilotage des antennes d'émissions des systèmes de détection électromagnétiques : Figure 1 est un schéma synoptique général d'un système d'antennes de détection, avec les circuits électroniques associés ; Figure 2 représente une première forme de réalisation de l'invention, avec amplificateur du genre"pont en H"relié à un élément d'antenne d'émission : Figure 3 représente une deuxième forme de réalisation de l'invention, avec amplificateur du genre "demi-pont" relié à un élément d'antenne d'émission ; Figure 4 est un diagramme illustrant des exemples de courant et de tension dans un élément d'antenne d'émission ; Figure 5 représente, plus en détail, un exemple de réalisation du circuit de compensation. La figure 1 montre une antenne typique d'un système de détection électromagnétique d'objets volés, l'antenne désignée globalement par le repère 2 comprenant un ensemble mécanique 3, supportant les bobinages des antennes d'émission et de réception. Les antennes d'émission comprennent ici deux éléments d'antenne d'émission 4, tandis que les antennes de réception comprennent deux éléments d'antenne de réception 5. Les deux éléments d'antenne d'émission 4, de même que les deux éléments d'antenne de réception 5, forment deux branches équilibrées, par exemple de forme triangulaire, qui se compensent l'une l'autre. Pour chacun des deux éléments d'antenne d'émission 4, il est prévu un amplificateur, soit dans l'exemple illustré deux amplificateurs 6. La sortie de chaque amplificateur 6 est connectée électriquement à l'élément d'antenne d'émission 4 correspondante. Le système possède une alimentation électrique générale 7, à partir du réseau de distribution électrique en courant alternatif, ou de toute autre source d'énergie électrique, telle que piles, batteries ou cellules solaires. L'alimentation générale 7 dessert deux alimentations électriques particulières 8, associées respectivement aux deux amplificateurs d'émission 6. La sortie de chaque alimentation particulière 8 est connectée à l'amplificateur d'émission 6 correspondant. A chaque élément d'antenne de réception 5 est associé un circuit de compensation 9. Le système comprend encore une unité électronique de traitement 10, qui réalise les fonctions suivantes (en liaison avec les autres composants) : - L'unité 10 envoie des signaux de commande aux amplificateurs 6. Après amplification, ces signaux définissent la forme temporelle du signal émis par les éléments d'antenne d'émission 4. - L'unité 10 envoie des signaux de pilotage aux alimentations 8, pour commander leur tension de sortie qui alimente les amplificateurs 6 et définit l'amplitude des courants circulant dans les éléments d'antenne d'émission 4, donc l'intensité des champs électromagnétiques émis par ces éléments d'antenne 4. - L'unité 10 pilote les circuits de compensation 9 connectés aux éléments d'antenne de réception 5, et reçoit les signaux compensés issus de ces circuits 10, signaux sur lesquels elle effectue les traitements permettant d'élaborer la décision de détection de la présence de "marqueurs" dans le champ de l'antenne 2. - Enfin, l'unité 10 possède (comme symbolisé par des flèches sur la droite de la figure 1) des interfaces pour émettre ou recevoir des informations des systèmes périphériques. La figure 2 représente, dans le détail, un amplificateur 6 associé à un élément d'antenne d'émission 4, l'amplificateur 6 étant du genre"pont en H". Chacune des quatre branches d'un tel "pont en H"comprend un élément de commutation actif 11 et un élément de récupértation passif 12, montés en parallèle, les flèches indiquant le sens de passage du courant dans ces éléments 11 et 12. L'élément de commutation actif 11 est par exemple un transistor bipolaire ou à effet de champ, un thyristor ou un transistor IGBT. L'élément de récupération passif 12 est par exemple une diode. Des alimentations 13 fournissent, aux éléments de commutation actifs 11, la puissance nécessaire pour la tension adéquate. Elles absorbent aussi les courants aiguillés par les éléments de récupération passifs 12. Des étages électroniques 14 assurent la commande des éléments de commutation actifs 11, chaque étage 14 étant associé à une paire d'éléments de commutation 11. L'étage de commande 14 rend conducteur un élément de commutation 11 de la paire concernée, en même temps qu'il rend l'autre élément de commutation 11 isolé, ceci alternativement pour un élément 11 (tel que celui du haut) et l'autre élément 11 (tel que celui du bas). Cet étage de commande 14 peut être réalisé avec des composants électroniques discrets, ou avec des circuits intégrés spécialisés. Enfin, l'amplificateur 6 du genre"pont en H"comporte un étage électronique 15 de mise en forme des signaux de commande. L'étage 15 reçoit les signaux en provenance de l'unité de traitement 10 (figure 1), et il les adapte pour qu'ils soient utilisables par les étages de commande 14. L'amplificateur 6 du genre"pont en H", constitué comme il vient d'être décrit, est couplé directement à l'élément