Brevet FR2925671A1 — publié le 20090626

DISPOSITIF MAGNETOMETRIQUE D'EVALUATION D'UN PARAMETRE PHYSIQUE, ET APPLICATION L'invention concerne, de façon générale, les techniques métrologiques, notamment dans le domaine automobile. Plus précisément, l'invention concerne un dispositif 10 magnétométrique d'évaluation d'un paramètre physique, comprenant un circuit sensible à un champ magnétique, un circuit de mesure, et un générateur de champ magnétique, le circuit sensible présentant une inductance variable en fonction du champ magnétique, le générateur de champ 15 magnétique étant conçu pour soumettre le circuit sensible à un champ magnétique de polarisation variant avec ledit paramètre physique et plaçant l'inductance dans une zone de perméabilité variable, et le circuit de mesure étant conçu pour mesurer une caractéristique électrique du 20 circuit sensible qui évolue en fonction de la perméabilité de l'inductance, le paramètre physique étant évalué à partir d'au moins une mesure de cette caractéristique électrique. 25 L'art antérieur fournit à l'homme du métier de nombreux exemples de dispositifs magnétométriques, notamment par les documents de brevets US 4 893 076 et US 4 611 127. Lorsqu'il s'agit de mesurer un champ magnétique, soit 30 pour en connaître la valeur, soit pour connaître la valeur d'un autre paramètre physique évoluant en fonction du champ magnétique mesuré, et lorsque le champ magnétique à mesurer n'est pas le champ magnétique terrestre, la mesure obtenue doit être corrigée de la 35 valeur du champ magnétique terrestre. 2 Alors que cette contrainte peut être surmontée par un simple décalage de zéro dans le cas où le champ magnétique terrestre parasite est fixe, l'invention a pour but de proposer un dispositif magnétométrique conçu pour s'affranchir de l'erreur introduite par l'existence du champ magnétique terrestre y compris lorsque ce dernier est variable, par exemple dans le cas où le dispositif magnétométrique est embarqué sur un véhicule. A cette fin, le dispositif de l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le générateur de champ est conçu pour inverser la polarité du champ de polarisation, en ce que le circuit de mesure est conçu pour effectuer, respectivement lors de l'application du champ de polarisation suivant deux polarités inverses, deux mesures correspondantes de la caractéristique électrique, et en ce que ledit paramètre physique est évalué à partir au moins de ces deux mesures de la caractéristique électrique. Le paramètre physique évalué est par exemple constitué par la distance séparant le générateur de champ magnétique du circuit sensible, ou varie de façon monotone en fonction de cette distance. Le circuit sensible peut comprendre un circuit résonant, auquel cas la caractéristique électrique peut être constituée par la fréquence de résonance propre de ce circuit résonant. Il est alors avantageux, au moins dans ce cas, que le circuit sensible comprenne une bobine d'induction dotée d'un noyau magnétique saturable, ce noyau pouvant être constitué au moins partiellement d'un matériau doux par exemple choisi dans le groupe des matériaux amorphes, des 3 matériaux nanocristallins, des alliages fer-nickel, des alliages fer-silicium et des ferrites. De préférence, ce noyau magnétique saturable s'étend de part et d'autre de la bobine d'induction, au-delà de cette bobine et peut même être conformé en une boucle fermée sur elle-même, entourant une partie au moins de la bobine d'induction. Dans un mode de réalisation possible de l'invention, le circuit de mesure comprend un générateur d'impulsions propre à exciter le circuit résonant et peut en outre comprendre un fréquencemètre propre à mesurer la fréquence de résonance propre du circuit magnétique résonant, ou la période correspondante. Dans un autre mode de réalisation possible, le dispositif de l'invention peut comprendre un oscillateur entretenu incluant au moins le circuit résonant et un composant