Qu'est-ce qu'un magnétomètre ?

Apprenez les bases des magnétomètres, y compris leur relation avec les courbes d'hystérésis et leurs applications.

Les magnétomètres sont des appareils capables de mesurer l'amplitude ou la direction d'un champ magnétique. Ils sont présents un peu partout dans l'électronique. Ils peuvent être aussi simples que celui que votre smartphone utilise pour détecter s'il est vertical ou aussi complexe que celui utilisé par la NASA pour mesurer le champ magnétique de Mars.

Ici, nous examinerons les principes fondamentaux des magnétomètres et leurs applications. Dans d'autres articles, nous examinerons de plus près des types spécifiques de magnétomètres.

Comment fonctionnent les magnétomètres ?

Les magnétomètres, généralement par une méthode indirecte, mesurent ce qu'on appelle le moment magnétique. Le moment magnétique d'une boucle fermée d'aire A et de courant I est un vecteur dont l'amplitude est égale à I fois A. Le couple subi par cette boucle est égal au moment magnétique multiplié par le champ magnétique.

Mathématiquement, le moment magnétique s'exprime comme suit :

$$\overrightarrow{\tau} =\overrightarrow{m} \times \overrightarrow{B}$$

Où

• τ =couple
• m =moment magnétique
• B =champ magnétique externe

En tant que grandeur vectorielle, la direction du champ magnétique est aussi importante que son amplitude. Certains magnétomètres peuvent mesurer à la fois la direction et l'amplitude du champ magnétique (magnétomètres vectoriels), tandis que d'autres ne peuvent mesurer que son amplitude (magnétomètres scalaires).

Concernant les unités, l'unité du Système International (SI) est Am ² . Cependant, il est courant de le voir exprimé dans de nombreuses autres unités, telles que $$\frac{erg}{G}$$, où un erg est une unité d'énergie équivalente à 10 ^-7 joules et G est un gauss.

Magnétomètres et courbes d'hystérésis

Les propriétés des matériaux magnétiques varient lorsqu'ils sont immergés dans un champ magnétique. Selon la façon dont ces matériaux réagissent à un champ avant et après son application, ils appartiennent aux groupes de matériaux paramagnétiques, diamagnétiques ou ferromagnétiques. En dehors de ceux-ci, il existe des matériaux non magnétiques, qui présentent de faibles propriétés magnétiques.

Le meilleur outil pour représenter les propriétés magnétiques est la courbe d'hystérésis. Il représente la densité de flux magnétique, B, par rapport à la force d'intensité du champ magnétique, H.

Figure 1. Un exemple de courbe d'hystérésis. Image utilisée avec l'aimable autorisation du Centre de ressources NDT

L'aspect le plus saillant des matériaux magnétiques est que, même lorsque nous supprimons la force appliquée, ils restent magnétisés (c'est-à-dire qu'ils présentent une rémanence). Ensuite, pour ramener le matériau à son point initial, il faut appliquer un champ magnétique négatif (H) pour le démagnétiser (coercivité).

En raison des aspects particuliers des matériaux magnétiques et de leur pléthore d'applications, la capacité de mesurer leurs propriétés avec une bonne résolution a apporté une révolution dans les domaines de la physique et des matériaux.

Mesure électronique à haute sensibilité

Les capteurs magnétiques, comme de nombreux autres capteurs, sont accompagnés d'un ensemble de systèmes électroniques afin de traiter de petits signaux électriques et de générer une entrée lisible par un microcontrôleur, un processeur ou des humains. La conception et la construction de ces systèmes sont un défi car, la plupart du temps, les signaux sont assez petits et très sensibles au bruit. Par conséquent, les concepteurs doivent parvenir à un compromis entre la complexité du circuit, la capacité du capteur et le coût.

Il existe des composants fréquemment utilisés et relativement simples comme les filtres ou les amplificateurs, mais il en existe aussi d'autres plus complexes, comme les chaînes de modulation-démodulation ou les amplificateurs à verrouillage.

Avec les progrès de la miniaturisation, il est fréquent de constater qu'une partie du circuit de conditionnement analogique est implémentée à l'intérieur d'un circuit intégré (CI) dans la chaîne du signal, car il est moins sujet aux erreurs et plus compact par rapport à une solution discrète.

Figure 2. Parties internes d'un circuit intégré de capteur à effet Hall. Image utilisée avec l'aimable autorisation d'Allegro

D'un autre côté, une solution intégrée peut être moins flexible. Lorsqu'ils travaillent dans une application spécifique ou nouvelle, les concepteurs peuvent préférer une option discrète car ils peuvent avoir besoin de développer une nouvelle chaîne de conditionnement.

Applications de magnétomètre

Les magnétomètres sont largement utilisés dans les applications quotidiennes. Habituellement, les capteurs les plus complexes sont réservés à des laboratoires très spécialisés comme le Laboratoire de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg. Ces magnétomètres peuvent inclure des magnétomètres à échantillons vibrants, des magnétomètres SQUID et AGFM (magnétomètre à champ de gradient alternatif), entre autres.

Les capteurs à effet Hall sont largement utilisés dans les applications où le champ magnétique est fort. Leurs plus grandes applications sont la détection de mouvement et le contrôle dans les applications d'entraînement de moteur.

Figure 3. Un circuit intégré à capteur Hall. Image utilisée avec l'aimable autorisation de Microchip

Il est courant de placer certains capteurs, généralement deux ou trois, répartis spatialement autour d'un axe moteur, et les composants métalliques qui déclenchent le capteur devant eux. Chaque fois que les pièces métalliques passent devant un capteur, elles génèrent un signal carré ou sinusoïdal qui permet le calcul de vitesse ou de position.

Les magnétomètres MEMS sont également faciles à trouver sur le marché. Ils font généralement partie des unités de mouvement inertiel (IMU), qui mesurent l'accélération, la vitesse angulaire et les champs magnétiques. Des modèles tels que les boussoles électroniques de STMicroelectronics peuvent être intégrés dans un PCB puis connectés à d'autres pièces telles que des filtres ou des microcontrôleurs. Vous pouvez trouver ces magnétomètres utilisés pour des applications telles que la détection de mouvement dans un écran de smartphone qui ajuste automatiquement les informations d'un affichage en fonction de son orientation horizontale ou verticale.

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