Brevet FR2103461A1 — publié le 19720414

î 2103461 La présente invention se rapporte à des accéléromètres. Les accéléromètres classiques assurent la mesure du déplacement d'une masse à partir d'une position de zéro ou bien, en variante, de la force nécessaire pour retenir la masse dans 5 la position de zéro. En général, ces accéléromètres doivent être fabriqués avec des tolérances serrées en sélectionnant soigneusement les matériaux et en effectuant un contrôle de qualité, de sorte qu'ils sont coûteux. Il en résulte que de tels appareils utilisables dans des applications où il est essentiel lo d'obtenir un fonctionnement précis, un faible niveau de seuil et une grande robustesse deviennent extrêmement coûteux et ne peuvent pas être techniquement valables. Par exemple, dans une application récente, il a été nécessaire de disposer d'un accé- léromètre pouvant tolérer une accélération de plusieurs milliers —6 15 de g tout en maintenant un seuil de l'ordre de 10 g. L1accéléromètre suivant l'invention comporte un châssis, une masse mobile, un support magnétostrictif supportant la masse et un système de détection de variations de la perméabilité magnétique du support magnétostrictif, la disposition étant 20 telle que, lorsque 1'accéléromètre est soumis à une accélération, la masse soit déplacée par rapport au châssis d'une distance fonction de l'accélération, le support magnétostrictif étant alors soumis à une variation relative de perméabilité magnétique et le dispositif de détection fournissant alors un si-25 gnal de sortie représentant l'accélération. Dans un tel accéléromètre, le support n'est pas, par conséquent, obligatoirement sollicité dynamiquement par mouvement de la masse, comme cela est souvent le cas dans des accéléromètres classiques, et il en résulte que ses qualités élas-30 tiques ne sont pas nécessairement importantes. Au contraire, la retenue est assurée par la force de magnétostriction qui est nécessaire pour modifier la perméabilité magnétique du support, c'est-à-dire pour faire tourner au moins certains des domaines magnétiques dans le support. 35 II peut en résulter une commande plus simple et plus précise et par conséquent un accéléromètre très sûr et très précis. A la différence des accéléromètres classiques, la résistance structurale et la robustesse ne sont pas réduites à une valeur de compromis permettant d'obtenir un seuil faible; par — fi 40 exemple on peut maintenir un seuil de 1 x 10~ g tout en absor- 71 29837 2 2103461 tant des accélérations de l'ordre de 10-^"g. De préférence, le dispositif de détection de 1'accéléromètre suivant l'invention comprend une boucle de contre-réaction qui applique, en réponse à une variation de la perméa-5 bilité détectée du support magnétostritif, une force magnétisante au support de façon à maintenir la perméabilité magnétique à la valeur initiale» Un tel accéléromètre fonctionne, par conséquent, suivant une boucle fermée et peut avoir une meilleure sensibilité tout en fonctionnant mieux. Dans un tel accéléro-10 mètre, il est également avantageux que, en l'absence de déplacement de la masse, la boucle de contre-réaction exerce une force magnétisante de poussée sur le support magnétostrictif. En général cela est préférable pour solliciter le support par compression,, 15 D'autres avantages et caractéristiques de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels: Fig. 1 est une vue schématique d'un premier mode de 20 réalisation d'un accéléromètre suivant l'invention; Fig. 2 est une section droite suivant la ligne 2-2 de la Fig.l. Fig. 3 est un schéma à blocs du circuit électrique utilisé dans 1'accéléromètre des Fig. 1 et 2 et 25 Fig. 4. est une vue schématique du second mode de réa lisation de 1'accéléromètre de l'invention. Sur les Figo 1 et 2, il est à noter que 1'accéléromètre représenté comporte un axe de sensibilité, désigné par 1, normal au plan de la Fig.l et, par conséquent, au plan de la 30 Fig. 2. L'accéléromètre comporte une masse sismique 2 de section droite circulaire qui est supportée entre deux éléments magnétostrictifs similaires 3 et 4, formés de préférence de per-mendur de vanadium. Chaque élément 3» 4 comporte quatre bran-35 ches mutuellement perpendiculaires a, b, ç et d reliées en é. En ce dernier point, chaque élément est fixé par un boulon respectif 5.sur une partie 6 en forme de moyeu de la masse sismique 2. Les extrémités des branches des éléments magnétostrictifs 3 et 4 sont fixées en position entre un châssis annulaire 7 et 40 deux bagues de retenue 8 et 9. Ces trois derniers composants 71 29837 3 2103461 sont également formés d'un matériau magnétique. La disposition décrite plus Haut permet un déplacement limité de la masse sismique 2 à partir de la position représentée et le long de l'axe de sensibilité 1, mais elle s'oppose à 5 un déplacement dans d'autres directions. Pour détecter des variations de la perméabilité magnétique des éléments magnétostrictifs 3 et 4, il est prévu deux enroulements de détection 10 et 11. Le premier enroulement 10 relie une borne 12 à une borne 