EP0830733A1 - Capteur electromagnetique pour la detection d'une cible - Google Patents

Capteur electromagnetique pour la detection d'une cible

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Publication number
EP0830733A1
EP0830733A1 EP96920891A EP96920891A EP0830733A1 EP 0830733 A1 EP0830733 A1 EP 0830733A1 EP 96920891 A EP96920891 A EP 96920891A EP 96920891 A EP96920891 A EP 96920891A EP 0830733 A1 EP0830733 A1 EP 0830733A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
target
electromagnetic sensor
coil
core
matrix
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP96920891A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Minh-Quang Lab.d'Electricité-Signaux-Robotique L
Dominique Laboratoire d'Electricité-Signaux PLACKO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sagem SA
Original Assignee
Societe Industrielle de Liaisons Electriques SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe Industrielle de Liaisons Electriques SA filed Critical Societe Industrielle de Liaisons Electriques SA
Publication of EP0830733A1 publication Critical patent/EP0830733A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
    • H03K17/9505—Constructional details
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/20—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature
    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2046—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable ferromagnetic element, e.g. a core
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
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    • G01D5/204—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils
    • G01D5/2053—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage by varying inductance, e.g. by a movable armature by influencing the mutual induction between two or more coils by a movable non-ferromagnetic conductive element
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V3/00—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation
    • G01V3/08—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices
    • G01V3/10—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils
    • G01V3/104—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils
    • G01V3/105—Electric or magnetic prospecting or detecting; Measuring magnetic field characteristics of the earth, e.g. declination, deviation operating with magnetic or electric fields produced or modified by objects or geological structures or by detecting devices using induction coils using several coupled or uncoupled coils forming directly coupled primary and secondary coils or loops

Definitions

  • the present invention relates to an electromagnetic sensor and to a method for simultaneously determining the magnetic permeability and the conductivity of a metal target as well as the distance of this target relative to an electromagnetic sensor.
  • an electromagnetic sensor comprises a coil associated with a core with high magnetic permeability.
  • a target i.e. a metallic object
  • the impedance of the electromagnetic sensor varies according to parameters which are the frequency of the excitation current, the magnetic permeability of the target, the electrical conductivity of the target and the distance of the sensor from the target.
  • the magnetic permeability and the electrical conductivity of a target are known, it is therefore possible to use an electromagnetic sensor to determine the distance of the electromagnetic sensor from the target, in particular to perform dimensional measurements of parts. metallics.
  • the magnetic permeability and the electrical conductivity depend not only on the metal used, but also on the various treatments to which the metal is subjected during manufacture so that it does not It is not possible to consider that different parts produced successively from the same metal will have the same magnetic permeability and the same electrical conductivity.
  • the magnetic permeability varies with temperature.
  • the electromagnetic sensors currently known generally have a magnetic circuit U-shaped, the measuring coil then being placed on a branch of the U, or pot-shaped comprising a central stud on which the coil is arranged.
  • the large number of interfaces between the different media which make up the electromagnetic sensor which makes it unusable in practice to produce a model making it possible to simultaneously determine the different parameters which influence the impedance. of the electromagnetic sensor.
  • the object of the invention is to propose an electromagnetic sensor which can be modeled, and a method for the simultaneous determination of the magnetic permeability and the conductivity of a metal target as well as the distance of this target relative to an electromagnetic sensor.
  • an electro-magnetic sensor comprising at least one coil associated with a core with high magnetic permeability, in which the core is a flat plate, the coil is' fixed on one face of the core and has an axis of symmetry. extending perpendicularly to the face of the core on which it is fixed, and the core has a thickness greater than the dimension of the coil taken along its axis of symmetry so that the lines of magnetic fields resulting from the excitation of the coil are substantially in their entirety included in the core.
  • An electromagnetic sensor is thus obtained which, while having sufficient sensitivity to carry out measurements, has a reduced number of interfaces and sufficiently low magnetic leaks to allow modeling.
  • the core and the coil are coaxial circular cylinders, the core having a diameter greater than an outer diameter of the coil so that the magnetic field lines are close substantially entirely in the space delimited by the core and the opposite target.
  • a sensor is thus obtained having very low magnetic leaks even when the latter is placed opposite a very conductive target and having a low magnetic permeability such as brass.
