WO2018020102A1 - Capteur de champ magnetique - Google Patents

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WO2018020102A1
WO2018020102A1 PCT/FR2017/051934 FR2017051934W WO2018020102A1 WO 2018020102 A1 WO2018020102 A1 WO 2018020102A1 FR 2017051934 W FR2017051934 W FR 2017051934W WO 2018020102 A1 WO2018020102 A1 WO 2018020102A1
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WO
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field
sensor
measured
circuit
component
Prior art date
Application number
PCT/FR2017/051934
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English (en)
Inventor
Jean-Paul Yonnet
Aktham ASFOUR
Original Assignee
Centre National De La Recherche Scientifique
Universite Grenoble Alpes
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Publication date
Application filed by Centre National De La Recherche Scientifique, Universite Grenoble Alpes filed Critical Centre National De La Recherche Scientifique
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/063—Magneto-impedance sensors; Nanocristallin sensors

Definitions

  • the present application relates to a magnetic field measuring device, and in particular to a device comprising a magneto-impedance sensor.
  • Magnetometric devices used in current sensors or navigation devices such as magnetic compasses, make it possible to measure magnetic fields of intensity in a range of a few tens of A / m.
  • a device of this type can use a magnetic field sensitive element to be measured, such as a magneto-impedance sensor.
  • a magneto-impedance sensor is typically Giant magneto-impedance effect GMI (of the English “Giant Magneto-Impedance").
  • Figure 1 is a reproduction of Figure 2 of the patent application FR 2930039 of the National Center for Scientific Research, which describes a device 1 for measuring a magnetic field ⁇ .
  • the device 1 comprises:
  • a sensor 3 having a GMI effect powered by a source 5 of an alternating current I j at an excitation frequency Fg via a band-pass filter 7 (BP);
  • the processing circuit 10 comprises a succession of an amplification circuit 11 (A1) connected to the sensor, a demodulation circuit 13 at the frequency FQ, a high-pass filter 15 (HP), a amplification circuit 17 (A2), a demodulation circuit 19 at the frequency FQ, a low-pass filter 21 (LP), and an amplification circuit 23 which supplies the measured value V2 (A3 ).
  • the device 1 therefore has problems of reliability and accuracy.
  • an embodiment provides for overcoming all or part of the disadvantages described above.
  • One embodiment provides a device for reliable and accurate measurement of a magnetic field.
  • One embodiment provides a device producing a zero measured value when the magnetic field to be measured is zero.
  • a device for measuring a component of a magnetic field to be measured comprising: a magneto-impedance sensor whose impedance is minimum at zero field and maximum for two first positive values (+! 3 ⁇ 4) and negative of field; a generator of an alternating polarization field superimposed on the magnetic field to be measured; and a field determining circuit to be measured from the difference between the sensor impedances for the two directions of the alternating field, the alternating field having a component parallel to the peak intensity measuring component of less than 20% of each of the first values.
  • the magnetorespector sensor is a wire made of amorphous ferromagnetic material.
  • the wire has a diameter of between 30 and 100 ⁇ m.
  • said generator comprises a source of a bias current and said circuit comprises first and second switches controlled in opposition by said source, the first switch coupling the sensor to a first voltage measuring sub-circuit and the second switch coupling the sensor to a second voltage measuring sub-circuit, the first and second sub-circuits having outputs connected to the inputs of a differential amplifier providing said difference.
  • the device comprises a generator of an alternating excitation current flowing in the sensor, each of the first and second subcircuits comprising a peak voltage measurement sub-circuit followed by a low-pass filter.
  • said circuit comprises: a regulator providing a feedback current supplying a generator of a feedback field; and a sub-circuit for determining the component to be measured from the intensity of the feedback current, the controller being adapted to cancel said difference.
  • An embodiment provides a method for measuring a component of a magnetic field to be measured, comprising the steps of: a) generating an alternating polarization field superimposed on the magnetic field to be measured and applied to a magneto-impedance sensor of which the impedance is minimal at zero and maximum field for two first positive and negative field values; and b) determining the component to be measured from the difference between the sensor impedances for the two directions of the alternating field, the alternating field having a component parallel to the peak intensity measuring component of less than 20% of each of the first ones. values.
  • the method comprises in step b): producing a feedback current; producing a feedback field from the feedback current; determining the intensity of the feedback current canceling said difference; and determining the field to be measured from the intensity of the feedback current.
  • FIG. 1 represents the device for measuring a magnetic field of the patent application FR 2930039;
  • FIG. 2 illustrates the impedance of a sensor as a function of a magnetic field
  • Figure 3 illustrates the impedance of a sensor as a function of a magnetic field under various conditions
  • Fig. 4A illustrates an embodiment of a magnetic field measuring device
  • Fig. 4B illustrates an example of the voltage measuring circuit of Fig. 4A
  • FIG. 5 illustrates a value measured by the device of FIG. 4A as a function of a magnetic field to be measured
  • Figure 6 illustrates another embodiment of a magnetic field measuring device.
  • the inventors have studied the operation of a magneto-impedance sensor.
  • FIG. 2 shows a curve 30 for the impedance Z (H) of a magneto-impedance sensor as a function of the magnetic field H applied to the sensor.
