EP4214467A1 - Capteur vibrant avec unité d'hybridation - Google Patents

Capteur vibrant avec unité d'hybridation

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Publication number
EP4214467A1
EP4214467A1 EP21777508.9A EP21777508A EP4214467A1 EP 4214467 A1 EP4214467 A1 EP 4214467A1 EP 21777508 A EP21777508 A EP 21777508A EP 4214467 A1 EP4214467 A1 EP 4214467A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transducers
detection signal
detection
electronic
processing unit
Prior art date
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Pending
Application number
EP21777508.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Vincent Ragot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Electronics and Defense SAS
Original Assignee
Safran Electronics and Defense SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Safran Electronics and Defense SAS filed Critical Safran Electronics and Defense SAS
Publication of EP4214467A1 publication Critical patent/EP4214467A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/567—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode
    • G01C19/5691—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces using the phase shift of a vibration node or antinode of essentially three-dimensional vibrators, e.g. wine glass-type vibrators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/56—Turn-sensitive devices using vibrating masses, e.g. vibratory angular rate sensors based on Coriolis forces
    • G01C19/5776—Signal processing not specific to any of the devices covered by groups G01C19/5607 - G01C19/5719

Definitions

  • the present invention relates to an inertial rotation sensor with a vibrating resonator.
  • a rotation sensor is a device measuring the component of the angular rotation speed vector which is collinear with an axis of the sensor called the sensitive axis.
  • Inertial rotation sensors comprising a mechanical resonator, such as a bell or beams, associated with transducers arranged to keep the resonator vibrating and transmit a measurement to a processing unit arranged to generate information, called "electric angle". , supposedly representative of the integral of the projection, on the sensitive axis of the resonator, of the speed of rotation undergone by the sensor.
  • the electrical angle is affected by different faults and errors.
  • the angle bias depends on the initial conditions and is eliminated by a discrete derivation when calculating the angular velocity.
  • the velocity bias and the scale factor of the inertial sensor are by nature n-periodic functions of the electrical angle.
  • the Fourier coefficients characterizing bias in speed and scale factor depend on the individual defects of realization of the inertial sensors. An individual calibration step carried out in the factory makes it possible to compensate for the effects of these faults in the operational temperature range of the inertial sensor, but this operation is imperfect and, moreover, has no effect on the evolution of the parameters which is due to ageing.
  • the navigation units use the inertial sensors so as to minimize as much as possible the effect of drift harmonics and the effect of the scale factor. Nevertheless, the techniques used for these purposes have no effect on the zero harmonic so that the implementation must imperatively preserve the weakness of the drift of the latter.
  • inertial rotation sensor comprising a vibrating resonator associated with at least two modally orthogonal transducers each formed by at least one pair of electrodes and connected via a multiplexing device to the same electronic unit of processing in such a way that each of the transducers forms in turn:
  • excitation signals also called control signals
  • detector transmitting successively via the same branch unit detection electronics for processing the measurement signals which will enable the development of the electrical angle .
  • the same processing electronics develops, during a control phase, the excitation signals successively applied to the transducers playing the role of motor and successively collects then processes, during a detection phase, the measurement signals transmitted by all the transducers acting as detectors.
  • the processing anisotropy, both in motorization and in detection, is therefore eliminated and the performance of the sensor is improved due to the minimization of the harmonic drift.
  • the performance depends on the establishment time of the electronics which must be as short as possible compared to the duration of the detection and control phases. This results in the choice of electronics having a passband which is large compared to the inverse of the detection duration. This results in strong aliasing of the electronic noise during sampling, aliasing which greatly degrades the signal-to-noise ratio.
  • the solution used to preserve the drift precision therefore has as its counterpart a strong degradation of the angle noise. This degradation, which is acceptable for navigation applications, is penalizing for piloting and prohibitive for stabilization.
  • An object of the invention is to provide an inertial rotation sensor with a vibrating resonator which at least partially overcomes the aforementioned drawbacks.
  • an inertial rotation sensor comprising a vibrating resonator associated with at least two first transducers connected to a first electronic processing unit via an electronic multiplexing device to operate successively in motorization mode and detection mode and to provide at least a first detection signal.
  • the vibrating resonator is associated with at least two second transducers connected, via two charge amplifiers and two analog-digital converters, to a second electronic processing unit to operate in continuous time detection mode and supply at least one second signal of detection.
  • the sensor comprises an electronic hybridization unit to form a third detection signal from the first detection signal and the second detection signal.
  • the first transducers in control mode receive an excitation signal coming from the same processing unit and all the measurement signals emitted by the first transducers in detection mode are collected and processed by the same processing unit: 1' Processing anisotropy is eliminated allowing precise navigation.
  • the second transducers operate on the contrary in continuous time, that is to say that the second transducers of the inertial sensor are used as detector transducers physically separated from the transducers ensuring the command (the latter are here the first transducers in command mode) .
  • the anti-aliasing filter prevents sampling from degrading the noise density of the analog signal near the resonant frequency so that angle noise is naturally low.
  • the asymmetries of the electronic channels, on the one hand, and those of the detection transducers, on the other hand degrade the harmonic content of the electrical angle so that the second signal does not allow precise navigation.
