FR2509471A1

FR2509471A1 - BALANCED PENDULUM ACCELEROMETER

Info

Publication number: FR2509471A1
Application number: FR8205882A
Authority: FR
Inventors: Dennis John Miles
Original assignee: UK Government
Current assignee: UK Government
Priority date: 1981-04-06
Filing date: 1982-04-05
Publication date: 1983-01-14
Also published as: DE3212889A1

Abstract

The invention relates to a force-balancing pendulum accelerometer having a pendulum (5) in the form of a disc, whose axis of rotation intersects the disc and having a mount, which consists of a pair (2a) of fibres, which supports the disc suspended as points on the disc circumference, the centre of gravity of the disc being offset with respect to the axis of rotation, and having at least two electrostatic force-balancing plates (3b, 4b) which are at a distance from the surface of the disc and apply an electrostatic balancing force to the disc.

Description

La présente invention concerne les accéléromètres et notamment les accéléromètres pendulaires équilibrés destinés par exemple aux ensembles de guidage par inertie dans les applications aérospatiales. The present invention relates to accelerometers and in particular balanced pendulum accelerometers intended for example for inertial guidance assemblies in aerospace applications.

Un accéléromètre équilibré connu comporte une petite masse pendulaire supportée par deux pivots souples. L'équilibrage des forces est assuré à l'aide de deux aimants permanents travaillant d'une manière alternative. L'ouvrage Scientific Encyclopedia de Von Nostrand (5e édition) page 1, décrit un accéléromètre de ce type. A known balanced accelerometer has a small pendulum mass supported by two flexible pivots. Balance of forces is ensured using two permanent magnets working in an alternative manner. Von Nostrand's Scientific Encyclopedia (5th edition) page 1 describes an accelerometer of this type.

On peut utiliser un arrangement à bobine mobile et à aimant permanent pour l'équilibrage des forces.A moving coil and permanent magnet arrangement can be used to balance the forces.

Dans une variante de l'utilisation d'un équilibrage magnétique des forces, on a proposé un arrangement d'équilibrage électrostatique des forces utilisé dans un accéléromètre pendulaire suspendu. Cependant, on a constaté qu'il était difficile de créer des forces électrostatiques suffisamment importantes pour qu'elles assurent l'équilibrage des forces appliquées au pendule d'un accéléromètre utilisable en pratique. In a variant of the use of magnetic force balancing, an electrostatic force balancing arrangement has been proposed used in a suspended pendulum accelerometer. However, it has been found that it is difficult to create electrostatic forces large enough for them to balance the forces applied to the pendulum of an accelerometer which can be used in practice.

On a déjà proposé l'immersion d'un accéléromètre à équilibrage électrostatique dans un liquide tel qu'une huile de silicone afin que la permittivité relative soit accrue. Cependant, les accéléromètres contenant de l'huile présentent un certain nombre d'inconvénients. L'un d'eux est que l'huile de silicone par exemple a une masse volumique qui varie de 0,1 % par degré Celsius et sa permittivité relative diminue lorsque la température augmente. It has already been proposed to immerse an accelerometer with electrostatic balancing in a liquid such as a silicone oil so that the relative permittivity is increased. However, oil-containing accelerometers have a number of disadvantages. One of them is that silicone oil for example has a density which varies from 0.1% per degree Celsius and its relative permittivity decreases when the temperature increases.

Un autre inconvénient est qu'on doit utiliser un soufflet quelconque de dilatation dans le cas d'un accéléromètre contenant une huile.Another drawback is that any expansion bellows must be used in the case of an accelerometer containing an oil.

L'invention concerne un accéléromètre équilibré électrostatiquement, nécessitant une tension réduite de pilotage. The invention relates to an electrostatically balanced accelerometer, requiring a reduced control voltage.

