FR2687478A1

FR2687478A1 - Device for measuring a magnetic field gradient with minimal errors due to sensitivity and misalignment

Info

Publication number: FR2687478A1
Application number: FR9201811A
Authority: FR
Inventors: Guillemin Germain
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1992-02-18
Filing date: 1992-02-18
Publication date: 1993-08-20
Anticipated expiration: 2012-02-18
Also published as: FR2687478B1

Abstract

The device for measuring gradient comprises a magnetic field gradient sensor associated with electronic circuits, the sensor comprising a single saturable magnetic core (11) placed on a support and two windings (12, 13) wound in series on the support and around the magnetic core and used both for the excitation of the magnetic core and for the detection of the magnetic field gradient. Application to the detection of ferromagnetic objects.

Description

DISPOSITIF DE MESURE D'UN GRADIENT DE CHAMP MAGNETIQUE
DONT LES ERREURS DE SENSIBILITE ET DE DESALIGNEMENT SONT M MS
La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure d'un gradient de champ magnétique, connu sous le nom de gradientmètre magnétique, dont les erreurs de sensibilité et de désalignement sont minimisées. La mesure d'un gradient de champ magnétique est généralement appliquée à la détection d'objets ferromagnétiques.DEVICE FOR MEASURING A MAGNETIC FIELD GRADIENT
WHERE THE ERRORS OF SENSITIVITY AND DEALIGNMENT ARE M MS
The present invention relates to a device for measuring a magnetic field gradient, known as a magnetic gradient meter, whose sensitivity and misalignment errors are minimized. The measurement of a magnetic field gradient is generally applied to the detection of ferromagnetic objects.

Pour que la mesure effectuée par un gradientmètre soit significative de la présence d'une pièce ferromagnétique, le gradientmètre doit être d'autant plus sensible que les objets ferromagnétiques à détecter sont de faibles dimensions et sont situés dans un environnement magnétique perturbé où il existe de fortes variations du champ magnétique ambiant; c'est le cas, par exemple, de la détection de pièces magnétiques sur des plongeurs démineurs à bord d'un bateau. In order for the measurement made by a gradient meter to be significant for the presence of a ferromagnetic part, the gradient meter must be more sensitive if the ferromagnetic objects to be detected are of small size and are located in a disturbed magnetic environment where there are strong variations of the ambient magnetic field; this is the case, for example, of the detection of magnetic parts on deminer divers on board a ship.

II est connu de mesurer le gradient de la composante d'un champ magnétique selon une direction d'axe X-X déterminée en plaçant, sur cet axe, deux éléments de mesure du champ magnétique distincts, notés A et B, à noyaux saturables directifs, alignés sur un même support et espacés d'une distance d. Ces deux éléments de mesure sont des sondes magnétiques ou des magnétomètres. Les signaux de sortie des deux magnéto mètres sont traités différentiellement, le signal différentiel constituant la mesure du gradient de champ magnétique. It is known to measure the gradient of the component of a magnetic field in a direction of axis XX determined by placing, on this axis, two separate magnetic field measuring elements, denoted A and B, with directional saturable cores, aligned on the same support and spaced a distance d. These two measuring elements are magnetic probes or magnetometers. The output signals of the two magnetometers are differentially processed, the differential signal constituting the measurement of the magnetic field gradient.

Cependant, les mesures du gradient de champ magnétique sont affectées par deux sources d'erreur importantes. La première source d'erreur est l'écart de sensibilité des deux magnétomètres A et B dû aux défauts intrinsèques des magnétomètres pris individuellement et à l'électronique associée. Cet écart de sensibilité engendre une erreur de mesure proportionnelle à l'amplitude de la composante Hx du champ magnétique suivant l'axe de mesure du gradientmètre. However, measurements of the magnetic field gradient are affected by two important sources of error. The first source of error is the difference in sensitivity of the two magnetometers A and B due to the intrinsic defects of the individual magnetometers and the associated electronics. This sensitivity difference generates a measurement error proportional to the amplitude of the Hx component of the magnetic field along the measurement axis of the gradient meter.

La deuxième source d'erreur est te défaut de colinéarité des axes de mesure des deux magnétomètres A et B. Un désalignement d'angle a des deux magnétomètres A et B l'un par rapport à l'autre, engendre une erreur de mesure proportionnelle à Hz sin a, où Hz est la composante du champ magnétique savant une diectron perpendifite â Iraxe de mesure du gradientmtr. The second source of error is the collinearity of the measuring axes of the two magnetometers A and B. An angle misalignment of the two magnetometers A and B with respect to each other gives rise to a proportional error of measurement. at Hz sin a, where Hz is the component of the magnetic field, a diectron perpendicular to the measuring axis of the gradientmtr.

II est connu de compenser ces deux termes d'erreur en disposant une première sonde supplémentaire suivant l'axe de mesure du gradient et deux autres sondes perpendiculaires à l'axe de mesure du gradient et perpendiculaires entre elles. It is known to compensate for these two error terms by arranging a first additional probe along the measurement axis of the gradient and two other probes perpendicular to the measurement axis of the gradient and perpendicular to each other.

Cette configuration est satisfaisante dans son fonctionnement, mais pénalise l'encombrement et la complexité du gradientmètre. This configuration is satisfactory in its operation, but penalizes the size and complexity of the gradient meter.