  • the sensor is for example a wire of amorphous ferromagnetic material, and the magnetic field H is oriented parallel to the wire.
  • the impedance Z (H) is an even function of the field H, that is to say that the curve 30 is symmetrical with respect to the ordinate axis.
  • the impedance Z (H) is minimum at field H zero and is maximum for negative values -H ⁇ and positive +] 3 ⁇ 4 of the magnetic field H.
  • the curve 30 has symmetrical inflection points 32 for values -H j and + H j from the H field.
  • the magnetic field H applied to the sensor comprises, on the one hand, a polarization field which varies in crenellations between -3 ⁇ 4 and + 3 ⁇ 4 values at the polarization frequency Fg, and, on the other hand, the component ⁇ parallel to the wire of a magnetic field to be measured.
  • the sensor 3 is alternately subjected to fields ⁇ + ⁇ ⁇ and ⁇ - ⁇ ⁇ , and the impedance Z of the sensor 3 varies in slots between values Z ( ⁇ - ⁇ ⁇ ) and Z ( ⁇ + ⁇ ⁇ ) corresponding to two operating points 34 and 35 on the curve 30.
  • a measured value V2 of the component ⁇ is obtained by a processing circuit 10 from the difference ⁇ between the values Z (H X + H B ) and Z (H X -H B ).
  • the aforementioned patent application mentions that, when the bias field has the value + 3 ⁇ 4, the impedance Z of the sensor 3 is given by the relation:
  • the relation (1) is an approximation and that it does not take into account in particular the second derivative Z "(H B ) of the impedance Z (H) with respect to the field H. This relation is as much more false as the second derivative Z "(H B ) is large and the first derivative Z '(Hg) is small. This approximation is all the more exact as the operating points 34 and 35 approach the inflection points 32. It is thus necessary to choose the value ⁇ ⁇ close to the value R.
  • FIG. 3 represents the same curve 30 as FIG.
  • the curve 30A is no longer symmetrical with respect to the ordinate axis, that is to say that the function Z (H) is no longer pair. This causes the difference ⁇ to have a non-zero ⁇ (0) value with zero field.
  • This is shown in FIG. 3 for null field operating points designated by references 34A and 35A.
  • Reference 34A and 35A We then measure a value of ⁇ non-zero for a field ⁇ zero.
  • These operating points field 3 ⁇ 4 zero are designated in FIG. 3, on the curve 30, by the references 37 and 38 and, on the curve 30A, by the references 37A and 38A.
  • Area 36 corresponds to values of 3 ⁇ 4 less than substantially 20% of the value H j [ .
  • the inventors have found that the curve 30A is, like the curve 30, substantially symmetrical with respect to the ordinate axis in the zone 36. Due to this local symmetry, the difference ⁇ is zero when the field ⁇ is zero, whether the sensor is or is not subjected to constraints or temperature variations.
  • a measured value of the field H x is obtained by multiplying the difference ⁇ by a constant amplification factor 1 / (2 * H B * Z "(0).
  • the amplification factor can be deduced from a measurement of the impedance Z (H) of the sensor, or can be obtained by calibration of the measuring device.
  • FIG. 4A illustrates an embodiment of a device 50 for measuring an H x component of a magnetic field.
  • a magneto-impedance sensor 3 is powered by a generator 5 of an alternating excitation current I B at the frequency F B.
  • a generator 9 provides a reciprocating alternating polarization field at a frequency F B between the values -H B and H B.
  • a circuit 52 provides a measured value of the H x component from the difference between the wire impedances for the positive and negative values of the AC field.
  • the senor 3 is a wire made of amorphous ferromagnetic material, for example based on iron and silicon, iron and nickel, or iron and cobalt.
  • the wire may have a diameter typically between 30 and 100 ⁇ m.
  • the wire is placed parallel to the component H x to be measured.
  • the sensor 3 is for example connected between a mass GND and a node 54.
  • the generator 9 comprises a coil 56, for example disposed around the sensor 3.
  • the coil 56 is supplied by a source 58 of a bias current I B alternating in crenellations.
  • the circuit 52 comprises a voltage measurement circuit 60A (V +) having an input node V j + coupled to the node 54 by The switch 62 is controlled by the source 58.
  • a voltage measuring circuit 60B (V-) has an input node V j coupled to the node 54 via a switch 66.
  • the switch 66 is controlled by the source 58 via an inverter 68.
  • a differential amplifier 70 has its positive input connected to an output node v " o + of the circuit 60A and its negative input connected to an output node VQ- of the circuit 60B
  • An amplification circuit 72 (A4) produces a measured value V3 from a value supplied by the differential amplifier 70.
  • the switch 62 In operation, when the current I-Q has a positive value, the switch 62 is on and the switch 66 is off.
  • the circuit 60A measures the amplitude of the voltage across the sensor 3.
  • the switch 62 When the current Ig has a negative value, the switch 62 is off and the switch 66 is on.
  • the circuit 60B measures the amplitude of the voltage across the sensor 3.
  • the value supplied by the differential amplifier 70 is representative of the difference between the amplitude values of the voltage across the sensor 3 for the positive and negative values. of the Ig current.
