CAPACITIVE SENSOR SENSING CIRCUIT

CIRCUIT DE MESURE POUR UN CAPTEUR CAPACITIF

Description

CA 02224~36 1997-12-30
CIRCUIT DE MESURE POUR UN CAPTEUR CAPACITIF
CHAMP DE L'INVENTION
La présente invention porte sur un circuit de mesure pour un capteur
5 capacitif, et plus particulièrement sur un circuit de mesure produisant un signal
ayant une période qui varie en fonction des temps de charge et décharge du
capteur capacitif. Le circuit peut être avantageusement utilisé en combinaison
avec un capteur capacitif installé sur un arbre tournant, afin de mesurer sa
vibration .
HISTORIQUE
Habituellement, dans le cas de la vibration d'un arbre tournant, le capteur
capacitif utilise une technique inductive impliquant des courants de Foucault.
L'emploi de cette technique a pour conséquence que l'utilisateur doit calibrer ou
15 interpréter les mesures du capteur selon le type de matériau dont est construit
l'arbre. De plus, une variation de densité du matériau sur la circonférence de
l'arbre provoque une variation de la mesure difficile à différencier des vibrations
réelles faisant l'objet de l'observation.
20 SOMMAIRE
La présente invention permet d'éliminer ces deux problèmes puisque le
circuit et la méthode de mesure sont insensibles au type ou à la variation de
densité du matériau conducteur impliqué dans le processus.
Le circuit de mesure selon l'invention comporte un circuit oscillateur
25 générant un signal ayant une période qui varie en fonction des temps de charge
et décharge du capteur capacitif entre deux seuils de tension prédéterminés. La
charge et la décharge du capteur capacitif se fait par le biais d'un jeu de
résistances reliées à un circuit oscillateur ayant une première sortie contrôlant la
charge et la décharge du capteur capacitif, et une deuxième sortie générant le
30 signal de mesure. Les plaques du capteur capacitif sont connectées à un circuit
suiveur, dont la sortie est connectée au circuit oscillateur. La deuxième sortie du

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circuit oscillateur peut être reliée à un circuit de traitement pour rendre la mesure
linéaire.
DESCRIPTION BREVE DES DESSINS
Une description détaillée des réalisations préférées de l'invention sera
donnée ci-après en référence avec les dessins suivants, dans lesquels les mêmes
numéros font référence à des éléments identiques ou similaires:
Figure 1 est un diagramme schématique d'un capteur capacitif apte à
fonctionner avec un circuit de mesure selon l'invention;
Figure 2 est un diagramme schématique d'un capteur capacitif muni d'un
- anneau de garde, selon l'invention;
Figure 3 est un diagramme schématique d'une première réalisation du
circuit de mesure selon l'invention, connecté à un capteur capacitif;
Figure 4 est un diagramme schématique d'une deuxième réalisation du
15 circuit de mesure selon l'invention, connecté à un capteur capacitif;
Figure 5 est un graphe montrant une courbe typique de la période du signal
produit par le circuit de mesure selon l'invention par rapport à la distance faisant
l'objet d'une mesure par le capteur capacitif;
Figure 6 est un diagramme schématique d'une première réalisation d'un
20 circuit pour rendre la mesure linéaire, selon l'invention; et
Figure 7 est un diagramme schématique d'une seconde réalisation d'un
circuit pour rendre la mesure linéaire, selon l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DES RÉALISATIONS PRÉFÉRÉES
En référence à la Figure 1, il est montré un diagramme schématique d'un
capteur capacitif apte à fonctionner avec le circuit de mesure selon l'invention.
Ce capteur capacitif est semblable à celui montré dans le brevet US No.
4,675,670. Le capteur capacitif 9 (condensateur de mesure) est formé de deux
plaques conductrices parallèles 1 et 4, isolées électriquement l'une de l'autre par
un diélectrique 5. La plaque 1 et la matière conductrice ou semi-conductrice 2
forment un condensateur Cm 3 dont la valeur de la capacité suit la relation:

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Cm = K-A/D ( 1 )
où:
K = ~0 ~" ~0 étant la permittivité du vide (8,854 pF/m) et ~r étant la
permittivité relative du diélectrique 11 entre les plaques 1 et la matière 2;
A est la surface de la plaque 1;
D est la distance séparant la plaque 1 de la matière 2.
L'équation (1 ) démontre bien que la mesure est indépendante du type, de
la densité et de la variation de densité du matériau dont est construit la matière
conductrice ou semi-conductrice 2.
De plus, I'équation (1) révèle certaines autres applications. Par exemple,
la capacité Cm 3 peut varier également si la distance D est fixe et que la surface
A demeure constante, tandis que la valeur du diélectrique ~, entre la plaque 1 et
la matière 2 varie. On obtient ainsi un capteur qui peut être utilisé pour mesurer
l'humidité dans une pièce de bois insérée entre la plaque 1 et la matière 2, ou
encore, un capteur mesurant la variation des propriétés d'un fluide présent entre
la plaque 1 et la matière 2. Si la caractéristique diélectrique du milieu entre la
plaque 1 et la matière 2 et la distance D demeurent constantes, on obtient un
capteur dont la valeur de la capacité Cm 3 varie en fonction de la surface A, oùA n'est plus seulement la surface de la plaque1, mais plutôt la surface de la
plaque 1 qui est placé directement devant la matière 2. On obtient alors un
capteur par recouvrement qui est utile pour mesurer les déplacements latéraux
de la matière 2.
En référence à la Figure 2, la plaque 4 sert de blindage car elle est
maintenue à une tension semblable à celle de la plaque 1 durant l'opération du
capteur 9, tel qu'expliqué plus loin. Ceci permet d'obtenir une capacité Cd 10,
entre les plaques 1 et 4, la plus faible possible et de blinder le condensateur de
mesure contre toute perturbations pouvant exister derrière la plaque 4. Les
plaques latérales 6 sont au même potentiel que la cible 2. Celles-ci permettent de
rendre insensible le capteur 9 à des objets extérieurs latéraux mais aussi de fixer
mécaniquement le capteur 9 à une armature lors de l'utilisation. Les plaques 6 ont
cependant le désavantage de former une capacité parasite Cp 7. Les méthodes

