WO2008047001A2 - Dispositif inductif de mesure de la position d'une cible, et procede mis en oeuvre par ce dispositif - Google Patents

Dispositif inductif de mesure de la position d'une cible, et procede mis en oeuvre par ce dispositif Download PDF

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WO2008047001A2
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sensors
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Eric Legros
Frédéric OSSART
Didier Roziere
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Nanotec Solution
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    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Definitions

  • the present invention relates to an induction balance measuring device for the position or displacement of a target. It also relates to a method implemented by this device.
  • the field of the invention is that of sensors for position or displacement of a target according to at least one axial or angular coordinate.
  • the invention may be applied in a nonlimiting manner to the measurement of relative positions of two objects, for example in the field of robotics or machine tools, or for measuring the relative positions of segmented mirrors. of a telescope. It can also be applied in a nonlimiting manner to any measurement of position or deformation in the field of civil engineering such as the evolution of a crack, the sensor and the target can be fixed on both sides of the crack being substantially face, or for example the inclination of a pendulum (telependule), or the effects of the stresses in the concrete (extensometer).
  • Magnetic devices make it possible to measure displacements of a target, without contact.
  • This target can be "passive”; it interacts with the device thanks to its magnetic permeability and its conductivity; the latter has the effect of producing currents that cancel the normal component of a magnetic field at the target and thus radiate a field that can be detected. These currents are known as the current of
  • Foucault also known as "eddy currents”
  • the magnetic permeability has the effect of locally amplifying the magnetic field at the target.
  • the measuring device uses the variation of flux in a receiver coil, variation produced by the modification of the magnetic field returned by the target. This involves generating a magnetic field that initially "illuminates” the target and then the receiver coil. This field is generated by certain magnetic means which are excited by an alternating signal (excitation coil).
  • excitation coil The same coil as the one used for excitation (excitation coil) can be used for the measurement (receiver coil).
  • receiver coil The displacement of the target then produces a variation of the inductance of the coil which illuminates and measures. It is also possible to use another coil which is not energized to carry out the measurement. The detection is then done by analyzing the mutual inductance between the excitation coil and this receiving coil.
  • L (x) increases from a very small value at short distance to an asymptotic value corresponding to the inductance of the coil in the lack of target.
  • the sensitivity to a displacement corresponds to the variation of L (x), and we still have the derivative dL / dx in xO.
  • L (x) represents a value from which the information must be extracted.
  • any uncontrolled variation of the amplitude of L (xO) (which is not directly dependent on the position of the target) represents a noise on the measurement.
  • the signal-to-noise ratio of such a device can be evaluated as a first approximation as being proportional to the derivative of the logarithm of L, i.e., dL (x) / dx * 1 / L (x).
  • This signal-to-noise ratio is degraded when x increases both because of the decay of dL (x) / dx, but also because L (x) increases.
  • the good sensitivity of such a device is therefore limited to short distances.
  • the conduction of eddy currents does not occur in the whole mass of the target but on a certain thickness.
  • This phenomenon is called "skin effect".
  • the thickness depends on the square root of the conductivity of the target, itself subject to a strong thermal drift (typically 3900 ppm / ° C - part per million per degree Celsius - for copper).
  • the position of the thickness of the target opposing the field of the coil is therefore poorly defined and depends on the temperature.
  • the variation of the inductance of the target depends on the conductance of the target and therefore the temperature. Since the variation of the inductance of the coil is small compared to the nominal value of this impedance, this type of device has the defect of being very sensitive to the surrounding temperature. This type of device therefore needs to be coupled to a temperature measurement in order to be able to correct a measurement of the position of the target by measuring the inductance variation.
  • this type of device is very sensitive to drift or noise on the excitation current of the coil.
  • the noise or the drift is reflected on the field generated by the excitation coil, therefore on the field generated by the target, and therefore on the measurement of impedance variation of the coil.
  • Second case of magnetic device detection by a reception coil different from that of excitation, (and located near the measuring means).
  • field-balanced sensors also known as “induction balance” sensors
  • induction balance sensors use three coils, two of excitation and one of reception, or one of excitation and two of reception, the mutual couplings (or “ mutual inductions " ) of each of the excitation coil / receiving bobihe couples equilibrium for a certain position of the target.
  • DE 103 18 350 B3 describes a sensor for detecting a target according to whether it is beyond or below a trigger distance with respect to the sensor.
  • a sensor according to the DE document 103 18 350 B3 does not make it possible to determine an axial or angular coordinate of the target with respect to the sensor.
  • Document DE 103 12 813 A1 describes a sensor whose transmitting and receiving coils are substantially in the same plane, and make it possible to determine the position of a target along an axis parallel to the plane of the sensor, or an angular position of the target. .
  • a sensor according to DE 103 12 813 A1 does not make it possible to determine a distance separating the target from the sensor.
  • the main object of the present invention is to provide a device and a method for measuring the distance separating a target from a sensor, having a better resolution than the devices of the state of the art, and being insensitive to a pollution due to dust or condensation. .
  • a non-contact measuring device of the position of a target comprising: at least one sensor comprising a set of three coils, including a transmitting coil, a receiver coil and a last transmitting coil or receiver (Thus, each sensor comprises either two transmitting coils, a receiver coil, a mutual inductance between a first of the transmitting coils and the receiver coil, and a mutual inductance between a second of the transmitting coils and the receiver coil, ie two receiving coils, and a transmitting coil, a mutual inductance between a first of the receiver coils and the transmitting coil, and a mutual inductance between a second of the receiver coils and the transmitting coil),
  • means for each sensor means for measuring an alternating reception signal, generated by the receiver coil or receivers of the sensor by mutual inductance with the emitter or coils of the sensor, the two mutual inductances between a transmitter coil and a receiver receiver coil. being substantially opposed for a given equilibrium position of the target with respect to the sensor, and
  • coil in English means any circuit or magnetic means capable of emitting and / or receiving or receiving an electromagnetic field.
  • a coil consists of coils wound in a surface, preferably flat for ease of manufacture.
  • a coil may for example also be made on a flexible plane support but which is then bonded to another surface, for example cylindrical.
  • the coils of different sensors are made substantially in the same plane surface preferably for ease of embodiment, and for each sensor, a first of the sensor coils substantially surrounds a second of the sensor coils, which itself substantially surrounds a third of the sensor coils.
  • each set is associated with a different sensor.
  • the target may have an electrical conductivity and / or relative magnetic permeability different from the unit, said target being superconducting.
  • the equilibrium position may consist of a substantially infinite distance between the target and the sensor.
  • infinite distance it can be understood that no target is sufficiently close to the coils of a sensor to modify the mutual inductances of the coils of the sensor.
  • the sensor coils can be made substantially in the same preferably flat surface.
  • a first of the sensor coils can substantially surround a second of the sensor coils.
  • Coils of the second of the coils can be included between turns of a third of the coils of the sensor (it is said that these two coils are "interdigitated"), or the second of the coils can substantially surround the third of the coils, these two coils.
  • coils can be further substantially concentric.
  • the three coils of the sensor can also be substantially concentric.
  • One of the sensors may comprise a first transmitting coil, a second transmitting coil and a single receiver coil.
  • the second transmitting coil may be arranged to substantially cancel, for the equilibrium position of the target with respect to the sensor, a magnetic flux produced by the first transmitting coil on the single receiver coil.
  • the excitation means may be common to the first transmitting coil and the second transmitting coil.
  • the first transmitting coil and the second transmitting coil can be connected in series with opposite turns.
  • the first transmitting coil may be common to several sensors made substantially in the same preferably flat surface, and may substantially surround the other coils of these sensors.
  • One of the sensors may comprise a single transmitter coil, a first receiver coil and a second receiver coil.
  • the first and the second receiver coil can be arranged to see, for the position of equilibrium of the target with respect to the sensor, the magnetic field emitted by the single transmitting coil with the same module.
  • the first receiver coil and the second receiver coil can be connected in series with opposite turns.
  • the first receiver coil may be common to several sensors made substantially in the same preferably flat surface, and substantially surround the other coils of these sensors.
  • a device comprising several sensors, may comprise means for determining, from the reception signals of the different sensors, a position or a displacement of the target according to at least one axial degree of freedom, preferably complementary to the distance between the target and a sensor.
  • a device may comprise an alignment, in an alignment direction, of a plurality of transmitting or receiving coils each belonging to a different sensor, and means for determining, from the reception signals of the sensors to which the aligned coils belong. , a coordinate or a displacement of the target along an axis parallel to the alignment direction.
  • a device can comprise:
  • a second alignment, in a second alignment direction, of a plurality of transmitting or receiving coils each belonging to a different sensor means for determining, from the reception signals of the sensors to which the aligned coils belong, at least one coordinate or moving the target along an axis parallel to a linear combination of the first and second alignment directions.
  • the aligned coils can be made substantially in the same preferably planar surface, and a contour of the target, obtained by projection of the target on the surface of the coils, can pass substantially through the center of each coil located at one end of the coil. a coil alignment.
  • This contour can be obtained (as in the rest of this document) by a projection of an outer periphery of the target or by projecting any shape discontinuity of the target (such as a simple shoulder with an angular or rounded edge) sufficient to create a reception signal.
  • a device comprising several sensors, may comprise means for determining, from the reception signals of the different sensors, a position or a displacement of the target according to at least one degree of angular freedom.
  • a device may comprise an alignment, in an alignment direction, of a plurality of transmitting or receiving coils each belonging to a different sensor, and means for determining, from the reception signals of the sensors to which the aligned coils belong. , an angular coordinate or an angular displacement of the target about an axis substantially perpendicular to the alignment direction.
  • the aligned coils can be made substantially in the same preferably planar surface, and the angular coordinate or the angular displacement is defined around an axis substantially perpendicular to the alignment direction and substantially parallel to a tangent of said surface.
  • the aligned coils can then be located within a contour of the target obtained by projecting the target onto the surface of the coils.
  • the aligned coils can be made substantially in the same preferably planar surface, and the angular coordinate or angular displacement is defined about an axis substantially perpendicular to the surface.
  • the aligned coils can then be arranged so that a target contour, obtained by projection of the target on the surface of the coils, passes substantially through the center of each coil located at one end of a coil array.
  • a device may comprise means for correcting a determination of a position or a displacement of the target according to an axial degree of freedom from a determination of a position or a displacement of the target in at least one degree of angular freedom.
  • a device according to the invention comprising several sensors, may comprise a transmitter or receiver coil common to the sensors.
  • the excitation means may be common to the sensors, and it may comprise means for selecting the transmitting coils which are connected to the excitation means and are traversed by a signal of 'excitation. These means may, for example, enable excitation in turn of the transmitting coils, for example sequentially sensor after sensor.
  • the alternating excitation signal may be periodic and have a frequency for which the alternating signal of reception of the sensor does not substantially depend on a material of the target
  • phase of the reception signal preferably of the order of a few hundred kilohertz to a few megahertz.
  • a device may comprise means for determining a target material from the alternative reception signals, the alternating excitation signal having a frequency preferably of less than a few hundred kilohertz.
  • a device may comprise means for determining or discriminating a shape of the target from the alternative reception signals, or means for controlling, from the reception signals, the position of the target according to at least an axial or angular degree of freedom.
  • the target is metallic and / or ferromagnetic.
  • the alternating excitation signal is an alternating voltage signal, but it may also consist of an alternating current signal.
  • This signal is preferably sinusoidal.
  • each coil may be non-limiting circular, square or rectangular.
  • the transmitting and receiving coils of a sensor can be made substantially in the same area.
  • the coils can for example be made on different grooves of the same rigid structure.
  • the coils can also be made by screen printing turns on a single layer or multilayer printed circuit, each coil can then be made on a different layer of circuit.
  • the coils of a sensor are preferably substantially concentric.
  • a device may furthermore comprise means for displaying the value of the determined coordinate, position or displacement or means for transmitting this value, for example in the form of a digital or analog signal.
  • the means for determining a displacement or an angular or axial position may comprise means for combining analog reception signals before or after demodulation, or digital reception signals from the different coils.
  • the determining means may be arranged to operate reception signals provided by one of the receiver coils simultaneously to the other coils, or sequentially in time.
  • the determination means may comprise means of amplification, and / or comparison with a reference, and / or synchronous demodulation to the excitation signal, and / or generation of an analog signal or digital.
  • a non-contact measurement method of the position of a target implemented in a device according to the invention comprising at least one sensor comprising a set of three coils including a coil. transmitter, a receiver coil and a last transmitting or receiving coil, said method comprising:
  • One of the sensors may comprise a first transmitting coil, a second transmitting coil and a single receiver coil.
  • the process according to the invention may then comprise a cancellation, by the second transmitting coil, and for the equilibrium position of the target relative to the sensor, a magnetic flux produced by the first transmitting coil on the single receiver coil.
  • the method according to the invention may comprise a determination, based on the reception signals of several sensors to which transmitting or receiving coils aligned in an alignment direction, a coordinate or a displacement of the target along an axis parallel to the alignment direction.
  • a method according to the invention may comprise a determination, from the reception signals of several sensors to which transmitting or receiving coils aligned in a first and a second alignment direction belong, of at least one coordinate or one moving the target along an axis parallel to linear combinations of the first and second alignment directions.
  • a method according to the invention may comprise a determination, from the reception signals of different sensors, of a position or a displacement of the target according to at least one degree of angular freedom.
  • a method according to the invention may comprise a correction of a determination of a position or a displacement of the target according to an axial degree of freedom from a determination of a position or a displacement of the target according to at least one degree of angular freedom, or a servo-control, from the reception signals, of the position of the target according to at least one axial or angular degree of freedom.
  • the device or method according to the invention thus allows the measurement, without contact, of the position of a target with respect to a set of magnetic means, and may 1 possibly make it possible to measure, in an integral reference system of the device, up to six degrees of freedom of the target, namely the three translations along orthonormal axes X, Y, Z and the three rotations ( ⁇ x , ⁇ ⁇ and ⁇ z ) around the three axes X, Y, Z.
  • the invention proposes an innovative way of assembling several magnetic means including one or more transmitting coils and one or more receiving coils, retaining the benefits of field balancing, to achieve a device that can be realized in a small space.
  • the device or method according to the invention can be used wherever a contactless measurement is required for three-axis displacements (of amplitude comparable to the dimensions of the sensor) and also of a measuring rotations (three axes).
  • the device or method according to the invention can also be used to detect metals. It can make it possible to discriminate the shape of a target object, or at least to have a vision of the shape of this object in projection, by comparing the signals of the different sensors.
  • the invention can be used for measuring the relative positions of one object relative to another according to one or more axes of displacement (in rotation or translation), for a passive survey or for an active control of these positions or displacements. .
  • the invention can therefore be used for measuring or controlling positions in the field of robotics, the machine tool, automation.
  • Another application of the device according to the invention is the measurement of the relative positions of the mirrors of a segmented telescope, with a view to their servocontrol of positions.
  • the relative positions of the mirrors between them evolving constantly with the expansions and other atmospheric effects, it is necessary to measure to correct by servo the relative position of the mirrors.
  • the positioning accuracies to be achieved can reach ten nanometers, whereas the expansions that move the mirrors are easily order of ten microns. It means that Ia.
  • final non-linearity of the measuring device can not exceed a few 10 "4 (or 100 ppm, parts per million) .
  • positional deviations when mounting the sensors of the device which can be of the order of a few millimeters or more, making the sensors work in areas of different linearity, and all possible sources of non-linearity should be tracked, starting with function of the displacement (intrinsic linearity of the measurement by a sensor), and also the effects that the initial rotations during the assembly of the sensors, or during the life of the telescope, will induce on the response of the sensors. This is why it is necessary to know the evolution of the angle between the sensors.
  • This information can be obtained partly by crossing the measurements of the various sensors, but not completely (for example for the angle of rotation around the normal axis during mounting of the sensor).
  • One way of solving this problem, and in addition to greatly simplifying the on-site calibration, is to create a device providing the information along six axes (3 translations, 3 rotations), in order to correct the intersections between the axes and the nonlinearities of reply. This is what the invention allows. For a six-axis complete device described later in one of the embodiments, it is possible to reduce the available information by comparisons between several sensors. The resulting sensor is then more compact by reducing the number of magnetic means to implement as is explained later in the other embodiments of the invention, and slightly simpler electronics.
  • Another application of the device or method according to the invention is the single or multi-axis measurement for civil engineering, such as the measurement of the evolution of cracks in a building or a concrete structure.
  • the target is attached to one side of the crack.
  • One or more sensors, its electronics and its source of energy are fixed on the other side.
  • a measurement of the evolutions of the crack is possible, without contact, for a long time.
  • another application is the measurement of the evolution of the deformations related to the constraints of the concrete, according to a device called extensometer.
  • Another application is the measurement of the inclination of a weighted wire, a device called telescope (electronic version of the classic plumb line of bricklayer).
  • the magnetic measurement has the advantage of insensitivity to atmospheric pollution that will contaminate each sensor, including rain.
  • FIG. 1 is a schematic front view of a first embodiment device according to the invention
  • FIG. 2 illustrates the operating principle of the first device embodiment according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic side view of the first device embodiment according to the invention.
  • FIG. 4 illustrates a measurement circuit of the first device embodiment according to the invention
  • FIG. 5 is a diagrammatic front view of a second device embodiment according to the invention
  • FIG. 6 illustrates the operating principle of the second embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 7 is a schematic side view of the second device embodiment according to the invention.
  • FIG. 8 illustrates a measuring circuit of the second device embodiment according to the invention
  • FIG. 9 illustrates a 3-dimensional view of the plane of a sensor of a device according to the invention, of a target, and degrees of freedom of the target,
  • FIG. 10 illustrates a third device embodiment according to the invention, for a measurement of an axial degree of freedom of a target
  • FIG. 11 illustrates an arrangement of the coils of the third embodiment illustrated in FIG. 10,
  • FIG. 12 illustrates another possible arrangement of the coils of the third embodiment illustrated in FIG. 10,
  • FIG. 13 illustrates a fourth device embodiment according to the invention, consisting of a juxtaposition of two concentric sensors as illustrated in FIG. 10, and allowing the measurement of the movements of a target along two X and Y axes.
  • FIG. 14 illustrates a fifth device embodiment according to the invention, consisting of a juxtaposition of 3 sensors as illustrated in FIG. 10, and making it possible to detect the movements of a target along three axes X, Y
  • FIG. 15 illustrates a sixth device embodiment according to the invention, consisting of a juxtaposition of 3 sensors as illustrated in FIG. 10, and making it possible to detect the movements of a target along two axes X, Y,
  • FIG. 16 illustrates a seventh device embodiment according to the invention, consisting of a juxtaposition of sensors as illustrated in FIG. 10, and making it possible to detect the movements of a target along three axes X, Y, Z
  • FIG. 17 illustrates three curves of the derivative of a signa! obtained respectively for 1, 3 and 5 juxtaposed sensors, as a function of the distance X in millimeters between the target and the sensors of the device according to the invention
  • FIG. 18 illustrates an eighth device embodiment according to the invention, for a position measurement of a target with five degrees of freedom
  • FIG. 19 illustrates two response curves of the eighth device embodiment according to FIG. invention, as a function of a distance X in millimeters between the sensors of the device and a target
  • FIG. 20 illustrates a ninth embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 21 illustrates a tenth embodiment of the device according to the invention, enabling position measurements of a target along two axes and an angle
  • FIG. 22 illustrates an eleventh embodiment of a device. according to the invention, allowing position measurements of a target according to two degrees of axial freedom
  • FIG. 23 illustrates a twelfth device embodiment according to the invention
  • FIG. 24 illustrates a thirteenth embodiment of a device according to the invention, allowing a position measurement of a target with three degrees of axial freedom and three degrees of angular freedom
  • FIG. 25 illustrates a fourteenth embodiment of a device according to the invention.
  • FIG. 26 illustrates the arrangement of different coils of the eighth embodiment, and the direction of rotation of the current in these coils.
  • FIG. 27 illustrates a fifteenth embodiment of the device according to the invention, allowing a position measurement of a target according to three degrees of axial freedom and three degrees of angular freedom, with coils organized according to a symmetry of order 3 (rotation invariance of 120 °).
  • a sensor 1 comprises a set of three coils, including two transmitting coils E1, E2 and a receiver coil R.
  • a sensor 1 comprises a set of three coils, including two transmitting coils E1, E2 and a receiver coil R.
  • a single coil has been drawn by coil. In reality, each coil comprises several turns.
  • a voltage source generating an alternating excitation voltage VE pulsation w, is connected to the terminals of the emitter coils E1, E2 connected in series.
  • the voltage VE generates an excitation current IE passing through the two emitting coils E1 and E2 which respectively create a magnetic field H1 and H2, flux ⁇ 1 and ⁇ 2 in the coils E1 and E2.
  • the two fields H1, H2 pass through the receiver coil R.
  • the sensor 1 then behaves like a transformer: the transmitting coils behave like primary circuits of the transformer, the receiver coil behaves like a secondary circuit of the transformer, and there exists a coupling by mutual inductance between the transmitting coils and receiver.
  • the reception signal VR is substantially the product of the current IE by the difference of the two mutuelles M1 and M2, all multiplied by the pulse w:
  • the sensor 1 makes it possible to determine the distance between said sensor 1 and a target 2, preferably metallic and / or ferromagnetic.
  • the shape, the dimensions, the number of turns, the winding direction and the relative positions of the coils are such that, when the target 2 is a defined equilibrium distance of the sensor 1, the mutual inductances M1 and M2 are likewise value but of opposite signs, that is to say that the reception signal VR is substantially zero.
  • the coils are arranged so that, when the target 2 is at the equilibrium distance, the two flows ⁇ l and ⁇ 2 are, as seen by the receiver coil R, of the same value but opposite signs ( ⁇ l and ⁇ 2 equilibrate at the level of the coil R), that is to say that the flow seen by the receiver coil R is substantially zero.
  • the transmitting coils El, E2 and receiver R of the assembly are made substantially in the same plane 3.
  • Each coil comprises several turns contained in the plane 3, of different diameters and substantially concentric.
  • the emitting coils E1, E2 are connected in series with opposite directions of rotation of their turns.
  • the current IE traverses the first transmitting coil El in the plane 3 in one direction (clockwise in FIG. 1), the current IE travels the second transmitting coil E2 in the plane 3 in an opposite direction (counter-clockwise direction). in Figure 1).
  • the first transmitting coil El surrounds the second transmitting coil E2 which surrounds the receiver coil R. Les. three coils El, E2, R are substantially concentric.
  • the coils El, B2 and R are shown circular, but they can also be for example square or rectangular.