  • the power required to power the winding 56 is even lower than the value Hg of the alternating polarization field is low.
  • the choice of a low Hg value thus limits the power consumed by the device.
  • FIG. 4B shows an example of a voltage measurement circuit 60 implementing circuit 60A or 60B.
  • the circuit 60 successively comprises, in series between an input node V j (V j V j _ or +) and an output node VQ (VQ- OR VQ +), a bias circuit 80, a voltage measuring circuit peak 82, and a low pass filter 84.
  • the bias circuit 80 comprises two resistors R1 and R2 in series between the ground GND and an application node of a supply potential VA.
  • the midpoint 86 between resistors R1 and R2 is coupled to the input node V j by a capacitor C1.
  • the peak voltage measurement circuit 82 comprises a resistor R3 and a capacitor C2 connected in parallel between the ground GND and the cathode 88 of a diode D1 whose anode is connected to the node 86.
  • the filter 84 comprises a resistor R4 connecting the node 88 to the output node VQ, and a capacitor C3 coupling the output node VQ GND ground.
  • the voltage across the sensor is alternating with the excitation frequency Fg and corresponds to the potential of the node 54.
  • the circuit 80 adds to the voltage alternative to the sensor terminals a DC bias voltage.
  • This bias voltage is related to the supply voltage VA and the ratio between the values of the resistors R1 and R2.
  • This bias voltage is close to the threshold voltage of the diode D1.
  • the capacitor C2 is charged through the diode D1 when the voltage across the sensor reaches a peak value. Capacitor C2 hardly discharges between two successive alternations of the voltage across the sensor.
  • the low-pass filter 84 provides the average value of the peak values collected by the capacitor C2.
  • the excitation frequency Fg is between 1 MHz and 100 MHz.
  • the frequency FQ may be less than 10% of the excitation frequency.
  • the discharge time of the capacitor C2 through the resistor R3 may be less than 20% of the duration of a slot of the current IQ.
  • the cutoff frequency of the low-pass filter 84 may be less than 10% of the frequency FQ.
  • the frequency of the field to be measured may be less than 50% of the cut-off frequency of the low-pass filter 84.
  • FIG. 5 illustrates the voltage V3 measured by the device of FIG. 4A as a function of the component ⁇ of the field to be measured. Note that the value V3 is zero for a field ⁇ zero. The value V3 is maximum in absolute value when the field ⁇ is close to the values -H j and + H j corresponding to the points of inflection of the curve 30 of FIG. 2A.
  • FIG. 6 represents another embodiment of a device 90 for measuring a magnetic field.
  • the device 90 takes up the device 50 described in relation with FIG. 4, in which the circuit 52 for determining the measured value has been replaced by a circuit 52A (SUB), similar to the circuit 52 without the amplification circuit 72.
  • circuit 52A provides the difference ⁇ between the impedances of the sensor 3 for the positive and negative values of the alternating field 3 ⁇ 4 produced by the generator 9.
  • the device 90 comprises a regulation circuit 92 (CTRL) which receives the difference ⁇ and supplies, through a resistor 94, a feedback current Ip supplying a winding 96 arranged around the sensor 3.
  • the regulation circuit is for example a regulator proportional-integrator-PID derivative.
  • An amplification circuit 98 (A5) supplies a measured value V4 from the voltage across the resistor 94.
  • the flow of the current Ip causes a feedback field Hp superimposed on the component ⁇ to be measured.
  • the regulation circuit adjusts the current Ip so as to obtain a difference ⁇ zero. This occurs when the feedback field Hp opposes the component 3 ⁇ 4 to be measured.
  • the measured value V4 is representative of the current Ip and corresponds to the value of the feedback field Hp.
  • the amplification circuit 98 has an amplification factor which can be determined from the configuration of the coil 96 and the value of the resistor 94. The amplification factor can also be obtained by calibrating the device 90.
  • the values 3 ⁇ 4 of the alternating field correspond to operating points in the vicinity of the minimum of zero field impedance, the feedback field and the field to be measured oppose exactly.
  • the value V4 is a particularly precise measure of the component ⁇ .
  • the sensor Since the feedback field and the field to be measured oppose each other, the sensor is subjected to the single polarization field regardless of the value of the field to be measured.
  • the intensity of the field to be measured is not limited to a range of operation of the sensor.
  • the field to be measured can thus have an intensity up to 10 kA / m, or even up to 100 kA / m.
  • the senor may be a bent wire, for example in a circle, and the component ⁇ of the field to be measured is then a tangential component parallel to this circle.
  • the polarization field is alternating in crenels between -3 ⁇ 4 and 3 ⁇ 4 values
  • the polarization field may be any other symmetric alternating field, the values -3 ⁇ 4 and 3 ⁇ 4 then being values of peak intensity.
  • the difference ⁇ may correspond to the difference of the peak impedances for the positive and negative values of the alternating field, or the difference between the average impedance for the positive values and the average impedance for the negative values, or any difference between sensor impedances for both directions of the alternating field.
  • the voltage measurement circuit 60 can thus be an RMS (Root Mean Square) value measuring circuit, a mean value measuring circuit of a rectified voltage, or any frequency demodulation circuit. excitation.
