Brevet FR2023848A1 — publié le 19700821

La présente invention concerne un détecteur à balance de torsion à sensibilité élevée. La balance de torsion est certes bien connue. Elle consiste essentiellement en un équipage mobile suspendu à un fil fin vertical. Un couple appliqué à équipage mobile, déplace celui-ci et provoque une torsion du fil. On sait que le moment du couple est proportionnel à,- ltangle de torsion. Ltemploi de fil très fin rend un tel système sensible à des forces extérieures faibles mais celui-ci possède cependant un seuil de fonctionnement qui en limite inévitablement la sensibilité car, pour de tres faibles forces ap piquées, un tel système se trouve dans un état d'équilibre stable en raison des forces élastiques antagonistes dont il est alors le siège. Cependant, certaines applications mettent en jeu des forces excessivement faibles: la trainée d'un satellite dans ltespace sous lteffet du vent solaire, l'accélération angulaire d'un véhicule spatial} par exemple. De telles applications requièrent donc un dispositif détecteur ayant une sensibilité excessivement élevée. -On pourrait concevoir dtabaisser le seuil de sensibilité dtune balance de torsion en déplaçant le centre de masse du système au-dessus du centre de déplacement. Ce moyen nécessite évidemment de toucher à la balance elle-même et de plus, il ne permettrait de procéder qutà un réglage difficile et en tout cas non continu. La présente invention a donc pour but de procurer un détecteur à balance de torsion présentant une sensibilité très élevée et permettant un ajustage aisé et précis. Le détecteur selon l'invention comporte, outre la balance de torsion constituée dtun équipage mobile métallique à grand moment d'inertie suspendu à un fil de torsion ainsi qutil est connu en-soi, des moyens électriques et/ou magnétiques destinés à engendrer une force qui compense la force élastique propre de la balance de torsion en sorte de réduire le seuil de sensibilité du système aux sollicitations extérieures à une valeur sensiblement nulle. Ces moyens électriques etXou magnétiques sont avantageusement constitués par au moins une plaque métallique de polarisa- tion disposée à une certaine distance de 1V équipage mobile chaque plaque étant portée à un potentiel électrique continu fixe propre de manière à créer une différence de potentiel entre chaque plaque et équipage mobile. Ltinvention apparaîtra plus clairement à la lecture de la description qui va suivre et à la considération des destins joints au présent mémoire, dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement un détecteur à balance de torsion selon ltinvention; - la figure 2 illustre schématiquement avec coupe partielle et vue en perspective avec arrachement, une forme de réalisation incorporant le dispositif selon la figure 1i - la figure 3 est une vue partielle en coupe horizontale montrant une forme de réalisation particulière de équipage mobile d'un détecteur selon la figure 2. La figure 1 représente schématiquement une balance de torsion modifiée selon l'invention. A un fil de torsion 1 est suspendu un équipage mobile métallique 2 à grand moment d'inertie. Une telle balance possède une position d'équilibre stable et il faut lui appliquer une force dépassant un seuil détermine par la force élastique propre du système pour que celui-ci accuse une déviation mesurable. On sait en effet qu'au voisinage de la position d'équilibre, c'est-à-dire pour une déviation faible, le système est le siège d9une force élastique antagoniste F qui satisfait à la loi de Hooke et qui est donc proportionnelle à la déviation: F = Cx. Selon l'invention, on envisage de compenser préalablement cette force élastique de manière à rendre le système instable. On crée donc une force F' telle que la somme F+F' soit nulle et telle que la dérivée de cette somme soit nulle à la position de repos. On a ainsi créé un état labile. Comme on va le voir ci-après, cette compensation préalable est réalisée par voie électrique ou magnétique. Selon une forme de réalisation particulière illustrée à la figure 1, deux plaques 5 et 6 sont disposées de part et d'autre d'une partie de l'équipage mobile 2. Un potentiel continu fixe V est appliqué à ces plaques à partir d'une source non représentée. L'énergie du champ électrique ainsi créé produit sur l'équipage mobile 2 une force qui s'oppose à la force élastique propre du système et qui peut compenser celle-ci par un ajustage précis du potentiel V. Ainsi donc, en l'absence de sollicitation extérieure, le potentiel de "polarisation't V détermine une position d'état labile de telle sorte qu'il sera dès lors possible au système de répondre pratiquement sans inertie et sans frottement à une sollici tation quelconque, fût-elle minime. Dans une forme de réalisation expérimentale, l'équipage a pu répondre à une force de 3 . 