Un premier but de l'invention est de réaliser un gradientmètre dont les éléments de mesure ont des écarts de sensibilité et de colinéarité aussi réduits que possible, et permettant de détecter des pièces ferromagnétiques de faibles dimensions, par exemple quelques centimètres, dans un environnement magnétique très perturbé. A first object of the invention is to provide a gradientmeter whose measuring elements have differences in sensitivity and collinearity as small as possible, and for detecting ferromagnetic parts of small dimensions, for example a few centimeters, in a magnetic environment very disturbed.

Un deuxième but de l'invention est de définir des moyens simples de correction du défaut d'alignement résiduel sans ajouter des magnétomètres auxiliaires. A second object of the invention is to define simple means for correcting residual misalignment without adding auxiliary magnetometers.

Pour réduire les erreurs de sensibilité et de colinéarité des deux éléments de mesure du gradientmètre, I'invention consiste à réaliser un capteur de gradient de champ magnétique comportant un support rigide, un seul noyau magnétique et deux enroulements de même longueur bobinés en série autour du noyau magnétique et utilisés à la fois pour l'excitation du noyau et pour la détection du gradient de champ. In order to reduce the sensitivity and collinearity errors of the two measuring elements of the gradient meter, the invention consists in producing a magnetic field gradient sensor comprising a rigid support, a single magnetic core and two windings of the same length wound in series around the magnetic core and used for both the excitation of the nucleus and for the detection of the field gradient.

Pour augmenter la sensibilité du gradientmètre, et détecter des pièces ferromagnétiques de petites dimensions dans un environnement magnétique très perturbé, la distance d séparant les deux éléments de mesure et la distance de mesure D entre le capteur du gradientmètre et une pièce magnétique à détecter sont optimisées. To increase the sensitivity of the gradient meter, and to detect ferromagnetic parts of small dimensions in a highly disturbed magnetic environment, the distance d between the two measuring elements and the measurement distance D between the gradient meter sensor and a magnetic part to be detected are optimized. .

Selon l'invention, le dispositif de mesure d'un gradient de champ magnétique comportant un capteur du gradient de champ magnétique associé à des circuits électroniques, est caractérisé en ce que le capteur de mesure comporte un seul noyau magnétique såturabte d'axe X-X disposé sur un support et au plus deux enroulements bobinés sur le support autour du noyau magnétique et utilisés à la fois pour Itexcitation du noyau magnétique et pour la détection du gradient de champ magnétique
D'autres partrcularités et avantages de l'invention apparaitmnt clairement dans la description suivante donnée à titre d'exemple non limitatif et faite en regard des figures annexées qui représentent
- la figure 1 : un schéma de principe d'un gradientmètre, selon l'art antérieur,
- la figure 2 : un schéma de principe d'un gradientmètre, selon l'invention,
- la figure 3 : une vue en coupe d'un exemple de disposition d'un noyau magnétique dans le support, selon l'invention,
- la figure 4 : un exemple de courbe hyperbolique montrant la variation du champ magnétique en fonction de la distance de mesure D,
- la figure 5 : un exemple de réalisation du capteur du gradientmètre permettant de fixer la distance de mesure D, selon l'invention,
- la figure 6 : un schéma du principe de la compensation du défaut d'alignement résiduel des deux éléments de mesure du capteur du gradientmètre, selon l'invention.According to the invention, the device for measuring a magnetic field gradient comprising a magnetic field gradient sensor associated with electronic circuits, is characterized in that the measurement sensor comprises a single magnetic core having an axis XX disposed on a support and at most two windings wound on the support around the magnetic core and used both for the excitation of the magnetic core and for the detection of the magnetic field gradient
Other partrcularities and advantages of the invention appear clearly in the following description given by way of non-limiting example and with reference to the appended figures which represent
FIG. 1: a schematic diagram of a gradientmeter, according to the prior art,
FIG. 2: a schematic diagram of a gradientmeter, according to the invention,
FIG. 3 is a sectional view of an example of an arrangement of a magnetic core in the support, according to the invention,
FIG. 4: an example of a hyperbolic curve showing the variation of the magnetic field as a function of the measurement distance D,
FIG. 5: an exemplary embodiment of the gradientmeter sensor for setting the measurement distance D, according to the invention,
- Figure 6: a diagram of the principle of the compensation of residual misalignment of the two measuring elements of the gradient meter sensor, according to the invention.

La figure 1 représente un schéma de principe d'un gradientmètre, selon l'art antérieur. FIG. 1 represents a schematic diagram of a gradient meter according to the prior art.

Le gradientmètre comporte deux magnétomètres distincts A et
B à noyaux såturables directifs, c'est-à-dire deux noyaux distincts, alignés suivant un axe X-X, sur un même support 10, un dispositif d'excitation 15 connecté en entrée de chacun des magnétomètres, un dispositif de détection 20 connecté en sortie de chacun des magnétomètres, et un dispositif de mesure 25 du gradient de champ détecté par le dispositif de détection.The gradient meter has two distinct magnetometers A and
B with directional lockable cores, that is to say two separate cores, aligned along an axis XX, on the same support 10, an excitation device 15 connected at the input of each of the magnetometers, a detection device 20 connected in output of each of the magnetometers, and a device 25 for measuring the field gradient detected by the detection device.

Les centres des deux magnétomètres A et B sont espacés d'une distance d. Classiquement, un magnétomètre comporte un enroulement d'excitation et un enroulement de sortie (non représeretésk bobinés autour d'un noyau magnétique. The centers of the two magnetometers A and B are spaced apart by a distance d. Conventionally, a magnetometer comprises an excitation winding and an output winding (not shown) wound around a magnetic core.

