FR2538100A1 - Inductive displacement sensor - Google Patents

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Abstract

Inductive displacement sensor comprising a coil 3 which can be supplied with alternating current and means of varying the inductance of the coil, characterised in that a solid bar 17 made from ferrite is integral with a part 9 of the sensor capable of being displaced with respect to the body 1 of the said sensor receiving the coil 3, the bar of ferrite 15 partially penetrating inside the coil 3. An oscillator comprising a capacitor and an inverse logic gate supplies square signals whose frequency depends on the penetration of the bar 17.

Description

Capteur inductif de déplacement. Inductive displacement sensor.

La présente invention est relative à un capteur de déplacement utilisant
les variations d'lnductance d'une bobine d'induction pour fournir un signal
représentant un déplacement.
The present invention relates to a displacement sensor using
variations in inductance of an induction coil to provide a signal
representing a displacement.

Le choix d'un capteur de déplacement qui assure la liaison entre un
système asservi et une commande est primordial pour permettre de convertir la
course limitée d'un corps mobile en une grandeur électrique facilement
exploitable.
The choice of a displacement sensor which ensures the connection between a
slave system and a command is essential to allow to convert the
limited movement of a movable body into an electrical quantity easily
exploitable.

On connaît des capteurs du type potentiométrique qui présentent cepen
dant l'inconvénient d'une usure Smportante. On a également déjà décrit des
capteurs de déplacement inductif dans lesquels une bobine dtinduction est
enroulée sur un noyau magnétique muni d'un ou plusieurs anneaux en court
circuit rendus solidaires de l'organe en déplacement. Le mouvement de
l'anneau en court-circuit sur le noyau magnétique modifie l'inductance de la
bobine. Toutefois ces capteurs se révèlent peu pratique en raison notamment
des difficultés de guidage de panneau le long des branches du noyau ma magnétique.
Sensors of the potentiometric type are known which, however,
against the disadvantage of Smportante wear. We have also already described
inductive displacement sensors in which an induction coil is
wound on a magnetic core with one or more short rings
circuit made integral with the moving organ. The movement of
the short-circuited ring on the magnetic core changes the inductance of the
coil. However, these sensors prove impractical due in particular to
difficulties guiding the panel along the branches of the magnetic core ma.

La présente invention a pour objet un capteur inductif qui présente des
caractéristiques améliorées de précision, de fidélité et de justesse en
particulier dans un environnement a température variable dans une large gamme
et qui soit en outre de construction plus simple et plus compacte que les
dispositifs connus.
The subject of the present invention is an inductive sensor which has
improved characteristics of precision, fidelity and accuracy in
particular in a variable temperature environment in a wide range
and which is moreover of simpler and more compact construction than the
known devices.

Le capteur inductif de déplacement selon l'invention comporte une bobine
pouvant etre alimentée en courant alternatif et des moyens pour faire varier
l'inductance de la bobine. Un barreau plein réalisé en un matériau magnétique
tel que la ferrite est solidaire d'une partie du capteur capable d'être
déplacée par rapport au corps du capteur recevant la bobine. Le barreau de
ferrite coulissant pénètre ainsi partiellement à l'intérieur de la bobine en
fonction du déplacement que l'on désire mesurer.
The inductive displacement sensor according to the invention comprises a coil
can be supplied with alternating current and means for varying
inductance of the coil. A solid bar made of a magnetic material
such that the ferrite is integral with a part of the sensor capable of being
displaced relative to the body of the sensor receiving the coil. The bar of
sliding ferrite thus partially penetrates inside the coil in
function of the displacement that one wishes to measure.

Le capteur inductif de l'invention comprend en outre un oscillateur
fournissant à sa sortie un signal de fréquence variable en fonction du
déplacement du barreau de ferrite coulissant.
The inductive sensor of the invention further comprises an oscillator
providing at its output a variable frequency signal depending on the
displacement of the sliding ferrite bar.

