Procédé de mesure, par résonance magnétique nucléaire, des trois composantes de la vitesse de rotation d'un véhicule
et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé
La présente invention a trait à un procédé de mesure par résonance magnétique nucléaire des trois composantes de la vitesse de rotation d'un véhicule, par exemple d'un véhicule hydroporté, aéroporté, balistique ou spatial, par rapport à un référentiel d'inertie, ce procédé utilisant la résonance magnétique nucléaire engendrée au sein d'un échantillon d'une substance fluide dont les molécules contiennent au moins un atome ayant un spin nucléaire différent de zéro, cet échantillon étant soumis à l'action d'un champ magnétique continu agissant comme champ directeur.
Il est connu d'utiliser le phénomène de la résonance magnétique nucléaire pour la mesure d'une vitesse de rotation, et l'on peut citer à ce propos la publication de M. J. Minnemann parue dans la revue < x Space Aero- nautics , nov. 1962, p. 79, ainsi que les exposés suivants, qui ont été présentés lors des Journées d'Etude sur les garoscopes avancés organisées en novembre 1964, à Paris:
M. J. Minnemann, S. M. Forman, A. Grumet, W. P.
Senett, J. W. Faltin, J. A. Skala, H. Julieh et J. Port
Recherches sur les gyroscopes à résonance magnétique nucléaire.
G. Hanuise - Résultats sur le gyromètre à induction nucléaire.
W.P. Senett - Gyroscope à résonance magnétique nucléaire utilisant une oscillation maser.
(Ces trois exposés ont paru dans le Mémorial de l'Artillerie française, 3e fascicule, 1965, Imprimerie
Nationale, Paris.)
Ces procédés connus consistent à soumettre un échantillon d'une substance à un champ magnétique continu, dit champ directeur, auquel est superposé un champ magnétique alternatif, dit champ excitateur, qui a la même direction que le champ directeur et dont l'intensité oscille à une fréquence égale à celle qui provoque la résonance magnétique des spins nucléaires de la substance échantillon. Dans ces conditions, les spins de la substance décrivent autour de la direction du champ directcur un mouvement de précession à vitesse variable.
Lorsque l'ensemble champ directeur
+ échantillon est animé, par rapport au référentiel d'inertie, d'une rotation autour d'un axe perpendiculaire au champ directeur, cette précession des spins a lieu autour d'une direction oblique par rapport à celle de ce champ directeur, ce qui donne naissance, dans une bobine située à angle droit par rapport à la direction de ce dernier, à une tension induite dont l'amplitude est proportionnelle à cette vitesse de rotation. La mesure de cette tension induite est donc une mesure de cette vitesse de rotation et la détermination du déphasage entre ce signal et le champ excitateur permet de connaître l'orientation de cette vitesse de rotation dans le plan perpendiculaire au champ directeur.
On voit qu'un gyromètre basé sur ce principe ne permet de mesurer que la projection du vecteur rotation sur un plan perpendiculaire au champ directeur à l'exclusion de la composante qui est parallèle à ce champ.
Il n'est donc pas possible de construire sur cette base un gyromètre total , c'est-à-dire capable de fournir une mesure de toutes les composantes d'une vitesse de rotation.
La présente invention a précisément pour objet un procédé permettant de mesurer les trois composantes d'une rotation de l'échantillon, donc d'un véhicule à bord duquel cet échantillon est transporté. Ce procédé est caractérisé par le fait que l'on mesure alternativement, d'une part, les deux composantes de cette rotation qui sont perpendiculaires audit champ directeur, d'autre part, la composante qui lui est parallèle, par le fait que, pour mesurer ces deux composantes perpendiculaires, l'on superpose audit champ directeur un champ magnétique excitateur qui a la même direction que ce dernier et qui varie sinusoïdalement à une fréquence égale à la fréquence de Larmor que possède la substance dudit échantillon dans ce champ directeur, et l'on mesure l'amplitude et la phase, par rapport à ce champ excitateur du signal qui est induit,
sous l'effet de la résonance magnétique nucléaire des spins de cette substance, dans une bobine dont l'axe est perpendiculaire à ce champ excitateur et passe par cet échantillon, la partie de ce signal qui est en phase avec le champ excitateur étant proportionnelle à la composante de rotation parallèle à l'axe de cette bobine et la partie en quadrature étant proportionnelle à la composante de rotation perpendiculaire à cet axe, et par le fait que, pour mesurer la composante parallèle, l'on superpose à ce champ directeur un champ magnétique tournant, qui lui est perpendiculaire,
la vitesse de ce champ tournant étant égale à la vitesse de précession de Larmor de cette substance dans ce champ directeur et son amplitude étant modulée à une fréquence égale à la fréquence de Larmor qu'aurait cette substance dans un champ directeur ayant pour intensité l'amplitude moyenne de ce champ tournant, et #, mesure l'amplitude du signal induit par résonance magnétique nucléaire des spins de cette substance dans une bobine dont l'axe coïncide avec ce champ directeur, l'amplitude de ce signal étant proportionnelle à cette composante parallèle de la rotation.