  • the coils are made on a multilayer printed circuit.
  • the first transmitting coil El is formed in a layer of the circuit between a layer in which the second transmitting coil E2 is produced and a layer in which the receiver coil R. is produced.
  • the receiver coil R could surround the second transmitter coil E2.
  • the receiver coil R could be made in a layer between the layer where the emitting coil El is produced and the layer in which the emitter coil E2 is produced.
  • the equilibrium distance is chosen to be substantially infinite, that is to say that the flow seen by the receiver coil R and the reception signal VR are substantially zero in the absence of a target 2 sufficiently close to the sensor to modify the Mutual inductances Ml and M2.
  • the two flows ⁇ l, ⁇ 2 are disturbed by the magnetic characteristics and the electrical resistance of the target.
  • a current known as Foucault flows in the target.
  • the eddy current generates a field opposing the emission fields H1, H2 of the coils.
  • the two flows ⁇ l and ⁇ 2 are then disturbed and do not evolve in the same way when the target moves with respect to the coils.
  • the two mutuals M1, M2 are disturbed and do not evolve in the same way when the target moves with respect to the coils.
  • This phenomenon generates or increases the imbalance of the flows ⁇ l, ⁇ 2 and mutuelles at the receiver coil R, which generates or modifies the electrical signal VR in the receiver coil R.
  • Ml and M2 are different functions but both depend on the distance between the sensor 1 and the target 2. There is thus a strong correlation between the signal VR and the distance between the sensor and the target.
  • means for measuring and processing the reception signal VR make it possible to determine the distance d between the sensor 1 and the target 2. They also make it possible to determine a variation in the distance between the target and the sensor (displacement of the target) .
  • a measuring circuit 7 connected to the terminals of the receiver coil processes the reception signal VR: the reception signal VR is amplified by at least one gain amplifier stage 4 gl and is then demodulated with a synchronous demodulator 5 with the signal VE excitation, and finally is filtered using a low pass filter 6 defining the bandwidth of the sensor 1.
  • the amplitude of the VS output signal obtained depends on the value the absolute distance between the target surface of the coil target and the sensor.
  • the circuit 7 thus makes it possible to determine the distance d between the sensor and the target.
  • the reception signal VR may furthermore include information on the nature of a material of the target modifying the mutual inductances.
  • the circuit may therefore further comprise means for analyzing the phase of the reception signal VR and means for determining, from the reception signal VR, the material of the target.
  • the frequency or pulse w of the excitation signal is high (typically in a few hundred kilohertz and a few megahertz). In this way, the sensitivity of the reception signal VR is minimized to the type of material of the target and the sensitivity of the reception signal is maximized at the position or displacement of the target with respect to the sensor.
  • the sensor according to the invention can determine the distance between the target and said sensor (and therefore the position, displacement or vibration of the target along an axis connecting the target to the sensor) with metrological performance inaccessible to traditional sensors inductive.
  • the induction balance sensor generates only a useful reception signal, that is to say dependent solely on the position of the target relative to the sensor.
  • the variation of the reception signal is large in front of the substantially zero value of this signal when the target is at a distance from the sensor equal to the equilibrium distance.
  • a drift or b.ruit on the excitation signal VE has repercussions on the two coils E1, E2.
  • the two coils emitting fields of substantially opposite directions, drifts or noise on the fields
  • H1 and H2 compensate each other significantly.
  • the reception signal is not or very little disturbed by the capacity of any cable connecting the coils to the measuring circuit.
  • the sensitivity of the sensor according to the invention to the surrounding temperature can be ten times lower than traditional sensors. This advantage greatly improves the metrological performance of inductive sensors and can compete with technologies that are traditionally more efficient as the capacitive but while being insensitive to pollution such as water, oil, and dust.
  • FIGS. 5 to 8 a second device embodiment according to the invention embodying a method according to the invention will now be described.
  • a sensor 1 comprises a set of three coils, including a transmitting coil E and two receiver coils R1 and R2. To simplify Figure 5, a single turn has been drawn by coil. In reality, each coil comprises several turns.
  • a voltage source generating an alternating excitation voltage VE pulsation w, is connected to the terminals of the transmitter coil E.
  • the voltage VE generates an excitation current IE through the transmitter coil E which creates a magnetic field H.
  • This field passes through the two receiver coils R1 and R2.
  • the sensor 1 then behaves like a transformer: the transmitter coil behaves like a primary circuit of the transformer, the receiver coils each behave like a secondary circuit of the transformer, and there is a coupling
  • the sensor 1 makes it possible to determine the distance between said sensor 1 and a target 2, preferably metallic and / or ferromagnetic.
  • the shape, the dimensions, the number of turns, the winding direction and the relative positions of the coils are such that, when the target 2 is a defined equilibrium distance of the sensor 1, the mutual inductances M1 and M2 are likewise value but of opposite signs, that is to say that the reception signal VR generated by the receiver coils R1, R2 is substantially zero.
  • the coils are arranged so that, when the target 2 is at the equilibrium distance, the two receiver coils R1, R2 see the stream ⁇ with the same module but with signs opposite to their respective directions of rotation of turns.
  • the transmitting coils E and receiver R1, R2 of the assembly are made substantially in the same plane 3.
  • Each coil comprises several turns contained in the plane 3, of different diameters and substantially concentric.
  • the receiver coils R1, R2 are connected in series with opposite directions of rotation of their turns.
  • the reception signal VR therefore consists in adding the signals generated by each of the receiver coils by mutual inductance with the transmitting coil.
  • the first receiver coil R1 surrounds the second receiver coil R2 which surrounds the transmitter coil E.
  • the three coils E, R1, R2 are substantially concentric.
  • the coils E, R1, R2 are shown circular, but they can also be for example square or rectangular.
  • the coils are made on a multilayer printed circuit.
  • the first receiver coil R1 is formed in a layer of the circuit between a layer in which the second receiver coil R2 is formed and a layer in which the transmitting coil E is produced.
  • the transmitting coil could surround the receiver coil R2, or the receiver coils R1 and R2; the transmitter coil E could also be located in a layer between those of the receiver coils E1 and E2; and the equilibrium distance is preferably selected substantially infinite.
  • the equilibrium distance is preferably selected substantially infinite.
  • Ml and M2 are different functions but both depend on the distance between the sensor 1 and the target 2. There is therefore a strong correlation between the signal VR and the distance between the sensor is the target.
  • means for measuring and processing the reception signal VR make it possible to determine the distance d between the sensor 1 and the target 2. They also make it possible to determine a variation in the distance between the target and the sensor (displacement of the target) .
  • the sensor further comprises a measuring circuit 7 illustrated in FIG. 8, arranged to process the reception signal VR and to determine the distance between the target and the sensor.
  • This circuit is identical to that of the first mode illustrated in FIG. 4, except that it is connected to the terminals of the reception coils R1, R2.
  • Y is an axis substantially perpendicular to the axis X and substantially parallel to the plane 3 of the sensor (lateral axis); for convenience, the position or coordinate of the target parallel to this axis will also be noted Y;
  • - Z is another axis substantially perpendicular to the axis X and substantially parallel to the plane 3 of the sensor (lateral axis), so that the X, Y, Z mark forms a direct orthonormal reference; for convenience, the position or coordinate of the target parallel to this axis will also be denoted Z;
  • - ⁇ x is the position or angular coordinate of the target around the axis
  • Y; - ⁇ z is the position or angular coordinate of the target around the axis
  • a third device embodiment comprising a single sensor Lc.
  • This sensor makes it possible to measure the front distance (along the X axis) separating the plane 3 for producing the coils of the sensor and a target 2.
  • the sensor comprises a first peripheral emitter coil LI (shown in bold in FIG. ) surrounding a second LM receiver coil (or measuring coil).
  • the coil LM may either surround a third transmitting coil LG (or guard coil, shown in dashed lines in FIGS. 10 to 12) as shown in FIG. 11, or it may be "interdigitated" with the coil LG as represented in FIG. In a variant not shown, one could imagine that the coil LG surrounds the coil LM.
  • the coils LM, LI, and LG are made in the plane 3 of the sensor, and each consist of several turns which are contained in the plane 3, of different diameters and substantially concentric.
  • the coils LM, LI and LG are substantially concentric, which makes it possible to define a center of the sensor Lc.
  • the coils LI and LG are emitter coils excited by a signal alternating excitation
  • the coil LM is a receiver coil across which is connected a circuit (such as that shown in Figure 4) for measuring a reception signal generated by the coil LM by mutual inductance with the coils. LI and LG.
  • the mutual inductances of each of the couples comprising one of the transmitting coils LI or LG and the receiving coil LM are of the same value but of opposite signs. It would obviously be possible to envisage the case where, as for the second embodiment of the device according to the invention, the coils LI and LG are receivers, the coil LM is emitting and the measuring circuit is comparable to that shown in FIG. 8 and connected to the terminals of the coils LI and LG.
  • This sensor provides a good sensitivity response curve for a movement of the target 2 along the X axis which is perpendicular to the plane 3 of the coils LI, LM, LG. Furthermore, after analyzing the distribution of the field radiated in space by the transmitting coils, the target is arranged so that its contour 8 or 9, obtained by projection of the periphery of the target on the plane 3 of the sensor, far from the areas of greatest variation of the radiated field. In this way, the movements of the target along the Y and Z axes are practically not varying the detected signal. Finally, the assembly is preferably carried out rotationally symmetric about a common axis (X axis), leading for example the coils to a circular or square shape.
  • X axis common axis
  • the very small cross-sensitivity component along the Y and Z axes has no odd-order term, in particular order 1, thus reducing the amplitude of this cross-sensitivity.
  • all of these performances make it possible to connect the sensor to an electronics, not to a threshold effect, but providing a precise measurement signal, sensitive to the displacement along an axis (X), and very little according to the other axes ( Y, Z, G x , ⁇ ⁇ and ⁇ 2 ).
  • Field balancing thanks to the simultaneous excitation of LI and LG, makes it possible to reduce the term of noise at great distances (of the order of the diameter of LI), and to increase the sensitivity and reproducibility of the measurements.
  • the sensitivity near the sensor is canceled at a given distance between the sensor and the target, then change sign below this distance. This is not necessarily embarrassing and can even be used to place a physical protection of the sensor at the limit and within this distance, in this dead zone.
  • I contour 8 of the target 2 can also be chosen infinite, that is to say very large in front of the diameter of the coil LI.
  • the contour 9 of the target can also be limited strictly inside LI (on a projection view like Figure 10), with a little more cross sensitivity, but less space. avoid cutting the target just in front of the excitation coil LI, zone with a strong variation of field and thus with more cross sensitivity to the Y movements.
  • the measurement of movements along three axes could be done by assembling along the three axes at least three concentric field balancing sensors as described above, that is to say by placing the sensors in three orthogonal planes.
  • Such an assembly suffers from several limitations. It is bulky.
  • the different planes of the sensors do not allow direct integration on a single support by means of reproduction on a plane (production of printed circuits for example).
  • the different sensors produce a parasitic field on their neighbor disturbing the measurements if we try to significantly reduce the dimensions of the whole.
  • a first type of sensor consisting of juxtaposing opposite the target and in the same plane several sensors as described with reference to FIGS. 10 to 12 was tested. It is necessary to juxtapose at least 2 sensors for a determination of the position of the sensor. the target along the X and Y axes, and at least 3 for a determination of the target position along the X, Y and Z axes.
  • FIG. 13 illustrates a fourth embodiment of the device according to the invention, comprising two sensors Lc, Ll identical to that described with reference to FIGS. 9 to 12.
  • the sensor Lc comprises a peripheral transmitter coil LIc, a receiver central coil LMc and a LGC guarding coil.
  • the sensor L1 comprises a transmitter coil peripheral LI1, a central receiving coil LM1 and a guarding coil LG1.
  • the sensors Lc, Ll are made in the same plane and the centers of these sensors are aligned parallel to the Y axis parallel to the plane.
  • the device further comprises means for measuring the signals generated by the receiver coils of each sensor Lc and L1, and means for determining, from these signals, a coordinate or a displacement of the target along the X axis. and / or Y.
  • FIG. 14 illustrates a fifth device embodiment according to the invention comprising, with respect to the fourth embodiment, an additional L4 sensor identical to that described with reference to FIGS. 9 to 12.
  • the sensor L4 comprises a peripheral transmitter coil LI4 , an LM4 receiving central coil and a LG4 guarding coil.
  • the sensors Lc, Ll and L4 are made in the same plane.
  • the centers of the sensors Lc and Ll are aligned parallel to the axis Y parallel to the plane.
  • the centers of the sensors Lc and L4 are aligned parallel to the axis Z parallel to the plane and perpendicular to the axis Y.
  • the device further comprises means for measuring the signals generated by the receiver coils of each sensor, means for determining from the signals generated by Lc and Ll, a coordinate or a displacement of the target along the Y axis, means for determining, from the signals generated by Lc and L4, a coordinate or a displacement of the target along the axis Z, and means for determining, from the signal generated by Lc, a coordinate or a displacement of the target along the axis X ,.
  • Figures 15 and 16 respectively illustrate a sixth and a seventh device embodiment of the invention.
  • two additional sensors L3, L2 may be added symmetrically to L1 and L4 with respect to the center of the sensor Lc, and in the same plane as the Lc sensor.
  • the sensor L2 comprises a peripheral transmitter coil LI2, a receiver central coil LM2 and a guard transmitter coil LG2.
  • the sensor L3 comprises a peripheral transmitting coil LI3, a receiving central coil LM3 and a guarding coil LG3.
  • the centers of L1, Lc and L3 are therefore aligned parallel to the Y axis, L1 and L3 being located on either side of Lc, and the centers of L2, Lc and L4 are therefore aligned.
  • L2 and L4 are located on either side of Lc. This makes it possible to make the responses to movements along the Y and Z axes more linear.
  • the central sensor Lc which is substantially aligned with an axis of symmetry of the target (X axis) makes it possible to detect the movements of the target according to the X axis.
  • the sensors L1 to L4 whose centers are aligned with the contour of the target make it possible to detect the movements of the target along the axes Y and Z.
  • a sensor and the signal generated by the receiver coil or receivers of this sensor will subsequently be named in the same manner.
  • a receiver coil and the signal generated by this receiver coil will also be named subsequently in the same manner.
  • the parasitic interactions of the sensor assembly of the embodiments described with reference to FIGS. 9 to 16 can be calculated, and show that the sensitivity according to X of the central sensor Lc is canceled at a short distance, with respect to a sensor Lc not disturbed.
  • the upper curve of FIG. 17 shows the evolution of the derivative of the response of the sensor Lc with respect to X in millimeters, and calculated for a target of infinite dimension, in the case of a sensor as represented in FIG.
  • FIG. 17 shows the evolution of the derivative of the response of the sensor Lc (dashed curve) and Ll (solid curve) with respect to X in millimeters, and calculated for a target of infinite dimension, in the case of a juxtaposition of 3 sensors as shown in FIG. 15.
  • the bottom curve of FIG. 17 shows the evolution of the derivative of the response of the sensor Lc (dashed curve) and L1 (solid curve) with respect to X in millimeters, and calculated for a target of infinite dimension, in the case of a juxtaposition of 5 sensors as shown in FIG. 16.
  • For an overall diameter of each concentric sensor of 40 mm, it is observed that this drift passes from 0.23 to 0.047 then to 0 for X 36 mm, respectively for 1, 3 sensors.
  • the diameter of the elementary coaxial sensor is 40mm. These curves are obtained by calculation, for a target of infinite dimensions.
  • the target is supposed to be nonmagnetic (relative permeability equal to 1), infinitely conductive, and therefore ideal in the sense that it completely cancels the normal component at the plate of the B field.
  • the central sensor Lc is not identical to the lateral sensors L1 to L4. Indeed, its parameters (dimensions, numbers of turns, etc.) have been varied to compensate for the effect of the lateral sensors on the field balancing at the central sensor and vice versa.
  • This cancellation of the derivative and therefore of the sensitivity is due to the fields produced by the lateral sensors on the observed sensor, fields which reduce or cancel the component of the magnetic field perpendicular to the target at a certain distance. This effect also occurs to a lesser extent on the X sensitivity of L1 to L4 sensors. The range is therefore significantly reduced by this coupling effect of the fields of the different sensors, with a further diameter tripled compared to the initial sensor alone.
  • this first arrangement of balanced sensors leads not only to multiply by 3 the diameter (or by 9 the surface) of the assembly, but also to reduce the range with respect to an individual sensor.
  • the invention makes it possible to eliminate these coupling effects which significantly reduce the range with respect to the distance X, as explained below.
  • LGi guard transmitting coils
  • the peripheral turns in thick continuous lines correspond to the transmitting coils LIi. Traits Continuous end plus inside correspond to LMi receiver coils.
  • i is an index varying from 1 to 4 for the lateral zones, and corresponding to c for the central zone.
  • the squares or rectangles 8, 9, 10 in broken lines correspond to the projection contour of the target.
  • peripheral coil of each sensor (LI in FIG. 10) can be replaced by a single common coil which surrounds all the other coils of the device.
  • FIG. 18 illustrates an eighth (preferred) embodiment of a device according to the invention.
  • This eighth embodiment corresponds to the seventh embodiment illustrated in FIG. 16, in which the peripheral (transmitting) coil LI1 to LI4 and LIc of each lateral sensor L1 to L4 and central Lc is replaced by a single common transmitting coil LI which surrounds all the other coils of the device.
  • This coil LI then produces a long-range field, typically of triple range compared to that of the initial peripheral coils of each of the sensors L1 to L4.
  • the scope of this field can be defined as the place where the field lines have a given inclination, with respect to the target, knowing that only the component orthogonal to the target produces an eddy current, hence a range proportional to the target. diameter of the coil for a ratio of target diameter over given coil diameter.
  • the eighth embodiment comprises five sensors made substantially in the same plane: a central sensor Lc, and four lateral sensors L1, L2, L3 and L4.
  • the sensors L1 to L4 each comprise three coils of which a transmitting coil LI is common to all the sensors.
  • the sensor Lc comprises, in addition to the coil LI, receiving central coils LMcI LMc4 and emitting LGcI LGc4.
  • Each sensor L1 to L4 comprises, in addition to the common coil LI, a transmitter coil respectively LG1 to LG4 and a receiver coil LM1 to LM4, these two coils being concentric.
  • the centers of the coils LM1, LG1, LM3, LG3 are substantially aligned parallel to the Y axis, and these coils are arranged on either side of the set of central coils LMcI to LMc4 and LGcI to LGc4.
  • the centers of the coils LM2, LG2, LM4, LG4 are substantially aligned parallel to the axis Z, and these coils are arranged on either side of the set of central coils LMcI LMc4 and LGcI. at LGc4.
  • the absence of a transmitter coil around each measuring coil LM1 LM4 and LMcI LMc4 increases the surface and therefore the sensitivity.
  • the coil LG1 to LG4 and LGc1 to LGc4 cancels, in the absence of a target, the effects of the field radiated by the single coil LI on the receiver respectively LM1 to LM4 and LMc1 to LMc4, so as to preserve the advantages of the balancing of field.
  • the purpose of the LG1 to LG4 and LGcI to LGc4 coils is thus to mask the excitation field of the target.
  • the peripheral coil LI produces a magnetic field which allows to "illuminate" the target.
  • the compensation coils LG1 to LG4 and LGcI to LGc4 play a role of "guard” with respect to this field of illumination which would tend to blind the electronics of measurement without precaution. They compensate for LI's effects at the LM1 to LM4 and LMcI to LMc4 receptors.
  • the word Guard is chosen by analogy to the guard electrode used for the capacitive measurement.
  • each receiver coil LM1 to LM4 and LMc1 to LMc4 serves as a measuring coil.
  • the coils LI and LGi can also serve as measurement coils (by combining their signals as for the second embodiment), the coil LMi (i from 1 to 4, or from C1 to c4) corresponding index of the same index i can then serve as excitation coil.
  • the coil LMi i from 1 to 4, or from C1 to c4 corresponding index of the same index i can then serve as excitation coil.
  • the central sensor Lc of the eighth embodiment illustrated in FIG. 18 is separated into four sub-sensors, each comprising the common transmitting coil LI, and a pair comprising a transmitting coil respectively LGcI to LGc4 and a LMcI receiver coil at LMc4.
  • the transmitter coil LGcI at LGc4 is respectively concentric with the receiver coil LMcI at LMc4.
  • the centers of the coils LMc4, LGc4, LMcI and LGcI are substantially aligned along an axis parallel to the Y axis.
  • the centers of the coils LMc3, LGc3, LMc2 and LGc2 are substantially aligned along another axis parallel to
  • the centers of the coils LMc4, LGc4, LMc3 and LGc3 are substantially aligned along an axis parallel to the Z axis.
  • the centers of the coils LMc2, LGc2, LMcI and LGcI are substantially aligned along the axis. an axis parallel to the Z axis.
  • the coils of the device are arranged so that the contour 10 of the target, obtained by projection of the around the target on the sensor plane, passes substantially through the center of each coil located at one end of a coil alignment. So :
  • the contour 10 passes through the center of Lc, LIc, LMc, LGc, LI, LI1, LM1, LG1.
  • the contour 10 passes through the center of Lc, LIc, LMc, LGc, LI, LI1, LM1, LG1, L4, LI4, LM4, LG4.
  • the contour 10 passes through the center of L1, LI1, LM1, LG1, L3, LI3, LM3, LG3.
  • the contour 10 passes through the center of Ll, LI1, LM1, LG1, L3, LI3, LM3, LG3, L2, LI2, LM2, LG2, L4, LI4, LM4, LG4.
  • the contour 10 passes through the center of LM1, LG1, LM3, LG3, LM2, LG2, LM4, LG4.
  • the dimensions of the target were chosen so as to align the edges of its outline on the axes of symmetry of the coils LM1 to LM4, more precisely the axes of vertical median symmetries (along Z) for LM1 and LM3 and the horizontal median symmetric axes (along Y) for LM2 and LM4, as shown in Figure 18.
  • the nonlinearities of order 2 are weak by construction, and moreover offset each other by the difference of the signals of the lateral coils (LM1 minus LM3 and LM2 minus LM4).
  • the non linearity of order 3 is weak, but not null. It corresponds to the fact that a lateral displacement of the target adds on one side a target-field interaction band which sends more field towards the measuring coil, and removes the same band on the other side, reducing symmetrically the field on the opposite coil (LM1 and LM3 for example).
  • the nonlinearity effect is due to the fact that the two previous bands are not strictly exposed to the same field as the target is shifted with respect to the axis of symmetry. This effect therefore produces a third order term on the Y response.
