FR2976674A1

FR2976674A1 - Dispositif et procede de mesure d'acceleration avec demodulation numerique

Info

Publication number: FR2976674A1
Application number: FR1101825A
Authority: FR
Inventors: Vincent Ragot
Original assignee: Sagem Defense Securite SA
Current assignee: Safran Electronics and Defense SAS
Priority date: 2011-06-15
Filing date: 2011-06-15
Publication date: 2012-12-21
Anticipated expiration: 2031-06-15
Also published as: WO2012171957A1; FR2976674B1; EP2721421A1

Abstract

Dispositif de mesure d'accélération, comportant une masse (m) mobile par rapport à un support et rappelée élastiquement dans une position neutre, des moyens de détection d'une grandeur physique (C1, C2) représentative d'un déplacement (Δx) de la masse, un modulateur (4) pour générer, à partir de la grandeur (C1, C2) et d'un signal de modulation (M(t), un signal (S) analogique représentatif du déplacement (Δx), un convertisseur relié au modulateur et agencé pour convertir le signal modulé analogique en signal modulé numérique et des moyens de démodulation pour créer un signal démodulé numérique (Y) à partir du signal modulé numérique (S) et de caractéristiques du signal de modulation (M(t)), et des moyens de calcul (CAL) d'une valeur ( ) d'accélération (γ) en fonction du signal numérique démodulé (Y).

Description

L'invention concerne le domaine de la mesure de l'accélération. Plus particulièrement, l'invention a pour objet les dispositifs, type accéléromètres, et les procédés de mesure d'accélération. ARRIERE PLAN DE L'INVENTION On connaît des dispositifs de mesure d'accélération, comprenant un support, une masse m mobile par rapport au support et des moyens élastiques s'opposant au déplacement de la masse m par rapport au support. Ces dispositifs comprennent des moyens de détection d'au moins une grandeur physique représentative d'un déplacement de la masse par rapport au support. Les moyens de détection sont associés à des moyens de modulation agencés pour générer, à partir de la valeur détectée de la grandeur physique, au moins un signal analogique modulé à partir duquel l'accélération subie par la masse est déterminée. De tels dispositifs sont par exemple connus du document GB 791827A. Il est également connu, notamment du document US 2010174490AI, des dispositifs de mesure d'accélération ayant une sortie numérique. Dans ces dispositifs, un démodulateur est relié aux moyens de modulation et à un convertisseur analogique numérique de manière à générer un signal numérique démodulé représentatif du déplacement de la masse par rapport au support. L'accélération est alors déterminée par un calcul numérique. De tels dispositifs de mesure d'accélération ont une précision qui peut se révéler insuffisante pour certaines applications.

OBJET DE L'INVENTION Un objet de l'invention est de fournir un dispositif de mesure d'accélération et un procédé de mesure d'accélération permettant une réduction de l'écart entre l'accélération réelle subie par la masse et la valeur d'accélération estimée.

RESUME DE L'INVENTION A cet effet, l'invention concerne un dispositif de mesure d'accélération, comportant une masse mobile par rapport à un support et rappelée élastiquement dans une position neutre, et des moyens de détection d'une grandeur physique représentative d'un déplacement de la masse par rapport au support qui sont associés à un modulateur pour produire, en fonction de la grandeur détectée et d'un signal de modulation, un signal modulé analogique représentatif du déplacement de la masse. Le dispositif comprend un convertisseur analogique numérique relié aux moyens de détection et agencé pour convertir le signal modulé analogique en signal modulé numérique, un démodulateur relié au convertisseur et agencé pour produire un signal numérique démodulé à partir du signal modulé numérique et de caractéristiques du signal de modulation, et des moyens de calcul d'une valeur estimée d'accélération en fonction dudit signal numérique démodulé. Avec l'invention on cherche à produire un signal numérique démodulé qui puisse être utilisé par des moyens numériques de calcul pour calculer une valeur estimée d'accélération subie par la masse. Le fait de réaliser la conversion numérique du signal analogique avant de réaliser l'opération de démodulation permet de réduire le volume d'erreurs contenues dans le signal numérique démodulé. En effet, on a constaté que la démodulation d'un signal analogique, non converti en signal numérique, introduit des erreurs liées aux moyens électroniques analogiques de démodulation. Une erreur type liée à la démodulation analogique est un défaut de symétrie de la démodulation. Typiquement les moyens de démodulation analogique comportent un amplificateur opérationnel introduisant une erreur appelée offset qui est définie par la tension à appliquer sur l'entrée de cet amplificateur opérationnel pour que la tension, en sortie de cet amplificateur opérationnel, soit nulle. Grâce à l'invention, on ne démodule pas directement le signal analogique mais le signal numérique. L'opération de démodulation à partir des données numériques représentatives du signal analogique est réalisée par un calcul numérique maîtrisé de sorte qu'on génère moins d'erreurs lors de la démodulation par calcul numérique qu'on en génère avec un moyen de démodulation analogique. En particulier on ne retrouve pratiquement plus d'erreurs liées à une dissymétrie de démodulation.

