FR2790313A1 - Non contact inductive sensor for measuring rectilinear or angular displacements - Google Patents

Non contact inductive sensor for measuring rectilinear or angular displacements Download PDF

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Abstract

The inductive sensor has a magnetic circuit (2) with an airgap and excitation winding (1). A movable part (3) slides in the airgap and a measuring circuit (4,5,v), see Fig. 2a,2b, measures the reluctance of the magnetic circuit so as to deduce a position of an object mechanically linked to the moving part (3). the part (3) has a section, measured perpendicular to the sense of sliding which is variable along the slide direction. The excitation winding can include a series connected primary winding (7) see Fig. 5, and a secondary winding (8) mounted respectively on the first and second pole either side of the airgap. The measuring circuit includes an a.c. and d.c. current source connected in parallel with the winding. The circuit also includes: - a low and high pass circuits and a multiplier circuit; - an analogue - digital converter which has a reference input connected to the low pass circuit.

Description

I La présente invention a pour objet un capteur inductif sans contact pourI The subject of the present invention is a contactless inductive sensor for

la mesure de déplacements rectilignes ou angulaires. La mesure de déplacements rectilignes ou angulaires fait déjà appel à de nombreuses technologies qui chacune répondent à un besoin particulier en terme de coût, de précision ou d'environnement. Parmi les dispositifs connus, on peut citer les potentiomètres, les codeurs optiques, les capteurs capacitifs, les capteurs magnétostrictifs et les capteurs inductifs à bobinages. Il10 existe aussi une variante de capteur inductif dans laquelle des bobinages sont réduits à de simples boucles de circuits imprimés. Dans un document de brevet FR-A-2 682 760, un capteur de déplacement à circuit imprimé est décrit. Ce capteur rencontre parfois des difficultés d'utilisation soit parce que l'accessibilité aux parties mobiles est malaisée et que le démontage pour réparation est très compliqué, soit parce qu'il est souvent nécessaire d'implanter des composants électroniques au plus près du capteur alors que l'environnement présente de très fortes perturbations  the measurement of rectilinear or angular displacements. The measurement of rectilinear or angular displacements already calls upon many technologies which each answer a particular need in terms of cost, precision or environment. Among the known devices, mention may be made of potentiometers, optical encoders, capacitive sensors, magnetostrictive sensors and inductive winding sensors. There is also a variant of an inductive sensor in which the windings are reduced to simple printed circuit loops. In a patent document FR-A-2 682 760, a printed circuit displacement sensor is described. This sensor sometimes encounters difficulties of use either because the accessibility to the moving parts is difficult and the disassembly for repair is very complicated, or because it is often necessary to install electronic components as close as possible to the sensor. that the environment presents very strong disturbances

radioélectriques ou d'intenses rayonnements ionisants.  radioelectric or intense ionizing radiation.

La présente invention a pour objet un capteur de déplacement qui a sensiblement les mêmes avantage qu'un tel  The subject of the present invention is a displacement sensor which has substantially the same advantages as such a

dispositif à circuit imprimé en apportant, de plus, une25 grande facilité d'interchangeabilité et l'absence de composants électroniques actifs à proximité immédiate.  printed circuit device by providing, moreover, great ease of interchangeability and the absence of active electronic components in the immediate vicinity.

L'invention a en effet essentiellement pour but de résoudre des problèmes de montage et de démontage difficilement solubles avec le capteur à circuit imprimé cité ci-dessus, de30 supprimer des composants électroniques qui doivent être implantés sur le circuit de ce capteur, et améliorer son insensibilité à l'environnement climatique et radioélectrique. Le capteur de déplacements conforme à l'invention se compose essentiellement d'un ou de plusieurs enroulements bobinés sur un circuit magnétique dans l'entrefer duquel se déplace un élément mobile, ferromagnétique ou non, de section variable. L'élément mobile est inerte et de ce fait n'est sensible ni aux influences de température, ni aux influences électromagnétiques. L'invention concerne donc un capteur inductif caractérisé en ce qu'il comporte un circuit magnétique avec un entrefer et un bobinage d'excitation, un élément mobile glissant dans cet entrefer, et un circuit de mesure de la réluctance de ce circuit magnétique pour en déduire une position d'un objet mécaniquement relié à cet élément mobile, l'élément mobile présentant une section, mesurée perpendiculairement au sens de glissement, qui est variable  The object of the invention is in fact essentially to solve assembly and disassembly problems which are difficult to dissolve with the above-mentioned printed circuit sensor, to remove electronic components which must be installed on the circuit of this sensor, and to improve its insensitivity to the climatic and radioelectric environment. The displacement sensor according to the invention essentially consists of one or more windings wound on a magnetic circuit in the gap of which moves a mobile element, ferromagnetic or not, of variable section. The mobile element is inert and therefore is not sensitive to temperature influences or electromagnetic influences. The invention therefore relates to an inductive sensor characterized in that it comprises a magnetic circuit with an air gap and an excitation winding, a movable element sliding in this air gap, and a circuit for measuring the reluctance of this magnetic circuit to deduce a position from an object mechanically connected to this mobile element, the mobile element having a section, measured perpendicular to the direction of sliding, which is variable

avec ce glissement.with this shift.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la  The invention will be better understood on reading the

description qui suit et à l'examen des figures qui  description which follows and upon examination of the figures which