d'antenne d'émission 4 associé. La figure 3, sur laquelle les éléments correspondant à ceux de la figure 2 sont désignés par les mêmes repères, montre une autre forme de réalisation de l'amplificateur 6 associé à un élément d'antenne d'émission 4. Il s'agit ici d'un amplificateur du genre"demi-pont", encore couplé directement à l'élément d'antenne d'émission 4. Deux branches du pont en H de la figure 2, précédemment décrit, sont ici remplacées par un ou plusieurs condensateurs 16, utilisables seuls ou en association avec une ou plusieurs alimentations complémentaires, telles que celle indiquée en 17. En cours de fonctionnement de l'antenne 2, compte tenu du mode de fonctionnement du"pont en H"complet ou du"demi-pont", selon le cas, constituant l'amplificateur d'émission 6, le courant i dans l'élément d'antenne d'émission 4 possède, en fonction du temps t, l'allure illustrée dans la partie inférieure de la figure 4. Le courant i est ici, fondamentalement, de forme "triangulaire". Quant à la tension V dans le même élément d'antenne d'émission 4, celle-ci possède l'allure d'un signal "carré", comme illustré dans la partie supérieure de la figure 4, ceci supposant que l'amplificateur d'émission 6 est piloté sur son entrée par un signal lui-même "carré". Comme l'illustre aussi la figure 4, ce signal "carré" peut être modulé en fréquence. On notera aussi que la version à"pont en H"complet (figure 2) de l'amplificateur d'émission 6 est, par exemple, bien adaptée à un dispositif alimenté par un réseau alternatif en 110 volts, alors que la version à"demipont" (figure 3) est avantageuse pour un réseau alternatif en 220 volts ; en effet, le"demi-pont"fournit à l'élément d'antenne d'émission 4 une tension alternative dont le valeur est égale à la moitié de celle que fournit le "pont en H" complet. Enfin, la figure 5 représente le circuit de compensation 9, associé à un élément d'antenne de réception 5. Le circuit de compensation 9 comprend un circuit d'adaptation d'impédance et d'amplification 18, des condensateurs 19,20 et 21, des inductances 22,23, 24 et 25, et des commutateurs 26 et 27, ces derniers étant commandés par l'unité électronique de traitement 10 (figure 1), en synchronisme avec les tensions V et courants i (figure 4) des éléments d'antenne d'émission 4. Le circuit de compensation 9, ainsi constitué, assure la mise en forme des signaux de réception R, notamment pour diminuer le phénomène de perturbation de l'allure globalement"triangulaire"du courant i par un petit échelon de tension aux instants où le sens de ce courant s'inverse, le "pont en H"passant alors d'un fonctionnement piloté par les éléments de commutation 11 à un fonctionnement piloté par les éléments de récupération 12 (figures 2 et 3). Le circuit de compensation 9 assure ainsi un filtrage qui supprime les transitoires apparaissant sur le signal de réception, principalement lors des inversions de sens du courant i. Le circuit de compensation 9 intervient aussi lors des inversions du sens de variation du courant i, c'est-à-dire aux passages par les maxima et minima du"triangle" (figure 4). Enfin, le circuit de compensation 9 réalise un équilibrage pour compenser des déséquilibres résiduels dans le signal de réception R, entre les alternances positives et négatives ; ces déséquilibres possédant une origine interne, du fait des tolérances de construction du système, et aussi une origine extrême, par exemple du fait de dissymétries d'impédance électromagnétique de l'environnement plysique de l'antenne 2. Le système de détection électromagnétique, précédemment décrit, est applicable non seulement à la détection d'objets volés, mais aussi à la détection d'autres objets et, plus généralement, à toutes détections basées sur de petites variations à l'intérieur d'un champ électromagnétique intense. Une application particulière de l'invention est la détection de la présence d'un matériau susceptible d'être en vibration plus ou moins bruyante lorsqu'il est soumis au champ électromagnétique émis par le système, ce qui est le cas, par exemple, pour les matériaux magnétostrictifs. On utilise alors l'augmentation de la fréquence d'émission, pour placer cette fréquence dans le domaine inaudible, c'est-à-dire typiquement au-dessus de 20 kHz, afin de limiter une possible gêne acoustique. La présence de matériaux susceptibles d'entrer ainsi en vibration peut être détectée automatiquement, par exemple au moyen d'un microphone sensible au bruit acoustique généré par le matériau en question ; en cas de détection, le système passe alors automatiquement dans un mode d'émission à fréquence élevée. Pour le reste, le système peut être le même que celui utilisé pour détecter les marqueurs en vue de la détection d'objets volés, l'unité électronique de traitement utilisant cependant un logiciel spécifique pour cette fonction additionnelle. Comme il va de soi, et comme il ressort de ce qui précède, l'invention ne se limite pas aux seules formes d'exécution de ce dispositif pour le pilotage des antennes