  • RMS Root Mean Square
  • the impedance Z (H) of the sensor as a function of the magnetic field H has been described.
  • This impedance is actually the average of the impedances obtained when the magnetic field H varies in the increasing and decreasing directions. This makes it possible to obtain the impedance that the sensor has in practice when it is subjected to the alternating polarization field.
  • the sensor impedance Z (H) has maxima for -H ⁇ and H-field values and inflection points for -H j and + H j values of the H-field. An accurate determination of these values is made at a temperature of 20 ° C when the sensor is free of stress.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif de mesure d'une composante (HX) d'un champ magnétique à mesurer, comprenant: un capteur à magnéto-impédance (3) dont l'impédance est minimale à champ nul et maximale pour deux premières valeurs positive et négative de champ; un générateur (9) d'un champ de polarisation (HB) alternatif superposé au champ magnétique à mesurer; et un circuit (52) de détermination du champ à mesurer à partir de la différence entre les impédances du capteur pour les deux sens du champ alternatif,le champ alternatif ayant une composante parallèle à la composante à mesurer d'intensité crête inférieure à 20% de chacune des premières valeurs.

Description

CAPTEUR DE CHAMP MAGNETIQUE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR16/57083 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne un dispositif de mesure de champ magnétique, et en particulier un dispositif comprenant un capteur à magnéto-impédance .
Exposé de 1 ' art antérieur
Des dispositifs de magnétométrie, utilisés dans des capteurs de courant ou des dispositifs de navigation tels que des compas magnétiques, permettent de mesurer des champs magnétiques d'intensité située dans une plage de quelques dizaines d'A/m. Un dispositif de ce type peut utiliser un élément sensible au champ magnétique à mesurer, tel qu'un capteur à magnéto-impédance. Un tel capteur est typiquement à effet de magnéto-impédance géante GMI (de l'anglais "Giant Magneto-Impedance") .
La figure 1 est une reproduction de la figure 2 de la demande de brevet FR 2930039 du Centre National de Recherche Scientifique, qui décrit un dispositif 1 de mesure d'un champ magnétique Ηχ. Le dispositif 1 comprend :
un capteur 3 à effet GMI, alimenté par une source 5 d'un courant alternatif Ij à une fréquence d'excitation Fg par l'intermédiaire d'un filtre passe-bande 7 (BP) ;
un générateur 9 d'un champ de polarisation alternatif symétrique variant entre des valeurs opposées -¾ et ¾ à une fréquence de polarisation F-Q inférieure à la fréquence F-Q ; et un circuit de traitement 10 recevant la tension VI aux bornes du capteur et fournissant une valeur mesurée V2 du champ HX.
Le circuit de traitement 10 comprend une succession d'un circuit d'amplification 11 (Al) connecté au capteur, d'un circuit de démodulation 13 à la fréquence FQ, d'un filtre passe-haut 15 (HP), d'un circuit d'amplification 17 (A2) , d'un circuit de démodulation 19 à la fréquence FQ, d'un filtre passe-bas 21 (LP) , et d'un circuit d'amplification 23 qui fournit la valeur mesurée V2 (A3) .
La demande de brevet susmentionnée considère le cas où 1 ' impédance du capteur 3 est une fonction paire du champ magnétique. On obtient alors une valeur mesurée V2 nulle pour un champ à mesurer Ηχ nul .
Un problème est qu'en pratique, il arrive qu'en raison de conditions telles que la température ou la présence de contraintes dans le capteur 3, la fonction susmentionnée ne soit pas paire. Alors, la valeur mesurée V2 obtenue à champ magnétique
¾ nul n'est pas nulle. Le dispositif 1 présente donc des problèmes de fiabilité et de précision.
Résumé
Ainsi, un mode de réalisation prévoit de pallier tout ou partie des inconvénients décrits ci-dessus.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif permettant une mesure fiable et précise d'un champ magnétique.
Un mode de réalisation prévoit un dispositif produisant une valeur mesurée nulle lorsque le champ magnétique à mesurer est nul. Un mode de réalisation prévoit un dispositif de mesure d'une composante d'un champ magnétique à mesurer, comprenant : un capteur à magnéto-impédance dont 1 ' impédance est minimale à champ nul et maximale pour deux premières valeurs positive (+!¾) et négative de champ ; un générateur d'un champ de polarisation alternatif superposé au champ magnétique à mesurer ; et un circuit de détermination du champ à mesurer à partir de la différence entre les impédances du capteur pour les deux sens du champ alternatif, le champ alternatif ayant une composante parallèle à la composante à mesurer d'intensité crête inférieure à 20 % de chacune des premières valeurs .
Selon un mode de réalisation, le capteur à magnéto- impédance est un fil en un matériau ferromagnétique amorphe.
Selon un mode de réalisation, le fil a un diamètre compris entre 30 et 100 ym.
