Electrique en mode non linéaire

Etude des performances en bruit de capteurs Magnéto(élasto)Electrique
en mode non linéaire
M. Yang*a, X. Zhuanga, C. Dolabdjiana, J. Lib and D. Viehlandb
GREYC (UMR6072) – ENSICAEN & Univ. Caen, 6 Bd. Maréchal Juin, 14050 CAEN cedex, France
b
Virginia Tech University Blacksburg, Virginia 24060 USA
* Auteur: [email protected]
a
Un capteur Magnéto(Elasto)Electrique (ME) est un dispositif sensible aux signaux magnétiques de basse fréquence et de faibles amplitudes. Ses
performances sont principalement limitées par les propriétés des matériaux utilisés et par le bruit de l’électronique de la chaine de conditionnement. Ici, nous
présentons et étudions un montage dit en « bending mode//free-free boundaries ». Nous avons étudié ce mode, notamment en régime non linéaire d’excitation afin
d’en comparer les performances avec le régime linéaire (mode passif).
Ce travail de thèse porte donc sur l’étude des performances en bruit
du capteur ME en mode non linéaire. Le rapport signal à bruit (SNR) permet
d’évaluer les limites de détection. Afin d’améliorer ce rapport, nous étudions les
performances de la modulation appelée E/E (excitation Electrique/détection
Electrique).
Le capteur est soumis à un champ magnétique de basse fréquence
(signal modulant) et est excité à sa fréquence de résonance, fm (le signal
modulé). Le signal de basse fréquence à détecter est donc transposé autour du
signal de la porteuse. Cette méthode permet de s’affranchir dans une certaine
mesure du bruit apparaissant à basse fréquence (cf. fig.3).
Fig.1 : Synoptique des capteurs utilisés en « free-free boundaries mode »
La modulation d’amplitude utilisée ici est rendue possible par la
réponse non-linéaire du capteur. Sa sensibilité est déduite de son coefficient de
charge. Il est appelé
(V/T). Ce dernier se décompose en termes linéaire,
αME, et non-linéaire, αME_EE. Les équations constitutives du système sont
données par :
,
,
,
,
et
,
Fig.2 : Schéma du circuit de conditionnement
,
,
(1)
,
Avec l’aide de ces équations, il est possible d’en déduire la réponse du système.
Soit :
)
!
"
*+
!
"
#$ % &'
% ,- '
0
0
(2)
Par dérivation de ces dernières en fonction du champ électrique d’excitation
(signal modulé), la sensibilité théorique du capteur est donnée par :
_
/0 12 13
42567
(3)
Fig.3 : Fonction de transfert et bruit magnétique équivalent en champ du
capteur ayant en mode passif (noir) et après démodulation (rouge)
La mesure de la fonction de transfert (cf. fig.4) du capteur conditionné permet
de déterminer cette sensibilité. Soit :
8
9:;_;;<0 <=
>0
(4)
Bien que les sources de bruits diélectriques soient éliminées en régime de
fonctionnement non linéaire, il subsiste un bruit lié aux pertes mécaniques. Il
est à noter que les niveaux de bruit mesurés correspondent aux valeurs prédites
par la théorie.
Fig.4 Présentation du bruit magnétique équivalent en mode passif (noir) et
en « bending mode//free-free boundaries » (rouge)
Les travaux de recherches que je poursuis dans l’étude des performances de capteur ME ont pour but de comparer les différentes techniques de modulation
en champ électrique ou magnétique tout en tenant compte de certaines contraintes mécaniques appliqués à ces dispositifs. Ces travaux permettront de valider les
performances attendues et de fixer des pistes d’optimisation.