  • Measurements confirm that the response obtained from the difference LM1-LM3 is very linear, with mainly terms of order 3 (and not of order 2).
  • the non-linearity of order 3 obtained is 10% for 12mm difference to the axis of symmetry, and only 2.5% to 6mm of this axis of symmetry.
  • Fig. 20 illustrates a ninth device embodiment according to the invention, described for its differences with the eighth embodiment.
  • the LMcI to LMc4 means are realized inside the means LM1 to LM4 corresponding.
  • LMci means By exciting the LMci means (i being an index varying from 1 to 4, ie LMcI, LMc2, LMc3, LMc4) corresponds to the means LMi (i being an index varying from 1 to 4, ie LM1, LM2, LM3, LM4), LMci means can play a guard role that cancels the field produced by LI in the absence of target.
  • the LMci means can then serve as an angle-sensitive measurement means (by switching it from an excitation circuit to a measuring circuit).
  • LMci does not receive any means of guarding, degrading the signal-to-noise ratio under certain circumstances, or receives one then in action when measuring the LMci signal.
  • the advantage is a larger area devoted to LMi which then encompasses LMci, and the removal of the four guard coils LGi (i being an index varying from 1 to 4, ie LG1, LG2, LG3, LG4), simplifying the electronics and giving more area available for LMi.
  • the illumination coil LI is peripheral to the measurement means LM1 to LM4 and LMcI to LMc4, and in the same plane as those this. It is possibly accompanied by excitations of "guard" LG1 to LG4 and LGcI to LGc4 which improve the signal-to-noise ratio to infinity (typically the diameter of the target).
  • guard LG1 to LG4 and LGc1 to LGc4 may not be used, and the space released may allow to accommodate more turns for the measuring means LM1 to LM4 and LMc1 to LMc4, improving the amplitude of the measuring signal (derived by ratio to X), but at the expense of a larger continuous background.
  • the non-use of the guard means is more suitable for a sensor operating at short range, that is to say a diameter of several times the maximum distance to the target.
  • a target with eddy currents, even magnetic, makes it possible to have no contact or connection with sensors of the device.
  • a good sensitivity (and linearity) to Y and Z is achievable for a target whose edges are superimposed or remain close to some of the axes of symmetry (median axes) of the lateral measurement means LM1 to LM4 of Y and Z (receiver coils of the sensors L1 to L4), as illustrated by the contour 10 of the target in FIGS. 13 to 16, 18 and 20.
  • the central measurement means LMcI to LMc4 are especially sensitive to angle effects ⁇ y and ⁇ z
  • the lateral means LM1 to LM4 provide a signal sensitive to the transverse movements Y and Z and the angle effects ⁇ y and ⁇ 2 .
  • FIGS. 21 and 22 illustrate the envelopes of the various reels remaining in this case.
  • the central zone of the device may not receive the LMcI means at LMc4 and LGcI at LGc4.
  • the central zone of the device may not receive the LMcI means at LMc4 and LGcI at LGc4.
  • the central zone of the device may not receive the LMcI means at LMc4 and LGcI at LGc4.
  • the device of FIG. 10 is then seen as the ultimate simplification of the devices illustrated in FIGS. 21 and 22 (case of the measurement along only one X axis).
  • the contour of the target is or inside or outside of LI, but not above, in order to limit the cross sensitivity to undetected movements, but possibly possible.
  • the measurement of the angle ⁇ x is useful, at least one pair of coils among LM1, LG1 to LM4, LG4 can be split into two lateral portions, as illustrated in FIG.
  • the coil LMi is then divided into two parts LMdi and LMgi (these parts being aligned along an axis parallel to the axis Y for LM2 and LM4, and aligned with the along an axis parallel to the Z axis for LM1 and LM3), and the coil LG1 is split into two parts LGdi and LGgi (these parts being aligned parallel to the Y axis for LM2 and LM4, and aligned parallel to the Z axis for LM1 and LM3).
  • This splitting is preferably performed for at least one of the indices i, preferably two indices to respect the symmetry (1 and 3, or 2 and 4), see the 4 to have similar responses along the Y and Z axes. This can facilitate subsequent treatments, but is not essential.
  • the difference LMdi-LMgi then gives a sensitivity to ⁇ x
  • the sum LMdi + LMgi gives the same information as LMi.
  • LAUX auxiliary measurement coils may be added in the sensor plane corners, rather outside the target contour (X-axis view), so that for example to provide a reference signal, or to evaluate the effects of the housing protecting the device (if it is conductive).
  • the shapes of the coils or the target are not decisive.
  • a round (or oval, or elliptical, or octagonal) shape is for example conceivable instead of the square or the rectangle.
  • the LM1 to LM4 means can also be trapezoidal in order to slightly increase the amplitude of the signal by using all the available surface area for the measurement, as illustrated in FIG. 25.
  • the means LM1 to LM4 can also be found at the four corners of the plane. sensors, as shown in FIG. 23, these means being no longer aligned along Y or Z. The measurement along the Y axis is then done by a linear combination of the type (LM1 + LM2) - (LM3 + LM4), the same for Z.
  • the transmitting coil LI surrounding three receiving coils LM1, LM2, LM3.
  • the receiver coils LM1, LM2, LM3 are symmetrical relative to each other by a rotation of 120 ° around a point.
  • Each receiver coil is substantially concentric with a guard coil LG1, LG2, LG3 associated therewith.
  • the coil LI is made substantially in the same plane as the coils LM1, LM2, LM3, LG1, LG2, LG3, and substantially surrounds these coils.
  • the target preferably has circular symmetry around the X axis, and the projection of its contour passes substantially through the centers of LN1, LM2, LM3, LG1, LG2, LG3.
  • the coils LM2, LG2, LM3, and LG3 are aligned along an axis parallel to the Z axis.
  • the measurement of the translation along Y can then be done by linear combination of the signals (LM1-0.5 * (LM2 + LM3 )).
  • the measurement of the translation along the Z axis can be done by the combination (LM2-LM3).
  • the measurement along the X axis can be done by the sum (LM1 + LM2 + LM3).
  • each receiver coil LMcI, LMc2, LMc3, LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3 is substantially concentric with a guard coil respectively LGcI, LGc2, LGc3, LGgI, LGdI, LGg2, LGd2, LGg3, LGd3 associated therewith .
  • the coil LI is made substantially in the same plane as the coils LMcI, LMc2, LMc3, LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3, LGcI, LGc2, LGc3, LGgI, LGdI, LGg2, LGd2, LGg3, LGd3 and surrounds substantially these coils.
  • the receiver coils LMcI, LMc2, LMc3 are symmetrical with each other by a rotation of 120 ° around a central point.
  • the six coils LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3 are distributed in this order substantially on a circle surrounding the three coils LMcI, LMc2, LMc3.
  • the pairs of coils (LMgI, LMdI), (LMg2, LMd2), (LMg3, LMd3) are symmetrical to each other by a rotation of 120 ° around the central point.
  • the contour 10 of the target passes substantially through the centers of LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3, LGcI, LGc2, LGc3, LGgI, LGdI, LGg2, LGd2, LGg3, LGd3.
  • the coils LMg2, LGg2, LMd3 and LGd3 are aligned parallel to the Z axis.
  • the coils LMgI, LGgI, LMdI and LGdI are aligned parallel to the Z axis.
  • the coils LMd2, LGd2, LMg3 and LGg3 are aligned parallel to the Z axis. Z axis.
  • the coils LMc2, LGc2, LMc3 and LGc3 are aligned parallel to the Z axis.
  • the coils LMgI, LGgI, LMg3 and LGg3 are aligned parallel to the Y axis.
  • the coils LMd2, LGd2, LMdI and LGdI are aligned parallel to the Y axis.
  • the measurement of the translation along Y can then be done by linear combination of the signals ((LMgl + LMdl) -0.5 * (LMg2 + LMg2 + LMg3 + LMd3)).
  • the measurement of the translation, according to Z can be done by the combination ((LMg2 + LMd2) - (LMg3 + LMd3)).
  • the measurement according to X can be done by the sum ((LMgH-LMd1 + LMg2 + LMg2 + LMg3 + LMd3), possibly supplemented by (LMc1 + LMc2 + LMc3)
  • ⁇ x can come from (( LMdl-LMgl) + (LMd2-LMg2) + (LMd3 ⁇ LMg3))
  • the measurement of ⁇ y can come from (LMc2-LMc3)
  • the measurement of ⁇ z can come from (LMcI-0,5 * (LMc2 + LMc3)) From the calculation of Y detailed above, a coefficient of the measure of ⁇ z is taken from the calculation of the cross sensitivity of the angle ⁇ z to the first order measurement of Y, and the calculation of detailed above Z a coefficient times the measuring ⁇ y.
  • a preferred embodiment of the invention consists in switching only one of the measuring coils on an amplification, comparison to a reference, synchronous demodulation and sampling system.
  • the other measurement receiving coils LMi, LMci i being an index varying from 1 to 4
  • LMi, LMci i being an index varying from 1 to 4
  • Other configurations allowing simultaneous measurement are obviously possible if the speed of measurement takes precedence over the simplification of the measurement electronics (and the lower cost).
  • it is possible to electrically add or subtract signals from certain means via a switch for example to measure several combinations) before detecting and sampling them. This then makes it possible to reduce the sources of uncertainties related to the electronics or to certain connecting cables.
  • the simultaneous excitation of the other guard coils LGi, LGci is also possible.
  • the currents of the guard coils LGi side turn clockwise, those LGci center guards in the anti-clockwise direction).
  • a series assembly is possible so as to naturally balance the currents. This assembly leads to a dissymmetry of the responses and coupling effects between series resistance and parasitic capacitance, in particular if the sensor is used at high frequency, close to its resonant frequency.
  • a parallel connection can also be envisaged, but with the disadvantage of making the balancing of the currents depending on the symmetry of the series resistances of the coils, subject to significant thermal drift.
  • a better configuration is then to use as many current sources as there are LGi coils, LGci these sources preferably evolving identically with respect to disturbances (in particular thermal).
  • the coil LI can then receive the sum of the currents LGi, LGci or that of an additional source.
  • the links between the coils and the measurement electronics constitute as many parasitic circuits creating themselves an exciter field, or a loop of measurement. These circuits generally have the disadvantage:
  • symmetrical "coplanar" links of mass / signal / mass type, or rather node1 / node2 / node1 that is to say two ribbons (of the same width) symmetrically surrounding a third ribbon in the center ( possibly different width of the two lateral ribbons).
  • the central ribbon is traversed by the departure of the current, the two lateral circuits are traversed by the return current (equal to previous).
  • the two back side ribbons are grounded, the center ribbon is the signal.
  • the outer ribbons are simply connected to one end of the spool, the center ribbon is connected to the other end. If the measurement is made in pure voltage, these two same conductors are used to measure the voltage across the coil.
  • the preceding coplanar line can be completed on the other side of a flexible printed circuit by a conducting plane occupying the entire space and preferentially connected to the lateral conductors by metallized holes. Additional shielding may be added on the other side above a dielectric to completely close the link. Additional tracks can be added between or around the main tracks to serve as an electrostatic screen between or around these tracks.
  • connection can also be made by a coaxial cable naturally insulating the volume between the conductors of the external disturbances.
  • This coaxial cable may comprise an additional third outer layer, or a "guard" or inner intermediate layer between the current conductors, or both, to reduce interfering capacitive interferences with the environment.
  • edges of the target should preferably be aligned with certain symmetry axes of the lateral means (LM1, LG1) to (LM4, LG4), so as to obtain a better linearity to the transverse displacements Y and Z.
  • the axis of symmetry of the normal field to the plate (current of Foucault) is not necessarily confused with that of the means LMi, LGi (i being an index varying from 1 to 4). It may be helpful to slightly shift the edge of the target to improve linearity. If the sensor does not measure all the directions of movement, if ..
  • the possible forms are infinite, from simple small disk to a very large object for example.
  • the interest of the plane or of a relatively flat and symmetrical form is especially to limit the cross sensitivity. It is therefore important that the shape has a small radius of curvature in front of the sensor if it is desired to reduce the cross sensitivities.
  • the target interacts due to its conduction and / or magnetic permeability. Any metal of good conduction, such as aluminum or copper, can be used.
  • the material of the target can also be chosen for its corrosion resistance qualities: for example, stainless steel will be chosen.
  • the reflection of the magnetic field by the target is done on the first layers of the metal encountered.
  • the skin effect is 66 microns, and 85 microns for aluminum.
  • the decreasing field as the exponential depth, only a few tens of microns participate in the reflection.
  • this skin thickness depends on the square root of the conductivity (which derives from 3900ppm / ° C for copper). It therefore drifts with temperature, thus moving with temperature the average position from which the field appears to originate. For a reflection seeming to come from 20 microns below the surface, the thermal drift makes move this average plane of 39nm / ° C.
  • the target can be relatively thin while reflecting the maximum field (a few tens of microns to a few millimeters), or thicker to have a good intrinsic mechanical strength.
  • the use of a magnetic permeability target ⁇ i greater than unity may make it possible to increase the low operating frequency signal relative to a target where the eddy currents are used alone.
  • disruptive effects may occur (coupling to the earth's magnetic field for an absolute measurement, intrinsic noise related to the homogeneity of the ferrite, etc.).
  • the target may also consist of a superconducting material (for example a SQUID). It then becomes infinitely conductive (up to a certain current density, which can easily not be exceeded). The skin thickness (skin effect) becomes zero; the average plane of reflection then becomes ideally invariant on the surface of the material, making this target ideal for the accuracy of the measurement.
  • a superconducting material for example a SQUID
  • the preferred embodiment of the excitation coil LI is to rotate a set of conductors into a single coil.
  • the driver can turn on several subsets, that is to say several coils connected to each other.
  • the coils must not be superimposed, or very little. These coils therefore have contact zones with their neighbors. In these areas, two cases are possible: either the currents flow in the same direction (case 1), or in an opposite direction (case 2). For case 1, the product field then becomes stronger locally.
  • this configuration amounts to inverting the fluxes produced in more distant field because the loops thus defined are of opposite signs. This results in a smaller range field with respect to the component perpendicular to the plane of the target.
  • the far field corresponds to the union of the surfaces of the two coils considered which turn in the same direction. If we forget the disturbances created at the contact zones, which are radiated at short range, the far fields correspond to what would be obtained for a coil having as many turns rotating on the outside of the two coils thus joined (if we consider coils with the same number of turns). However, the single coil replacing the two neighboring coils has less series resistance and parasitic capacitance, thus repelling the parasitic electrical phenomena at higher frequencies.
  • a simple and electrically purer approach therefore consists in winding only one coil to realize the excitation means LI (plus the possible guards).
  • the interest of splitting LI into several sub-elements may only appear to modify the behavior at very short distance (ie a fraction of the diameter of LI).
  • a possible embodiment of magnetic coils can be done by winding conductive wire (copper) on a support containing locations for the different coils.
  • a preferred embodiment of the invention consists in producing all the coils by etching or screen printing two copper layers, themselves glued on a support plate.
  • a measurement is very accurate only if the sensor device as a whole, measurements and excitation, is dimensionally stable, with temperature fluctuations and over time.
  • This very good stability can be obtained if the sensor itself has the desired stability: for example, if the sensor consists of a glass disk or silica on both sides of which were deposited and etched copper layers or of aluminum (thanks to photosensitive resins).
  • the sensor may well consist of a flexible printed circuit, intrinsically unstable; but glued on a telescope mirror in zerodur or in silica, such a printed circuit acquires the stability of its massive support, extraordinary in the long term and with the fluctuations of temperature. This obviously only holds if the supports are non-conductive of electricity (or very little), to avoid canceling the magnetic fields emitted by LI and LGi.
  • the target is metallic, it must be perfectly stable. It can be performed by the same bonding techniques, and similar materials, for a similar accuracy.
  • M12 being the mutual inductance between L1 and L2
  • one of the preferred modes is a current excitation and a voltage measurement giving direct access to the parameter M12. ⁇ j.
  • the amplitude of the signals recorded will be used.
  • Y comes from (LM1-LM3), with a relation of proportionality (and non-linearities with strong Y).
  • the coefficient of proportionality depends on X. Linearizations of the latter are possible by dividing for example by (LM1 + LM3) or other linear combinations.
  • Z is proportional to (LM2-LM4).
  • X comes from LMc or the sum of all the sensors, for example LM1 + LM2 + LM3 + LM4 possibly supplemented by LMc1 + LMc2 + LMc3 + LMc4,.
  • the relation is not linear, but can be more by transformations (inverse x gives 1 / x ).
  • ⁇ y is from (+ LMCL LMc4) - (+ LMc2 LMc3).
  • ⁇ z comes from (LMc1 + LMc2) - (LMc3 + LMc4).
  • the coefficient of proportionality also depends on X.
  • ⁇ x comes from (LMgI-LMdI), or (LMgI-LMdI) + (LMg3-LMd3) (which is preferred to reduce the cross-sensitivities to Y or Z), or from (LMgI-LMdI) + (LMg2- LMd2) + (LMg3-LMd3) + (LMg4-LMg4).
  • the relationship is linear. The coefficient of proportionality depends primarily on X. (LMgi + LMdi replaces LMi in the previous equations.)
  • the excitation signal is variable in time. More particularly, it can be a sinusoid of stable amplitude and frequency.
  • the exploitation of the signals coming from the sensor can be done after switching sequentially in time of one of the coils LMi towards the means of measurement of the signal (and simultaneously with the excitation of its signal). guard LGi).
  • the measuring means may consist of a chain containing an amplification of the frequency band including the excitation frequency of the coils LI and LGi.
  • the measured signal can be subtracted from a reference in order to limit the amplitude of the signal to be demodulated.
  • This signal can be demodulated synchronously with the excitation so as to significantly reduce the noise band of the signal to a minimum around the excitation frequency, and thus reduce the measurement noise.
  • Finally it can be sampled and digitized in order to process it numerically.
  • the eighth embodiment of non-contact measuring device (illustrated on the 18) or the method implemented to achieve it can be degraded to consider only part of their possibilities, it is to measure only a part of the six degrees of freedom of the target relative to the sensor; in doing so, the possibility of correcting induced measurement errors, as explained in detail earlier, is lost; on the other hand, we gain a certain reduction in the size of the device and above all an obvious reduction in the cost price of producing such a reduced device.
  • the currents applied on the coils produce a weak force, little disturbing on the position of the target.
  • the superposition of a direct current or more generally at a frequency (s) different from that used for the measurement, or of pulse shape, or switched over time, can be used to control the position of the target, for example in a position control device provided around the device according to the invention.
  • the invention is not limited to the examples that have just been described and many adjustments can be made to these examples without departing from the scope of the invention.
  • the surface of the target or the flat surface in which the sensors of the device according to the invention are produced can be replaced by any curved surface, such as a concave surface or a portion of a cylinder or sphere.
  • several targets can be combined with one or more sensors of a same device according to the invention.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure sans contact de la position d'une cible (8, 9), comprenant : au moins un capteur comprenant au moins un ensemble de trois bobines, dont deux bobines émettrices (LI, LG), une bobine réceptrice (LM) ou deux bobines réceptrices (LI, LG) et une bobine émettrice (LM); des moyens d'excitation de chaque bobine émettrice par un signal alternatif d'excitation; pour chaque capteur, des moyens pour mesurer un signal alternatif de réception, généré par les bobines réceptrices par mutuelle inductance avec les bobines émettrices, les deux mutuelles inductances entre une bobine émettrice et une bobine réceptrice du capteur étant sensiblement opposées pour une position d'équilibre donnée de la cible par rapport au capteur; des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception, une distance entre la cible et un des capteurs. L'invention permet la mesure de un à tous les degrés de liberté de déplacement de la cible, en maximisant la porté du capteur, et en en minimisant les non-linéarités, pour une dimension donnée de l'ensemble qui peut être réalisé sur un même support plan. L'invention concerne aussi un procédé mis en œuvre par le dispositif selon l'invention.

Description

«Dispositif inductif de mesure de la position d'une cible, et procédé mis en œuvre par ce dispositif»
Domaine technique La présente invention concerne un dispositif de mesure par balance d'induction de la position ou du déplacement d'une cible. Elle vise également un procédé mis en œuvre par ce dispositif.
Le domaine de l'invention est celui des capteurs de position ou de déplacement d'une cible selon au moins une coordonnée axiale ou angulaire.
Parmi les applications possibles, l'invention peut être appliquée de manière non limitative à la mesure de positions relatives de deux objets, par exemple dans le domaine de la robotique ou de la machine outils, ou encore pour la mesure des positions relatives de miroirs segmentés d'un télescope. Elle peut aussi être appliquée de manière non limitative à toute mesure de position ou de déformation dans le domaine du génie civil telle que l'évolution d'une fissure, le capteur et la cible pouvant être fixés de deux côtés de la fissure se faisant sensiblement face, ou encore par exemple l'inclinaison d'un pendule (télépendule), ou les effets des contraintes dans le béton (extensomètre).
Etat de la technique antérieure
Des dispositifs magnétiques permettent de mesurer des déplacements d'une cible, sans contact.
Cette cible peut être « passive »; elle interagit avec le dispositif grâce à sa perméabilité magnétique et à sa conductivité ; cette dernière a pour effet de produire des courants qui annulent la composante normale d'un champ magnétique au niveau de la cible et donc de rayonner un champ qui peut être détecté. Ces courants sont connus sous le nom de courant de
Foucault (connu aussi sous le nom de « eddy currents »). Pour des cibles en matériaux ferro-magnétiques, la perméabilité magnétique a au contraire pour effet d'amplifier localement le champ magnétique au niveau de la cible. Dans tous les cas, le dispositif de mesure utilise la variation de flux dans une bobine de réception, variation produite par la modification du champ magnétique renvoyé par la cible. Cela suppose de générer un champ magnétique qui « illumine » initialement Ja cible puis la bobine de réception. Ce champ est généré par certains moyens magnétiques qui sont excités par un signal alternatif (bobine d'excitation).