10 12kgns environ en moins de 5 secondes environ.La relation entre le potentiel V et la position d'état labile recherchée peut s'établir analytiquement comme suit En l'absence de potentiel de polarisation V, l'énergie potentielle de l'équipage mobile sous l'effet d'une sollicitation est, au voisinage de sa position de repos: E1 = Ax2 où A est une constante et x la déviation de l'équipage par rapport à sa position de repos. La déviation x peut être aussi bien linéaire qu'angulaire. Cette énergie potentielle donne lieu saune force de rappel: Lorsqu'un potentiel électrique V se trouve appliqué entre les plaques de polarisation 5 et 6, il se crée entre celles-ci un champ électrique dont l'énergie E2 est donnée par la relation suivante: où #o est la capacité du vide. S est la surface d'une plaque de polarisation. d est la distance qui sépare une plaque de polarisation de l'équipage mobile lorsque V = 0. Cette énergie produit sur équipage une force Selon l'invention, les forces f1 et f2 se compensent pour créer un état labile en l'absence de sollicitation extérieure. Les conditions de cet etat labile s'expriment par les relations suivantes: f=f1 + 2 =0 (3) et df = 0 (4) dx Substituant les valeurs de f et f2 données par les équations (1) et (2) et combinant les équations (3) et (4), on obtient la posi tion d'état labile x0 =0 à laquelle correspond la tension de polarisation On voit donc que pour une valeur déterminée de V, on obtient une position de repos déterminée,'pour l'équipage mobile, pour laquelle existe un état labile, c'est-à-dire pour laquelle la force élastique antagoniste est annulée. Une particularité très intéressante d'un tel système préalablemént compensé est que la polarisation électrique est facile à appliquer sans complications mécaniques du système et qu'elle peut être ajustée avec précision et même être aisément réajustée ultérieurement si les caractéristiques élastiques inhérentes du système venaient à être modifiées. La figure 2 représente schématiquement avec vue partielle en perspective avec arrachement, un détecteur à balance de torsion, selon l'invention, pouvant servir à la mesure de l'attitude d'un satellite par exemple.0n y retrouve le dispositif montré à la figure 1, à savoir: la balance de torsion 1, 2 et les plaques de polarisation 5 et 6. Cé dispositif se trouve monté dans une chambre fermée 7 à la paroi de laquelle est fixé le fil de torsion 1. La chambre 7 est elle-même montée dans un bâti 8 au moyen de paliers 9 qui lui permettent de tourner par rapport au bâti. Ce dispositif est complété par une boucle d'asservissement 10 représentée schématiquement sur le dessin et dont ie rôle sera expliqué ci-après. Pour de faibles angles de rotation de la chambre 7, l'équipage mobile 2 conserve sa position de sorte qu'il se produit un écart que l'on détecte comme on va le voir par exemple. En regard d'une extrémité 4 de ltéquipage mobile est placée une plaque métallique il solidaire de la paroi de la chambre 7. Cette plaque Il forme avec la partie4 de l'équipage mobile une capacité électrostatique dont les variations peuvent être mesurées. On capte donc un signal représentatif de la déviation qu'a subi l'équipa- ge mobile.Ce signal, que l'on appellera signal d'arreur, et qui est indicatif de l'écart de position relatif de la chambre 7 et de 1V équipage mobile 2, est acheminé dans la boucle d'asservissement 10 et appliqué à un dispositif d'entraînement 12 de la chambre 7. La boucle '10 peut comprendre en outre des dispositifs habituels dans ce genre de circuit tels qu'un amplificateur, un redresseur ou tout autre dispositif quelconque connu dont le choix et les qaS ractéristiques dépendent de conditions spécifiques qui sortent du cadre de l'invention. Comme il est usuel dans ce genre de boucle de contre-réaction, le signal d'terreur actionne le dispositif d'entraînement t2 de manière à ramener la chambre 7 dans sa position initiale pour laquelle le signal d'erreur est nul. Dans l'éventualité, où le bâti 8 tourne autour de l'axe Z > la chambre 7 le suit en raison des frottements dans les paliers 9. Ce déplacement de la chambre, comme on l'a vu ci-dessus, fait immédiatement apparaître un signal d'erreur qui a pour eff et- de ramener la chambre dans sa position initiale. Il est alors possible de mesurer par un moyen quelconque le déplacement angulaire relatif entre la chambre et le bâti. Pour éliminer les influences et les frottements dûs à la convection de