Pour éviter les effets des courants de Foucault dus aux tensions
induites à l'intérieur du matériau du barreau de ferrite, l'oscillateur est
de préférence tel que la fréquence de son signal de sortie reste superieure à
la fréquence critique pour laquelle les lignes de champ du champ magnétique
induit à l'intérieur du matériau du barreau le traversent .ur toute sa sec
tion. Dans ces conditions, l'épaisseur de peau à llinterieur de laquelle se
situent les lignes de champ est au moins égale au rayon du barreau de ferrite
de forme générale cylindrique.
To avoid the effects of eddy currents due to voltages
induced inside the material of the ferrite rod, the oscillator is
preferably such that the frequency of its output signal remains greater than
the critical frequency for which the field lines of the magnetic field
induced inside the material of the bar cross it.
tion. Under these conditions, the thickness of skin inside which is
locate the field lines is at least equal to the radius of the ferrite bar
generally cylindrical.

L'oscillateur du capteur-de l'invention comprend de préférence un con
densateur monté en série avec la bobine et une porte logique inverse
montée aux bornes de la bobine. Un deuxième condensateur peul entre -avan
tageusement monté à la sortie de la porte logique afin d'améliorer les ca
ractéristiques de fonctionnement et en particulier la stab-lité de la fré
quence d'oscillation du système. Ce deuxième condensateur pe-rr-et en outre à
l'oscillateirr de fonctionner au moment de la mise sous tension du capteur
inductif.
The oscillator of the sensor of the invention preferably comprises a con
densifier connected in series with the coil and a reverse logic gate
mounted across the coil. A second Fulani capacitor between -avan
taggedly mounted at the exit of the logic gate to improve the ca
operating characteristics and in particular the stability of the fre
frequency of oscillation of the system. This second capacitor pe-rr-and further to
the oscillateirr to operate when the sensor is switched on
inductive.

Pour modifier la fréquence d'oscillation on peut envisager de monter en
série avec la bobine d'induction une résistance de faible valeur, de préfé
rence variable.
To modify the oscillation frequency we can consider going up
series with the induction coil a resistance of low value, preferably
variable reference.

Enfin, un circuit de mise en forme comprenant une deuxiPme porte logique
inverseuse analogue à la première, branchée à la sortie de ladite premiere
porte logique permet l'obtention de signaux carrés dont la ii-éuence dépend
du déplacement du barreau de ferrite à l'intérieur de la bobine et qui peu
vent ensuite être traités par un système numérique approprié.
Finally, a shaping circuit comprising a second logic gate
reverser similar to the first, connected to the output of said first
logic gate allows square signals to be obtained on which the ii-power depends
of the displacement of the ferrite rod inside the coil and which little
can then be processed by an appropriate digital system.

L'invention sera mieux comprise à 11 étude d'un mode de réalisation -particulier décrit à titre d'exemple nullement limitatif et illustré par le
dessin annexé, sur lequel :
la fig. 1 est une vue en coupe schématique d'un captur inductif selon
l'invention; et
la fig. 2 est une vue schématique de l'ensemble du capteur selon l'in-
vention montrant en outre l'oscillateur auquel il est assis =
Tel qu'il est illustré sur la fig. 1, le capteur inductif de déplacement
selon l'invention comporte un corps fixe 1 muni d'une prolongation cylin
drique creuse 2 à l'intérieur de laquelle se trouve logée .re bobine d'induc
tion 3 enroulée sur un support 4 non magnétique.La bobine 3- est noyée dans
une résine 5 qui assure sa fixation et sa position convenable à l'interieur
de la prolongation cylindrique creuse 2 du corps 1. Les fils de connexion 6
de l'enroulement de la bobine 3 peuvent traverser le corps 1 par un passage 7
parallèle à l'axe et débouchant à l'extérieur du manchon de raccordement
fileté 8 solidaire du corps 1.
The invention will be better understood on studying a particular embodiment described by way of nonlimiting example and illustrated by the
attached drawing, in which:
fig. 1 is a schematic sectional view of an inductive sensor according to
the invention; and
fig. 2 is a schematic view of the entire sensor according to the invention.
vention also showing the oscillator it sits on =
As illustrated in fig. 1, the inductive displacement sensor
according to the invention comprises a fixed body 1 provided with a cylinder extension
hollow plate 2 inside which is housed. re induc coil
tion 3 wound on a non-magnetic support 4. The coil 3- is embedded in
a resin 5 which ensures its fixing and its suitable position inside
of the hollow cylindrical extension 2 of the body 1. The connection wires 6
of the coil winding 3 can pass through the body 1 through a passage 7
parallel to the axis and opening to the outside of the connection sleeve
threaded 8 secured to body 1.