Plus précisément, l'invention concerne un accéléromètre pendulaire à équilibrage de forces comprenant un pendule qui a une mince feuille dont l'axe de pivo tement recoupe la feuille, le centre de gravité de la feuille étant distant de l'axe de pivotement, et au moins deux plaques ou électrodes d'équilibrage électrostatique, très proches de la surface de la feuille et destinées à exercer sur celle-ci une force électrostatique d'équilibrage. More specifically, the invention relates to a pendulum force-balancing accelerometer comprising a pendulum which has a thin sheet whose pivot axis intersects the sheet, the center of gravity of the sheet being distant from the pivot axis, and at least two electrostatic balancing plates or electrodes, very close to the surface of the sheet and intended to exert an electrostatic balancing force thereon.

Le pendule peut être un mince disque plat et peut avoir un rebord relativement massif, distant de l'axe de pivotement. Cet axe peut être diamétral et le disque peut être suspendu ou articulé. Le disque peut avoir une ouverture, de préférence adjacente à son rebord, afin qu'elle ait un centre de gravité décalé par rapport au diamètre. The pendulum can be a thin flat disc and can have a relatively massive rim, distant from the pivot axis. This axis can be diametral and the disc can be suspended or articulated. The disc may have an opening, preferably adjacent to its rim, so that it has a center of gravity offset from the diameter.

Le pendule peut être suspendu par un ou plusieurs fils de tension ou par deux fils fixés sur les côtés du pendule et placés dans un plan sensiblement perpendiculaire au pendule lorsque celui-ci est en position neutre. Cependant, le pendule est de préférence articulé autour de l'axe de pivotement. The pendulum can be suspended by one or more tension wires or by two wires fixed on the sides of the pendulum and placed in a plane substantially perpendicular to the pendulum when the latter is in neutral position. However, the pendulum is preferably articulated around the pivot axis.

Les plaques ou électrodes d'équilibrage électrostatique des forces peuvent être pilotées de façon proportionnelle par des impulsions d'un circuit d'asservissement ayant une entrée de réaction reliée à des électrodes d'un capteur électrostatique de position. The electrostatic force balancing plates or electrodes can be controlled proportionally by pulses from a servo circuit having a feedback input connected to electrodes of an electrostatic position sensor.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels:
la figure 1 est une coupe schématique en élévation latérale d'un accéléromètre selon l'invention;
la figure 2 est une vue en plan du pendule de l'accéléromètre de la figure 1;
la figure 3 est une élévation de l'accéléromètre de la figure 1;
la figure 4 est une vue en plan d'une variante de pendule;
la figure 5 représente une forme d'onde idéalisée de variation de la tension d'une impulsion produite par un circuit de commande numérique de l'accéléromètre;
la figure 6 est un graphique représentant les erreurs dues aux caractéristiques de non linéarité de l'impulsion de la figure 5;
la figure 7 est un schéma représentant un circuit de détection de position du pendule de l'accéléromètre de la figure 1;;
les figures 8 et 9 sont des schémas représentant des variantes de circuits de détection de position du pendule;
la figure 10 est un schéma représentant un circuit d'asservissement faisant partie de l'accéléromètre de la figure 1;
la figure 11 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation de pendule comprenant un dispositif de montage articulé;
la figure 12 est une coupe suivant la ligne X-X du pendule de la figure il ; et
la figure 13 est une coupe suivant la ligne
Y-Y d'une partie du pendule de la figure 11, à plus grande échelle.Other characteristics and advantages of the invention will emerge more clearly from the description which follows, given with reference to the appended drawings in which:
Figure 1 is a schematic sectional side elevation of an accelerometer according to the invention;
Figure 2 is a plan view of the pendulum of the accelerometer of Figure 1;
Figure 3 is an elevation of the accelerometer of Figure 1;
Figure 4 is a plan view of an alternative pendulum;
FIG. 5 represents an idealized waveform for varying the voltage of a pulse produced by a digital control circuit of the accelerometer;
Figure 6 is a graph showing the errors due to the non-linearity characteristics of the pulse of Figure 5;
FIG. 7 is a diagram representing a circuit for detecting the position of the pendulum of the accelerometer in FIG. 1;
Figures 8 and 9 are diagrams showing variants of the pendulum position detection circuits;
Figure 10 is a diagram showing a servo circuit forming part of the accelerometer of Figure 1;
Figure 11 is a plan view of another embodiment of a pendulum comprising an articulated mounting device;
Figure 12 is a section along line XX of the pendulum of Figure II; and
Figure 13 is a section along the line
YY of part of the pendulum of figure 11, on a larger scale.