l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent: Figure 1: une représentation schématique du capteur de l'invention; Figures 2a à 2b: une représentation schématique des principes d'alimentation électrique du bobinage de l'invention; Figures 3a, 3b et 4: des exemples de réalisation d'élément mobiles utilisables dans le capteur de l'invention; Figure 5: un perfectionnement du bobinage de l'invention; Figures 6 à 8: une alimentation électrique perfectionnée du bobinage de l'invention et un circuit de mesure correspondant; Figures 9 à 12: une représentation des effets d'un dédoublement de pôles du capteur de l'invention pour réaliser une compensation de dérive; Figure 13a à 13e: des éléments mobiles utilisables avec des entrefers dédoublés selon les figures 9 à 12; Figure 14: un circuit de mesure utilisable avec les réalisations des figures 9 à 12; Figure 15: une représentation de l'élément mobile permettant que la position mesurée soit une position angulaire; Figure 16: une représentation schématique du capteur de l'invention avec un deuxième circuit magnétique et un deuxième entrefer dans lequel glisse un élément mobile permettant une mesure en rotation avec une compensation de dérive; Figures 17 à 19: des éléments mobiles utilisables avec un capteur à deux entrefers et permettant une compensation de dérive; Figure 20: un élément mobile utilisable dans le cadre de la figure 16; Figure 21: un exemple d'utilisation du capteur de l'invention; La figure 1 montre comment un dispositif selon l'invention peut être agencé dans sa conception la plus simple. Un enroulement 1 formant un bobinage d'excitation est bobiné autour d'un circuit magnétique 2 en forme de C.  accompany him. These are presented for information only and in no way limit the invention. The figures show: Figure 1: a schematic representation of the sensor of the invention; Figures 2a to 2b: a schematic representation of the principles of electrical supply of the winding of the invention; Figures 3a, 3b and 4: exemplary embodiments of mobile elements usable in the sensor of the invention; Figure 5: an improvement of the winding of the invention; Figures 6 to 8: an improved power supply of the winding of the invention and a corresponding measurement circuit; Figures 9 to 12: a representation of the effects of a splitting of the poles of the sensor of the invention to achieve drift compensation; Figure 13a to 13e: mobile elements usable with split air gaps according to Figures 9 to 12; Figure 14: a measurement circuit usable with the embodiments of Figures 9 to 12; Figure 15: a representation of the movable element allowing the measured position to be an angular position; Figure 16: a schematic representation of the sensor of the invention with a second magnetic circuit and a second air gap in which slides a mobile element allowing a measurement in rotation with a drift compensation; Figures 17 to 19: mobile elements usable with a sensor with two air gaps and allowing drift compensation; Figure 20: a mobile element usable in the context of Figure 16; Figure 21: an example of use of the sensor of the invention; Figure 1 shows how a device according to the invention can be arranged in its simplest design. A winding 1 forming an excitation winding is wound around a C-shaped magnetic circuit 2

L'ouverture du C forme l'entrefer du circuit magnétique. Un élément mobile 3 peut se déplacer dans l'entrefer du circuit magnétique, de préférence libre de tout contact matériel.  The opening of the C forms the air gap of the magnetic circuit. A mobile element 3 can move in the air gap of the magnetic circuit, preferably free of any material contact.

Alimenté en courant alternatif, le bobinage 1 présente une impédance dont la valeur dépend de la réluctance du circuit magnétique. Cette réluctance est elle-même fonction de la section de l'élément mobile interposée dans l'entrefer. Il en résulte que l'impédance de la bobine est une fonction de la position de l'élément mobile 3 dans l'entrefer du circuit magnétique. Pour mesurer des déplacements d'un objet, on lie l'élément 3 à cet objet. L'élément 3 est inerte et supporte sans difficultés les contraintes d'environnement précitées. En outre l'élément 3 étant dépourvu de contact matériel avec35 les pôles de l'entrefer, son démontage de l'objet ne pose pas  Powered by alternating current, the winding 1 has an impedance, the value of which depends on the reluctance of the magnetic circuit. This reluctance is itself a function of the section of the movable element interposed in the air gap. As a result, the impedance of the coil is a function of the position of the movable element 3 in the air gap of the magnetic circuit. To measure displacements of an object, we link element 3 to this object. Element 3 is inert and easily supports the above-mentioned environmental constraints. Furthermore, the element 3 being devoid of material contact with the poles of the air gap, its disassembly from the object does not pose

de difficulté.of difficulty.

Un moyen de mesure simple, mais peu stable en température, consiste, comme le montrent les figures 2a et 2b, à alimenter le bobinage soit par un générateur 4 de courant i alternatif et à mesurer une variation de tension v directement aux bornes de la bobine, soit à alimenter le bobinage par un générateur 5 de tension continue et à mesurer une variation de tension v aux bornes d'une résistance R. Ces deux procédés, s'ils permettent de comprendre de manière simple comment le déplacement de l'élément mobile peut être traduit en une tension mesurable peuvent être perfectionnés pour leur mise en euvre pratique. Ci-après sont décrits  A simple means of measurement, but not very stable in temperature, consists, as shown in FIGS. 2a and 2b, of supplying the winding either by a generator 4 of alternating current i and of measuring a voltage variation v directly at the terminals of the coil , or to supply the winding with a DC voltage generator 5 and to measure a voltage variation v across a resistor R. These two methods, if they make it possible to understand in a simple way how the displacement of the mobile element can be translated into a measurable voltage can be perfected for their practical implementation. Below are described

d'autres moyens plus aptes à obtenir une mesure stable.  other means more suitable for obtaining a stable measurement.

L'élément mobile 3 peut être réalisé en matériau conducteur amagnétique auquel cas il développe, dans une faible épaisseur, des courants de Foucault qui s'opposent au  The mobile element 3 can be made of non-magnetic conductive material in which case it develops, in a small thickness, eddy currents which oppose the

passage du flux magnétique qui circulent dans l'entrefer.  passage of the magnetic flux which circulate in the air gap.

Ceci a pour effet d'obtenir une diminution de l'impédance de la bobine lorsque la section de l'élément mobile, présente  This has the effect of obtaining a reduction in the impedance of the coil when the section of the movable element, has

dans l'entrefer, augmente.in the air gap, increases.

L'élément mobile 3 peut aussi être réalisé en matériau ferromagnétique perméable au flux. Auquel cas l'impédance de la bobine augmente lorsque la section de l'élément mobile s'accroit lors de son déplacement dans l'entrefer du circuit magnétique. Les courants de Foucault se développant essentiellement à la surface du conducteur, l'épaisseur de l'élément mobile n'a que peu d'effet. Il suffit simplement qu'il soit assez épais pour que les courants puissent y circuler. C'est ce qu'on appelle l'effet de peau. Par contre dans le mode de fonctionnement à perméabilité de bobinage variable, le flux dans l'entrefer dépend tout autant de la largeur que de l'épaisseur de l'élément mobile ferromagnétique. Il y a donc au moins deux possibilités pour réaliser l'élément mobile, soit l'épaisseur est constante et la largeur varie (figure 3a) soit la largeur est constante et c'est l'épaisseur qui  The movable element 3 can also be made of ferromagnetic material permeable to flow. In which case the impedance of the coil increases when the section of the movable element increases during its movement in the air gap of the magnetic circuit. The eddy currents essentially developing on the surface of the conductor, the thickness of the movable element has little effect. It just needs to be thick enough for currents to flow through it. This is called the skin effect. On the other hand, in the operating mode with variable winding permeability, the flux in the air gap depends as much on the width as on the thickness of the ferromagnetic mobile element. There are therefore at least two possibilities for producing the movable element, either the thickness is constant and the width varies (FIG. 3a) or the width is constant and it is the thickness which

est variable (figure 3b). En variante, les deux varient.  is variable (Figure 3b). Alternatively, the two vary.

