Des capteurs magnétostrictifs pour le plus grand radiotélescope du monde

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Cet article proposé par Vittorio Franchini, MTS Sensors et Shen Yue, Anshon Wisdom, explique l’utilisation d'un dispositif de détection magnétostrictif sur des vérins contrôlant le mouvement des plaques réfléchissantes du radiotéléscope FAST

Capteurs & Transmetteurs

Des capteurs magnétostrictifs pour le plus grand radiotélescope du monde
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Des capteurs magnétostrictifs pour le plus grand radiotélescope du monde

Malgré l'austérité financière qui règne actuellement, des investissement importants sont encore réalisés en recherche scientifique, pour étudier l'univers qui nous entoure. En Europe par exemple, le LHC (Large Hadon Collider, ou grand accélérateur de particules) situé à proximité de Genève, et dont la construction aura pris plus d'une décennie, est enfin complètement opérationnel. Ce gigantesque projet de physique des particules a coûté environ 4.5 milliards d'euros. Dans le même temps, l'expédition du Rover (petit véhicule tout-terrain) sur Mars continue sa quête à la recherche de traces pour déterminer si de l'eau a pu être un jour présente sur la plus proche de nos planètes voisines, et si donc elle a pu héberger une forme de vie.

Le plus grand radiotélescope du monde

Un autre effort scientifique intéressant, désormais près d'attendre son but, est le radiotélescope chinois FAST (Five Hundred Meter Aperture Spherical Radio Telescope, ou radiotélescope sphérique à 500m d'ouverture). Cet énorme radiotélescope est assemblé dans une région isolée de la province de Guizhou, au sud-ouest du pays. Le coût de construction de cette merveille de la science devrait être de plus de 100 millions d'euros une fois terminé. Les radiotélescopes utilisent une parabole réfléchissante qui concentre toutes les ondes radio incidentes sur un récepteur installé en son foyer. FAST, comme son nom l'indique ("F" pour Five hundred meters), sera dotée d'un réflecteur de 500m de diamètre. Une fois terminé, mi-2016, ce sera le plus grand radiotélescope du monde considérablement plus grand que son homologue de 305m de diamètre de l'observatoire d'Arecibo à Porto Rico qui détenait jusqu'ici le record. Ce sera également le radiotélescope le plus sensible jamais construit, approximativement trois fois plus sensible qu'Arecibo. Cela signifie qu'il sera capable de capter des signaux radios émis de sources situées à plus de 7 milliards d'années-lumière.

Un poids total de 11.000 tonnes

Le télescope disposera d'une surface réfléchissante totale de près d'un kilomètre carré qui, s'il s'agissait d'un radiotélescope de conception conventionnelle, nécessiterait de supporter une parabole d'un poids de 11.000 tonnes au total. Par conséquent, le télescope est construit dans un vaste bassin creusé de plus de 800 m de diamètre. La parabole du réflecteur, dans le cas-présent, concentre les ondes radio venant de l'espace dans une plage de fréquences allant de 300 MHz à 5.1 GHz, vers un récepteur suspendu à des câbles. On pourra déplacer ce récepteur par rapport à la parabole grâce aux câbles pour régler le point focal. Le positionnement dans un bassin n'était cependant pas le seul facteur géographique à prendre en compte pour choisir l'emplacement de FAST. Etant donné que le site choisi est à 170 km de la grande ville la plus proche, il est très peu soumis à la pollution électromagnétique, et par conséquent la réception des données n'est perturbée par aucune source d'interférence.

Une surface réfléchissante constituée de 4450 plaques

Comme pour le LHC, la construction du FAST est un projet de long terme, nécessitant des efforts d'ingénierie monumentaux. Le projet initial de ce complexe de recherche astronomique remonte à 1994. L'excavation du bassin a commencé début 2012, et la construction un peu plus tard cette année-là. La taille de FAST est presque un ordre de grandeur plus grand que les plus grands radiotélescopes conventionnels (comme celui de Lovell, à Jodrell Bank au Royaume-Uni ou de Green Bank en Virginie Occidentale aux Etats-Unis). Compte tenu des énormes dimensions du réflecteur parabolique de FAST, et du fait qu'il se trouve à l'intérieur d'un bassin, il ne peut pas être déplacé, comme pouvaient l'être les radiotélescopes d'autrefois. Par conséquent une autre approche doit être utilisée pour installer le réflecteur, de telle manière qu'il puisse scruter telle ou telle région du cosmos. La surface réfléchissante de FAST n'est donc pas constituée d'une structure solide unique, mais se compose d'un ensemble de 4.450 plaques d'aluminium triangulaires. Chacune de ces plaques peut être orientée individuellement grâce à sa propre motorisation. Ceci signifie que les éléments de parabole de réflexion peuvent être orientés de différentes façons. Grâce à ses plaques réfléchissantes mobiles révolutionnaires, FAST permettra l'exploration de toutes les parties du ciel de nuit, avec une déviation jusqu'à 40° du foyer du télescope, comparé à une déviation maximum de 20° dans le cas d'Arecibo (dont la surface réfléchissante est totalement fixe). Il pourra donc collecter simultanément les données astronomiques pour l'analyse de 19 régions différentes du ciel, alors qu'Arecibo ne peut en gérer que 7.