  • a method for simultaneously determining the magnetic permeability and the conductivity of a metal target as well as the distance of this target with respect to an electro-magnetic sensor, this method comprising the steps of: a) determining complex normalized impedance,
  • ZN RN + j XN of the electromagnetic sensor at different excitation frequencies (fj, f 2 , ... f k ,. "" * F Q ) I and for different calibration examples each defined by a magnetic permeability and a conductivity of the target as well as by a distance of the electromagnetic sensor from the target, with
  • RN * (f k ) is the normalized resistive component of the impedance for the example of calibration of order i at the excitation frequency of order k
  • XN * (f k ) is the compo ⁇ normalized reactive health of the impedance for the example of calibration of order i at the frequency of exc tation of order k.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of an electromagnetic sensor according to the invention facing a target;
  • FIG. 2 is a perspective view illu ⁇ - trant embodiment of the coil in the particular embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is an enlarged partial view in section along line III-III of Figure 2 of an electromagnetic sensor according to the embodiment of the invention.
  • the electro-magnetic sensor comprises a core 1 of high magnetic permeability, for example a ferrite core, in the form of a circular flat cylinder, one face of which carries an annular coil 2 of fixed circular shape. coaxially with the core 1.
  • the axis of symmetry of the coil 2 extends perpendicular to the face of the core on which the coil is fixed.
  • the electromagnetic sensor thus formed is placed opposite a metal target 3.
  • the core 1 has an absolute magnetic permeability ⁇ u and a conductivity ⁇ n .
  • the surrounding air has an absolute magnetic permeability ⁇ a and a conductivity ⁇ a and the target has an absolute permeability ⁇ c and a conductivity ⁇ c .
  • D the diameter of the core 1
  • L the thickness of the core 1
  • r the internal radius of the coil 2
  • r 2 the external radius of the coil 2
  • c the distance from the face of the sensor electromagnetic facing the target with respect to the target
  • 1 the dimension of the coil 2 taken along its axis of symmetry
  • d the distance from the target with respect to the opposite face of the coil 2.
  • We have also shown in phantom 4 the representation of a line of the magnetic field created by the coil 2 when the latter is subjected to an alternating excitation current.
  • the thickness L of the core is much greater than the dimension 1 of the coil 2-taken along its longitudinal axis so that the lines of magnetic fields 4 resulting from the excitation of the coil are substantially in their all included in the core, that is to say that they close inside the core without leaving the face of the core opposite the face carrying the coil 2.
  • the field lines magnetic tend to penetrate all the more deeply into the magnetic core as the opposite target has a higher magnetic permeability.
  • a thickness of the core ten times greater than the dimension 1 of the coil has been found to be satisfactory whatever the type of target.
  • the target itself has a thickness sufficient for the magnetic field lines 4 to close inside the target.
  • the diameter of the core is preferably greater than the external diameter of the coil so that the magnetic field lines close in the space delimited by the core and the opposite target, that is to say do not escape through the side wall of the core 1. It will be recalled in this connection that the magnetic field lines 4 close at a distance all the greater from the axis of the coil as the target has a conductivity. quickly higher.
  • a diameter of the core equal to twice the external diameter of the coil has been found to be sufficient even for very conductive targets such as brass.
  • FIG. 2 and 3 illustrate a particular embodiment of the invention in which the coil 2 consists of an excitation winding 5 and a measurement winding 6 nested one inside the other and each formed by a sheet of wires 7 arranged parallel to each other and joined together, for example by a resin.
  • the plies of wires After the plies of wires have been produced, these are placed on the wafer and wound in a spiral as illustrated in FIG. 2 where the plies have been shown spaced apart from one another for a better understanding of the structure of the coil 2.
  • FIG. 3 illustrates in a very enlarged manner the final structure of the coil 2 in which the different turns of the excitation coil 5 are interposed with the turns of the measuring coil 6.
  • the wires 7 are connected in parallel by a strip 8 conveniently connected to a connection wire 9.
  • an experiment plan matrix is established by determining the impedance ZN at different excitation frequencies fj f 2 ... f k ... f M for different examples of calibration E 1 # E 2 , ... E-, E Q , each defined by a relative magnetic permeability ⁇ and a conductibi ⁇ ity j of the target, as well as by a distance d j of the electromagnetic sensor relative to the target.
  • This experience plan matrix is associated with a matrix of calibration values P e with:
  • ⁇ ri , ⁇ and t are respectively the relative magnetic permeability, the conductivity of the target and the distance of the target from the sensor in the example of calibration of order i.