On peut utiliser pour la mesure (bobine de réception) la même bobine que celle qui a servi à l'excitation (bobine d'excitation). Le déplacement de la cible produit alors une variation de l'inductance de la bobine qui illumine et mesure. On peut utiliser aussi une autre bobine qui n'est pas excitée pour réaliser la mesure. La détection se fait alors par l'analyse de la mutuelle inductance entre la bobine d'excitation et cette bobine de réception.
a) Premier cas de dispositif magnétique: détection par variation d'inductance
Si on représente l'inductance L de la bobine en fonction de la distance x à la cible, cette fonction L(x) croît depuis une très faible valeur à courte distance vers une valeur asymptotique correspondant à l'inductance de la bobine en l'absence de cible. A une distance donnée xO, la sensibilité à un déplacement correspond donc à la variation de L(x), on encore à la dérivée dL/dx en xO. Le terme L(x) représente donc une valeur de laquelle il faut extraire l'information. En particulier, toute variation non maîtrisée de l'amplitude de L(xO) (qui n'est pas en dépendance directe de la position de la cible) représente un bruit sur la mesure. Le rapport signal sur bruit d'un tel dispositif peut être évalué en première approche comme étant proportionnel à la dérivée du logarithme de L, c'est-à-dire dL(x)/dx * 1/L(x). Ce rapport signal sur bruit se dégrade quand x croît à la fois à cause de la décroissance de dL(x)/dx, mais aussi car L(x) croît. La bonne sensibilité d'un tel dispositif est donc limitée aux courtes distances.
Pour des cibles métalliques, la conduction des courants de Foucault ne s'effectue pas dans toute la masse de la cible mais sur une certaine épaisseur. Ce phénomène est appelé « effet de peau ». L'épaisseur dépend de la racine carrée de la conductivité de la cible, elle-même sujette à une forte dérive thermique (typiquement 3900 ppm/°C - partie par million par degré Celsius- pour le cuivre). La position de l'épaisseur de la cible s'opposant au champ de la bobine est donc mal définie et dépend de la température. De même, la variation de l'inductance de la cible dépend de la conductance de la cible et donc de la température. La variation de l'inductance de la bobine étant petite devant la valeur nominale de cette impédance, ce type de dispositif a le défaut d'être très sensible à la température environnante. Ce type de dispositif nécessite donc d'être couplé à une mesure de température pour pouvoir corriger une mesure de position de la cible par mesure de variation d'inductance.
Enfin, ce type de dispositif est très sensible à une dérive ou du bruit sur le courant d'excitation de la bobine. Le bruit ou la dérive se répercute sur le champ généré par la bobine d'excitation, donc sur le champ généré par la cible, et donc sur la mesure de variation d'impédance de la bobine.
b) Deuxième cas de dispositif magnétique : détection par une bobine de réception différente de celle d'excitation, (et située à proximité des moyens de mesure).
Afin d'améliorer ce rapport signal sur bruit, il a été développé à l'état de l'art antérieur des capteurs à « équilibrage de champ » (aussi connus sous le nom de capteurs « à balance d'induction »), pour la détection des métaux. Ces capteurs utilisent trois bobines, deux d'excitation et une de réception, ou une d'excitation et deux de réception, les couplages mutuels (ou" inductions mutuelles) de chacun des couples bobine d'excitation/bobihe de réception s'équilibrant pour une certaine position de la cible. !
Le document DE 103 18 350 B3 décrit un capteur permettant de détecter une cible suivant qu'elle soit au-delà ou en deçà d'une distance de déclenchement par rapport au capteur. Un capteur selon le document DE 103 18 350 B3 ne permet pas de déterminer une coordonnée axiale ou angulaire de la cible par rapport au capteur.
Le document DE 103 12 813 Al décrit un capteur dont les bobines émettrices et réceptrices sont sensiblement dans un même, plan, et permettent de déterminer la position d'une cible selon un axe parallèle au plan du capteur, ou une position angulaire de la cible. Un capteur selon le document DE 103 12 813 Al ne permet pas de déterminer une distance séparant la cible du capteur.
c) Dispositif capacitif.
Par ailleurs, pour la mesure de la position relative des miroirs des télescopes, des capteurs capacitifs ont été utilisés comme cela est détaillé dans la demande de brevet FR 02 10754. Bien que donnant d'excellents résultats, cette technologie suppose que la surface et l'entourage des électrodes soient dépourvus de poussières et d'humidité. Les poussières modifient directement la constante diélectrique du milieu entre les électrodes; l'humidité est bien plus redoutable, surtout si elle se condense ou provient directement de précipitations atmosphériques (pluie). La technologie inductive permet de s'affranchir de ces effets. La poussière étant le plus souvent amagnétique, l'humidité ou l'eau ruisselante très peu conductrice du courant, ces éléments sont sans aucun effet sur la qualité des mesures.
Le but principal de la présente invention est de présenter un dispositif et un procédé pour la mesure de la distance séparant une cible d'un capteur, ayant une meilleure résolution que les dispositifs de l'état de l'art, et étant insensible à une pollution liée à de la poussière ou de la condensation. .
Exposé de l'invention Au moins un des objectifs précités est atteint au moyen d'un dispositif de mesure sans contact de la position d'une cible, comprenant : - aϋ-moins un capteur comprenant un ensemble de trois bobines dont une bobine émettrice, une bobine réceptrice et une dernière bobine émettrice ou réceptrice (Ainsi, chaque capteur comprend soit deux bobines émettrices, une bobine réceptrice, une mutuelle inductance entre une première des bobines émettrices et la bobine réceptrice, et une mutuelle inductance entre une seconde des bobines émettrices et la bobine réceptrice ; soit deux bobines réceptrices, et une bobine émettrice, une mutuelle inductance entre une première des bobines réceptrices et la bobine émettrice, et une mutuelle inductance entre une seconde des bobines réceptrices et la bobine émettrice ),
- des moyens d'excitation de chaque bobine émettrice par un signal alternatif d'excitation,
- pour chaque capteur, des moyens pour mesurer un signal alternatif de réception, généré par la ou les bobines réceptrices du capteur par mutuelle inductance avec la ou les bobines émettrices du capteur, les deux mutuelles inductances entre une bobine émettrice et une bobine réceptrice du capteur étant sensiblement opposées pour une position d'équilibre donnée de la cible par rapport au capteur, et
- des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception, une distance ou une variation de la distance entre la cible et un des capteurs.
Par bobine (« coil » en langue anglaise), on entend tout circuit ou moyen magnétique apte à émettre et/ou capter ou recevoir un champ électromagnétique. De manière préférentielle, une bobine consiste en des spires enroulées dans une surface, de préférence plane pour la facilité de réalisation. Une bobine peut par exemple aussi être réalisé sur un support plan souple mais qui est ensuite collé sur une autre surface, par exemple cylindrique.
De préférence, les bobines de différents capteurs sont réalisées sensiblement dans une même surface de préférence plane pour la facilité de réalisation, et pour chaque capteur, une première des bobines du capteur entoure sensiblement une deuxième des bobines du capteur, qui elle même entoure éventuellement sensiblement une troisième des bobines du capteur.
De manière préférentielle, chaque ensemble est associé à un capteur différent. La cible peut posséder une conductivité électrique et/ou une perméabilité magnétique relative différente de l'unité, ladite cible pouvant être supraconductrice.
Pour un des capteurs, la position d'équilibre peut consister en une distance sensiblement infinie entre la cible et le capteur. On peut entendre par distance infinie le fait qu'aucune cible n'est suffisamment proche des bobines d'un capteur pour modifier les mutuelles inductances des bobines du capteur.
Pour un des capteurs, les bobines du capteur peuvent être réalisées sensiblement dans une même surface de préférence plane. Une première des bobines du capteur peut entourer sensiblement une deuxième des bobines du capteur. Des spires de la deuxième des bobines peuvent être comprises entre des spires d'une troisième des bobines du capteur (on dit alors que ces deux bobines sont « interdigitées »), ou la deuxième des bobines peut entourer sensiblement la troisième des bobines, ces deux bobines pouvant être en outre sensiblement concentriques. Les trois bobines du capteur peuvent aussi être sensiblement concentriques.
Plusieurs capteurs peuvent être réalisés sensiblement dans une même surface de préférence plane. Un des capteurs peut comprendre une première bobine émettrice, une seconde bobine émettrice et une unique bobine réceptrice. La seconde bobine émettrice peut être agencée pour sensiblement annuler, pour la position d'équilibre de la cible par rapport au capteur, un flux magnétique produit par la première bobine émettrice sur l'unique bobine réceptrice. Les moyens d'excitation peuvent être communs à la première bobine émettrice et à la seconde- bobine émettrice. La première bobine émettrice et la seconde bobine émettrice peuvent être montées en série avec des sens de spires opposés. Enfin, la première bobine émettrice peut être commune à plusieurs capteurs réalisés sensiblement dans une même surface de préférence plane, et peut entourer sensiblement les autres bobines de ces capteurs.
Un des capteurs peut comprendre une unique bobine émettrice, une première bobine réceptrice et une seconde bobine réceptrice. La première et la seconde bobine réceptrice peuvent être agencées pour voir, pour la position d'équilibre de la cible par rapport au capteur, le champ magnétique émis par l'unique bobine émettrice avec le même module. La première bobine réceptrice et la seconde bobine réceptrice peuvent être montées en série avec des sens de spires opposés. La première bobine réceptrice peut être commune à plusieurs capteurs réalisés sensiblement dans une même surface de préférence plane, et entourer sensiblement les autres bobines de ces capteurs.
Un dispositif selon l'invention, comprenant plusieurs capteurs, peut comprendre des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des différents capteurs, une position ou un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté axial, de préférence complémentaire de la distance entre la cible et un capteur. Un dispositif selon l'invention peut comprendre un alignement, selon une direction d'alignement, de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices appartenant chacune à un capteur différent, et des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des capteurs auxquels appartiennent les bobines alignées, une coordonnée ou un déplacement de la cible le long d'un axe parallèle à la direction d'alignement. De même, un dispositif selon l'invention peut comprendre :
- un premier alignement, selon une première direction d'alignement, de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices appartenant chacune à un capteur différent,
- un second alignement, selon une seconde direction d'alignement, de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices appartenant chacune à un capteur différent, - des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des capteurs auxquels appartiennent les bobines alignées, au moins une coordonnée ou un déplacement de la cible le long d'un axe parallèle à une combinaison linéaire de la première et de la seconde direction d'alignement.
Les bobines alignées peuvent être réalisées sensiblement dans une même surface de préférence plane, et un contour de la cible, obtenu par projection de la cible sur la surface des bobines, peut passer sensiblement par le centre de chaque bobine située à une des extrémités d'un alignement de bobines. Ce contour peut être obtenu (comme dans toute la suite de ce document) par une projection d'un pourtour extérieur de la cible ou par projection de toute discontinuité de forme de la cible (tel un simple épaulement avec un bord anguleux ou arrondi) qui suffit pour créer un signal de réception.
Un dispositif selon l'invention, comprenant plusieurs capteurs, peut comprendre des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des différents capteurs, une position ou un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire. Un dispositif selon l'invention peut comprendre un alignement, selon une direction d'alignement, de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices appartenant chacune à un capteur différent, et des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des capteurs auxquels appartiennent les bobines alignées, une coordonnée angulaire ou un déplacement angulaire de la cible autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à la direction d'alignement. Dans un mode de réalisation, les bobines alignées peuvent être réalisées sensiblement dans une même surface de préférence plane, et la coordonnée angulaire ou le déplacement angulaire est définie autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à la direction d'alignement et sensiblement parallèle à une tangente de ladite surface. Les bobines alignées peuvent alors être situées à l'intérieur d'un contour de la cible obtenu par projection de la cible sur la surface des bobines. Dans un autre mode de réalisation, les bobines alignées peuvent être réalisées sensiblement dans une même surface de préférence plane, et la coordonnée angulaire ou le déplacement angulaire est définie autour d'un axe sensiblement perpendiculaire à la surface. Les bobines alignées peuvent alors être agencées pour qu'un contour de la cible, obtenu par projection de la cible sur la surface des bobines, passe sensiblement par le centre de chaque bobine située à une des extrémités d'un alignement de bobines.
Un dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens pour corriger une détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon un degré de liberté axial à partir d'une détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire. - •
Un dispositif selon l'invention, comprenant plusieurs capteurs, peut comprendre une bobine émettrice ou réceptrice commune aux capteurs. Pour un dispositif selon l'invention comprenant plusieurs capteurs, les moyens d'excitation peuvent être communs aux capteurs, et il peut comprendre des moyens pour sélectionner les bobines émettrices qui sont reliées., aux moyens d'excitation et sont parcourues par un signal d'excitation. Ces moyens peuvent par exemple permettre une excitation tour à tour des bobines émettrices, par exemple séquentiellement capteur après capteur.
Pour un des capteurs, le signal alternatif d'excitation peut être périodique et posséder une fréquence pour laquelle le signal alternatif de réception du capteur ne dépend sensiblement pas d'un matériau de la cible
(notamment la phase du signal de réception), de préférence de l'ordre de quelques centaines de kilohertz à quelques mégahertz.
A l'opposé, un dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens pour déterminer un matériau de la cible à partir des signaux alternatifs de réception, le signal alternatif d'excitation possédant une fréquence de préférence inférieure à quelques centaines de kilohertz.
Enfin, un dispositif selon l'invention peut comprendre des moyens pour déterminer ou discriminer une forme de la cible à partir des signaux alternatifs de réception, ou des moyens pour asservir, à partir des signaux de réceptions, la position de la cible selon au moins un degré de liberté axial ou angulaire.
De manière préférentielle, la cible est métallique et/ou ferromagnétique.
De manière préférentielle, le signal alternatif d'excitation est un signal alternatif en tension, mais il peut aussi consister en un signal alternatif.en courant. Ce signal est de préférence sinusoïdal.
Les spires de chaque bobine peuvent être de manière non limitative circulaires, caηrées ou rectangulaires. Les bobines émettrices et réceptrices d'un capteur peuvent être réalisées sensiblement dans une même surface. Les bobines peuvent par exemple être réalisées sur différentes gorges d'une même structure rigide. Les bobines peuvent aussi être réalisées par sérigraphie de spires sur un circuit imprimé monocouche ou multicouche, chaque bobine pouvant alors être réalisée sur une couche différente du circuit. En outre, les bobines d'un capteur sont de préférence sensiblement concentriques.
Un dispositif selon l'invention peut comprendre en outre des moyens pour afficher la valeur de la coordonnée, de la position ou du déplacement déterminé ou des moyens pour transmettre cette valeur par exemple sous la forme d'un signal numérique ou analogique.
Dans le dispositif selon l'invention, les moyens de détermination d'un déplacement ou d'une position angulaire ou axiale peuvent comprendre des moyens pour combiner des signaux de réception analogiques avant ou après démodulation, ou des signaux de réception numériques issus des différentes bobines. Les moyens de détermination peuvent être agencés pour exploiter des signaux de réception fournis par l'une des bobines réceptrices de façon simultanée aux autres bobines, ou de façon séquentielle dans le temps. Pour traiter les signaux de réceptions, les moyens de détermination peuvent comprendre des moyens d'amplification, et/ou de comparaison à une référence, et/ou de démodulation synchrone au signal d'excitation, et/ou génération d'un signal analogique ou numérique.
Suivant un autre aspect de l'invention, il est proposé un procédé de mesure sans contact de la position d'une cible, mis en œuvre dans un dispositif selon l'invention comprenant au moins un capteur comprenant un ensemble de trois bobines dont une bobine émettrice, une bobine réceptrice et une dernière bobine émettrice ou réceptrice, ledit procédé comprenant :
- une excitation de chaque bobine émettrice par un signal alternatif d'excitation, - pour chaque capteur, une mesure d'un signal alternatif de réception, généré par la ou les bobines réceptrices du capteur par mutuelle inductance avec la ou les bobines émettrices du capteur, les deux mutuelles inductances entre une bobine émettrice et une bobine réceptrice du capteur étant sensiblement opposées pour une position d'équilibre donnée de la cible par rapport au capteur, et
- une détermination, à partir des signaux de réception, d'une distance ou d'une variation de la distance entre la cible et un des capteurs. Un des capteurs peut comprendre une première bobine émettrice, une seconde bobine émettrice et une unique bobine réceptrice. Le procédé selon l'invention peut alors comprendre une annulation, par la seconde bobine émettrice, et pour la position d'équilibre de la cible par rapport au capteur, d'un flux magnétique produit par la première bobine émettrice sur l'unique bobine réceptrice. Le procédé selon l'invention peut comprendre une détermination, à partir des signaux de réception de plusieurs capteurs auxquels appartiennent des bobines émettrices ou réceptrices alignées selon une direction d'alignement, d'une coordonnée ou d'un déplacement de la cible le long d'un axe parallèle à la direction d'alignement. De même, un procédé selon l'invention peut comprendre une détermination, à partir des signaux de réception de plusieurs capteurs auxquels appartiennent des bobines émettrices ou réceptrices alignées selon une première et une seconde direction d'alignement, d'au moins une coordonnée ou un déplacement de la cible le long d'un axe parallèle à des combinaisons linéaires de la première et de la seconde direction d'alignement.
Un procédé selon l'invention peut comprendre une détermination, à partir des signaux de réception de différents capteurs, d'une position ou un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire. Enfin, un procédé selon l'invention peut comprendre une correction d'une détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon un degré de liberté axial à partir d'une détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire, ou un asservissement, à partir des signaux de réceptions, de la position de la cible selon au moins un degré de liberté axial ou angulaire.
Le dispositif ou procédé selon l'invention permet donc la mesure, sans contact, de la position d'une cible par rapport à un ensemble de moyens magnétiques, et peut1 éventuellement permettre de mesurer, dans un référentiel solidaire du dispositif, jusqu'aux six degrés de liberté de la cible, à savoir les trois translations selon des axes orthonormés X ,Y, Z et les trois rotations (θx , θγ et θz) autour des trois axes X, Y, Z . Pour y parvenir, l'invention propose une façon innovante d'assembler plusieurs moyens magnétiques dont une ou des bobines émettrices et une ou des bobines réceptrices, en conservant les bénéfices de l'équilibrage de champ, afin de réaliser un dispositif pouvant être réalisé dans un espace restreint.
D'une façon générale, le dispositif ou procédé selon l'invention peut être utilisé partout où l'on a besoin d'une mesure sans contact pour des déplacements trois axes (d'amplitude comparable aux dimensions du capteur) et aussi d'une mesure des rotations (trois axes).
Le dispositif ou procédé selon l'invention peut aussi être utilisé pour détecter des métaux. Il peut permettre de discriminer la forme d'un objet cible, ou du moins d'avoir une vision de la forme de cet objet en projection, en comparant les signaux des différents capteurs.
Citons 3 applications non limitatives de l'invention :
- L'invention peut être utilisée pour la mesure des positions relatives d'un objet par rapport à un autre selon un ou plusieurs axes de déplacement (en rotation ou translation), pour un relevé passif ou pour un contrôle actif de ces positions ou déplacements. L'invention peut donc être utilisée pour la mesure ou le contrôle de positions dans le domaine de la robotique, de la machine outil, de l'automatisation.
- Une autre application du dispositif selon l'invention est la mesure des positions relatives des miroirs d'un télescope segmenté, en vue de leurs asservissements de positions. En effet, les positions relatives des miroirs entre eux évoluant sans cesse au gré des dilatations et autres effets atmosphériques, il convient de mesurer pour corriger par asservissement la position relative des miroirs. Pour des diamètres de plusieurs dizaines de mètres et des erreurs de position inférieures à une fraction de longueur d'onde optique, les précisions de positionnement à réaliser peuvent atteindre la dizaine de nanomètres, alors que les dilatations qui déplacent les miroirs sont facilement de l'ordre de la dizaine de microns. Cela signifie que Ia. non-linéarité finale du dispositif de mesure ne peut excéder quelques 10"4 (ou lOOppm, parties par millions). S'ajoutent à cela les écarts de position lors du montage des capteurs du dispositif, qui peuvent être de l'ordre de quelques millimètres voire plus, faisant travailler les capteurs dans des zones de linéarités différentes. Il convient alors de traquer toutes les sources de non-linéarité possibles, à commencer par la réponse en fonction du déplacement (linéarité intrinsèque de la mesure par un capteur), et également les effets que les rotations initiales lors du montage des capteurs, ou au cours de la vie du télescope, vont induire sur la réponse des capteurs. C'est pour cela qu'il faut une information de l'évolution de l'angle entre les capteurs. Cette information peut-être obtenue pour partie en croisant les mesures des différents capteurs, mais pas complètement (par exemple pour l'angle de rotation autour de l'axe normal lors du montage du capteur). Une façon de résoudre ce problème, et en plus de simplifier grandement l'étalonnage sur site, est de créer un dispositif fournissant les informations selon six axes (3 translations, 3 rotations), afin de corriger les croisements entre les axes et non linéarités de réponse. C'est ce que l'invention permet. Pour un dispositif complet six axes décrit par la suite dans un des modes de réalisation, il est possible de réduire les informations disponibles par comparaisons entre plusieurs capteurs. Le capteur résultant est alors plus compact par la réduction du nombre de moyens magnétiques à mettre en œuvre comme cela est expliqué par la suite dans les autres variantes de réalisation de l'invention, et l'électronique légèrement plus simple. - Une autre application du dispositif ou procédé selon l'invention est la mesure mono ou mutli-axes pour le génie civil, telle que la mesure de l'évolution de fissures dans un bâtiment ou un ouvrage en béton. La cible est fixée d'un côté de la fissure. Un ou plusieurs capteurs, son électronique et sa source d'énergie sont fixés de l'autre côté. Ainsi une mesure des évolutions de la fissure est possible, sans contact, pendant une longue période. De même, une autre application est la mesure de l'évolution des déformations liées au contraintes du -béton, selon un dispositif appelé extensomètre. Une autre application est la mesure de l'inclinaison d'un fil lesté, dispositif appelé télépendule (version électronique du classique fil à plomb de maçon). Comme pour la mesure des miroirs des télescopes, la mesure magnétique présente l'avantage dé l'insensibilité aux pollutions atmosphériques qui viendront souiller chaque capteur, la pluie notamment. Description des figures et modes de réalisation
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée de modes de réalisations nullement limitatifs, et des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique de face d'un premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la figure 2 illustre le principe de fonctionnement du premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la figure 3 est une vue schématique de profil du premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la figure 4 illustre un circuit de mesure du premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la figure 5 est une vue schématique de face d'un deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, - la figure 6 illustre le principe de fonctionnement du deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la figure 7 est une vue schématique de profil du deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la figure 8 illustre un circuit de mesure du deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention,
- la figure 9 illustre une vue en 3 dimensions du plan d'un capteur d'un dispositif selon l'invention, d'une cible, et des degrés de liberté de la cible,
- la figure 10 illustre un troisième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, pour une mesure d'un degré de liberté axial d'une cible,
- la figure 11 illustre un agencement des bobines du troisième mode de réalisation illustré sur la figure 10,
- la figure 12 illustre un autre agencement possible des bobines du troisième mode de réalisation illustré sur la figure 10,
- la figure 13 illustre un quatrième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, consistant en une juxtaposition de deux capteurs concentriques tels qu'illustrés sur la figure 10, et permettant la mesure des mouvements d'une cible selon deux axes X et Y, - la figure 14 illustre un cinquième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, consistant en une juxtaposition de 3 capteurs tels qu'illustrés sur la figure 10, et permettant de détecter les mouvements d'une cible selon trois axes X, Y, Z, - la figure 15 illustre un sixième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, consistant en une juxtaposition de 3 capteurs tels qu'illustrés sur la figure 10, et permettant de détecter les mouvements d'une cible selon deux axes X, Y,
- la figure 16 illustre un septième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, consistant en une juxtaposition de 5 capteurs tels qu'illustrés sur la figure 10, et permettant de détecter les mouvements d'une cible selon trois axes X, Y, Z,
- la figure 17 illustre trois courbes de la dérivée d'un signa! obtenu respectivement pour 1, 3 et 5 capteurs juxtaposés, en fonction de la distance X en millimètres entre la cible et les capteurs du dispositif selon l'invention,
- la figure 18 illustre un huitième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, pour une mesure de position d'une cible selon cinq degrés de liberté, - la figure 19 illustre deux courbes de réponse du huitième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, en fonction d'une distance X en millimètres entre les capteurs du dispositif et une cible,
- la figure 20 illustre un neuvième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, - la figure 21 illustre un dixième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, permettant des mesures de position d'une cible selon deux axes et un angle,
• - la figure 22 illustre un onzième mode de réalisation de dispositif . selon l'invention, permettant des mesures de position d'une cible selon- deux degrés de libertés axiaux,
- la figure 23 illustre un douzième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, - la figure 24 illustre un treizième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, permettant une mesure de position d'une cible selon trois degrés de libertés axiaux et trois degrés de libertés angulaires,
- la figure 25 illustre un quatorzième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, et
- la figure 26 illustre la disposition de différentes bobines du huitième mode de réalisation, et le sens de rotation du courant dans ces bobines.