13 en passant autour des branches 10 5^» 3£> 3Ê second enroulement 11 relie d'une façon similaire la borne 12 à une borne 14 en passant autour des branches 4a, 4b, 4£ et 4d. Pour produire une contre réaction dans les éléments magnétostrictifs 3 et 4, il est prévu deux enroulements magné-15 tisants 15 et 16. Le premier enroulement 15 relie une borne 17 à une borne 18 en passant autour des branches 3d, 3c, 3b et 3a . Le second enroulement 16 relie la borne 17 à une borne 19 en passant autour des branches 4ç, 4b, 4a et 4d. Pour clarifier le dessin, les enroulements magnétisants 20 15 et 16 ainsi que les deux enroulements de détection 10 et 11 ont été représentés comme comportant une seule spire sur chaque branche. En pratique, on utilise environ 50 spires. Les quatre enroulements 10,11, 15 et 16 sont branchés dans le circuit électrique de la Fig.3. Les deux enroulements 25 de détection 10 et 11 sont branchés dans un circuit à pont qui comprend également deux résistances identiques 20 et 21. Le circuit à pont est excité en courant alternatif par une source 22. Le signal de sortie du circuit est appliqué à un démodulateur 23 qui est essentiellement un commutateur du type"cross-over"„ 30 II fonctionne de manière à produire un courant continu pulsatoi-re dont la grandeur et le sens sont déterminés par le signal de courant alternatif appliqué à son entrée. Le signal de sortie est appliqué à un amplificateur opérationnel 24» Les deux enroulements magnétisants 15 et 16 sont bran-35 chés dans un circuit à pont qui comprend également deux résistances identiques 25 et 260 Le circuit à pont est excité par du courant continu fourni par la source 27. La sortie de l'amplificateur 24 est reliée au circuit à pont comme indiqué sur la Fig. Une résistance 28 est branchée de manière à recevoir une tension 40 fonction du signal de sortie de l'amplificateur. Des bornes 2g 71 29837 4 2103461 constituant les bornes de sortie de 1'accéléromètre sont reliées à cette résistance 28. . Comme expliqué précédemment, la masse sismique 2 peut être déplacée le long de l'axe de sensibilité 1 de l'accéléro-5 mètre et a tendance évidemment à être déplacée le long de cet axe lorsque 1*accéléromètre est soumis à une accélération présentant une composante parallèle à l'axe,, En l'absence d'accélération, elle prend la position centrale de la Fig.1. lorsqu'elle est placée dans cette position centrale, les deux éléments ia-10 gnétostrictifs 3 et 4 sont également sollicités et ont la même perméabilité magnétique. Cette dernière prend une valeur particulière sous l'effet d'un champ magnétique produit par les deux enroulements 15 et 16 excités par la source de courant continu 27. En d'autres termes, ces deux enroulements produisent un 15 champ de polarisation ainsi qu'une contre-réaction. la valeur de la perméabilité magnétique des deux éléments magnétostrictifs est telle qu'approximativement une moitié des domaines magnétiques, des éléments sont orientés longitudinalement, c'est-à-dire alignés radialement par rapport aux parties centrales 3 20 et 4,e tandis que l'autre moitié des domaines sont orientés transversalement, c'est-à-dire perpendiculairement aux domaines longitudinaux. Il est à noter que les domaines orientés transversalement peuvent avoir n'importe quelle orientation dans un plan perpendiculaire à celui de la Fig.l. 25 L'orientation initiale des domaines permet à la masse sismique 2 de se déplacer d'une distance limitée en réponse à une accélération par une simple rotation des domaines dans les éléments 3 et 4. La masse sismique est alors dans un certain sens mise en flottation par les domaines magnétiques. En d'au-30 très termes, lorsqu'elle est soumise à un déplacement vers le bas le long de l'axe de sensibilité 1 en regardant la Fig,2, un certain nombre de domaines précédemment orientés transversalement dans l'élément 3 tournent jusque dans une position longitudinale tandis que simultanément un certain nombre de domaines 35 précédemment longitudinaux dans l'élément 4 tournent jusque dans une position d'orientation transversale. Un déplacement vers le haut de la masse sismique produit l'effet inverse. Dans chaque cas, la rotation des domaines magnétiques est directement liée à la grandeur et à la direction de la contrainte exercée 40 Sur chaque élément magnétostrictif du fait du déplacement de la 71 29837 5 2103461 masse sismique. Pour un déplacement de la masse sismique 2 vers le "bas, le changement résultant de la perméabilité magnétique des supports 3 et 4 augmente l'inductance de l'élément de détection 10 5 et diminue celle de l'élément de détection 11. Ces variations d'inductance déséquilibrent le pont de détection et, en conséquence, un signal de courant alternatif est appliqué au démodulateur 23. En réponse, le démodulateur produit un courant continu pulsatoire d'une grandeur et d'un sens déterminés par le 10 signal de courant alternatif. Après amplification par l'amplificateur 24, ce signal est appliqué au circuit à pont contenant les enroulements magnétisants et il le déséquilibre. Il