Capteur magnétique

Il existe une grande diversité de technologies permettant la mesure du champ ma-gnétique et donc plusieurs types de capteurs mama-gnétiques. Ils se répartissent majoritaire-ment en deux grandes familles : d’une part les magnétomètres absolus mesurant directe-ment la norme du champ, dit scalaires, tels que ceux exploitant la résonance magnétique protonique ou à pompage optique, d’autre part les magnétomètres permettant une me-sure directionnelle et donc l’accès aux composantes du champ, dit vectoriels.

Magnétomètre à Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Il s’agit d’appareils exploi-tant l’effet Overhauser (Abragam, 1961), c’est-à-dire l’aptitude d’un système moléculaire à résonner (répondre) à une fréquence donnée lorsqu’il est excité par un champ magné-tique du domaine radio-fréquentiel en présence d’un champ stamagné-tique déjà établi. En effet, la fréquence de réponse étant proportionnelle au champ statique, la modification de ce dernier engendre donc un changement de la fréquence de résonance.

Ces appareils ont l’avantage d’être absolu et précis, ils sont en revanche assez onéreux, possèdent une fréquence d’échantillonnage faible (quelques Hertz au maximum) en rai-son des mécanismes atomiques mis en jeu pour la mesure et présentent un encombre-ment important. Ils sont donc peu utilisés pour des levés géophysiques. Ces magnéto-mètres sont aujourd’hui embarqués dans les avions de patrouille maritime servant à la détection aérienne des sous-marins (Chadebec, 2001).

Magnétomètre à pompage optique. Ils se basent eux aussi sur un effet quantique, l’effet Zeeman. Ce dernier met en évidence la séparation des raies spectrales d’un atome sous l’effet d’un champ magnétique, lié à la séparation d’un niveau d’énergie atomique défini en plusieurs sous niveaux d’énergies distinctes.

Les principaux éléments utilisés sont le césium, le rubidium et l’hélium (Reford and Sumner, 1964 ; Slack et al., 1967). Ils présentent l’avantage d’être absolus, précis et de pouvoir monter jusqu’à environ 100 Hz en fréquence d’échantillonnage. De plus, ils sont très peu sensibles aux perturbations cinétiques, ce qui rend la mesure en mouvement possible. Ils sont donc généralement utilisés en cartographie aéromagnétique. Enfin, ils sont assez largement utilisés pour les prospections pédestres, notamment à but archéo-logique. En revanche ils sont assez volumineux, d’une construction complexe donc cou-teuse.

FIGUREI.4 – Magnétomètre à pompage optique césium, le G859 produit par Geometrics. Il est ici équipé sur sac à dos avec à droite le GNSS et l’électronique de contrôle en bas. Source : site Geo-metrics, http ://www.geometrics.com/geometrics-products/geometrics-magnetometers/g-859-magnetometer/

Magnétomètre Superconducting QUantum Interference Device (SQUID). Il s’agit de la technologie la plus récente concernant la mesure du champ magnétique. En effet, c’est en 1962 que l’effet Josephson a été prédit. Les magnétomètres SQUID utilisent deux jonc-tions Josephson en parallèle formant une boucle, le courant critique permettant l’établis-sement d’un courant supra-conducteur qui est alors fonction du flux magnétique dans la boucle.

Il s’agit à l’heure actuelle des dispositifs les plus précis pour la mesure des gradients du champ magnétique et plus précisément du tenseur gradio-métrique. Néanmoins, la supra-conductivité nécessite des températures très basses et se révèle donc difficilement embarquable en raison de la consommation électrique associée et de l’encombrement (Gaffney, 2008). Signalons néanmoins le travail original de Schultze et al. (2007) qui a conduit à l’utilisation d’un magnétomètre SQUID pour un levé à but archéologique.

Magnétomètre Fluxgate. Il s’agit des premiers capteurs magnétiques électroniques in-ventés, à l’issue de la deuxième guerre mondiale. Leur fonctionnement se base sur la ré-action d’un matériau soumis à un champ magnétique assez important pour le saturer. Nous nous focalisons particulièrement sur les magnétomètres vectoriels de type fluxgate puisqu’ils seront utilisés abondamment dans la suite de nos travaux.