  • the calibration examples could be carried out using real targets having a relative magnetic permeability and a conductivity. well defined, the normalized impedance then being obtained by a measurement of the voltage obtained at the terminals of the measurement winding during a supply of the excitation winding at each of the calibration frequencies.
  • the experiment plan matrix from a modeling of the impedance of the electromagnetic sensor according to the invention, the modeled impedance associated with the sensor according to the invention being reproduced in FIG.
  • r and a are integration variables
  • N is the number of turns of the excitation winding
  • ⁇ k 2 ⁇ f k
  • ⁇ ⁇ 4 ⁇ x 10 "7
  • J t ( ⁇ r) is the Bessel function of the first species of order 2
  • r ,, r 2 , and 1 are such that defined previously and ⁇ ⁇ ⁇ ir d ⁇
  • Ci are for the calibration example of order i the values of ⁇ , ⁇ , d and c as defined above with regard to the description of the sensor.
  • impedance Z ⁇ f .. thus modeled we can extract the resistive part Ri (f j ) and the reactive part Xi (f j ) and deduce the values of RN ⁇ f ..) and XNiff j ) to insert in the matrix .
  • the experimental design matrix is established on the basis of calibration examples defined by different combinations of the initial estimates ⁇ ro , ⁇ 0 and d 0 , and framing values ⁇ o + ⁇ ⁇ , ⁇ ro - ⁇ ( _; s7 0 + ⁇ ⁇ , ⁇ 0 - ⁇ ⁇ ; d 0 + ⁇ d , d 0 - ⁇ d , where ⁇ ⁇ f ⁇ ⁇ and ⁇ d are the deviations defining the range of evolution estimated of each of the parameters.
  • RN and XN being determined in a manner known per se from the measurement of the impedance.
  • the senor according to the invention has been illustrated with a coil 2 comprising two windings nested one inside the other, provision may be made for using a single winding serving at the same time for the exci ⁇ tation and measurement, the excitation being provided by a current generator, while the measurement is carried out by measuring the voltage across the single winding.
  • any modeling which can be deemed appropriate depending on the precise structure of the sensor used can be used and simplify the modeling when certain parameters are constant for a target. to the other.
  • RN and XN no longer vary linearly as a function of the influencing parameters, it is also possible to provide for changes in variables to linearize the input-output relationship of the sensor, for example by replacing RN and XN in the experiment design matrix with values ln (RN) and ln (XN).

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Abstract

Le capteur électromagnétique comporte une bobine (2) associée à un noyau à forte perméabilité magnétique (1), sous forme de plaque plane, la bobine étant fixée sur une face du noyau et comportant un axe de symétrie s'étendant perpendiculairement à la face du noyau sur laquelle elle est fixée, et ayant une épaisseur supérieure à la dimension de la bobine prise selon son axe de symétrie de façon que les lignes de champs magnétiques (4) résultant de l'excitation de la bobine soient sensiblement dans leur totalité incluses dans le noyau.

Description

CAPTEUR ELECTROMAGNETIQUE POUR LA DETECTION D'UNE CIBLE
La présente invention concerne un capteur élec¬ tromagnétique et un procédé de détermination simultanée de la perméabilité magnétique et la conductivité d'une cible métallique ainsi que la distance de cette cible par rapport à un capteur électromagnétique.
On sait qu'un capteur électromagnétique comporte une bobine associée à un noyau à forte perméabilité magnétique. On sait également que si on dispose le capteur électromagnétique en face d'une cible, c'est-à-dire un objet métallique, et on excite la bobine par un courant alternatif, l'impédance du capteur électromagnétique varie en fonction de paramètres qui sont la fréquence du courant d'excitation, la perméabilité magnétique de la cible, la conductivité électrique de la cible et la distance du capteur par rapport à la cible. Lorsque la perméabilité magnétique et la conductivité électrique d'une cible sont connues il est donc possible d'utiliser un capteur électro¬ magnétique pour déterminer la distance du capteur électro¬ magnétique par rapport à la cible, en particulier pour effectuer des mesures dimenεionnelles de pièces métalli¬ ques. Toutefois, il s'avère que lors de la fabrication d'une pièce métallique la perméabilité magnétique et la conductivité électrique dépendent non seulement du métal utilisé, mais également des différents traitements auquel le métal est soumis lors de la fabrication de sorte qu'il n'est pas possible de considérer que différentes pièces fabriquées successivement à partir d'un même métal auront la même perméabilité magnétique et la même conductivité électrique. En outre la perméabilité magnétique varie avec la température. Lorsque le capteur électromagnétique est utilisé pour effectuer des mesures dimensionnelles, il n'est donc pas possible d'étalonner le capteur préalable¬ ment à la mesure d'une série de pièces.