Selon un mode de réalisation, ledit générateur comprend une source d'un courant de polarisation et ledit circuit comprend des premier et deuxième interrupteurs commandés en opposition par ladite source, le premier interrupteur couplant le capteur à un premier sous-circuit de mesure de tension et le deuxième interrupteur couplant le capteur à un deuxième sous-circuit de mesure de tension, les premier et deuxième sous-circuits ayant des sorties reliées aux entrées d'un amplificateur différentiel fournissant ladite différence.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend un générateur d'un courant d'excitation alternatif circulant dans le capteur, chacun des premier et deuxième sous-circuits comprenant un sous-circuit de mesure de tension crête suivi d'un filtre passe-bas .
Selon un mode de réalisation, ledit circuit comprend : un régulateur fournissant un courant de rétroaction alimentant un générateur d'un champ de rétroaction ; et un sous-circuit de détermination de la composante à mesurer à partir de l'intensité du courant de rétroaction, le régulateur étant adapté à annuler ladite différence. Un mode de réalisation prévoit un procédé de mesure d'une composante d'un champ magnétique à mesurer, comprenant les étapes suivantes : a) générer un champ de polarisation alternatif superposé au champ magnétique à mesurer et appliqué à un capteur à magnéto-impédance dont l'impédance est minimale à champ nul et maximale pour deux premières valeurs positive et négative de champ ; et b) déterminer la composante à mesurer à partir de la différence entre les impédances du capteur pour les deux sens du champ alternatif, le champ alternatif ayant une composante parallèle à la composante à mesurer d'intensité crête inférieure à 20 % de chacune des premières valeurs.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend à l'étape b) : produire un courant de rétroaction ; produire un champ de rétroaction à partir du courant de rétroaction ; déterminer l'intensité du courant de rétroaction annulant ladite différence ; et déterminer le champ à mesurer à partir de l'intensité du courant de rétroaction.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1 représente le dispositif de mesure d'un champ magnétique de la demande de brevet FR 2930039 ;
la figure 2 illustre l'impédance d'un capteur en fonction d'un champ magnétique ;
la figure 3 illustre l'impédance d'un capteur en fonction d'un champ magnétique dans diverses conditions ;
la figure 4A illustre un mode de réalisation d'un dispositif de mesure de champ magnétique ;
la figure 4B illustre un exemple du circuit de mesure de tension de la figure 4A ;
la figure 5 illustre une valeur mesurée par le dispositif de la figure 4A en fonction d'un champ magnétique à mesurer ; et la figure 6 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif de mesure de champ magnétique.
Description détaillée
De mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références dans les différentes figures. Par souci de clarté, seuls les éléments utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés. Sauf précision contraire, l'expression "sensiblement", signifie à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Les inventeurs ont étudié le fonctionnement d'un capteur à magnéto-impédance .
La figure 2 représente par une courbe 30 l'impédance Z (H) d'un capteur à magnéto-impédance en fonction du champ magnétique H appliqué au capteur. Le capteur est par exemple un fil d'un matériau ferromagnétique amorphe, et le champ magnétique H est orienté parallèlement au fil. Dans l'exemple représenté, l'impédance Z (H) est une fonction paire du champ H, c'est-à-dire que la courbe 30 est symétrique par rapport à l'axe des ordonnées. L'impédance Z (H) est minimale à champ H nul et est maximale pour des valeurs négative -H^ et positive +]¾ du champ magnétique H. La courbe 30 présente des points d'inflexion symétriques 32 pour des valeurs -Hj et +Hj du champ H.
Dans un dispositif du type décrit en relation avec la figure 1, le champ magnétique H appliqué au capteur comprend, d'une part, un champ de polarisation qui varie en créneaux entre des valeurs -¾ et +¾ à la fréquence de polarisation Fg, et, d'autre part, la composante Ηχ parallèle au fil d'un champ magnétique à mesurer. Le capteur 3 est soumis alternativement à des champs Ηχ+Ηβ et Ηχ-Ηβ, et l'impédance Z du capteur 3 varie en créneaux entre des valeurs Z (Ηχ-Ηβ) et Z (Ηχ+Ηβ) correspondant à deux points de fonctionnement 34 et 35 sur la courbe 30. Une valeur mesurée V2 de la composante Ηχ est obtenue par un circuit de traitement 10 à partir de la différence ΔΖ entre les valeurs Z (HX+HB) et Z (HX-HB) . La demande de brevet citée précédemment mentionne que, lorsque le champ de polarisation a la valeur +¾, 1 ' impédance Z du capteur 3 est donnée par la relation :
Z(HX+HB) = Z(HB) + HX*Z' (HB) (1),
la valeur Z' (HB) étant la dérivée première de l'impédance Z (H) .
Les inventeurs ont noté que la relation (1) est une approximation et qu'elle ne tient notamment pas compte de la dérivée seconde Z" (HB) de l'impédance Z (H) par rapport au champ H. Cette relation est d'autant plus fausse que la dérivée seconde Z" (HB) est grande et que la dérivée première Z' (Hg) est petite. Cette approximation est d'autant plus exacte que les points de fonctionnement 34 et 35 se rapprochent des points d'inflexion 32. On est ainsi conduit à choisir la valeur Ηβ voisine de la valeur R .
La figure 3 représente la même courbe 30 que la figure
2 et représente en outre une courbe 30A de l'impédance du même capteur à magnéto-impédance soumis par exemple à des contraintes ou à une variation de température.