D'autres solutions peuvent aussi être mises en oeuvre pour faire varier la section de passage du flux magnétique dans l'entrefer lorsque l'élément mobile se déplace. C'est ainsi que l'élément mobile tout en conservant une épaisseur 5 et une largeur constantes peut être creusé d'une ouverture qui laisse plus ou moins passer le flux selon la position de cet élément mobile. La figure 4 représente un curseur de ce type qui peut aussi être indifféremment réalisé soit en matériau conducteur de l'électricité, soit en matériau  Other solutions can also be implemented to vary the cross section of the magnetic flux in the air gap when the movable element is moving. Thus the movable element while retaining a constant thickness and width 5 can be hollowed out with an opening which more or less allows the flow to pass depending on the position of this movable element. FIG. 4 represents a cursor of this type which can also be made either of electrically conductive material or of material

ferromagnétique.ferromagnetic.

En variante, un élément mobile des figures 3a, 3b ou 4  As a variant, a mobile element in FIGS. 3a, 3b or 4

comporte les deux matériaux.contains both materials.

Telle que la bobine 1 est disposée dans le circuit magnétique 2 représenté à la figure 1, le dispositif présente un flux de fuite important qui perturbe la mesure du déplacement de l'élément mobile. Une meilleure disposition consiste à séparer le bobinage en deux parties et à placer chaque demi-bobine 7 et 8, de la figure 5, directement autour  As the coil 1 is arranged in the magnetic circuit 2 shown in Figure 1, the device has a large leakage flow which disturbs the measurement of the movement of the movable element. A better arrangement is to separate the winding into two parts and place each half-coil 7 and 8, of Figure 5, directly around

des pôles du circuit magnétique 2.  poles of the magnetic circuit 2.

En plus de diminuer le flux de fuite la disposition des bobines telle que représentée à la figure 5 permet d'utiliser le capteur selon deux modes de fonctionnement différents. Le premier mode, identique à celui décrit précédemment, consiste à mesurer la variation de l'impédance totale des deux bobines connectées en série lorsque, sous l'action du déplacement de l'élément mobile, la réluctance du circuit magnétique varie. Ce mode de fonctionnement est dit à  In addition to reducing the leakage flow, the arrangement of the coils as shown in FIG. 5 allows the sensor to be used in two different operating modes. The first mode, identical to that described above, consists in measuring the variation of the total impedance of the two coils connected in series when, under the action of the displacement of the mobile element, the reluctance of the magnetic circuit varies. This operating mode is said to

réluctance variable.variable reluctance.

Le second mode consiste à utiliser une des bobines comme le primaire d'un transformateur et l'autre bobine comme le secondaire. En se déplaçant l'élément mobile modifie le couplage entre les deux bobines. Ceci a pour effet de faire varier la tension induite dans le secondaire et d'obtenir ainsi une mesure proportionnelle au déplacement de l'élément  The second mode consists in using one of the coils as the primary of a transformer and the other coil as the secondary. By moving the mobile element changes the coupling between the two coils. This has the effect of varying the voltage induced in the secondary and thus obtaining a measurement proportional to the displacement of the element.

mobile.mobile.

Dans les deux modes de fonctionnement, le capteur reste sensible aux variations de température. Un moyen pour réduire cette sensibilité peut consister à disposer une sonde de température au plus près d'une des deux bobines, et à apporter une correction à la tension de mesure de telle sorte que les variations imputables à la température soit minimisées. Hormis le fait que ce procédé complique quelque peu le capteur par l'adjonction d'une sonde et par la présence de fils supplémentaires, la compensation obtenue n'est qu'imparfaite puisque la sonde ne mesure jamais exactement la température des bobines. L'interposition indispensable de matériaux isolants provoque toujours un gradient de température entre le coeur des bobines et  In both operating modes, the sensor remains sensitive to temperature variations. One means of reducing this sensitivity may consist in placing a temperature probe as close as possible to one of the two coils, and in making a correction to the measurement voltage so that the variations attributable to the temperature are minimized. Aside from the fact that this process complicates the sensor somewhat by adding a probe and by the presence of additional wires, the compensation obtained is only imperfect since the probe never exactly measures the temperature of the coils. The essential interposition of insulating materials always causes a temperature gradient between the core of the coils and

l'élément sensible de la sonde.the sensitive element of the probe.

Un meilleur procédé selon l'invention consiste à utiliser le fait que tout bobinage réalisé en matériau conducteur de l'électricité (à l'exclusion des matériaux supraconducteurs) se compose de deux éléments principaux: une self et une résistance. Cette résistance n'est autre que celle du fil utilisé pour réaliser la bobine. Dans les réalisations courantes, les bobinages s'exécutent au moyen de fils de cuivre dont la résistance est pratiquement proportionnelle à la température avec un coefficient de variation égal à 0,0039/ C. La mesure de la résistance de la (ou des) bobine du capteur permet de corriger l'influence de la température sans ajouter de moyen de mesure supplémentaire. En outre, cette correction est d'autant plus efficace que la prise d'information s'effectue au coeur même  A better method according to the invention consists in using the fact that any winding made of electrically conductive material (excluding superconductive materials) consists of two main elements: a choke and a resistor. This resistance is none other than that of the wire used to make the coil. In current embodiments, the windings are executed by means of copper wires whose resistance is practically proportional to the temperature with a coefficient of variation equal to 0.0039 / C. The measurement of the resistance of the (or) coil of the sensor makes it possible to correct the influence of the temperature without adding any additional measuring means. In addition, this correction is all the more effective as the information gathering takes place at the very heart

de l'élément actif.of the active element.

