FR3048085B1 - Un accelerometre de levitation magnetique a haute precision - Google Patents
Un accelerometre de levitation magnetique a haute precision Download PDFInfo
- Publication number
- FR3048085B1 FR3048085B1 FR1751323A FR1751323A FR3048085B1 FR 3048085 B1 FR3048085 B1 FR 3048085B1 FR 1751323 A FR1751323 A FR 1751323A FR 1751323 A FR1751323 A FR 1751323A FR 3048085 B1 FR3048085 B1 FR 3048085B1
- Authority
- FR
- France
- Prior art keywords
- body serving
- magnetic body
- magnetic
- mass
- test mass
- Prior art date
- Legal status (The legal status 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 status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000005339 levitation Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 148
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims abstract description 67
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 49
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 38
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 35
- 238000013519 translation Methods 0.000 claims description 18
- 239000000696 magnetic material Substances 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 12
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims description 9
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims description 6
- 101100001678 Emericella variicolor andM gene Proteins 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000004590 computer program Methods 0.000 claims description 3
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 3
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 6
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 4
- 239000003550 marker Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 230000036982 action potential Effects 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
- 239000011800 void material Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/13—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position
- G01P15/132—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by measuring the force required to restore a proofmass subjected to inertial forces to a null position with electromagnetic counterbalancing means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
- B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
- B64G1/00—Cosmonautic vehicles
- B64G1/22—Parts of, or equipment specially adapted for fitting in or to, cosmonautic vehicles
- B64G1/24—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control
- B64G1/36—Guiding or controlling apparatus, e.g. for attitude control using sensors, e.g. sun-sensors, horizon sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
- G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
- G01P15/093—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by photoelectric pick-up
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
- G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
- G01P15/18—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration in two or more dimensions
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
- Geophysics And Detection Of Objects (AREA)
Abstract
La présente invention concerne un accéléromètre de lévitation magnétique à haute précision destiné à mesurer l'accélération linéaire de l'appareil volant, comportant un système de chambre à vide de blindage magnétique, un système de détection de déplacement par interférences lumineuses, un système de commande magnétique et un petit corps magnétique servant comme une masse d'épreuve. Avec la mise en œuvre la technique de détection par interférences lumineuse, l'accéléromètre mesure précisément la position et l'attitude du petit corps magnétique en temps réel, et la technologie à lévitation magnétique est appliquée pour remettre précisément le petit corps magnétique dans sa position et son attitude, de sorte que le petit corps servant comme une masse d'épreuve soit toujours dans le centre de la chambre du système de commande.
Description
ACCELEROMETRE A LEVITATION MAGNETIQUE A HAUTE PRECISION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne le domaine des appareils de mesure d'accélération, plus particulièrement, d’un accéléromètre à haute précision à lévitation magnétique.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE
Des accéléromètres sont utilisés comme les instruments de mesure d’accélération linéaire à bord de satellites, où la précision des ces instruments est la clé pour améliorer la précision de mesure lorsque des satellites de mesure gravimétrique sont utilisées pour mesurer le champ global gravitationnel, ce qui permet d’augmenter la précision de mesure du champ gravitationnel global et d’établir un critère altitudinal. Des accéléromètres à haute précision servent également à améliorer le modèle d'ambiance spatial, permettant d’augmenter la précision de mesure et celle de prévision des orbites des satellites. Pour des satellites à orbite de haute altitude, le calcul et le maintien d’orbite peuvent être effectués par la mesure de la pression solaire. Ces accéléromètres peuvent servir aussi à surveiller l’environnement micro-gravitationnel des appareils spatiaux pour les essais qui se passent dedans. Plusieurs accéléromètres à haute précision peuvent constituer un gradiomètre de la gravité.
Selon les mouvements de la masse d’épreuve, des accéléromètres sont classifiés en accéléromètres linéaires ou pendulaires. Selon la méthode de détection pour laquelle si l’entrée est asservie de la sortie, il y a des accéléromètres en boucle ouverte et d'autres en boucle fermée. Les accéléromètres de lévitation électrostatique couramment utilisés sont restreins par les procédés d’usinage au niveau de l’orthogonalité des électrodes et de la symétrie des panneaux électriques, de plus, l’impact du bruit de circuits, du bruit dû aux forces parasites, et du bruit ambiant est important.
EXPOSÉ DE L’INVENTION
La présente invention vise à contourner des restrictions des procédés d'usinage de haute précision, en proposant un accéléromètre de lévitation magnétique qui assure une meilleure précision de mesure.
Pour cela, la présente invention propose la solution suivante.
Un accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique, comprenant : un système de blindage magnétique de chambre à vide, un système de détection de déplacement par interférence lumineuse, un système de commande de lévitation magnétique et un petit corps magnétique servant de masse d’épreuve. Le système de blindage magnétique de chambre à vide comprend une chambre externe de blindage magnétique et une chambre interne du système, ladite chambre interne du système se trouvant à l’intérieure de ladite chambre externe de blindage magnétique, ladite chambre interne du système étant sous vide, ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve étant à l’intérieur de ladite chambre interne du système. Ledit système de détection de déplacement par interférence lumineuse, qui se trouve au dessus de ladite chambre interne du système, envoie des signaux lumineux vers ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et reçoit des signaux lumineux réfléchis par ce dernier afin d’obtenir la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en temps réel. Ledit système de commande de lévitation magnétique se situant aussi au dessus de ladite chambre interne du système, commande en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui coïncide avec le centre de masse de l’appareil volant.
Avec la mise en œuvre de la solution proposée, avantageusement, l’accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention présente les qualités des accéléromètres à haute précision de lévitation électrostatique et évite des difficultés de fabrication des structures sensibles en termes d’usinage. Le système de blindage magnétique de chambre à vide est simple à réaliser. La position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve peuvent être précisément mesurées avec le système de détection de déplacement par interférence lumineuse, en évitant des effets dus aux parcours des rayons lumineux. Il peut aussi être précisément commandé avec le système de commande de lévitation magnétique. De plus, l'accélération de l'appareil volant est proportionnelle au courant de la bobine de commande de position, cela permettant de mesurer l'accélération avec haute précision.
Pour son objectif, la présente invention propose une autre solution qui est la suivante.
Un accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique, comprenant : un système de blindage magnétique de chambre à vide, un système de détection de déplacement par moyens magnétiques, un système de commande de lévitation magnétique et un petit corps magnétique servant de masse d’épreuve. Le système de blindage magnétique de chambre à vide comprend une chambre externe de blindage magnétique et une chambre interne du système, ladite chambre interne du système se trouvant à l’intérieur de ladite chambre externe de blindage magnétique, ladite chambre interne du système étant à vide, ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve étant à l’intérieur de ladite chambre interne du système. Ledit système de détection de déplacement par moyens magnétiques comporte une pluralité de capteurs magnétiques à haute précision qui se trouvent dans les endroits différents de ladite chambre interne du système. La position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve sont obtenues en temps réel avec la mesure de champs magnétique dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par ces capteurs magnétiques. Ledit système de commande de lévitation magnétique comporte une pluralité de bobines de commande de position se situant symétriquement sur la paroi gauche et la paroi droite de ladite chambre interne du système, et une pluralité de bobines de commande d’attitude se situant symétriquement sur les parois supérieure, inférieure, avant et arrière de ladite chambre interne du système. Avec les bobines de commande de position et les bobines de commande d’attitude, ledit système de commande de lévitation magnétique reçoit des réactions dudit système de détection de déplacement par moyens magnétiques, et commande en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui coïncide avec le centre de masse de l’appareil volant.