- la figure 27 illustre un quinzième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, permettant une mesure de position d'une cible selon trois degrés de libertés axiaux et trois degrés de libertés angulaires, avec des bobines organisées selon une symétrie d'ordre 3 (invariance par rotation de 120°).
On va tout d'abord décrire, en référence aux figures 1 à 4, un premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention mettant en œuvre un procédé selon l'invention. Un capteur 1 comprend un ensemble de trois bobines, dont deux bobines émettrices El, E2 et une bobine réceptrice R. Pour simplifier la figure 1, une seule spire a été dessinée par bobine. En réalité, chaque bobine comprend plusieurs spires.
Une source de tension, générant une tension d'excitation alternative VE de pulsation w, est branchée aux bornes des bobines émettrices El, E2 montées en série. La tension VE génère un courant d'excitation IE traversant les deux bobines émettrices El et E2 qui créent respectivement un champ magnétique Hl et H2, de flux Ψl et Ψ2 dans les bobines El et E2. Les deux champs Hl, H2 traversent la bobine réceptrice R. Le capteur 1 se comporte alors comme un transformateur : les bobines émettrices se comportent comme des circuits primaires du transformateur, la bobine réceptrice se comporte comme un circuit secondaire du transformateur, et il existe un couplage par mutuelle inductance entre les bobines émettrices et réceptrice. Une première mutuelle inductance Ml entre la première bobine émettrice El et la bobine réceptrice R, et une seconde mutuelle inductance M2 entre la seconde bobine émettrice E2 et la bobine réceptrice R, génèrent une tension de réception VR dans la bobine réceptrice R. Le signal de réception VR est sensiblement le produit du courant IE par la différence des deux mutuelles Ml et M2, le tout multiplié par la pulsation w :
VR = IE (Ml - M2) w Le capteur 1 selon l'invention permet de déterminer la distance entre ledit capteur 1 et une cible 2, de préférence métallique et/ou ferromagnétique. La forme, les dimensions, le nombre de spires, le sens d'enroulement et les positions relatives des bobines sont telles que, lorsque la cible 2 est une distance d'équilibre définie du capteur 1, les mutuelles inductances Ml et M2 sont de même valeur mais de signes opposés, c'est- à-dire que le signal de réception VR est sensiblement nul.
Un agencement préférentiel des bobines permet d'obtenir ces conditions : les bobines sont agencées pour que, lorsque la cible 2 est à la distance d'équilibre, les deux flux Ψl et Ψ2 sont, vu par la bobine réceptrice R, de même valeur mais de signes opposés (Ψl et Ψ2 s'équilibrent au niveau de la bobine R), c'est-à-dire que le flux vu par la bobine réceptrice R est sensiblement nul. Pour cela, les bobines émettrices El, E2 et réceptrice R de l'ensemble sont réalisées sensiblement dans un même plan 3. Chaque bobine comprend plusieurs spires contenues dans le plan 3, de diamètres différents et sensiblement concentriques. Les bobines émettrices El, E2 sont montées en série avec des sens de rotation opposés de leurs spires. Ainsi, si le courant IE parcourt la première bobine émettrice El dans le plan 3 dans un sens (sens horaire sur la figure 1), le courant IE parcourt la deuxième bobine émettrice E2 dans le plan 3 dans un sens opposé (sens contra-horaire sur la figure 1). La première bobine émettrice El entoure la deuxième bobine émettrice E2 qui entoure la bobine réceptrice R. Les. trois bobines El, E2, R sont sensiblement concentriques. Sur la figure 1, les bobines El, B2 et R sont représentées circulaires, mais elles peuvent aussi être par exemple carrées ou rectangulaires. Les bobines sont réalisées sur un circuit imprimé multicouche. La première bobine émettrice El est réalisée dans une couche du circuit comprise entre une couche dans laquelle est réalisée la deuxième bobine émettrice E2 et une couche dans laquelle est réalisée la bobine réceptrice R. Dans une variante, la bobine réceptrice R pourrait entourer la deuxième bobine émettrice E2. De même, la bobine réceptrice R pourrait être réalisée dans une couche comprise entre la couche où est réalisée la bobine émettrice El et la couche où est réalisée la bobine émettrice E2. De préférence, la distance d'équilibre est choisie sensiblement infinie, c'est-à-dire que le flux vu par la bobine réceptrice R et le signal de réception VR sont sensiblement nuls en absence de cible 2 suffisamment proche du capteur pour modifier les mutuelles inductances Ml et M2.
Lorsque la distance entre la cible 2 et le capteur 1 s'éloigne de la distance d'équilibre (c'est-à-dire lorsque la cible s'approche des bobines du capteur dans le cas où la distance d'équilibre est infinie), les deux flux Ψl, Ψ2 sont perturbés par les caractéristiques magnétiques et la résistance électrique de la cible. Un courant dit de Foucault circule dans la cible. Le courant de Foucault génère un champ s'opposant aux champs d'émission Hl, H2 des bobines. Les deux flux Ψl et Ψ2 sont alors perturbés et n'évoluent pas de la même façon lorsque la cible se déplace par rapport aux bobines. De même, les deux mutuelles Ml, M2 sont perturbées et n'évoluent pas de la même façon lorsque la cible se déplace par rapport aux bobines. Ce phénomène génère ou augmente le déséquilibre des flux Ψl, Ψ2 et des mutuelles au niveau de la bobine réceptrice R, ce qui génère ou modifie le signal électrique VR dans la bobine réceptrice R.
Ml et M2 sont des fonctions différentes mais toutes les deux dépendent de la distance entre le capteur 1 et la cible 2. Il y a donc bien une forte corrélation entre le signal VR et la distance entre le capteur et la cible. Ainsi, des moyens pour mesurer et traiter le signal de réception VR permettent de déterminer la distance d entre le capteur 1 et la cible 2. Ils permettent aussi de déterminer une variation de la distance entre la cible et le capteur (déplacement de la cible).
Un circuit 7 de mesure branché aux bornes de la bobine réceptrice traite le signal de réception VR : le signal de réception VR est amplifié par au moins un étage d'amplification 4 de gain gl, puis est démodulé avec un démodulateur 5 synchrone avec le signal d'excitation VE, puis enfin est filtré à l'aide d'un filtre passe bas 6 définissant la bande passante du capteur 1. L'amplitude du signal de sortie VS obtenu dépend de la valeur de la distance absolue entre la surface visée de la cible des bobines et le capteur. Le circuit 7 permet donc de déterminer la distance d entre le capteur et la cible. Un calculateur analogique et un ensemble de réglage d'offset et de gain peut améliorer la linéarité de la mesure de distance afin d'obtenir directement une tension de sortie VS qui dépend linéairement de la distance d : VS = K d avec K une constante de linéarité.
Le signal de réception VR peut en outre comprendre une information sur la nature d'un matériau de la cible modifiant les mutuelles inductances
Ml, M2. Si la fréquence du signal d'excitation VE est inférieure à quelques centaines de kilohertz, la phase du signal de réception VR par rapport au signal d'excitation VE dépend de la nature du matériau de la cible. Le circuit peut donc comprendre en outre des moyens pour analyser la phase du signal de réception VR et des moyens pour déterminer, à partir du signal de réception VR, le matériau de la cible. Cependant, dans un mode de réalisation préférentiel, la fréquence ou pulsation w du signal d'excitation est élevée (typiquement comprise en quelques centaines de kilohertz et quelques mégahertz). De cette façon, on minimise la sensibilité du signal de réception VR au type de matériau de la cible et on maximise la sensibilité du signal de réception à la position ou au déplacement de la cible par rapport au capteur.
Le capteur selon l'invention peut déterminer la distance entre la cible et ledit capteur (et donc la position, le déplacement ou la vibration de la cible le long d'un axe reliant la cible au capteur) avec des performances métrologiques inaccessibles aux capteurs traditionnels inductifs.
Le capteur à balance d'induction selon l'invention génère uniquement un signal de réception utile, c'est-à-dire dépendant uniquement de la position de la cible par rapport au capteur. La variation du signal de réception est grande devant la valeur sensiblement nulle de ce signal lorsque la cible est à une distance du capteur égale à la distance d'équilibre.
Une dérive ou du b.ruit sur le signal d'excitation VE se répercute sur les deux bobines El, E2. Les deux bobines émettant des champs de directions sensiblement opposées, les dérives ou les bruits sur les champs
Hl et H2 se compensent sensiblement. De plus, le signal de réception n'est pas ou très peu perturbé par la capacité d'un éventuel câble reliant les bobines au circuit de mesure. Ainsi, la sensibilité du capteur selon l'invention à la température environnante peut être dix fois plus faible que les capteurs traditionnels. Cet avantage permet d'améliorer fortement les performances métrologiques des capteurs inductifs et de pouvoir rivaliser avec des technologies qui sont traditionnellement plus performantes comme le capacitif mais tout en étant insensible aux pollutions comme l'eau, l'huile, et la poussière.
En référence aux figures 5 à 8, on va maintenant décrire un deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention mettant en œuvre un procédé selon l'invention.
Un capteur 1 comprend un ensemble de trois bobines, dont une bobine émettrice E et deux bobines réceptrices Rl et R2. Pour simplifier la figure 5, une seule spire a été dessinée par bobine. En réalité, chaque bobine comprend plusieurs spires.
Une source de tension, générant une tension d'excitation alternative VE de pulsation w, est branchée aux bornes de la bobine émettrice E. La tension VE génère un courant d'excitation IE traversant la bobine émettrice E qui crée un champ magnétique H. Ce champ traverse les deux bobines réceptrices Rl et R2. Le capteur 1 se comporte alors comme un transformateur : la bobine émettrice se comporte comme un circuit primaire du transformateur, les bobines réceptrices se comportent chacune comme un circuit secondaire du transformateur, et il existe un couplage
' par mutuelle inductance entre les bobines émettrice et réceptrices. Une première mutuelle inductance Ml entre la bobine émettrice E et la première bobine réceptrice Rl, et une seconde mutuelle inductance M2 entre la bobine émettrice E et la seconde bobine réceptrice R2, génèrent une tension de réception VR dans les bobines réceptrices Rl, R2. Le signal de réception VR est sensiblement le produit du courant IE par la différence des deux mutuelles Ml et M2, le tout multiplié par la pulsation w : VR = IE (Ml - M2) w Le capteur 1 selon l'invention permet de déterminer la distance entre ledit capteur 1 et une cible 2, de préférence métallique et/ou ferromagnétique. La forme, les dimensions, le nombre de spires, le sens d'enroulement et les positions relatives des bobines sont tels que, lorsque la cible 2 est une distance d'équilibre définie du capteur 1, les mutuelles inductances Ml et M2 sont de même valeur mais de signes opposés, c'est- à-dire que le signal de réception VR généré par les bobines réceptrices Rl, R2 est sensiblement nul.
Un agencement préférentiel des bobines permet d'obtenir ces conditions : les bobines sont agencées pour que, lorsque la cible 2 est à la distance d'équilibre, les deux bobines réceptrices Rl, R2 voient le flux Ψ avec le même module mais avec des signes opposés par rapport à leurs sens respectifs de rotation de spires. Pour cela, les bobines émettrice E et réceptrices Rl, R2 de l'ensemble sont réalisées sensiblement dans un même plan 3. Chaque bobine comprend plusieurs spires contenues dans le plan 3, de diamètres différents et sensiblement concentriques. Les bobines réceptrices Rl, R2 sont montées en série avec des sens de rotation opposés de leurs spires. Le signal de réception VR consiste donc en l'addition des signaux générés par chacune des bobines réceptrices par mutuelle inductance avec la bobine émettrice. La première bobine réceptrice Rl entoure la deuxième bobine réceptrice R2 qui entoure la bobine émettrice E. Les trois bobines E, Rl, R2 sont sensiblement concentriques. Sur la figure 1, les bobines E, Rl, R2 sont représentées circulaires, mais elles peuvent aussi être par exemple carrées ou rectangulaires. Les bobines sont réalisées sur un circuit imprimé multicouche. La première bobine réceptrice Rl est réalisée dans une couche du circuit comprise entre une couche dans laquelle est réalisée la deuxième bobine réceptrice R2 et une couche dans laquelle est réalisée la bobine émettrice E.
Comme pour le premier mode de réalisation, la bobine émettrice pourrait entourer la bobine réceptrice R2, ou les bobines réceptrices Rl et R2 ; la bobine émettrice E pourrait aussi être située dans une couche entre celles des bobines réceptrices El et E2 ; et la distance d'équilibre est de préférence choisie sensiblement infinie. Lorsque la distance entre la cible 2 et le capteur 1 s'éloigne de la distance d'équilibre (c'est-à-dire lorsque la cible s'approche des bobines du capteur dans le cas où la distance d'équilibre est infinie), le champ H est perturbé par les caractéristiques magnétiques et la résistance électrique de la cible, mais les deux mutuelles inductances Ml, M2 ne réagissent pas de la même façon et ne sont donc plus de valeurs opposées. Dans ces conditions, le déplacement de la cible génère ou augmente un déséquilibre des mutuelles inductances Ml, M2, ce qui modifie le signal électrique VR.
Ml et M2 sont des fonctions différentes mais toutes les deux dépendent de la distance entre le capteur 1 et la cible 2. Il y a donc bien une forte corrélation entre le signal VR et la distance entre le capteur est la cible. Ainsi, des moyens pour mesurer et traiter le signal de réception VR permettent de déterminer la distance d entre le capteur 1 et la cible 2. Ils permettent aussi de déterminer une variation de la distance entre la cible et le capteur (déplacement de la cible).
Le capteur comprend en outre un circuit de mesure 7 illustré sur la figure 8, agencé pour traiter le signal de réception VR et pour en déterminer la distance entre la cible et le capteur. Ce circuit est identique à celui du premier mode illustré sur la figure 4, à l'exception du fait qu'il est branché aux bornes des bobines de réceptions Rl, R2.
On va maintenant décrire, en références aux figures 9 à 26, d'autres modes de réalisation de dispositifs selon l'invention mettant en œuvre des procédés selon l'invention. Par la suite, on considère que les moyens magnétiques ou bobines de chaque capteur- sont réalisés sensiblement dans un plan 3. On pourra se référer à la figure 9 pour l'orientation d'axes X, Y, Z par rapport au capteur et à la cible 2, ainsi ..que les rotations possibles de la cible par rapport au capteur : ( - X est un axe reliant le capteur à la cible (axe longitudinal); dans le cas où le capteur ou la cible est munie d'une surface plane faisant face respectivement à la cible ou au capteur, l'axe X est sensiblement • perpendiculaire à la surface plane respectivement du capteur ou de la cible ; par commodité, la position ou coordonnée de la cible parallèlement à cet axe sera aussi notée X ;
- Y est un axe sensiblement perpendiculaire à l'axe X et sensiblement parallèle au plan 3 du capteur (axe latéral); par commodité, la position ou coordonnée de la cible parallèlement à cet axe sera aussi notée Y ;
- Z est un autre axe sensiblement perpendiculaire à l'axe X et sensiblement parallèle au plan 3 du capteur (axe latéral), de sorte que le repère X, Y, Z forme un repère orthonormé direct ; par commodité, la position ou coordonnée de la cible parallèlement à cet axe sera aussi notée Z ;
- θx est la position ou coordonnée angulaire de la cible autour de l'axe
X ;
- θy est la position ou coordonnée angulaire de la cible autour de l'axe
Y ; - θz est la position ou coordonnée angulaire de la cible autour de l'axe
Z ;
On va décrire maintenant, en référence aux figures 9 à 12, un troisième mode de réalisation de dispositif selon l'invention comprenant un unique capteur Lc. Ce capteur permet la mesure de la distance frontale (le long de l'axe X) séparant le plan 3 de réalisation des bobines du capteur et une cible 2. Le capteur comprend une première bobine émettrice périphérique LI (représentée en gras sur la figure 10) entourant une seconde bobine réceptrice LM (ou bobine de mesure). La bobine LM peut soit entourer une troisième bobine émettrice LG (ou bobine de garde, représentée en pointillés sur les figures 10 à 12) comme représenté sur la figure 11, soit être « interdigitée » avec la bobine LG comme représenté sur la figure 12. Dans une variante non représentée, on pourrait imaginer que la bobine LG entoure la bobine LM. Les bobines LM, LI, et LG sont réalisées dans le plan 3 du capteur, et sont constituées chacune de plusieurs spires qui sont contenues dans le plan 3, de diamètres différents et sensiblement concentriques. Les bobines LM, LI et LG sont sensiblement concentriques, ce qui permet de définir un centre du capteur Lc. On considère un cas identique au premier mode de réalisation de dispositif selon l'invention : les bobines LI et LG sont des bobines émettrices excitées par un signal alternatif d'excitation, et la bobine LM est une bobine réceptrice aux bornes de laquelle est branché un circuit (tel que celui représenté sur la figure 4) pour mesurer un signal de réception généré par la bobine LM par mutuelle inductance avec les bobines . LI et LG. Lorsque la cible 2 est à une distance d'équilibre par rapport au capteur, les mutuelles inductances de chacun des couples comprenant une des bobines émettrices LI ou LG et la bobine réceptrice LM sont de même valeur mais de signes opposés. On aurait bien évidemment pu envisager le cas où, comme pour le deuxième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, les bobines LI et LG sont réceptrices, la bobine LM est émettrice et le circuit de mesure est comparable à celui représenté sur la figure 8 et branché aux bornes des bobines LI et LG.
Ce capteur fournit une courbe de réponse de bonne sensibilité pour un mouvement de la cible 2 le long de l'axe X qui est perpendiculaire au plan 3 des bobines LI, LM, LG. Par ailleurs, après une analyse de la répartition du champ rayonné dans l'espace par les bobines émettrices, la cible est agencée de sorte que son contour 8 ou 9, obtenu par projection du pourtour de la cible sur le plan 3 du capteur, se trouve loin des zones de plus forte variation du champ rayonné. De cette façon, les mouvements de la cible selon les axes Y et Z ne font quasiment pas varier le signal détecté. Enfin, l'ensemble est préférentiel lement réalisé à symétrie de rotation autour d'un axe commun (axe X), conduisant par exemple les bobines à une forme circulaire ou carrée. De la sorte, la très faible composante croisée de sensibilité selon les axes Y et Z ne comporte pas de terme à l'ordre impair, en particulier à l'ordre 1, réduisant ainsi l'amplitude de cette sensibilité croisée. Ainsi, l'ensemble de ces performances permet de relier le capteur à une électronique, non pas à effet de seuil, mais fournissant un signal précis de mesure, sensible au déplacement selon un axe (X), et très peu selon les autres axes (Y, Z, Gx , θγ et θ2). L'équilibrage de champ, grâce à l'excitation simultanée de LI et de LG, permet de réduire le terme de bruit à grande distance (de l'ordre du diamètre de LI), et d'augmenter la sensibilité et reproductibilité des mesures.
Pour ce troisième mode de réalisation, la sensibilité à proximité du capteur s'annule à une distance donnée entre le capteur et la cible, puis change de signe en deçà de cette distance. Cela n'est pas forcément gênant et peu même être mis à profit pour placer une protection physique du capteur à la limite et en deçà de cette distance, dans cette zone morte.
" Notons que si cela est possible ou souhaitable pour l'application, Je contour 8 de la cible 2 peut aussi être choisi infini, c'est-à-dire très grand devant le diamètre de la bobine LI. Ainsi, la sensibilité croisée devient parfaite. Le contour 9 de la cible peut aussi être limitée strictement à l'intérieur de LI (sur une vue en projection comme la figure 10), avec un peu plus de sensibilité croisée, mais moins d'encombrement. Il est préférable d'éviter de découper la cible juste en face de la bobine d'excitation LI, zone à forte variation de champ et donc avec plus de sensibilité croisée aux mouvements Y.
La mesure de mouvements selon trois axes pourrait se faire en assemblant selon les trois axes au moins trois capteurs concentriques à équilibrage de champ tels que décrits précédemment, c'est-à-dire en plaçant les capteurs dans trois plans orthogonaux. Un tel assemblage souffre de plusieurs limitations. Il est encombrant. Les différents plans des capteurs ne permettent pas une intégration directe sur un seul même support par des moyens de reproduction sur un plan (réalisation de circuits imprimés par exemple). De plus, les différents capteurs produisent un champ parasite sur leur voisin venant perturber les mesures si on tente de réduire notablement les dimensions de l'ensemble.
On a testé un premier type de capteur consistant à juxtaposer en face de la cible et dans un même plan plusieurs capteurs tels que décrits en référence aux figures 10 à 12. Il est nécessaire de juxtaposer au moins 2 capteurs pour une détermination de la position de la cible le long des axes X et Y, et au moins 3 pour une détermination de la position de la cible le ,, long des axes X, Y et Z.