L'essentiel du procédé consiste donc à séparer d'une part la variation de la self fonction du déplacement de l'élément mobile et, d'autre part, la variation de la résistance proportionnelle à la température. Ceci est obtenu en faisant parcourir le (ou les) bobinage par deux courants superposés. Un des courants est alternatif, et son amplitude est fonction de la variation de la self et donc du déplacement de l'élément mobile. L'autre courant est continu,  The main part of the process therefore consists in separating, on the one hand, the variation of the self-function as a function of the displacement of the mobile element and, on the other hand, the variation of the resistance proportional to the temperature. This is obtained by running the winding (s) through two superimposed currents. One of the currents is alternating, and its amplitude is a function of the variation of the inductor and therefore of the displacement of the mobile element. The other current is continuous,

et sa valeur est fonction de la variation de la température.  and its value is a function of the temperature variation.

On mesure séparément les variations de l'un et l'autre des deux courants. On déduit de la mesure de cet autre courant la valeur de la température avec laquelle on corrige la mesure  The variations of one and the other of the two currents are measured separately. We deduce from the measurement of this other current the value of the temperature with which we correct the measurement

du premier courant.of the first current.

La figure 6 montre par un schéma équivalent la manière dont un courant continu ic issu d'un générateur 9 de tension continue est superposé à un courant alternatif, ia, issu d'un générateur 10 de tension alternative. Les deux générateurs sont connectés aux bornes du bobinage 11 du capteur. Un filtre passe-bas composé d'une résistance R3 et d'un condensateur Cl connectés en parallèle du bobinage 11 permet d'extraire à ses bornes une composante continue Vc proportionnelle à la température. Un filtre passe-haut comportant un condensateur C2 en série par une borne avec le bobinage 11 permet de ne recueillir, par son autre borne, que  FIG. 6 shows by an equivalent diagram the manner in which a direct current ic coming from a generator 9 of direct voltage is superimposed on an alternating current, ia, coming from a generator 10 of alternating voltage. The two generators are connected to the terminals of the winding 11 of the sensor. A low-pass filter composed of a resistor R3 and a capacitor C1 connected in parallel with the winding 11 makes it possible to extract at its terminals a continuous component Vc proportional to the temperature. A high-pass filter comprising a capacitor C2 in series by a terminal with the winding 11 makes it possible to collect, by its other terminal, only

la tension alternative Va proportionnelle au déplacement.  the alternating voltage Va proportional to the displacement.

Parmi les divers procédés de correction qui peuvent être  Among the various correction methods that can be

imaginés, il en est deux dont la mise en euvre simple répond parfaitement au but recherché.  imagined, there are two whose simple implementation perfectly meets the desired goal.

Un premier procédé de correction consiste à introduire un dispositif multiplieur analogique dans un étage de conditionnement du signal proportionnel à la mesure du déplacement. Comme le montre la figure 7, le produit d'une tension proportionnelle au déplacement par une fraction déterminée de la tension proportionnelle à la température permet de corriger la dérive. Ainsi un circuit multiplieur agit comme un amplificateur à gain variable commandé par une  A first correction method consists in introducing an analog multiplier device into a signal conditioning stage proportional to the displacement measurement. As shown in FIG. 7, the product of a voltage proportional to the displacement by a determined fraction of the voltage proportional to the temperature makes it possible to correct the drift. Thus a multiplier circuit acts as a variable gain amplifier controlled by a

tension.voltage.

Dans ce cas, les deux générateurs 9 et 10 sont couplés au bobinage 11 par un amplificateur différentiel 12. Le signal de mesure prélevé aux bornes de ce bobinage 11 est injecté dans un amplificateur 13. La sortie de l'amplificateur 13 est reliée par le filtre passe- haut C1-C2 à un détecteur d'enveloppe 14 qui en mesure la valeur efficace. Elle est également reliée par le filtre passe-bas R3-Cl à un amplificateur 15 dont la sortie est connectée à un potentiomètre R. Ce potentiomètre R permet de tarer la chaîne de mesure. Les autres bornes du potentiomètre R sont reliées à la masse et à une première entrée d'un multiplieur 16. L'autre entrée du multiplieur 16 reçoit le signal de sortie de l'amplificateur 14. La sortie du multiplieur 16 délivre le signal de mesure corrigé. Les fréquences de coupure des filtres sont inférieures à la fréquence du signal  In this case, the two generators 9 and 10 are coupled to the winding 11 by a differential amplifier 12. The measurement signal taken at the terminals of this winding 11 is injected into an amplifier 13. The output of the amplifier 13 is connected by the high-pass filter C1-C2 to an envelope detector 14 which measures the rms value. It is also connected by the low-pass filter R3-Cl to an amplifier 15, the output of which is connected to a potentiometer R. This potentiometer R enables the measurement chain to be tared. The other terminals of the potentiometer R are connected to ground and to a first input of a multiplier 16. The other input of the multiplier 16 receives the output signal from the amplifier 14. The output of the multiplier 16 delivers the measurement signal corrected. Filter cutoff frequencies are lower than signal frequency

d'alimentation alternative.alternative power.

Le second procédé de correction met en oeuvre une conversion analogiquenumérique de la tension proportionnelle au déplacement. La correction s'opère ainsi de manière numérique. Le montage de la figure 8 est semblable à celui de la figure 7. Il suffit que la tension de référence d'un convertisseur analogique-numérique 16.1 connecté en lieu et place du multiplieur 16 soit assujettie à la tension continue proportionnelle à la température. Par cet artifice un nombre binaire obtenu à la sortie du convertisseur 16.1 est l'image du déplacement de l'élément mobile corrigé d'une éventuelle  The second correction method implements an analog-to-digital conversion of the voltage proportional to the displacement. The correction thus operates digitally. The assembly of FIG. 8 is similar to that of FIG. 7. It suffices that the reference voltage of an analog-digital converter 16.1 connected in place of the multiplier 16 is subject to the DC voltage proportional to the temperature. By this device a binary number obtained at the output of the converter 16.1 is the image of the displacement of the mobile element corrected for a possible

dérive en température.temperature drift.