l'air, on peut faire le vide dans l'enceinte de la chambre 7. Un dispositif tel qu'il vient d'être décrit peut être prévu pour chacun des axes de référence, ce qui permet de mesurer avec une très grande précision et avec un temps de réponse très court, l'attitude d'un satellite par exemple ou celle d'un système mobile quelconque en général. L'exemple qui a été décrit dans ce qui précède n'a evi- demment servi qutà illustrer le principe de fonctionnement d'un détecteur selon l'invention. Il va de soi que la réalisation d'un tel détecteur, dont les applications ne sont nullement limitées à celle décrite, est susceptible de subir de nombreuses appropriations et adaptations. C'est ainsi, par exemple1 que le, dispositif d'entraînement t2 peut être constitué d'un dispositif quelconque convenable, tel qu'un servomoteur, un dispositif à' induction > un dispositif électromagnétique, par exemple. De même, l'équipage mobile peut être réalisé par exemple comme le montre la figure 3. équipage mobile 20 est réalisé sous la forme de deux cylindres coaxiaux 21 et 22 réunis à intervalles réguliers par des segments plans radiaux 23. L'équipage 20 est suspendu à l'intérieur de la chambre à vide cylindrique 7 par un système. de suspension comprenant trois fils la, lb et lc. Les plaques de polarisation 5 et 6 sont disposées sur les faces opposées de segments radiaux isolants 13 solidaires des parois de la chambre 7. On voit que chaque segment plan radial 23 de l'équipage mobile se trouve situé entre deux plaques de polarisation 5 et 6, la masse totale de l'équipage mobile étant ainsi uniform-ement répartie autour de l'axe longitudinal de l'ensemble. Une tension continue est appliquée à ces plaques 5 et 6, comme on lta vu plus hauts par des moyens hon représantés. La chambre 7 est montée coaxialement dans le bâti cylindrique 8 et peut pivoter autour de son axe par rapport au bâti 8. Des fenêtres 14 permettent le réglage initial de équipage 20 à l'in- térieur de la chambre REVENDICATIONS. 1.- Détecteur comportant une balance de torsion, celle-ci comprenant un équipage mobile, à grand moment~dtinertie, suspendu à un fil de torsion et étant douée d'une force élastique propre, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens électriques et/ou magnétiques destinés à engendrer une force qui compense la force élastique propre de la balance de torsion en sorte de réduire le seuil de sensibilité du système aux sollicitations extérieures à une valeur sensiblement nulle. 2.- Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens électriques et/ou magnétiques sont constitués par au moins une plaque métallique de polarisation disposée à une certaine distance de l'équipage mobile, chaque plaque étant portée à un potentiel électrique continu fixe propre de manière à créer une différence de potentiel entre chaque plaque et l'équipage mobile. 3.- Détecteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques de polarisation sont prévues par paires, les plaques appartenant à une même paire étant disposées à une certaine distance de part et d'autre de l'équipage mobile, chaque plaque étant portée à un potentiel électrique continu fixe propre. 4. Détecteur suivant la revendication 2, caractérisé en ce quVil est monté dans une chambre fermée, celle-ci étant montée à rotation dans un bâti, le moyen de suspension élastique étant fixé à la paroi de la chambre et s'étendant suivant l'axe longitudinal de celle-ci, chaque plaque de polarisation étant fixée à la paroi dela chambre, en ce qugil comporte en outre un capteur capacitif pour détecter un signal d'erreur indicatif de la déviation relative entre l'équipage mobile et les plaques de polarisation, et une boucle d'asservissement reliant ledit capteur à un dispositif dentraînement de la chambre, ce dispositif d'entraînement répondant audit signal d'terreur en vue de ramener la chambre dans sa position initiale en sorte d'annuler ledit signal d'erreur. 5.- Détecteur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que le capteur capacitif est un dispositif électrostatique. 6.- Détecteur suivant une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'équipage mobile est constitué de deux cylindres coaxiaux réunis à intervalles réguliers par des segments radiaux, chaque segment radial étant disposé entre deux plaques de polarisation elles-mêmes disposées radialement dans l'espace compris entre les deux cylindres coaxiaux. 7.- Détecteur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que équipage mobile est suspendu par un système de suspension élastique constitué de trois fils disposés symétriquement par rap- port à 19axe longitudinal de l'ensemble.