Brevet FR2196474A1 — publié le 19740315

La présente invention concerne les appareils pour la mesure des accélérations, et plus particulièrement des accéléromètres piézoélectriques Les accéléromètres piézoélectriques sont utilisés pour la mesure des accélérations dues à des vibrations ou à des impulsions de pièces et organes des moteurs équipant essentiellement les avions, les fusées ou les navires On connart un accéléromètre piézoélectrique à blindage électrostatique dans lequel, on a prévu au moins un élément piézoélectrique pourvue d'électrodes disposé entre la masse d'inertie et ltem- base La masse dtinertie, l'élément piézoélectrique à électrodes placées sur ses surfaces de service, ainsi que embase sont réalisées dans l'accéléromètre connu sous forme d'éléments séparés formés de différents matériaux et assemblés par collage .Le blindage électrostatique est alors réalisée par l'intermédiaire d'une carcasse métallique L'utilisation de différents matériaux ainsi que l'assemblage par collage sont néfastes pour la stabilité des caractéristiques de fonctionnement de l'accéléromètre piézoélectrique La fabrication des accéléromètres de haute qualité formés par des éléments séparés est également liée à des difficultés considérables d'ordre technologique Il est nécessaire d'usiner soigneusement les surfaces de service entre les éléments assemblés, ainsi que de les disposer d'une façon précise au cours du collage .Ceci entrasse une augmentation du prix de revient des accéléromètres L' invention vise à remédier aux inconvénients mentionnés cidessus Suivant l'invention , on se propose de mettre au point un accéléromètre piézoélectrique , dont la construction assurerait une augmentation de la stabilité de ses caractéristiques de fonctionnement, ainsi que la simplification de sa technique de fabrication Le problème posé est résolu en ce que llaccéléromètre piézoélectrique à blindage électrostatique , dans lequel on a prévu au moins un élément piézoélectrique avec des électrodes disposées entre la masse d'inertie et l'embase, est exécuté suivant l'invention, sous forme d'un seul bloc en matériau piézoélectrique partagé par des enceintes dans lesquelles sont logées des électrodes en zones assurant les fonctions de l'embase, de ltélément piézoélectrique et de la masse d'inertie I1 est avantageux d'exécuter l'accéléromètre piézoélectrique avec des enceintes se présentant sous forme de cylindres disposés radialement et dont les axes sont situés dans deux plans parallè- les I1 est en outre avantageux de réaliser l'accéléromètre piézoélectrique avec des enceintes en forme de coins disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal du bloc I1 est également intéressant que l'accéléromètre piézoélectrique soit conçu avec des enceintes formant deux cylindres coaxiaux comportant des fonds, le cylindre intérieur étant orienté par sa face ouverte vers le fond du cylindre extérieur I1 est enfin avantageux d'exécuter l'accéléromètre piézoélectrique de telle façon que la surface de chaque enceinte reçoive un revêtement conducteur électrique constituant les électrodes Ltaccéléromètre piézoélectrique suivant l'invention présente des caractéristiques de fonctionnement dont la stabilité est considérablement améliorée, sa technique de fabrication est simplifiée et son prix de revient est fortement réduit D'autres caractéristiques de l'invention apparattront au cours de la description qui va suivre ,faite en référence aux dessins annexés , donnés uniquement à titre d'exemples et dans lesquels la Fig.l représente en coupe partielle longitudinale un acce le-romètre piézoélectrique suivant l'invention pourvu d'enceintes en forme de cylindres , disposés radialement , dont les axes sont situés dans deux plans parallèles ; la Fig.2 est une coupe suivant la ligne II-II de la Fig.l la Fig.3 est une vue à plus grande échelle d'un détail A de la Fig.l ; la Fig.4 représente en coupe longitudinale partielle d'un deuxième mode de réalisation d'un accéléromètre piézoélectrique suivant l'invention , avec des enceintes en forme de coins disposés symétriquement par rapport à l'axe longitudinal du bloc ;; la Fig.5 est une coupe suivant la ligne V-V de la Fig.4 la Fig.6 est un schéma de principe du couplage des électrodes de l'accéléromètre représenté sur la Fig.4 ; la Fig 7 montre en coupe longitudinale partielle un troisième mode de réalisation d'un accéléromètre piézoélectrique avec des enceintes en forme de cylindres coaxiaux comportant des fonds ,le cylindre extérieur étant orienté par sa face ouverte vers le fond du cylindre intérieur ; la Fig.8 est une coupe suivant la ligne VIII-VIII dela Fig.7. L'accéléromètre piézoélectrique proposé est conçu sous forme d'un bloc cylindrique monolithe 1 (Fig.l) en céramique piézoelec- trique . Dans le corps du bloc monolithe 1 sont ménagées des enceintes 2, en forme de cylindres, dont le diamètre est inférieur à celui du bloc 1, partageant le bloc 1 en zones assurant les fonctions d'embase 3. L'élément piézoélectrique 4 et de masse d'inertie 5. Les enceintes 2 sont exécutées de telle façon que leurs axes longitudinaux soient disposés dans deux plans parallèles Les axes longitudinaux des enceintes 2 (Fig.2) sont disposés radialement par rapport à l'axe longitudinal du bloc l,et l'angle minimal entre ces axes est de l'ordre de 45 A la surface des enceintes 2 est appliqué un revêtement métallique assurant la fonction d'électrodes 6 (Fig.3) Chacune des zones du bloc 1 (Fig.l), assurant le rôle d'embase 3 et de masse d'inertie 5, est pourvue d'une enceinte