Le capteur comprend en outre une partie mobile 9 présentant une ex
trémité d'actionnement 10 faisant saillie à l'extérieur, d'un capot 11 fixé à
la périphérie du corps 1. La.partie mobile 9 présente également un plateau 12
et une portion de guidage cylindrique 13 qui peut venir coulisser autour de
la prolongation cylindrique 2du corps 1. Un ressort de rappel 14 vient
prendre appui d'une part sur le plateau 12 de la partie mobile 9 et d'autre
part sur un épaulement 15 du corps 1. Le plateau 12 peut venir en butée comme
on peut le voir sur la fig. 1 sur le couvercle de fermeture rabattu 16 du capot 11.
The sensor further comprises a movable part 9 having an ex
actuating end 10 projecting from the outside, from a cover 11 fixed to
the periphery of the body 1. The movable part 9 also has a plate 12
and a cylindrical guide portion 13 which can slide around
the cylindrical extension 2 of the body 1. A return spring 14 comes
take support on the one hand on the plate 12 of the movable part 9 and on the other
part on a shoulder 15 of the body 1. The plate 12 can come into abutment as
it can be seen in fig. 1 on the closed closing cover 16 of the cover 11.

La partie mobile 9 est munie d'un barreau plein 17 de forme générale
cylindrique réalisé en un matériau magnétique tel que la ferrite et disposé
dans l'axe de l'extrémité d'actionnement 10. Dans la position extrême illus
trée sur la fig. 1 où le plateau 12 est en butée sur le couvercle 16, l'ex-
trémité libre du barreau 17 se trouve partiellement à l'intérieur de la
bobine 3.
The movable part 9 is provided with a solid bar 17 of general shape
cylindrical made of a magnetic material such as ferrite and arranged
in the axis of the actuating end 10. In the extreme position illus
shown in fig. 1 where the plate 12 is in abutment on the cover 16, the ex-
the free end of the bar 17 is partially inside the
coil 3.

Lorsque l'on agit sur l'extrémité d'actionnement 10 dans le sens qui
rapproche la partie mobile 9 du corps 1, le ressort 14 se trouve comprimé et
la portion de guidage 13 vient s'enfoncer autour de la prolongation cylin
dorique 2 du corps 1. Dans ce mouvement, le barreau 17 pénètre en coulissant
de façon plus importante à l'intérieur de la bobine 3 provoquant ainsi une - variation de son inductance.
When the actuating end 10 is acted in the direction which
brings the movable part 9 closer to the body 1, the spring 14 is compressed and
the guide portion 13 sinks around the cylinder extension
doric 2 of the body 1. In this movement, the bar 17 penetrates by sliding
more importantly inside the coil 3 thus causing a - variation of its inductance.

Comme on le sait en effet, 1-' introduet ion d'un matériau magnétique à
l'intérieur d'un solenotde a pour effet de modifier la perméabilité relative
à l'intérieur de la bobine du solénoSde. Cette modification dépend de la
profondeur d'enfoncement du barreau magnétique 17 à l'intérieur de la bobine 3..
As is well known, 1- 'introduction of a magnetic material to
the interior of a solenotde has the effect of modifying the relative permeability
inside the solenoid coil. This change depends on the
insertion depth of the magnetic bar 17 inside the coil 3.

Le déplacement linéaire permet d'obtenir une information qui est ensuite
transformée en un signal électrique au moyen du système électronique illustré
schématique sur la fig. 2.
Linear displacement makes it possible to obtain information which is then
transformed into an electrical signal by the illustrated electronic system
schematic in fig. 2.

Sur cette figure, on retrouve la bobine 3 dont l'inductance est variable
comme indiqué par la flèche sur la fig. 2, la variation d'inductance prove
nant d'un déplacement issu par exemple d'un comparateur référencé 4. Les
bornes de sortie de la bobine 3 sont reliées par les connexions 18 et 19 à un
oscillateur 20 comprenant principalement un condensateur 21 relié à la masse
d'une part et à la connexion 19 d'autre part ainsi qu'une porte logique
inverseuse 22 montée aux bornes de la bobine 3.
In this figure, we find the coil 3 whose inductance is variable
as indicated by the arrow in fig. 2, the variation in inductance prove
resulting from a displacement resulting for example from a comparator referenced 4. The
coil 3 output terminals are connected by connections 18 and 19 to a
oscillator 20 mainly comprising a capacitor 21 connected to ground
on the one hand and at connection 19 on the other hand as well as a logic gate
inverter 22 mounted across the coil 3.