Avec la mise en œuvre de cette solution proposée, avantageusement, l’accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention présente les qualités des accéléromètres à haute précision de lévitation électrostatique et évite des difficultés de fabrication des structures sensibles en termes d’usinage. Le système de blindage magnétique de chambre à vide est simple à réaliser. La position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve peuvent être précisément mesurées avec les capteurs magnétiques à haute précision. Ledit système de commande de lévitation magnétique peut commander précisément ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, réalisant des mesures d'accélération avec haute précision.
Dans le cas de l'accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique:
Avantageusement le système de détection de déplacement par interférence lumineuse comporte une pluralité de paires de sondes de l’interféromètre dont chaque paire est reliée avec un dispositif optique de détection de déplacement par interférence lumineuse par une fibre optique, l’interféromètre étant de type Michelson ou de type Fabry-Perot ; lesdits sondes de l’interféromètre se trouvant dans les différents endroits de ladite chambre interne du système ; par chaque paire de sondes, une source lumineuse envoie des signaux lumineux vers ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et reçoit des signaux lumineux réfléchis par ce dernier, des signaux lumineux transportant des informations de la position et de l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve étant transmis au dispositif optique de détection de déplacement qui traite les signaux lumineux, par le principe d’interférences lumineuses, pour transformer le déplacement et l’angle de déflexion dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en changements lumineux identifiables, et pour lequel avec les mesures par chaque paire de sondes, le déplacement du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport au centre de la chambre interne du système et ses angles de rotation par rapport aux deux axes perpendiculaires au moment magnétique sont calculés, par principe de l’addition vectorielle, et puis envoyés en réaction au système de commande de lévitation magnétique afin de commander en temps réel la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve.
Selon un mode de réalisation particulier l’interféromètre comporte 5 paires de sondes dont 3 paires sont sur l’axe X de la chambre interne du système, plus précisément sur ses parois gauche et droite ; une paire est sur l’axe Y de la chambre interne au système, plus précisément au centre de ses parois supérieure et inférieure, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe Y du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve; et une paire est sur l’axe Z de la chambre interne au système, plus précisément au centre de ses parois avant et arrière, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axeZ du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve ; parmi celles sur l’axe X de la chambre interne au système, une paire de la paroi droite étant sur l’axe Y et symétrique par rapport au centre de la paroi droite, pour mesurer la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport à l’axe Z ; une paire de la paroi droite étant sur l’axe Z et symétrique par rapport au centre de la paroi droite, pour mesurer la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport à l’axe Y ; et une paire étant au centre des parois gauche et droite, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe X du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve.
Ledit système de commande de lévitation magnétique comporte avantageusement une pluralité de bobines de commande de position se situant symétriquement sur la paroi gauche et la paroi droite de ladite chambre interne du système, et une pluralité de bobines de commande d’attitude se situant symétriquement sur les parois supérieure, inférieure, avant et arrière de ladite chambre interne du système, avec les bobines de commande de position et les bobines de commande d’attitude, ledit système de commande de lévitation magnétique reçoit des réactions dudit système de détection de déplacement par moyens magnétiques, et commande en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui se coïncide avec le barycentre de l’appareil volant.
Préférablement sur les deux parois gauche de droite de la chambre interne du système, 4 paires de bobines de commande de position sont symétriques par rapport à l’axe X et sont alimentées avec des courants de différents sens et de différentes valeurs, de sorte que le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit maintenu à celui de la chambre interne du système.
Avantageusement une paire de bobines de commande d’attitude sont prévues aux centres de parois supérieure et inférieure sur l’axe Y, et une paire de bobines de commande d’attitude sont prévues aux centres de parois avant et arrière sur l’axe Z, la taille des bobines de commande d’attitude étant beaucoup plus grande que celle du corps magnétique servant de masse d’épreuve pour réaliser une commande précise de ce dernier, de sorte que le moment magnétique équivalent du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit au sens de l’axe X. Selon un mode de réalisation particulier, lorsque le déplacement par translation et la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est commandée, la force électromagnétique par des bobines de commande de position contrebalançant l’accélération de l’appareil volant causée par des forces non-conservatrices, en sorte de maintenir le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et celui de l’appareil volant en coïncidence, la relation entre le vecteur de la force électromagnétique F et celui de l’accélération a étant F = ma, où m est la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, la force électromagnétique étant proportionnelle au champ magnétique généré par des bobines de commande de position qui est proportionnel au courant alimenté, la mesure de l’accélération de l’appareil volant étant alors être effectuée par les courants alimentant les bobines de commande de position.
Avantageusement ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est de forme cylindrique.
Selon un mode de réalisation particulier ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est en matériau magnétique permanent, ou ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve a un noyau en matériau magnétique permanent et ce noyau est enveloppé par matériaux non-magnétiques.
Dans le cas de l'accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique, lorsque le déplacement par translation et la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve sont commandés, la force électromagnétique des bobines de commande de position contrebalance l’accélération de l’appareil volant causée par des forces non-conservatrices, maintenant le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et celui de l’appareil volant en coïncidence, la relation entre le vecteur de la force électromagnétique F et celui de l’accélération a étant F = ma, où m est la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, la force électromagnétique étant proportionnelle au champ magnétique généré par des bobines de commande de position qui est proportionnel au courant alimenté, la mesure de l’accélération de l’appareil volant étant ainsi effectuée par les courants alimentant les bobines de commande de position.
Avantageusement le champ magnétique mesuré par un capteur magnétique dépend de la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et pour lequel la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve à tout moment sont obtenues par le calcul suivant à l’aide d’un programme d’ordinateur selon la formule de résolution du champ magnétique au point de détection, Βχ _χθ^2 _ ~ y°)2 ~ O -zo)2)sin«cos/? + 3(x -x0)(y- y0) sin a sin β + 3 (x — χθ) (z — ζθ) cos a]
By -(x-x0)2 -(z-z0)2)sinasin/? + 3(x-x0)(y- y0) sincr cos/? + 3 (y - y0)(z - ζθ) cos a] 5Z = [(2(z - ZO)2 - (x - x0)2 - (y - y0)2) cos a + 3(x - x0)(z - z0) sin a cos β + 3(y — y0)(z — ζθ) sin a sin/?] où r = - x0)2 + (y - y0)2 + (z - ζθ)2 pour laquelle les inductions magnétiques des n points de détection étant connues, un système d’équations avec 3n d’équations non-linéaires pour lequel il existe six inconnus : χ0,γ0,ζ0,α,β etM; quand n >2, est résolu avec une méthode non-linéaire.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit système de commande de lévitation magnétique comporte 4 paires de bobines de commande de position et 2 paires de bobines de commande d’attitude, les bobines de commande de position étant alimentées avec des courants de différents sens et de différentes valeurs, de sorte que le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit maintenu à celui de la chambre interne du système, et les bobines de commande d’attitude étant utilisés pour commander l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, de sorte que le moment magnétique équivalent de ce dernier soit au sens de l’axe x.
Selon un mode de réalisation particulier pour lequel ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est ellipsoïde rotatif, ou de forme ronde, ou cylindrique.