actif, le circuit de mesure comprenant lui-même un fréquencemètre. Dans le cas où le paramètre physique recherché n'est pas directement constitué par la fréquence ou la période de résonance propre du circuit résonant, le circuit de mesure comprend en outre un sous-circuit de mesure incluant le fréquencemètre et conçu pour déterminer ce paramètre physique à partir de cette fréquence ou de cette période de résonance. Le dispositif de l'invention est notamment applicable à la détermination de la charge d'un pneumatique ou d'un ensemble de pneumatiques de véhicule. Cette application peut notamment être mise en oeuvre en prévoyant que le générateur de champ magnétique et le 4 circuit sensible soient séparés l'un de l'autre par une distance qui varie de façon monotone en fonction de cette charge. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - les figures 1A à 1C sont des diagrammes représentant l'évolution de l'induction magnétique dans un matériau de perméabilité magnétique variable en fonction du champ magnétique auquel ce matériau est soumis; -la figure 2 est une vue en perspective d'une partie d'un dispositif conforme à l'invention, incluant un circuit résonant et un générateur de champ magnétique; - la figure 3 est un diagramme analogue à ceux des 20 figures 1A à 1C, illustrant le principe de l'invention; - la figure 4 est diagramme illustrant l'évolution de la fréquence de résonance du circuit résonant illustré à la figure 2 en fonction de la distance séparant ce circuit 25 résonant du générateur de champ; - la figure 5 est un schéma d'un premier mode de réalisation possible de l'invention; 30 - la figure 6 est un schéma d'un deuxième mode de réalisation possible de l'invention; - la figure 7 est une vue partielle schématique en élévation d'un élément de suspension d'un véhicule 35 automobile; et 30 - la figure 8 est une vue du ressort de suspension visible sur la figure 7, auquel sont rendus solidaires le circuit résonant et le générateur de champ magnétique visibles sur la figure 2. 5 Comme annoncé précédemment, l'invention concerne un dispositif magnétométrique utilisant un circuit 1 sensible à un champ magnétique, un circuit de mesure 2, et un générateur 3 de champ magnétique, ce dispositif permettant d'évaluer un paramètre physique, tel qu'une distance ci-après notée D ou une charge ci-après notée K. Le circuit sensible 1 est de préférence réalisé sous forme d'un circuit résonant 11 comportant au moins (figures 5 et 6) une bobine d'induction 110 dotée d'un noyau 119, et un ou plusieurs condensateurs 111, llla, et lllb. Ce ou ces condensateurs présentent une capacité globale C, et la bobine 110 présente, avec son noyau 119, une inductance L qui varie en fonction du champ magnétique auquel cette bobine est soumise. En pratique, ces impédances sont complétées par une 25 résistance électrique R au moins constituée par la résistance intrinsèque de la bobine 110. Dans ces conditions, le circuit résonant 11 présente, de façon connue, une fréquence de résonance F1 égale à : 1 1 F1 = 2.n -N/17(7 et un facteur de qualité Q, encore appelé facteur de surtension, égal à : 35 6 I \IL Q R C Le générateur 3 de champ magnétique, qui comprend par exemple une bobine d'induction 30 éventuellement dotée d'un noyau 39, est conçu pour soumettre le circuit sensible 1 à un champ magnétique de polarisation dont le flux parvenant au circuit sensible 1 varie avec le paramètre physique D ou K à évaluer. Le champ magnétique créé par le générateur 3 est par ailleurs dimensionné pour placer l'inductance L de l'ensemble de la bobine 110 et de son noyau 119 dans une zone de perméabilité variable. On rappelle que l'inductance L d'une bobine dépend : - de sa géométrie (forme, dimensions), - du nombre de spires qu'elle comporte, - de la perméabilité de son noyau, et - du champ magnétique environnant, dès lors que 20 la perméabilité de son noyau varie avec ce champ, comme c'est en l'occurrence le cas pour la