  • the hybridization unit combines the first detection signal and the second detection signal to provide a third detection signal which can thus benefit from the accuracy of the first detection signal and the low noise of the second detection signal.
  • the vibrating resonator has a bell shape having a flat annular edge carrying at least one electrode extending opposite electrodes integral with a frame to form the first transducers and the second transducers.
  • the sensor comprises two first transducers modally orthogonal and two second transducers modally orthogonal each formed of two pairs of electrodes;
  • each transducer being formed of two pairs of electrodes.
  • FIG. 1 is a schematic representation of a sensor according to the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation similar to that of FIG. 1 of the time-sharing assembly of this sensor;
  • FIG. 3 is a schematic representation of a sensor according to a variant of the invention.
  • the inertial rotation sensor comprises, in a manner known per se, a vibrating resonator 1 here having the shape of a bell.
  • the vibrating resonator 1 is associated with transducers formed here of electrodes which are carried by an electrode holder frame and which extend facing an annular electrode carried by a plane annular edge of the resonator.
  • the transducers here comprise first transducers 2.1 (here two in number referenced 2.11, 2.12) and second transducers 2.2 (here two in number referenced 2.21, 2.22). Every first transducer
  • 2.1 comprises two pairs of electrodes (a pair consists of an electrode of the frame and of the annular electrode; within each pair, the electrodes are facing each other), the pairs being diametrically opposed to each other (the two pairs correspond to one channel), and each second transducer
  • the transducers 2.1, 2.2 comprises two pairs of electrodes (within each pair, the electrodes face each other), the pairs being diametrically opposed to each other (the two pairs correspond to one channel).
  • the transducers 2.1, 2.2 here have a uniform angular distribution and the electrodes fixed to the frame here have the same dimensions.
  • the first transducers 2.11 and 2.12 are modally orthogonal.
  • the second transducers 2.21 and 2.22 are modally orthogonal.
  • the first transducers 2.1 are connected to a first electronic processing unit 6 via a multiplexing stage 5 to operate successively in motorization mode and in detection mode and to supply a first detection signal ⁇ t P .
  • the multiplexing stage 5 is an electronic circuit arranged, in a manner known per se, to subject the annular electrode to a DC voltage and provide alternately:
  • the single processing unit 6 is arranged to generate the control signals which are transmitted to the first transducers 2.1 to put them in control mode.
  • the signal f is alternately transmitted via a terminal 16 to the first transducers 2.11 and 2.12 in command mode (corresponding to a command action time).
  • the processing circuit also comprises a detection branch 9 comprising an input terminal 17 which alternately receives measurement signals from the first transducers 2.11 and 2.12 in detection mode (corresponding to a detection action time).
  • Terminal input 17 is connected to the summing input of a charge amplifier 14 which converts a current signal i into a voltage signal.
  • the detection branch 9 further comprises a corrector member 10 having a very high gain comparable to an infinite gain, followed by an analog/digital converter 11.
  • the first detection signal 0 tp is deduced from the output signal of the analog/digital converter. digital 11 by a processing algorithm known in itself.
  • the detection branch 9 is associated with the control branch 7 by switches 12 to form a feedback loop which is open during control action times and closed during detection action times.
  • the feedback loop further comprises a component 13 ensuring a division by the equivalent impedance of the circuit and connected to the reverse terminal of the charge amplifier 14. It can be seen that the gain error and the phase error introduced during of the control by the gain k of the converter are thus eliminated during detection, which makes it possible to improve the performance of the sensor and to minimize the phase error on the quadrature control of the sensor.
  • the second transducers 2.2 are connected, via a preprocessing stage 3, to a second electronic processing unit 4 to operate continuously in detection mode and supply a second detection signal 0 tc .
  • the preprocessing stage 3 is an electronic circuit which comprises, for each of the second transducers 2.2, a charge amplifier 3.1 having an input connected to this second transducer 2.2, an anti-aliasing filter 3.2 having an input connected to a output of the charge amplifier 3.1, and an analog-digital converter 3.3 having an input connected to an output of the anti-aliasing filter 3.2 and an output connected to an input of the electronic processing unit 4.
  • Each second transducer 2.2 thus forms a detection chain with the charge amplifiers 3.1, anti-aliasing filter 3.2, and analog-digital converter 3.3 which are connected to it.
  • the 3.3 analog-to-digital converter is arranged to have a high resolution and a high sampling frequency so that the noise density due to the analog-to-digital conversion is negligible (the level of noise tolerated by different users being variable, it does not there is no absolute rule but we obtain very good results with for example 20 bits and 1MHz).
  • the anti-aliasing filter 3.2 is arranged to eliminate the frequencies above half the sampling frequency so that the noise density of the analog signal in the vicinity of the resonance frequency is not degraded by the sampling. Naturally low angle noise is thus obtained.
  • the electronic processing unit 4 is known per se and is arranged to produce the second detection signal Ote from the signals supplied by the second transducers 2.2.
  • the sensor comprises an electronic hybridization unit 20 to form a third detection signal 0 from the first detection signal 0t P and from the second detection signal 0tc .