Par ailleurs, les capteurs électromagnétiques connus actuellement ont généralement un circuit magnétique en forme de U, la bobine de mesure étant alors disposée sur une branche du U, ou en forme de pot comprenant un plot central sur lequel est disposé la bobine. Dans un cas comme dans l'autre le nombre important d'interfaces entre les différents milieux qui composent le capteur électromagnéti¬ que rend inexploitable en pratique la réalisation d'un modèle permettant de déterminer simultanément les diffé¬ rents paramètres qui influent sur l'impédance du capteur électromagnétique. Le but de l'invention est de proposer un capteur électromagnétique pouvant être modélisé, et un procédé de détermination simultanée de la perméabilité magnétique et la conductivité d'une cible métallique ainsi que la distance de cette cible par rapport à un capteur électro- magnétique.
Selon l'invention on propose un capteur électro¬ magnétique comportant au moins une bobine associée à un noyau à forte perméabilité magnétique, dans lequel le noyau est une plaque plane, la bobine est' fixée sur une face du noyau et comporte un axe de symétrie s'étendant perpendi¬ culairement à la face du noyau sur laquelle elle est fixée, et le noyau a une épaisseur supérieure à la dimension de la bobine prise selon son axe de symétrie de façon que les lignes de champs magnétique résultant de l'excitation de la bobine soient sensiblement dans leur totalité incluses dans le noyau.
On obtient ainsi un capteur électromagnétique qui tout en ayant une sensibilité suffisante pour effectuer des mesures présente un nombre d'interfaces réduit et des fuites magnétiques suffisamment faibles pour permettre une modélisation.
Selon un aspect avantageux de l'invention, le noyau et la bobine sont des cylindres circulaires coaxiaux, le noyau ayant un diamètre supérieur à un diamètre externe de la bobine de façon que les lignes de champ magnétique se referment sensiblement en totalité dans l'espace délimité par le noyau et la cible en regard. On obtient ainsi un capteur ayant des fuites magnétiques très faibles même lorsque celui-ci est disposé en face d'une cible très conductrice et ayant une perméabilité magnétique faible telle que du laiton.
Selon l'invention on prévoit également un procédé de détermination simultanée de la perméabilité magnétique et la conductivité d'une cible métallique ainsi que la distance de cette cible par rapport à un capteur électro¬ magnétique, ce procédé comportant les étapes de : a) déterminer l'impédance normalisée complexe,
ZN = RN + j XN du capteur électromagnétique à différentes fréquences d'excitation (fj, f2, ... fk,.«« *FQ)I et pour différents exemples d'étalonnage chacun défini par une perméabilité magnétique et une conductibilité de la cible ainsi que par une distance du capteur électromagnétique par rapport à la cible, avec
RN = R-Ro et XN = X où R et X sont respectivement la composante résistive et la composante réactive du capteur électromagnétique en présence de la cible, et R0 et X0 sont respectivement la composante résistive et la composante réactive du capteur électromagnétique en l'absence de cible. b) établir la matrice d'un plan d'expérience :
1 RN.it.) XN,(f,) RN^f-) XN.C .. RN,(fk) XN,.(-k) .. RN,(fM) XN,(fM)
1 RN-tf.) XN,(f,) RN2(Q XN^fJ .. RN2(fk) XN2(fk) .. RN,(fM) XN2(fM) = 1
1 RN,(f,) XN,(f,) RN,(f-) XN-(f-) .. RN*,(fk) XN,(fk) RN,(fM) XN,(fM)
1
1 RNgft) XNQ(f.) RN^ XNQ(f,) .. RNQ(fk) XNQ(fk) RN0(fM) XNQ(fM) dans laquelle RN*(fk) est la composante résistive normalisée de l'impédance pour l'exemple d'étalonnage d'ordre i à la fréquence d'excitation d'ordre k, et XN*(fk) est la compo¬ sante réactive normalisée de l'impédance pour l'exemple d'étalonnage d'ordre i à la fréquence d'exc tation d'ordre k. c) établir la matrice de coefficients linéaires modélisés par la formule : c = (φ' x φyl χ l χ Pe où Pe est la matrice des valeurs d'étalonnage :
d, r2
Pe =
HrQ dg
où jιri, σ* et d* sont respectivement la perméabilité magnétique relative, la conductivité de la cible et la distance de la cible par rapport au capteur dans l'exemple d'étalonnage d'ordre i. d) effectuer aux fréquences f,, f2, ... fk,... fQ une mesure d'impédance normalisée réelle du capteur électro¬ magnétique en regard de la cible dont les paramètres sont à déterminer et établir le vecteur de mesure : 7 = [1 RN(f,) XN(f,).... RN(fk) XN(fk)... RN(fM) XN(fM)]' e) calculer le vecteur des paramètres inconnus par la formule : θ ≈ v' x C avec θ ≈ &i^ σ j dT où μr, σ et d sont les paramètres recherchés . D'autres caractéristiques et avantages de l'in¬ vention apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation particulier non limitatif de l'invention, en relation avec les figures ci-jointes parmi lesquelles:
- la figure 1 est une vue en coupe schématique d'un capteur électromagnétique selon l'invention en regard d'une cible ;
- la figure 2 est une vue en perspective illuε- trant la réalisation de la bobine dans le mode de réalisa¬ tion particulier de l'invention ;
- la figure 3 est une vue partielle agrandie en coupe selon la ligne III-III de la figure 2 d'un capteur électromagnétique selon le mode de réalisation de l'inven- tion ;
- la figure 4 donne les formules de modélisation du capteur selon l'invention.