Avantageusement ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est en matériau magnétique permanent, ou ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve a un noyau en matériau magnétique permanent et ce noyau est enveloppé par matériaux non-magnétiques.
PRÉSENTATION DES FIGURES
Afin d'illustrer plus clairement les modes de réalisation et l'art antérieur de la présente invention, les figures nécessaires pour la description de modes de réalisation sont données à titre d’exemple, et il est évident que des autres figures peuvent être dérivées à partir de ces figures fournies pour un homme du métier, sans une étape inventive. Parmi ces figures, - la figure 1 est la structure schématique du premier mode de réalisation d’un accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention ; - la figure 2 est le schéma théorique de la détection un déplacement par interférence optique ; - la figure 3 illustre schématiquement la mesure de l’angle de déflexion d’un petit corps magnétique servant comme une masse d’épreuve ; - la figure 4 illustre la structure schématique d’un système de contrôle à lévitation d’un petit corps magnétique servant comme une masse d’épreuve ; - les figures 5-7 sont les analyses schématiques des forces subies d’un dipôle magnétique dans un champ magnétique ; - la figure 8 illustre schématiquement un couple appliqué à un petit corps magnétique servant comme une masse d’épreuve par une première bobine de contrôle d'attitude ; - la figure 9 illustre schématiquement un couple appliqué à un petit corps magnétique servant comme une masse d’épreuve par une deuxième bobine de contrôle d'attitude ; - la figure 10 est la structure schématique du deuxième mode de réalisation d’un accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention ; - la figure 11 illustre théoriquement la théorie essentielle de la technologie de la détection d’un déplacement dans un champ magnétique.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION
Avec les dessins annexés, la présente invention sera décrite de manière encore plus claire et plus complète. Il est clair que les modes de réalisation décrits sont simplement une partie des modes de réalisation de la présente invention. Sur la base de ceux-ci, tous les autres modes de réalisation qu’un homme du métier peut réaliser sans d’activité inventive tombe bien entendu dans le cadre de la présente invention.
Afin de mieux rendre apparents les objectifs, caractéristiques et avantages de la présente invention, elle sera décrite encore plus en détail avec les dessins annexés et les modes de réalisation décrits ci-après.
Comme le montre la figure 1, l’accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention comprend : un système de blindage magnétique de chambre à vide, un système de détection de déplacement par interférence lumineuse, un système de commande de lévitation magnétique et une petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve. Le système de blindage magnétique de chambre à vide comporte une chambre externe de blindage magnétique et une chambre interne au système, ladite chambre interne au système se trouvant à l’intérieure de ladite chambre externe de blindage magnétique, ladite chambre interne au système étant à vide, ledit petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve étant à l’intérieure de ladite chambre interne au système. Sur la figure 1, la chambre interne au système est dimensionnée comme 10cm X 10cm X 10cm, avec un taux de vide à 10’5 Pa et une stabilité de température inférieure à 10"2K/Hz1/2. Ledit petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve est en matériau magnétique permanent et de forme cylindrique, avec un moment magnétique M = 6.25 X 10’2 Airr et une masse de 1g. Afin de réduire les perturbations extérieures sur les mesures d’accélération du petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve, ce dernier est enveloppé par matériaux non-magnétiques, augmentant sa masse à 0,1 Kg.
Le système de détection de déplacement par interférence lumineuse, qui se trouve au dessus de ladite chambre interne au système, envoie des signaux lumineux vers le petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve et reçoit des signaux lumineux réfléchis par ce dernier afin d’obtenir la position et l’attitude dudit petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve en temps réel. Ledit système de commande de lévitation magnétique se situant aussi au dessus de ladite chambre interne au système, commande en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne au système qui coïncide avec le centre de masse de l’appareil volant.
Comme le montre la figure 2, le système de détection de déplacement par interférence lumineuse comporte une pluralité de paires de sondes de l’interféromètre. Chaque paire de sondes 31 est reliée avec un dispositif optique 33 de détection de déplacement par interférence lumineuse par une fibre optique 32. Les sondes 31 de l’interféromètre se trouvent dans les différents endroits de ladite chambre interne au système.
Par chaque paire de sondes 31, une source lumineuse envoie des signaux lumineux vers ledit petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve et reçoit des signaux lumineux réfléchis par ce dernier. Des signaux lumineux transportent des informations de la position et de l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et sont transmis au dispositif optique 33 de détection de déplacement qui traitent les signaux lumineux, par le principe d’interférences lumineuses, pour transformer le déplacement et l’angle de déflexion dudit petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve en signaux lumineux identifiables. Avec les mesures par chaque paire de sondes 31, le déplacement du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport au centre de la chambre interne au système et ses angles de rotation par rapport aux deux axes perpendiculaires au moment magnétique sont calculés, par le principe de l’addition vectorielle, puis envoyés en réaction au système de commande de lévitation magnétique afin de commander en temps réel la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve.
Il est prévu que l’interféromètre comporte 5 paires de sondes. Parmi ces dernières, 3 paires sont sur l’axe X de la chambre interne au système, plus précisément sur ses parois gauche et droite ; une paire est sur l’axe Y de la chambre interne au système, plus précisément au centre de ses parois supérieure et inférieure, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe Y du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve; et une paire est sur l’axe Z de la chambre interne au système, plus précisément au centre de ses parois avant et arrière, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe Z du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve. Parmi celles sur l’axe X de la chambre interne au système, les sondes d'une paire de la paroi droite sont sur l’axe Y et symétriques par rapport au centre de la paroi droite, pour mesurer la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport à l’axe Z ; les sondes d'une paire de la paroi droite sont sur l’axe Z et symétriques par rapport au centre de la paroi droite, pour mesurer la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport à l’axe Y ; et les sondes d'une paire sont aux centres des parois gauche et droite, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe X du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve.
Une première méthode de détection de déplacement par interférence lumineuse est celle qui suit.
