CH658519A5

CH658519A5 - Procede pour la determination des accelerations.

Info

Publication number: CH658519A5
Application number: CH6973/83A
Authority: CH
Inventors: Rex B Peters; Jeffrey Forrest Tonn; Arnold Malametz; Charles K Lee; Victor B Corey; Aleksandar M Gogic
Original assignee: Sundstrand Data Control
Priority date: 1983-01-06
Filing date: 1983-12-29
Publication date: 1986-11-14
Also published as: FR2539232B1; GB2133153B; FR2539232A1; GB2133153A; IT8447509A0; SE8307226D0; NO834820L; AU543116B2; AU4022685A; CA1202194A; HK92387A; JPS59136659A; DE3400259A1; GB8400044D0; DE3400259C2; IL70492A0; AU556076B2; SE8307226L; ZA839503B; IL70492A

Description

L'invention concerne un procédé pour la détermination des accélérations en utilisant un accéléromètre à double masse de mesure, chacune maintenue par un transducteur de force à barre résonante.

On a déjà proposé un accéléromètre à double masse de mesure. Chacune de ces masses de mesure est maintenue en direction de l'accélération par le senseur de force d'un transducteur à résonance. L'accélération est déterminée par la relation a = A(ft — f2) où a est l'accélération, A est le facteur d'échelle de la construction, et ft et f2 sont les fréquences des deux transducteurs de force.

Les facteurs d'échelle pour les deux systèmes constitués de la masse et du transducteur de force doivent être parfaitemeent appariés afin de donner une bonne linéarité et de minimaliser les erreurs dues aux vibrations. On obtient d'habitude ce résultat en ajustant les masses de mesure, c'est-à-dire qu'on ôte de la masse de l'une ou de l'autre masse de mesure jusqu'à ce que les facteurs d'échelle des deux systèmes constitués chacun par une masse de mesure et par un transducteur soient en équilibre. Toutefois, cela est un procédé très long, demandant les ajustages et des évaluations répétés et successifs de l'une ou des deux masses de mesure.

L'invention propose un procédé amélioré pour la détermination de l'accélération à partir des fréquences des deux transducteurs de force à barre résonante, dans lequel on n'a plus besoin d'apparier les facteurs d'échelle des deux systèmes constitués chacun par une masse de mesure et par un transducteur de force. A cet effet, l'invention est définie comme il est dit à la revendication 1.

L'invention sera maintenant illustrée par la description d'un mode d'exécution et à l'aide des figures du dessin dans lequel:

la fig. 1 est une section longitudinale d'une réalisation préférée d'un accéléromètre à double masse de mesure;

5 la fig. 2 est une représentation en perspective sous forme éclatée du système composé par la masse de mesure et le transducteur de force de l'accéléromètre selon la fig. 1, et la fig. 3 est un schéma d'un processeur de signaux pour déterminer l'accélération à partir des signaux de fréquence des deux trans-îo ducteurs de force.

Les fig. 1 et 2 illustrent le mode d'exécution préféré de l'accéléromètre, comprenant deux masses de mesure 30, 31 qui sont sensibles aux accélérations selon le même axe, montées pour osciller autour de lignes de flexion situées de part et d'autre de cet axe, les senseurs 32, 15 33 en forme de poutrelle des transducteurs à résonance étant reliés de telle façon qu'un senseur est sous tension pendant que l'autre est en compression. L'accélération est mesurée comme une fonction de la différence entre les fréquences de résonance des deux transducteurs de force. Les deux assemblages comprenant la masse de mesure 20 et le senseur sont identiques, et un seul est représenté à la fig. 2 et sera maintenant décrit en détail.

Le support cylindrique 35 comporte deux surfaces d'appui 36, 37 à directions opposées. La base de chaque masse de mesure comprend un élément de montage reçu par une des surfaces d'appui. Le support 35 comprend une nervure 38 s'êtendant vers l'extérieur et s'appuyant sur une entretoise cylindrique 39 qui supporte les deux assemblages de masse de mesure dans le boîtier 40. Le couvercle 41 comprend un compartiment 42 pour l'électronique. 30 L'accéléromètre supérieur dans la fig. 1, représenté en vue éclatée dans la fig. 2, comprend une base 45 comportant une plaque de montage 46. La masse de mesure 30 est connectée à la base par la charnière souple 45. La plaque de montage 46 s'appuie sur la surface d'appui 36 du support 35.

3S La masse de mesure 30 a un pourtour général rectangulaire et la même épaisseur que la plaque de montage 46. La masse de mesure comprend également une ouverture ovale 48 au centre.

Le senseur en forme de poutrelle 32 du transducteur à résonance est fixé par un bout 50 à la paroi de l'ouverture 48, et son autre bout 40 51 est relié à la surface frontale 52 d'une barre en porte à faux 53 qui s'étend de la base 45 et constitue un montage souple.

