1.1. CAPTEUR DE CAMP MAGNÉTIQUE 1.1.1. Champ magétique U coducteur liéaire trasportat u courat d itesité I Ampères iduit à ue distace r u champ magétique B doé par : B μ = 0I Tesla, 2πr 7 où μ 0 = 4π 10 ery/mètre, est la perméabilité du vide. U coducteur liéaire de logueur l parcouru par u courat I et soumis à u champ magétique B subit ue force F telle que : F = BIl cosα Newto, où a est l agle que forme le coducteur et la directio du champ B. Ue simple spire coductrice de diamètre d iduit u champ axial défii par : B = μ Id 0 2 2 2 ( d + 4r ) 3 Tesla où r est la distace d éloigemet du cetre de la spire. Le champ magétique au cetre d u soléoïde de logueur l et costitué de N spires est doé par : μ B 0NI l = Tesla. Le potetiel électrique iduit par ue bobie est doé par la loi de Faraday : V dφ = N dt = NA db dt avec N : ombre de spires de la bobie,
14 Applicatios idustrielles des capteurs 2 Ф : le flux magétique (Weber), A : la surface de la sectio droite de la bobie. L iteractio etre u champ magétique et la matière est décrite par les relatios suivates : ( M ) B μ = μ r μ = μ + J = + = 0 0 μ0 où : μ r est la perméabilité relative du milieu (μ r = 1 pour le vide), M le coefficiet de magetisatio. 1.1.2. Matériaux magétiques Les matériaux ferromagétiques cotieet des domaies pour lesquels les atomes ot la même directio de magétisatio. Cette propriété etraîe ue grade perméabilité. La magétisatio est limitée par le champ de saturatio Bs. U matériau ferromagétique perd ses propriétés magétiques s il est porté à ue température égale ou supérieure à la température de Curie. Das de ombreux élémets moocristallis, cristallis, amorphes, alliages et composites, ue faible coercivité et ue haute perméabilité peuvet être atteites. Ces matériaux sot déommés matériaux magétiques doux. Les ferrites douces ot ue faible coductivité électrique, ce qui les red bie adaptées aux applicatios hautes fréqueces, les pertes de puissace par courats de Foucault état faibles. U matériau ferromagétique placé est attiré vers les champs forts par ue force proportioelle au produit du champ B par so gradiet. Les aimats permaets sot utilisés pour produire u champ magétique à leur surface. Ue forte coercivité et ue haute rémaece de magétisatio sot requises pour ces matériaux magétiques durs. Les aimats frittés sot pricipalemet des alliages samariumcobalt (mco) ( c 1.2 MA/m, B r 0.1 T, B max 250 kj/m 3, T max 300 0 C) et éodyme-fer-bore (NdFeB) ( c 1.0 MA/m, B r 1.3 T, B max 350 kj/m 3, T max 180 0 C). Les ferrites dures sot peu oéreuses mais mois fortes que NdFeB. Das le domaie des capteurs de gradeurs mécaiques et das les systèmes actuateurs, les propriétés magétostrictives des matériaux sot largemet utilisées. Les cotraites appliquées modifiet la perméabilité et iversemet l applicatio d u champ magétique modifie l état magétique du matériau, sa forme et ses costats élastiques via le mécaisme de magétostrictio. Les fils et rubas amorphes sot particulièremet sesibles (large saturatio magétisatio λ s et faible champ de saturatio s ), par exemple Fe 50 Co 50 (λ s = +70.10-6, s = 10 ka/m). La magétostrictio est égalemet utilisée das les actuateurs (par exemple pour briser la glace e surface de structures par impacts mécaiques ou das les géérateurs d ultrasos).