  • the electronic hybridization unit 20 here comprises:
  • a low-pass filter 21 having an input connected to the first electronic processing unit 6 to receive the first detection signal 0t P and an output connected to a first input of an adder 23 having an output supplying the third detection signal 0;
  • a high-pass filter 22 having an input connected to the second processing unit 4 to receive the second detection signal Ote and an output connected to a second input of adder 23.
  • the low-pass filter 21 and the high-pass filter 22 have complementary transfer functions, ie their sum is equal to 1 at all frequencies.
  • the first transducer 2.11 will successively have an action time cl (corresponding to the control mode of the transducer) and a detection time dl (corresponding to the detection mode of the transducer) whose transition from one to the other is controlled by the first electronic processing unit 6;
  • the first transducer 2.12 will also successively have an action time c2 and a detection time d2, the transition from one to the other is controlled by the first electronic processing unit 6;
  • the second transducers 2.21 and 2.22 are continuous time detectors and the second electronic processing unit 4 permanently processes the measurement signals, which are transmitted to it by the second transducers 2.2 via the preprocessing stage 3, to produce the second signal detection 0tc;
  • the electronic hybridization unit generates the third detection signal 0 from the first detection signal 0t p and from the second detection signal 0t c .
  • the third detection signal 0 thus results from a low-frequency readjustment of the second detection signal 0tc by the first detection signal 0t p .
  • the sensor has a single multiplexing stage combining the first two transducers to a single processing unit and operating in multiplexing makes it possible to eliminate not only the anisotropy between the control chains and the detection chains of the first transducers depending on whether they are in control or detection mode, but also the crosstalk between control and detection for each first transducer so that the performance of the sensor is further improved.
  • the invention is applicable to existing inertial sensors from the moment when the number of transducers is sufficient to form a group operating as detectors in continuous time and a group operating alternately as detectors and as motors.
  • the sensor according to the variant of FIG. 3 differs from the sensor previously described in that it comprises sixteen electrodes secured to the electrode holder frame instead of eight electrodes.
  • the transducers here include four first transducers 2.1 (referenced 2.11 to 2.14) and four second transducers 2.2 (referenced 2.21 to 2.24).
  • Each first transducer 2.1 comprises two pairs of electrodes (namely an electrode of the frame and the annular electrode; within each pair, the electrodes are facing each other), the pairs being diametrically opposite the to each other (the two pairs correspond to a channel) .
  • Each second transducer 2.2 comprises two pairs of electrodes (within each pair, the electrodes face each other), the pairs being diametrically opposed to each other (the two pairs correspond to a way) .
  • the transducers 2.1, 2.2 here have a uniform angular distribution and the electrodes fixed to the frame here have the same dimensions.
  • the groups of first transducers (2.11, 2.13) and (2.12. 2.14) are modally orthogonal.
  • the groups of second transducers (2.21, 2.23) and (2.22, 2.24) are modally orthogonal.
  • the second transducers 2.21, 2.23 physically orthogonal to each other are each connected to an amplifier 3.1 whose output is connected for one to the positive input of an adder 3.15 and for the other to the negative input of this same adder 3.15.
  • the second transducers 2.22, 2.24 physically orthogonal to each other are each connected to an amplifier 3.1 whose output is connected for one to the positive input of an adder 3.15 and for the other to the negative input of this same adder 3.15.
  • Each adder 3.15 has an output connected to an anti-aliasing filter 3.2 connected as before to an analog/digital converter 3.3 connected to the electronic processing unit 4.
  • the hybridization algorithm generates 0 taking into account the fact that the electrical angles ⁇ t P and ⁇ tc are shifted by 45°.
  • the senor according to the invention can have a structure different from that described.
  • the resonator may have another shape and for example comprise vibrating beams parallel to each other as in the sensors marketed under the "Quapason” brand by the company SAFRAN ELECTRONICS & DEFENSE or in the angular sensors known as "DELCO” (with for example a configuration with eight pairs of electrodes).
  • the sensor can also be of the MEMS type such as that which is the subject of patent FR-A-2983574. Whatever the type of resonator, in time sharing, preferably one uses sequentially:
  • the electronic processing and hybridization units may have a structure different from that described.
  • the electronic processing and hybridization units can belong to the same electronic circuit or to separate electronic circuits.
  • Anti-aliasing filters are optional.
  • the transducers can be arranged according to a non-uniform angular distribution.
  • the electrodes can have different sizes.
  • the electrodes of the second transducers can have a larger surface area than the electrodes of the first transducers.
  • the transducers can be capacitive, piezoelectric...
  • each first transducer delivers after an analog/digital conversion a first detection signal and each second transducer delivers after an analog/digital conversion a second detection signal, and the electronic hybridization unit forms the third detection signal at from the first detection signals and the second detection signals.
  • the transducers might not be modally orthogonal.

Landscapes

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Abstract

Capteur inertiel de rotation comprenant un résonateur vibrant (1) associé à au moins deux premiers transducteurs (2.1) reliés à une première unité électronique de traitement (5) via un organe électronique de multiplexage (6) pour fonctionner successivement en mode de motorisation et en mode de détection et pour fournir un premier signal de détection. Le résonateur vibrant (1) est associé à au moins deux deuxièmes transducteurs reliés (2.2), via deux amplificateurs de charge (3.1), deux filtres anti-repliement (3.2) et deux convertisseurs analogique-numérique (3.3), à une deuxième unité électronique de traitement (4) pour fonctionner en mode de détection et fournir un deuxième signal de détection. Le capteur comporte une unité électronique d'hybridation (20) pour former un troisième signal de détection à partir du premier signal de détection et du deuxième signal de détection.

