Chapitre 4. De la détection mixte
4.4. Détection mixte
4.4.3. Autres possibilités de conditionnement et de réalisation du FEM-C
Suivant l'approche multipolaire envisagée pour les circuits de capture magnétique au cours du Chapitre 3, il est vraisemblable que d'autres topologies soient envisageables, par exemple lire le courant de court circuit de la voie E par ampli de charge différentiel, et lire également le courant de court circuit des voies H. D'autres combinaisons de ce type sont envisageables, et pourraient faire l'objet d'études. Le défaut probable du FEM-C élémentaire est le faible nombre de tours pour la capture magnétique. Ici, la possibilité d'enrober le circuit conducteur par un matériau magnétique devrait donc être examinée, avec la question de sa compatibilité avec la lecture de la voie E. A priori, les matériaux à forte perméabilité magnétique ont en général une permittivité diélectrique élevée, mais cela ne modifient pas le principe de fonctionnement, même si le couplage du champ externe pourra être modifié (analogue de l'effet démagnétisant) et si la valeur de la capacité du schéma ééquivalent de Norton puisse également être modifiée. Pour cette dernière, la structuration en deux blocs disjoints d'électrodes enrobées de matériau magnétique séparés par un gap d'air fait intuitivement que la valeur de cette capacité soit contrôlable par la largeur du gap, conférant, à l'instar de ce que nous avons fait pour les bobines de capture à circuit magnétique en forme de coque, de la souplesse pour le dimensionnement du système, eu égard aux applications dans lesquelles il pourrait être mis en œuvre. D'un point de vue industriel, ce point est capital. Notons aussi que cette de notion de gap contrôlable, fait penser aux circuits à réluctance variable, et en terme de capteur, au flux gate magnétique. Note approche, dans son essence, contient aussi le capteur dual du flux gate, mais pour le champ électrique.
Conclusion
L'entreprise Inphynix n'a pas eu la chance de pouvoir continuer son activité, mais l'on voit ici que des possibilités de dispositifs nouveaux étaient à sa portée. A court terme, le développement de magnétomètres à bobines de capture miniature à coques magnétiques, de dimensions sub
centimétriques aurait été effectué, visant une résistance en continu de 50 Ω, avec bobinage de fil
de faible diamètre pour obtenir un nombre élevé de tours, compatible avec une résonnance naturelle d'au moins 10 kHz. Partant, la structure de conditionneur aurait été celle autour de l'ina 163, décrite dans le Tableau 15, circuit (f). Du point de vue pédagogique, l'extrême
simplicité du montage, avec étude comparée des modes d'amplification de tension et de transimpédance, comme décrit au dernier colloque CETSIS2011, aurait mené à un produit didactique intéressant (classe de BTS, IUT, Université et écoles d'ingénieur). Du point de vue industriel, ce type de capteur magnétique à très bas bruit dès que la fréquence excède quelque 100 Hz, procure un prolongement des capteurs de type flux gate, et devait mener également à des produits intéressants.
A moyen terme, et notamment au travers d'une seconde thèse, l'entreprise aurait poursuivi les études relatives à la détection mixte, d'une part, et à l'amélioration de son procédé de mesure de champ électrique, compte tenu de la compréhension fine du modèle de base de la diélectrode établi dans sa forme finale lors de la rédaction de ce Chapitre 4.
Conclusion générale
Dans le domaine des magnétomètres nous avons mis en évidence avec la littérature que que les solutions à base de bobine de capture fonctionnant en mode flux, sont connus comme pertinentes pour des applications large bande. Sur ces bases nous avons cherché à fabriquer un capteur de taille réduite, grande dynamique et large bande. Nous avons introduit un facteur de mérite ‘universel’, adapté à tous les magnétomètres à base de bobines de capture permettant de prévoir la sensibilité d’un magnétomètre pour une taille donnée de celui-ci. Nous avons développé un capteur différentiel original à base de deux bobines intimement couplées. Le dispositif présent un volume réduit et nous avons construit des facteurs déterminants adaptés au domaine de géométrie qui nous intéresse et qui n’avaient pas été proposés jusqu’à présent. Nous
avons posé les contraintes et compromis entre fréquence de coupure basse fc et sensibilité. Nous
avons aussi montré sa meilleure résolution spatiale par rapport à un capteur différentiel à base de deux bobines de captures séparées non couplées ayant le même volume de ferrite et de cuivre. Le couplage des bobines permet d’obtenir également une amélioration des performances en bruit et par un facteur deux de la fréquence de coupure basse.
Des conditionneurs différentiels « en courant » (à transconductance) optimisés pour ce type d’utilisation ont été étudiés et modélisés en particulier pour la composante différentielle du signal d’une part et pour le bruit d’autre part. Les résultats obtenus pour des utilisations comme magnétomètres et en notamment le transfert et le bruit équivalent en champ sont présentés et comparés. Des résultats de simulation au niveau conditionneur montrent qu’un travail d’optimisation supplémentaire devient possible puisqu’on a introduit deux paramètres électriques
permettant un réglage indépendant du transfert Champ-Courant et de fc, ce qui lève donc
théoriquement les compromis de conception du capteur.