Le fonctionnement du gradientmètre est le suivant: les enroulements d'excitation de chaque magnétomètre sont alimentés en courant atematif par le dispositif d'excitation 15 Pour chaque magnétornêtre, un champ magnétique Hx extérieur dirigé selon l'axe du noyau y engendre un flux de deuxième harmonique qui passe dans l'enroulement de sortie et y engendre une tension de sortie en deuxième harmonique. Les tensions de sortie de chaque magnétomètre sont traitées différentiellement par le dispositif de détection 20 de façon à en extraire un signal significatif d'un éventuel gradient de champ et à en déduire la présence d'un objet ferromagnétique 5 de moment magnétique
M.The operation of the gradientmeter is as follows: the excitation windings of each magnetometer are supplied with atemative current by the excitation device 15 For each magnetometer, an external magnetic field Hx directed along the axis of the core generates a second flux. harmonic that passes into the output winding and generates there a second harmonic output voltage. The output voltages of each magnetometer are differentially processed by the detection device 20 so as to extract a significant signal from a possible field gradient and to deduce the presence of a ferromagnetic object 5 of magnetic moment.
Mr.

En l'absence d'erreur de colinéarité des axes des magnéto mètres et de sensibilité des deux magnétomètres, dans un champ magnétique uniforme, les composantes du champ magnétique h1 et h2 sur chacun des deux magnétomètres sont égales, et le signal différentiel h1 - h2 est nul. S'il existe un corps magnétique 5 dans un volume où le gradientmètre est sensible, le champ magnétique mesuré sera plus intense pour l'un des magnétomètres que pour l'autre. Par suite, le signal de sortie de l'un des magnétomètres sera plus grand que celui de l'autre magnétomètre, et un signal différentiel appréciable sera obtenu. Ce signal différentiel indique la présence de l'objet magnétique. In the absence of a collinearity error of the axes of the magnetometers and the sensitivity of the two magnetometers, in a uniform magnetic field, the components of the magnetic field h1 and h2 on each of the two magnetometers are equal, and the differential signal h1 - h2 is zero. If there is a magnetic body 5 in a volume where the gradient meter is sensitive, the measured magnetic field will be more intense for one of the magnetometers than for the other. As a result, the output signal of one of the magnetometers will be larger than that of the other magnetometer, and an appreciable differential signal will be obtained. This differential signal indicates the presence of the magnetic object.

Sur la figure 1, I'objet magnétique M est situé à la distance D du magnétomètre A et à la distance (D + d) du magnétomètre B. Les champs magnétiques h1 et h2 que l'objet engendre aux distances D et (d + D) sont tels que h1 > h2. In FIG. 1, the magnetic object M is situated at the distance D of the magnetometer A and at the distance (D + d) of the magnetometer B. The magnetic fields h1 and h2 that the object generates at distances D and (d + D) are such that h1> h2.

La figure 2 représente un schéma de principe d'un gradientmètre, selon l'invention. FIG. 2 represents a schematic diagram of a gradient meter according to the invention.

Le gradientmètre comporte un capteur à noyau ferromagnétique saturable associé à des circuits électroniques d'excitation du noyau et de détection d'un gradient de champ magnétique. Le capteur magnétique comporte un support rigide, 10, de préférence cylindrique, d'axe longitudinal X-X, un seul noyau magnétique i i à haute perméabilité magnétique (la perméabilité /1 étant supérieure à 50 000) et deux enroulements 12, 13 de même longueur L bobinés en série autour du noyau. Les deux enroulements 12, 13 sont utilisés à la fois pour l'excitation du noyau et pour la détection du gradient de champ. The gradientmeter comprises a saturable ferromagnetic core sensor associated with electronic circuits of excitation of the core and detection of a magnetic field gradient. The magnetic sensor comprises a rigid support, 10, preferably cylindrical, of longitudinal axis XX, a single magnetic core ii with high magnetic permeability (the permeability / 1 being greater than 50,000) and two windings 12, 13 of the same length L serially wound around the core. The two windings 12, 13 are used both for the excitation of the core and for the detection of the field gradient.

Le noyau magnétique définissant l'axe, ou tes axes (s'il y a une erreur d'arrgte), de mesure du gradientmètre, est immobilisé mécaniquement sur le support en effectuant un compromis entre les contraintes et la stabilité angulaire du noyau sur toute sa longueur. The magnetic core defining the axis, or the axes (if there is a stop error), measuring the gradient meter, is immobilized mechanically on the support by making a compromise between the constraints and the angular stability of the core over any its length.

La figure 3 représente une vue en coupe d'un exemple de disposition d'un noyau magnétique dans le support, selon l'invention. FIG. 3 represents a sectional view of an example of an arrangement of a magnetic core in the support, according to the invention.

Selon une réalisation préférée permettant d'obtenir une bonne stabilité angulaire du noyau magnétique 1 1 et de faibles contraintes mécaniques, le support 10 comporte une rainure 14 longitudinale dont les dimensions en longueur, en largeur et en épaisseur sont légèrement supérieures aux dimensions respectives du noyau. Le noyau peut, par exemple, être réalisé dans un matériau amorphe magnétique, et avoir la forme d'une bande dont un exemple de dimensions peut être 3 mm de largeur et 35 ,um d'épaisseur. Le noyau peut également avoir une forme cylindrique. According to a preferred embodiment for obtaining good angular stability of the magnetic core 1 1 and low mechanical stresses, the support 10 has a longitudinal groove 14 whose length, width and thickness dimensions are slightly greater than the respective dimensions of the core. . The core may, for example, be made of a magnetic amorphous material, and be in the form of a strip of which an example of dimensions may be 3 mm wide and 35 μm thick. The core may also have a cylindrical shape.