Description

CAPTEUR VIBRANT AVEC UNITE D'HYBRIDATION
La présente invention concerne un capteur inertiel de rotation à résonateur vibrant.
ARRIERE PLAN DE L'INVENTION
Un capteur de rotation est un appareil mesurant la composante du vecteur vitesse de rotation angulaire qui est colinéaire à un axe du capteur appelé axe sensible.
On connaît des capteurs inertiels de rotation comprenant un résonateur mécanique, comme une cloche ou des poutres, associé à des transducteurs agencés pour maintenir le résonateur en vibration et transmettre une mesure à une unité de traitement agencée pour élaborer une information, dénommée « angle électrique », censément représentative de l'intégrale de la projection, sur l'axe sensible du résonateur, de la vitesse de rotation subie par le capteur. Cependant, l'angle électrique est affecté par différents défauts et erreurs.
Ainsi, le biais en angle dépend des conditions initiales et est éliminé par une dérivation discrète lors du calcul de la vitesse angulaire.
Le biais en vitesse et le facteur d'échelle du capteur inertiel sont par nature des fonctions n périodiques de l'angle électrique. Les coefficients de Fourier caractérisant biais en vitesse et facteur d'échelle dépendent des défauts de réalisation individuels des capteurs inertiels. Une étape de calibration individuelle réalisée en usine permet de compenser les effets de ces défauts dans la plage de température opérationnelle du capteur inertiel mais cette opération est imparfaite et est, de plus, sans effet sur l'évolution des paramètres qui est due au vieillissement.
Les deux modes de la vibration du résonateur sont associés à des matrices 2x2 de masse, de raideur et d'amortissement, ayant des anisotropies relatives qui sont petites devant l'unité (ces anisotropies sont dites d'ordre un au sens des développements limités) . Néanmoins, en dépit des défauts de réalisation, ces matrices sont parfaitement symétriques au sens mathématique du terme. En conséquence, les harmoniques de rang deux et zéro de la dérive sont respectivement d'ordre un et deux, si bien que la dérive d'harmonique zéro est naturellement très faible et très stable .
Il est nécessaire de minimiser les erreurs dues à l'électronique de traitement des signaux en provenance des transducteurs et de préserver la faiblesse de la dérive de l'harmonique zéro malgré les dissymétries des transducteurs .
Ainsi, les centrales de navigation utilisent les capteurs inertiels de manière à minimiser autant que possible l'effet des harmoniques de dérive et l'effet du facteur d'échelle. Néanmoins, les techniques employées à ces fins sont sans effet sur l'harmonique zéro de sorte que la mise en œuvre doit impérativement préserver la faiblesse de la dérive de ce dernier.
Il est connu du document EP-A-1541967 un capteur inertiel de rotation comprenant un résonateur vibrant associé à au moins deux transducteurs modalement orthogonaux formés chacun par au moins une paire d'électrodes et reliés via un organe de multiplexage à une même unité électronique de traitement de telle manière que chacun des transducteurs forme tour à tour :
- un moteur sous l'effet de signaux d'excitation (dit aussi signaux de commande) transmis successivement via une même branche de commande par l'unité électronique de traitement pour maintenir le résonateur en vibration, et un détecteur transmettant successivement via une même branche de détection à l'unité électronique de traitement les signaux de mesure qui permettront l'élaboration de l'angle électrique .
Ainsi, la même électronique de traitement élabore, lors d'une phase de commande, les signaux d'excitation appliqués successivement aux transducteurs jouant le rôle de moteur et collecte successivement puis traite, lors d'une phase de détection, les signaux de mesure transmis par tous les transducteurs jouant le rôle de détecteur. L ' anisotropie de traitement, tant en motorisation qu'en détection, est donc supprimée et les performances du capteur sont améliorées du fait de la minimisation de la dérive harmonique.
Dans ce type de capteur assurant un fonctionnement en temps partagé, les performances dépendent du temps d'établissement de l'électronique qui doit être le plus court possible devant la durée des phases de détection et de commande. Cela se traduit par le choix d'une électronique ayant une bande passante qui est grande devant l'inverse de la durée de détection. Il en résulte un fort repliement du bruit électronique lors de l'échantillonnage, repliement qui dégrade fortement le rapport signal sur bruit. La solution employée pour préserver la précision de dérive a donc pour contrepartie une forte dégradation du bruit en angle. Cette dégradation qui est acceptable pour les applications de navigation est pénalisante pour le pilotage et rédhibitoire pour la stabilisation.