Plus précisément, un matériau ferromagnétique est entouré de deux bobinages. Le premier bobinage dit d’excitation permet de porter le matériau à saturation à l’aide d’un signal périodique. Le second bobinage, dit de « pick up » ou prélèvement permet de me-surer une tension proportionnelle à la dérivée du flux dans le barreau. En présence d’un champ extérieur, il se créé une dissymétrie temporelle. C’est-à-dire que la saturation ar-rive plus tôt ou plus tard selon le signe du champ d’excitation. La détection de cet écart temporel permet de remonter au champ extérieur dans la direction du barreau.

Etant donné le principe de fonctionnement de ce capteur, la sonde présente généra-lement une forme allongée, permettant d’assurer la saturation du matériau avec un co-efficient démagnétisant faible. Cela permet également d’augmenter le nombre de tours de câble et donc diminuer l’intensité nécessaire pour saturer le matériau. Avec de telles sondes, on mesure donc le champ magnétique dans une direction donnée, d’où la carac-térisation vectorielle de ces capteurs.

Pour obtenir la norme du champ magnétique, il faut alors positionner trois sondes or-thogonales dans le capteur. L’orthogonalité devient alors un point important afin de ga-rantir la bonne mesure de la norme du champ. Les constructeurs garantissent en général un défaut d’orthogonalité inférieur à 0.5° (feuille de calibration fournie par Bartington).

Présentons plus en détail le fonctionnement d’un capteur fluxgate : il s’agit d’un noyau ferromagnétique, généralement de forme cylindrique et en mu-métal, matériau connu pour sa perméabilité très élevée vis-à-vis du champ magnétique et qui est en fait un al-liage à base de nickel (80 %) et de fer (15%).

Le noyau magnétique, ici vu de côté (figure I.5) , est entouré par deux bobines diffé-rentes (sur toute sa longueur). La bobine bleue constitue la bobine dite d’excitation, elle est alimentée par un courant alternatif : généralement un signal triangulaire symétrique. Ce courant induit dans le matériau un champ magnétique appelé ici Hexpour champ

ma-gnétique d’excitation dont le but est de forcer l’aimantation du matériau jusqu’à atteindre la saturation complète du matériau.

Hex V

mes

I_ex

M

FIGUREI.5 – Schéma représentatif d’une sonde fluxgate. En gris, le matériau ferromagnétique, en bleu la bobine d’excitation qui produit un champ Hex dans la direction du barreau et donc une aimantation M dans cette même direction. En rouge, la bobine de mesure qui permet de mesurer la tension Vme.

Le matériau décrit alors un cycle d’hystérésis (figure I.6), c’est-à-dire qu’au-delà d’une certaine valeur seuil, que l’on appellera H_sat, quel que soit la valeur du champ supplé-mentaire appliqué, le matériau reste sur la même valeur d’aimantation M : Il est dit en saturation.

H

M

-Hsat

Hsat

FIGUREI.6 – Cycle d’hystérésis du matériau dans un fluxgate. L’aimantation du barreau varie li-néairement en fonction du champ H appliqué jusqu’à l’apparition d’un phénomène de saturation où l’augmentation du champ extérieur ne permet plus d’augmenter l’aimantation.

Il se forme alors aux bornes de la bobine de mesure, une tension proportionnelle à la dérivée du flux. En l’absence de champ extérieur, il s’agit d’un signal périodique dont la durée entre la partie positive et négative est identique. Mais en présence d’un champ extérieur, cette durée est modifiée et l’on observe un décalage temporel, puisque selon la valeur du champ extérieur, la saturation arrive plus rapidement d’un côté que de l’autre du cycle d’hystérésis. Cette durée est alors identifiée par détection synchrone et permet de remonter à l’amplitude du champ extérieur.

Le fonctionnement du fluxgate en l’absence de champ extérieur est schématisé en noir sur la figure I.7 , tandis que le fonctionnement en présence d’un champ extérieur est représenté en rouge. On voit bien pour un signal d’entrée triangulaire, la durée de saturation du matériau sur le graphe du milieu qui est dissymétrique en présence d’un champ extérieur.

Hex H+sat H-sat M V T+ T -T+ T

-FIGUREI.7 – Fonctionnement du fluxgate en fonction du temps. En haut, le champ d’excitation contrôlé par le courant Iex au cours du temps. Au milieu, l’aimantation du matériau au cours du temps tenant compte du cycle d’hystérésis. En bas, la tension mesurée aux bornes de la bobine de mesure au cours du temps, elle est proportionnelle à la dérivée du flux. En temps normal, le signal est symétrique et les durées sont égales (en noire). En présence d’un champ extérieur, on asymétrise le signal, d’où un décalage temporel qu’on peut mesurer (en rouge).