FR2637984A1 - Accelerometre pendulaire asservi a detection electrostatique - Google Patents

Abstract

L'accéléromètre, destiné à des emplois qui exigent une masse et un volume faibles, comprend un stator destiné à être fixé à l'objet dont l'accélération est à mesurer, définissant une cavité ayant deux électrodes opposées 50, 58 et comprenant également un pendule 11 ayant des faces parallèles électriquement conductrices 22 en regard des électrodes du stator. Le pendule est relié au stator par une charnière 18. Des moyens électromagnétiques permettent d'exercer sur le pendule une force de rappel vers sa position de repos. Les électrodes et les moyens électromagnétiques sont reliés à un circuit de détection et d'asservissement permettant de mesurer le déséquilibre des capacités des deux condensateurs formés chacun par une face de la cavité et la face conductrice en regard du pendule et de faire passer dans les moyens électromagnétiques un courant de rééquilibrage dont la valeur est représentative de l'accélération appliquée suivant l'axe sensible. Les moyens électromagnétiques sont constitués par des enroulements 24 formés par des pistes en spirale déposées sur le pendule 11 et alignées suivant l'axe sensible, coopérant avec des circuits de retour du flux magnétique 42, 52.

Description

Accéléromètre pendulaire asservi à détection électrostatique.

La présente invention concerne les accéléromètres pendulaires dans lesquels un organe sensible, constitué par un pendule, est ré-équilibré, c'est-à-dire ramené à une position de repos prédéterminée, quelle que soit l'accélération appliquée à l'accéléromètre, dans la mesure où elle reste dans une plage dynamique de mesure prédéterminée.

L'invention concerne plus particulièrement les accéléromètres du type comprenant un stator destiné à être fixé à ltobjet dont l'accélération est à mesurer, définissant une cavité ayant deux faces opposées perpendiculaires à un axe sensible de l'accéléromètre et portant deux électrodes et comprenant également un pendule ayant des faces parallèles électriquement conductrices en regard desdites faces opposées du stator, le pendule étant relié au stator par une charnière lui permettant de tourner sous l'action des accélérations parallèles à l'axe sensible, et des moyens électromagnétiques permettant d'exercer sur le pendule une force de rappel vers sa position de repos, les électrodes et les moyens électromagnétiques étant prévus pour être reliés à un circuit de détection et d'asservissement permettant de mesurer le déséquilibre des capacités des deux condensateurs formés chacun par une face de la cavité et la face conductrice en regard du pendule et de faire passer dans les moyens électromagnétiques un courant de ré-équilibrage dont la valeur est représentative de l'accélération appliquée suivant l'axe sensible.

On connait déjà de nombreux accéléromètres du type ci-dessus défini. Ils utilisent en général des moyens électromagnétiques comprenant des aimants et un ou plusieurs enroulements bobinés portés par le stator.

Cette constitution leur donne un volume important et oblige à fabriquer les composants individuellement, ce qui se traduit par un prix de revient élevé.

La présente invention vise à fournir un accéléromètre du type ci-dessus défini, de masse et de volume faibles, réalisable à faible prix, ayant une réponse sensiblement linéaire et une dynamique de mesure importante.

Pour cela, l'invention propose notamment un accéléromètre dans lequel les moyens électromagnétiques sont constitués par des enroulements formés par des pistes en spirale déposés sur le pendule et par deux aimants disposés face à face dans le stator et alignés suivant l'axe sensible, coopérant avec des circuits de retour du flux magnétique pour créer un champ radial dans le champ magnétique des enroulements.

Cette constitution des enroulements permet une fabrication par lots de pendules portant les enroulements, ce qui supprime la nécessité de la fabrication individuelle qu'implique le bobinage.

Dans un mode avantageux de réalisation, le pendule a une structure composite et comporte une lame mince centrale et deux plaquettes rapportées présentant les faces électriquement conductrices et portant les enroulements : gracie à cette disposition, il n'est plus nécessaire d'amincir localement une lame pour constituer des charnières séparant le pendule d'un talon fixe : on donne simplement à la lame centrale une épaisseur correspondant à celle que l'on souhaite pour les charnières. Les plaquettes latérales auront une masse choisie en fonction de la sensibilité recherchée pour le pendule.

On peut ainsi réaliser un pendule ayant une bande passante très large avec une très faible erreur de zéro, linéaire dans un grand domaine de mesure. En choisissant de façon appropriée l'épaisseur des plaquettes, on peut obtenir une bande passante adaptée à chaque application particulière, permettant aussi bien la mesure d'accélérations inférieures à celle de la pesanteur (pour des inclinométres par exemple) que d'accélérations élevées, atteignant et dépassant 100g pour des engins propulsés.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs.

La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels
- la figure 1 est un schéma simplifié montrant la partie mécanique de l'accéléromètre, en section selon un plan passant par l'axe sensible (l'échelle n'étant pas respectée, pour plus de clarté) ,
- la figure 2 est une vue éclatée, en perspective, montrant la constitution du pendule de l'accélé uromètre de la figure 1
- la figure 3, similaire à la figure 2, montre une variante de réalisation
- la figure 4 est un schéma électrique montrant un circuit utilisable dans l'accélérométre.