La figure 1 représente un accéléromètre selon l'invention, comprenant un corps cylindrique 1 de matière plastique qui loge un pendule 5 en forme dedisque, deux électrodes ou plaques 3a, 3b d'équilibrage électrostatique de forces, et deux plaques ou électrodes 4a, 4b de détecteur électrostatique de position. L'accéléromètre comporte en outre un circuit 12 d'asservissement qui est représenté sur la figure 9 et qui a des sorties électriques reliées aux électrodes 3a, 3b d'équilibrage et qui a des entrées (non représentées) reliées à chacune des électrodes 4a, 4b du détecteur de position. FIG. 1 represents an accelerometer according to the invention, comprising a cylindrical body 1 of plastic material which houses a pendulum 5 in the form of a disc, two electrodes or plates 3a, 3b for electrostatic force balancing, and two plates or electrodes 4a, 4b of electrostatic position detector. The accelerometer further comprises a servo circuit 12 which is shown in FIG. 9 and which has electrical outputs connected to the balancing electrodes 3a, 3b and which has inputs (not shown) connected to each of the electrodes 4a, 4b of the position detector.

Le pendule 5 qui est représenté en détail sur la figure 2 est suspendu par deux fins fils métalliques tendus 2a, 2b passant dans des ouvertures îîa et 11b formées dans le pendule (voir figure 2). La figure 3 représente la disposition des fils 2a, 2b montés à leurs extrémités sur la paroi interne du corps 1. The pendulum 5 which is shown in detail in Figure 2 is suspended by two fine stretched metal wires 2a, 2b passing through openings îîa and 11b formed in the pendulum (see Figure 2). FIG. 3 represents the arrangement of the wires 2a, 2b mounted at their ends on the internal wall of the body 1.

La figure 2 représente le pendule 5 qui est formé d'aluminium et qui a une forme générale de disque ayant un diamètre de 22 mm et une masse de 0,5 g. Figure 2 shows the pendulum 5 which is formed of aluminum and which has a general shape of a disc having a diameter of 22 mm and a mass of 0.5 g.

Le pendule a une partie courbe 8 qui constitue une masse de déséquilibre afin que le centre de gravité du pendule soit distant de son axe de suspension s-s, entre les points îîa et îîb de suspension. Le pendule est formé dans un disque métallique à face plane par attaque chimique de région 6 en forme de quadrant, jusqu'à la moitié de l'épaisseur, afin qu'il reste une partie circonférentielle 7 en saillie et des joues radiales 9 et 10 assurant un renforcement mécanique.The pendulum has a curved part 8 which constitutes a mass of imbalance so that the center of gravity of the pendulum is distant from its axis of suspension s-s, between the points îîa and îîb of suspension. The pendulum is formed in a metal disc with flat face by chemical attack of region 6 in the shape of quadrant, up to half the thickness, so that there remains a circumferential part 7 projecting and radial cheeks 9 and 10 providing mechanical reinforcement.

La figure 4 représente une variante de pendule dans laquelle l'espacement nécessaire du centre de gravité et de l'axe de suspension s-s est obtenu par utilisation d'un disque 20 ayant une ouverture allongée 24. FIG. 4 represents a variant of a pendulum in which the necessary spacing of the center of gravity and the axis of suspension s-s is obtained by using a disc 20 having an elongated opening 24.

Le pendule a une partie circonférentielle 21 et des joues radiales 22 en saillie qui ont pratiquement la même configuration que dans le cas du pendule de la figure 3.The pendulum has a circumferential part 21 and projecting radial cheeks 22 which have practically the same configuration as in the case of the pendulum in FIG. 3.