La courbe 30A n'est plus symétrique par rapport à l'axe des ordonnées, c'est-à-dire que la fonction Z (H) n'est plus paire. Ceci entraine que la différence ΔΖ a une valeur ΔΖ(0) non nulle à champ Ηχ nul. Ceci est représenté en figure 3 pour les points de fonctionnement à champ Ηχ nul désignés par les références 34A et 35A. On mesure alors une valeur de Ηχ non nulle pour un champ Ηχ nul. Pour résoudre ce problème, on propose, plutôt que de choisir des points de fonctionnement voisins des points d'inflexion 32, de choisir ces points de fonctionnement dans une zone 36 voisine du minimum de la courbe 30. Ces points de fonctionnement à champ ¾ nul sont désignés en figure 3, sur la courbe 30, par les références 37 et 38 et, sur la courbe 30A, par les références 37A et 38A. La zone 36 correspond à des valeurs de ¾ inférieures à sensiblement 20 % de la valeur Hj [. Les inventeurs ont constaté que la courbe 30A est, comme la courbe 30, sensiblement symétrique par rapport à l'axe des ordonnées dans la zone 36. Du fait de cette symétrie locale, la différence ΔΖ est nulle lorsque le champ Ηχ est nul, que le capteur soit ou ne soit pas soumis à des contraintes ou des variations de température.
Au voisinage du minimum de la courbe 30A comme de la courbe 30, loin des points d'inflexion, l'impédance Z (H) est donnée en première approximation par la relation :
Z (H) = Z (0) + 1/2*H2*Z" (0) ,
Z" (0) étant la dérivée seconde de Z (H) à champ nul. La différence ΔΖ = Z(HX+HB) - Z(HX-HB) est égale à 2*HB*Z" (0) *HX. Cette différence est proportionnelle à Hx et est donc nulle lorsque le champ Hx est nul.
On obtient une valeur mesurée du champ Hx par multiplication de la différence ΔΖ par un facteur d'amplification constant 1/ (2*HB*Z" (0) ) . Le facteur d'amplification peut être déduit d'une mesure de l'impédance Z (H) du capteur, ou peut être obtenu par étalonnage du dispositif de mesure.
La figure 4A illustre un mode de réalisation d'un dispositif 50 de mesure d'une composante Hx d'un champ magnétique.
Un capteur 3 à magnéto-impédance est alimenté par un générateur 5 d'un courant d'excitation IB alternatif à la fréquence FB. Un générateur 9 fournit un champ de polarisation alternatif variant en créneaux à une fréquence FB entre les valeurs -HB et HB. Un circuit 52 fournit une valeur mesurée de la composante Hx à partir la différence entre les impédances du fil pour les valeurs positive et négative du champ alternatif.
A titre d'exemple, le capteur 3 est un fil en matériau ferromagnétique amorphe, par exemple à base de fer et de silicium, de fer et de nickel, ou encore de fer et de cobalt. Le fil peut avoir un diamètre compris typiquement entre 30 et 100 um. Le fil est placé parallèlement à la composante Hx à mesurer. Le capteur 3 est par exemple connecté entre une masse GND et un noeud 54.
Le générateur 9 comprend un bobinage 56, par exemple disposé autour du capteur 3. Le bobinage 56 est alimenté par une source 58 d'un courant de polarisation IB alternatif en créneaux.
Le circuit 52 comprend un circuit 60A (V+) de mesure de tension ayant un noeud d'entrée Vj+ couplé au noeud 54 par l'intermédiaire d'un interrupteur 62. L'interrupteur 62 est commandé par la source 58. Un circuit 60B (V-) de mesure de tension a un noeud d'entrée Vj_ couplé au noeud 54 par l'intermédiaire d'un interrupteur 66. L'interrupteur 66 est commandé par la source 58 par l'intermédiaire d'un inverseur 68. Un amplificateur différentiel 70 a son entrée positive reliée à un noeud de sortie v"o+ du circuit 60A et son entrée négative reliée à un noeud de sortie VQ- du circuit 60B. Un circuit d'amplification 72 (A4) produit une valeur mesurée V3 à partir d'une valeur fournie par l'amplificateur différentiel 70.
En fonctionnement, lorsque le courant I-Q a une valeur positive, l'interrupteur 62 est passant et l'interrupteur 66 est bloqué. Le circuit 60A mesure l'amplitude de la tension aux bornes du capteur 3. Lorsque le courant Ig a une valeur négative, l'interrupteur 62 est bloqué et l'interrupteur 66 est passant. Le circuit 60B mesure l'amplitude de la tension aux bornes du capteur 3. La valeur fournie par l'amplificateur différentiel 70 est représentative de la différence entre les valeurs d'amplitude de la tension aux bornes du capteur 3 pour les valeurs positive et négative du courant Ig.
On notera que la puissance nécessaire pour alimenter le bobinage 56 est d'autant plus faible que la valeur Hg du champ alternatif de polarisation est faible. Le choix d'une valeur Hg faible permet ainsi de limiter la puissance consommée par le dispositif.