Un autre moyen de combattre la dérive en température d'un capteur de déplacements consiste à lui donner une géométrie telle que la mesure soit le résultat de la différence de deux tensions qui varient en sens inverse. On obtient alors une mesure différentielle. Ce procédé montre qu'à la diminution de la dérive due à la température s'ajoute une amélioration de la linéarité, et une moins grande sensibilité aux perturbations d'origine électromagnétiques  Another means of combating the temperature drift of a displacement sensor consists in giving it a geometry such that the measurement is the result of the difference of two voltages which vary in opposite directions. We then obtain a differential measurement. This process shows that to the decrease in drift due to temperature is added an improvement in linearity, and a lower sensitivity to electromagnetic disturbances

(parasites).(parasites).

Ceci est obtenu par exemple en divisant en deux le pôle  This is achieved for example by dividing the pole in half

inférieur du circuit magnétique 17 représenté à la figure 9.  bottom of the magnetic circuit 17 shown in FIG. 9.

Chaque demi-bobine 19 et 20 reçoit la moitié du flux magnétique produit par la bobine d'excitation 18. Il y a alors deux entrefers et deux circuits magnétiques, un passant par le pôle 19, l'autre passant par le pôle 20. Par analogie 9 avec les autres capteurs inductifs à transformateurs différentiels rectilignes ou angulaires, on peut dire que le bobinage 18 constitue le primaire et que chaque bobinage 19 et 20 est un secondaire.5 La figure 10, volontairement débarrassée de ses bobinages primaires et secondaires, montre que l'élément mobile unique 3 de la figure 1 a été divisé en deux secteurs inversés (par ailleurs mécaniquement liés) pour faire en sorte que lors du déplacement une des surfaces interposées10 dans l'un des entrefers augmente alors qu'elle diminue dans l'autre. Figure 11, des tensions V1 et V2 sont induites aux bornes de chaque secondaire 19 et 20. Par la simple différence Vm=V1-V2, on obtient une tension de mesure Vm, différentielle, proportionnelle au déplacement de l'élément mobile. Les deux enroulements étant en série, la tension Vm est directement accessible aux bornes de l'ensemble de ces enroulements. Une autre manière de réaliser une structure  Each half-coil 19 and 20 receives half of the magnetic flux produced by the excitation coil 18. There are then two air gaps and two magnetic circuits, one passing through the pole 19, the other passing through the pole 20. By analogy 9 with the other inductive sensors with rectilinear or angular differential transformers, we can say that the winding 18 constitutes the primary and that each winding 19 and 20 is a secondary.5 Figure 10, voluntarily rid of its primary and secondary windings, shows that the single movable element 3 in FIG. 1 has been divided into two inverted sectors (otherwise mechanically linked) so that when one of the interposed surfaces10 moves in one of the air gaps increases while it decreases in l 'other. Figure 11, voltages V1 and V2 are induced across each secondary 19 and 20. By the simple difference Vm = V1-V2, we obtain a measurement voltage Vm, differential, proportional to the movement of the movable element. The two windings being in series, the voltage Vm is directly accessible across all of these windings. Another way of making a structure

différentielle est représentée à la figure 12. Les deux demi-  differential is shown in Figure 12. The two half

secondaires 19 et 20 ne sont plus, comme à la figure 10 placés d'un même côté face au primaire 18, mais disposés de part et d'autre d'un primaire qui se trouve scindé en deux  secondary 19 and 20 are no longer, as in Figure 10 placed on the same side facing the primary 18, but arranged on either side of a primary which is split in two

demi-bobinages primaires 18 et 18bis identiques.  identical primary half-windings 18 and 18bis.

Electriquement, ces deux demi-primaires étant reliés en série  Electrically, these two semi-primaries being connected in series

sont parcourus par le même courant alternatif et ou continu.  are traversed by the same alternating and or direct current.

Dans son mode de fonctionnement le plus simple, on retrouve strictement le même schéma électrique que celui qui est  In its simplest mode of operation, we find strictly the same electrical diagram as that which is

représenté à la figure 11.shown in Figure 11.

Une conséquence de la disposition différente des secondaires par rapport au primaire représenté soit à la figure 10 soit à la figure 12 entraîne nécessairement une disposition différente des deux parties constitutives de l'élément mobile. Tout en étant solidaires d'un même déplacement ces deux parties sont situées soit dans un même  A consequence of the different arrangement of the secondary with respect to the primary represented either in FIG. 10 or in FIG. 12 necessarily results in a different arrangement of the two constituent parts of the mobile element. While being integral with the same movement, these two parts are located either in the same

plan (figure 10) soit dans deux plans parallèles (figure 12).  plane (Figure 10) or in two parallel planes (Figure 12).

A cette différence près on retrouve toutes les utilisations possibles soit de matériaux ferromagnétiques de section variable, soit de matériaux à la fois amagnétiques et bons conducteurs de l'électricité. Les figures 13a à 13e donnent quelques exemples de réalisations de l'élément mobile dont deux qui mettent en ouvre un procédé de gravure utilisé pour la réalisation des circuits imprimés (figures 13a et 13b). Ce mode de réalisation est particulièrement intéressant car en plus de la bonne reproductibilité obtenue par la gravure chimique, il est possible d'obtenir des éléments mobiles dont le dessin peut être élaboré soit pour améliorer la linéarité du capteur soit pour obtenir une loi de variation quelconque. Les figures 13c et 13d sont analogues aux figures 3a et 3b respectivement. La figure 13e donne un exemple d'agencement de l'élément mobile de manière à ce qu'il soit adapté à la structure différentielle du circuit magnétique représenté à la figure 12. Dans ce cas, les deux éléments mobiles sont dans des plans parallèles à des  With this difference, we find all the possible uses either of ferromagnetic materials of variable section, or of materials both non-magnetic and good conductors of electricity. Figures 13a to 13e give some examples of embodiments of the mobile element, two of which implement an etching process used for the production of printed circuits (Figures 13a and 13b). This embodiment is particularly interesting because in addition to the good reproducibility obtained by chemical etching, it is possible to obtain mobile elements whose design can be developed either to improve the linearity of the sensor or to obtain any law of variation . Figures 13c and 13d are similar to Figures 3a and 3b respectively. FIG. 13e gives an example of arrangement of the mobile element so that it is adapted to the differential structure of the magnetic circuit shown in FIG. 12. In this case, the two mobile elements are in planes parallel to of

altitudes différentes.different altitudes.