Prenons un interféromètre de type Michelson à bras égaux comme exemple, et analysons la mesure de déplacement du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve. (1) La mesure du déplacement par translation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve Étant donné que le petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve est de forme cylindrique, de hauteur h et de rayon r et que l’origine du système de repère est le centre de la chambre interne au système. Comme la montre la figure 2, à l’état initial, le petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve se situe au centre de la chambre interne au système et son axe de cylindre coïncide avec l’axe X du système de repère, une paire de sondes 31_1 et 31_1 ’ se trouvant sur les centres des parois de la chambre dans le sens de l’axe X. Cette paire de sondes émettent des signaux lumineux qui arrivent au petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve sur deux points (h/2, 0, 0) et (-h/2, 0, 0) comme points de détection. Le déphase des signaux lumineux émis par cette paire de sondes et puis réfléchis par le petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve est zéro, la sortie du système de détection de déplacement par interférence lumineuse étant un signal continu constant. Lorsque le petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve se déplace avec une translation de ΔΧ vers le sens positif de l’axe X, pour les bras de l’interféromètre qui relie cette paire de sondes, la marche de rayon lumineux au sens négatif augmente de 2ΔΧ et celle au sens positif diminue de 2ΔΧ, la variation cumulée de ces deux signaux lumineux donc étant :
(1) alors, le déphasage correspondant est :
(2) Où λ est le longueur d’onde émis la source laser. Le déphasage ΔΦ! peut être envoyé au circuit 34 de démodulation numérique de la phase par l’interféromètre 33 de type Michelson à bras égaux. Le déplacement par translation en suivant l’axe X du petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve est ainsi obtenu :
(3)
De même, deux paires de sondes respectivement pour les axes Y et Z permettent de détecter les déplacements par translation en suivant ces deux axes. (2) La mesure du l’angle de déflexion du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve Étant donné que le petit corps magnétique servant de masse d’épreuve tourne suivant l’axe Z, et que l’angle de déflexion est Θ, on a
(4)
où e est la distance verticale entre les deux sondes 31_2 et 31_2’, e étant une constante. ΔΖ est la longueur de la projection sur l’axe X de la ligne qui relie les points de détection sur le petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, et ces points de détection sont formés avec les signaux lumineux émis par cette paire de sondes. La variation de la marche de rayons lumineux reçus par les deux sondes 31 _2 et 31 _2’ est alors 2ΔΖ, avec une variation de déphasage : (5) et (6)
On a ensuite l’angle de déflexion autour de l’axe Z du petit corps magnétique servant de masse :
(7)
De même, l’angle de déflexion autour de l’axe Y du petit corps magnétique servant de masse d'épreuve peut être obtenu avec une paire de sondes qui se situent au niveau de la paroi supérieure de la chambre interne au système et sont orthogonales avec les sondes 31 _2 et 31 _2’.
En outre, lorsque le petit corps magnétique servant de masse tourne suivant un axe, les sondes 31_1 et 31_1 ’ augmentent ou réduisent d’une même marche de rayon lumineux, c.-à-d., le déphasage des signaux reçus est zéro. La rotation du petit corps magnétique servant de masse d'épreuve n’a donc pas de conséquence sur la mesure de son déplacement par translation.
La précision théorique de la mesure par l’interférence lumineuse générale est à l’ordre de nanomètre, par contre, l’introduction d’un interféromètre de type Michelson à
bras égaux et la méthode de détection avec la différence entre deux bras permettent d’une augmentation de 4 fois de la précision de mesure et d’avoir éventuellement une précision inférieure au nanomètre. La précision de mesure de détection de rotation du petit corps magnétique servant de masse d'épreuve est inférieure à 0,002 degré par seconde.
Une deuxième méthode de détection de déplacement par interférence lumineuse est celle qui suit.
La mesure du déplacement du petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve peut également être réalisée avec un dispositif de détection du type d’interféromètre de Fabry-Perot (F-P). Comme la montre la figure 2, lorsque le petit corps magnétique b servant de masse d’épreuve se déplace avec une translation de ΔΧ vers le sens positif de l’axe X, la variation de la longueur de l’onde détectée par les sondes 31_1 et 31_1 ’ reliant dispositif de détection du type F-P est :
(8) Où Λθ est la longueur de l’onde centrale du spectre d’interférence, l est la longueur de la chambre de l’interféromètre de F-P, ng est l’indice de réfraction de l’indice, et la variation mesurée de l comprend le déplacement par translation Δλ de la masse d’épreuve. Avec le dispositif 34 de démodulation du déplacement qui compense des erreurs dues à l’environnement, une précision de mesure à l’ordre du pm est obtenue. Cette méthode permet d’éviter les effets de la variation de l’intensité lumineuse sur la mesure et d’avoir un système de mesure qui est plus invulnérable au brouillage. De plus, selon une relation biunivoque entre la longueur de la chambre de l’interféromètre F-P et les distances entre des crêtes du spectre d’interféromètre, la mesure du
déplacement est une mesure absolue. De même, De même, deux paires de sondes respectivement pour les axes Y et Z permettent de détecter les déplacements par translation en suivant ces deux axes.
Pour la mesure du l’angle de déflexion du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, ΔΖ de la formule (4) est le déplacement mesuré par les sondes 31 _2 et 31 _2’ reliant dispositif 33 de détection du type F-P. On a alors l’angle de déflexion du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve tourne suivant l’axe Z,
(9)
De même, l’angle de déflexion autour de l’axe Y du petit corps magnétique servant de masse peut être obtenu avec une paire de sondes qui se situent au niveau de la paroi supérieure de la chambre interne au système et sont orthogonales avec les sondes 31_2 et 31_2’. La précision de mesure de détection de rotation du petit corps magnétique servant de masse est inférieure à 0,002 degré par seconde, avec la technologie de l’interférence F-P.
Comme le montre la figure 4, le système de commande de lévitation magnétique comprend 4 paires de bobines de commande de position et 2 paires de bobines de commande d’attitude. Sur les deux parois gauche de droite de la chambre interne du système, 4 paires de bobines de commande de position sont symétriques par rapport à l’axe X. Ces bobines de commande de position sont alimentées avec des courants de différents sens et de différentes valeurs, de sorte que le centre de masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit maintenu au niveau de celui de la chambre interne du système. Une paire de bobines de commande d’attitude sont prévues aux centres de parois supérieure et inférieure sur l’axe Y, et une paire de
bobines de commande d’attitude sont prévues aux centres de parois avant et arrière sur l’axe Z. La taille des bobines de commande d’attitude est beaucoup plus grande que celle du corps magnétique servant de masse d’épreuve pour réaliser une commande précise de ce dernier, de sorte que le moment magnétique équivalent du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit du sens de l’axe X. De plus, les courants peuvent être alimentés précisément au travers de 7 ordres de grandeur, par exemple de 1nA à 10mA.
Avec les bobines 41 de commande de position et les bobines 42 de commande d’attitude, ledit système de commande de lévitation magnétique reçoit des réactions dudit système de détection de déplacement par interférence lumineuse, et commande en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui coïncide avec le centre de masse de l’appareil volant.
Pour les 4 paires de bobines de commande de position dont les diamètres sont tous 0,56 cm et les nombres de spires sont tous 100, les coordonnées de leurs centres dans le repère de la figure 1 sont : (-5 cm, 1 cm, 0), (5 cm, 1 cm, 0), (-5 cm, 0, 1 cm), (5 cm, 0, 1 cm), (-5 cm, -1 cm, 0), (5 cm, -1 cm, 0), (-5 cm, 0, -1 cm), (5 cm, 0, -1 cm). Pour les 2 paires de bobines de commande d’attitude dont les diamètres sont tous 1,2 cm et les nombres de spires sont tous 100, les coordonnées de leurs centres dans le repère de la figure 1 sont : (0, 5 cm, 0), (0, -5 cm, 0), (0, 0, 5 cm), et (0, 0, -5 cm).
La méthode de commande du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est celle qui suit.
Lorsque la taille du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est très petite, celui-ci est considéré comme un couple magnétique dont le moment magnétique est M. Pour un couple magnétique qui se situe dans un champ magnétique dont l’induction magnétique est B, il existe un double effet. D’abord, lorsque le sens du couple est différente de celle du champ extérieur, le couple subit un moment de rotation M x B et tourne jusqu’à la position dans laquelle il a le même sens que le champ magnétique. À cette position, le couple magnétique a un statut où l’énergie potentielle atteint son minimum, et des charges magnétiques de signes différents s’approchent, ceux de mêmes signes s’éloignent. Si le champ extérieur est hétérogène, les différences des inductions magnétiques entre des positions où se trouvent des charges magnétiques de signe positif et négatif conduisent à ce que le couple magnétique reçoive une force résultante dont le sens pointe vers le champ plus fort. Lorsque le champ magnétique est homogène, la force résultante est zéro.