bobine 110. Les figures 1A à 1C présentent un exemple de courbe 25 d'aimantation B(H) du noyau d'une bobine telle que 110, pour son axe principal d'aimantation. Sur ces figures, H désigne de façon générique le champ magnétique environnant auquel est soumise la bobine 110, 30 encore appelé champ magnétique de polarisation, B désigne de façon générique l'induction magnétique du noyau 119 de la bobine 110, Hp désigne une valeur particulière du champ de polarisation, et Bp désigne la valeur que prend l'induction magnétique du noyau 119 pour le champ Hp. En chaque point de fonctionnement défini par la valeur Hp 5 du champ H, la perméabilité � du noyau 119, qui est égale au produit �0.�r où �o est la perméabilité du vide et �r la perméabilité relative, est représentée par la tangente à la courbe d'aimantation B(H) en ce point de fonctionnement. 10 Cette courbe B(H) présente trois zones distinctes illustrées par les figures 1A à 1C. Aux faibles valeurs du champ H (figure 1A), la 15 perméabilité � du noyau 119, c'est-à-dire la pente du segment en gras centré sur les valeurs Hp et Bp de la figure 1A, présente une valeur élevée mais ne varie pas lorsque la valeur Hp varie en restant dans la même zone de la courbe d'aimantation. 20 Aux fortes valeurs du champ H (figure 1B), le noyau 119 est saturé de sorte que sa perméabilité �, c'est-à-dire la pente du segment en gras centré sur les valeurs Hp et Bp de la figure 1B, présente une valeur faible mais ne 25 varie pas non plus lorsque la valeur Hp varie en restant dans la même zone de la courbe d'aimantation. En revanche, pour les valeurs intermédiaires du champ H (figure 1C), une très faible variation de la valeur Hp du 30 champ H dans cette zone de valeurs intermédiaires provoque une variation très importante de la perméabilité � du noyau 119, c'est-à-dire de la pente du segment en gras centré sur les valeurs Hp et Bp de la figure 1C. Comme déjà indiqué ci-dessus, le champ magnétique appliqué par le générateur 3 à la bobine 110 et à son noyau 119 est justement calibré pour placer ce noyau 119 dans sa zone de perméabilité variable illustrée à la figure 1C. Dans ces conditions, l'inductance L de l'ensemble constitué par la bobine 110 et le noyau 119 est donc elle aussi fortement variable en fonction du champ magnétique H appliqué. Le circuit de mesure 2 est quant à lui conçu pour mesurer une caractéristique électrique qui est propre au circuit résonant 11 et qui évolue de façon monotone en fonction de la perméabilité de l'inductance L, donc en fonction du champ magnétique H. Cette caractéristique électrique peut donc être constituée par la fréquence de résonance F1 du circuit 1 1 résonant 11, égale à , ou par le facteur de 2x .V17(7 1 L qualité Q de ce circuit 11, égal à ù R C Comme, par hypothèse, les évolutions du paramètre physique D ou K à mesurer et les évolutions du champ magnétique H sont liées entre elles, la connaissance théorique ou expérimentale de la loi liant D ou K à H permet d'évaluer D ou K en fonction de H et inversement à partir d'au moins une mesure de la caractéristique électrique. 5 9 La suite de la présente description illustre des modes de réalisation de l'invention dans lesquels la fréquence de résonance F1 du circuit résonant 11 est utilisée en tant que caractéristique électrique. Selon l'invention, le générateur de champ 3 est conçu pour inverser la polarité du champ de polarisation H. Par ailleurs, le circuit de mesure 2 est conçu pour 10 effectuer au moins une première mesure F11 de la caractéristique électrique F1 lors de l'application du champ de polarisation H avec sa première polarité, et pour effectuer une deuxième mesure F12 de cette caractéristique électrique F1 lors de l'application du 15 champ de polarisation H avec sa deuxième polarité. Ainsi, au lieu d'être évalué à partir d'une seule mesure F11 de la caractéristique électrique F1, le paramètre physique D ou K peut être évalué à partir au moins de ces 20 deux mesures F11 et F12. L'effet de cet agencement est illustré à la figure 3, qui est constituée par une courbe d'aimantation semblable aux figures 1A et 1C, mais sur laquelle le champ H et 25 l'induction magnétique B sont représentés en valeurs absolues, les valeurs négatives de H et de B étant ainsi repliées dans le domaine des valeurs positives de ce champ et de cette induction. 