OBJET DE L'INVENTION
Un but de l'invention est de proposer un capteur inertiel de rotation à résonateur vibrant remédiant au moins en partie aux inconvénients précités. BREVE DESCRIPTION DE L' INVENTION
En vue de la réalisation de ce but , on prévoit selon l ' invention, un capteur inertiel de rotation comprenant un résonateur vibrant associé à au moins deux premiers transducteurs reliés à une première unité électronique de traitement via un organe électronique de multiplexage pour fonctionner successivement en mode de motorisation et en mode de détection et pour fournir au moins un premier signal de détection . Le résonateur vibrant est associé à au moins deux deuxièmes transducteurs reliés , via deux ampli ficateurs de charge et deux convertis seurs analogique-numérique , à une deuxième unité électronique de traitement pour fonctionner en mode de détection en temps continu et fournir au moins un deuxième signal de détection . Le capteur comporte une unité électronique d' hybridation pour former un trois ième signal de détection à partir du premier signal de détection et du deuxième signal de détection .
Les premiers transducteurs fonctionnent en temps partagé . Ainsi , les premiers transducteurs en mode de commande reçoivent un signal d ' excitation issu de la même unité de traitement et tous les signaux de mesure émis par les premiers transducteurs en mode de détection sont recueillis et traités par la même unité de traitement : 1 ' anisotropie de traitement est éliminée autorisant une navigation précise .
Les deuxièmes transducteurs fonctionnent au contraire en temps continu, c' est-à-dire que les deuxièmes transducteurs du capteur inertiel sont utilisés comme des transducteurs détecteurs physiquement séparés des transducteurs assurant la commande ( ces derniers sont ici les premiers transducteurs en mode de commande ) . Le filtre anti-repliement empêche que l ' échantillonnage ne dégrade la densité de bruit du signal analogique au voisinage de la fréquence de résonance de sorte que le bruit en angle est naturellement faible . Cependant , les dissymétries des voies électroniques , d' une part , et celles des transducteurs de détection, d' autre part , dégradent le contenu harmonique de l ' angle électrique de sorte que le deuxième signal ne permet pas une navigation précise .
L' unité d' hybridation combine le premier signal de détection et le deuxième signal de détection pour fournir un troisième signal de détection qui pourra ainsi bénéficier de la précision du premier signal de détection et du faible bruit du deuxième signal de détection .
Selon un mode de réalisation particulier, le résonateur vibrant a une forme en cloche ayant un bord annulaire plan portant au moins une électrode s ' étendant en regard d' électrodes solidaires d' un bâti pour former les premiers transducteurs et les deuxièmes transducteurs .
Alternativement , dans ce mode de réalisation :
- le capteur comprend deux premiers transducteurs modalement orthogonaux et deux deuxièmes transducteurs modalement orthogonaux formés chacun de deux paires d' électrodes ;
- comprenant quatre premiers transducteurs formant deux groupes de transducteurs modalement orthogonaux et quatre deuxièmes transducteurs formant deux groupes de transducteurs modalement orthogonaux, chaque transducteur étant formé de deux paires d' électrodes .
BREVE DESCRIPTION DES DESS INS
D ' autres caractéristiques et avantages de l ' invention apparaîtront à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation particuliers non limitati fs de l ' invention en relation avec les figures ci- j ointes parmi lesquelles :
La figure 1 est une représentation schématique d ' un capteur selon l ' invention, La figure 2 est une représentation schématique analogue à celle de la figure 1 de l'ensemble temps partagé de ce capteur ;
La figure 3 est une représentation schématique d'un capteur selon une variante de l'invention.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
En référence aux figures 1 et 2, le capteur inertiel de rotation selon l'invention comprend, de façon connue en soi, un résonateur vibrant 1 ayant ici la forme d'une cloche. Le résonateur vibrant 1 est associé à des transducteurs formés ici d' électrodes qui sont portées par un bâti porte-électrodes et qui s'étendent en regard d'une électrode annulaire portée par un bord annulaire plan du résonateur .
Les transducteurs comprennent ici des premiers transducteurs 2.1 (ici au nombre de deux référencés 2.11, 2.12) et des deuxièmes transducteurs 2.2 (ici au nombre de deux référencés 2.21, 2.22) . Chaque premier transducteur
2.1 comprend deux paires d'électrodes (une paire est constituée d'une électrode du bâti et de l'électrode annulaire ; au sein de chaque paire, les électrodes sont en regard l'une de l'autre) , les paires étant diamétralement opposées l'une à l'autre (les deux paires correspondent à une voie) , et chaque deuxième transducteur
2.2 comprend deux paires d'électrodes (au sein de chaque paire, les électrodes sont en regard l'une de l'autre) , les paires étant diamétralement opposées l'une à l'autre (les deux paires correspondent à une voie) . Les transducteurs 2.1, 2.2 ont ici une répartition angulaire uniforme et les électrodes solidaires du bâti ont ici les mêmes dimensions. Les premiers transducteurs 2.11 et 2.12 sont modalement orthogonaux. Les deuxièmes transducteurs 2.21 et 2.22 sont modalement orthogonaux.
Les premiers transducteurs 2.1 sont reliés à une première unité électronique de traitement 6 via un étage de multiplexage 5 pour fonctionner successivement en mode de motorisation et en mode de détection et pour fournir un premier signal de détection 0tP .
L'étage de multiplexage 5 est un circuit électronique agencé, de manière connue en elle-même, pour soumettre l'électrode annulaire à une tension continue et assurer alternativement :
- un démultiplexage de signaux de commande qui lui sont fournis par l'unité de traitement 6 et qu'il transmet successivement aux premiers transducteurs 2.1 transformant ceux-ci en moteurs lors d'un mode de commande ; et
- un multiplexage des signaux de mesure qui lui sont transmis par chacun des premiers transducteurs 2.1 lorsque ceux-ci sont dans un mode de détection et qu'il transmet à l'unité électronique de traitement 6.