L'invention a aussi pour objet un appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé et qui, par conséquent, constitue un gyromètre total, destiné à être embarqué à bord d'un véhicule en tant qu'instrument de navigation.
Une mise en oeuvre particulière du procédé faisant l'objet de l'invention ainsi qu'une forme de réalisation d'un appareil permettant cette mise en oeuvre sont exposés ci-après en regard du dessin annexé, dans lequel:
La fig. 1 est un schéma qui se rapporte à l'une des deux étapes qu'elle comporte.
La fig. 2 est un schéma qui se rapporte à l'autre de ces deux étapes.
La fig. 3 est un schéma fonctionnel de ladite forme de réalisation.
La mise en oeuvre décrite ci-après consiste à mesurer alternativement les deux composantes de la vitesse de rotation #1 à savoir la composante H0, qui est perpen diculaire au champ directeur #II et la composante #I, qui lui est parallèle.
Pour la composante perpendiculaire H1 on utilise la méthode connue de Minnemann, laquelle consiste à superposer au champ directeur Ho ffig. 1) un champ alternatif excitateur # qui a la même direction que celui-ci et une pulsation gamma; H0 = ' (y étant le rapport gyromagnétique des noyaux de la substance échantillon E), c'est-à-dire une fréquence égale à la fréquence de résonance magnétique nucléaire de cette substance dans le champ directeur Ho (appelée fréquence de Larmor) et à capter, selon une direction R1 perpendiculaire à ce champ directeur, le signal induit par la perturbation qur carse la composante #I sur la précession des spins des noyaux de la substance échantillon.
La mesure du déphasage entre le signal ainsi capté et le champ excitateur H1 permet de déterminer l'angle α que fait cette composante QT avec la direction RI
Pour la composante parallèle #II, on utilise une méthode nouvelle qui consiste à superposer au champ directeur H" (fig. 2) un champ tournant H2 se mouvant dans le plan (X, Y) qui est perpendiculaire au champ directeur et qui passe par l'échantillon E, et à donner à la vitesse angulaire #o de ce champ tournant une valeur w = yHO égale à la pulsation de résonance magnétique nucléaire dans le champ directeur H0, l'intensité de ce champ tournam H2 étant modalée sinusoidalement avec une amplitude H5 et une pulsation #' == = γ
H2 égale à la pulsation de résonance magnétique nucléaire dans le champ H2. Ce champ tournant tourne dans le sens de la précession de Larmor des spins.
On capte, dans la direction RII parallèle au champ directeur H0, le signal qui résulte du mouvement des spins des noyaux de l'échantillon E perturbé sous l'effet du champ Hg, signal qui est proportionnel au module de la composante parallèle #II de la rotation # de l'échantillon par rapport au référentiel d'inertie.
Ayant ainsi mesuré d'une par la composante #I et son angle polaire a, et d'autre part la composante on on connaît la grandeur et la position de la vitesse de rotation # elle-même.
L'appareil qui met en oeuvre le procédé décrit cidessus est représenté schématiquement à la fig. 3.
Un échantillon E d'une substance dont les molécules contiennent au moins un atome ayant un spin nucléaire différent de zéro est situé au point de concours des axes de trois bobines orthogonales: une bobine 1, disposée selon un axe Z, une bobine 2 disposée selon un axe Y et une bobine 3 disposée selon un troisième axe X. La bobine 1 est alimentée par une source à courant continu 4 et crée un champ constant qui constitue le champ directeur H0.
Le long de l'axe Z, il y a, en plus de la bobinc l.unc bobinbc 5 qui cst dcsitinéc à créer le champ
H1 nécessaire pour la mesure de la composante #1 selon la technique de Minnemann et qui est alimentée, par l'intermédiaire d'un premier contact fixe d'un relais commutateur 6, par une source 7 de courant alternatif ayant la pulsation w = Ho. La bobine 2 est alimentée, par l'intermédiaire de l'autre contact fixe de ce même relais commutateur 6, par la même source 7, le courant de cette dernière étant, dans ce cas, modulé en amplitude par une source de courant alternatif 8 qui lui est reliée par un relais commutateur 9 et qui a la pulsion #' = γ H2. La bobine 3 est alimentée par les mêmes sources 7 et 8, dont le courant a été déphasé.
par un déphaseur 10, d'un quart de période par rapport au courant qui traverse la bobine 2. Ces deux bobines, sièges de courants identiques déphasés d'un quart de période, créent deux champs magnétiques alternatifs,
H'2+H'2 et H"2+H"3 respectivcment. qui sont tous deux modulés en amplitude à la pulsation w' et qui, en se combinant, engendrent le champ tournant
H2+H3 modulé en amplitude, la profondeur de modulation étant H3.
Les bobines 11 et 12, qui sont disposées selon l'axe
X, et selon l'axe Z respectivement, sont des bobines réceptrices qui servent au prélèvement des signaux de résonance selon les directions RI et R11, respectivement.