30 Lorsque le champ magnétique Hp produit par le générateur 3 s'oppose au champ magnétique terrestre Ht, le champ résultant appliqué au circuit résonant a pour valeur absolue 1Hp-Htl. 35 Cette valeur 1Hp-Htl peut donc être déduite d'une première mesure F11 de la fréquence de résonance F1 10 effectuée lors de l'application du champ Hp avec une première polarité, et de la connaissance des lois physiques liant le champ H à la perméabilité � du noyau 119, la perméabilité � du noyau 119 à l'inductance L du circuit résonant 11, et l'inductance L du circuit résonant 11 à la fréquence de résonance propre F1 de ce circuit 11. Lorsque le champ magnétique Hp produit par le générateur 3 agit dans le même sens que le champ magnétique terrestre Ht, le champ résultant appliqué au circuit résonant a pour valeur absolue 1Hp+Htl. Cette valeur 1Hp+Htl peut donc être déduite d'une deuxième mesure F12 de la fréquence de résonance F1 effectuée lors de l'application du champ Hp avec une deuxième polarité, et de la connaissance des lois physiques liant le champ H à la perméabilité � du noyau 119, la perméabilité � du noyau 119 à l'inductance L du circuit résonant 11, et l'inductance L du circuit résonant 11 à la fréquence de résonance propre F1 de ce circuit 11. En inversant la polarité du champ magnétique Hp et en obtenant les deux mesures F11 et F12 de la caractéristique électrique F1 qui correspondent à un champ magnétique total d'amplitudes respectives 1Hp- Htl et 1Hp+Htl, il est ainsi possible d'en déduire, au moyen de la demie- somme (lHp-Htl+lHp+Htl)/2 ou de tout autre outil mathématique connu en lui-même, une valeur estimée de l'amplitude du champ magnétique Hp produit par le générateur 3 et recueilli par le circuit sensible 1. En particulier, comme le champ Hp que produit le générateur 3 et que recueille le circuit sensible 1 dépend de la distance D entre ce générateur 3 et le 11 circuit sensible 1 (figure 2), il est possible d'évaluer cette distance D, en tant que paramètre physique variable, pour une valeur constante ou au moins connue du champ H. La figure 4 illustre, pour un mode de réalisation particulier de l'invention, l'évolution de la fréquence de résonance F1 du circuit résonant 11, exprimée en kHz et corrigée de l'influence du champ magnétique terrestre Ht, en fonction de la distance D séparant ce circuit résonant 11 du générateur de champ 3. De préférence, le noyau magnétique saturable 119 de la bobine d'induction 110 est au moins partiellement constitué d'un matériau doux, c'est-à-dire à faible champ coercitif, choisi dans le groupe des matériaux amorphes, des matériaux nanocristallins, des alliages fer-nickel, des alliages fer-silicium et des ferrites. De préférence, ce noyau magnétique saturable 119 s'étend de part et d'autre de la bobine d'induction 110, au-delà de cette bobine, et est idéalement conformé en une boucle fermée sur elle-même (figure 2), entourant tout ou partie de la bobine d'induction 110. Deux modes de réalisation particuliers de l'invention sont illustrés aux figures 5 et 6. Sur chacune de ces figures, le générateur 3 de champ magnétique est formé d'une bobine d'induction 30 dotée d'un noyau 39 et associée à une source d'énergie électrique 32 et à un inverseur de polarité 31 piloté par un signal d'horloge HRL. 12 Néanmoins, ce générateur pourrait aussi être constitué par un aimant permanent périodiquement entraîné en rotation de 180 degrés autour de son axe médian. Dans le mode de réalisation de la figure 5, le circuit de mesure 2 comprend un générateur d'impulsions 21 propre à exciter le circuit résonant 