L'unité de traitement unique 6 est agencée pour élaborer les signaux de commande qui sont transmis aux premiers transducteurs 2.1 pour mettre ceux-ci en mode de commande. A cet effet, dans le mode de réalisation préféré, l'unité de traitement unique 6 comprend une branche de commande 7 comportant un convertisseur numérique/analogique 8 ayant un gain k qui transforme un signal de commande numérique u en signal de commande analogique f donné par l'expression f = ku. Le signal f est alternativement transmis par l'intermédiaire d'une borne 16 aux premiers transducteurs 2.11 et 2.12 en mode de commande (correspondant à un temps d'action de commande) . Le circuit de traitement comporte par ailleurs une branche de détection 9 comprenant une borne d'entrée 17 qui reçoit alternativement des signaux de mesure des premiers transducteurs 2.11 et 2.12 en mode de détection (correspondant à un temps d'action de détection) . La borne d'entrée 17 est reliée à l'entrée sommatrice d'un amplificateur de charge 14 qui transforme un signal de courant i en signal de tension. La branche de détection 9 comporte en outre un organe correcteur 10 ayant un gain très élevé assimilable à un gain infini, suivi d'un convertisseur analogique/numérique 11. Le premier signal de détection 0tp est déduit du signal de sortie du convertisseur analogique/numérique 11 par un algorithme de traitement connu en lui-même. La branche de détection 9 est associée à la branche de commande 7 par des interrupteurs 12 pour former une boucle de réaction qui est ouverte pendant les temps d'action de commande et fermée pendant les temps d'action de détection. La boucle de réaction comporte en outre un composant 13 assurant une division par l'impédance équivalente du circuit et relié à la borne inverse de l'amplificateur de charge 14. On constate que l'erreur de gain et l'erreur de phase introduites lors de la commande par le gain k du convertisseur se trouvent ainsi éliminées lors de la détection, ce qui permet d'améliorer la performance du capteur et de minimiser l'erreur de phase sur la commande de quadrature du capteur.
Les deuxièmes transducteurs 2.2 sont reliés, via un étage de prétraitement 3, à une deuxième unité électronique de traitement 4 pour fonctionner de manière continue en mode de détection et fournir un deuxième signal de détection 0tc .
De préférence, l'étage de prétraitement 3 est un circuit électronique qui comprend, pour chacun des deuxièmes transducteurs 2.2, un amplificateur de charge 3.1 ayant une entrée reliée à ce deuxième transducteur 2.2, un filtre anti-repliement 3.2 ayant une entrée reliée à une sortie de l'amplificateur de charge 3.1, et un convertisseur analogique-numérique 3.3 ayant une entrée reliée à une sortie du filtre anti-repliement 3.2 et une sortie reliée à une entrée de l'unité électronique de traitement 4. Chaque deuxième transducteur 2.2 forme ainsi une chaîne de détection avec les amplificateurs de charge 3.1, filtre anti-repliement 3.2, et convertisseur analogique-numérique 3.3 qui lui sont reliés. Le convertisseur analogique-numérique 3.3 est agencé pour avoir une haute résolution et une haute fréquence d'échantillonnage afin que la densité de bruit due à la conversion analogique numérique soit négligeable (le niveau de bruit toléré par les différents utilisateurs étant variable, il n'y a pas de règle absolue mais on obtient de très bons résultats avec par exemple 20 bits et 1MHz) . Le filtre anti-repliement 3.2 est agencé pour éliminer les fréquences supérieures à la moitié de la fréquence d'échantillonnage de sorte que la densité de bruit du signal analogique au voisinage de la fréquence de résonance n'est pas dégradée par l'échantillonnage. On obtient ainsi un bruit en angle naturellement faible.
L'unité électronique de traitement 4 est connue en elle-même et est agencée pour élaborer le deuxième signal de détection Ote à partir des signaux fournis par les deuxièmes transducteurs 2.2.
Le capteur comporte une unité électronique d'hybridation 20 pour former un troisième signal de détection 0 à partir du premier signal de détection 0tP et du deuxième signal de détection 0tc .
L'unité électronique d'hybridation 20 comprend ici :
- un filtre passe-bas 21 ayant une entrée reliée à la première unité électronique de traitement 6 pour recevoir le premier signal de détection 0tP et une sortie reliée à une première entrée d'un sommateur 23 ayant une sortie fournissant le troisième signal de détection 0 ;
- un filtre passe-haut 22 ayant une entrée reliée à la deuxième unité de traitement 4 pour recevoir le deuxième signal de détection Ote et une sortie reliée à une deuxième entrée du sommateur 23.
Le filtre passe-bas 21 et le filtre passe-haut 22 ont des fonctions de transfert complémentaires, c'est-à- dire que leur somme est égale à 1 à toutes les fréquences.