Une étude de la commande proportionnelle analogique donnant un équilibrage électrostatique des forces appliquées au pendule montre que les petits déplacements angulaires du pendule provoquent des déséquilibres excessivement élevés des forces. Le circuit d'asservissement des figures 1 et 9 met en oeuvre un circuit proportionnel à impulsions pour l'application d'une tension pendant une période qui dépend de la force. La période est proportionnele à l'accélération détectée et constitue une mesure de celle-ci. La figure 5 représente la configuration d'un exemple de forme d'onde d'impulsions Comme les flancs montants et retombants d'une impulsion réelle P diffèrent de ceux d'une impulsion idéale V comme représenté sur les figures 5 et 6, un défaut de linéarité existe dans l'équilibrage des forces du pendule.Un défaut supplémentaire de linéarité est dû à l'asymétrie due aux différence entre les distances séparant les électrodes positive et négative 3a, 3b du disque. Le réglage de la position neutre des capteurs réduit au minimum ce dernier défaut de linéarité. Dans le cas d'un courant d'excitation de 20 'LA et d'une capacité des électrodes de 15 pF, le temps de montée t est donné par l'équation

A study of the analog proportional control giving an electrostatic balancing of the forces applied to the pendulum shows that the small angular displacements of the pendulum cause excessively high imbalances of the forces. The servo circuit of Figures 1 and 9 implements a proportional pulse circuit for the application of a voltage for a period which depends on the force. The period is proportional to the detected acceleration and is a measure of it. Figure 5 shows the configuration of an example pulse waveform As the rising and falling edges of a real pulse P differ from those of an ideal pulse V as shown in Figures 5 and 6, a defect linearity exists in the balance of the pendulum forces. An additional defect in linearity is due to the asymmetry due to the difference between the distances separating the positive and negative electrodes 3a, 3b from the disc. Adjusting the neutral position of the sensors minimizes this latter linearity fault. In the case of an excitation current of 20 'LA and an electrode capacity of 15 pF, the rise time t is given by the equation

On suppose que les temps de montée et de descente sont égaux et dans le cas d'une impulsion de 10 sss, la perte résultante de vitesse (par rapport à l'intégrale idéale de l'accélération en fonction du temps) est de 1 % puisque la force est proportionnelle au carré de la tension qui augmente progressivement.Ceci n'est pas une erreur importante pourvu que les niveaux de vibration ne fassent pas d'excursions fréquentes dans les régions supérieures à 10 g, en provoquant des effets de redressement qui se manifestent sous forme d'une polarisation. We assume that the rise and fall times are equal and in the case of a 10 sss pulse, the resulting loss of speed (compared to the ideal integral of acceleration as a function of time) is 1% since the force is proportional to the square of the tension which increases progressively. This is not a significant error provided that the vibration levels do not make frequent excursions in the regions greater than 10 g, causing rectification effects which manifest as a polarization.

La figure 7 représente un circuit de détection de position qui détecte le déplacement angulaire du pendule et a un signal de sortie qui parvient au circuit 12 d'asservissement. Le pendule 5 est mis à la masse par l'intermédiaire des fils 2a, 2b de suspension. Le circuit a des électrodes 30 de garde contre l'excitation et de capteur mises à la masse, un transformateur différentiel 31 fonctionnant à 100 kHz et dont la sortie est reliée aux électrodes 32, 33 qui sont ainsi excitées et qui correspondent aux électrodes 4a, 4b de la figure 1. Deux plaques polarisées de blindage 34, 35 ou électrodes sont placées très près des électrodes 32, 33 respectivement. FIG. 7 represents a position detection circuit which detects the angular displacement of the pendulum and has an output signal which reaches the control circuit 12. The pendulum 5 is grounded through the wires 2a, 2b of suspension. The circuit has electrodes 30 for protection against excitation and for sensor grounded, a differential transformer 31 operating at 100 kHz and the output of which is connected to electrodes 32, 33 which are thus excited and which correspond to electrodes 4a, 4b of FIG. 1. Two polarized shielding plates 34, 35 or electrodes are placed very close to the electrodes 32, 33 respectively.