Le noyau 1 1 est logé à l'intérieur de la rainure 14 et est plaqué contre le support par des moyens élastiques 19 permettant de maintenir le noyau en place sans le contraindre. Par exemple, une gaine plastique creuse peut être utilisée comme moyen élastique. The core January 1 is housed inside the groove 14 and is pressed against the support by elastic means 19 to maintain the core in place without constraining it. For example, a hollow plastic sheath can be used as an elastic means.

Les moyens élastiques 19 sont coincés par les deux enroulements 12, 13, ces enroulements étant bobinés sur le support autour du noyau, et le noyau étant centré dans les enroulements. Deux usinages sont prévus autour du support pour disposer les enroulements. The elastic means 19 are wedged by the two windings 12, 13, these windings being wound on the support around the core, and the core being centered in the windings. Two machining operations are provided around the support to arrange the windings.

Les deux enroulements ont la même longueur L et sont tels que la distance I séparant les deux enroulements est toujours petite devant la longueur L d'un enroulement de façon à ce que les mesures du gradientmètre ne soient pas perturbées par des variations du champ magnétique ambiant. Les deux enroulements sont connectés en série et leur point de connexion est relié à une prise électrique commune I constituant le point milieu de l'ensemble des deux enroulements. il est également possible d'utiliser un seul enroulement à prise médiane.The two windings have the same length L and are such that the distance I between the two windings is always small in front of the length L of a winding so that the measurements of the gradient meter are not disturbed by variations in the ambient magnetic field. . The two windings are connected in series and their connection point is connected to a common electrical outlet I constituting the midpoint of all two windings. it is also possible to use a single take-up winding.

Le support est réalisé dans un matériau indéformable, par exemple en céramique, et préférentiellement en quartz pour la stabilité en ternpra'ture de ce maténau. The support is made of a non-deformable material, for example ceramic, and preferably quartz for the stability in time of this matenau.

Les circuits étectrnniques associés au capteur comportent r
- un générateur de courant alternatif 15 à fréquence musicale, la fréquence F étant comprise entre 1 et 10 kHz. Le générateur comporte en sortie un transformateur d'adaptation 1 6 ayant un enroulement secondaire à prise médiane, cette prise médiane étant reliée à la masse électrique. Ce générateur est destiné à porter à saturation le noyau magnétique 1 1 du capteur. Aux bornes du secondaire du transformateur sont connectés les enroulements 12, 13 qui entourent le noyau magnétique. Le circuit comportant les enroulements 12, 13 du capteur et le secondaire du transformateur constitue un circuit en pont équilibré, alimenté sur l'une de ses diagonales, entre les bornes extrêmes 17 et 18, des deux enroulements, par le générateur d'excitation 15. La tension de sortie du capteur est recueillie entre la prise médiane du secondaire du transformateur et la borne commune I des enroulements 12, 13, et est appliquée sur un dispositif de détection 20 du signal de second harmonique significatif du champ magnétique différentiel à mesurer, ce dispositif de détection 20 recevant également en entrée le signal de fréquence F provenant du générateur d'excitation 15.The electrical circuits associated with the sensor include
an alternating current generator 15 with a musical frequency, the frequency F being between 1 and 10 kHz. The generator comprises at its output an adaptation transformer 16 having a secondary winding with a median tap, this median tap being connected to the electrical ground. This generator is intended to bring to saturation the magnetic core 1 1 of the sensor. At the terminals of the secondary of the transformer are connected the windings 12, 13 which surround the magnetic core. The circuit comprising the windings 12, 13 of the sensor and the secondary of the transformer constitutes a balanced bridge circuit, fed on one of its diagonals, between the end terminals 17 and 18, of the two windings, by the excitation generator 15. The output voltage of the sensor is collected between the middle tap of the secondary of the transformer and the common terminal I of the windings 12, 13, and is applied to a detection device 20 of the second harmonic signal significant of the differential magnetic field to be measured, this detection device 20 also receiving as input the frequency signal F coming from the excitation generator 15.

En l'absence d'un gradient de champ magnétique extérieur, il n'existe pas de dissymétrie de saturation du noyau et la tension recueillie en sortie du capteur a une valeur moyenne nulle. In the absence of an external magnetic field gradient, there is no saturation dissymmetry of the core and the voltage collected at the output of the sensor has a zero average value.