L'invention concerne également un procédé de mesure d'une accélération, comportant les étapes de : - détection d'une grandeur physique représentative d'un déplacement de la masse par rapport à un support, la masse étant rappelée élastiquement dans une position neutre ; - génération, à partir de la grandeur physique détectée et d'un signal de modulation, d'au moins un signal analogique modulé ; - conversion du signal analogique modulé en signal numérique modulé ; - génération d'un signal numérique démodulé à partir du signal numérique modulé et de caractéristiques du signal de modulation ; - calcul d'une valeur estimée d'accélération à partir du signal numérique démodulé. Pour des raisons déjà énoncées en référence au dispositif de l'invention, on constate que le procédé de l'invention permet de réduire l'écart entre la valeur estimée d'accélération et l'accélération réellement subie par la masse mobile. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels: 30 - la figure 1 représente schématiquement un dispositif de type accéléromètre conforme à l'invention ; - la figure 2 représente un circuit électronique du dispositif selon l'invention, permettant de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention ; - la figure 3 représente le circuit électronique de la figure 2 selon une variante de réalisation. EXPOSE DETAILLE DE L'INVENTION L'invention concerne un dispositif de mesure d'une accélération subie par une masse sismique m selon un axe d'accélération A-A visible sur la figure 1. Une pièce de masse m est suspendue à un support rigide 1 par l'intermédiaire de moyens élastiques de raideur k connue. Le support 1, qui fait office de boîtier, est en forme de U au milieu duquel est placée la masse sismique m. Les moyens élastiques 2 comprennent une poutre élastique (ou charnière élastique) ayant une extrémité liée à la masse m et une autre extrémité liée à la base du U de manière à être en flexion sous l'effet de la masse m selon un axe perpendiculaire au plan dans lequel s'étend la forme en U et à rappeler la masse m dans une position d'équilibre ou position neutre. Le dispositif comporte des moyens de détection de la distance el séparant un premier côté de la masse d'une première branche la de la forme en U et/ou de la distance e2 séparant un second côté de cette masse d'une seconde branche lb de la forme en U. Les moyens de détection comprennent ici un premier couple d'électrodes 5a, 5b de manière que l'une de ces électrodes soit sur la première face de la masse m et que l'autre de ces électrodes soit sur la première branche la de la forme en U et en vis-à-vis de l'électrode portée par la première face de la masse m. Ces électrodes en vis-à-vis forment un premier condensateur dont la capacité Cl est variable en fonction de la distance el. Les moyens de détection comprennent un deuxième couple d'électrodes 6a, 6b formant un second condensateur dont la capacité C2 est variable en fonction de la distance e2. Ce type d'accéléromètre est connu sous le nom d'accéléromètre pendulaire à mesure électrostatique destiné à mesurer les accélérations linéaires selon un axe sensible. En première approximation la poutre élastique exerce sur la masse sismique m une force de rappel élastique proportionnelle à la raideur k et à la distance séparant le centre d'inertie de la masse sismique m de sa position d'équilibre dite « zéro mécanique ». Ce zéro mécanique est défini comme la position d'équilibre (repérée par rapport au boîtier support 1) obtenue quand l'accélération appliquée à la masse m selon l'axe sensible A-A est nulle. Dans le mode de fonctionnement le plus élémentaire dit « en boucle ouverte », une accélération constante appliquée selon l'axe sensible A-A amène la masse sismique m dans une nouvelle position d'équilibre.