Pricipes techologiques fodametaux 15 Capteurs de champs magétiques Les capteurs les plus courats sot les capteurs à effet all. Ue techologie similaire est utilisée das les magétorésistaces à semicoducteurs. Les autres types de capteurs sot les capteurs de type AMR et fluxgates. D autres capteurs sot plus raremet utilisés das les applicatios idustrielles : les QUID supracoducteurs extrêmemet sesibles et les capteurs résoats présetat ue excellete stabilité absolue. 1.1.3. Capteurs à effet all Lorsqu u coducteur trasportat u courat électrique est placé das u champ magétique, la distributio de potetiel das le coducteur est modifiée. La tesio mesurée déped de l orietatio relative du courat et du champ magétique et égalemet de la directio suivat laquelle la mesure de tesio est effectuée. Deux cas de base sot particulièremet importats : 1. L effet all. Le champ magétique appliqué est orieté suivat l axe z perpediculaires à la directio x du courat. La tesio de all est mesurée suivat l axe y perpediculaire aux axes x et z. 2. L effet magétostrictif trasverse (effet all plaaire). Le champ magétique appliqué est orieté suivat l axe y perpediculaires à la directio x du courat. Les variatios de tesio sot mesurées suivat l axe x. Cet effet très faible et peu stable est peu utilisé. Bie que l effet all existe das les métaux, les composats usuels sot semicoducteurs et présetet ue sesibilité bie plus élevée. Les capteurs à effet all sot utilisés pour mesurer des champs de 1 mt à 1 T das ue gamme de température de -100 C à +100 C et ue gamme de fréquece du cotiu à 30 kz. E associatio avec des aimats permaets, ces capteurs sot utilisés pour les mesures de positio et de vitesse liéaire ou agulaire. Les capteurs à effet all sot largemet utilisés das les moteurs à courat cotiu sas cotacts utilisés das les magétoscopes, les vetilateurs et moteurs de CD et la mesure de courats électriques avec l avatage de garatir ue parfaite isolatio galvaique etre le circuit mesuré et le circuit de mesure. Les systèmes automobiles actuels de sécurité ou les systèmes de freiage AB utiliset des capteurs à roues detées et pour ces capteurs la température ambiate peut atteidre 180 C avec des poites à 200 C au iveau des joctios. Les capteurs itégrés à effet all sot robustes, isesibles aux poussières, vapeurs d huile, bas coûts et compatibles avec les techologies des circuits itégrés (CMO par exemple). Ils comportet le plus souvet des circuits de mise au biais, de réductio d offset, de compesatio e température d amplificatio du sigal et de discrimiatio de iveau. Les plus avacés des capteurs itègret u traitemet umérique du sigal et sot programmables. Quad ue logue bade coductrice de courat est placée das u champ magétique uiforme, les électros das la bade sot affectés par la force magétique de Loretz, F :
16 Applicatios idustrielles des capteurs 2 F = q( v B) où q est la charge élémetaire de l électro, v la vitesse des porteurs de charges et B le champ magétique. cc V B E E cc I t E w V L I Figure 1.1. Capteur à effet all La force de Loretz due au champ magétique est doée par : avec : Fm = q (vd B) = q μ (E e B) v d = μ E e où μ est la mobilité des électros et E e le champ électrique. Les électros se cocetret vers la face supérieure de la bade coductrice et par voie de coséquece, la cocetratio e électros est plus faible sur la face opposée, créat aisi u champ électrique trasverse appelé champ de all. Ce champ E agit sur les électros avec ue force : F = q e E Pour u électro se déplaçat das la bade suivat la directio x, ces deux forces se compeset. E combiat les équatios précédetes o obtiet : E = μ ( E B) e Le champ électrique de all est perpediculaire au champ électrique appliqué et au champ magétique. L amplitude du champ est égalemet proportioelle à la mobilité des porteurs. Le champ électrique extere peut être exprimé e terme de desité de courat e itroduisat J comme suit :
Pricipes techologiques fodametaux 17 rμ E = μ (Ee B) = (J B) = R (J B) q μ où est itroduit le coefficiet de all R, qui itègre la desité des porteurs de type : r R =. q Nous disposos aisi d u autre critère de choix de matériaux pour réaliser u capteur à effet all. IL faudra utiliser u matériau semicoducteur faiblemet dopé pour optimiser le coefficiet de all. Le bo choix est u compromis etre u fort dopage pour optimiser J (J B terme) et, à l iverse, u faible dopage pour optimiser R. La tesio mesurée etre les faces de la bade coductrice est la tesio de all, elle est doée par : V = 2 1 E ds = μ E e Bw où w est la largeur de la bade et B la composate perpediculaire du champ magétique. La desité de courat est : I J = tw où I est le courat et t l épaisseur de la bade. Aisi la tesio de all est doée par : R V = IB t Aisi ue plaque mice (petite valeur de t) produit ue tesio de all plus forte qu ue plaque épaisse. Il peu paraître surpreat que la tesio de all e dépede i de la largeur i de la logueur de la bade coductrice mais, par cotre, le courat maximum admissible déped directemet de la sectio droite de la bade et doc de sa largeur w. La logueur du capteur affecte pas la valeur de la tesio de all (sous réserve qu il e soit pas trop court). La valeur typique de la tesio de all das u capteur stadard est de l ordre de V 60 mv das les coditios suivates : I = 1 ma, B =0.1 T, = 10 22 m -3 et t = 10 μ1.