Quand un gradient de champ continu extérieur existe, la saturation du noyau magnétique 1 1 est dissymétrique pour chaque série d'alternances du courant d'excitation. Cette dissymétrie est due à la composante du gradient de champ suivant l'axe du capteur. La tension recueillie en sortie du capteur comporte alors une composante à la fréquence double du signal d'excitation caractéristique de la composante du champ magnétique différentiel suivant l'axe du capteur. La polarité et l'amplitude de cette tension de sortie dépendent de la polarité et de l'amplitude de cette composante. Classiquernent, le disposittf de détection comporte
- un amplificateur sélectif dont la fréquence centrale est le second harmonique du signal d'excitation,
- un démodulateur synchrone permettant de transformer le signal de second harmonique variable en phase et en amplitude en fonction de la polarité et de l'amplitude du champ différentiel à détecter, en un signal continu variable en signe et en amplitude à l'image du signal de second harmonique,
- un amplificateur d'asservissement qui reçoit sur son entrée le signal démodulé et dont la sortie délivre à travers une résistance R2 un courant de contre-réaction significatif du champ différentiel à mesurer. Le courant introduit en contre-réaction en entrée du dispositif de détection, compense en majeure partie l'effet de la composante du champ différentiel suivant l'axe du capteur et fournit, aux bornes de la résistance R2, une tension proportionnelle à cette composante pouvant être appliquée à l'entrée d'un dispositif de mesure 25, par exemple un voltmètre.When an external continuous field gradient exists, the saturation of the magnetic core 11 is asymmetrical for each series of alternations of the excitation current. This dissymmetry is due to the component of the field gradient along the axis of the sensor. The voltage collected at the output of the sensor then comprises a component at the double frequency of the excitation signal characteristic of the component of the differential magnetic field along the axis of the sensor. The polarity and amplitude of this output voltage depend on the polarity and amplitude of this component. Typically, the detection device includes
a selective amplifier whose central frequency is the second harmonic of the excitation signal,
a synchronous demodulator making it possible to transform the variable second harmonic signal in phase and in amplitude as a function of the polarity and the amplitude of the differential field to be detected, into a continuous signal variable in sign and in amplitude with the image of the signal second harmonic,
a servo amplifier which receives on its input the demodulated signal and whose output delivers through a resistor R2 a significant counter-current of the differential field to be measured. The current introduced as an input feedback of the detection device compensates for the major part of the effect of the differential field component along the axis of the sensor and provides, across the resistor R2, a voltage proportional to this component which can be applied to the input of a measuring device 25, for example a voltmeter.

Le circuit en pont doit être parfaitement équilibré et la structure du capteur doit être parfaitement symétrique de façon à ce que les deux enroulements 12, 13 du capteur constituent deux éléments de mesure U,
V ayant la même sensibilité.The bridge circuit must be perfectly balanced and the sensor structure must be perfectly symmetrical so that the two windings 12, 13 of the sensor constitute two measuring elements U,
V having the same sensitivity.

Lorsque le gradientmètre est soumis à un champ magnétique H uniforme, si les éléments de mesure U et V ont la même sensibilité, la tension de sortie du capteur est nulle. Si les deux éléments de mesure U et V n'ont pas la même sensibilité, la tension de sortie n'est pas nulle. When the gradient meter is subjected to a uniform magnetic field H, if the measuring elements U and V have the same sensitivity, the output voltage of the sensor is zero. If the two measuring elements U and V do not have the same sensitivity, the output voltage is not zero.

Pour corriger le défaut de sensibilité entre les deux éléments de mesure, la valeur de la tension de sortie est d'abord réduite en centrant au mieux le noyau magnétique dans les enroulements. Ensuite un réglage fin est effectué au moyen d'une résistance variable R1 dont les points extrêmes sont connectés aux bornes 17 et 18 des enroulements 12 et 13 et dont le point curseur est connecté au point milieu I des deux enroulements 12, 13. To correct the lack of sensitivity between the two measuring elements, the value of the output voltage is first reduced by better centering the magnetic core in the windings. Then a fine adjustment is performed by means of a variable resistor R1 whose end points are connected to the terminals 17 and 18 of the windings 12 and 13 and whose cursor point is connected to the midpoint I of the two windings 12, 13.

Pour augmenter la sensibilité du gradientmètre et pouvoir dans un milieu ambiant très perturbé, détecter des petites pièces ferromagnétiques produisant un champ magnétique de l'ordre d'une dizaine de nano Teslas à une dizaine de centimètres, il est nécessaire de rapprocher le plus possible tes deux éléments de mesure du gradient- mètre afin d'être à l'abri es perturbations locales du champ magnétique ambiant, et de rapprocher le capteur le plus possible de la pièce à détecter afin d'obtenir un signal à mesurer ayant une amplitude la plus élevée possible par rapport aux défauts de sensibilité et d'alignement du capteur. In order to increase the sensitivity of the gradient meter and to be able to detect small ferromagnetic parts producing a magnetic field in the order of a dozen nano Teslas in a very disturbed environment, it is necessary to bring as close together as possible two measuring elements of the gradient meter in order to be protected from local disturbances of the ambient magnetic field, and to bring the sensor as close as possible to the part to be detected in order to obtain a signal to be measured having a maximum amplitude possible with respect to sensor sensitivity and alignment faults.

En se référant à la figure 2, la distance d représente la distance séparant les centres des deux éléments de mesures constitués par les enroulements 12, 13 et le noyau magnétique 11 ; la distance D est la distance séparant le centre de la pièce magnétique de moment magnétique M à détecter, du centre de l'enroulement le plus proche de cette pièce magnétique, soit l'enroulement 13 sur la figure 2. With reference to FIG. 2, the distance d represents the distance separating the centers from the two measuring elements formed by the windings 12, 13 and the magnetic core 11; the distance D is the distance separating the center of the magnetic moment magnetic part M to be detected, from the center of the winding closest to this magnetic part, or the winding 13 in FIG.

Les champs magnétiques h1 et h2 mesurés respectivement par les éléments U et V sont déterminés de façon connue par les expressions suivantes
hl= llo M h2 = A M
cd+D > 3
où M est le moment magnétique de la pièce à détecter ; po = 4# x 10-7 est la perméabilité magnétique de l'air.The magnetic fields h1 and h2 respectively measured by the elements U and V are determined in a known manner by the following expressions
hl = llo M h2 = AM
cd + d> 3
where M is the magnetic moment of the part to be detected; po = 4 # x 10-7 is the magnetic permeability of air.