Dans ce mode de fonctionnement, l'accélération es- timée notée r se déduit idéalement de la mesure de x notée (position d'équilibre du centre d'inertie de m) et de la connaissance de k : k =--dz m dz représente la valeur estimée par mesure du dé-placement du centre d'inertie de la masse m selon A-A et est estimé à l'aide des moyens de détection dont les erreurs s'ajoutent à la grandeur à mesurer : dx=dx+ 0z erreur Il en résulte une erreur ÿ d'estimation de l'accélération à mesurer valant : k ÿ=-'ax m Dans le cas d'une détection électrostatique, comme c'est le cas du dispositif présenté à la figure 1, Ax pour-rait être déduit de la mesure d'une seule des capacités C1 ou C2. Chaque électrode 5a, 5b, 6a, 6b possède une surface S en vis-à-vis de l'autre électrode du couple auquel elle appartient. Pour faciliter les calculs on fait l'hypothèse que ces surfaces S sont ici identiques pour le premier condensateur et le second condensateur, mais ces surfaces pourraient aussi différer l'une de l'autre. Dans les calculs ci-après, l'entrefer, c'est-à-dire la distance réelle entre les électrodes d'un couple d'électrodes, est notée e ± Ax : 6 S Co C = E ~o S e-Ax 1_ e Avec: Co = Co e Ax = Co -1 I - e Ax = Co -1 - e C1 JJ C~ ~ Ax=- Co -11-e Ax= - Co -1 -e C2 J ~CZ e+Ax 1+ C2 = Eo Quand Co n'est pas connu avec une précision suffisante, Ax est entaché d'un biais qui se répercute sur l'estimée de l'accélération P. C'est la raison pour la-quelle on estime Ax à l'aide d'un circuit utilisant les deux valeurs mesurées des capacités Cl et C2 au lieu d'une seule. Des exemples de tels circuits sont donnés aux figu- res 2 et 3. Les circuits des figures 2 et 3 sont des exemples de modes de réalisations possibles pour la mise en oeuvre de l'invention. Ces exemples de réalisation permettent 25 d'éviter l'emploi d'un démodulateur analogique qui a pour inconvénient de créer un offset biaisant le signal numérique démodulé Y et par conséquent l'estimée de ox. On retrouve sur le circuit de la figure 2 les condensateurs permettant la détection de deux grandeurs physiques Cl et C2 représentatives d'un déplacement £x de la masse m par rapport au support 1. Les moyens de détection sont associés à des moyens de modulation 4 adaptés pour générer un signal analogique modulé S représentatif d'un déplacement 8x de la masse m par rapport au support 1. Le signal modulé S est modulé en fonction d'un signal de modulation M(t). Ces moyens de modulation 4 comportent des sources de tension continues V et U et des premier et second interrupteurs analogiques Il, I2. Le premier interrupteur Il comporte : - une première borne d'entrée reliée à la première source de tension V ; - une deuxième borne d'entrée reliée à la deuxième source de tension U ; et - une borne de sortie reliée à l'une des électrodes du premier condensateur de capacité Cl. Le deuxième interrupteur I2 comporte : - une première borne d'entrée reliée à la deuxième source de tension U ; - une deuxième borne d'entrée reliée à la première source de tension V ; et - une borne de sortie reliée à l'une des électrodes du second condensateur de capacité Cl. Les interrupteurs Il, I2 adoptent sélectivement une première configuration dans laquelle la première borne d'entrée est reliée à la borne de sortie et une seconde configuration dans laquelle la deuxième borne d'entrée est reliée à la borne de sortie. Les interrupteurs I1, I2 sont reliés à un moyen de commande C comportant une source d'excitation Exc générant un signal de modulation M(t). Ce signal de modulation M(t) prend alternativement des première et seconde valeurs, et ces moyens de commande C sont tels que lorsque le signal M(t) prend sa première valeur, les moyens de commande C commandent le passage des interrupteurs Il, I2 dans leurs premières configurations et lorsque le signal de modulation M(t) prend sa seconde valeur, les moyens de commande C commandent le passage des interrupteurs Il, I2 dans leurs secondes configurations. Le signal de modulation M(t) est préférentiellement un signal périodique ayant une tension en créneau. Les moyens de détection sont reliés à un amplificateur opérationnel ayant une entrée notée « + » dite entrée non-inverseuse et une entrée notée « - » dite inverseuse et une sortie reliée à l'entrée inverseuse -.

L'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel est reliée aux électrodes des premier et second condensateurs qui ne sont pas liées aux interrupteurs Il, I2. Ainsi, chacun des condensateurs possède une électrode liée à une sortie d'un des interrupteurs et une électrode liée à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur opéra- tionnel. La sortie de l'amplificateur opérationnel est aussi reliée à son entrée inverseuse de manière que cette entrée soit soumise au signal de sortie.