Pour cela, la bobine 11 est raccordée, par l'intermédiaire d'un troisième relais commutateur 13, à un amplificateur 14 qui est accordé sur la fréquence f = #/2#
Cct amplificaticur 14 csr suivi de deux détecteurs synchroncs 15 et 16 (du type lock-in ) dont l'un 15, est commandé par le signal issu de la source 7 et dont l'autre, 16, est commandé par ce même signal, préalablement déphasé d'un quart de période par un déphaseur 17. Les signaux issus des détecteurs synchrones 15 et 16 sont amplifiés par des amplificateurs à courant con tinu 18 et 19, respectivement, dont les niveaux de sortie sont mesuris à l'aide des instruments 20 et 21 respectivement.
La bobine 12 est raccordée, par l'intermédiaire d'un relais commutateur 22, à un amplificateur 23 qui est accordé sur la fréquence f' = #'/2#. Cet amplificateur 23 est suivi d'un détecteur synchrone 24 (du type lock-in ) commandé par le signal issu de la source 8, signal qui est prélevé à la sortie du relais commutateur 9. Le signal issu de ce détecteur synchrone 24 est amplifié par un amplificateur à courant continu 25 dont le niveau de sortie est mesuré à l'aide d'un troisième instrument 26. Tous les relais commutateurs (6, 9, 13 et 22) sont commandés par un rythmeur 27.
L'appareil ainsi constitué fonctionne de la manière suivante. Les relais commutateurs se trouvant dans la position qui est représentée, seule la bobine excitatrice 5 est alimentée, et cela par la source 7 qui n'est alors pas modulée: le champ alternatif excitateur H1 créé par la bobine 5 se superpose au champ continu directeur Ho créé par la bobine 1. La bobine réceptrice 11 est seule active, et elle fournit le signal de résonance dû au champ Ho + H1, conformément à la méthode de Minnemann: les instruments 20 et 21 indiquent donc la valeur de la composante #1 de la vitesse de rotation qui est perpendiculaire au champ directeur H0, l'un donnant la valeur de la composante #x selon l'axe X et l'autre celle de la composante Qy selon l'axe Y.
Lorsque les relais commutateurs se trouvent dans leur position opposée, la bobine excitatrice 5 est mise hors circuit et seules les bobines excitatrices 2 et 3 sont alimentées par la tension à pulsion w, cette tension étant alors modulée à la fréquence f' = #'/2#. La bobine réceptrice 12 est seule active, et elle fournit le signal de résonance dû au champ tournant modulé
H2 + H3: l'instrument 26 indique alors la valeur de la composante #II = = #z de la vitesse de rotation qui est parallèle au champ directeur H0.
Par le jeu du rythmeur 27, les instruments affichent donc alternativement les valeurs des trois composantes de la vitesse de rotation Q, de sorte que l'appareil constitue un gyromètre total qui permet de mesurer toute vitesse de rotation dont peut être animé l'échantillon E par rapport à un référentiel d'inertie, et cela quelle que soit l'orientation de cette vitesse de rotation. Ce gyromètre peut donc s'utiliser comme instrument de navigation à bord d'engins divers, notamment de véhicules hydroportés, aéroportés ou spatiaux, voire d'engins ballistiques.
Il convient de préciser que le sens du déphasage introduit par le déphaseur 10 doit être tel que le champ
Ho tourne dans le sens de la précession de Larmor dont sont animés les spins nucléaires de la substance constituant l'échantillon E.
Il faut signaler que l'on peut renoncer à créer de toutes pièces le champ tournant H2 et se contenter de créer un unique champ alternatif rectiligne, par exemple à l'aide de la seule bobine 2: on sait en effet qu'un tel champ alternatif rectiligne se décompose en deux champs tournants composants, qui tournent en sens inverse.
L'un de ces champs composants tournera donc ipso facto dans le sens de la précession de Larmor, et, étant modulé à la fréquence f' = w'/2#, pourra être utilisé pour la mesure. L'autre champ composant tournera en sens opposé à la précession de Larmor et sera pratiquement sans effet. La simplification matérielle qu'offre cette possibilité, qui constitue une variante, est acquise toutefois au prix d'une légère perte de sensibilité, car les champs tournants composants ont un module égal à la moitié du module du champ alternatif rectiligne résultant.
Il est bien entendu que le signal issu de l'amplificateur accordé 14 peut être utilisé pour commander un scrvorégulateur chargé de stabiliser, s'il y a lieu, le courant fourni par la source 4, donc le champ directeur H0.
Quant à la substance qui constitue l'échantillon E, elle est de préférence constituée par un liquide diama gnétique de très faible viscosité, et il suffit qu'elle contienne des molécules comprenant au moins un atome ayant un spin nucléaire différent de zéro, par exemple un atome d'hydrogène ou un atome de fluor. Ce peut être, notamment, de l'eau, ou du benzène.