La figuré 13 illustre un quatrième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, comprenant deux capteurs Lc, Ll identiques à celui décrit en référence aux figures 9 à 12. Le capteur Lc comprend une bobine émettrice périphérique LIc, une bobine centrale réceptrice LMc et une bobine émettrice de garde LGc. Le capteur Ll comprend une bobine émettrice périphérique LIl, une bobine centrale réceptrice LMl et une bobine émettrice de garde LGl. Les capteurs Lc, Ll sont réalisés dans un même plan et les centres de ces capteurs sont alignés parallèlement à l'axe Y parallèle au plan. Le dispositif comprend en outre des moyens de mesure des signaux générés par les bobines réceptrices de chaque capteur Lc et Ll, et des moyens pour déterminer, à partir de ces signaux, une coordonnée ou un déplacement de la cible le long de l'axe X et/ou Y.
La figure 14 illustre un cinquième mode de réalisation de dispositif selon l'invention comprenant, par rapport au quatrième mode de réalisation, un capteur L4 supplémentaire identique à celui décrit en référence aux figures 9 à 12. Le capteur L4 comprend une bobine émettrice périphérique LI4, une bobine centrale réceptrice LM4 et une bobine émettrice de garde LG4. Les capteurs Lc, Ll et L4 sont réalisés dans un même plan. Les centres des capteurs Lc et Ll sont alignés parallèlement à l'axe Y parallèle au plan. Les centres des capteurs Lc et L4 sont alignés parallèlement à l'axe Z parallèle au plan et perpendiculaire à l'axe Y. Le dispositif comprend en outre des moyens de mesure des signaux générés par les bobines réceptrices de chaque capteur, des moyens pour déterminer, à partir des signaux générés par Lc et Ll, une coordonnée ou un déplacement de la cible le long de l'axe Y, des moyens pour déterminer, à partir des signaux générés par Lc et L4, une coordonnée ou un déplacement de la cible le long de l'axe Z, et des moyens pour déterminer, à partir du signal généré par Lc, une coordonnée ou un déplacement de la cible le long de l'axe X,.
Les figures 15 et 16 illustrent respectivement un sixième et un septième mode de réalisation de dispositif selon l'invention. Par rapport au quatrième et cinquième modes de réalisation, deux capteurs supplémentaires L3, L2 peuvent être ajoutés symétriquement à Ll et L4 par rapport au centre du capteur Lc, et dans le même plan que le capteur Lc. Le capteur L2 comprend une bobine émettrice périphérique LI2, une bobine centrale réceptrice LM2 et une bobine émettrice de garde LG2. Le capteur L3 comprend une bobine émettrice périphérique LI3, une bobine centrale réceptrice LM3 et une bobine émettrice de garde LG3. Les centres de Ll, Lc et L3 sont donc alignés parallèlement à l'axe Y, Ll et L3 étant situés de part et d'autre de Lc, et les centres de L2, Lc et L4 sont donc alignés parallèlement àl'axe Z, L2 et L4 étant situés de part et d'autre de Lc. Ceci permet de rendre plus linéaires les réponses aux mouvements selon les axes Y et Z. Ainsi, le capteur central Lc qui est sensiblement aligné avec un axe de symétrie de la cible (axe X) permet de détecter les mouvements de la cible selon l'axe X. Les capteurs Ll à L4 dont les centres sont alignés avec le contour de la cible permettent de détecter les mouvements de la cible selon les axes Y et Z.
Pour simplifier l'exposé, on nommera par la suite de la même manière un capteur et le signal généré par le ou les bobines réceptrices de ce capteur. On nommera aussi par la suite de la même manière une bobine réceptrice et le signal généré par cette bobine réceptrice. Par exemple, pour les modes de réalisation décrits en référence aux figures 9 à 16, on peut au choix :
- déterminer une coordonnée ou un déplacement de la cible le long de l'axe X, en utilisant le signal Lc ;
- déterminer une coordonnée ou un déplacement de la cible le long de l'axe Y, en utilisant la différence de signaux L1-L3 ou Ll-Lc ;
- déterminer une coordonnée ou un déplacement de la cible le long de l'axe Z, en utilisant la différence de signaux L2-L4 ou L4-Lc; On peut calculer les interactions parasites de l'assemblage de capteurs des modes de réalisation décrits en référence aux figures 9 à 16, et montrer que la sensibilité selon X du capteur central Lc s'annule à courte distance, par rapport à un capteur Lc non perturbé. La courbe du haut de la figure 17 montre l'évolution de la dérivée de la réponse du capteur Lc par rapport à X en millimètres, et calculée pour une cible de dimension infinie, dans le cas de 1 capteur tel que représenté sur la figure 10. La courbe du milieu de la figure 17 montre l'évolution de la dérivée de la réponse du capteur Lc (courbe pointillée) et Ll (courbe pleine) par rapport à X en millimètres, et calculée pour une cible de dimension infinie, dans le cas d'une juxtaposition de 3 capteurs telle que représentée sur la figure 15. La courbe du bas de la figure 17 montre l'évolution de la dérivée de la réponse du capteur Lc (courbe pointillée) et Ll (courbe pleine) par rapport à X en millimètres, et calculée pour une cible de dimension infinie, dans le cas d'une juxtaposition de 5 capteurs telle que représentée sur la figure 16. Pour un diamètre global de chaque capteur concentrique de 40mm, on observe que cette dérive passe de 0.23 à 0.047 puis à 0 pour X = 36mm, respectivement pour 1, 3 capteurs juxtaposés en ligne, et 5 capteurs juxtaposés en forme de croix (« + »). Le diamètre du capteur coaxial élémentaire est 40mm. Ces courbes sont obtenues par calcul, pour une cible de dimensions infinies. La cible est supposée amagnétique (perméabilité relative égale à 1), infiniment conductrice, et donc idéale dans le sens où elle annule complètement la composante normale à la plaque du champ B.
De même pour les capteurs latéraux Ll à L4, cette dérivée passe de 0.232 à 0.047 puis à 0.033, pour 1, 3 et 5 capteurs juxtaposés. On pourra remarquer, en référence à la figure 16, que le capteur central Lc n'est pas identique aux capteurs latéraux Ll à L4. En effet, on a fait varier ses paramètres (dimensions, nombres de spires, etc..) pour compenser l'effet des capteurs latéraux sur l'équilibrage de champ au niveau du capteur central et réciproquement.
Cette annulation de la dérivée et donc de la sensibilité est due aux champs produits par les capteurs latéraux sur le capteur observé, champs qui viennent réduire ou annuler la composante du champ magnétique perpendiculaire à la cible à une certaine distance. Cet effet se produit également dans une moindre mesure sur la sensibilité à X des capteurs Ll à L4. La portée est donc significativement réduite par cet effet de couplage des champs des différents capteurs, avec de plus un diamètre triplé par rapport au capteur initial seul. En résumé, ce premier arrangement de capteurs équilibrés conduit non seulement à multiplier par 3 le diamètre (ou par 9 la surface) de l'ensemble, mais aussi à réduire la portée par rapport à un capteur individuel. L'invention permet de supprimer ces effets de couplage qui réduisent significativement la portée par rapport à la distance X, comme cela est exposé ci-dessous.
Pour les figures 13 à 16, les spires en traits interrompus correspondent
'à des bobines émettrices de garde, nommées LGi. Les spires périphériques en traits continus épais correspondent aux bobines émettrices LIi. Les traits fin continus plus à l'intérieur correspondent aux bobines réceptrices LMi. Pour les figures 13 à 16, i est un indice variant de 1 à 4 pour les zones latérales, et correspondant à c pour la zone centrale. Les carrés ou rectangles 8, 9, 10 en traits interrompu correspondent au contour en projection de la cible.
Une caractéristique importante des modes de réalisation de dispositif selon l'invention pour des mesures selon plusieurs axes est la suivante : la bobine périphérique de chaque capteur (LI sur la figure 10) peut être remplacée par une unique bobine commune qui entoure l'ensemble des autres bobines du dispositif.
La figure 18 illustre un huitième mode de réalisation (préférentiel) de dispositif selon l'invention. Ce huitième mode de réalisation correspond au septième mode de réalisation illustré sur la figure 16, dans lequel la bobine périphérique (émettrice) LIl à LI4 et LIc de chaque capteur latéral Ll à L4 et central Lc est remplacée par une unique bobine émettrice commune LI qui entoure l'ensemble des autres bobines du dispositif. Cette bobine LI produit alors un champ de grande portée, typiquement de portée triple par rapport à celui des bobines périphériques initiales de chacun des capteurs Ll à L4. La portée de ce champ peut être définie comme l'endroit où les lignes de champs ont une inclinaison donnée, par rapport à la cible, sachant que seule la composante orthogonale à la cible produit un courant de Foucault, d'où une portée proportionnelle au diamètre de la bobine pour un ratio diamètre cible sur diamètre bobine donné.
Ainsi, le huitième mode de réalisation comprend cinq capteurs réalisés sensiblement dans le même plan: un capteur central Lc, et quatre capteurs latéraux Ll, L2, L3 et L4. Les capteurs Ll à L4 comprennent chacun trois bobines dont une bobine émettrice LI est commune à tous les capteurs. Le capteur Lc comprend, en plus de la bobine LI, des bobines centrales réceptrices LMcI à LMc4 et émettrices LGcI à LGc4. Chaque capteur Ll à L4 comprend, en plus de la bobine commune LI, une bobine émettrice respectivement LGl à LG4 et une bobine réceptrice LMl à LM4, ces deux bobines étant concentriques. Les centres des bobines LMl, LGl, LM3, LG3 sont sensiblement alignés parallèlement à l'axe Y, et ces bobines sont disposées de part et d'autre de l'ensemble des bobines centrales LMcI à LMc4 et LGcI à LGc4 . Les centres des bobines LM2, LG2, LM4, LG4 sont sensiblement alignés parallèlement àl'axe Z, et ces bobines sont disposées de part et d'autre de l'ensemble des bobines centrales LMcI à LMc4 et LGcI. à LGc4.
L'absence de bobine émettrice autour de chaque bobine de mesure LMl à LM4 et LMcI à LMc4 permet d'en augmenter la surface et donc la sensibilité. La bobine LGl à LG4 et LGcI à LGc4 annule, en absence de cible, les effets du champ rayonné par l'unique bobine LI sur le récepteur respectivement LMl à LM4 et LMcI à LMc4, de façon à conserver les avantages de l'équilibrage de champ. Le but des bobines LGl à LG4 et LGcI à LGc4 est donc de masquer le champ d'excitation de la cible. Par analogie avec le domaine de l'optique, la bobine périphérique LI produit un champ magnétique qui permet « d'illuminer » la cible. Les bobines de compensation LGl à LG4 et LGcI à LGc4 jouent un rôle de « Garde » par rapport à ce champ d'illumination qui aurait tendance à aveugler l'électronique de mesure sans précaution. Elles compensent les effets de LI au niveau des récepteurs LMl à LM4 et LMcI à LMc4. Le mot Garde est choisi par analogie à l'électrode de garde utilisée pour la mesure capacitive. Enfin, chaque bobine réceptrice LMl à LM4 et LMcI à LMc4 sert de bobine de mesure. Bien entendu, cela à déjà été dit précédemment, les bobines LI et LGi (i de 1 à 4, ou de cl à c4) peuvent aussi servir de bobines de mesure (en combinant leur signaux comme pour le deuxième mode de réalisation), la bobine LMi (i de 1 à 4, ou de cl à c4) correspondante de même indice i peut alors servir de bobine d'excitation. On ne les renommera pas dans ce cas car l'emplacement géométrique en reste identique à celui décrit dans l'exposé pour le mode d'excitation sur LI, LGi et de mesure sur LMi. Les avantages de l'unique bobine LI ont été quantifiés notamment à la figure 19, à comparer directement avec la troisième courbe en bas de la figure 17. La figure 19 montre l'évolution de la dérivée de la réponse du capteur Lc (courbe pointillée) et Ll (courbe pleine) par rapport à X en millimètres, et calculée pour une cible de dimension infinie, dans le cas du huitième mode de réalisation. La sensibilité obtenue à 40mm est bien meilleure, d'un facteur supérieur à 10, et de plus monotone.
Par rapport au septième mode de réalisation illustré sur la figure 16, le capteur central Lc du huitième mode de réalisation illustré figure 18 est séparé en 4 sous capteurs, comprenant chacun la bobine émettrice commune LI, et un couple comprenant une bobine émettrice respectivement LGcI à LGc4 et une bobine réceptrice LMcI à LMc4. La bobine émettrice LGcI à LGc4 est respectivement concentrique avec la bobine réceptrice LMcI à LMc4. Les centres des bobines LMc4, LGc4, LMcI et LGcI sont sensiblement alignés le long d'un axe parallèle à l'axe Y. Les centres des bobines LMc3, LGc3, LMc2 et LGc2 sont sensiblement alignés le long d'un autre axe parallèle à l'axe Y. Les centres des bobines LMc4, LGc4, LMc3 et LGc3 sont sensiblement alignés le long d'un axe parallèle à l'axe Z. Les centres des bobines LMc2, LGc2, LMcI et LGcI sont sensiblement alignés le long d'un axe parallèle à l'axe Z.
Des mesures ont été faites, pour le septième mode de réalisation illustré sur la figure 16, pour comparer l'évolution de la dérivée du signal LMc (courbe pleine) et de la somme des signaux LM1+LM2+LM3+LM4 (courbe pointillée) en fonction d'une distance X entre les capteurs du dispositif et une cible. Suite à ces mesures, on montre que l'on peut obtenir une sensibilité aux déplacements selon X comparable avec un unique capteur central Lc ou en additionnant les réponses des capteurs latéraux LMl à LM4. Une meilleure linéarité au déplacement X a même été obtenue en additionnant LMl à LM4 après linéarisation, ainsi qu'une dérivée légèrement supérieure à longue portée.
C'est pour cette raison que le capteur central Lc a été remplacé, dans le huitième mode de réalisation illustré sur la figure 18, par 4 sous capteurs dont le rôle sert principalement à corriger les effets d'angle de la cible comme cela est expliqué plus loin. Pour la sensibilité à X, un bruit de 0,8 μm/racine(Hz) à X=50mm a par exemple été mesuré pour un diamètre de capteur de 100mm, montrant la très bonne résolution de l'invention.
En . référence aux figures 13 à 16, les bobines du dispositif sont agencées pour que le contour 10 de la cible, obtenu par projection du pourtour de la cible sur le plan des capteurs, passe sensiblement par le centre de chaque bobine située à une des extrémités d'un alignement de bobines. Ainsi :
- pour le quatrième mode de réalisation (figure 13), le contour 10 passe par le centre de Lc, LIc, LMc, LGc, Ll, LIl, LMl, LGl.
- pour Ie cinquième mode dé réalisation (figure 14), le contour 10 passe par le centre de Lc, LIc, LMc, LGc, Ll, LIl, LMl, LGl, L4, LI4, LM4, LG4.
- pour le sixième mode de réalisation (figure 15), le contour 10 passe par le centre de Ll, LIl, LMl, LGl, L3, LI3, LM3, LG3. - pour le septième mode de réalisation (figure 16), le contour 10 passe par le centre de Ll, LIl, LMl, LGl, L3, LI3, LM3, LG3, L2, LI2, LM2, LG2, L4, LI4, LM4, LG4.
- pour le huitième mode de réalisation (figure 18), le contour 10 passe par le centre de LMl, LGl, LM3, LG3, LM2, LG2, LM4, LG4. Autrement dit, pour le huitième mode de réalisation, les dimensions de la cible ont été choisies de façon à aligner les arêtes de son contour sur les axes de symétrie des bobines LMl à LM4, plus précisément les axes de symétries médians verticaux (le long de Z) pour LMl et LM3 et les axes de symétriques médians horizontaux (le long de Y) pour LM2 et LM4, comme illustré sur la figure 18. De cette façon, les non linéarités d'ordre 2 sont faibles par construction, et de plus se compensent grâce à la différence des signaux des bobines latérales (LMl moins LM3 et LM2 moins LM4). La non linéarité d'ordre 3 est faible, mais pas nulle. Elle correspond au fait qu'un déplacement latéral de la cible ajoute d'un côté une bande d'interaction cible-champ qui renvoie davantage de champ vers la bobine de mesure, et retire la même bande de l'autre côté, réduisant symétriquement le champ sur la bobine d'en face (LMl et LM3 par exemple). L'effet de non linéarité provient du fait que les deux bandes précédentes ne sont pas exposées rigoureusement au même champ au fur et à mesure que la cible est décalée par rapport à l'axe de symétrie. Cet effet produit donc un terme d'ordre 3 sur la réponse selon Y. Des mesures confirment que la réponse que l'on obtient à partir de la différence LM1-LM3 est très linéaire, avec principalement des termes d'ordre 3 (et non d'ordre 2). La non linéarité d'ordre 3 obtenue est de 10% pour 12mm d'écart à l'axe de symétrie, et de seulement 2,5% à 6mm de cet axe de symétrie.
Considérons maintenant les effets d'angle de la cible. Une itotation d'angle θz selon l'axe Z produit par exemple une augmentation du signal sur LMl et une diminution de celui sur LM3. Cette variation est au premier ordre similaire à un mouvement de translation selon Y. Une rotation parasite selon l'axe Z produit donc une erreur de mesure sur la position Y. Pour un dispositif de mesure où l'angle θz est différent entre la phase de calibrage et la phase d'utilisation, mais constant dans le temps, cet angle produit une erreur de position fixe ΔY au premier ordre, dont on pourrait éventuellement se satisfaire pour une mesure relative de mouvement. Cependant, cette erreur sur Y n'est pas compensée par rapport aux erreurs d'ordre 3. Elle produit une aberration sur les corrections de non linéarité d'ordre 3. Une mesure de l'erreur a été faite pour une rotation de la cible de 2,5°, pour ces termes d'ordre 3 aboutissant à une valeur de quelques pourcents. Il est donc nécessaire de compenser ces effets d'angle si une rotation de la cible est à craindre.
Compte-tenu de la bonne sensibilité à X des bobines latérales comme cela est expliqué plus haut, et de la nécessité de s'affranchir des effets d'angle, on a donc remplacé le capteur central par 4 bobines réceptrices LMcI à LMc4 occupant chacune le quart de l'espace initial, et munie chacune de leur bobine de garde LGcI à LGc4 en leur centre. De cette façon, cette zone centrale est directement sensible aux angles θγ et θz, mais très peu sensible aux mouvements de translation selon Y et Z car ces quatre bobines LMcI à LMc4 sont à l'intérieur de la surface de la cible (en projection selon l'axe X). Par combinaisons linéaires, une compensation des effets d'angle est obtenue à partir des mesures LMl à LM4 et LMcI à LMc4. Notons que la réponse de ces bobines LMcI à LMc4 peut aussi être ajoutée à la réponse des bobines latérales LMl à LM4 pour en augmenter le signal pour la mesure de X.
La figure 20 illustre un neuvième mode de réalisation de dispositif selon l'invention, décrit pour ses différences avec le huitième mode de réalisation. Les moyens LMcI à LMc4 sont réalisés à l'intérieur des moyens LMl à LM4 correspondant. En excitant le moyen LMci (i étant un indice variant de 1 à 4, soit LMcI, LMc2, LMc3, LMc4) correspond au moyen LMi (i étant un indice variant de 1 à 4, soit LMl, LM2, LM3, LM4), le moyen LMci peut jouer un rôle de garde qui annule le champ produit par LI en l'absence de cible. Le moyen LMci peut ensuite servir de moyen de mesure sensible à l'angle (en le commutant d'un circuit d'excitation à un circuit de mesure). Dans une version très simplifiée, LMci ne reçoit pas de moyen de garde, dégradant le rapport signal sur bruit dans certaines circonstances, ou en reçoit une alors en action lors de la mesure du signal de LMci. L'avantage est une plus grande surface consacrée à LMi qui englobe alors LMci, et la suppression des quatre bobines de garde LGi (i étant un indice variant de 1 à 4, soit LGl, LG2, LG3, LG4), simplifiant l'électronique et donnant plus de surface disponible pour LMi.
Dans ces modes de réalisation multiaxes qui viennent d'être décrits (en référence aux figures 18 à 20), la bobine d'illumination LI est périphérique aux moyens de mesures LMl à LM4 et LMcI à LMc4, et dans le même plan que ceux-ci. Elle est éventuellement accompagnée des excitations de « garde » LGl à LG4 et LGcI à LGc4 qui améliorent le rapport signal sur bruit à l'infini (typiquement le diamètre de la cible). Ces moyens LGl à LG4 et LGcI à LGc4 peuvent ne pas être utilisés, et l'espace libéré peut permettre de loger plus de spires pour les moyens de mesure LMl à LM4 et LMcI à LMc4, améliorant l'amplitude du signal mesurant (dérivée par rapport à X), mais au détriment d'un fond continu plus important. La non utilisation des moyens de garde est plus adaptée pour un capteur fonctionnant à courte distance, c'est-à-dire d'un diamètre de plusieurs fois la distance maximale à la cible.
Une cible à courants de Foucault, voire magnétique, permet de n'avoir aucun contact ni liaison avec des capteurs du dispositif.
En pratique, une bonne sensibilité (et linéarité) à Y et Z est réalisable pour une cible dont les arêtes se superposent ou restent à proximité de certains des axes de symétrie (axes médians) des moyens de mesure latéraux LMl à LM4 de Y et Z (bobines réceptrices des capteurs Ll à L4), comme l'illustre le contour 10 de la cible sur les figures 13 à 16, 18 et 20. Les moyens de mesure centraux LMcI à LMc4 sont surtout sensibles aux effets d'angle θy et θz, alors que les moyens latéraux LMl à LM4 fournissent un signal sensible aux mouvements transverses Y et Z et aux effets d'angle θy et θ2.
Autres variantes de réalisation du dispositif
Par rapport au huitième mode de réalisation illustré sur la figure 18, si le dispositif ne doit pas mesurer les mouvements selon l'axe Z, il est possible de ne pas utiliser les moyens LM2, LG2, LMc2, LGc2, LM4, LG4, LMc4, LGc4. La bobine LI peut être réduite en diamètre selon l'axe Z. Les figures 21 et 22 illustrent les enveloppes des différentes bobines restantes dans ce cas.