18 Applicatios idustrielles des capteurs 2 1.2. CAPTEUR MAGNÉTIQUE POUR VARIABLE MÉCANIQUE Das cette sectio sot présetés les capteurs magétiques de positio et de distace, les détecteurs de proximité et de rotatio. Pour termier, sot abordés les capteurs de force, les capteurs de débit et les capteurs d oxygèe. Les capteurs magétiques sot utilisés pour les mesures de positio liéaire et agulaires. Ils sot aalogiques ou umériques. Les sorties umériques sot à deux iveaux (cotacts de proximité) ou codés sur N bits (capteurs icrémetaux ou de positio absolue). Ces capteurs permettet de mesurer la positio d aimats permaets (capteurs à iductio), de matériaux magétiques doux (LVDT, variatio de reluctace), ou simplemet de matériaux coducteurs (courats de Foucault). Des capteurs spécifiques de positio sot les compas magétiques [63], qui utiliset le champ magétique terrestre pour l orietatio et les systèmes de recherche [64], qui utiliset u champ magétique artificiel pour l orietatio et la positio. Les capteurs magétiques pour la mesure de forces et de torsios utiliset l aisotropie magétique iduite. Capteurs de positio à aimats permaets Ce type de capteur mesure le champ d u aimat permaet qui peut être attaché à la cible. uivat ue variate, l aimat est solidaire du capteur de champ et la cible est costituée de matériau ferromagétique avec des pigos. Des capteurs à effet all, des AMR, des GMR ou des magéto-résistaces à semi-coducteurs sot utilisés pour mesurer les variatios de champ dues aux mouvemet des aimats ou des pigos. 1.2.1. Capteurs à courats de Foucault La cible mesurée doit être coductrice mais pas écessairemet ferromagétique. La bobie sesible alimetée par u oscillateur géère u champ magétique alteratif. La bobie est gééralemet accordée par ue capacité e parallèle. Le circuit LC oscille à la fréquece de résoace et si la cible coductrice est présete, les courats de Foucault créet u champ magétique secodaire qui agit e oppositio du champ de la bobie, ce qui etraîe ue décroissace de l amplitude de l oscillateur.
Pricipes techologiques fodametaux 19 magetic field coil magetic pot core oscillator demodulator comparator output amplifier Figure 1.2. Capteur à courats de Foucault 1.2.2. LVDT Le Liear Variable Differetial Trasformer (LVDT) est basé sur ue variatio du facteur de couplage etre les eroulemets primaires et secodaires iduits par le déplacemet d u oyau ferromagétique. La cofiguratio du capteur est motrée figure 1.3. Lorsque le oyau est e positio cetrale, l eroulemet primaire est égalemet couplé avec les eroulemets secodaires. Les eroulemets secodaires état coectés e oppositio, le sigal de sortie est ul. Lorsque le oyau se déplace, le couplage est déséquilibré etre les deux secodaires. Il e résulte u sigal d amplitude proportioelle au déplacemet, pour de petits déplacemets. Le ses de déplacemet est détermié par aalyse de la phase du sigal de sortie par rapport à la référece de phase de l ode excitatrice. Ue différece de phase de 180 correspod à u chagemet de ses de déplacemet. Le domaie de mesure stadard s éted de 200 μm à 50 c1. E pratique, la résolutio peut être meilleure que 0.1 % ou iférieure à1 μ1. La fréquece d excitatio est comprise etre 50 z et 20 kz. La sortie du capteur est gééralemet obteue par u PD (Phase esitive Detector) et quelquefois traité par u processeur radiométrique. L esemble de l électroique de traitemet et d excitatio peut être itégrée das le corps du capteur. ±Δl M 1 +Δl -Δl L' 2 1 P V 2 V =V -V out 2 3 V 1 V 3 a) 2 I(j ω ) L'' 1 2 M 2 b) Figure 1.3. LVDT : a) ectio coupe, b) chéma électrique