La figure 4B présente un exemple de circuit 60 de mesure de tension mettant en oeuvre le circuit 60A ou 60B. Le circuit 60 comprend successivement, en série entre un noeud d'entrée Vj (Vj_ ou Vj+) et un noeud de sortie VQ (VQ- OU VQ+) , un circuit de polarisation 80, un circuit de mesure de tension crête 82, et un filtre passe-bas 84.
Le circuit de polarisation 80 comprend deux résistances RI et R2 en série entre la masse GND et un noeud d'application d'un potentiel d'alimentation VA. Le point milieu 86 entre les résistances RI et R2 est couplé au noeud d'entrée Vj par un condensateur Cl .
Le circuit de mesure de tension crête 82 comprend une résistance R3 et un condensateur C2 connectés en parallèle entre la masse GND et la cathode 88 d'une diode Dl dont l'anode est reliée au noeud 86.
Le filtre 84 comprend une résistance R4 reliant le noeud 88 au noeud de sortie VQ, et un condensateur C3 couplant noeud de sortie VQ à la masse GND.
En fonctionnement, la tension aux bornes du capteur est alternative à la fréquence d'excitation Fg et correspond au potentiel du noeud 54. Lorsque ce potentiel est appliqué au noeud Vj par l'interrupteur 62 ou 66, le circuit 80 ajoute à la tension alternative aux bornes du capteur une tension continue de polarisation. Cette tension de polarisation est liée à la tension d'alimentation VA et au rapport entre les valeurs des résistances RI et R2. Cette tension de polarisation est proche de la tension de seuil de la diode Dl . Le condensateur C2 est chargé au travers de la diode Dl lorsque la tension aux bornes du capteur atteint une valeur crête. Le condensateur C2 ne se décharge quasiment pas entre deux alternances successives de la tension aux bornes du capteur. Lorsqu ' aucune tension n'est appliquée au noeud Vj, le condensateur C2 se décharge à travers la résistance R3. Le filtre passe-bas 84 fournit la valeur moyenne des valeurs crête collectées par le condensateur C2.
A titre d'exemple, la fréquence d'excitation Fg est comprise entre 1 MHz et 100 MHz. La fréquence F-Q peut être inférieure à 10 % de la fréquence d'excitation. Le temps de décharge de la capacité C2 à travers la résistance R3 peut être inférieur à 20 % de la durée d'un créneau du courant IQ. La fréquence de coupure du filtre passe-bas 84 peut être inférieure à 10 % de la fréquence FQ. Dans le cas d'un champ à mesurer alternatif, la fréquence du champ à mesurer peut être inférieure à 50 % de la fréquence de coupure du filtre passe-bas 84. La figure 5 illustre la tension V3 mesurée par le dispositif de la figure 4A en fonction de la composante Ηχ du champ à mesurer. On note que la valeur V3 est nulle pour un champ Ηχ nul . La valeur V3 est maximale en valeur absolue lorsque le champ Ηχ est proche des valeurs -Hj et +Hj correspondant aux points d'inflexion de la courbe 30 de la figure 2A.
La figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif 90 de mesure d'un champ magnétique.
Le dispositif 90 reprend le dispositif 50 décrit en relation avec la figure 4, dans lequel le circuit 52 de détermination de la valeur mesurée a été remplacé par un circuit 52A (SUB), similaire au circuit 52 sans le circuit d'amplification 72. Le circuit 52A fournit la différence ΔΖ entre les impédances du capteur 3 pour les valeurs positive et négative du champ alternatif ¾ produit par le générateur 9.
Le dispositif 90 comprend un circuit de régulation 92 (CTRL) qui reçoit la différence ΔΖ et fournit au travers d'une résistance 94 un courant de rétroaction Ip alimentant un bobinage 96 disposé autour du capteur 3. Le circuit de régulation est par exemple un régulateur proportionnel-intégrateur-dérivateur PID. Un circuit d'amplification 98 (A5) fournit une valeur mesurée V4 à partir de la tension aux bornes de la résistance 94.
En fonctionnement, la circulation du courant Ip provoque un champ Hp de rétroaction superposé à la composante Ηχ à mesurer. Le circuit de régulation ajuste le courant Ip de manière à obtenir une différence ΔΖ nulle. Ceci se produit lorsque le champ Hp de rétroaction s'oppose à la composante ¾ à mesurer. La valeur mesurée V4 est représentative du courant Ip et correspond à la valeur du champ de rétroaction Hp. Le circuit d'amplification 98 a un facteur d'amplification qui peut être déterminé à partir de la configuration du bobinage 96 et de la valeur de la résistance 94. Le facteur d'amplification peut aussi être obtenu par étalonnage du dispositif 90.
Du fait que les valeurs ¾ du champ alternatif correspondent à des points de fonctionnement au voisinage du minimum d'impédance à champ nul, le champ de rétroaction et le champ à mesurer s'opposent exactement. Ainsi, la valeur V4 est une mesure particulièrement précise de la composante Ηχ.
Du fait que le champ de rétroaction et le champ à mesurer s'opposent, le capteur est soumis au seul champ de polarisation quelle que soit la valeur du champ à mesurer. Ainsi, l'intensité du champ à mesurer n'est pas limitée à une plage de fonctionnement du capteur. Le champ à mesurer peut ainsi avoir une intensité jusqu'à 10 kA/m, voire jusqu'à 100 kA/m.
