Contribution to the design of a dual electrometer for fluxgate magnetometers
Contribution à la conception d'un électromètre dual des magnétomètres de type fluxgate
Résumé
The work of this thesis focuses on the measurement of continuous and low frequency electric fields. If the simplest way to measure, in a directional way, an electric field, is by means of a pair of metallic capture electrodes responding to the influence of the electric field, this device, like the capture coil for the magnetic field, cannot work in the DC mode. For decades, there have been DC electric field sensors that use a mobile device to create a pseudo alternating field that can be detected by one or more capture electrodes. This approach is accompanied by mechanical wear of moving parts and degradation of directionality while remaining with a severe limitation of the bandwidth. In order to get rid of the mechanical moving part, this thesis focuses first on the design of an innovative electric field sensor without mechanical chopper of the electric fluxgate (FGE) type, following the principle of duality between pairs of physical quantities of the electric and magnetic domains, in particular those involved in the measurement principle of magnetic fluxgates (FGM). However, the analysis of the technical feasibility of the FGE is difficult. This thesis proposes a second possibility of approach, based on a device close to the FGM: the electric field sensor with variable dielectric reluctance. This sensor derives from its magnetic dual, the variable magnetic reluctance magnetic field sensor. The characterization of the variable reluctance magnetic sensor in the frequency range from 0,1 Hz to 1 kHz, has a sensitivity of the order of 22 mV/μT with a magnetic noise level of the order of 15 nTrms/√Hz. The continuous characterization of the variable reluctance electric field sensor does not allow us to judge the proper functioning of the sensor because the results obtained are too fragmentary to be able to judge a good match with the operating model. Nevertheless, a simplified model of the variable reluctance electric field sensor with two additional electrodes on its annular structure gives good signs of operation with a sensitivity of the order of 25 μV/(V.m-1).
Les travaux de cette thèse portent sur la mesure de champ électrique continu et à basse fréquence. Si la façon la plus simple de mesurer, de façon directionnelle un champ électrique, est au moyen de paire d'électrodes de capture métalliques répondant à l'influence du champ électrique, ce dispositif, à l'instar de la bobine de capture pour le champ magnétique, ne peut pas fonctionner au continu. Il existe depuis des décennies, des capteurs de champ électrique continu exploitant un dispositif mobile pour créer un pseudo champ alternatif détectable par une ou plusieurs électrodes de capture. Cette approche s'accompagne d'usure mécanique des pièces mobiles et de dégradation de la directionnalité tout en restant avec une limitation sévère de la bande passante. Pour s'affranchir de la partie mécanique mobile, cette thèse se penche en premier sur la conception d'un capteur de champ électrique innovant sans hacheur mécanique de type fluxgate électrique (FGE) en suivant le principe de la dualité entre paires de grandeurs physiques des domaines électriques et magnétiques, notamment celles intervenant dans le principe de mesure des fluxgates magnétiques (FGM). Or, l'analyse de la faisabilité technique du FGE est difficilement réalisable. Cette thèse propose une seconde possibilité d’approche, s’appuyant sur un dispositif voisin du FGM : le capteur de champ électrique à réluctance diélectrique variable. Ce capteur dérive de son dual magnétique, le capteur de champ magnétique à réluctance magnétique variable. La caractérisation du capteur magnétique à réluctance variable dans gamme de fréquence de 0,1 Hz à 1 kHz, présente une sensibilité de l'ordre de 22 mV/μT avec un niveau de bruit magnétique de l'ordre de 15 nTrms/√Hz . La caractérisation au continue du capteur de champ électrique à réluctance variable, ne permet pas de juger sur le bon fonctionnement du capteur car, les résultats obtenus sont trop parcellaires pour pouvoir juger d’une bonne adéquation au modèle de fonctionnement. Néanmoins, un modèle simplifié du capteur de champ électrique à réluctance variable avec deux électrodes supplémentaires sur sa structure annulaire donne de bon signe de fonctionnement avec une sensibilité de l’ordre de 25 μV/(V.m-1) .
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