Le signal différentiel à mesurer est donc

The differential signal to be measured is therefore

La figure 4 représente un exemple de courbe hyperbolique montrant la variation du champ magnétique mesuré en fonction de la distance de mesure D. Cette courbe montre que pour une distance d constante séparant les deux éléments de mesure U et V, la valeur du signal différentiel (h1 - h2) augmente lorsque la valeur de D diminue. FIG. 4 represents an example of a hyperbolic curve showing the variation of the measured magnetic field as a function of the measurement distance D. This curve shows that for a distance of constant separating the two measuring elements U and V, the value of the differential signal ( h1 - h2) increases when the value of D decreases.

Cette courbe montre également qu'en réduisant la valeur de D, le signal h1 augmente plus rapidement que le signal h2, donc le rapport h1 / h2 = (D+d)3/D3 augmente. Pour obtenir un signal à mesurer le plus élevé possible, il est donc nécessaire de réduire la distance D autant que possible
Ainsi, pour une pièce magnétique de faibles dimensions géométriques, par exemple de t' ordre de 5 à 10 mm, la distance D pourra être aisément réduite jusqu'à ce qu'il y ait contact de la pièce magnétique avec le capteur du gradientmètre.This curve also shows that by reducing the value of D, the signal h1 increases more rapidly than the signal h2, so the ratio h1 / h2 = (D + d) 3 / D3 increases. To obtain a signal to be measured as high as possible, it is therefore necessary to reduce the distance D as much as possible
Thus, for a magnetic part of small geometric dimensions, for example of the order of 5 to 10 mm, the distance D can be easily reduced until there is contact of the magnetic part with the gradient meter sensor.

En ce qui concerne la distance d, il est nécessaire de faire un compromis. En effet, lorsque la distance d entre les deux éléments de mesure U et V augmente, le rapport h1/h2 augmente, donc l'amplitude du signal à mesurer augmente. With regard to the distance d, it is necessary to make a compromise. Indeed, when the distance d between the two measuring elements U and V increases, the ratio h1 / h2 increases, so the amplitude of the signal to be measured increases.

Cependant lorsque d augmente, le gradient spatial (h1 - h2)/d diminue et le capteur devient de plus en plus sensible aux perturbations locales du champ ambiant, et ceci d'autant plus que la distance D est grande. Si la distance d est trop grande, la valeur du gradient (h1 - h2) à mesurer devient plus faible que les variations locales du champ ambiant, et la mesure effectuée par le gradientmètre n'est plus significative de la présence d'une pièce ferromagnétique. However, as d increases, the spatial gradient (h1 - h2) / d decreases and the sensor becomes more and more sensitive to local disturbances of the ambient field, and all the more so because the distance D is large. If the distance d is too large, the value of the gradient (h1 - h2) to be measured becomes smaller than the local variations of the ambient field, and the measurement made by the gradient meter is no longer significant for the presence of a ferromagnetic part. .

A titre d'exemple, la détection d'une pièce ferromagnétique qui produit un champ magnétique de 10 nano Teslas à 10 cm, a été considérée. Le moment M de cette pièce magnétique est déterminé par l'égalité suivante
M = HD3/po = 8.10-6 A/m2.By way of example, the detection of a ferromagnetic part which produces a magnetic field of 10 nanos Tesla at 10 cm, has been considered. The moment M of this magnetic piece is determined by the following equality
M = HD3 / po = 8.10-6 A / m2.

Pour cette pièce magnétique, deux cas ont été considérés. For this magnetic piece, two cases were considered.

Dans le premier cas, les éléments de mesure U et V sont espacés d'une distance d = 3,5 cm, et la distance D est égale à la distance d. Dans ces conditions, les champs mesurés par les éléments U et V sont respectivement h1 = 232 nT et h2 = 29 nT, et le gradient de champ h1- h2 = 203 nT soit 5 800 nT/m.In the first case, the measuring elements U and V are spaced apart by a distance of d = 3.5 cm, and the distance D is equal to the distance d. Under these conditions, the fields measured by the elements U and V are respectively h1 = 232 nT and h2 = 29 nT, and the field gradient h1-h2 = 203 nT is 5,800 nT / m.

Dans le deuxième cas, les distances d et D sont respectivement égales à 20 cm et 5 cm. Dans ces conditions, les champs h1 et h2 sont respectivement égaux à 80 nT et pratiquement zéro, et te gradient de champ ha - h2 = 80 nT soit 400 nT/m. Cette dernière valeur est insuffisante dans un champ magnétique très perturbé tel qu'on ie trouve notamment sur un chasseur de mines. Une distance d égale à 20 cm est donc trop grande. In the second case, the distances d and D are equal to 20 cm and 5 cm respectively. Under these conditions, the fields h1 and h2 are respectively equal to 80 nT and practically zero, and the field gradient ha - h2 = 80 nT is 400 nT / m. This last value is insufficient in a very disturbed magnetic field such as one found in particular on a mine hunter. A distance d equal to 20 cm is therefore too great.