L'accéléromètre peut etre regardé comme comprenant des parties mécaniques et électromagnétiques, montrées en figure 1 et 2, et un circuit électronique, dont un exemple est montré en figure 4.

Les parties mécaniques et électromagnétiques comprennent un stator 10, constituant un bolier qui contient un pendule il capable d'osciller autour d'un axe 12 (figure 2) perpendiculaire à l'axe sensible de 1 'accéléromètre.

Le pendule 11 comporte, dans le mode de réalisation montré en figures 1 et 2, une lame mince centrale 14 en matériau isolant, dans laquelle est découpée une fenêtre 17 destinée à délimiter des charnières 18 définissant l'axe d'oscillation 12. Sur la lame sont rapportées, généralement par collage (ou par brasage si l'accéléromètre doit résister å des températures élevées) deux plaquettes 16a et 16b. Les deux plaquettes ont la même constitution. Elles comprennent un support 20 en matériau isolant dont les deux faces opposées portent l'une une électrode 22, l'autre un enroulement 24. L'électrode 22 recouvrant la face qui n'est pas appliquée contre la lame 14 est constituée par une couche mince de matériau électriquement conducteur. Elle est reliée, par exemple par un trou métallisé 28, à une piste conductrice 30 déposée sur la lame 14.Cette piste conductrice a pour rôle de relier l'électrode correspondante 22 à une plage de raccordement 34 prévue sur le talon de la lame 14, au delà des charnières 18. Un revêtement isolant mince 32 est placé sur chacune des électrodes 22 pour la séparer du boitiér.

Les enroulements 24 sont constitués par des dépôts de métal bon conducteur. Ces enroulements sont en sens inverse sur les plaquettes 16a et 16b et ils sont mis en série par un trou métallisé 36 reliant les deux faces de la lame 14. Les extrémités libres des spirales sont reliées à des plages de raccordement respectives 38, prévues sur le talon de la lame 14, par des pistes conductrices 40. Il est en général inutile de les recouvrir d'une pellicule isolante étant donné qu'ils sont plaqués contre la lame 14.

Le stator 10 (figure 1) comporte un boîtier, constitué d'un socle 42 et d'un couvercle 44. Le socle 42 peut former à un premier circuit magnétique comprenant également un aimant axial 46 logé dans une cavité du socle. Il porte une plaque mince 48 séparée de l'aimant 46 par un entrefer et revêtue d'une électrode 50 constituant un condensateur avec l'électrode 22 placée en face.

Le stator 10 comporte un second circuit magnétique pratiquement identique au premier, formé par un aimant central 54 et une culasse 52 portant une plaque mince 56 identique à la plaque 48 et revêtue d'une électrode de mesure 58.

Les plaques 48 et 56 sont séparées par une entretoise isolante 60, en matériau amagnétique, qui emprisonne également le talon du pendule 11 et limite le débattement angulaire.

La présence des deux circuits magnétiques disposés face à face donne aux lignes de force du champ l'allure montrée en figure 1 et en particulier leur donne une orientation radiale à travers le champ créé par les enroulements 24.

Les matériaux constitutifs des parties mécaniques et électro-magnétiques sont choisis de façon à éviter les dilatations différentielles : on peut notamment utiliser, comme matériau isolant, une céramique (qui a l'avantage d'être disponible sous une forme très homogène) dont le coefficient de dilatation thermique est d'environ 4 x 10-6/0C. Le matériau constitutif du circuit magnétique est choisi pour conserver une perméabilité élevée pour une induction d'environ 1,2 Tesla. On peut notamment utiliser le matériau dit "Kovar".

Les aimants peuvent être d'un type disponible dans le commerce, métalliques ou en ferrite.

Les enroulements 24 doivent avoir une conductance élevée en dépit de leur faible épaisseur. On est en conséquence généralement amené à les réaliser en cuivre par évaporation sous vide.

On a notamment construit un accéléromètre dans lequel la lame 14, en céramique, a 20 p d'épaisseur.

Chacun des supports 20, également en céramique, porte une électrode 22 constituée par une couche de cuivre de quelques microns d'épaisseur. Les électrodes 50 et 58 revêtant la cavité de dèbattement du pendule sont constituées par des dépôts minces de cuivre sur des plaques minces en céramique, dont l'écartement fixe le débattement angulaire du pendule. Cet écartement est réglé par l'entretoise 60 pour obtenir un débattement angulaire du pendule d'environ 20'.

Dans la variante de réalisation du pendule Il montrée en figure 3, la lame 14 porte directement les électrodes 22 et les enroulements 24, recouverts d'un dépôt isolant 32, par exemple en silice. Cette solution permet de simplifier la fabrication, mais rend l'inertie totalement dépendante de l'épaisseur de la lame 14.