Comme le montrent les figures 5 à 7, un courant toroïdal génère un champ magnétique en gradient. Un couple magnétique qui se trouve dans ce dernier subit à la fois un moment de rotation et une force de translation, en revanche, celui qui se situe dans un champ magnétique homogène ne subit qu’un moment de rotation, la force de translation résultante étant nulle. Donc, un moment de rotation peut être réalisé par un champ magnétique homogène, tandis qu’une force de translation peut être réalisé par un champ magnétique en gradient, ainsi, la commande de position et d’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est réalisée.
La commande de position du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve Étant donné que les moments magnétiques des 4 paires de bobines de commande de position sont M^, ~M^, M^, M^, M^,, ~M^,, M^, et M^ Ces bobines génèrent des champs magnétiques à la position du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve. Comme la taille du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est très petite, il est considéré comme un couple magnétique. Pour montrer le sens du moment des bobines, les moments sont notés comme = δ^Μμ (i = 1,2,3,4,1', 2', 3', 4'). Mi représente la valeur de moment magnétique, et indique le sens de moment magnétique, le moment magnétique étant suivant le sens positif de l’axe X avec = 1 et suivant le sens négatif de l’axe X avec = -1.
Notons que le moment magnétique du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est M et calculons sa force électromagnétique par les bobines de commande. Prenons la première paire 1 et 1’ comme exemple. Calculons d’abord la force électromagnétique de commande de ~M^ à M, zÇ étant le vecteur de M vers ~M^ , les coordonnées du centre de M étant (x,y,z) et les coordonnées de M^ par rapport au centre étant (a, b, c). On a alors,
(10) leur potentiel d’interaction est : (11)
Avec
(12) (13) (14) (15)
la force électromagnétique subie par le petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est : (16) (17) (18)
De même, pour la commande de M par ~M^,, par une symétrie stricte, les coordonnées du centre de sont
son potentiel d’action avec M est :
(19) on a alors (20) (21) (22)
Comme x —> 0,y —> 0,z —> 0, les commandes sont effectuées pour que le centre de masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve reste à l’origine du repère. Par ailleurs, la première paire de bobines de commande 1 et 1’ de position sont symétriques strictement par rapport à un axe et de même taille, avec le même courant, on a donc,
(23)
Donc, pour que la première paire de bobines de commande de position 1 et 1’ puisse maîtriser individuellement les trois vecteurs divisionnaires sur les trois axes de la
force électromagnétique du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, il suffit de maîtriser δ2 et (a, b, c). (1) pour la première paire de bobines de commande de position 1 et 1’, prenons
On a alors,
(24) la force divisionnaire suivant l’axe Y est ainsi maîtrisée individuellement.
Par ailleurs, lorsque
on a,
(25) la force divisionnaire suivant l’axe X est ainsi maîtrisée individuellement. (2) pour la deuxième paire de bobines de commande de position 2 et 2’, prenons
(26) la force divisionnaire suivant l’axe Z est ainsi maîtrisée individuellement.
Par ailleurs, lorsque
(27) la force divisionnaire suivant l’axe X est ainsi maîtrisée individuellement. (3) pour la troisième paire de bobines de commande de position 3 et 3’, prenons
(28)
la force divisionnaire suivant l’axe X est ainsi maîtrisée individuellement. De même, la troisième paire peut maîtriser la force divisionnaire suivant l’axe Y individuellement. (4) pour la quatrième paire de bobines de commande de position 3 et 3’, le fonctionnement est similaire à celui des trois paires précédentes. Il faut donc 3 paires de bobines de commande de position pour maîtriser simultanément les déplacements par translation suivant les trois axes X, Y,Z. Cette quatrième paire 4 et 4’ sert comme une paire redondante qui va remplacer celles parmi les trois autres paires qui sont en panne pour maîtriser la force divisionnaire correspondante.
La commande d’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve La commande de l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est réalisée avec les deux paires de bobines 5, 5’, 6, 6’ de commande d’attitude dont les moments magnétiques sont notés comme ~M^, nT6, ~M^,, . Des inductions magnétiques générées par ces bobines à la position du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve sont B^, B]. La distance entre les centres des bobines et l’origine du repère est l. Comme les bobines de chaque paire sont de même taille et avec le même courant (mêmes valeur et sens), on a = ~M^,, ~M^ = (1) La première paire de bobines de commande d’attitude 5 et 5’ : comme le monte la figure 8, si le moment magnétique du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve dérive du sens de l’axe X, il subit alors un moment de force f5 généré par la première paire de bobines de commande d’attitude 5 et 5’, et on a
(29)
Comme la taille de la première paire de bobines de commande d’attitude 5 et 5’ est plus grande que le petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, le champ magnétique généré à l’emplacement de ce dernier peut être considéré comme un champ approximativement homogène dont le sens est à l’axe Y. Selon la méthode de calcul du champ d’un couple magnétique, on a
(30) le moment de force correspondant est de valeur
(31) et il est de sens perpendiculaire au plan formé par M et ϊζ. Sous l’effet de ce moment de force, M va tourner de l’axe Y vers l’axe X dans le plan XY. (2) La deuxième paire de bobines de commande d’attitude 6 et 6’ : comme le monte la figure 9, il est similaire pour cette paire à la première paire de bobines de commande d’attitude au niveau de commande du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve. Sous l’effet du moment de force Ϋζ, M va tourner de l’axe Z vers l’axe X dans le plan XZ et on a
(32)
En résumé, le sens du moment magnétique du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve peut être maintenu dans celui de l’axe X avec ces deux bobines.
La mesure à haute précision d’accélération.
Lorsque le déplacement par translation et la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est commandé, la force électromagnétique générée par des bobines de commande de position contrebalance l’accélération de l’appareil volant causée par des forces non-conservatrices, pour maintenir le centre de masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en coïncidence avec celui de l’appareil volant. On a une relation entre le vecteur de la force électromagnétique F et celui de l’accélération a : F = ma, d’où m est la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve. La force électromagnétique est proportionnelle au champ magnétique généré par des bobines de commande de position qui est proportionnel au courant alimenté. Donc, la mesure de l’accélération de l’appareil volant peut être effectuée par les courants alimentés aux bobines de commande de position.
Avantageusement, l’accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention présente les qualités des accéléromètres à haute précision de lévitation électrostatique, en évitant des difficultés de fabrication des structures sensibles en termes d’usinage. Le système de blindage magnétique de chambre à vide est simple à réaliser. La position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve peuvent être précisément mesurées avec le système de détection de déplacement par interférence lumineuse, en évitant des effets dus aux parcours des rayons lumineux. Elles peuvent aussi être précisément commandées avec le système de commande de lévitation magnétique. De plus, l'accélération de l'appareil volant est proportionnelle au courant de la bobine de commande de position, cela permettant de mesurer l'accélération avec haute précision.
Par simulation sur Terre, nous avons obtenu les caractéristiques principales des accéléromètres à haute précision de lévitation magnétique telles que la densité spectrale de puissance du bruit qui est mieux que 10_8m * s-2 * Hz_1/2 et la bande de mesure qui est de 5 - 100 mHz.