Les plaques 56 et 57 sont fixées aux surfaces supérieure et inférieure, respectivement, de la plaque de montage 46 et sont maintenues en place par des fixations 58. Entre les plaques 56, 57 et les sur-45 faces de la plaque de montage 46 se trouvent des cales 59 pour créer une distance entre la surface des plaques 56 et 57 et les surfaces supérieure et inférieure de la masse de mesure 30. Cette distance est exagérée dans la fig. 1. Les plaques 56 et 57 servent de surfaces d'amortissement et d'arrêt combinés pour la masse de mesure 30. so Un circuit 62 est monté sur la face supérieure de la plaque 56 qui supporte les composants électroniques faisant partie du transducteur de force à résonance. Un couvercle 63 protège les composants de la plaque de circuit 62.

Comme on le voit bien dans la fig. 2, la paroi de l'ouverture 48 55 dans la masse de mesure 30 présente un rebord 65 dans la surface faisant face à la charnière souple 47. Le bout 50 du transducteur 32 est relié à la surface 66 qui se trouve éloignée de la plaque en porte à faux 53. La surface 66 est choisie de façon à comprendre le centre de percussion de la masse de mesure 30. Ce centre de percussion est le 60 point dans la masse de mesure où celle-ci peut être frappée à angle droit sans solliciter la charnière souple 47. Cette relation géométrique diminue au maximum la sensibilité de la masse de mesure aux vibrations de l'accéléromètre.

La construction des deux masses de mesure selon la fig. 2 pré-65 sente plusieurs avantages. D'abord, les sources d'erreurs produites par les effets de même sens sur les deux dispositifs de masse de mesure et de transducteur de force sont réduites. Par exemple, si les deux transducteurs ont des coefficients de température similaires, la

sensibilité à la température de la combinaison se trouve considérablement réduite.

Un autre avantage concerne la dérive de la base de temps servant à mesurer les fréquences à la sortie du transducteur. La précontrainte de l'accéléromètre est très sensible aux variations de la base de temps d'un seul capteur de masse de mesure. Lorsqu'on apparie l'ensemble constitué par la masse de mesure et le transducteur de façon approximative pour que A0 soit plus petit que toute l'échelle, la dérive de la base de temps constitue primairement un signal en mode commun, et la sensibilité à la précontrainte se trouve grandement réduite.

L'arrangement des deux masses de mesure 30 et 31 de façon que leurs charnières se trouvent en opposition annule la sensibilité des deux masses de mesure à des accélérations dirigées selon les axes transversaux.

On constate des erreurs dans la compensation des vibrations lorsque l'accéléromètre est soumis à une oscillation dont la période est plus courte que celle des fréquences mesurées par le transducteur. La réponse non linéaire des transducteurs provoque une sensibilité à de telles oscillations, et il en résulte une dérive à la sortie de l'accéléromètre. Lorsqu'on construit le dispositif à double masse de mesure avec les transducteurs agencés de façon que l'un d'eux soit sous tension et l'autre en compression les erreurs dues à une vibration de l'ensemble tendent à s'annuler.

La fig. 3 représente sous forme de diagramme le capteur 75 de l'accéléromètre à double masse de mesure avec l'électronique associée, et une unité de traitement de signaux 76 comprenant un microprocesseur programmé pour déterminer, à partir du transducteur de force, des fréquences et d'autres entrées pertinentes telles que la température et l'accélération à laquelle l'instrument est soumis.

Le capteur 75 comprend le dispositif comportant la double masse de mesure et le transducteur de force à barre résonante 78 et l'électronique 79 du capteur qui engendre les fréquences fj et f2 représentant les fréquences de résonance de chaque transducteur de force et, partant, les forces exercées sur les transducteurs comme résultat de l'accélération à laquelle les masses de mesure sont soumises. Le capteur de température 80 mesure la température des systèmes mécaniques 78 et engendre un signal ft ayant une fréquence qui est une fonction de la tempérture.

L'unité de traitement de signaux 76 comprend un compteur d'impulsions et de fréquences 81, un microprocesseur 82 et une mémoire PROM (mémoire morte programmable) 83. L'horloge principale 84 sert de base de temps au microprocesseur et au compteur des impulsions de fréquences. Des connexions données/adresse, d'adresse et de commande présentant les nombres indiqués de lignes de bus relient le compteur 81, le microprocesseur 82 et la mémoire PROM 83 entre eux.

Les signaux de fréquences f, et f2 du transducteur de force et le signal de température f, sont reliés au compteur 81 de fréquences et d'impulsions qui fournit des signaux digitaux représentant chaque fréquence à traiter dans le microprocesseur 82.. L'accélération calculée est disponible à la sortie du microprocesseur 82, à savoir éventuellement sous forme parallèle à 8 bits à la sortie 85, ou sous forme sérielle à la sortie 86.