La figure 8 représente une variante de circuit qui comprend des électrodes 40 mises à la masse et un transformateur de tension en mode commun. FIG. 8 represents an alternative circuit which includes electrodes 40 grounded and a voltage transformer in common mode.

La figure 9 représente une autre variante disposée de manière que des tensions actives soient appliquées à la fois au pendule et à son châssis, ce circuit comprenant un transformateur mis à la masse 50. FIG. 9 represents another variant arranged so that active voltages are applied to both the pendulum and its frame, this circuit comprising a transformer grounded 50.

La figure 10 représente le circuit d'asservissement 12 de la figure 1. Une bobine 60 de capteur de courant de déséquilibre alimente un préamplificateur dont le signal alternatif de sortie a sa phase détectée dans un démodulateur 61. FIG. 10 represents the servo circuit 12 of FIG. 1. A coil 60 of an imbalance current sensor supplies a preamplifier whose alternating output signal has its phase detected in a demodulator 61.

Le signal de sortie du démodulateur parvient à un circuit 64 de commutation commandé par un signal d'horloge, par l'intermédiaire de comparateurs 62 et 63 afin qu'il forme un signal pulsé de sortie destiné aux électrodes 3a, 3b. The output signal of the demodulator reaches a switching circuit 64 controlled by a clock signal, via comparators 62 and 63 so that it forms a pulsed output signal intended for the electrodes 3a, 3b.

La figure 11 représente un autre mode de réalisation de pendule 70 qui est articulé. Le pendule est formé d'une feuille d'alliage d'aluminium qui est attaqué sélectivement chimiquement afin qu'elle possède des nervures 72, 73, 74 et 75 de renforcement, partant d'une nervure centrale 88 placée le long d'un axe P1, P2 d'articulation, et une nervure transversale 76 qui est perpendiculaire à l'axe P1, P2, une nervure externe 71 étant sensiblement parallèle à la nervure centrale 88 mais étant distante de celle-ci. Les nervures 71 à 76 et 88 ont une épaisseur de 0,5 mm et les régions de la feuille qui sont placées entre les nervures ont une épaisseur de 0,12 mm. La figure 12 représente le pendule 70 en coupe, ainsi que l'étendue de la nervure transversale 76 et de la nervure externe 71. Figure 11 shows another embodiment of pendulum 70 which is articulated. The pendulum is formed of a sheet of aluminum alloy which is selectively attacked chemically so that it has ribs 72, 73, 74 and 75 of reinforcement, starting from a central rib 88 placed along an axis P1, P2 of articulation, and a transverse rib 76 which is perpendicular to the axis P1, P2, an external rib 71 being substantially parallel to the central rib 88 but being distant from the latter. The ribs 71 to 76 and 88 have a thickness of 0.5 mm and the regions of the sheet which are placed between the ribs have a thickness of 0.12 mm. FIG. 12 shows the pendulum 70 in section, as well as the extent of the transverse rib 76 and the external rib 71.

Le pendule 70 est monté par des charnières 82, 83 dépassant de plaques fixes de montage 80 et 81. La charnière 82 est représentée en coupe et à plus grande échelle sur la figure 13. Elle comporte une plaque 80 de montage qui a un trou 84 qui loge un boulon de serrage (non représenté) destiné au montage de la plaque 80 sur une plate-forme fixe (non représentée). Le pendule 70 est raccordé à la plaque par un mince élément 86 d'articulation formé de sulfamate de nickel et ayant un film d'or 87 à sa face supérieure. La charnière est formée par réalisation de la plaque 80 en une seule pièce avec le pendule 70 afin que la plaque 80 et la nervure centrale 88 du pendule forment un organe continu d'alliage d'aluminium ayant une épaisseur de 0,5 mm. The pendulum 70 is mounted by hinges 82, 83 projecting from fixed mounting plates 80 and 81. The hinge 82 is shown in section and on a larger scale in FIG. 13. It comprises a mounting plate 80 which has a hole 84 which houses a tightening bolt (not shown) intended for mounting the plate 80 on a fixed platform (not shown). The pendulum 70 is connected to the plate by a thin hinge element 86 formed of nickel sulfamate and having a gold film 87 on its upper face. The hinge is formed by making the plate 80 in one piece with the pendulum 70 so that the plate 80 and the central rib 88 of the pendulum form a continuous member of aluminum alloy having a thickness of 0.5 mm.