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de blindage discutées ici ont pour objectif que seul Cm 3 varie avec la distanceséparant la plaque 1 de la surface conductrice ou semi-conductrice 2.
Une fason de diminuer la valeur de la capacité parasite Cp 7 est
d'augmenter la distance entre la plaque 1 et les plaques 6 en les éloignant de
5 fason radial ou en les déplaçant vers la plaque 4. Cependant, en agissant ainsi,
les perturbations extérieures sont plus plausibles. Une autre fason de diminuer
Cp7 est d'ajouter un anneau de garde 23 au condensateur de mesure 9 tel
qu'illustré à la figure 2. L'anneau de garde 23 est, en opération, soumis au même
potentiel que la plaque 4, tel qu'expliqué plus loin, ce qui diminue Cp 7 puisque
10 les surfaces formant cette capacité parasite sont moins grandes et plus éloignées.
En référence à la Figure 3, il est montré un circuit de mesure selon
l'invention, basé sur un oscillateur 22 connecté au condensateur de mesure 9. Laplaque 1 du condensateur de mesure 9 est reliée à l'entrée positive d'un
amplificateur opérationnel 13 qui sert de tampon avec le reste du circuit. La
15 plaque de blindage 4 est reliée avec l'entrée négative du tampon 13 ce qui, par
la propriété inhérente d'un amplificateur opérationnel, assure une tension
semblable entre les plaques 1 et 4 (et 23 si on utilise un anneau de garde). Le
principe de l'oscillateur 22 est que la capacité totale vue par la plaque 1 est
chargée à travers les résistances Ra 21 et Rb 12 par une tension fixe Ref3 8
20 jusqu'à l'atteinte d'une tension de référence Ref2 16. A ce moment, le
comparateur 15 actionne une bascule 18 qui elle, actionne un commutateur 19.
Dès lors, la capacité totale vue par la plaque 1 se décharge à travers la résistance
Rb 1 2 jusqu'à l'atteinte d'une tension fixe Ref 1 17. Le comparateur 14 actionne
la bascule 18 qui actionne à son tour le commutateur 19. Le cycle recommence
25 alors avec la recharge de la capacité.
Pendant la charge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque
1 suit la relation:
Vcharge(t) = ( Ref 3-Ref 1 ) - ( 1 e-t/((Ra + Rb) c)) + Ref l ( 2 )
Pendant la décharge (en mode permanent), la tension présente sur la
30 plaque 1 suit la relation:
Vdécharge(t) = Ref2-e "

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Pendant la charge (en mode permanent), le temps de montée est de:
TCharge = -(Ra + Rb)-C-ln{[(Ref2-Ref 1 )/(Ref3-Ref 1 )] + 1 } (4)
Pendant la décharge (en mode permanent), le temps de descente est de:
TdéCha~ge = -Rb-C-ln(Ref 1 /Ref2) (5)
Par conséquent, le signal de sortie T 20 aura une période représentée par:
T = TChar9e + Tdecharge (6)
Il est à noter que pour ces équations:
C=Cm+Cp+Cr (7)
soit Cm 3 et Cp 7 des figures 1 et 2, mais aussi Cr qui comprend tout effet
parasite qui est propre au condensateur de mesure 9 et plus globalement à
l'oscillateur 22.
Pour simplifier, on peut poser que:
Cpt = Cp + Cr (8)
En reprenant l'équation (1), on peut conclure que:
1 5 C = Cpt + K-A/D (g)
d'où l'équation de la période de sortie en fonction de D, soit la distance entre les
plaques 1 et 2:
T = {Cpt + K-A/D}-{-(Ra + Rb)-ln{[(Ref2-Ref 1 )/(Ref3-Ref 1 )] + 1 }-Rb-ln(Ref 1 /Ref2)}
(10)
ll faut que la tension Ref 1 1 7 soit plus petite que la tension Ref2 16 et que
la tension Ref2 16 soit plus petite que la tension Ref3 8.
En référence à la Figure 4, il est montré une autre façon de réaliser un
oscillateur selon l'invention. L'oscillateur 48 fonctionne sensiblement de la même
façon que l'oscillateur 22 illustré à la Figure 3, à l'exception de quelques
éléments. En effet, la charge et la décharge du condensateur de mesure 9 ne
s'effectuent que par une seule et même résistance Rc 46. De plus, la référence
Ref 3 est enlevée et la tension de charge du condensateur est maintenant la
tension Vo 47.
Pendant la charge (en mode permanent), la tension présente sur la plaque
1 suit la relation:
Vcharge(t) = (Vo-Ref 1 ) ( 1 e-t/(Rc c~) + Ref 1