En référence à la figure 1, le capteur électro¬ magnétique selon l'invention comporte un noyau 1 de forte perméabilité magnétique, par exemple un noyau en ferrite, en forme de cylindre plat circulaire dont une face porte une bobine annulaire 2 de forme circulaire fixé coaxiale- ment au noyau 1. L'axe de symétrie de la bobine 2 s'étend perpendiculairement à la face du noyau sur laquelle la bobine est fixée. Sur la figure 1, le capteur électromagné¬ tique ainsi formé est disposé en regard d'une cible métallique 3.
Le noyau 1 a une perméabilité magnétique absolue μu et une conductivité σn. L'air environnant a une perméabi- lité magnétique absolue μa et une conductivité σa et la cible a une perméabilité absolue μc et une conductivité σc. On a noté par D le diamètre du noyau 1, L l'épaisseur du noyau 1, r, le rayon interne de la bobine 2, r2 le rayon externe du bobinage 2, c la distance de la face du capteur électromagnétique tournée vers la cible par rapport à la cible, 1 la dimension du bobinage 2 prise selon son axe de symétrie, et d la distance de la cible par rapport à la face en regard de la bobine 2. On a également figuré en trait mixte 4 la représentation d'une ligne du champ magnétique créé par la bobine 2 lorsque celle-ci est soumise à un courant d'excitation alternatif.
Selon l'invention l'épaisseur L du noyau est très supérieure à la dimension 1 de la bobine 2 -prise selon son axe longitudinal de façon que les lignes de champs magnéti¬ ques 4 résultant de l'excitation de la bobine soient sensiblement dans leur totalité incluses dans le noyau, c'est-à-dire qu'elles se referment à l'intérieur du noyau sans sortir de la face du noyau opposée à la face portant la bobine 2. On notera à ce propos que les lignes de champs magnétique ont tendance à pénétrer d'autant plus profondé¬ ment dans le noyau magnétique que la cible en regard a une perméabilité magnétique plus élevée. On pourra donc adapter l'épaisseur du noyau à la gamme de cible à laquelle le capteur électromagnétique est plus particulièrement destiné. En pratique, une épaisseur du noyau dix fois supérieure à la dimension 1 de la bobine s'est avérée satisfaisante quel que soit le type de cible. Dans la suite de l'exposé de l'invention, on supposera également que la cible a elle-même une épaisseur suffisante pour que les lignes de champ magnétique 4 se referment à l'intérieur de la cible.