Si la mesure de l'angle de la cible n'est pas envisagée, la zone centrale du dispositif peut ne pas recevoir les moyens LMcI à LMc4 et LGcI à LGc4. Pour un dispositif pour des mesures axiales selon X et Y, il est alors possible de rapprocher les moyens LMl, LGl et LM3, LG3. Le diamètre de
LI et de la cible peut être réduit. La figure 22 illustre ce cas.
Le dispositif de la figure 10 se voit alors comme l'ultime simplification des dispositifs illustrés sur les figures 21 et 22 (cas de la mesure selon 1 axe X uniquement).
Dans les modes de réalisations décrits précédemment, il est préférable que le contour de la cible soit ou à l'intérieur, ou à l'extérieur de LI, mais pas au dessus, afin de limiter la sensibilité croisée aux mouvements non détectés, mais éventuellement possibles. Par rapport au huitième mode de réalisation illustré sur la figure 18, si la mesure de l'angle θx est utile, au moins un couple de bobines parmi LMl, LGl à LM4, LG4 peut être scindée en deux parties latérales, comme illustré sur la figure 24. Pour un indice i entre 1 et 4, la bobine LMi est alors scindée en deux parties LMdi et LMgi (ces parties étant alignées le long d'un axe parallèle à l'axe Y pour LM2 et LM4, et alignées le long d'un axe parallèle à l'axe Z pour LMl et LM3), et la bobine LGi est scindée en deux parties LGdi et LGgi (ces parties étant alignées parallèlement à l'axe Y pour LM2 et LM4, et alignées parallèlement à l'axe Z pour LMl et LM3). Ce scindement est effectué de préférence pour au moins un des indices i, de préférence deux indices pour respecter la symétrie (1 et 3, ou 2 et 4), voir les 4 pour avoir des réponses similaires selon les axes Y et Z. Cela peut faciliter les traitements ultérieurs, mais n'est pas indispensable. La différence LMdi-LMgi donne alors une sensibilité à θx, la somme LMdi+LMgi donne les mêmes informations que LMi.
Pour le huitième mode de réalisation illustré sur la figure 18, des bobines de mesure auxiliaires LAUX peuvent être ajoutées dans les coins du plan des capteurs, plutôt à l'extérieur du contour 10 de la cible (vue selon l'axe X), afin par exemple de fournir un signal de référence, ou bien d'évaluer les effets du boîtier protégeant le dispositif (si celui-ci est conducteur).
Enfin, les formes des bobines ou de la cible ne sont pas déterminantes. Une forme ronde (ou ovale, ou elliptique, ou octogonale) est par exemple envisageable à la place du carré ou du rectangle. Les moyens LMl à LM4 peuvent aussi être trapézoïdaux afin d'augmenter légèrement l'amplitude du signal en utilisant toute la surface disponible pour la mesure, comme illustré sur la figure 25. Les moyens LMl à LM4 peuvent aussi se trouver aux quatre coins du plan des capteurs, comme illustré sur la figure 23, ces moyens n'étant plus alignés selon Y ou Z. La mesure selon l'axe Y se fait alors par une combinaison linéaire du type (LM1+LM2)-(LM3+LM4), idem pour Z.
On pourra aussi organiser la répartition des bobines de mesure LMi selon une symétrie d'ordre 3, c'est-à-dire une invariance par rotation de 120°.
Dans un mode de réalisation non illustré, on utilisera la bobine émettrice LI entourant trois bobines réceptrices LMl, LM2, , LM3. Les bobines réceptrices LMl, LM2, LM3 sont symétriques l'une par rapport à l'autre par une rotation de 120° autour d'un point. Chaque bobine réceptrice est sensiblement concentrique avec une bobine de garde LGl, LG2, LG3 qui lui est associée. La bobine LI est réalisée sensiblement dans le même plan que les bobines LMl, LM2, LM3, LGl, LG2, LG3, et entoure sensiblement ces bobines. La cible a de préférence une symétrie circulaire autour de l'axe X, et la projection de son contour passe sensiblement par les centres de LNl, LM2, LM3, LGl, LG2, LG3. Les bobines LM2, LG2, LM3, et LG3 sont alignés le long d'un axe parallèle à l'axe Z. La mesure de la translation selon Y peut alors se faire par combinaison linéaire des signaux (LMl-0.5*(LM2+LM3)). La mesure de la translation selon l'axe Z peut se faire par la combinaison (LM2-LM3). La mesure selon l'axe X peut se faire par la somme (LM1+LM2+LM3). Ces combinaisons annulent les sensibilités croisées entre les axes au premier ordre. Elles sont complétées par d'autres termes d'ordre plus élevées pour compenser ces sensibilités croisées (donc pour les plus grands déplacements), et/ou d'autres techniques de linéarisation.
Dans un autre mode de réalisation illustré sur la figure 27, on utilisera la bobine émettrice LI entourant neuf bobines réceptrices LMcI, LMc2, LMc3, LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3. Chaque bobine réceptrice LMcI, LMc2, LMc3, LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3 est sensiblement concentrique avec une bobine de garde respectivement LGcI, LGc2, LGc3, LGgI, LGdI, LGg2, LGd2, LGg3, LGd3 qui lui est associée. La bobine LI est réalisée sensiblement dans le même plan que les bobines LMcI, LMc2, LMc3, LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3, LGcI, LGc2, LGc3, LGgI, LGdI, LGg2, LGd2, LGg3, LGd3 et entoure sensiblement ces bobines. Les bobines réceptrices LMcI, LMc2, LMc3 sont symétriques l'une par rapport à l'autre par une rotation de 120° autour d'un point central. Les six bobines LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3 sont réparties dans cet ordre sensiblement sur un cercle entourant les trois bobines LMcI, LMc2, LMc3. Les couples de bobines (LMgI, LMdI), (LMg2, LMd2), (LMg3, LMd3) sont symétriques l'un par rapport à l'autre par une rotation de 120° autour du point central. Le contour 10 de la cible passe sensiblement par les centres de LMgI, LMdI, LMg2, LMd2, LMg3, LMd3, LGcI, LGc2, LGc3, LGgI, LGdI, LGg2, LGd2, LGg3, LGd3. Les bobines LMg2, LGg2, LMd3 et LGd3 sont alignées parallèlement à l'axe Z. Les bobines LMgI, LGgI, LMdI et LGdI sont alignées parallèlement à l'axe Z. Les bobines LMd2, LGd2, LMg3 et LGg3 sont alignées parallèlement à l'axe Z. Les bobines LMc2, LGc2, LMc3 et LGc3 sont alignées parallèlement à l'axe Z. Les bobines LMgI, LGgI, LMg3 et LGg3 sont alignées parallèlement à l'axe Y. Les bobines LMd2, LGd2, LMdI et LGdI sont alignées parallèlement à l'axe Y. La mesure de la translation selon Y peut alors se faire par combinaison linéaire des signaux ((LMgl+LMdl) -0.5*(LMg2+LMg2+LMg3+LMd3)). La mesure de la translation, selon Z peut se faire par la combinaison ((LMg2+LMd2)- (LMg3+LMd3)). La mesure selon X peut se faire par la somme ((LMgH-LMdl+LMg2+LMg2+LMg3+LMd3), éventuellement complétée par (LMcl+LMc2+LMc3). Pour les mesures d'angles, θx peut provenir de ((LMdl-LMgl)+(LMd2-LMg2)+(LMd3~LMg3)). La mesure de θy peut provenir de (LMc2-LMc3). La mesure de θz peut provenir de (LMcI- 0,5*(LMc2+LMc3)). On retire du calcul de Y détaillé plus haut un coefficient fois la mesure de θz pour compenser la sensibilité croisée de l'angle θz sur la mesure de Y, au premier ordre. De même, on retire du calcul de Z détaillé plus haut un coefficient fois la mesure de θy. Ces combinaisons annulent les sensibilités croisées entre les axes, au premier ordre. Elles sont complétées par d'autres termes d'ordre plus élevées pour compenser ces sensibilités croisées (donc pour les plus grands déplacements), et/ou d'autres techniques de linéarisation. Les coefficients pour obtenir les mesures de Y, Z, θy, θz à partir des combinaisons précédemment détaillées dépendent en particulier de X.
Comment placer les bobines LGi par rapport à LMi si celles-ci sont utilisées ?
On a comparé la position relative de LG par rapport à LM (voir les figures 11 et 12). Les deux possibilités des figures 11 et 12 sont valables pour chaque couple LMi, LGi (i étant un indice variant de 1 à 4, pouvant bien sûr aussi décrire les moyens du centre « ci » cl à c4). Une meilleure sensibilité est obtenue en enroulant simultanément (ou en contiguïté) LG et LM sur une partie de l'espace, comme illustré sur la figure 12. Nous dirons que les bobines sont « interdigitées » dans cette zone commune. Cependant, cette configuration conduit aussi à augmenter significativement les capacités parasites entre ces enroulements. Il en résulte une limitation de la fréquence de résonance, ainsi qu'une plus grande dérive thermique du capteur, due à un couplage capacité parasite-résistance série. Bien que cela diminue la sensibilité initiale du capteur, une réalisation préférée de l'invention est de réaliser les bobines LG à l'intérieur de LM, sans zone commune « interdigitée », comme illustré sur la figure 11.
Comment assembler électriquement les bobines LG et LI ?
De façon à réduire le nombre de voies de mesure, une réalisation préférée de l'invention consiste à commuter une seule des bobines de mesure sur une chaîne d'amplification, de comparaison à une référence, de démodulation synchrone, et d'échantillonnage. Les autres bobines réceptrices de mesure LMi, LMci (i étant un indice variant de 1 à 4) sont alors laissées en circuit ouvert. Elles seront commutées par la suite, cycliquement. D'autres configurations permettant la mesure simultanée sont évidemment possibles si la rapidité de mesure prime sur la simplification de l'électronique de mesure (et le moindre coût). De même, il est possible d'ajouter ou de soustraire électriquement les signaux de certains moyens (via un commutateur par exemple pour mesurer plusieurs combinaisons) avant de les détecter et de les échantillonner. Cela permet alors de réduire les sources d'incertitudes liées à l'électronique ou à certains câbles de liaison.
Lorsque la mesure est faite par multiplexage temporel successif des bobines LMi, LMci (i étant un indice variant de 1 à 4), seule la bobine de garde LGi, LGci (i étant un indice variant de 1 à 4) de la bobine réceptrice LMi, LMci commutée en mesure a besoin d'être excitée pendant la mesure. Cette configuration est la configuration préférée pour la mesure compte- tenu de la meilleure symétrie de mesure obtenue par rapport à un assemblage en série des bobines LGi, LGci ainsi que de la réduction d'effets de capacité parasite et de dérive thermique.
Moyennant la prise en compte des effets de couplage mutuels, l'excitation simultanée des autres bobines de gardes LGi, LGci est également possible. Il est dans ce cas préférable d'alterner le sens de rotation des courants des gardes, entre les gardes des moyens latéraux, et celles des moyens centraux, pour renforcer les champs compensateurs comme cela est montré figure 26. (Les courants des bobines de garde latérales LGi tournent en sens horaire, ceux des gardes centrales LGci en sens anti-horaire). Un assemblage série est possible de façon à équilibrer naturellement les courants. Cet assemblage conduit à une dissymétrie des réponses et des effets de couplage résistance série- capacité parasite, en particulier si le capteur est utilisé à haute fréquence, proche de sa fréquence de résonance.
Une connexion en parallèle peut aussi être envisagée, mais avec l'inconvénient de rendre l'équilibrage des courants dépendant de la symétrie des résistances séries des bobines, sujettes à d'importantes dérives thermiques. Une meilleure configuration est alors d'utiliser autant de sources de courant qu'il y a de bobines LGi, LGci ces sources évoluant de préférence de façon identique par rapport aux perturbations (en particulier thermiques). La bobine LI peut alors recevoir la somme des courants des LGi, LGci ou celui d'une source supplémentaire.
Comment réaliser les arrivées de courant ou les conducteurs de mesure de façon à ne pas perturber le champ d'excitation ou détecté ?
Les liaisons entre les bobines et l'électronique de mesure constituent autant de circuits parasites créant eux même un champ excitateur, on une boucle de mesure. Ces circuits ont en général l'inconvénient :
- de perturber la symétrie initiale des différents moyens en vis-à-vis symétrique, car reliant ces moyens à l'électronique d'excitation et mesure forcément rassemblée quelque part ailleurs que sur un axe de symétrie.
- d'éventuellement être déformables car une liaison souple peut être préférable entre d'une part l'électronique d'excitation et de mesure, et le capteur associé,
II est préférable d'utiliser des liaisons symétriques « coplanaires » de type masse/signal/masse, ou plutôt noeudl/noeud2/noeudl, c'est-à-dire deux rubans (de même largeur) entourant symétriquement un troisième ruban au centre (éventuellement de largeur différente des deux rubans latéraux). Le ruban central est parcouru par le départ du courant, les deux circuits latéraux sont parcourus par le courant de retour (égale au précédent). En électronique à haute fréquences, les deux rubans latéraux de retour sont reliés à la masse, le ruban du centre est le signal. Pour l'invention, les rubans extérieurs sont simplement reliés à une des extrémités de la bobine, le ruban du centre est relié à l'autre extrémité. Si la mesure se fait en tension pure, ces deux mêmes conducteurs servent à mesure la tension aux bornes de la bobine. De cette façon, les boucles parasites créées captent des contributions en opposition de phase et d'égale amplitude par rapport à un champ homogène (ou faiblement différent entre les boucles). Ces liaisons coplanaires ont l'avantage d'être réalisables sur une des faces seulement du capteur, laissant l'autre pour réaliser les spires des bobines.
La ligne coplanaire précédente peut être complétée sur l'autre face d'un circuit imprimé souple par un plan conducteur occupant tout l'espace et préférentiellement relié aux conducteurs latéraux par des trous métallisés. Un blindage supplémentaire peut être encore ajouté de l'autre côté au dessus d'un diélectrique pour fermer complètement la liaison. Des pistes supplémentaires peuvent être ajoutées entre ou autour des pistes principales pour servir d'écran électrostatique entre ces pistes ou autour.
La liaison peut aussi être réalisée par un câble coaxial isolant naturellement le volume entre les conducteurs des perturbations extérieures.
Ce câble coaxial peut comporter une troisième couche externe supplémentaire, ou encore une « garde » ou couche intermédiaire interne entre les conducteurs des courants, ou les deux afin de réduire les influences capacitives parasites mutuelles ou avec l'environnement.,.
Réalisation de la cible, suite
. Nous l'avons déjà évoquée. Les bords de la cible doivent de préférence être alignés avec certains axes de symétrie des moyens latéraux (LMl, LGl) à (LM4, LG4), de façon à obtenir une meilleure linéarité aux déplacements transverses Y et Z. En fait, à une distance X donnée, l'axe de symétrie du champ normal à la plaque (courant de Foucault) n'est pas forcément confondu avec celui des moyens LMi, LGi (i étant un indice variant de 1 à 4). Il peut être utile de décaler légèrement le bord de la cible pour améliorer la linéarité. Si le capteur ne mesure pas toutes les directions de déplacement, si ..l'espace disponible le permet, il n'est pas forcément nécessaire (en terme de linéarité ou de sensibilité) de centrer le bord de la cible sur l'axe médian du moyen LMi supprimé. Ainsi, pour une mesure selon les axes X et Y, on pourra dessiner la cible comme l'un des contours 10 de la figure 21 ou 22, au-delà ou à l'intérieur de la surface des spires de LI. Ce qui compte est seulement de placer une discontinuité en face (vue face), ou à proximité d'un axe médian d'un moyen mesurant pour la mesure selon une translation Y ou Z. Sur la forme de la cible, le plan est évidement plus facile à obtenir dans le cas général. Cependant, il est tout à fait possible d'avoir une cible par exemple de forme sphérique, ou autre, pourvu que cette dernière présente une discontinuité de forme sur la projection sur le capteur (matérialisée ou pas par une arête vive) de façon à créer une différence sur le champ réfléchi en fonction des mouvements latéraux si l'on souhaite les mesurer.
Et pour le cas un axe, les formes possibles sont infinies, de simple petit disque à un objet très grand par exemple. L'intérêt du plan ou d'une forme relativement plane et symétrique est surtout de limiter la sensibilité croisée. Il importe donc surtout que la forme soit à faible rayon de courbure en face du capteur si l'on souhaite diminuer les sensibilités croisées.
La cible interagit grâce à sa conduction et/ou sa perméabilité magnétique. Tout métal de bonne conduction, tel que l'aluminium ou le cuivre, peut être utilisé. On peut également choisir le matériau de la cible pour ses qualités de résistance à la corrosion : on choisira alors par exemple l'acier inoxydable.
La réflexion du champ magnétique par la cible se fait sur les premières couches du métal rencontré. Pour du cuivre pur, par exemple à la fréquence de 1 mégahertz, l'effet de peau est de 66 microns, et de 85 microns pour de l'aluminium. Comme cela est déjà exposé précédemment, le champ décroissant comme l'exponentielle de la profondeur, seules quelques dizaines de microns participent à la réflexion. Rappelons que cette épaisseur de peau dépend de la racine carrée de la conductivité (qui dérive de 3900ppm/°C pour le cuivre). Elle dérive donc avec la température, faisant ainsi se déplacer avec la température la position moyenne d'où semble provenir le champ. Pour une réflexion semblant provenir de 20 microns sous la surface, la dérive thermique fait se déplacer ce plan moyen de 39nm/°C. La cible peut donc être relativement fine tout en réfléchissant le maximum de champ (quelques dizaines de microns à quelques millimètres), ou plus épaisse afin d'avoir une bonne tenue mécanique intrinsèque. L'utilisation d'une cible de perméabilité magnétique μi supérieure à l'unité peut permettre d'augmenter le signal à basse fréquence de fonctionnement par rapport à une cible où les courants de Foucault sont utilisés seuls. En revanche, des effets perturbateurs peuvent intervenir (couplage au champ magnétique terrestre pour une mesure absolue, bruit intrinsèque lié à l'homogénéité de la ferrite, etc.).
La cible peut aussi être constituée d'un matériau supraconducteur (par exemple un SQUID). Elle devient alors infiniment conductrice (jusqu'à une certaine densité de courant, que l'on peut aisément ne pas dépasser). L'épaisseur de peau (effet de peau) devient nulle ; le plan moyen de réflexion devient alors idéalement invariant en surface du matériau, rendant cette cible idéale pour la précision de la mesure.
Bobine excitation, variante
Le mode préféré de réalisation de la bobine d'excitation LI est de faire tourner un ensemble de conducteurs en une seule bobine. On peut toutefois, pour un même encombrement global, faire tourner le conducteur sur plusieurs sous-ensembles, c'est-à-dire plusieurs bobines reliées entre- elles. Pour garder une réalisation possible sur un même plan, complété d'une deuxième face pour les interconnexions, les bobines ne doivent pas se superposer, ou très peu. Ces bobines comportent donc des zones de contact avec leurs voisines. En ces zones, deux cas sont possibles : soit les courants circulent dans la même direction (cas 1), soit dans une direction opposée (cas 2). Pour le cas 1, le champ produit se renforce alors localement. En revanche, cette configuration revient à inverser les flux produits en champ plus lointain car les boucles ainsi définies sont de signes opposés. Il en résulte alors un champ à plus faible portée en ce qui concerne la composante perpendiculaire au plan de la cible.
Pour le cas 2, c'est l'inverse. Le champ local au voisinage des zones de contact se trouve réduit car les courants circulent localement en sens opposé. En revanche, le champ lointain correspond à la réunion des surfaces des deux bobines considérées qui tournent dans le même sens. Si on oublie les perturbations créées aux zones de contact, qui sont rayonnées à courte portée, les champs lointains correspondent à ce qui serait obtenu pour une bobine comportant autant de spires tournant sur l'extérieur des deux bobines ainsi réunies (si l'on considère des bobines comportant le même nombre de spires). Cependant, la bobine unique remplaçant les deux bobines voisines comporte moins de résistance série et de capacité parasite, repoussant ainsi les phénomènes électriques parasites à plus haute fréquence.
Une approche simple et électriquement plus pure consiste donc à ne bobiner qu'une seule bobine pour réaliser le moyen d'excitation LI (plus les gardes éventuelles). L'intérêt de fractionner LI en plusieurs sous-éléments n'apparaît éventuellement que pour modifier le comportement à très courte distance (soit une fraction du diamètre de LI).
Modes de réalisation du capteur et de la cible
Une réalisation possible de bobines magnétiques peut se faire en enroulant du fil conducteur (de cuivre) sur un support contenant des emplacements pour les différentes bobines.
Un mode de réalisation préféré de l'invention consiste à réaliser l'ensemble des bobines par gravure ou par sérigraphie de deux couches de cuivre, elles-mêmes collées sur une plaque servant de support. Cette
• technique est connue sous le nom de circuit-imprimé. Une face peut servir principalement à réaliser les spires des bobines, l'autre face servant principalement à faire passer les interconnexions qui croiseraient inévitablement les spires des bobines si elles étaient réalisées sur la première face. Les circuits de commutations ou de génération et de traitement des signaux peuvent être ajoutés sur ce circuit imprimé. L'avantage d'une telle technique de réalisation est le faible coût de cette technologie largement diffusée et maîtrisée. Parmi les autres avantages, citons la bonne reproductibilité de l'ensemble, et la finesse du capteur obtenu. Le support peut être de type verre-epoxy pour un moindre coût et une large disponibilité des moyens de fabrication. Bien entendu, un empilement de bobines réalisées sur des supports différents est aussi possible, mais moins intégré. La forme de la réponse selon X est alors dans ce cas légèrement différente, en particulier si les moyens LGi sont dans un plan décalé de LI selon la distance X.
Une mesure n'est très précise que si le dispositif capteur, dans son ensemble, mesures et excitation, est dimensionnellement stable, avec les fluctuations de température et avec le temps. Cette très bonne stabilité peut être obtenue si le capteur lui-même a la stabilité voulue : par exemple, si le capteur est constitué d'un disque de verre ou de silice sur les deux faces duquel ont été déposées puis gravées les couches de cuivre ou d'aluminium (grâce à des résines photosensibles). Alternativement, le capteur peut fort bien être constitué d'un circuit imprimé souple, intrinsèquement instable ; mais collé sur un miroir de télescope en zérodur ou en silice, un tel circuit imprimé acquière la stabilité de son support massif, extraordinaire dans le long terme et avec les fluctuations de température. Ceci ne tient évidemment que si les supports sont non conducteurs de l'électricité (ou très peu), pour éviter d'annuler les champs magnétiques émis par LI et LGi.