Le signal généré en sortie de cet amplificateur opérationnel est un signal S qui est modulé en fonction du signal de modulation M(t) qui commande les interrupteurs. Par ailleurs, comme l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur reçoit un signal fonction des valeurs des capacités Cl et C2 qui dépendent de la position de la masse par rapport au support, on constate que ce signal de sortie modulé de l'amplificateur opérationnel est aussi représentatif d'un déplacement 8x de la masse m par rapport au support 1.

Le circuit électronique de la figure 2 comporte également un démodulateur numérique Dn. Ce démodulateur nu- mérique Dn comporte un convertisseur analogique numérique et des moyens de démodulation numérique, en l'occurrence un organe de calcul numérique OCN programmé pour effectuer une opération de démodulation numérique. Le convertisseur ana- logique numérique CAN comporte une entrée relié à la sortie de l'amplificateur opérationnel pour recevoir le signal analogique modulé S et une sortie reliée à une entrée d'un 10 organe de calcul numérique OCN. On note que le convertisseur analogique numérique CAN est aussi relié à la source d'excitation pour réaliser la conversion en prenant, par exemple, en compte le signal de modulation, toutefois ce lien peut être moins direct. Les moyens de démodulation numérique formés par l'organe de calcul numérique OCN comportent : - une autre entrée qui est reliée à la source d'excitation Exc générant le signal de modulation M(t) ; et - une sortie par laquelle est transmis un signal Y. Ces moyens de démodulation OCN démodulent le signal numérique provenant de la sortie du convertisseur analogique CAN en fonction de caractéristiques du signal de modulation M (t) . Le dispositif de l'invention comporte en outre des moyens de calcul CAL ayant une entrée reliée à la sortie de l'organe de calcul numérique OCN par laquelle transite le signal Y. En fonction dudit signal numérique démodulé Y, ces moyens de calcul CAL génèrent une valeur estimée p re- 30 présentative de l'accélération Y subie par la masse m. Les tensions U et V sont des tensions continues di- tes de référence. Les interrupteurs sont câblés de manière que lorsque l'un des condensateurs a une électrode reliée à un interrupteur et soumise à la tension U, alors 15 20 25 l'électrode de l'autre condensateur qui est reliée à l'autre interrupteur est forcément soumise à la tension V. Quand les interrupteurs sont dans leurs premières configurations visibles aux figures 2 et 3, le signal S en 5 sortie de l'amplificateur est : V U

+ C2 s_ 1 1 C2 CI Lorsque les interrupteurs sont dans leurs secondes configurations, le signal S en sortie de l'amplificateur est : 10 s= 1 1 C2 CI Ce signal analogique S est converti en signal numérique par le convertisseur CAN et les moyens de démodulation du démodulateur numérique Dn (c'est-à-dire l'organe de calcul numérique OCN) effectuent une démodulation. Cette 15 démodulation consiste à faire la différence entre différentes valeurs successives du signal S prises dans le temps en prenant en compte des caractéristiques du signal de modulation M(t) comme les intervalles de temps pour lesquels le signal M(t) prend sa première valeur et les intervalles de 20 temps où ce signal M(t) prend sa seconde valeur. On note que le signal de modulation M(t) est un signal périodique ayant une fréquence fixe propre et les moyens de démodulation OCN démodulent le signal modulé converti en numérique en fonction de ladite fréquence fixe 25 propre du signal de modulation M(t). En pratique, et contrairement à un démodulateur analogique, le fonctionnement de ces moyens de démodulation OCN par calcul numérique occasionne un défaut de symétrie (noté S) et un défaut d'offset(vos)nuls. U V +-C2 CI Le signal numérique démodulé Y en sortie de l'organe de calcul numérique OCN est donc : Comme S = 0 et vos =0, le biais est nul et : La présente invention limite les erreurs en substi- tuant au démodulateur analogique un démodulateur numérique. Par ailleurs, la parfaite symétrie du démodulateur numérique Dn due à l'organe de calcul numérique OCN auto- 10 rise l'emploi d'une tension de référence U et d'une tension de référence V qui sont dissymétriques et permet également de rejeter l'offset de la partie analogique ramené à l'entrée du convertisseur analogique numérique CAN. A partir de ce signal numérique démodulé Y, les 15 moyens de calcul numérique CAL, calculent la valeur estimée AX du déplacement Ax de la masse m. Connaissant cette valeur AX le calculateur CAL calcule l'accélération estimée avec la formule P = k - A/m . Un mode alternatif du circuit électronique de la 20 figure 2 est présenté à la figure 3. Ce circuit est identique à celui de la figure 2 mais comporte en plus une fonction de calcul f permettant de générer un signal de démodulation M'' (t) en fonction du signal de modulation M(t). La fonction de calcul peut se résumer à l'extraction 25 d'une seule des harmoniques constituant le signal M(t) de sorte à rendre le dispositif moins sensible aux limitations de bande passante et aux erreurs de linéarité de l'électronique. On note que ce dernier circuit de la figure V U U V +- -+ Y=(1+ 8). 12 Î' -(1-8)- Î2 Î' +vos= + + C2 C1 C2 C, V U U V