On notera que la porte logique 22 peut être considérée en réalité comme
un amplificateur de gain égal à 1 et de déphasage égal à -1809.
It will be noted that the logic gate 22 can be considered in reality as
a gain amplifier equal to 1 and a phase shift equal to -1809.

Pour assurer le bon fonctionnement de I'oscillateur 20, ce dernier
comprend en outre un deuxième condensateur 23 branché à la sortie de la porte
logique 22 et connecté par ailleurs à la masse.
To ensure the proper functioning of oscillator 20, the latter
further includes a second capacitor 23 connected to the output of the door
logic 22 and also connected to ground.

Un circuit de mise en forme du signal constitué par une deuxième porte
logique inverseuse 24 complète l'oscillateur 20 et permet l'obtention de
signaux carrés dont la fréquence dépend du déplacement du barreau de ferrite
17 å l'intérieur de la bobine 3. Le signal de sortie peut alors être traité par un système de gestion informatique 25.
A signal shaping circuit consisting of a second door
inverting logic 24 completes oscillator 20 and allows obtaining
square signals whose frequency depends on the displacement of the ferrite rod
17 inside the coil 3. The output signal can then be processed by a computer management system 25.

La pulsation d'oscillation du système-ainsi défini est une fonction de
l'impédance de la bobine 3 et de la capacité du condensateur 21. La capacité
du condensateur 23 agit sur le coefficient d'amortissement du système oscil
lant.
The oscillation pulse of the system thus defined is a function of
the impedance of the coil 3 and the capacitance of the capacitor 21. The capacitance
of the capacitor 23 acts on the damping coefficient of the oscil system
lant.

Pour un état donné des différents composants électroniques utilisés pour
la réalisation de l'oscillateur 20, on obtient une fréquence d'oscillation
donnée. Si l'on désire décaler cette fréquence, il suffit de mettre en série avec la bobine d'induction 3 une résistance de faible valeur non illustrée
sur les figures, ce qui a pour effet de modifier le' coefficient d'amortis
sement ainsi que la pulsation propre d'oscillation du système. L'utilisation
d'une résistance variable permet de modifier à volonté la fréquence d'oscil
lation.
For a given state of the various electronic components used for
realization of oscillator 20, an oscillation frequency is obtained
given. If it is desired to offset this frequency, it is sufficient to put in series with the induction coil 3 a resistance of low value not illustrated.
in the figures, which has the effect of modifying the 'damping coefficient
as well as the system's own oscillation pulsation. Use
variable resistance allows you to change the frequency of your oscillations at will
lation.

On notera qu'il convient d'éviter les effets des courants de Fouceult dus aux tensions induites à l'intérieur du matériau du barreau 17. On sait
que pour caractériser l'action des courants de Foucault, on définit une
fréquence critique au-dessous de laquelle leur effet est peu prononcé. Selon
l'invention, on fait de préférence en sorte que la fréquence du signal de
sortie de l'oscillateur 20 reste supérieure à la fréquence critique pour
laquelle les lignes de champ du champ magnétique induit à l'intérieur du matériau du barreau 17 le traversent sur toute sa section. Autrement dit,
l'épaisseur de peau, laquelle est inversement proportionnelle à la racine carrée de la fréquence, est alors au moins égale au rayon du barreau 17 de forme cylindrique circulaire.
It will be noted that the effects of eddy currents due to the voltages induced inside the material of the bar 17 should be avoided. We know
that to characterize the action of eddy currents, we define a
critical frequency below which their effect is not very pronounced. According to
the invention, it is preferably made so that the frequency of the signal
output of oscillator 20 remains above the critical frequency for
which the field lines of the magnetic field induced inside the material of the bar 17 cross it over its entire section. In other words,
the skin thickness, which is inversely proportional to the square root of the frequency, is then at least equal to the radius of the bar 17 of circular cylindrical shape.

