Marine Zeebrugge
Le magnétomètre mesure le champ magnétique
Magnétomètre
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Consultez également la page consacrée au magnétomètre logiciel où on vous montre comment décomposer le magnétisme terrestre en trois vecteurs et comment l'indiquer sur des cartes.
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On utilise un magnétomètre pour mesurer le champ magnétique. Une construction fort répandue est le magnétomètre de type “fluxgate” (ou à vanne de flux en français) qui se compose d'une barre en matière ferromagnétique qui peut facilement être saturée. La barre est entourée d'une bobine dans laquelle on fait passer un courant sinusoïdal. Le magnétomètre ressemble en fait à une antenne radio AM (bâton de ferrite).


Figure 1: Tension sinusoïdale appliquée à la bobine


La tension est réglée de telle manière que la barre entre en saturation. La précision de la mesure dépend en partie de la perfection de la sinusoïdale.

Un second bobinage sert de secondaire. A cause de la saturation, la forme du signal n'est plus une sinusoïdale parfaite: les pointes sont applaties. Le taux d'applatissage dépend de la saturation.


Figure 2 (courbe rouge): tension induite sur la bobine secondaire


Si la bobine est placée dans un champ magnétique, sa saturation apparaitra plus ou moins rapidement selon que le champ magnétique externe s'ajoute au champ induit ou est réduit de celui çi. On pourrait mesurer le champ magnétique en comparant l'amplitude positive et négative.


Figure 3: tension induite quand un champ magnétique externe est présent


Une sinusoïdale déformée contient des fréquences harmoniques en plus de la fréquence de base. C'est sur cet effet que se base la mesure du champ magnétique. On utilise généralement l'harmonique paire (2F). Un démodulateur synchrone va échantillonner le signal et produire une tension continue qui correspond au champ magnétique externe.

Un tel magnétomètre ne produirait qu'une indication approximative, dépendant de la linéarité des composants. Le trait de génie est d'utiliser une boucle de contre-réaction. Le magnétomètre est placé dans une boucle asservie: on envoie un courant continu dans le primaire (superposé au sinus) pour éliminer le magnétisme ambiant et donc l'asymmétrie. Ce courant continu neutralise le champ externe et représente donc exactement la valeur du champ externe. L'utilisation d'une boucle asservie permet d'éliminer la non-linéarité, puisque le système est conçu pour obtenir un signal le plus symmétrique possible. Le courant continu (et donc le champ magnétique induit) est exactement proportionnel au champ magnétique que la boucle doit neutraliser.


Figure 4: Un type de configuration pratique est l'utilisation de deux barres parallèles (deux exemples de configurations).

Figure 5: Une configuration très sensible (les deux bobines primaires sont montées en opposition de phase)


En pratique on utilise deux bobines primaires montées en opposition de phase et une seule bobine secondaire qui recouvre les deux bobines primaires. La bobine secondaire mesure le champ induit total. Ce champ est symmétrique si les deux bobines primaires sont saturées identiquement, ce qui est le cas s'il n'y a pas de champ magnétique externe. Dès qu'il y a un champ magnétique externe, une polarité sera avantagée au détriment de l'autre et la symmétrie sera perdue.


Figure 6: Mesure de la self-induction (courant dans la bobine)


Au lieu d'utiliser l'induction dans une bobine secondaire, on peut se passer de secondaire et mesurer la self-induction dans le primaire.

  • On utilise soit une source à haute impédance, ce qui permet de mesurer la tension aux bornes de la bobine. La tension est écrêtée dès que le niveau de saturation est atteint.
  • On peut également mesurer le courant dans la bobine. Ce courant va augmenter quand la saturation est atteinte, car la self-induction ne limite plus l'augmentation du courant (la figure 6 nous montre le courant dans la bobine, le déphasage du courant par rapport à la tension n'est pas montré).

On retrouve parfois le nom Förster qui est le nom de l'inventeur d'un type de configuration fluxgate. Une entreprise porte son nom. Ce type est principalement utilisé dans des applications militaires.

Le magnétomètre que nous avons décrit jusqu'à présent est un magnétomètre scalaire. Il ne mesure le champ magnétique que dans une seule direction. Un magnétomètre vectoriel mesure le champ magnétique dans les trois directions. Un tel magnétomètre se présente actuellement sous la forme d'un cube entaillé pour les bobinages. Il y a deux entailles pour chaque plan à mesurer (chaque face est donc entaillée: vu de loin on dirait un Rubik's Cube).

Pour ceux qui ont un peu oublié leur cours de physique:

H est le champ magnétique. Le champ magnétique dépend de la tension au bobinage (en fait du courant qui circule dans le bobinage et du nombre de tours).

B est le flux magnétique ou l'induction. Ce flux dépend naturellement du champ magnétique présent, mais également des caractéristiques magnétique du matériau utilisé (perméabilité magnétique). A partir d'un champ donné, le flux cesse d'augmenter: la barre est saturée.

Le secondaire mesure le flux magnétique. Comme la barre magnétique arrive à saturation, le flux cesse d'augmenter (ainsi que la tension induite dans le secondaire).

Le magnétomètre de type fluxgate est plus sensible que les sondes hall. Il peut mesurer des champs magnétiques inférieurs à 1µT (le champ magnétique terrestre est de 40µT environ).

Les sondes hall forment un circuit intégré complet et sont utilisées dans des smartphones pour déterminer l'inclinaison de l'appareil (en plus ou à la place d'un accéléromètre). Ces sondes sont moins précises qu'un fluxgate, mais cela n'a pas d'importance pour ces applications; c'est la petite taille qui compte.

On peut utiliser une sonde hall dans des applications qui demandent une précision et une linéarité élevée (par exemple des transfos de courants). Pour obtenir la linéarité requise, on utilise une bobine de contre-réaction qui va neutraliser le champ magnétique (comme avec le magnétomètre fluxgate). La sonde hall se comporte alors comme détectrice de champ zéro. La tension présente aux bornes de la résistance de mesure est exactement proportionnelle au courant dans la bobine de contre-réaction, et ce courant est exactement proportionnel au champ magnétique qu'il faut neutraliser. On utilise de tels transfos de courant quand il faut mesurer des formes de courant complexes (avec composante continue) car un transfo de courant classique ne laisse pas passer la composante continue.

Une construction pratique d'un magnétomètre moderne est donné ci-dessous. La seule bobine qu'on voit est une bobine d'étalonnage qui recouvre tout le magnétomètre. Quand on envoie un faible courant calibré de quelques milliampères, on modifie le champ magnétique ambiant. Les résistances sont placées en usine et sont sélectionnées pour produire un champ de 1µT par milliampère dans la bobine.

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