20 Applicatios idustrielles des capteurs 2 1.2.3. Capteurs à reluctace variable Le pricipe des capteurs à variatio de reluctace est basé sur la variatio de la distace etre pôles das u circuit magétique. Bie que mois précis que les capteurs de type LVDT, ils sot souvet utilisés avec des trasducteurs mécaiques pour mesurer la pressio, les déformatios, les forces, torsios et autres paramètres mécaiques qui peuvet être trasformés e déplacemets mécaiques, compte teu de leur cofiguratio. 1.2.4. Capteurs de rotatio Ces capteurs sot produits et utilisés compte teu de leur aptitude à foctioer das des coditios extrêmes, état plus robustes que les capteurs à codage optique. Les sychros sot des élémets électromécaiques qui reproduiset à distace la positio du rotor. Ils sot costitués de trois eroulemets disposés 120. Ils combiet les propriétés de capteur et d actuateur : ue de leurs applicatios typiques est le cotrôle de rotateur d atee. Les résolveurs possèdet deux eroulemets à 90. Certais résolveurs umériques produiset des sigaux (tesios) e quadrature (sius/cosius). Das les résolveurs sas cotacts u trasformateur de rotatio est utilisé pour alimeter le rotor. Les résolveurs peuvet supporter des températures de 20 K à 200 C, des iveaux de radiatio de 10 9 rads, des accélératios de 200 g (caos de marie), le vide et des pressios extrêmes. Iductosy est u capteur liéaire similaire au résolveur. Il est costitué d ue règle et d u curseur mobile coteat des bobiages aplatis. Les deux eroulemets mobiles sot décalés d u quart de la période mécaique du système. Le déplacemet est mesuré par le couplage iductif etre les deux bobies. Iductosy possède les avatages des capteurs icrémetaux (icrémet d u quart de période) et des capteurs aalogiques (la répose siusoïdale e tesio permet ue mesure fie par iterpolatio avec ue résolutio pouvat atteidre 1/65000 ième de la période). 1.2.5. Capteur de positio magétostrictif Les capteurs de positio magétostrictifs mesuret le temps de vol d u trai d impulsios pour détermier la positio d u aimat permaet mobile. L élémet sesible est u fil ou u tube (servat de guide d ode) e matériau magétostrictif. Le capteur est basé sur l effet Wiedema : si le courat passe das le guide d ode et qu u champ magétique cotiu et perpediculaire est préset, ue force de torsio est exercée sur le guide d ode (figure 1.4). Le pricipe du système de mesure est le suivat : lorsqu u pulse de courat est appliqué, la force de torsio est géérée das la zoe où se trouve l aimat permaet et se
Pricipes techologiques fodametaux 21 déplace à la vitesse de 3 km/s le log du guide d ode et est détectée par ue petite bobie à iductio placée e tête du capteur. L hystérésis peut être aussi faible que 0,4 μm, la liéarité itrisèque est de l ordre 0.02 % pleie échelle. Certais capteurs ot u système de liéarisatio et de compesatio e température itégré. La logueur maximum de ces capteurs est de 4 mètres. Iductio pickup coil Magetostrictive wire trai pulse Iductio pickup seses iitial ad reflected strai pulses N N N N N N Ier Tube Outer guide tube Maget i trai pulse movable float Reflectio termiator A B C Figure 1.4. Capteurs de positio magétostrictifs trai pulse reflected off bottom 1.2.6. Cotacts de proximité U cotact de proximité peut être obteu à partir de importe quel capteur de champ magétique et d u comparateur. De ombreux cotacts sot basés sur l effet all. Certais des ces cotacts foctioet à variatios de reluctace. Tous ces capteurs et cotacts réagisset uiquemet aux cibles ferromagétiques avec ue exceptio pour les cotacteurs à courats de Foucault qui réagisset avec les matériaux coducteurs. Nous metioos plus bas deux capteurs très importats ayat des sorties aturellemet bipolaires : les cotacts Reed et les capteurs de Wiegad. Cotacts Reed Ces cotacts sot très simples, peu oéreux et totalemet passifs. Ils sot costitués de deux bades de matériaux magétiques doux ou semi-durs scellées das u tube de verre rempli de gaz eutre. O distigue deux types de cotacts : les cotacts ormalemet ouverts qui se fermet pour ue valeur de champ prédéfiie par la force magétique attractive etre les deux bades et les cotacts ormalemet fermés. Les deux types de cotact présetet de l hystérésis et la zoe de cotact présete ue forme assez complexe (figure 1.5). Les cotacts de haute sécurité "équilibrés" utiliset deux cotacts Reed, u ormalemet ouvert et u ormalemet fermé, à proximité de l aimat. i l aimat se