Par ailleurs, le diamètre du noyau est de préfé¬ rence supérieur au diamètre externe de la bobine de façon que les lignes de champ magnétique se referment dans l'espace délimité par le noyau et la cible en regard, c'est-à-dire ne s'échappent pas par la paroi latérale du noyau 1. On rappellera à ce propos que les lignes de champs magnétique 4 se referment à une distance d'autant plus grande de l'axe de la bobine que la cible a une conducti- vite plus élevée. En pratique, un diamètre du noyau égal au double du diamètre externe de la bobine s'est avéré suffisant même pour des cibles très conductrices telles que du laiton. Les figures 2 et 3 illustrent un mode de réalisa¬ tion particulier de l'invention dans lequel la bobine 2 est constituée d'un enroulement d'excitation 5 et d'un enroule¬ ment de mesure 6 imbriqués l'un dans l'autre et chacun formé par une nappe de fils 7 disposés parallèlement les uns aux autres et réunis entre eux, par exemple par une résine. Après réalisation des nappes de fils, celles-ci sont disposées sur la tranche et enroulées en spirale comme illustré par la figure 2 où les nappes ont été représentées écartées les unes des autres pour une meilleure compréhen- sion de la structure de la bobine 2. La figure 3 illustre de façon très agrandie la structure finale de la bobine 2 dans laquelle les différents tours de la bobine d'excita¬ tion 5 sont intercalés avec les tours de la bobine de mesure 6. A chacune des extrémités des enroulements, les fils 7 sont reliés en parallèle par une barrette 8 convena¬ blement reliée à un fil de raccordement 9.
Lorsque l'enroulement d'excitation 5 est soumis à un courant alternatif I, il apparaît aux bornes de l'enroulement de mesure une tension V qui est caractérisée par l'impédance complexe du capteur électromagnétique Z = V/I. Dans la suite de l'exposé, il sera fait référence à 1'impédance normalisée
ZN •= RN + j XN avec RN = R-Ro et XN = où R et X sont respectivement la composante résistive et la composante réactive du capteur électromagnétique en présence de la cible, et R0 et X0 sont respectivement la composante résistive et la composante réactive du capteur électromagnétique en l'absence de cible.
Selon l'invention on établit une matrice de plan d'expérience en déterminant l'impédance ZN à différentes fréquences d'excitation fj f2... fk...fM pour différents exemples d'étalonnage E1# E2, ... E-, EQ, chacun défini par une perméabilité magnétique relative μ et une conductibi¬ lité j de la cible, ainsi que par une distance dj du capteur électromagnétique par rapport à la cible. On obtient ainsi la matrice de plan d'expérience :
Cette matrice de plan d'expérience est associée à une matrice des valeurs d'étalonnage Pe avec :
où μri, σ et t sont respectivement la perméabilité magnétique relative, la conductivité de la cible et la distance de la cible par rapport au capteur dans l'exemple d'étalonnage d'ordre i.
On notera que les exemples d'étalonnage pour- raient être réalisés en utilisant des cibles réelles ayant une perméabilité magnétique relative et une conductivité bien définie, l'impédance normalisée étant alors obtenue par une mesure de la tension obtenue aux bornes de l'enrou¬ lement de mesure lors d'une alimentation de l'enroulement d'excitation à chacune des fréquences d'étalonnage. Toutefois, il est extrêmement difficile en pratique de réaliser des cibles ayant des paramètres voisins déterminés de façon précise, et selon un aspect de l'invention, on prévoit de réaliser la matrice de plan d'expérience à partir d'une modélisation de l'impédance du capteur électromagnétique selon l'invention, l'impédance modélisée associée au capteur selon l'invention étant reproduite à la figure 4 où r et a sont des variables d'intégration, N est le nombre de spires de l'enroulement d'excitation, ωk = 2 τ fk, μΛ = 4 π x 10"7, Jt (αr) est la fonction de Bessel de la première espèce d'ordre 2, et r,, r2, et 1 sont tels que définis précédemment et μ ι σi r d±, et Ci sont pour l'exemple d'étalonnage d'ordre i les valeurs de μ , σ , d et c telles que définies ci-dessus à propos de la description du capteur. A partir de l'impédance Z^f..) ainsi modélisée on peut extraire la partie résistive Ri(fj) et la partie réactive Xi(fj) et en déduire les valeurs de RN^f..) et XNiffj) à insérer dans la matrice .
En pratique, il est souhaitable d'établir une matrice de plan d'expérience en encadrant chacune des valeurs probables des paramètres recherchés par des valeurs voisines donnant pour chaque paramètre une plage de détermination des paramètres. A partir d'une estimation initiale μro, σ0 , et d0 des paramètres recherchés, on établit la matrice de plan d'expérience en partant d'exem¬ ples d'étalonnage définis par différentes combinaisons des estimations initiales μro, σ0 et d0, et de valeurs d'enca¬ drement μ o+λμ , μro-λ (_ ; s70+λσ , σ0-λσ ; d0+λd, d0-λd, où λμ f λσ et λd sont les écarts définissant la plage d'évolution estimée de chacun des paramètres. Le nombre total des différentes combinaisons des paramètres initiaux et des valeurs d'encadrement est égal à 33 = 27, ce qui conduirait donc à réaliser Q = 27 exemples d'étalonnage pour chacune des fréquences.