11. Ce générateur d'impulsions 21 est par exemple constitué 10 d'une source d'énergie électrique 210 et d'un commutateur 211 piloté par le signal d'horloge HRL. Le commutateur 21 recharge périodiquement le condensateur 111 du circuit résonant 11 en le reliant à la source 210, 15 puis referme le circuit résonant 11 dont la sortie fournit un signal pseudopériodique de relaxation de fréquence F1 à un fréquencemètre 220. Par convention, le terme de "fréquencemètre" est ici 20 utilisé dans un sens fonctionnel très large et désigne tout circuit, dispositif ou appareil propre à mesurer directement ou indirectement la fréquence de résonance F1 du circuit magnétique résonant 11, ou la période correspondante, égale à 1/F1. 25 Dans le mode de réalisation de la figure 6, le dispositif de l'invention comprend un oscillateur entretenu au moins constitué par le circuit résonant 11 et par un ou plusieurs composants actifs tels qu'un amplificateur 30 opérationnel 12. Le circuit résonant 11 peut comporter plusieurs condensateurs tels que 111a et 111b et est par exemple monté en série avec une résistance 112 dans la boucle de 35 rétroaction de l'amplificateur 12. 13 Dans un tel montage, la sortie de l'amplificateur 12 produit en permanence un signal oscillant à la fréquence de résonance F1 du circuit magnétique résonant 11, qui est fourni à un fréquencemètre 220. Dans chacun des modes de réalisation des figures 5 et 6, le circuit de mesure 2 comprend un sous-circuit de mesure 22 incluant le fréquencemètre 220 et conçu pour déterminer le paramètre physique D ou K à partir de la fréquence F1 ou de la période 1/F1 de résonance propre du circuit résonant 11. Par exemple, ce sous-circuit de mesure 22 peut être cadencé par le signal d'horloge HRL et comprendre une mémoire contenant, sous forme d'une ou plusieurs cartographies, la loi liant chaque couple de valeurs F11 et F12 à une valeur estimée de la fréquence de résonance F1 corrigée de l'influence du champ magnétique terrestre, et la loi, illustrée à la figure 4, qui lie la distance D à la valeur corrigée de cette influence. Les figures 7 et 8 illustrent une application de l'invention à la détermination de la charge K d'un pneumatique ou d'un ensemble de pneumatiques d'un véhicule. Comme le rappelle la figure 7, chaque roue 9 d'un véhicule terrestre supporte une partie des éléments suspendus de ce véhicule au moyen notamment d'un bras 91 et d'organes élastiques tels qu'un ressort 92. Plus la charge K appliquée à une roue 9, donc au pneu 90 équipant cette roue, est élevée, et plus l'organe élastique de suspension 92 associé à cette roue est comprimé. 14 Comme la loi liant la compression de cet organe à la charge est mesurable et connue d'avance, il est possible d'utiliser cette compression pour faire varier la distance D entre le générateur 3 de champ magnétique et le circuit sensible 1 et de déduire la charge K de la roue 9 de la mesure de cette distance D. Par exemple, comme le montre la figure 8, le générateur 3 de champ magnétique et le circuit sensible 1 peuvent être rendus solidaires d'extrémités respectives 921 et 922 du ressort 92. Plus généralement, le générateur 3 de champ magnétique et le circuit sensible 1 peuvent être rendus solidaires de parties du véhicule qui sont séparées par une distance D variant de façon monotone avec la charge K d'un pneu 90 ou d'un ensemble de pneus. Dans ce cas, il suffit d'intégrer la loi liant la distance D à la charge K dans la ou les cartographies mémorisées dans le sous-circuit de mesure 22 pour obtenir une évaluation directe de la charge K à partir de l'évaluation de la distance D.25 REVENDICATIONS . 