Les meileurs choix permettant d'obtenir une amplitude du signal à détecter suffisante et une mesure du gradientmètre significative de la présence d'une pièce ferromagnétique ont été déterminés par expérience. Ces choix sont tels que les valeurs de d sont comprises entre les valeurs de D et de D/4: D < d < D
4
Dans ces conditions, les valeurs du rapport h1/h2 varient entre 2 et 8.The best choices for obtaining a sufficient amplitude of the signal to be detected and a measurement of the gradient meter that is significant for the presence of a ferromagnetic part have been determined by experiment. These choices are such that the values of d are between the values of D and D / 4: D <d <D
4
Under these conditions, the values of the ratio h1 / h2 vary between 2 and 8.

Le capteur du gradientmètre est donc optimisé en tenant compte de l'amplitude du moment magnétique de la pièce à détecter et de l'inhomogénéité du champ magnétique ambiant, et en ajustant les valeurs des distances d et D de façon à obtenir une amplitude du signal à détecter suffisante et une mesure de gradient de champ significative de la présence de la pièce à détecter. The gradient meter sensor is therefore optimized by taking into account the amplitude of the magnetic moment of the part to be detected and the inhomogeneity of the ambient magnetic field, and by adjusting the values of the distances d and D so as to obtain a signal amplitude. to detect sufficient and a significant field gradient measurement of the presence of the piece to be detected.

La figure 5 représente un exemple de réalisation du capteur du gradientmètre permettant de fixer la distance de mesure D. FIG. 5 represents an exemplary embodiment of the gradientmeter sensor making it possible to fix the measurement distance D.

Dans une réalisation préférée du gradientmètre, le capteur est enfermé dans une enveloppe de protection rigide 50 sur laquelle est adapté un embout 51, de préférence sphérique > creux en matériau amagnétique tel que du plastique. Cet embout sphérique entoure au moins l'un des enroulements du capteur magnétique et est destiné à être mis en contact avec la pièce ferromagnétique 5 à mesurer. Le rayon de l'embout a une valeur égale à la distance D optimale pour la mesure du gradient de champ créé par la pièce ferromagnétique 5 à détecter. Un tel embout a l'avantage de maintenir une distance de mesure D constante. In a preferred embodiment of the gradient meter, the sensor is enclosed in a rigid protective envelope 50 on which is fitted a tip 51, preferably spherical> hollow non-magnetic material such as plastic. This spherical tip surrounds at least one of the windings of the magnetic sensor and is intended to be brought into contact with the ferromagnetic part 5 to be measured. The radius of the tip has a value equal to the optimum distance D for the measurement of the field gradient created by the ferromagnetic part 5 to be detected. Such a tip has the advantage of maintaining a constant measuring distance D.

La figure 6 représente un schéma de principe de la compensation du défaut d'alignement résiduel des deux éléments de mesure du capteur du gradientmètre, selon l'invention. FIG. 6 represents a schematic diagram of the residual misalignment compensation of the two measuring elements of the gradient meter sensor, according to the invention.

Si le champ est uniforme, et donc le gradient flUIt la différence de mesure des deux éléments de mesure U et V devrait être nulle. Ce n'est pas le cas à cause de l'erreur de colinéarité des deux éléments de mesure U et V. Pour augmenter la sensibilité du gradientmètre, -il est tout à fait nécessaire de corn'ge cette erreur. Pour celer dans un premier temps, un étalonnage est efftttuê pour déterminer la valeur de l'angle ct de désalignement entre tes deux éléments de mesure U et V Cet étalonnage est effectué en faisant tourner le capteur du gradientmètre autour de son axe de mesure X-X et en présence d'un champ magnétique perpendiculaire à cet axe, d'amplitude Hz, de signe et de direction connus. If the field is uniform, and therefore the gradient flUIt the measurement difference of the two measuring elements U and V should be zero. This is not the case because of the colinearity error of the two measuring elements U and V. To increase the sensitivity of the gradient meter, it is quite necessary to make up this error. First, a calibration is effected to determine the value of the angle of misalignment between the two measurement elements U and V. This calibration is performed by rotating the gradient meter sensor around its measurement axis XX and in the presence of a magnetic field perpendicular to this axis, amplitude Hz, sign and direction known.

Pendant cette rotation du capteur, la valeur du signal de sortie du capteur évolue, en fonction de l'angle ss de rotation du capteur par rapport au champ magnétique perpendiculaire Hz, selon une courbe sinusoïdale de la forme Hz sina cos ss. En choisissant un repère orthonormé dans le plan de rotation du capteur, c'est-à-dire le plan perpendiculaire à l'axe du capteur, le relevé de cette courbe permet d'obtenir l'orientation de l'angle a dans le repère choisi ainsi que la valeur de l'angle a. La valeur de l'angle a est déterminée de préférence à partir de l'amplitude crête du signal sinusoïdal. During this rotation of the sensor, the value of the output signal of the sensor changes, according to the angle ss of rotation of the sensor relative to the perpendicular magnetic field Hz, according to a sinusoidal curve of the form Hz sina cos ss. By choosing an orthonormal coordinate system in the plane of rotation of the sensor, that is to say the plane perpendicular to the axis of the sensor, the reading of this curve makes it possible to obtain the orientation of the angle a in the reference chosen as well as the value of the angle a. The value of the angle α is preferably determined from the peak amplitude of the sinusoidal signal.

Lorsque la valeur et l'orientation de l'angle a est déterminée, la compensation de cette erreur est effectuée au moyen d'un élément ferromagnétique 60 à très faible rémanence dont la masse et l'emplacement sont choisis de façon que l'effet de cet élément ferromagnétique agisse comme un contrepoids et contrebalance l'effet de l'erreur d'alignement. When the value and orientation of the angle α is determined, the compensation for this error is made by means of a ferromagnetic element 60 with very low remanence whose mass and location are chosen so that the effect of this ferromagnetic element acts as a counterweight and counterbalances the effect of misalignment.