En fonctionnement :
- le premier transducteur 2.11 va avoir successivement un temps d'action cl (correspondant au mode de commande du transducteur) et un temps de détection dl (correspondant au mode de détection du transducteur) dont le passage de l'un à l'autre est commandé par la première unité électronique de traitement 6 ;
- le premier transducteur 2.12 va lui aussi avoir successivement un temps d'action c2 et un temps de détection d2 dont le passage de l'un à l'autre est commandé par la première unité électronique de traitement 6 ;
- les deuxièmes transducteurs 2.21 er 2.22 sont détecteurs en temps continu et la deuxième unité électronique de traitement 4 traite en permanence les signaux de mesure, qui lui sont transmis par les deuxièmes transducteurs 2.2 via l'étage de prétraitement 3, pour élaborer le deuxième signal de détection 0tc ;
- l'unité électronique d'hybridation élabore le troisième signal de détection 0 à partir du premier signal de détection 0tp et du deuxième signal de détection 0tc.
Le troisième signal de détection 0 résulte ainsi d'un recalage à basse fréquence du deuxième signal de détection 0tc par le premier signal de détection 0tp.
Le fait que le capteur comporte un étage de multiplexage unique associant les deux premiers transducteurs à une unité de traitement unique et fonctionnant en multiplexage permet de supprimer non seulement 1 ' anisotropie entre les chaînes de commande et les chaînes de détection des premiers transducteurs selon qu' ils sont en mode de commande ou de détection, mais également la diaphonie entre la commande et la détection pour chaque premier transducteur de sorte que les performances du capteur se trouvent encore améliorées.
On notera que l'invention est applicable à des capteurs inertiels existant à partir du moment où le nombre de transducteurs est suffisant pour former un groupe opérant comme détecteurs en temps continu et un groupe opérant alternativement comme détecteurs et comme moteurs.
Le capteur selon la variante de la figure 3 se distingue du capteur précédemment décrit en ce qu' il comporte seize électrodes solidaires du bâti porte- électrodes au lieu de huit électrodes.
Les transducteurs comprennent ici quatre premiers transducteurs 2.1 (référencés 2.11 à 2.14) et quatre deuxièmes transducteurs 2.2 (référencés 2.21 à 2.24) . Chaque premier transducteur 2.1 comprend deux paires d'électrodes (à savoir une électrode du bâti et l'électrode annulaire ; au sein de chaque paire, les électrodes sont en regard l'une de l'autre) , les paires étant diamétralement opposées l'une à l'autre (les deux paires correspondent à une voie) . Chaque deuxième transducteur 2.2 comprend deux paires d'électrodes (au sein de chaque paire, les électrodes sont en regard l'une de l'autre) , les paires étant diamétralement opposées l'une à l'autre (les deux paires correspondent à une voie) . Les transducteurs 2.1, 2.2 ont ici une répartition angulaire uniforme et les électrodes solidaires du bâti ont ici les mêmes dimensions. Les groupes de premiers transducteurs (2.11, 2.13) et (2.12. 2.14) sont modalement orthogonaux. Les groupes de deuxièmes transducteurs (2.21, 2.23) et (2.22, 2.24) sont modalement orthogonaux.
Les deuxièmes transducteurs 2.21, 2.23 physiquement orthogonaux entre eux sont chacun reliés à un amplificateur 3.1 dont la sortie est reliée pour l'un à l'entrée positive d'un sommateur 3.15 et pour l'autre à l'entrée négative de ce même sommateur 3.15. Les deuxièmes transducteurs 2.22, 2.24 physiquement orthogonaux entre eux sont chacun reliés à un amplificateur 3.1 dont la sortie est reliée pour l'un à l'entrée positive d'un sommateur 3.15 et pour l'autre à l'entrée négative de ce même sommateur 3.15. Chaque sommateur 3.15 a une sortie reliée à un filtre anti-repliement 3.2 relié comme précédemment à un convertisseur analogique/numérique 3.3 relié à l'unité électronique de traitement 4.
Cette solution est très avantageuse. En effet, cet agencement permet de réduire encore l'effet des vibrations dues à l'environnement opérationnel. Avec les solutions à huit et seize électrodes, les mouvements de flexion de la cloche autour de son pied, provoquant des variations de capacité opposées sur les électrodes diamétralement opposées, sont rejetés par la mise en parallèle desdites électrodes. En outre, avec la réalisation à seize électrodes, les mouvements de translation de la cloche par rapport au bâti porte-électrodes sont rejetés par un traitement différentiel entre les paires d'électrodes physiquement orthogonales entre elles.
Dans cette réalisation à seize électrodes, l'algorithme d'hybridation élabore 0 en tenant compte du fait que les angles électriques 0tP et 0tc sont décalés de 45° .
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention tel que défini par les revendications.
En particulier, le capteur selon l'invention peut avoir une structure différente de celle décrite.
Le résonateur peut avoir une autre forme et par exemple comprendre des poutres vibrantes parallèles les unes aux autres comme dans les capteurs commercialisés sous la marque « Quapason » par la société SAFRAN ELECTRONICS & DEFENSE ou aux capteurs angulaires dits « DELCO » (avec par exemple une configuration à huit paires d'électrodes) . Le capteur peut également être du type MEMS tels que celui objet du brevet FR-A-2983574. Quel que soit le type de résonateur, en temps partagé, de préférence on utilise séquentiellement :
- un même canal électronique pour les deux axes propres du résonateur qui sont décalés l'un par rapport à l'autre de 45° dans le cas d'un résonateur de type cloche et de 90° dans le cas d'un résonateur à poutres parallèles de type QUAPASON et dans le cas d'un résonateur objet du brevet FR-A-2983574 ;
- un même groupe de transducteurs comme actionneurs puis comme détecteurs pour chacun de ces deux axes.