1. Dispositif magnétométrique d'évaluation d'un paramètre physique (D, K), comprenant un circuit (1) sensible à un champ magnétique, un circuit de mesure (2), et un générateur (3) de champ magnétique, le circuit sensible (1) présentant une inductance (L) variable en fonction du champ magnétique, le générateur (3) de champ magnétique étant conçu pour soumettre le circuit sensible (1) à un champ magnétique de polarisation variant avec ledit paramètre physique (D, K) et plaçant l'inductance (L) dans une zone de perméabilité variable, et le circuit de mesure (2) étant conçu pour mesurer une caractéristique électrique (F1) du circuit sensible (1) qui évolue en fonction de la perméabilité de l'inductance (L), le paramètre physique (D, K) étant évalué à partir d'au moins une mesure (F11) de cette caractéristique électrique (F1), caractérisé en ce que le générateur de champ (3) est conçu pour inverser la polarité du champ de polarisation, en ce que le circuit de mesure (2) est conçu pour effectuer, respectivement lors de l'application du champ de polarisation suivant deux polarités inverses, deux mesures correspondantes (F11, F12) de la caractéristique électrique (F1), et en ce que ledit paramètre physique (D, K) est évalué à partir au moins de ces deux mesures (F11, F12) de la caractéristique électrique (F1). 2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le paramètre physique évalué (D, K) est constitué par la distance (D) séparant le générateur de champ magnétique (3) du circuit sensible (1), ou varie de façon monotone en fonction de cette distance (D). 16 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit sensible (1) comprend un circuit résonant (11). 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la caractéristique électrique (F1) est constituée par la fréquence de résonance propre du circuit résonant (11). 5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit sensible (1) comprend une bobine d'induction (110) dotée d'un noyau magnétique saturable (119). 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ledit noyau magnétique saturable (119) est constitué au moins partiellement d'un matériau doux. 7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que ledit matériau doux est choisi dans le groupe des matériaux amorphes, des matériaux nanocristallins, des alliages fer-nickel, des alliages fer-silicium et des ferrites. 8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que ledit noyau magnétique saturable (119) s'étend de part et d'autre de la bobine d'induction (110), au-delà de cette bobine. 9. Dispositif suivant la revendication 8, caractérisé en ce que ledit noyau magnétique saturable (119) est conformé en une boucle fermée sur elle-même, entourant une partie au moins de la bobine d'induction (110). 10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 4, 17 caractérisé en ce que le circuit de mesure (2) comprend un générateur d'impulsions (21) propre à exciter le circuit résonant (11). 11. Dispositif suivant la revendication 10, caractérisé en ce que le circuit de mesure (2) comprend en outre un fréquencemètre (220) propre à mesurer la fréquence de résonance propre (F1) du circuit magnétique résonant (11), ou la période correspondante (1/F1). 12. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9 combinée à la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend un oscillateur entretenu incluant au moins le circuit résonant (11) et un composant actif (12), et en ce que le circuit de mesure (2) comprend un fréquencemètre (220). 13. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 11 et 12, caractérisé en ce que le circuit de mesure (2) comprend en outre un sous-circuit de mesure (22) incluant le fréquencemètre (220) et conçu pour déterminer ledit paramètre physique (D, K) à partir de la fréquence (F1) ou de la période (1/F1) de résonance propre du circuit résonant (11). 14. Application d'un dispositif suivant l'une quelconque des revendications précédentes combinée à la revendication 2 à la détermination de la charge (K) d'un pneumatique (90) ou d'un ensemble de pneumatiques de véhicule, application dans laquelle la distance (D) séparant le générateur (3) de champ magnétique du circuit sensible (1) varie de façon monotone en fonction de cette charge (K).35