La couche 87 d'or est formée à la face inférieure du pendule, dans la région d'articulation comme indiqué sur la figure 13, et la couche de sulfamate de nickel de l'élément 86 d'articulation est formée sur la couche d'or 87. La canal 89 est formé par attaque de l'alliage d'aluminium afin que le pendule 70 reste supporté par l'élément 86 de charnière qui dépasse de la plaque 80 et a une épaisseur de 50 microns. L'articulation ou charnière 83 est formée exactement de la même manière que l'articulation ou charnière 82. La masse du pendule, des articulations et des plaques de montage est de 0,5 g.The layer 87 of gold is formed on the underside of the pendulum, in the articulation region as shown in FIG. 13, and the layer of nickel sulfamate of the articulation element 86 is formed on the layer of or 87. The channel 89 is formed by attacking the aluminum alloy so that the pendulum 70 remains supported by the hinge element 86 which protrudes from the plate 80 and has a thickness of 50 microns. The joint or hinge 83 is formed in exactly the same way as the joint or hinge 82. The mass of the pendulum, the joints and the mounting plates is 0.5 g.

Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technqieu dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. Par exemple, la position du pendule 70 peut être détectée par un dispositif optique. It is understood that the invention has only been described and shown by way of a preferred example and that any technical equivalence can be made in its constituent elements without going beyond its ambit. For example, the position of the pendulum 70 can be detected by an optical device.

La feuille qui constitue la masse pendulaire peut être formée de matière autre qu'un alliage d'aluminium, par exemple de silicium. The sheet which constitutes the pendulum mass can be formed from a material other than an aluminum alloy, for example silicon.

Claims

1. Balanced pendulum accelerometer, characterized in that it comprises a pendulum formed from a thin substantially planar sheet 5 having a pivot axis which intersects the sheet, the center of gravity of the sheet being distant from the pivot axis, and at least two electrostatic balancing electrodes (3a, 3b) of the forces, very close to the surface of the sheet and intended to exert thereon an electrostatic balancing force.

2. Accelerometer according to claim 1, characterized in that the sheet has reinforcing ribs (9) starting from the pivot axis.

3. Accelerometer according to one of claims 1 and 2, characterized in that the sheet has a rib (71) substantially parallel to the pivot axis but distant from it so that it determines a center of gravity offset .

4. Accelerometer according to any one of the preceding claims, characterized in that the sheet (5) forms a disc, and the latter is articulated or suspended around the pivot axis at points which are on the periphery of the disc or its vicinity.

5. Accelerometer according to any one of the preceding claims; characterized in that the sheet is suspended by two metal wires (2a, 2b) fixed to the sides of the sheet and arranged in a plane substantially perpendicular to the plane of the sheet when the latter is in the neutral position.

6. Accelerometer according to any one of the preceding claims, characterized in that the sheet is mounted on two hinges (80, 81) having low rigidity, around the pivot axis.

7. Accelerometer according to claim 6, characterized in that the hinges are formed from nickel sulfamate.

8. Accelerometer according to any one of the preceding claims, characterized in that the electrostatic balancing electrodes (3a, 3b) are excited by a servo circuit (12) having a reaction input linked to a circuit of sheet position measurement.

9. Accelerometer according to claim 8, characterized in that the control circuit (12) provides a pulsed proportional excitation of the electrostatic balancing electrodes (3a, 3b).

10. Accelerometer according to claim 8, characterized in that the circuit for measuring the position of the sheet transmits a signal which varies with the value of the capacity existing between the sheet and a detection plate distant from the sheet.