en résulte une contre-réaction se composant d'un courant diminué passant dans l'enroulement magnétisant 15 et d'un courant accru 15 passant dans l'enroulement magnétisant 16. Le premier courant réduit le champ magnétique longitudinal dans le support 3i en permettant par conséquent aux domaines longitudinaux contenus dans le support de tourner jusque dans une orientation transversale tandis que le second courant augmente le champ magné-20 tique longitudinal dans le support 34 en faisant, par conséquent, tourner des domaines orientés transversalement jusque dans une orientation longitudinale. En conséquence, les perméabilités magnétiques des deux supports ont tendance à conserver leur valeur initiale. Il en résulte que le pont à enroulement de détec-25 tion a tendance à rester sensiblement équilibré. Puisque le courant de sortie de l'amplificateur passe dans la résistance 28, la chute de tension dans cette résistance, qui est prise aux bornes 29, représente le courant nécessaire pour conserver l'orientation initiale des domaines, c'est-à-dire 30 que ce courant est proportionnel à l'accélération à laquelle la masse sismique est soumise. Un voltmètre peut être relié à ses bornes et peut être gradué directement en unités d'accélération. Sur la Fig.4 on a représenté un accéléromètre dans lequel les enroulements magnétisants ont été éliminés. Le courant 35 de polarisation et le courant de réaction passent alors directement dans les branches a, b, c et d. Dans ce but, chaque branche est divisée électriquement en deux parties par un isolant 30. Comme le montre la Fig., cet isolant assure l'isolation des parties centrales 3 et 4e par rapport aux branches 3 et 4a, 4b, 4£ 40 et 4d. Les branches comportent chacune deux bornes 31 et 32, En 71 29837 6 2103461 référence à la Fig.3» la borne 18 est reliée aux quatre bornes aux quatre bornes 31 du support 3 et aux quatre bornes 32 du support 4 et que la borne 19 est reliée aux quatre bornes 31 du support 4o à celui des Fig. 1 et 2, Ainsi, en réponse à un déplacement vers le bas de la masse sismique, le pont à enroulement magnétisant est déséquilibré en augmentant le courant passant dans les branches 3a, 3b, 3ç et 3d de manière à faire tourner des 10 domaines longitudinalement alignés jusque dans la position d'orientation transversale. En même temps, le courant passant dans les branchés 4a, 4b, 4ç et 4d est diminué de manière à permettre aux domaines orientés transversalement"de tourner jusque dans la position*longitudinale. 32 du support magnétostrictif 3 tandis que la reliée 5 le fonctionnement de cet accéléromètre est similaire 15 71 29837 7 2103461 REVENDICATIONS la Accéléromètre comportant un châssis et une masse mobile, caractérisé en ce qu'il comprend également un support 3, 4, magnétostrictif soutenant la masse et un système de dé-5 tection (10, 11) de variations de la perméabilité magnétique du support magnétostrictif, la disposition étant telle que, lors' que l'accéléromètre est soumis à une accélération, la masse soit déplacée par rapport au châssis d'une distance fonction de l'accélération, le support magnétostrictif étant alors soumis à une 10 variation proportionnée de perméabilité magnétique et le système de détection fournissant un signal de sortie représentant l'accélération. 2. Accéléromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le système de détection comprend une boucle de 15 contre-réaction qui applique, en réponse à une variation de la perméabilité détectée du support magnétostrictif, une force magnétisante au support tendant à conserver la perméabilité magnétique à sa valeur initiale. 3« Accéléromètre suivant la revendication 2, caracté- 20 risé en ce que, en l'absence de déplacement de la masse, la boucle de contre-réaction applique une.force magnétisante au support magnétostrictif. 4. Accéléromètre suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la boucle de contre-réaction comprend 25 au moins un enroulement (15, 16) disposé de manière à magnétiser le support magnétostrictif. 5. Accéléromètre suivant l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la boucle de contre-réaction magnétise le support magnétostrictif par passage d'un courant dans le sup- 30 port. 6. Accéléromètre suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le support magnétostrictif comprend deux éléments magnétostrictifs (3> 4) supportant la masse de manière qu'un déplacement de cette masse augmente la perméabilité 35 magnétique d'un des éléments en réduisant celle de l'autre élément . 7. Accéléromètre suivant la revendication 6, caractérisé en ce que la masse est placée entre les deux éléments magnétostrictifs de manière à se déplacer dans une direction sen— 40 siblement normale à leurs plans. 71 29837 8 2103461 8. Accéléromètre suivant l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que le système de détection comprend un circuit à pont (10, 11, 20, 21) qui agit de manière à produire un signal de sortie représentant la différence entre les perméa-5 bilités magnétiques des deux éléments magnétostrictifs»