Pour cela, I'élément ferromagnétique de compensation 60 est disposé dans un plan P contenant l'axe de mesure du gradientmètre et l'angle d'erreur a. For this, the ferromagnetic compensation element 60 is disposed in a plane P containing the measurement axis of the gradient meter and the error angle a.

L'élément ferromagnétique de compensation est réalisé dans un matériau à très faible rémanence de façon à ce qu'il ne crée pas un champ magnétique perturbateur augmentant le champ magnétique permanent ambiant. The ferromagnetic compensation element is made of a very low-remanence material so that it does not create a disturbing magnetic field increasing the ambient permanent magnetic field.

Selon une réalisation préférée de l'invention, l'élérnent ferromagnétique de compensation est situé sur l'embout sphérique de l'enveloppe protégeant le capteur du gradientmètre. According to a preferred embodiment of the invention, the ferromagnetic compensation element is located on the spherical end of the envelope protecting the gradient meter sensor.

La compensation ainsi réalisée est indépendante de l'amplitude du champ magnétique perpendiculaire en Cette compensation est dttEtSrtt plus stable que erreur d'alignement d'angle a est faible et que le noyau magnétique principal du capteur est stable. The compensation thus made is independent of the amplitude of the perpendicular magnetic field in that compensation is more stable than angle-alignment error σ is small and the main magnetic core of the sensor is stable.

La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation précisément décrits, notamment le capteur magnétique peut comporter un seul enroulement à prise médiane ou deux enroulements identiques connectés en série. Par ailleurs, I'embout de l'enveloppe du capteur n'est pas obligatoirement sphérique, I'embout peut avoir une autre forme dès l'instant que cette forme permet de maintenir, selon l'axe de mesure, une distance constante entre le capteur et une pièce ferromagnétique à mesurer. The present invention is not limited to the embodiments specifically described, in particular the magnetic sensor may comprise a single winding with central tap or two identical windings connected in series. Furthermore, the end of the sensor casing is not necessarily spherical, the end piece may have another shape as soon as this shape makes it possible to maintain, along the axis of measurement, a constant distance between the sensor and a ferromagnetic part to be measured.

Claims

1 - Device for measuring a magnetic field gradient comprising a magnetic field gradient sensor associated with electronic circuits, characterized in that the measurement sensor comprises a saturation magnetic core 11 of axis XX disposed on a support ( 10) and at most two windings (12, 73F wound on the support around the magnetic core and used both for the excitation of the magnetic core and for the detection of the magnetic field gradient.

2 - Device for measuring a magnetic field gradient according to claim 1, characterized in that the sensor comprises a single winding having a median tap I for defining two measuring elements U, V of a component Hx of the magnetic field along the axis of the magnetic core.

3 - Device according to claim 1, characterized in that the magnetic field gradient sensor comprises two windings (12, 13) of the same length L wound in series on the support (10) around the magnetic core (11) and defining two measuring elements (U, V) of a component Hx of the magnetic field along the axis of the magnetic core.

4 - Device according to any one of claims 2 or 3, characterized in that the magnetic core (11) is housed inside a longitudinal groove (14) of the support and is pressed against the support by elastic means (19) for maintaining the core in place without constraining it, these elastic means being wedged by the windings (12, 13) and the magnetic core being centered in the windings.

5 - Device according to claim 4, characterized in that the centers of the two measuring elements U and V are spaced a distance d whose value is between two values D and D / 4, where D represents a measurement distance between the field gradient sensor and a ferromagnetic part (5) to be measured.

6 - Device according to claim 5, characterized in that the electronic circuits associated with the field gradient sensor comprise

a musical frequency excitation AC generator (15) connected to the ends (17) of the windings (TZ-T3J of the magnetic field gradient sensor via an adaptation transformer (16),

a detection device (20) whose input is connected, at the output of the sensor, between a median secondary tap of the transformer (16) and a common terminal I of the windings (12, 13) for detecting a second harmonic signal significant of the differential magnetic field to be measured, and whose output delivers through a resistor R2 a feedback current intended to compensate for most of the detected differential field,

- a measuring device connected to the terminals of the resistor

R2 for measuring a voltage proportional to the differential field.

7 - Device according to claim 6, characterized in that the sensitivity of the two measuring elements U, V is adjusted by means of a variable resistor R1 connected to the ends (17, 18) of the windings (12, 13) and having a cursor point connected to the midpoint

I of the two windings (12, 13).

8 - Device according to one of claims 5 or 6, characterized in that the field gradient sensor comprises a rigid protective envelope (50) on which is fitted a tip (51) of non-magnetic material surrounding at least one windings (13) of the sensor and intended to maintain a measurement distance D of the field gradient created by a ferromagnetic part (5) to be detected.

9 - Device according to claim 8, characterized in that the tip (51) is spherical.

10 - Device according to any one of the preceding claims, characterized in that the sensor comprises a ferromagnetic element (60) for compensation of a misalignment angle α, the two measuring elements U and V, this element compensation being made in a very low-remanence material and disposed in a plane P containing the measurement axis of the gradient meter and the angle a.

11 - Device according to claim 10, characterized in that the compensation element (60) is disposed on the tip (51) of the sensor envelope