Le travail prospectif pourrait être consacré à la recherche de la solution d’optimisation pour les magnétomètres à 3 axes en prenant en compte un budget limité en poids et du volume tout comme, et c’est une solution que nous avons poussé plus avant, via l’étude de la sensibilité aux deux champs, magnétique et électrique. Un dispositif conducteur filaire a été introduit, auquel sont associées plusieurs sources commandées pour certaines par le champ magnétique externe, pour d’autres par le champ électrique. Nous avons argumenté comment les signaux associés à ces sources commandées sont séparables par un dispositif conditionneur de signal adapté.
Table de matières
Introduction générale ... 1 Chapitre 1. La mesure des champs électromagnétiques basses fréquences ... 3 Introduction ... 3
1.1. Intérêt et enjeux de la détection mixte Champ Electrique Champ Magnétique ... 3
1.1.1. Géophysique ... 3
1.1.2. Contrôle non destructif ... 4
1.1.3. Compatibilité électromagnétique ... 4
1.1.4. Electrophysiologie ... 5
1.2. Introduction aux Champs Electrique et Magnétique et à leur mesure ... 5
1.3. Magnétisme et milieu matériel ... 11
1.3.1. Grandeurs magnétiques dans les milieux magnétiques ... 11
1.3.2. Conditions aux limites ... 13
1.3.3. Susceptibilité magnétique ... 13
1.3.4. Effet de forme du matériau magnétique et coefficients démagnétisants ... 16
1.3.5. Perméabilité apparente - Inductance... 17
1.4. Capteurs magnétiques et magnétomètres ... 21
1.4.1. Caractères généraux ... 21
1.4.2. Capteurs absolus ... 22
1.4.3. Dispositifs sensibles au champ sur un axe spécifié ... 23
1.4.3.a) Effet Hall ... 23
1.4.3.b) Effets magnétorésistifs (MR, AMR, GMR, CMR, TMR) ... 25
1.4.3.c) Effet magnétoimpédance ... 27
1.4.4. Dispositifs sensibles au flux du champ... 29
1.4.4.a) Bobines de capture ... 29
1.4.4.b) Fluxgate ... 29
1.4.4.a) Effet Josephson et SQUID’s ... 31
1.4.5. Synthèse comparative ... 32
1.4.6. Contraintes et ordres de grandeurs pour des applications ‘Champ faible’ ... 33
1.5. Eléments de l’état de l’art de la détection magnétique à l’aide de bobine de capture. .. 34
1.5.1. Principaux types de conditionnement du signal ... 34
1.5.2. Aperçu de l’état de l’art des bobines de capture ... 35
1.6. Cahier des charges du magnétomètre ... 37
1.7. Conclusion ... 38
Chapitre 2. Etude de capteurs à base de bobines de capture compactes ... 39 Introduction ... 39
2.1. Modèle de la mini bobine ... 39
2.1.1. Modèle physique ... 39
2.1.1.a) Circuits dans l’air ... 39
2.1.1.b) Circuits avec noyau magnétique ... 43
2.1.1.c) Capteurs simples réalisés ... 50
2.1.2. Approche numérique par éléments finis ... 51
2.1.2.a) Détermination des paramètres ... 54
2.1.2.b) Effet du courant induit sur la topographie des lignes de champ ... 56
2.1.2.c) Etude de l’écart à l’ellipsoïde ... 59
2.1.2.d) Etude de l’effet de géométrie ... 61
2.1.3.a) Modèle de Thévenin ... 66
2.1.3.b) Modèle de Norton ... 67
2.2. Problématique d’un couplage magnétique à d’autres circuits ... 70
2.2.1. Recensement des situations ... 70
2.2.2. Modèle physique ... 72
2.2.2.a) Formulation générale ... 72
2.2.2.b) Cas du capteur couplé ... 73
2.2.2.c) Cas de la contre réaction ... 75
2.2.2.d) Comparateur pour le schéma bloc ... 77
2.2.3. Approche numérique ... 78
2.2.3.a) Le cas typique ... 78
2.2.3.b) Notre cas particulier ... 79
2.2.3.c) Cas d’un système avec contre réaction ... 80
2.2.4. Schéma et modèle ... 83
2.2.4.a) Modèles de Thévenin et de Norton équivalents ... 83
2.3. Qualification des bobines de captures ; réalisation et validation du modèle théorique 85 2.3.1. Dispositifs expérimentaux ... 86
2.3.2. Résultats et analyse ... 86
Conclusion ... 91
Chapitre 3. Conception et réalisation de magnétomètres ... 93
Introduction ... 93
3.1. Les conditionneurs ... 93
3.1.1. à entrée en courant classique à Amplificateur Linéaire Intégré (ALI) contre réactionnés ... 94
3.1.1.a) Structure fonctionnelle ... 94
3.1.1.b) Schéma et caractéristiques ... 95
3.1.1.c) Modèle quadripolaire ... 98
3.1.1.d) Discussion sur la structure ... 101
3.1.2. à entrée en courant à transistor idéaux OPA861 ... 101
3.1.2.a) Etude fonctionnelle du transistor idéal OPA 861 ... 102
3.1.2.b) Schéma et caractéristiques ... 106
3.1.2.c) Modèle quadripolaire ... 107
3.1.2.d) Discussion sur la structure ... 108