Si enfin la cible est métallique, il faut qu'elle soit parfaitement stable. Elle peut être réalisée par les mêmes techniques de collage, et des matériaux similaires, pour une précision du même ordre.
Comment réaliser l'excitation et la mesure, en mode courant ou tension ? Pour un couple de deux bobines Ll et L2 en couplage magnétique, la relation reliant les courants et les tensions est la suivante :
Ul = Llωj .il + M12.ωj.I2 U2 = M12.ωj. il + L2.ωj.i2
M12 étant la mutuelle inductance entre Ll et L2,
Ul étant la tension aux bornes de Ll U2 étant la tension aux bornes de L2 il étant le courant parcourant Ll i2 étant le courant parcourant L2 ω étant la pulsation du signal d'excitation Ul, il sur Ll
Nous aurions pu écrire M21 dans la deuxième équation, mais ce terme vaut exactement M12. On peut alors :
- Appliquer une tension sur la bobine 1,
- Appliquer un courant sur la bobine 1,
- Mesurer une tension sur ia bobine 2,
- Mesurer un courant sur la bobine 2, alors fermée sur un court-circuit, Ou encore, plus généralement, exciter la bobine 1 par un générateur de tension d'impédance série non nulle, et mesurer la bobine 2 chargée sur une impédance différente du court-circuit ou de l'infini.
Bien entendu, les rôles des bobines 1 et 2 peuvent être permutés.
Nous pouvons distinguer quatre modes « purs » de mesure différents. On pourra :
- exciter en tension, mesurer une tension,
- exciter en tension, mesurer un courant,
- exciter en courant et mesurer une tension, (mode qui s'apparente au précédent), - exciter en courant et mesurer un courant. Pour le premier cas, nous appliquons une source de tension Ul sur la bobine Ll. Nous relions la bobine L2 sur un amplificateur de mesure à entrée haute impédance, qui rend le courant \2 nul (pour toutes les valeurs possibles de la tension U2). Le courant il se fixe alors automatiquement et produit le flux dans la bobine L2 à travers la mutuelle M12. Nous mesurons alors U2, ou plus exactement U2/U1 qui vaut M12/L1. (Notons que c'est M12 qui fournit l'essentiel de la sensibilité aux déplacements dans cette relation).
Pour le second cas, nous pouvons appliquer une source de tension Ul sur Ll, fermer la bobine L2 sur un court-circuit, c'est-à-dire un amplificateur à impédance d'entrée nulle (par exemple entrée inverseuse
«-» d'un amplificateur opérationnel, cette entrée « - » étant reliée à la sortie par une résistance qui fera une conversion courant tension, l'entrée non inverseuse « + » étant reliée à la masse commune). Nous forçons alors ,U2 à 0. La mesure correspond alors à I2/U1 = l/( M12.ωj).
De même, pour le cas 3, nous relions par exemple la bobine 1 à une source de courant II, et nous mesurons la tension U2 sur un amplificateur d'impédance d'entrée infinie. La relation obtenue est U2/I1 = M12.ωj
Pour le cas 4, nous remplaçons l'amplificateur haute impédance du cas 3 par le détecteur de courant d'impédance nulle du cas 2, qui force U2 à 0. La relation obtenue est alors 12 / II = -L1/M12 = -M12/L2.
A ces quatre modes « purs », il conviendra d'ajouter l'infinité de modes obtenus en remplaçant la source d'excitation en courant ou tension par une source d'impédance finie (ni nulle, ni infinie), et de même l'amplificateur de mesure par un amplificateur d'impédance quelconque ni nulle, ni infinie. On obtiendra ainsi des combinaisons linéaires incluant l'impédance de la source et/ou de la charge, si celles-ci ne sont pas nulles ou infinies. Ces dernières mesures sont moins pures et non préférées pour la réalisation de l'invention car elles font intervenir des variables supplémentaires que sont ces impédances. Elles peuvent présenter un intérêt si des câbles très longs sont utilisés, pour adapter les émetteurs ou récepteurs à leur impédance. Bien que, d'un point de vue conceptuel, nous ayons considéré les moyens LI (plus LGi si ils existent, i étant un indice variant de 1 à 4 pouvant bien sûr aussi décrire les moyens du centre cl à c4) comme étant les sources d'illumination, des moyens mesurant, il est tout à fait possible d'exciter l'un des moyens LMi (ou LMci, l'indice i pouvant bien sûr aussi décrire les moyens du centre cl à c4), alors commuté sur une source, et de mesurer sur le moyen LI (alors sur le capteur ou la cible), éventuellement en série sur le moyen de compensation LGi correspondant, ou bien de faire une combinaison linéaire des signaux de LI et de LGi correspondants, voire d'imaginer d'autre combinaisons et excitations ou mesures simultanées.
Parmi les différents modes possibles évoqués plus haut, un des modes préférés est une excitation en courant et une mesure en tension donnant accès directement au paramètre M12.ωj. Pour s'affranchir du terme ωj, on peut aussi préférer une excitation en tension, et mesure en tension, donnant un rapport inductance mutuelle sur inductance propre indépendant de la fréquence (le terme de pulsation ω renvoie à la fréquence f, via ω=2.pi.f.j).
Comment extraire les informations de distances à partir des différents moyens mesurant ?
On utilisera par exemple l'amplitude des signaux relevés.
Ces différentes relations ont été expliquées au fil de l'exposé. Afin d'en faciliter la lecture, elles sont rassemblées dans ce paragraphe. Y provient de (LM1-LM3), avec une relation de proportionnalité (et non linéarités à fort Y). Le coefficient de proportionnalité dépend de X. Des linéarisations de ce dernier sont possibles en divisant par exemple par (LM1+LM3) ou d'autres combinaisons linéaires.
De ce terme (LM1-LM3) est soustrait k fois θy (décrit plus loin) si ce terme angulaire est mesuré. Le terme k d'origine géométrique est peu variable avec X.
De même, Z est proportionnel à (LM2-LM4).
X provient de LMc ou de la somme de tous les capteurs, par exemple LM1+LM2+LM3+LM4 éventuellement complétée de LMcl+LMc2+LMc3+LMc4, . La relation n'est pas linéaire, mais peut l'être davantage par des transformations (inverse x donne 1/x . . . )
. θy provient de (LMcl+LMc4)-(LMc2+LMc3). De même θz provient de (LMcl+LMc2)-(LMc3+LMc4). Le coefficient de proportionnalité dépend ici aussi de X.
θx provient de (LMgI-LMdI), ou de (LMgI-LMdI) +(LMg3-LMd3) (ce qui est préféré pour réduire les sensibilités croisées à Y ou Z), ou de (LMgI- LMdI) +(LMg2-LMd2) + (LMg3-LMd3) +(LMg4-LMg4). La relation est linéaire. Le coefficient de proportionnalité dépend en premier lieu de X. ( LMgi+LMdi remplace LMi dans les équations précédentes.)
Ces combinaisons linéaires résultent donc au premier ordre de la somme ou de la soustraction éventuellement pondérées par des coefficients (comme pour le quinzième mode de réalisation de la figure
27 par exemple). Ces combinaisons peuvent se faire directement au niveau des signaux électroniques issus des capteurs, ou bien après démodulation des amplitudes (voire phase) des signaux des différents capteurs. Dans ce dernier cas, les signaux à combiner sont des valeurs analogiques, ou numériques issues d'une conversion analogique/numérique. De même, les opérations de linéarisations (par exemple division) peuvent se faire à différents niveaux, analogiques avant ou après démodulation, ou sur les signaux numériques.
Electronique de mesure
Afin de mesurer les mutuelles inductances entre les différents moyens LI et LMi (i étant un indice variant de 1 à 4 pouvant bien sûr aussi décrire les moyens du centre cl à c4), le signal d'excitation est variable dans le temps. Plus particulièrement, il peut être une sinusoïde d'amplitude et de fréquence stables. Parmi les diverses possibilités envisageables, l'exploitation des signaux issus du capteur peut être faite- après commutation séquentiellement dans le temps d'une des bobines LMi vers les moyens de mesure du signal (et simultanément de l'excitation de sa garde LGi). Les moyens de mesure peuvent consister en une chaîne contenant une amplification de la bande de fréquence englobant la fréquence d'excitation des bobines LI et LGi. Le signal mesuré peut être soustrait à une référence afin de limiter -l'amplitude du signal à démoduler. Ce signal peut être démodulé de façon synchrone à l'excitation de façon à réduire notablement la bande de bruit du signal au strict minimum autour de la fréquence d'excitation, et donc à réduire le bruit de mesure. Enfin il peut être échantillonné et numérisé afin de le traiter numériquement.
Enfin, comme cela a été expliqué pour les variantes des figures 10,
20, et 21 à 25, le huitième mode de réalisation de dispositif de mesure sans contact (illustré sur la 18) ou le procédé mis en œuvre pour le réaliser peuvent être dégradés pour ne considérer qu'une partie de leurs possibilités, c'est-à-dire ne mesurer qu'une partie des six degrés de liberté de la cible par rapport au capteur ; ce faisant, on perd la possibilité de correction des erreurs de mesures induites, comme explicité en détail auparavant; on gagne en revanche une certaine réduction de taille du dispositif et surtout une réduction évidente du prix de revient de la réalisation d'un tel dispositif réduit.
Effet de force
Les courants appliqués sur les bobines produisent une force faible, peu perturbante sur la position de la cible. La superposition d'un courant continu ou plus généralement à fréquence(s) différente(s) de celle utilisée pour la mesure, ou de forme impulsionnelle, ou commutée dans le temps, peut être mise à profit pour contrôler la position de la cible, par exemple dans un dispositif asservi de contrôle de position réalisé autour du dispositif selon l'invention.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. Notamment, dans les modes de réalisation décrits ci-dessus, la surface de la cible ou la surface plane dans laquelle sont réalisées les capteurs du dispositif selon l'invention peut être remplacée par une surface courbe quelconque, telle une surface concave ou une portion de cylindre ou de sphère, De plus, plusieurs cibles peuvent être combinées avec un ou des capteurs d'un même dispositif selon l'invention.

Claims

Revendications
1. Dispositif de mesure sans contact de la position d'une cible (2), comprenant :
- au moins un capteur comprenant un ensemble de trois bobines dont une bobine émettrice (El, E, LG ; LM), une bobine réceptrice (R, Rl, LM ; LI) et une dernière bobine émettrice (E2, LI,) ou réceptrice (R2 ; LG), - des moyens d'excitation de chaque bobine émettrice par un signal alternatif d'excitation ,
- pour chaque capteur, des moyens pour mesurer un signal alternatif de réception, généré par la ou les bobines réceptrices du capteur par mutuelle inductance avec la ou les bobines émettrices du capteur, les deux mutuelles inductances entre une bobine émettrice et une bobine réceptrice du capteur étant sensiblement opposées pour une position d'équilibre donnée de la cible par rapport au capteur, et
- des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception, au moins une distance (d, X) ou une variation de la distance entre la cible (2) et un des capteurs (1, Lc).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cible possède une conductivité électrique et/ou une perméabilité magnétique relative différente de l'unité.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour un des capteurs, la position d'équilibre consiste en une distance sensiblement infinie entre la cible et le capteur.
4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que pour un des capteurs (1, Lc, Ll, L2, L3, L4), les bobines du capteur sont réalisées sensiblement dans une même surface (3).
5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une première des bobines (LI) du capteur entoure sensiblement une deuxième des bobines (LM, LG) du capteur.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que des spires de la deuxième des bobines (LM) du capteur sont comprises entre des spires d'une troisième des bobines (LG) du capteur.
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la deuxième des bobines (LM) du capteur entoure sensiblement une troisième des bobines
(LG) du capteur.
8. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les bobines (El, E2, R ; E, Rl, R2 ; LI, LM, LG) du capteur sont sensiblement concentriques.
9. Dispositif selon l'une des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que plusieurs capteurs (Lc, Ll, L2, L3, L4) sont réalisés sensiblement dans une même surface.
10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un des capteurs comprend une première bobine émettrice (El ; LI), une seconde bobine émettrice (E2, LG) et une unique bobine réceptrice (R, LM).
11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que la seconde bobine émettrice (E2, LG) est agencée pour sensiblement annuler, pour la position d'équilibre de la cible par rapport au capteur, un flux magnétique produit par la première bobine émettrice (El ; LI) sur l'unique bobine réceptrice (R, LM).
12. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, caractérisé en ce que les moyens d'excitation sont communs à la première bobine émettrice (El ; LI) et à la seconde bobine émettrice (E2 ; LG).
13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que la première bobine émettrice (El, LI) et la seconde bobine émettrice (E2, LG) sont montées en série avec des sens de spires opposés.
14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, caractérisé en ce que la première bobine émettrice (LI) est commune à plusieurs capteurs réalisés sensiblement dans une même surface, et entoure sensiblement les autres bobines de ces capteurs (LMl, LM2, LM3, LM4, LGl, LG2, LG3, LG4).
15. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'un des capteurs comprend une unique bobine émettrice (E ; LM), une première bobine réceptrice (Rl ; LI) et une seconde bobine réceptrice (R.2 ; LG).
16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que la première et la seconde bobine réceptrice sont agencées pour voir, pour la position d'équilibre de la cible par rapport au capteur, le flux magnétique émis par l'unique bobine émettrice avec le même module.
17. Dispositif selon la revendication 15 ou 16, caractérisé en ce que la première bobine réceptrice (Rl ; LI) et la seconde bobine réceptrice (R2 ;
LG) sont montées en série avec des sens de spires opposés.
18. Dispositif selon l'une des revendications 15 à 17, caractérisé en ce que la première bobine réceptrice est commune à plusieurs capteurs réalisés sensiblement dans une même surface, et entoure sensiblement les autres bobines de-ces capteurs.
19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, comprenant plusieurs capteurs, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des différents capteurs, une position ou un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté axial.
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend un alignement, selon une direction d'alignement (Y), de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices (LMl, LGl, LM3, LG3) appartenant chacune à un capteur différent (Ll, L3), et en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des capteurs auxquels appartiennent les bobines alignées, une coordonnée (Y) ou un déplacement 5 de la cible le long d'un axe parallèle à la direction d'alignement.
21. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un premier alignement, selon une première direction d'alignement (Y), de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices (LMl, LGl, LM3, LG3)
10 appartenant chacune à un capteur différent (Ll, L3),
- un second alignement, selon une seconde direction d'alignement (Z), de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices (LM2, LG2, LM4, LG4) appartenant chacune à un capteur différent (L2, L4),
- des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des 15 capteurs auxquels appartiennent les bobines alignées, au moins une coordonnée ou un déplacement de la cible le long d'un axe parallèle à une combinaison linéaire de la première (Y) et de la seconde (Z) direction d'alignement.
20 22. Dispositif selon la revendication 20 ou 21, caractérisé en ce que les bobines alignées sont réalisées sensiblement dans une même surface (3), et en ce qu'un contour (10) de la cible, obtenu par projection de la cible sur la surface des bobines, passe sensiblement par le centre de chaque bobine située à une des extrémités d'un alignement de bobines.
25
23. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, comprenant plusieurs capteurs, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des différents capteurs^ une position ou un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire.
•30
24. Dispositif selon la revendication 23, caractérisé en ce qu'il comprend un alignement, selon une direction d'alignement (Y), de plusieurs bobines émettrices ou réceptrices (LMc4, LMcI ; LMg4, LMd4) appartenant chacune à un capteur différent, et en ce qu'il comprend en outre des moyens pour déterminer, à partir des signaux de réception des capteurs auxquels appartiennent les bobines alignées, une coordonnée angulaire ou un déplacement angulaire de la cible autour d'un axe (Z, X) sensiblement perpendiculaire à la direction d'alignement (Y).
25. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que les bobines alignées (LMc4, LMcI) sont réalisées sensiblement dans une même surface, et en ce que la coordonnée angulaire ou le déplacement angulaire est définie autour d'un axe (Z) sensiblement perpendiculaire à la direction d'alignement et sensiblement parallèle à une tangente de ladite surface.
26. Dispositif selon la revendication 25, caractérisé en ce que les bobines alignées (LMc4, LMcI) sont situées à l'intérieur d'un contour (10) de la cible obtenu par projection de la cible sur la surface des bobines.
27. Dispositif selon la revendication 24, caractérisé en ce que les bobines alignées (LMg4, LMd4) sont réalisées sensiblement dans une même surface, et en ce que la coordonnée angulaire ou le déplacement angulaire est définie autour d'un axe (X) sensiblement perpendiculaire à la surface.
28. Dispositif selon la revendication 27, caractérisé en ce que les bobines alignées (LMg4, LMd4) sont agencées pour qu'un contour (10) de la cible, obtenu par projection de la cible sur la surface des bobines, passe sensiblement par le centre de chaque bobine (LMg4, LMd4) située à une des extrémités d'un alignement de bobines.
29. Dispositif selon l'une des revendications 23 à 28, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour corriger une détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon un degré de liberté axial à partir d'une détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire.
30. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant plusieurs capteurs, caractérisé en ce que les moyens d'excitation sont communs aux capteurs, et en ce qu'il comprend des moyens pour sélectionner les bobines émettricës qui sont reliées aux moyens d'excitation et sont excitées par un signal.
31. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, pour un des capteurs, le signal alternatif d'excitation est périodique et possède une fréquence pour laquelle le signal alternatif de réception ne dépend sensiblement pas d'un matériau de la cible, de préférence de l'ordre de quelques centaines de kilohertz à quelques mégahertz.
32. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 30, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer un matériau de la cible à partir des signaux alternatifs de réception.
33. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déterminer ou discriminer une forme de la cible, à partir des signaux alternatifs de réception.
34. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour asservir, à partir des signaux de réceptions, la position de la cible selon au moins un degré de liberté axial ou angulaire.
35. Procédé de mesure sans contact de la position d'une cible, mis en œuvre dans un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins un capteur comprenant un ensemble de trois bobines dont une bobine émettrice, une bobine réceptrice, et une dernière bobine émettrice ou réceptrice, ledit procédé comprenant : ;
- une excitation de chaque bobine émettrice par un signal alternatif d'excitation,
- pour chaque capteur, une mesure d'un signal alternatif de réception, généré par la ou les bobines réceptrices du capteur par mutuelle inductance avec la ou les bobines émettricës du capteur, les deux mutuelles inductances entre une bobine émettrice et une bobine réceptrice du capteur étant sensiblement opposées pour une position d'équilibre donnée de la cible par rapport au capteur, et - une détermination, à partir des signaux de réception, d'une distance ou d'une variation de la distance entre la cible et un des capteurs.
36. Procédé selon la revendications 35, caractérisé en ce qu'un des capteurs comprend une première bobine émettrice, une seconde bobine émettrice et une unique bobine réceptrice, et en ce qu'il comprend une annulation, par la seconde bobine émettrice, et pour la position d'équilibre de la cible par rapport au capteur, d'un flux magnétique produit par la première bobine émettrice sur l'unique bobine réceptrice.
37. Procédé selon la revendication 35 ou 36, caractérisé en ce qu'il comprend une détermination, à partir des signaux de réception de plusieurs capteurs auxquels appartiennent des bobines émettrices ou réceptrices alignées selon une direction d'alignement, d'une coordonnée ou d'un déplacement de la cible le long d'un axe parallèle à la direction d'alignement.
38. Procédé selon la revendication 35 ou 36, caractérisé en ce qu'il comprend une détermination, à partir des signaux de réception de plusieurs capteurs auxquels appartiennent des bobines émettrices ou réceptrices alignées selon une première et une seconde direction d'alignement, d'au moins une coordonnée ou un déplacement de la cible le long d'un axe parallèle à des combinaisons linéaires de la première et de la seconde direction d'alignement.
39. Procédé selon l'une des revendications 35 à 38, comprenant une détermination, à partir des signaux de réception de différents capteurs, d'une position ou un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire.
40. Procédé selon la revendication 39, caractérisé en ce qu'il comprend une correction d'une détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon un degré de liberté axial à partir d'une . détermination d'une position ou d'un déplacement de la cible selon au moins un degré de liberté angulaire.
41. Procédé selon l'une des revendications 35 à 40, caractérisé en ce qu'il comprend un asservissement, à partir des signaux de réceptions, de la position de la cible selon au moins un degré de liberté axial ou angulaire.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015090846A1 (fr) * 2013-12-17 2015-06-25 Robert Bosch Gmbh Système de détection pour un dispositif de mesure de position absolu
CN107867308A (zh) * 2016-09-23 2018-04-03 河南蓝信科技股份有限公司 一种电子轮对设备及其方法
CN114061428A (zh) * 2020-08-05 2022-02-18 神华神东煤炭集团有限责任公司 一种三维相似模拟实验的岩层位移监测装置及方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009022992A1 (de) 2009-03-02 2010-10-07 Micro-Epsilon Messtechnik Gmbh & Co. Kg Positionssensor
US11525701B2 (en) * 2018-01-22 2022-12-13 Melexis Technologies Sa Inductive position sensor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2547659A1 (fr) * 1983-06-20 1984-12-21 Clausin Jacques Detecteurs d'objets metalliques indiquant : la distance, la taille et la matiere
FR2682760A1 (fr) * 1991-10-22 1993-04-23 Prototype Mecanique Ind Capteurs de deplacements lineaires ou angulaires sans contact.
US6605939B1 (en) * 1999-09-08 2003-08-12 Siemens Vdo Automotive Corporation Inductive magnetic saturation displacement sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2547659A1 (fr) * 1983-06-20 1984-12-21 Clausin Jacques Detecteurs d'objets metalliques indiquant : la distance, la taille et la matiere
FR2682760A1 (fr) * 1991-10-22 1993-04-23 Prototype Mecanique Ind Capteurs de deplacements lineaires ou angulaires sans contact.
US6605939B1 (en) * 1999-09-08 2003-08-12 Siemens Vdo Automotive Corporation Inductive magnetic saturation displacement sensor

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015090846A1 (fr) * 2013-12-17 2015-06-25 Robert Bosch Gmbh Système de détection pour un dispositif de mesure de position absolu
CN107867308A (zh) * 2016-09-23 2018-04-03 河南蓝信科技股份有限公司 一种电子轮对设备及其方法
CN107867308B (zh) * 2016-09-23 2023-10-10 河南蓝信科技有限责任公司 一种电子轮对设备及其方法
CN114061428A (zh) * 2020-08-05 2022-02-18 神华神东煤炭集团有限责任公司 一种三维相似模拟实验的岩层位移监测装置及方法
CN114061428B (zh) * 2020-08-05 2023-11-07 神华神东煤炭集团有限责任公司 一种三维相似模拟实验的岩层位移监测装置及方法

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