Un autre mode de réalisation de l’accéléromètre sera présenté pour mesurer l’accélération linéaire de l’appareil volant. Comme le montre la figure 10, un accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention comporte un système de blindage magnétique de chambre à vide, un système de détection de déplacement par moyens magnétiques, un système de commande de lévitation magnétique et une petit corps magnétique 10 servant de masse d’épreuve. Le système de blindage magnétique de chambre à vide comprend une chambre externe de blindage magnétique et une chambre interne 7 du système. Le chambre interne 7 du système se trouve à l’intérieure de ladite chambre externe de blindage magnétique, et est sous vide. Le petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est à l’intérieure de la chambre interne 7 du système. Le système de détection de déplacement par moyens magnétiques comporte une pluralité de capteurs magnétiques 8 à haute précision qui se trouvent dans les endroits différents de la chambre interne du système. La position et l’attitude du petit corps magnétique 10 servant de masse d’épreuve sont obtenues en temps réel avec la mesure de champs magnétique du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par ces capteurs magnétiques. Le système de commande de lévitation magnétique comporte une pluralité de bobines de commande de position se situant symétriquement sur la paroi gauche et la paroi droite de la chambre interne du système, et une pluralité de bobines de commande d’attitude se situant symétriquement sur les parois supérieure, inférieure, avant et arrière de la chambre interne du système. Avec les bobines de commande de position et les bobines de commande d’attitude, le système de commande de lévitation magnétique reçoit des réactions dudit système de détection de déplacement par moyens magnétiques, et commande en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique 10 servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui coïncide avec le centre de masse 9 de l’appareil volant. Le petit corps magnétique 10 servant de masse d’épreuve peut être le même que celui du mode de réalisation précédent.
Dans ce mode de réalisation, huit capteurs magnétiques 8 à haute précision sont fixés sur les sommets de la chambre interne du système. Les données du champ magnétique mesurées par ces capteurs, permettent de localiser la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en temps réel.
Le petit corps magnétique 10 servant de masse d’épreuve peut être ellipsoïde rotatif, de forme ronde, ou cylindrique, ou d'autres formes. La taille du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve ou son moment magnétique sont connus de manière précise.
Dans ce mode de réalisation, la méthode de commande de la position et de l’attitude du petit corps magnétique 10 servant de masse d’épreuve est identique à celle du mode de réalisation précédent, ainsi que la mesure de l’accélération. L’accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l'invention est réalisé avec des matériaux non-magnétiques, dont le taux de perméabilité magnétique est identique à celui du vide. Ainsi, la distribution du champ magnétique généré par le petit corps magnétique servant de masse d’épreuve ne dépend que de sa position et son attitude. Par ailleurs, le champ magnétique mesuré dépend aussi du point de détection. Comme le montre la figure 11, prenons le repère lié au capteur magnétique comme le repère général. Supposons que les coordonnées du centre de masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est (x0,y0,z0) ,que ceux du point de détection sont (x,y,z) et que la distance entre le centre de masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et le point de détection est r. Lorsque r est supérieur à la taille du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, ce dernier peut être considéré approximativement comme un couple magnétique. Supposons que le moment magnétique équivalent du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est M qui a pour un angle d’azimut a et un angle d’élévation β dans un repère spatial (attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve).
Selon la formule de résolution du champ magnétique au point de détection, on a
y0) sin a sin β + 3 (x — χθ) (z — ζθ) cos a]
Supposons que les inductions magnétiques des n points de détection sont connues. On peut formuler alors un système d’équations avec 3n équations non-
linéaires pour lequel il existe six inconnus : x0,y0,z0, α,β etM. Quand n > 2, le système est surdéterminé et peut alors être résolu avec une méthode non-linéaire. Ce système d’équation peut être donc résolu à l’aide d’un programme d’ordinateur. Ainsi, la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve à tout moment sont obtenues.
Avec un système de détection de déplacement par moyens magnétiques moyennant de capteur à haute précision, par exemple, avec une sensibilité de 0,01 nT, la précision de localisation est inférieure à 2 nm et la précision de mesure de rotation est inférieure à 0,02 degré par seconde.
Le système de commande de lévitation magnétique comprend 4 paires de bobines de commande de position et 2 paires de bobines de commande d’attitude. Comme le montre la figure 10, avec des différents courants alimentés pour les 4 paires de bobines de commande de position (1, 1’), (2, 2’), (3, 3’) et (4, 4’), les trois divisions suivant les axes X, Y et Z de la force électromagnétique du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve sont maîtrisées individuellement et sa position est maîtrisée aussi. Enfin, le centre de masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve coïncide avec celui de la chambre interne du système qui est aussi celui de l’appareil volant. Avec les 2 paires de bobines de commande d’attitude (5, 5’), (6, 6’), l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est maîtrisée, de sorte que le moment magnétique du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit maintenu au sens de l’axe X. De plus, les courants peuvent être alimentés précisément au travers de 7 ordres de grandeur, par exemple de 1 nA à 10mA. L’accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l’invention présente les qualités des accéléromètres à haute précision de lévitation électrostatique et évite des difficultés de fabrication des structures sensibles en termes d’usinage. Le système de blindage magnétique de chambre à vide est simple à réaliser. La position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve peuvent être précisément mesurées avec les capteurs magnétiques à haute précision. Le système de commande de lévitation magnétique peut commander précisément le petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, réalisant des mesures d'accélération avec haute précision.
Par simulation sur Terre, nous avons obtenu les caractéristiques principales des accéléromètres à haute précision de lévitation magnétique telles que la densité spectrale de puissance du bruit qui est mieux que 10_8m * s-2 * Hz_1/2 et la bande de mesure qui est de 5 - 100 mHz.
Les modes de réalisation décrits sont en ordre progressif. Chaque mode de réalisation souligne les différences avec des autres qu’on peut consulter pour les parties identiques ou similaires.
Le principe et des modes de réalisation sont décrits à l’aide des exemples spécifiques, et des exemples de réalisation servent à la compréhension la méthode de la présente invention ainsi que ses théories de base. L’invention décrite en référence aux modes de réalisation exposés ne leur est nullement limitée, mais couvre toute modification que l’homme du métier est à même de réaliser.
Claims (15)
- REVENDICATIONS1 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique, caractérisé en ce qu’il comprend un système de blindage magnétique de chambre à vide, un système de détection de déplacement par interférence lumineuse, un système de commande de lévitation magnétique et une petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, ledit système de blindage magnétique de chambre à vide comprenant une chambre externe de blindage magnétique et une chambre interne du système, ladite chambre interne du système se trouvant à l’intérieure de ladite chambre externe de blindage magnétique, ladite chambre interne du système étant à vide, ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve étant à l’intérieure de ladite chambre interne du système ; ledit système de détection de déplacement par interférence lumineuse, qui se trouve au dessus de ladite chambre interne du système, envoyant des signaux lumineux vers ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et recevant des signaux lumineux réfléchis par ce dernier afin d’obtenir la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en temps réel ; ledit système de commande de lévitation magnétique qui se situe au dessus de ladite chambre interne du système, commandant en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui coïncide avec le centre de masse de l’appareil volant.