d'émission des systèmes de détection électromagnétiques qui ont été décrites ci-dessus ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes de réalisation et d'application respectant le même principe. En particulier, l'on ne s'éloignerait pas du cadre de l'invention : - en utilisant, dans une variante, un amplificateur d'émission du genre dit"quart de pont", qui utilise seulement un élément de commutation actif et un élément de récupération passif, dans une branche, toutes les autres branches du pont étant constituées par des condensateurs ou des alimentations ; - en modifiant les détails des circuits électroniques ; - en modifiant la forme, la disposition et le nombre des éléments d'antenne d'émission et des éléments d'antenne de réception ; - en pilotant le dispositif selon tout mode souhaité, notamment en faisant varier la fréquence, ou la phase, ou l'amplitude du champ électromagnétique émis par les éléments d'antenne, ceci selon toute loi de variation, en modifiant ou adaptant la forme triangulaire du courant qui parcourt le ou les éléments d'antenne d'émission ; - dans le cas d'un système comprenant deux ou plusieurs éléments d'antenne d'émission, couplés chacun directement à un amplificateur, en pilotant chaque amplificateur d'émission par un signal différent des autres, l'ensemble permettant ainsi de créer une configuration spatiale particulière du champ électromagnétique émis, et de faire varier rapidement cette configuration spatiale. REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour le pilotage des antennes d'émission des systèmes de détection électromagnétiques, dans un système de détection comprenant au moins une antenne d'émission et au moins une antenne de réception, la ou chaque antenne d'émission étant alimentée par un amplificateur de puissance électronique, et la ou chaque antenne de réception étant raccordée à un circuit de compensation, caractérisé en ce qu'il se compose, en combinaison : - d'au moins un élément d'antenne d'émission (4) proprement dit, non accordé en fréquence, - d'au moins un amplificateur de puissance (6) simplifié, notamment du genre"pont en H"ou"demi-pont"ou"quart de pont", le ou chaque élément d'antenne d'émission (4) étant couplé directement à cet amplificateur de puissance (6), et - d'au moins un circuit électronique d'alimentation (9), dont la sortie est connectée à l'amplificateur de puissance (6). 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque amplificateur d'émission (6) est un amplificateur du genre"pont en H", à quatre branches comprenant chacune un élément de commutation actif (11) et un élément de récupération passif (12), montés en parallèle, les quatre branches étant reliées à des alimentations (13), et leurs éléments de commutation (11) étant aussi reliés, par l'intermédiaire d'étages de commande (14), à un étage électronique (15) de mise en forme de signaux de commande. 3 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque amplificateur d'émission (6) est un amplificateur du genre"demi-pont en H", à quatre branches dont deux comprennent un élément de commutation actif (11) et un élément de récupération passif (12), montés en parallèle, tandis que le deux autres branches sont réalisées par au moins un condensateur (16) eVou par au moins une alimentation (13,17), les éléments de commutation (11) des deux premières branches étant reliés, par l'intermédiaire d'au moins un étage de commande (14), à un étage électronique (15) de mise en forme des signaux de commande. 4 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le ou chaque amplificateur d'émission est un amplificateur du genre"quart de pont en H", à quatre branches dont une seule comprend un élément de commutation actif (11) et un élément de récupération passif (12), montés en parallèle, tandis que les autres branches sont réalisées par au moins un condensateur et/ou par au moins une alimentation, l'élément de commutation (11) de la première branche étant relié, par l'intermédiaire d'un étage de commande, à un étage électronique de mise en forme des signaux de commande. 5 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le ou chaque amplificateur de puissance (6) est prévu pour faire circuler, dans l'élément d'antenne d'émission (4) directement couplé à cet amplificateur (6), un courant (i) essentiellement de forme "triangulaire". 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le courant (i) circulant dans le ou chaque élément d'antenne d'émission (4), donc le champ électromagnétique émis par cet élément d'antenne (4), est modulé en fréquence et/ou en phase et/ou amplitude. 7-Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le ou chaque circuit de compensation (9), recevant le signal (R) issu d'un élément d'antenne de réception (5), comprend un circuit d'adaptation et d'amplification (18), des condensateurs (19,20, 21), des inductances (22,23, 24,25) et des commutateurs (26,27), agencés pour affaiblir les signaux transitoires créés dans l'élément d'antenne de réception (5).