A la figure 11, un moyen simple d'obtenir une tension de mesure différentielle a été décrit. Ce moyen n'élimine cependant pas complètement l'effet de la température sur le capteur. Un autre procédé de mise en euvre un peu plus complexe permet d'obtenir de bien meilleurs résultats. Cet25 autre procédé ratiométrique consiste à réaliser le rapport entre la différence V1-V2 et la somme Vl+V2 des tensions de sortie des deux enroulements. Sous une forme plus concise, la tension de mesure Vm obtenue au moyen de la méthode ratiométrique s'écrit: Vm = V1-V2 V1+V2 En plus du fait que la stabilité en fonction de la température s'en trouve considérablement améliorée, il apparaît que certains défauts de nonlinéarité s'en trouvent naturellement compensés. Par ailleurs on peut utiliser le fait que la somme V1 + V2 reste pratiquement constante lors du fonctionnement satisfaisant du capteur. La surveillance de la somme V1 + V2 est donc le moyen de vérifier le bon fonctionnement du capteur et d'alerter en cas de défaut. La figure 14 indique schématiquement de quelle manière les signaux issus du capteur sont utilisés tant pour la mesure du  In Figure 11, a simple way to obtain a differential measurement voltage has been described. However, this means does not completely eliminate the effect of temperature on the sensor. Another slightly more complex implementation process achieves much better results. This other ratiometric method consists in realizing the ratio between the difference V1-V2 and the sum Vl + V2 of the output voltages of the two windings. In a more concise form, the measurement voltage Vm obtained by means of the ratiometric method is written: Vm = V1-V2 V1 + V2 In addition to the fact that the stability as a function of the temperature is considerably improved, it it appears that certain non-linearity defects are naturally compensated for. Furthermore, the fact that the sum V1 + V2 remains practically constant during satisfactory operation of the sensor can be used. Monitoring the sum V1 + V2 is therefore the means to check the correct functioning of the sensor and to alert in the event of a fault. Figure 14 shows schematically how the signals from the sensor are used both for measuring the

déplacement que pour la surveillance d'un défaut.  movement only for monitoring a fault.

Dans ce cas, deux détecteurs d'enveloppe 23 et 24 mesurent les tensions aux bornes des enroulements 19 et 20 respectivement. Les signaux V1 et V2 respectivement mesurés sont traités dans un sommateur-diviseur 27 effectuant le quotient défini ci-dessus. En ce qui concerne la surveillance de l'état du capteur, un circuit d'addition 25 fournit un signal proportionnel à Vl+V2 qu'il suffit de comparer dans un comparateur 26 à un seuil égal à une somme Vl+V2 attendue. De préférence ces traitements sont effectués numériquement, le seuil attendu étant un état binaire. En cas d'écart trop important par rapport au seuil un signal de défaut est produit. Jusqu'ici, l'élément mobile est constitué d'un ou deux secteurs dont la section est une fonction linéaire du déplacement. Ces éléments mobiles peuvent eux-mêmes se déplacer soit en translation soit en rotation selon qu'on désire mesurer un déplacement rectiligne ou angulaire. La figure 15 donne un exemple d'une traduction sous forme circulaire de l'élément mobile précédemment dessiné de manière rectiligne. Le dessin ne comporte qu'une seule  In this case, two envelope detectors 23 and 24 measure the voltages across the windings 19 and 20 respectively. The signals V1 and V2 respectively measured are processed in an adder-divider 27 carrying out the quotient defined above. As regards monitoring the state of the sensor, an addition circuit 25 supplies a signal proportional to Vl + V2 which it suffices to compare in a comparator 26 to a threshold equal to an expected sum Vl + V2. Preferably, these treatments are performed digitally, the expected threshold being a binary state. In the event of too large a deviation from the threshold, a fault signal is produced. So far, the movable element consists of one or two sectors whose section is a linear function of the displacement. These mobile elements can themselves move either in translation or in rotation depending on whether one wishes to measure a rectilinear or angular displacement. FIG. 15 gives an example of a translation in circular form of the mobile element previously drawn in a rectilinear manner. The drawing has only one

surface, dont la section est proportionnelle à l'angle de rotation mais il n'est pas difficile d'y appliquer toutes les configurations à deux surfaces qui conviennent aux circuits30 magnétiques des figures 9 et 12.  surface, the cross section of which is proportional to the angle of rotation but it is not difficult to apply to it all the configurations with two surfaces which are suitable for the magnetic circuits 30 of FIGS. 9 and 12.

Une mesure différentielle étant le plus souvent utilisée, le doublement de l'entrefer rend plus facile une  Since differential measurement is most often used, doubling the air gap makes it easier to

telle mesure.such measure.

Il est un autre moyen d'obtenir une mesure proportionnelle au déplacement de l'élément mobile sans que  There is another way to obtain a measurement proportional to the displacement of the movable element without

celui-ci fasse appel à une variation linéaire de la section.  this uses a linear variation of the section.

Dans ce cas, un procédé dit Resolver met en ouvre une variation sinusoïdale pour l'une des tensions de mesure, et cosinusoidale pour l'autre. Si, comme précédemment, on appelle Vl et V2 les deux tensions mesurées, le capteur est agencé de telle sorte que ces deux tensions soient de la forme: Vl = V sin ot. sin 0 V2 = V sin et. cos 0 o o est une pulsation de tensions alternatives mesurées, et o 0 est l'angle dont se déplace l'élément mobile tel que représenté à la figure 16. Dans ce cas, les deux entrefers sont écartés à 90 l'un de l'autre le long d'une piste circulaire de l'élément mobile. Des composants électroniques du commerce d'usage courant permettent de faire subir toute une série de transformations aux tensions Vl et V2 de telle sorte que celles-ci puissent être multipliées par cos 4 et sin Q. Les multiplications sont telles que: Vl cos = V sin ot. sin 0. cos V2 sin 4 = V sin t. cos 0. sin La différence obtenue se réduit à: V1 cos - V2 sin = V sin ot. sin (O -) Après suppression de la porteuse de pulsation O du générateur 10, un détecteur délivre un signal d'erreur proportionnel à = sin (O -) . Par une boucle d'asservissement interne le dispositif fait en sorte que ce signal d'erreur soit nul. Il en résulte que si sin (O - 4) = 0, l'angle 4 dont on connaît par ailleurs la valeur est en  In this case, a so-called Resolver process implements a sinusoidal variation for one of the measurement voltages, and a cosine for the other. If, as before, the two measured voltages Vl and V2 are called, the sensor is arranged so that these two voltages are of the form: Vl = V sin ot. sin 0 V2 = V sin and. cos 0 oo is a pulse of measured alternating voltages, and o 0 is the angle by which the movable element moves as shown in Figure 16. In this case, the two air gaps are spaced at 90 one of the another along a circular track of the movable member. Commercial electronic components in common use make it possible to undergo a whole series of transformations at the voltages Vl and V2 so that these can be multiplied by cos 4 and sin Q. The multiplications are such that: Vl cos = V sin ot. sin 0. cos V2 sin 4 = V sin t. cos 0. sin The difference obtained is reduced to: V1 cos - V2 sin = V sin ot. sin (O -) After removal of the pulse carrier O from the generator 10, a detector delivers an error signal proportional to = sin (O -). By an internal servo loop, the device ensures that this error signal is zero. It follows that if sin (O - 4) = 0, the angle 4, the value of which is also known, is in