Des modes de réalisation particuliers ont été décrits.
Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, le capteur peut être un fil courbé, par exemple selon un cercle, et la composante Ηχ du champ à mesurer est alors une composante tangentielle parallèle à ce cercle.
Bien que, dans les modes de réalisation décrits, le champ de polarisation soit alternatif en créneaux entre des valeurs -¾ et ¾, le champ de polarisation peut être tout autre champ alternatif symétrique, les valeurs -¾ et ¾ étant alors des valeurs d'intensité crête. La différence ΔΖ peut correspondre à la différence des impédances de crête pour les valeurs positives et négatives du champ alternatif, ou à la différence entre l'impédance moyenne pour les valeurs positives et l'impédance moyenne pour les valeurs négatives, ou à toute différence entre des impédances du capteur pour les deux sens du champ alternatif.
Bien qu'un exemple particulier de circuit de mesure de tension 60 ait été décrit, tout autre circuit de mesure d'une valeur représentative de l'amplitude d'une tension alternative peut être utilisé. Le circuit de mesure de tension peut ainsi être un circuit de mesure de valeur efficace RMS (de l'anglais "Root Mean Square") , un circuit de mesure de valeur moyenne d'une tension redressée, ou tout circuit de démodulation à la fréquence d'excitation.
Par ailleurs, une courbe illustrant l'impédance Z (H) du capteur en fonction du champ magnétique H a été décrite. Cette impédance est en fait la moyenne des impédances obtenues lorsque le champ magnétique H varie dans les sens croissant et décroissant. Ceci permet d'obtenir l'impédance que le capteur a en pratique lorsqu'il est soumis au champ alternatif de polarisation. En outre, comme ceci a été décrit, l'impédance Z (H) du capteur présente des maxima pour des valeurs -H^ et du champ H et des points d'inflexion pour des valeurs -Hj et +Hj du champ H. Une détermination précise de ces valeurs est effectuée à une température de 20 °C lorsque le capteur est libre de contraintes .

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure d'une composante (Ηχ) d'un champ magnétique à mesurer, comprenant :
un capteur à magnéto-impédance (3) dont l'impédance (Z) est minimale à champ nul et maximale pour deux premières valeurs positive (+!¾) et négative (-!¾) de champ ;
un générateur (9) d'un champ de polarisation (Hg) alternatif superposé au champ magnétique à mesurer ; et
un circuit (52) de détermination du champ à mesurer à partir de la différence (ΔΖ) entre les impédances du capteur pour les deux sens du champ alternatif,
le champ alternatif (¾) ayant une composante parallèle à la composante à mesurer d'intensité crête inférieure à 20 % de chacune des premières valeurs (+!¾, -¾) .
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le capteur à magnéto-impédance (3) est un fil en un matériau ferromagnétique amorphe .
3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le fil (3) a un diamètre compris entre 30 et 100 ym.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel ledit générateur (9) comprend une source (58) d'un courant de polarisation (Ig) et ledit circuit (52) comprend des premier (62) et deuxième (66) interrupteurs commandés en opposition par ladite source, le premier interrupteur couplant le capteur à un premier sous-circuit (60A) de mesure de tension et le deuxième interrupteur couplant le capteur à un deuxième sous- circuit (60B) de mesure de tension, les premier et deuxième sous- circuits ayant des sorties reliées aux entrées d'un amplificateur différentiel (70) fournissant ladite différence (ΔΖ) .
5. Dispositif selon la revendication 4, comprenant un générateur (5) d'un courant d'excitation alternatif circulant dans le capteur (3), chacun des premier et deuxième sous-circuits (60A, 60B) comprenant un sous-circuit de mesure de tension crête (82) suivi d'un filtre passe-bas (84) .
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel ledit circuit comprend :
un régulateur fournissant un courant de rétroaction (Ip) alimentant un générateur (96) d'un champ de rétroaction (Hp) ; et un sous-circuit (98) de détermination de la composante à mesurer (Ηχ) à partir de l'intensité du courant de rétroaction, le régulateur étant adapté à annuler ladite différence
(ΔΖ) .
7. Procédé de mesure d'une composante (Ηχ) d'un champ magnétique à mesurer, comprenant les étapes suivantes :
a) générer un champ (Hg) de polarisation alternatif superposé au champ magnétique à mesurer et appliqué à un capteur à magnéto-impédance (3) dont l'impédance (Z) est minimale à champ nul et maximale pour deux premières valeurs positive (+!¾) et négative (-!¾) de champ ; et
b) déterminer la composante à mesurer à partir de la différence (ΔΖ) entre les impédances du capteur pour les deux sens du champ alternatif,
le champ alternatif ayant une composante parallèle à la composante à mesurer d'intensité crête inférieure à 20 % de chacune des premières valeurs .
8. Procédé selon la revendication 7, comprenant à l'étape b) :
produire un courant de rétroaction (Ip) ;
produire un champ de rétroaction (Hp) à partir du courant de rétroaction ;
déterminer 1 ' intensité du courant de rétroaction annulant ladite différence (ΔΖ) ; et
déterminer le champ à mesurer (Ηχ) à partir de l'intensité du courant de rétroaction.
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