Studies of the performances in noise of Magneto(Elasto)Electric sensors in nonlinear mode
Etude des performances en bruit de capteurs magneto(élasto)électriques en mode non-linéaire
Résumé
The MagnetoElectric effect traduces the polarization of a dielectric element and the magnetization of a dielectric under respectively a magnetic field and an electric field. This property allows the development of Magneto(Elasto)Electric sensors for measuring a magnetic or an electric field. Several analyses regarding the material coupling (shape, size, dimensions…) have been made in order to increase the performances in terms of sensibility and in terms of noise of these sensors. The best noise levels (in term of spectral density) measured for these types of sensors are respectively 5 pT/sqrt(Hz), 0.2 pT/sqrt(Hz) and around 50 fT/sqrt(Hz) at 1 Hz, at white noise zone and at resonant frequency.Some laboratories, including the GREYC, are interested more specifically on the studies of the ultimate performances of magnetic sensor by optimizing the conditioning electronics and by using their nonlinear properties. This thesis lies in this framework. It had for objective, to study the performances of the Magneto(Elasto)Electric sensor in nonlinear mode and at low frequencies. For these, some original conditioning structures have been developed in terms of polarization, excitation and servo system. The theoretical study of these performances show the sensor intrinsic noise can reach lower than pT/sqrt(Hz) at 1 Hz for the studied sensor if the obtained performances are not limited by the conditioning electronics and their sensitivity. This study has been the object of this thesis work.
L'effet MagnétoElectrique (ME) traduit la polarisation d'un élément diélectrique et l'aimantation d'un diélectrique lorsqu’il est soumis, respectivement, à un champ magnétique et à un champ électrique. Cette propriété a permis de mettre en œuvre des capteurs Magnéto(Elasto)Electrique pour la mesure du champ magnétique ou électrique. De nombreuses études sur les couplages de matériaux (forme, taille, dimension…) ont été effectuées afin d’améliorer les performances en terme de sensibilité et de bruit de ces capteurs. Les meilleurs niveaux de bruit (en termes de densité spectrale) mesurés pour ce type de dispositif en mode passif sont, respectivement, de 5 pT/sqrt(Hz), 0,2 pT/sqrt(Hz) et environ une cinquantaine de 50 fT/sqrt(Hz), respectivement à 1 Hz, en zone de bruit blanc et à la résonance.Certains laboratoires, dont le GREYC, s’intéressent plus particulièrement à l’étude des performances ultimes de capteurs magnétiques en optimisant, notamment, l’électronique de conditionnements et en utilisant leurs propriétés non linéaires. Cette thèse s’inscrit dans ce cadre. Elle avait pour objectif l’étude des performances de capteur Magnéto(Elasto)Electrique en mode non linéaire et aux basses fréquences. Pour cela, des structures originales de conditionnent ont été développées en termes de polarisation, d’excitation et d’asservissement. L’étude théorique des performances montre que le bruit du capteur peut atteindre des niveaux bien inférieurs au pT/sqrt(Hz) à 1 Hz pour les capteurs étudiés, si les performances obtenues ne sont pas limitées par le bruit de l’électronique de conditionnement et leur sensibilité. Cette étude a été l’objet de ce travail de thèse.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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