Quel que soit le mode de réalisation adopté, les pendules ou leurs pièces constitutives peuvent être fabriqués par lots. Dans le cas montré en figures 1 et 2 par exemple, la lame 14, les plaquettes 16a et 16b et les entretoises peuvent être constituées dans une même feuille de céramique. Avant découpe de cette dernière, on dépose par évaporation les différentes circuits nécessaires, éventuellement avec des motifs différents selon la taille des lames. Les feuilles peuvent être collées les unes aux autres pour constituer un ensemble rigide. L'ensemble est découpé par ultra-son à l'aide d'une sonotrode ayant le profil de découpe recherché.

Les pièces sont décollées les unes des autres en faisant dissoudre-la colle puis les différentes lames constituant le pendule sont assemblées par collage ou éventuellement par brasage.

L'ensemble constitué par le pendule 11 et l'entretoise 60 est ensuite collé sur le circuit magnétique supérieur. On raccorde les différentes traversées, qu'il n'est pas nécessaire de décrire ici. Le circuit magnétique inférieur est ensuite assemblé par vis sur l'ensemble précédent. Enfin, la carte ou le microcircuit électronique 62 peut être collé sur le circuit magnétique supérieur avant mise en place et scellement du capot 44.

Le circuit électronique peut avoir la constitution montrée en figure 4, où les éléments déjà montrés en figures 1 et 2 sont désignés par le même numéro de référence. Ce circuit comporte un pont de mesure formé des condensateurs 22-58 et 22-50 et de résistances 64 ajustables pour permettre de régler le zéro. Le pont est alimenté par un oscillateur 66 fournissant une tension sinusoldale, à une fréquence généralement comprise entre 20 et 100 kHz, avec une amplitude de 15 V.

La tension sinusoidale prélevée suivant une diagonale du pont est en phase ou en opposition de phase avec la tension d'excitation fournie par l'oscillateur 66. Son amplitude est proportionnelle à l'écart du pendule 11 par rapport à sa position de repos. Cette tension est appliquée à un préamplificateur 68, suivi d'un démodulateur synchrone 70 dont le signal continu de sortie représente la position angulaire du pendule. Ce signal continu est appliqué à un circuit de traitement 72 qui contient
- des filtres destinés à supprimer les fréquences résiduelles du démodulateur 70,
- un intégrateur, destiné à ramener le pendule à la position de repos même en présence d'accélération permanente.

Le courant de sortie du circuit de traitement 72 est appliqué à un amplificateur de puissance 74 qui alimente les enroulements 24 montés en série entre eux et avec une résistance de mesure 76. La tension aux bornes de la résistance, dont la valeur est choisie en fonction du facteur d'échelle recherché, constitue le signal de sortie, représentatif de l'accélération.

Si l'accélérométre est destiné à être utilisé à une température très variable, il est souhaitable de prévoir des moyens de correction en fonction de cette température. En particulier, l'induction des aimants diminue lorsque la température augmente, ce qui se traduit par une modification du facteur d'échelle en fonction de la température. Une solution simple consiste à prévoir une sonde de température 78 (figure 1) placée à proximité des aimants et à munir le circuit de mesure et d'asservissement de moyens de correction, utilisant une table de variation de l'induction en fonction de la température, préalablement mémorisée.

L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes de réalisation et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend à toutes ces variantes dans le cadre des équivalences.

Claims (5)

REVENDICATIONS

1. Accéléromètre comprenant un stator (10) destiné à être fixé à l'objet dont l'accélération est à mesurer, définissant une cavité ayant deux faces opposées perpendiculaires à un axe sensible de l'accéléromètre et portant deux électrodes (50,58) et comprenant également un pendule (11) ayant des faces parallèles électriquement conductrices (22) en regard desdites faces opposées du stator; le pendule étant relié au stator par une charnière (18) lui permettant de tourner sous l'action des accélérations parallèles à l'axe sensible, et des moyens électro-magnétiques permettant d'exercer sur le pendule une force de rappel vers sa position de repos, les électrodes et les moyens électromagnétiques étant prévus pour être reliés à un circuit de détection et d'asservissement permettant de mesurer le déséquilibre des capacités des deux condensateurs formés chacun par une face de la cavité et la face conductrice en regard du pendule et de faire passer dans les moyens électromagnétiques un courant de ré-équilibrage dont la valeur est représentative de l'accélération appliquée suivant l'axe sensible, caractérisé en ce que les moyens électro-magnétiques sont constitués par des enroulements (24) formés par des pistes en spirale déposées sur le pendule (11) et alignées suivant l'axe sensible, coopérant avec des circuits de retour du flux magnétique (42,52) pour créer un champ radial dans le champ magnétique fourni par les enroulements.

2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le pendule (11) a une structure composite et comporte une lame mince centrale (14) et deux plaquettes rapportées (16a,16b) présentant les faces électriquement conductrices (22) et portant les enroulements (24).

3. Accêléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite lame (14) est d'épaisseur constante et en ce que les charnières sont délimitées par une fenêtre (17) ménagée dans le pendule.

4. Pendule selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits enroulements sont reliés par un trou métallisé central ménagé dans le pendule.

5. Accéléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les enroulements sont ménagés sur les faces desdites plaquettes tournées vers la lame (4) tandis que les faces électriquement conductrices sont tournées vers l'extérieur et revêtues d'une couche isolante (32).