C2 C' C2 C' + 8 1 1 1 1 C2 C, C2 C, (V U U V` - + - _+_ C2 C, + C2 C, 1 1 1 1 - +- -+ \C2 Cl C2 C' + vos ( =(U-V). -+8.U+V+ vos e U-V U-V Biais / Gain Y=(U-V) Gain5 3 permet une estimation de Ax améliorée par rapport au circuit de la figure 2. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits précédemment et couvre toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier le dispositif de mesure d'accélération de l'invention peut être utilisé en boucle fermée, dans ce cas Ax est asservi à zéro en appliquant à la masse sismique m une force dite de contre réaction qui s'oppose exactement à la force d'inertie m.y. Divisée par la masse sismique, cette force constitue l'estimée de l'accélération. Les moyens de détection peuvent être de type électromagnétique.

Claims

REVENDICATIONS1. Dispositif de mesure d'accélération, comportant une masse (m) mobile par rapport à un support (1) et rappelée élastiquement dans une position neutre, et des moyens de détection d'une grandeur physique (Cl, C2) représentative d'un déplacement (Lx) de la masse (m) par rapport au support (1) qui sont associés à un modulateur pour produire, en fonction de la grandeur détectée et d'un signal de modulation, un signal modulé analogique représentatif du déplacement de la masse, caractérisé en ce que le dispositif comprend un convertisseur analogique numérique relié aux moyens de détection et agencé pour convertir le signal modulé analogique en signal modulé numérique, un démodulateur relié au convertisseur et agencé pour produire un signal numérique démodulé (Y) à partir du signal modulé numérique (S) et de caractéristiques du signal de modulation (M(t)), et des moyens de calcul (CAL) d'une valeur estimée d'accélération (r) en fonction dudit signal numérique démodulé (Y).
2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le démodulateur est agencé pour tenir compte d'une erreur présente dans le signal modulé numérique (S).
3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le signal de modulation est un signal périodique ayant une fréquence fixe propre et les moyens de démodulation démodulent le signal modulé converti en numérique en fonction de ladite fréquence fixe propre du signal de modulation.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel les moyens de calcul de la valeur estimée d'accélération (r) sont agencés pour : - estimer une valeur (Ais() représentative du déplacement (Lx) de la masse (m) par rapport au support (1)en fonction du signal démodulé numérique (Y) ; et - calculer la valeur estimée d'accélération (p) en fonction de la valeur estimée (oz) représentative du déplacement (Lxx) de la masse (m) et d'une raideur (k) de moyens de rappel élastique de la masse (m) en position neutre.
5. Procédé de mesure d'une accélération, comportant les étapes de : - détection d'une grandeur physique (Cl, C2) représentative d'un déplacement (Ox) de la masse (m) par rapport à un support (1), la masse (m) étant rappelée élastiquement dans une position neutre ; - génération, à partir de la grandeur physique détectée (Cl, C2) et d'un signal de modulation (M (t)) , d'au moins un signal analogique modulé (S) ; - conversion du signal analogique modulé en signal numérique modulé ; - génération d'un signal numérique démodulé (Y) à partir du signal numérique modulé (S) et de caractéristiques du signal de modulation (M(t)) ; - calcul d'une valeur estimée d'accélération (r) à partir du signal numérique démodulé (Y).
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel la génération du signal numérique démodulé (Y) limite l'effet des erreurs présentes dans le signal modulé numérique (S) du fait de la conversion en numérique du signal analogique modulé (S).