On établit les facteurs d'échelle ou les coefficients pour les fréquences des transducteurs de force de chaque masse de mesure. Par exemple, l'acélération peut être déterminée comme étant a — Ajfj—A2f2+A0

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où A, est le facteur d'échelle ou coefficient pour un transducteur de force,

A2 est le facteur d'échelle ou coefficient pour l'autre transducteur, et

A0 est un terme pour la correction de la précontrainte.

Cependant, l'accélération est de préférence déterminée comme fonction du carré des fréquences des transducteurs de force selon la relation a = A^j2—A2f22+A0

Cette relation qui utilise le carré des fréquences assure une meilleure linéarité et une moindre sensibilité aux variations de la sensibilité d'un transducteur de force par rapport à l'autre. En particulier, l'erreur de rectification de vibration provenant des petites variations de caractères des transducteurs, par exemple en fonction de la fréquence, est normalement d'un ordre de grandeur plus petit lorsqu'on utilise le carré des fréquences.

Les coefficients de calibration Als A2 et A0 sont adaptés aux conditions d'opération de l'accéléromètre et à la température. En particulier, les coefficients sont de préférence déterminés de façon à obtenir la meilleure approximation de l'accélération sur toute la plage de mesure. Le jeu de coefficients est déterminé à partir de la calibration à plusieurs températures discrètes T, dans la plage opérationnelle de l'accéléromètre. Les coefficients peuvent être représentés sous forme de matrice

(Au);j = 1,2, 3,...;i= 1,2,0.

Chaque coefficient Ay est ensuite calculé sous la forme d'un polynôme fonction de la température et obtenu par la méthode des moindres carrés:

n

Ay = X Bik-T^;i = 1,2,0.

1J k = 0 1K J

D'autres ensembles de coefficients de calibration peuvent être utilisés, fondés sur une autre propriété que la linéarité. Par exemple,

d a le coefficient peut être choisi pour rendre au minimum la dérivée —

dT

de l'accélération par rapport à la température.

Le modèle fondé sur la meilleure approximation de l'accélération réelle sur toute la plage des accélérations à évaluer réduit à un minimum l'erreur due aux vibrations et sera préféré.

L'étalonnage est de préférence obtenu en effectuant des mesures d'accélération dans la plage comprise entre — 1 g et +1 g, à des températures comprises dans la plage des températures opérationnelles de l'instrument. Normalement, l'accélération appliquée est la pesen-teur, et l'on positionne l'accéléromètre avec son axe de sensibilité orienté successivement dans 24 positions différentes par rapport à la verticale. On répète cette procédure à différentes températures dans tout l'intervalle de fonctionnement de l'instrument.

Les coefficients de calibration sont alors déterminés comme indiqué ci-dessus, et cette information est mémorisée dans la PROM 83 et peut être lue par le microprocesseur selon les besoins. Le nombre de températures auxquelles on fait une mesure ainsi que le nombre de termes dans le polynôme déterminent la précision de la mesure de l'accélération.

A la sortie du compteur 81 de la fréquence des impulsions, les fréquences digitales ^ et f2 et de la température sont échantillonnées périodiquement, sur commande du microprocesseur 82. Les coefficients de calibration Als A2 et A0 sont lus dans la mémoire PROM 83, et l'accélération ensuite calculée.

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

R

3 feuilles dessins

Claims

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1. Procédé pour mesurer une accélération avec un accéléromètre possédant deux masses de mesure sensibles à la même accélération ainsi qu'une paire de transducteurs à résonance comportant chacun un senseur en forme de poutrelle relié avec l'une des masses de mesure pour détecter la force due à l'inertie de cette masse lorsqu'une accélération lui est imprimée, les transducteurs ayant des fréquences de résonance ^ et f2 qui varient en sens inverse d'une variation d'accélération, caractérisé en ce qu'on détermine l'accélération à partir des fréquences de résonance selon la relation a = Ajfi"—A2f2n+Ao où A0, Ai, A2 sont des coefficients de calibration et où n est égal à 1 ou à 2.

2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on détermine les coefficients de calibration, pour une meilleure approximation de l'accélération, en couvrant toute la plage d'entrée et toute la plage de température opérationnelles de l'accéléromètre.

2

REVENDICATIONS

3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'accéléromètre est calibré pour des valeurs discontinues Tj de la température, et que les coefficients de calibration sont représentés sous la forme d'une matrice de coefficients

(A,j); j = 1, 2, 3,i = 1,2,0.

4. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'accéléromètre est calibré pour des valeurs discontinues T, de la température, et que les coefficients de calibration sont obtenus par approximation au moyen de la méthode des moindres carrés de polynômes fonction de la température représentés par les expressions:

n

5. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que les coefficients de calibration sont déterminés pour une valeur minimum dei de la dérivée — de l'accélération a par rapport à la température, où T est la température.