Sachant que la matrice de plan d'expérience a un nombre de lignes égal à Q et un nombre de colonnes à 2 + 1, on comprendra que la réalisation d'une matrice de plan d'expérience en utilisant toutes les combinaisons possibles des valeurs mentionnées ci-dessus conduirait à des temps de calcul extrêmement importants incompatibles avec l'utilisa¬ tion pratique du capteur électromagnétique selon l'inven¬ tion. Par ailleurs on sait qu'à haute fréquence la réponse du capteur est surtout sensible à la distance d et peu sensible à μr et σ tandis que pour des fréquences basses la réponse du capteur est sensible à μr et σ tout en étant faiblement sensible à une variation de la distance. En pratique on limitera donc le nombre d'exemples d'étalonnage en prenant différents exemples de perméabilité et de conductivité seulement en relation avec une fréquence basse du courant d'excitation, par exemple fi = 1 kHz, et diffé¬ rents exemples de distance seulement en relation avec une fréquence élevée, par exemple f- = 100 kHz. On obtient alors une matrice simplifiée des valeurs d'étalonnage ne compor- tant que 12 lignes :
et une matrice de plan d'expérience correspondante ne comportant que trois colonnes :
Quoi qu'il en soit, à partir de la matrice de valeurs d'étalonnage et la matrice de plan d'expérience, on établit une matrice C de coefficients linéaires modélisés:
C = (φl x ψy1 x l x Pe puis on effectue une mesure de l'impédance réalisée réelle du capteur électromagnétique en regard de la cible dont les paramètres sont à déterminer et on établit le vecteur de mesure : y = [1 RN(f,) XN(f,).... RN(fk) XN(fk)... RN(fM) XN(fM)]'
RN et XN étant déterminés de façon connue en soi à partir de la mesure de l'impédance. On calcule alors le vecteur des paramètres à déterminer par la formule : θ = γ'xC avec θ = [μr , σ,d]1
Lorsque l'estimation initiale μr0, σ0 et d0 des paramètres à déterminer est très proche de la valeur réelle de ces paramètres, et que la tolérance sur la détermination de ces paramètres est suffisante par rapport aux performan¬ ces de la modélisation utilisée, on peut considérer que le vecteur θ ainsi trouvé est satisfaisant et cesser les calculs. Si l'on souhaite affiner la modélisation et obtenir une valeur des paramètres encore plus proche de la réalité, on considère alors que la valeur obtenue de θ est une première estimation réelle, et l'on note cette estima¬ tion : θ(1) = | μr (1) σ(1) d(1) |l puis on établit à nouveau la matrice des valeurs d'éta¬ lonnage et la matrice de plan d'expérience en utilisant ces paramètres de façon analogue à celle dont les paramètres initiaux μ^, σ0 et d„ avaient été utilisés. Après réalisation d'un nouveau calcul selon l'algorithme décrit ci-dessus, on obtient une nouvelle estimation réelle θ(2) que l'on peut comparer à l'estimation θ(1) pour vérifier s'il y a conver- gence et si l'écart par rapport à l'estimation précédente justifie un nouveau calcul ou non. En pratique, il a été constaté que même pour des valeurs des paramètres initiaux très éloignés des valeurs et paramètres réels une conver¬ gence était obtenue au bout de trois ou quatre itérations . Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'inven¬ tion.
En particulier, bien que le capteur selon l'in- vention ait été illustré avec une bobine 2 comportant deux enroulements imbriqués l'un dans l'autre, on peut prévoir d'utiliser un seul enroulement servant à la fois à l'exci¬ tation et à la mesure, l'excitation étant assurée par un générateur de courant, tandis que la mesure est effectuée par une mesure de la tension aux bornes de l'enroulement unique .
De même, bien qu'un mode de réalisation ait été décrit qui a pour avantage d'assurer une grande linéarisa¬ tion en raison du fait que chaque spire est contenue dans un plan, il est possible de réaliser la bobine par un enroulement hélicoïdal conventionnel en s'assurant toute¬ fois que le pas de l'enroulement reste très faible pour éviter des singularités qui risqueraient de perturber la modélisation utilisée.