Les unités électroniques de traitement et d'hybridation peuvent avoir une structure différente de celle décrite.
Les unités électroniques de traitement et d'hybridation peuvent appartenir à un même circuit électronique ou à des circuits électroniques distincts.
Le principe d'hybridation à filtres complémentaires qui a été ici décrit est le plus simple mais bien évidemment d'autres modes d'hybridation sont envisageables comme par exemple une hybridation par filtrage de Kalman.
Les filtres anti-repliement sont facultatifs.
En variante, on notera qu'il est avantageux d'utiliser un plus grand nombre d'électrodes pour bénéficier d' ef fets di f férentiels aptes à réduire certaines erreurs par exemple pour rej eter les ef fets des accélérations linéaires .
Les transducteurs peuvent être disposés selon une répartition angulaire non uni forme .
Les électrodes peuvent avoir des tailles di f férentes . En particulier, les électrodes des deuxièmes transducteurs peuvent avoir une surface plus importante que les électrodes des premiers transducteurs .
Les transducteurs peuvent être capaciti fs , piézoélectriques...
En variante , chaque premier transducteur délivre après une conversion analogique/numérique un premier signal de détection et chaque deuxième transducteur délivre après une conversion analogique/numérique un deuxième signal de détection, et l ' unité électronique d' hybridation forme le troisième signal de détection à partir des premiers signaux de détection et des deuxièmes signaux de détection .
Les transducteurs pourraient ne pas être modalement orthogonaux .

Claims

REVENDICATIONS
1. Capteur inertiel de rotation comprenant un résonateur vibrant (1) associé à au moins deux premiers transducteurs (2.1) reliés à une première unité électronique de traitement (5) via un organe électronique de multiplexage ( 6 ) pour fonctionner successivement en mode de motorisation et en mode de détection et pour fournir au moins un premier signal de détection, caractérisé en ce que le résonateur vibrant (1) est associé à au moins deux deuxièmes transducteurs (2.2) reliés, via deux amplificateurs de charge (3.1) et deux convertisseurs analogique-numérique (3.3) , à une deuxième unité électronique de traitement (4) pour fonctionner en mode de détection en temps continu et fournir au moins un deuxième signal de détection, et en ce que le capteur comporte une unité électronique d'hybridation (20) pour former un troisième signal de détection à partir du premier signal de détection et du deuxième signal de détection.
2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel l'unité électronique d'hybridation (20) comprend :
- un filtre passe-bas (21) ayant une entrée reliée à la première unité de traitement (6) pour recevoir le premier signal de détection et une sortie reliée à une première entrée d'un sommateur (23) ayant une sortie fournissant le troisième signal de détection ;
- un filtre passe-haut (22) ayant une entrée reliée à la deuxième unité de traitement (4) pour recevoir le deuxième signal de détection et une sortie reliée à une deuxième entrée du sommateur (23) .
3. Capteur selon la revendication 2, dans lequel le filtre passe-bas (21) et le filtre passe-haut (23) ont des fonctions de transfert complémentaires.
4. Capteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel chaque premier transducteur (2.1) comprend deux paires d'électrodes en regard l'une de l'autre, les paires étant diamétralement opposées l'une à l'autre, et chaque deuxième transducteur (2.2) comprend deux paires d'électrodes en regard l'une de l'autre, les paires étant diamétralement opposées l'une à 1' autre .
5. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les deux deuxièmes transducteurs (2.2) sont reliés à la deuxième unité électronique de traitement (4) via les deux amplificateurs de charge (3.1) , deux filtres anti-repliement (3.2) et les deux convertisseurs analogique-numérique (3.3) .
6. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le résonateur vibrant (1) a une forme en cloche ayant un bord annulaire plan portant au moins une électrode s'étendant en regard d'électrodes solidaires d'un bâti pour former les premiers transducteurs (2.1) et les deuxièmes transducteurs (2.2) .
7. Capteur selon la revendication 6, comprenant deux premiers transducteurs (2.1) modalement orthogonaux et deux deuxièmes transducteurs (2.2) modalement orthogonaux formés chacun de deux paires d'électrodes.
8. Capteur selon la revendication 6, comprenant quatre premiers transducteurs (2.1) formant deux groupes de transducteurs modalement orthogonaux et quatre deuxièmes transducteurs (2.2) formant deux groupes de transducteurs modalement orthogonaux, chaque transducteur étant formé de deux paires d'électrodes.
9. Capteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel chaque premier transducteur (2.1) délivre après une conversion analogique/numérique un premier signal de détection et chaque deuxième transducteur (2.2) délivre après une conversion analogique/numérique un deuxième signal de détection, et l'unité électronique d'hybridation (20) 17 forme le troisième signal de détection à partir des premiers signaux de détection et des deuxièmes signaux de détection .
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