permanence égal à l'angle 0 qu'on veut mesurer.  permanence equal to the angle 0 that we want to measure.

Généralement réservé aux mesures de précision, le procédé dit du Resolver permet en outre d'effectuer une  Generally reserved for precision measurements, the so-called Resolver process also makes it possible to carry out a

mesure angulaire sur 360 .360 angular measurement.

Par un cheminement inverse à celui effectué pour passer du capteur rectiligne au capteur angulaire, on peut développer un élément mobile circulaire sinusoïdal pour le transformer en un élément mobile rectiligne et mesurer ainsi  By a reverse path to that taken to pass from the rectilinear sensor to the angular sensor, we can develop a circular sinusoidal mobile element to transform it into a rectilinear mobile element and thus measure

un déplacement linéaire. C'est ce que montre la figure 17.  a linear displacement. This is shown in Figure 17.

Dans ce cas la variation de la section suit la forme d'une sinusoïde. Que le déplacement soit angulaire (figure 16) ou rectiligne (figure 17) le déphasage spatial permettant d'obtenir sin 0 et cos 0 peut être réalisé à l'aide de deux capteurs élémentaires (tel que celui représenté à la figure ) décalés d'un quart de période. La figure 18 montre qu'il existe un autre moyen de parvenir au même résultat à l'aide d'un seul élément mobile, à deux surfaces décalées d'un quart de période qui se déplacent dans l'entrefer d'un capteur dont la structure est semblable à celle représentée soit à la  In this case the variation of the section follows the shape of a sinusoid. Whether the displacement is angular (figure 16) or rectilinear (figure 17) the spatial phase shift making it possible to obtain sin 0 and cos 0 can be achieved using two elementary sensors (such as that represented in the figure) offset by a quarter of a period. Figure 18 shows that there is another way to achieve the same result using a single movable element, with two surfaces offset by a quarter of a period which move in the air gap of a sensor whose structure is similar to that shown either at the

figure 9 soit à la figure 12.Figure 9 or Figure 12.

Les dispositifs décrits ci-dessus procurent une mesure absolue du déplacement rectiligne ou angulaire parfois au détriment de la résolution. Un moyen connu d'améliorer cette résolution consiste à utiliser des éléments mobiles rectilignes ou angulaires dont les surfaces se répètent périodiquement dans l'espace. Deux exemples sont donnés par les figures 19 et 20 et l'on conçoit aisément qu'il est possible d'augmenter encore la périodicité des motifs pour  The devices described above provide an absolute measurement of the rectilinear or angular displacement sometimes at the expense of the resolution. One known way of improving this resolution consists in using rectilinear or angular mobile elements whose surfaces are repeated periodically in space. Two examples are given in FIGS. 19 and 20 and it is easy to see that it is possible to further increase the periodicity of the patterns for

accroitre la résolution.increase the resolution.

Une des particularités de ce capteur est de n'avoir aucun contact matériel avec l'élément mobile dont on veut mesurer le déplacement rectiligne ou angulaire. Ceci est illustré par la figure 21 o on voit qu'un arbre 1 de grande dimension, qui n'est accessible par aucune de ses extrémités, se prête difficilement à l'emploi des capteurs conventionnels. Une solution parfois employée, consiste à recevoir l'arbre 1 dans une couronne dentée en sa partie médiane et à transmettre le mouvement, par une série d'engrenages, à un capteur angulaire. Ce moyen de mise en  One of the peculiarities of this sensor is that it has no material contact with the mobile element whose rectilinear or angular displacement is to be measured. This is illustrated by FIG. 21 where it can be seen that a large shaft 1, which is not accessible by any of its ends, is difficult to use for conventional sensors. A solution sometimes used, consists in receiving the shaft 1 in a toothed crown in its middle part and in transmitting the movement, by a series of gears, to an angular sensor. This means of setting

ouvre coûteux introduit nécessairement des jeux et des non-  expensive opener necessarily introduces games and non

linéarités qui faussent la mesure. Par contre, si on dispose l'élément mobile 2 (selon l'une des configurations décrites ci-dessus) en lieu et place de la couronne dentée, le capteur  linearities that distort the measurement. By cons, if we have the movable element 2 (according to one of the configurations described above) in place of the toothed ring, the sensor

3, proprement dit, devient un élément rapporté aisément interchangeable lors d'opérations d'entretien.  3, proper, becomes an easily interchangeable insert during maintenance operations.

Ainsi l'élément mobile peut devenir partie intégrante du mécanisme dont on veut mesurer le déplacement. Et, ceci d'autant plus aisément qu'il peut être de forme multiple, s'adapter aux mécanismes et se réaliser dans différents matériaux ferromagnétiques ou amagnétiques et conducteurs de l'électricité. Le circuit magnétique du capteur devient ainsi un élément extérieur, amovible et facilement démontable.10 Par ailleurs les différents perfectionnements présentés, alimentation mixte continue-alternative, compensation des dérives par traitement des signaux délivrés ou par signaux évoluant en sens inverse, présence de deux entrefers, détection du défaut du capteur, quotient des mesures et  Thus the mobile element can become an integral part of the mechanism whose displacement is to be measured. And this is all the more easily since it can be of multiple shape, adapt to the mechanisms and be produced in different ferromagnetic or non-magnetic materials and conductors of electricity. The magnetic circuit of the sensor thus becomes an external, removable and easily removable element.10 Furthermore, the various improvements presented, mixed continuous-alternative power supply, compensation for drifts by processing the signals delivered or by signals moving in opposite directions, presence of two air gaps , sensor fault detection, quotient of measurements and

discrimination sinusoïdale sont utilisables ensemble ou en combinaisons variées.  sine discrimination can be used together or in various combinations.