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Pendant la décharge (en mode permanent), la tension présente sur la
plaque 1 suit la relation:
VdéCharge(t) = Ref2-e ~ ~ (12)
Pendant la charge (en mode permanent), le temps de montée est de:
Tcharge = -Rc C ln{l(Ref 2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 } (13)
Pendant la décharge (en mode permanent), le temps de descente est de:
Tdécharge = -Rc-C-ln(Ref 1 /Ref2) (14)
Par conséquent, en reprenant le même raisonnement que pour l'oscillateur
22 de la Figure 3, le signal de sortie T 20 aura une période représentée par:
T = {Cpt + K A/D} {-Rc ln{l(Ref2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 }-Rc-ln(Ref 1 /Ref2)}
(15)
Il faut que la tension Ref1 17 soit plus petite que la tension Ref2 16.
- D'après les équations (10) et (15), la relation entre la période et la distance
a l'allure de la courbe illustrée à la Figure 5.
Selon la relation de l'équation (9) et son illustration à la figure 5, la période
produite par le capteur 9 ne varie pas de façon linéaire en regard de la distance
D présente entre les surfaces 1 et 2. La détermination de la valeur du
déplacement de la matière conductrice ou semi-conductrice 2 aurait avantage à
devenir linéaire par l'intermédiaire de dispositifs électroniques conçus et/ou
20 programmés en fonction des divers paramètres physique de l'oscillateur 22 ou
48, pour déterminer la valeur du déplacement réel tout en tenant compte des
effets parasites.
En référence à la Figure 6, il est montré un exemple de dispositif
électronique conçu pour rendre linéaire la valeur du déplacement. A l'entrée du
25 dispositif, on retrouve le signal T 20 qui est dirigé vers un intégrateur 26 et un
monostable 24. Le monostable 24 contrôle le commutateur 25 qui, grâce à un
délai d 35, permet à l'intégrateur 26 de faire une remise à zéro entre chaque
période tel qu'illustré par la forme d'onde 44. Par la suite, un détecteur de crête
37 et un échantillonneur-bloqueur 38 amènent un niveau continu à partir du
30 plateau 45 obtenu à la sortie de l'intégrateur 26. A la sortie de
l'échantillonneur-bloqueur 38, il y a une tension V qui suit la relation:

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.
V=KA-T (16)
L'allure de la tension V en fonction de la distance D plaque 1-matière
conductrice 2 est la même que celle représentée à la Figure 5. En reprenant les
équations (10) et (15), et en posant:
KB = -(Ra + Rb)-ln{[(Ref2-Ref 1)/(Ref3-Ref 1)] + 1 }-Rb-ln(Ref 1 /Ref2) (17)
ou
KB = -Rc-ln{[(Ref2-Ref 1)/(V0-Ref 1)] + 1 }-Rc-ln(Ref 1 /Ref2) (18)
selon l'oscillateur utilisé, on obtient:
V = KA-KB-(Cpt + K-A/D) (19)
soit:
V = KA-KB-Cpt + KA-KB-K-A/D (20)
En posant:
Ref4 = KA-KB-Cpt (21)
alors, à la sortie du sommateur 39, on aura:
V= KA-KB-K-A/D (22)
En posant, au diviseur 41,1'équation suivante:
K = KA-KB-K-A (23)
on aura, à l'entrée du tampon 42:
V = D (24)
Le signal est alors linéaire par rapport à la distance D plaque 1-matière
conductrice 2. Le tampon de sortie 42 peut alors amplifier et/ou filtrer le signal
pour fournir un signal analogique de sortie 43.
En référence à la Figure 7, il est montré une seconde façon de rendre le
signal linéaire par rapport au déplacement. Dans ce cas-ci, à la sortie de
I'intégrateur 25, on place un convertisseur analogique à numérique 27. Le signalnumérique peut ainsi être traité par un microcontrolleur 29 programmé qui peut
rendre linéaire ou modifier le signal. ll est à noter que cette méthode permet de
corriger tout effet parasite provenant de l'oscillateur 22 ou 48. A la sortie dumicrocontrolleur 29, un tampon 31 permet de sortir directement une valeur
numérique 33, tandis que l'utilisation d'un convertisseur numérique à analogique30 permet de produire une sortie analogique 32.

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Bien que des réalisations de l'invention ont été illustrées dans les dessins
ci-joints et décrites ci-dessus, il apparaîtra évident pour les personnes versées
dans l'art que des changements et des modifications peuvent être apportées à
ces réalisations sans s'écarter de l'essence de l'invention.

Dessin représentatif