Le capteur de l'invention peut entre utilisé dans toutes les applications nécessitant une bonne précision sur un déplacement de l'ordre de 10 mm. Il présente un rapport qualité-prix intéressant et son encombrement est minimal. The sensor of the invention can be used in all applications requiring good precision on a displacement of the order of 10 mm. It offers an attractive price-performance ratio and its dimensions are minimal.

La fiabilité du capteur est bonne, le frottement mécanique entre les pièces coulissantes pouvant être aisément minimisé. Par ailleurs, les essais en étuve ont montré que l'influence des variations de température sur l'oscil- lateur était faible.The reliability of the sensor is good, the mechanical friction between the sliding parts can be easily minimized. Furthermore, oven tests have shown that the influence of temperature variations on the oscillator was weak.

Ce type d'oscillateur associé au capteur de déplacement de l'invention permet donc d'obtenir un ensemble simple et bon marché compatible avec un système de gestion numérique tel qu'un microprocesseur et pouvant être utilisé dans des milieux hostiles comportant un environnement humide, visqueux, etc...  This type of oscillator associated with the displacement sensor of the invention therefore makes it possible to obtain a simple and inexpensive assembly compatible with a digital management system such as a microprocessor and which can be used in hostile environments comprising a humid environment, viscous, etc.

Claims (7)

REVENDICATIONS 1. Capteur inductif de déplacement comportant une bobine (3) pouvant être alimentée en courant alternatif et des moyens pour faire varier l'inductance de la bobine, caractérisé par le fait qu'un barreau plein (17) réalisé en ferrite est solidaire d'une partie (9) du capteur capable d'être déplacée par rapport au corps (1) dudit capteur recevant la bobine (3), le barreau de ferrite (17) pénétrant partiellement à l'intérieur de la bobine (3). 1. Inductive displacement sensor comprising a coil (3) which can be supplied with alternating current and means for varying the inductance of the coil, characterized in that a solid bar (17) made of ferrite is integral with a part (9) of the sensor capable of being displaced relative to the body (1) of said sensor receiving the coil (3), the ferrite rod (17) partially penetrating inside the coil (3). 2. Capteur inductif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend un outre un oscillateur (20) fournissant à sa sortie un signal de fréquence variable en fonction du déplacement du barreau de ferrite (17). 2. Inductive sensor according to claim 1, characterized in that it further comprises an oscillator (20) supplying at its output a signal of variable frequency as a function of the displacement of the ferrite rod (17). 3. Capteur inductif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'oscillateur (20) est tel que la fréquence de son signal de sortie reste supérieure a une fréquence critique pour laquelle les lignes de champ du champ magnétique induit à l'intérieur du matériau du barreau (17) le traversent sur toute sa section. 3. Inductive sensor according to claim 2, characterized in that the oscillator (20) is such that the frequency of its output signal remains greater than a critical frequency for which the field lines of the magnetic field induced inside material of the bar (17) pass through it over its entire section. 4. Capteur inductif selon les revendications 2 ou 3, caractérisé par le fait que l'oscillateur (20) comprend un condensateur (21) monté en série avec la bobine (3) et une porte logique inverseuse (22) montée aux bornes de la bobine (3). 4. Inductive sensor according to claims 2 or 3, characterized in that the oscillator (20) comprises a capacitor (21) mounted in series with the coil (3) and an inverting logic gate (22) mounted across the terminals of the coil (3). 5. Capteur inductif selon la revendication 4, caracterisé par le fait qu'un deuxième condensateur (23) est monté à la sortie de la porte logique inverseuse (22) afin d'améliorer la stabilité du système oscillant. 5. Inductive sensor according to claim 4, characterized in that a second capacitor (23) is mounted at the output of the inverting logic gate (22) in order to improve the stability of the oscillating system. 6. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé par le fait qu'une résistance variable est montée en série sur la bobine (3) afin de modifier la fréquence d'oscillation du système oscillant (20). 6. Inductive sensor according to any one of claims 2 to 5, characterized in that a variable resistor is mounted in series on the coil (3) in order to modify the oscillation frequency of the oscillating system (20). 7. Capteur inductif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un circuit de mise en forme incluant une deuxième porte logique inverseuse (24) branchée à la sortie de la première porte logique inverseuse (22).  7. Inductive sensor according to any one of claims 2 to 6, characterized in that it further comprises a shaping circuit including a second inverting logic gate (24) connected to the output of the first inverting logic gate. (22).
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