Claims (11)

REVENDICATIONS 1 - Capteur inductif caractérisé en ce qu'il comporte un circuit (2) magnétique avec un entrefer et un bobinage (1) d'excitation, un élément (3) mobile glissant dans cet entrefer, et un circuit (4, 5, v) de mesure de la réluctance de ce circuit magnétique pour en déduire une position d'un objet mécaniquement relié à cet élément mobile, l'élément mobile présentant une section, mesurée perpendiculairement au  1 - Inductive sensor characterized in that it comprises a magnetic circuit (2) with an air gap and an excitation coil (1), a movable element (3) sliding in this air gap, and a circuit (4, 5, v ) for measuring the reluctance of this magnetic circuit in order to deduce therefrom a position of an object mechanically connected to this mobile element, the mobile element having a section, measured perpendicular to the sens de glissement, qui est variable avec ce glissement.  direction of sliding, which is variable with this sliding. 2 - Capteur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bobinage d'excitation comporte une bobine (7) primaire et une bobine (8) secondaire montées respectivement sur un premier et un second pôle de l'entrefer et alimentées en  2 - Sensor according to claim 1, characterized in that the excitation winding comprises a primary coil (7) and a secondary coil (8) mounted respectively on a first and a second pole of the air gap and supplied with série.series. 3 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 2,  3 - Sensor according to one of claims 1 to 2, caractérisé en ce que le circuit de mesure comporte une source (9) de courant alternatif et une source (10) de  characterized in that the measuring circuit comprises a source (9) of alternating current and a source (10) of courant continu reliées en parallèle au bobinage.  direct current connected in parallel to the winding. 4 - Capteur selon la revendication 3, caractérisé en ce  4 - Sensor according to claim 3, characterized in that que le circuit de mesure comporte un circuit passe-bas (R3-  that the measurement circuit includes a low-pass circuit (R3- Cl), un circuit passe-haut (Cl-C2) et un circuit de multiplication'(16). Capteur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le circuit de mesure comporte un convertisseur (16.1) analogique numérique dont une entrée de référence est  Cl), a high-pass circuit (Cl-C2) and a multiplication circuit '(16). Sensor according to claim 4, characterized in that the measuring circuit comprises an analog-digital converter (16.1), one reference input of which is connectée au circuit passe bas.connected to the low pass circuit. 6 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 5,  6 - Sensor according to one of claims 1 to 5, caractérisé en ce que l'élément mobile présente un profil mesuré le long du sens du glissement avec lequel la variation de réluctance est linéairement proportionnelle au glissement,  characterized in that the movable element has a profile measured along the direction of the sliding with which the change in reluctance is linearly proportional to the sliding, par exemple un profil triangulaire.for example a triangular profile. 7 - Capteur selon l'une des revendications i à 6,  7 - Sensor according to one of claims i to 6, caractérisé en ce que l'élément mobile présente un profil mesuré le long du sens du glissement avec lequel la variation de réluctance est alternativement croissante puis décroissante par rapport au glissement, par exemple un profil sinusoïdal.  characterized in that the mobile element has a profile measured along the direction of the sliding with which the reluctance variation is alternately increasing then decreasing with respect to the sliding, for example a sinusoidal profile. 8 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 7,  8 - Sensor according to one of claims 1 to 7, caractérisé en ce que l'élément mobile présente un profil mesuré le long du sens du glissement dont la variation est  characterized in that the movable element has a profile measured along the direction of sliding, the variation of which is spatialement périodique.spatially periodic. 9 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 8,  9 - Sensor according to one of claims 1 to 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux circuits magnétiques (19, 20) et deux entrefers, l'élément mobile comporte deux parties (21, 22) mécaniquement liées, la section d'une des parties adoptant dans un entrefer une variation inverse à celle de l'autre partie dans l'autre entrefer par rapport au  characterized in that it comprises two magnetic circuits (19, 20) and two air gaps, the movable element comprises two parts (21, 22) mechanically linked, the section of one of the parts adopting in an air gap a variation opposite to that of the other party in the other air gap with respect to the sens de glissement.direction of sliding. - Capteur selon l'une des revendications 1 à 9,  - Sensor according to one of claims 1 to 9, caractérisé en ce que le circuit magnétique comporte deux entrefers, l'élément mobile étant conformée pour que ses sections passent successivement dans chacun de ces entrefers  characterized in that the magnetic circuit comprises two air gaps, the movable element being shaped so that its sections pass successively in each of these air gaps lors de son glissement.when it slides. 11 - Capteur selon la revendication 10, caractérisé en ce que l'élément mobile comporte deux motifs sinusoïdaux pénétrant dans les deux entrefers avec un décalage d'un quart  11 - Sensor according to claim 10, characterized in that the movable element comprises two sinusoidal patterns penetrating into the two air gaps with a shift of a quarter de période. 12 - Capteur selon l'une des revendications 9 à 11,  period. 12 - Sensor according to one of claims 9 to 11, caractérisé en ce que le circuit de mesure comporte un circuit (27) pour mesurer un rapport de la différence des signaux mesurés dans les deux entrefers à la somme des  characterized in that the measurement circuit includes a circuit (27) for measuring a ratio of the difference of the signals measured in the two air gaps to the sum of the signaux mesurés dans ces deux entrefers.  signals measured in these two air gaps. 13 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 12,  13 - Sensor according to one of claims 1 to 12, caractérisé en ce que l'élément mobile comporte une section en un matériau conducteur amagnétique qui est variable avec  characterized in that the movable member has a section of a non-magnetic conductive material which is variable with ce glissement.this slip. 14 - Capteur selon l'une des revendications 1 à 13,  14 - Sensor according to one of claims 1 to 13, caractérisé en ce que l'élément mobile comporte une section en un matériau ferromagnétique qui est variable avec ce  characterized in that the movable element has a section of ferromagnetic material which is variable with this glissement.slip.
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