- 2 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 1, pour lequel : ledit système de détection de déplacement par interférence lumineuse comporte une pluralité de paires de sondes de l’interféromètre dont chaque paire est reliée avec un dispositif optique de détection de déplacement par interférence lumineuse par une fibre optique, l’interféromètre étant de type Michelson ou de type Fabry-Perot ; lesdits sondes de l’interféromètre se trouvant dans les différents endroits de ladite chambre interne du système ; par chaque paire de sondes, une source lumineuse envoie des signaux lumineux vers ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et reçoit des signaux lumineux réfléchis par ce dernier, des signaux lumineux transportant des informations de la position et de l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve étant transmis au dispositif optique de détection de déplacement qui traite les signaux lumineux, par le principe d’interférences lumineuses, pour transformer le déplacement et l’angle de déflexion dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en changements lumineux identifiables, et pour lequel avec les mesures par chaque paire de sondes, le déplacement du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport au centre de la chambre interne du système et ses angles de rotation par rapport aux deux axes perpendiculaires au moment magnétique sont calculés, par principe de l’addition vectorielle, et puis envoyés en réaction au système de commande de lévitation magnétique afin de commander en temps réel la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve.
- 3 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 2, pour lequel l’interféromètre comporte 5 paires de sondes dont 3 paires sont sur l’axe X de la chambre interne du système, plus précisément sur ses parois gauche et droite ; une paire est sur l’axe Y de la chambre interne au système, plus précisément au centre de ses parois supérieure et inférieure, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe Y du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve; et une paire est sur l’axe Z de la chambre interne au système, plus précisément au centre de ses parois avant et arrière, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe Z du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve ; parmi celles sur l’axe X de la chambre interne au système, une paire de la paroi droite étant sur l’axe Y et symétrique par rapport au centre de la paroi droite, pour mesurer la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport à l’axe Z ; une paire de la paroi droite étant sur l’axe Z et symétrique par rapport au centre de la paroi droite, pour mesurer la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par rapport à l’axe Y ; et une paire étant au centre des parois gauche et droite, pour mesurer le déplacement par translation suivant l’axe X du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve.
- 4 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 1, pour lequel ledit système de commande de lévitation magnétique comporte une pluralité de bobines de commande de position se situant symétriquement sur la paroi gauche et la paroi droite de ladite chambre interne du système, et une pluralité de bobines de commande d’attitude se situant symétriquement sur les parois supérieure, inférieure, avant et arrière de ladite chambre interne du système, avec les bobines de commande de position et les bobines de commande d’attitude, ledit système de commande de lévitation magnétique reçoit des réactions dudit système de détection de déplacement par moyens magnétiques, et commande en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui se coïncide avec le barycentre de l’appareil volant.
- 5 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 4, pour lequel sur les deux parois gauche de droite de la chambre interne du système, 4 paires de bobines de commande de position sont symétriques par rapport à l’axe X et sont alimentées avec des courants de différents sens et de différentes valeurs, de sorte que le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit maintenu à celui de la chambre interne du système.
- 6 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 4, pour lequel une paire de bobines de commande d’attitude sont prévues aux centres de parois supérieure et inférieure sur l’axe Y, et une paire de bobines de commande d’attitude sont prévues aux centres de parois avant et arrière sur l’axe Z, la taille des bobines de commande d’attitude étant beaucoup plus grande que celle du corps magnétique servant de masse d’épreuve pour réaliser une commande précise de ce dernier, de sorte que le moment magnétique équivalent du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit au sens de l’axe X.
- 7 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 4, pour lequel lorsque le déplacement par translation et la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est commandée, la force électromagnétique par des bobines de commande de position contrebalançant l’accélération de l’appareil volant causée par des forces non-conservatrices, en sorte de maintenir le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et celui de l’appareil volant en coïncidence, la relation entre le vecteur de la force électromagnétique F et celui de l’accélération a étant F = ma, où m est la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, la force électromagnétique étant proportionnelle au champ magnétique généré par des bobines de commande de position qui est proportionnel au courant alimenté, la mesure de l’accélération de l’appareil volant étant alors être effectuée par les courants alimentant les bobines de commande de position.
- 8 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est de forme cylindrique.
- 9 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour lequel ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est en matériau magnétique permanent, ou ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve a un noyau en matériau magnétique permanent et ce noyau est enveloppé par matériaux non-magnétiques.
- 10 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique, caractérisé en ce qu’il comprend un système de blindage magnétique de chambre à vide, un système de détection de déplacement par moyens magnétiques, un système de commande de lévitation magnétique et une petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, ledit système de blindage magnétique de chambre à vide comportant une chambre externe de blindage magnétique et une chambre interne du système, ladite chambre interne du système se trouvant à l’intérieure de ladite chambre externe de blindage magnétique, ladite chambre interne du système étant sous vide, ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve étant à l’intérieure de ladite chambre interne du système ; ledit système de détection de déplacement par moyens magnétiques comportant une pluralité de capteurs magnétiques à haute précision qui se trouvent dans les endroits différents de ladite chambre interne du système, la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve étant obtenues en temps réel avec la mesure de champs magnétique dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve par ces capteurs magnétiques ; ledit système de commande de lévitation magnétique comportant une pluralité de bobines de commande de position qui se situent symétriquement sur la paroi gauche et la paroi droite de ladite chambre interne du système, et une pluralité de bobines de commande d’attitude qui se situent symétriquement sur les parois supérieure, inférieure, avant et arrière de ladite chambre interne du système, avec des bobines de commande de position et les bobines de commande d’attitude, ledit système de commande de lévitation magnétique recevant des réactions dudit système de détection de déplacement par moyens magnétiques, et commandant en temps réel la position et l’attitude dudit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve en mettant ce dernier constamment en lévitation au centre de ladite chambre interne du système qui coïncide avec le centre de masse de l’appareil volant.
- 11 - Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 10, pour lequel lorsque le déplacement par translation et la rotation du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve sont commandés, la force électromagnétique des bobines de commande de position contrebalance l’accélération de l’appareil volant causée par des forces non-conservatrices, maintenant le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et celui de l’appareil volant en coïncidence, la relation entre le vecteur de la force électromagnétique F et celui de l’accélération a étant F = ma, où m est la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, la force électromagnétique étant proportionnelle au champ magnétique généré par des bobines de commande de position qui est proportionnel au courant alimenté, la mesure de l’accélération de l’appareil volant étant ainsi effectuée par les courants alimentant les bobines de commande de position.
- 12- Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 10, pour lequel le champ magnétique mesuré par un capteur magnétique dépend de la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve et pour lequel la position et l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve à tout moment sont obtenues par le calcul suivant à l’aide d’un programme d’ordinateur selon la formule de résolution du champ magnétique au point de détection,pour laquelle les inductions magnétiques des n points de détection étant connues, un système d’équations avec 3n d’équations non-linéaires pour lequel il existe six inconnus : χθ,γθ,ζθ, α,β etM; quand n > 2, est résolu avec une méthode non-linéaire.
- 13- Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon la revendication 10, pour lequel ledit système de commande de lévitation magnétique comporte 4 paires de bobines de commande de position et 2 paires de bobines de commande d’attitude, les bobines de commande de position étant alimentées avec des courants de différents sens et de différentes valeurs, de sorte que le centre de la masse du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve soit maintenu à celui de la chambre interne du système, et les bobines de commande d’attitude étant utilisés pour commander l’attitude du petit corps magnétique servant de masse d’épreuve, de sorte que le moment magnétique équivalent de ce dernier soit au sens de l’axe x.