22 Applicatios idustrielles des capteurs 2 déplace, u des deux cotacts chage d état. Les cotacts ormalemet ouverts sot gééralemet couplés avec ue résistace qui permet de cotrôler la cotiuité des fils de liaiso. N x o off y x o y o off Figure 1.5. Cotacts Reed : zoes de commutatios pour u aimat parallèle à l axe du capteur Capteurs de Wiegad U capteur de Wiegad produit u pulse haute tesio lorsque le champ magétique atteit u seuil doé. Le pulse de tesio est idépedat des variatios dyamiques du champ et le capteur est totalemet passif, avec seulemet ue etré et ue sortie. Le capteur est costitué d u fil de 0.3 mm e Vicalloy (Co52Fe38V12) torsadé. Cette cofiguratio etraîe des déformatios plastiques das la zoe de haute coercivité (partie extere) et des cotraites élastiques das la partie cetrale. Le pulse de tesio est crée par ue large variatio de type Barkhause au retouremet de magétisatio de la partie cetrale. 1.2.7. Débitmètre magétique Le débitmètre magétique foctioe suivat u pricipe proche de l effet all : les ios présets das le fluide sous cotrôle se déplaçat à ue vitesse v das u champ magétique orthogoal au déplacemet sot déviés par la force F m = q.v.b orthogoale au champ et au déplacemet du fluide. Les ios défléchis créet u champ électrique qui iduit ue force électrostatique F e = q.e e oppositio. Les deux forces s opposet et se compeset lorsque : U q v B = q E = q ; U = D B v D où D est la distace etre les deux électrodes et U la tesio iduite etre ces deux électrodes.
Pricipes techologiques fodametaux 23 Figure 1.6. Débitmètre à iductio Ce pricipe de mesure implique des fluides coducteurs chargés e ios. L utilisatio d u champ cotiu est à proscrire pour éviter les phéomèes d électrolyse et de corrosio électrochimique. Gééralemet, le champ est modulé e odes carrées et est créé par ue bobie e forme de selle. La tesio iduite est très faible et le câble de liaiso aux électrodes doit être soigeusemet protégé cotre les iterféreces. Les débitmètres à iductio sot égalemet sas cotacts lorsque les électrodes de mesure e sot pas directemet e cotact avec le fluide. Ces capteurs sot gééralemet mois précis, mais sot immues aux dégradatios par effets corrosifs. 1.2.8. Capteurs magétiques de force et de torsio La figure 1.7 représete u capteur magétique de force produit pedat plusieurs décades par ABB. Le capteur est u trasformateur avec des eroulemets primaires et secodaires perpediculaires. Lorsque aucue force est appliquée, la structure est symétrique et aucue lige d iductio e traverse l eroulemet secodaire et la tesio de sortie est ulle. Ue force extere crée ue aisotropie magétique ; la perméabilité das ue directio augmete et les liges d iductio sot distordues. L eroulemet secodaire est alors traversé par des liges de champ, ce qui etraîe l apparitio d u flux et d ue tesio proportioelle à la force extere. Les capteurs magétiques de torsio sot basés sur le même pricipe : la torsio de l arbre rotatif etraîe ue aisotropie magétique. Cette aisotropie est détectée par des bobies statiques. Capteurs magétiques d oxygèe Ces capteurs utiliset les propriétés fortemet paramagétiques de l oxygèe. A température ambiate, l oxygèe a ue susceptibilité magétique supérieure aux autres gaz.
24 Applicatios idustrielles des capteurs 2 U type de capteur utilise ue cellule de référece remplie d oxygèe ou d u autre gaz à teeur e oxygèe coue. Cette cellule est attirée par le champ créé par u aimat permaet, la force d attractio déped de la quatité d oxygèe coteu das l atmosphère etourat la cellule. A la température de curie, l oxygèe perd ses propriétés paramagétiques, ce qui peut égalemet être utilisé pour la mesure. Certai capteurs d oxygèe mesuret le vet magétique causé par le déplacemet des molécules d oxygèe das u gaz soumis à u fort gradiet magétique. F F = 0 F 0 C 2 C 1 i 1 V (out) 2 V 1 (i) Figure 1.7. Capteur magétique de force