De même, à propos du procédé selon l'invention, on peut utiliser toute modélisation qui sera jugée appro¬ priée en fonction de la structure précise du capteur utilisé et assurer une simplification de -la modélisation lorsque certains des paramètres sont constants d'une cible à l'autre. Lorsque RN et XN ne varient plus linéairement en fonction des paramètres influents, on peut également prévoir des changements de variables pour linéariser la relation entrée-sortie du capteur, par exemple en rempla- çant RN et XN dans la matrice de plan d'expérience par des valeurs ln(RN) et ln(XN) .
Bien qu'un exemple de modélisation simplifié ait été donné avec des valeurs d'encadrement symétriques par rapport à l'estimation initiale, on peut choisir des valeurs d'encadrement différentes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur électromagnétique comportant un noyau (1) à forte perméabilité magnétique, formé d'une plaque plane circulaire, et une bobine (2) fixée sur une face du noyau et comportant un axe de symétrie s'étendant perpen¬ diculairement à la face du noyau sur laquelle elle est fixée, le noyau (1) ayant une épaisseur (L) supérieure à la dimension (1) de la bobine prise selon son axe de symétrie, et un diamètre (D) supérieur au diamètre* externe de la bobine, caractérisé en ce que ces dimensions sont adaptées de façon que les lignes de champs magnétiques (4) résultant de l'excitation de la bobine soient sensiblement dans leur totalité incluses dans le noyau et que les lignes de champs magnétiques (4) se referment sensiblement en totalité dans l'espace délimité par le noyau et une cible (3) en regard.
2. Capteur électromagnétique selon la reven¬ dication 1, caractérisé en ce que la bobine (2) est formée par une série de fils (7) reliés en parallèle selon une nappe qui est enroulée en spirale.
3. Capteur électromagnétique selon la reven¬ dication 1, caractérisé en ce que la bobine comporte un enroulement d'excitation (5) et un enroulement de mesure (6) séparés.
4. Capteur électromagnétique selon la reven- dication 3, caractérisé en ce que l'enroulement d'excita¬ tion (5) et l'enroulement de mesure (6) sont imbriqués l'un dans l'autre.
5. Procédé de détermination simultanée de la perméabilité magnétique et la conductivité d'une cible métallique ainsi que la distance de cette cible par rapport à un capteur électromagnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes de a) déterminer l'impédance normalisée complexe,
ZN = RN + jXN du capteur électromagnétique à différentes fréquences d'excitation (flf ... fk, ... fM) , et pour différents exemples d'étalonnage (E1# ... Ek, ... EQ) chacun défini par une perméabilité magnétique relative μri et une conduc¬ tibilité (σ±) de la cible ainsi que par une distance (d±) du capteur électromagnétique par rapport à la cible, avec
RN = où R et X sont respectivement la composante -résistive et la composante réactive du capteur électromagnétique en présence de la cible, et R0 et X0 sont respectivement la composante résistive et la composante réactive du capteur électromagnétique en l'absence de cible. b) établir la matrice d'un plan d'expérience :
* =
dans laquelle RN*(fk) est la composante résistive normalisée de l'impédance pour l'exemple d'étalonnage d'ordre i a la fréquence d'excitation d'ordre k, et XNi(fk) est la compo¬ sante réactive normalisée de l'impédance pour l'exemple d'étalonnage d'ordre i à la fréquence d'excitation d'ordre k. c) établir la matrice de coefficient linéaire odélisé par la formule :
C = {i? x ψï1 x xPe où P. est la matrice des valeurs d'étalonnage :
d) effectuer aux différentes fréquences (flr ... fk, ... fM) une mesure d'impédance normalisée réelle du capteur électromagnétique en regard de la cible dont les paramètres sont à déterminer et établir le vecteur de mesure : 7 = [1 RN(f,) XN(f,).... RN(fk) XN(fk)... RN(fM) XN(fM)]t e) calculer le vecteur des paramètres inconnus par la formule : θ = γ'xC avec où μr, σ et d sont les paramètres recherchés.
6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que la matrice de plan d'expérience est établie en modelisant chaque exemple d'étalonnage par la formule reproduite à la figure 4.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'on réitère le calcul des paramètres recherchés en réactualisant la matrice du plan d'expérience et la matrice des valeurs d'étalonnage par une utilisation de la valeur des paramètres trouvés à l'itération précédente.
8. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on utilise une matrice simplifiée des valeurs d'étalonnage
associé à une matrice de plan d'expérience simplifiée
Φ ≈
où fi est une fréquence basse et f2 une fréquence élevée.
9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que fx est environ égale à 1 kHz et f2 est environ égale à 100 kHz.
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