- 14- Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, pour lequel ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est ellipsoïde rotatif, ou de forme ronde, ou cylindrique.
- 15- Accéléromètre à haute précision de lévitation magnétique selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, pour lequel ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve est en matériau magnétique permanent, ou ledit petit corps magnétique servant de masse d’épreuve a un noyau en matériau magnétique permanent et ce noyau est enveloppé par matériaux non-magnétiques.
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610090218.XA CN105675920B (zh) | 2016-02-18 | 2016-02-18 | 高精度静磁悬浮加速度计 |
| CN201610090220.7A CN105738653B (zh) | 2016-02-18 | 2016-02-18 | 高精度光学位移磁悬浮加速度计 |
| CN201610090218.X | 2016-02-18 | ||
| CN201610090220.7 | 2016-02-18 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3048085A1 FR3048085A1 (fr) | 2017-08-25 |
| FR3048085B1 true FR3048085B1 (fr) | 2019-07-19 |
Family
ID=59562368
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR1751323A Expired - Fee Related FR3048085B1 (fr) | 2016-02-18 | 2017-02-20 | Un accelerometre de levitation magnetique a haute precision |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10444257B2 (fr) |
| FR (1) | FR3048085B1 (fr) |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108645407B (zh) * | 2018-04-23 | 2022-06-07 | 中国科学院光电研究院 | 一种面向高精度自主导航的复合无拖曳模式实现装置及方法 |
| US11079227B2 (en) | 2019-04-01 | 2021-08-03 | Honeywell International Inc. | Accelerometer system enclosing gas |
| US11119116B2 (en) | 2019-04-01 | 2021-09-14 | Honeywell International Inc. | Accelerometer for determining an acceleration based on modulated optical signals |
| US10705112B1 (en) | 2019-04-22 | 2020-07-07 | Honeywell International Inc. | Noise rejection for optomechanical devices |
| US10956768B2 (en) | 2019-04-22 | 2021-03-23 | Honeywell International Inc. | Feedback cooling and detection for optomechanical devices |
| US11119114B2 (en) | 2019-07-17 | 2021-09-14 | Honeywell International Inc. | Anchor structure for securing optomechanical structure |
| US11408911B2 (en) | 2019-07-17 | 2022-08-09 | Honeywell International Inc. | Optomechanical structure with corrugated edge |
| RU2721589C1 (ru) * | 2019-07-23 | 2020-05-20 | Акционерное общество «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнёва» | Акселерометр космический |
| US11372019B2 (en) | 2019-08-13 | 2022-06-28 | Honeywell International Inc. | Optomechanical resonator stabilization for optomechanical devices |
| US11150264B2 (en) | 2019-08-13 | 2021-10-19 | Honeywell International Inc. | Feedthrough rejection for optomechanical devices using elements |
| US11408912B2 (en) | 2019-08-13 | 2022-08-09 | Honeywell International Inc. | Feedthrough rejection for optomechanical devices |
| CN113484538B (zh) * | 2021-07-05 | 2022-08-05 | 南京大学 | 一种基于抗磁悬浮力学系统的加速度测量方法 |
| CN118332317B (zh) * | 2024-06-14 | 2024-08-02 | 北京航空航天大学 | 基于tle的非保守力特征提取方法和装置、存储介质 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5485748A (en) * | 1994-01-26 | 1996-01-23 | Zeamer; Geoffrey H. | Magnetically levitated force/weight measurement system |
| US6571631B1 (en) * | 1999-03-05 | 2003-06-03 | Fdk Corporation | Displacement sensor and movement information collecting device comprising the same |
| US7252001B2 (en) * | 2002-09-02 | 2007-08-07 | Ecole Polytechnique Federale De Lausanne (Epfl) | Three axis active magnetic levitation for inertial sensing systems |
| US6898970B2 (en) * | 2003-06-05 | 2005-05-31 | International Business Machines Corporation | Inertial navigation device for ion propulsion driven spacecraft |
| JP2005283428A (ja) * | 2004-03-30 | 2005-10-13 | Denso Corp | 力学量センサ装置 |
-
2017
- 2017-02-17 US US15/435,356 patent/US10444257B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2017-02-20 FR FR1751323A patent/FR3048085B1/fr not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US10444257B2 (en) | 2019-10-15 |
| US20170242050A1 (en) | 2017-08-24 |
| FR3048085A1 (fr) | 2017-08-25 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| FR3048085B1 (fr) | Un accelerometre de levitation magnetique a haute precision | |
| US20140007677A1 (en) | Absolute gravimetric measurement device by atomic interferometry for geophysical applications particularly for monitoring hydrocarbon reservoirs | |
| CN106872730B (zh) | 一种加速度测量装置及方法 | |
| FR2768230A1 (fr) | Procede de localisation d'un objet en mouvement par mesures magnetiques gradientmetriques | |
| US8387456B2 (en) | Gravity gradient sensor | |
| US20140102191A1 (en) | Piloting method of a laser system of an absolute gravimetric measurement device by atomic interferometry for geophysical applications particularly for monitoring hydrocarbon reservoirs | |
| CN105738653A (zh) | 高精度光学位移磁悬浮加速度计 | |
| CN106199069A (zh) | 一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置 | |
| EP3004900B1 (fr) | Dispositif de mesure de tension | |
| CN104819767A (zh) | 一种低噪声微悬臂梁热振动信号测量装置 | |
| EP0274943A1 (fr) | Dispositif d'étalonnage d'accéléromètres ultrasensibles | |
| Shimoda et al. | Early earthquake detection capabilities of different types of future-generation gravity gradiometers | |
| Wu et al. | Marine absolute gravity field surveys based on cold atomic gravimeter | |
| CN101592472B (zh) | 时间分辨的单光栅干涉仪 | |
| Douch et al. | Ultra-sensitive electrostatic planar acceleration gradiometer for airborne geophysical surveys | |
| Shi et al. | Ultra-low frequency high-precision displacement measurement based on dual-polarization differential fiber heterodyne interferometer | |
| WO2008047001A2 (fr) | Dispositif inductif de mesure de la position d'une cible, et procede mis en oeuvre par ce dispositif | |
| Blair et al. | The Science benefits and preliminary design of the southern hemisphere gravitational wave detector AIGO | |
| Calloni et al. | High-bandwidth beam balance for vacuum-weight experiment and Newtonian noise subtraction | |
| CN102207514B (zh) | 一种基于流体电光材料的电光探头及用于探测电场的方法 | |
| Yao et al. | Micro-grating tilt sensor with self-calibration and direct intensity modulation | |
| de Castanet et al. | Atom interferometry at arbitrary orientations and rotation rates | |
| Estevez | Upgrade of Advanced Virgo photon calibrators and first intercalibration of Virgo and LIGO detectors for the observing run O3 | |
| Chen et al. | Nanonewton force generation and detection based on a sensitive torsion pendulum | |
| CN105890758A (zh) | 一种同时采用mems平动与扭转微镜的微型傅里叶红外光谱仪 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 2 |
|
| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20181130 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 4 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 5 |
|
| PLFP | Fee payment |
Year of fee payment: 6 |
|
| ST | Notification of lapse |
Effective date: 20231005 |