3.1.3. à entrée en courant utilisant un amplificateur d’instrumentation ... 109
3.1.3.a) Structure fonctionnelle ... 109
3.1.3.b) Schéma et caractéristiques ... 109
3.1.3.c) Modèle quadripolaire ... 111
3.1.3.d) Discussion sur la structure ... 112
3.1.4. à entrée en courant à court-circuit vrai : étage d’entrée à capteur de courant à GMR 112 3.1.4.a) Etude fonctionnelle du capteur de courant à base de GMR ... 112
3.1.4.b) Schéma ... 115
3.1.4.d) Discussion sur la structure... 115
3.1.5. à entrée en tension à amplificateur d’instrumentation avec intégration ... 116
3.1.5.a) Structure fonctionnelle ... 116
3.1.5.b) Schéma et caractéristiques ... 116
3.1.5.c) Modèle quadripolaire ... 117
3.1.5.d) Discussion sur la structure... 120
3.2. Les magnétomètres : réalisations et performances ... 121
3.2.1. Modèle quadripolaire ... 121
3.2.2. Description du banc de mesure large bande ... 123
3.2.3. Résultats ... 127
Conclusion ... 141
Chapitre 4. De la détection mixte ... 143
Introduction ... 143
4.1. Intérêts et enjeux de la détection mixte ... 143
4.1.1. Rappel des intérêts de la détection mixte ... 143
4.1.2. Hybridation fondamentale des captures électriques et magnétiques ... 144
4.1.2.a) Cause profonde de la séparation... 144
4.1.2.b) Intérêts de l'hybridation des captures électriques et magnétiques ... 145
4.2. Analyse de l'approche Inphynix ... 146
4.2.1. Analyse de l'électromètre ... 146
4.2.1.a) Schéma fonctionnel et specifications ... 146
4.2.1.b) Principe de fonctionnement de la sonde et du préamplificateur ... 147
4.2.2. Le conditionneur "E-M", ou l'amorce de la problématique de la détection mixte 150 4.3. Résultats essentiels d'un retour aux fondamentaux ... 151
4.3.1. Cas du conducteur isolé de forme quelconque dans un champ électrique Eext. ... 152
4.3.2. Cas du conducteur de forme sphérique dans un champ électrique Eext. ... 153
4.3.3. Cas de deux demi-sphères conductrices disjointes mais très proches ... 154
4.3.4. Cas de deux demi-sphères conductrices disjointes mais très proches et reliées par un conducteur ... 155
4.3.5. Diélectrode de capture réelle et schéma équivalent simplifié ... 156
4.3.6. Diélectrode de capture réelle, résolution intrinsèque ... 157
4.3.7. Conditionneurs élémentaires de la diélectrode ... 159
4.4. Détection mixte ... 161
4.4.1. Le FEM-C élémentaire ... 161
4.4.1.a) Description et Principe ... 161
4.4.1.b) Critères de dimensionnement ... 163
4.4.2. Conditionneur fondamental du FEM-C élémentaire ... 165
4.4.2.a) Conditionnement de la voie E ... 165
4.4.2.b) Conditionnement fondamental des voies H ... 166
4.4.2.c) Synthèse du conditionneur fondamental du FEM-C ... 167
4.4.3. Autres possibilités de conditionnement et de réalisation du FEM-C ... 168
Conclusion ... 168
Conclusion générale ... 170
Table de matières ... 171
Bibliographie ... 175
Liste des figures ... 182
Annexes ... 188
A. Cas académique de la spire unique dans l’air ... 188
B. Schéma fonctionnel d’un magnétomètre ... 190
C. Expression du champ démagnétisant d’un ellipsoïde en tout point de l’espace ... 192
D. Calcul de la reluctance d’un noyau en forme de pot avec entrefer ... 195
E. Calculs des paramètres de la bobine à noyau ... 197
F. Etude d’une solution de conditionneur basse impédance à transistor ... 202
G. Expression générique du signal de sortie d’un étage amplificateur à ALI avec sources de bruit ... 205
H. Expression générique du signal de sortie d’un étage amplificateur de courant à ALI avec sources de bruit ... 206
I. Expression générique du signal de sortie d’un étage soustracteur à ALI avec sources de bruit 207 J. Expression complète du signal de sortie pour le conditionneur en courant à base de LT1028 ... 208
K. Expression complète du signal de sortie pour un conditionneur en courant à base d’un amplificateur d’instrumentation ... 212
L. Expression complète du signal de sortie pour un conditionneur en tension à base d’un amplificateur d’instrumentation ... 215
M. Expressions complètes du signal de sortie quand les sources sont des bobines de capture couplées. ... 218
N. Estimation théorique des bruits des amplificateurs internes de l’amplificateur d’instrumentation ina163 ... 221
O. Détermination des sources équivalentes de bruit en entrée d’un conditionneur “ idéal ” à partir de l’expression analytique en sortie ... 223
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