Des vérins équipés d'un dispositif de détection magnétostrictif

La position des plaques réfléchissantes est absolument cruciale, car même le plus léger défaut est susceptible d'avoir un effet énorme sur la qualité des données saisies. Toute aussi importante est la longévité opérationnelle à long terme du mécanisme de positionnement du réflecteur. Avec autant d'éléments réfléchissants concernés, le risque de problèmes de fiabilité provenant du positionnement de ces éléments doit être maintenu à un niveau absolument minimum. Autrement les coûts d'indisponibilité opérationnelle, et les dépenses liées aux réparations, pourraient être considérables. Afin de contrôler le mouvement de la surface réfléchissante, des vérins hydrauliques sont présents sous toutes les plaques réfléchissantes de FAST. Ceux-ci sont dotés d'actuateurs électrohydrauliques permettant de commander le mouvement.
Les vérins sont équipés chacun d'un dispositif de détection magnétostrictif EH MTS Sensors basé sur la technologie propriétaire Temposonics de la société MTS Sensors. L'effet magnétrostrictif correspond aux variations dimensionnelles d'un matériau ferromagnétique, en présence d'un champ magnétique. Grâce au mécanisme de détection innovant Temposonics, le positionnement peut être déterminé avec précision par l'interaction momentanée entre deux champs magnétiques. L'un des champs provient d'un aimant permanent mobile qui se déplace le long de l'extérieur du capteur. L'autre champ provient d'une impulsion de courant appliquée le long d'un guide d'ondes ferromagnétique, qui court parallèlement à l'axe de déplacement de l'aimant permanent. Quand ces deux champs magnétiques interagissent entre eux, une impulsion sonique de torsion est produite. Celle-ci traverse le guide d'ondes et se trouve détectée par l'élément de détection. En mesurant précisément le temps entre l'impulsion de courant appliquée et l'impulsion de torsion détectée, on peut calculer exactement la distance à l'aimant mobile.

Des capteurs haute précision robustes et sans usure

Cette méthode de détection magnétostrictive développée par MTS Sensors fournit un moyen extrêmement précis et sans-contact de mesure de position, parfaitement adaptée au déploiement dans les environnements les plus difficiles. Les capteurs utilisant cette technologie sont réellement sans usure. Ils peuvent supporter les vibrations, les chocs importants, les pressions élevées et les niveaux de température élevés, sans aucune perte de fiabilité ou de performances. Etant donné que la sortie des capteurs utilisant cette méthode correspond à une position absolue plutôt qu'à une position relative, aucun ré-étalonnage périodique n'est nécessaire.
Les unités EH spécifiées pour le projet FAST combinent robustesse, économie et compacité. Elles sont logées dans des boîtiers certifiés IP69K, qui les protègent de toute entrée de liquide, des températures élevées et des hautes pressions, tout en leur permettant de supporter le lavage à grande eau. Leur construction en acier inoxydable est parfaitement adaptée à l'installation sur des vérins hydrauliques. La précision continue de ces capteurs est véritablement la meilleure du marché, avec un défaut de linéarité < 0.02% (à force maximum) et une répétabilité de 0.005% (à force maximum). Chacun d'eux dispose d'une sortie numérique SSI (Synchronous Serial Interface, ou interface série synchrone) qui facilite l'intégration système, et assure une haute qualité de signal. La gamme de course des unités EH va de 50 mm jusqu'à 2500 mm. Ils résistent à des chocs de 100g (selon EN 60068-2-27) et à des vibrations de 15g à des fréquences entre 10 Hz et 2000 Hz (selon EN 60068-2-6). La plage de température opérationnelle s'étend de -40°C à +75°C, et l'hygrométrie maximum est de 90%.

www.mtssensor.com

Posté le 28 septembre 2015 - (346 affichages)
MTS Sensor Technologie GmbH & Co. KG
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