axiale 7 communiquant avec les enceintes 2 pour le raccordement des électrodes 6 situées à l'intérieur .A cet effet, la surface des enceintes 7 est également métallisée .Les connexions de l'accéléromètre ( non représentées pour faciliter la lecture du dessin ) sont raccordées aux surfaces métallisées des enceintes 7. La présence des enceintes 2 n'influence que très peu la rigidité du bloc monolithe 1, ce qui permet à l'accéléromètre suivant l'invention de présenter une fréquence de résonance propre suffisamment élevée . Cela élargit considérablement la gamme de fréquences de mesure des accélérations au moyen d'un appareil de ce type Le blindage électrostatique de 1 t accéléromètre considéré est conçu sous forme d'un revêtement métallique mince (non représenté) appliqué sur une mince sous-couche diélectrique qui l'isole des électrodes 6 (Fig.3). Un second mode de réalisation de l'accélêromètre piézoélectrique est analogue à celui décrit plus haut, mais il en diffère en ce que pour l'accroissement de la capacité électrique propre de l'élément piézoélectrique ti (Fig.4) disposé entre la masse d'inertie 9 et l'embase 10, dans le bloc monolithe 1 sont ménagées six enceintes 11 en forme de coin Les enceintes 11 (Fig.5) sont disposées symétriquement par rapport à l'axe longitudinal du bloc 1. Sur la surface du bloc 1 (Fig.4) sont appliquées des bandes conductrices 12 raccordant entre elles les électrodes 1D. Pour respecter la polarité, les électrodes 13 (Fig.6) sont raccordée en sautant chaque fois une électrode L'enceinte axiale 1 (Fig.4), ménagée dans e bloc du corps 1, passe à travers les zones jouant le rôle d'er1tase 10 et d'élément piézoélectrique 8 , favorise l'accroissement de la sensibi- lité de l'accéléromètre et en réduit le poids On propose un troisième mode de réalisation d'un accéléro- mètre piézoélectrique analogue à ceux décrits plus haut I1 diffère toutefois de ceux-ci en ce que le bloc Q (Fig.T) est de forme rectangulaire .Dans le corps du bloc 1 sont ménagées deux enceintes 15 en forme de cylindres coaxiaux comportant des fonds , le cylindre inférieur étant orienté par sa face ouverte vers le fond du cylindre extérieur Les enceintes 15 communiquent avec le milieu ambiant par l'intermédiaire de canaux 16 prévus pour le raccordement des connexions 18 de l'accéléromètre aux électrodes 17 Le blindage électrostatique est assuré, dans l'accéléromètre décrit, en appliquant sur la surface du loc 1 (Fig.) un revêtement métallique 19 sans sous-couche diélectrique L'avantage de l'accéléromètre considéré, par rapport à ceux décrits plus haut, consiste en ce que sa fixation sur un ensemble à étudier peut être réalisée par une de ses faces quelconques, ce qui est particulièrement important au cours de la mesure des différentes composantes d'accélération de l'ensemble considéré .Cela est également possible du fait que l'élément piézoélectrique 20 et la masse d'inertie 21 se trouvent dans des conditions identiques par rapport à 1'embase 22, indépendamment de la face de l'accé- léromètre choisie pour la fixation Pour procéder à la mesure de l'accélération à laquelle est soumis l'ensemble à étudier, un accéléromètre piézoélectrique quelconque ,parmi ceux considérés plus haut, doit être collé par son embase 3 (10,22) sur la surface de cet ensemble, et l'accélération de l'ensemble est alors transmise à l'accéléromètre I1 est possible d'utiliser un mode de réalisation de l'accé léronrètre à plusieurs éléments piézoélectriques Le principe de fonctionnement de tous les accéléromètres piézoélectriques proposés est le même, et il est basé sur l'utilisation de lteffet piézoélectrique direct de la céramique piézoélectrique Au cours de l'accélération, la masse d'inertie 5 (9,21) agit Uur l'élément piézoélectrique 4 ( & 20) de l'accéléromètre avec une force proportionnelle ài'accélération agissant sur l'aecé- léromètre .Ceci provoque la formation, sur les électrodes 6 (13,17) de l'élément piézoélectrique 4 (8,20), d'un signal électrique proportionnel à la valeur instantanée de l'accélération L'appareil de mesure correspondant branché aux bornes ld de l'accéléromètre peut mesurer et analyser le signal délivré Les accéléromètres piézoélectriques proposés présentent des propriétés technologiques supérieures d celles des appareils connus, car ils sont réalisés sous forme d'un bloc monolithe permettant de supprimer l'opération d'assemblage Dans les accéléromètres piézoélectriques proposés il n'y a pas de matériaux hétérogènes , de colle ou d'autres assemblages mécaniques, ce qui élimine toute influence sur leurs propriétés des facteurs technologiques et de construction tels que la qualité de l'assemblage, les propriétés de la colle, la qualité de l'usinage et de l'ajustage des éléments entrant dans la construction de l'appareil ainsi que les propriétés des éléments (passifs): le matériau du corps, de l'embase, de la masse d'inertie Les propriétés mentionnées plus haut réduisent les erreurs de température et de temps qui dans les accéléromètres suivant l'invention ne dépendent que des propriétés propres du matériau piézoélectrique utilisé ; elles améliorent leur stabilité par rapport au rayonnement radioactif L'absence d'une carcasse réduit le poids de l'accéléromètre, ce qui dans certains cas est très important Les propriétés techniques des modes de réalisation décrits de l'accéléromètre permettent, de les fabriquer à la channe sur installations ordinaires de fabrication d'éléments en céramique piézoélectrique; elles assurent la production en série et à bon marché d'accéléromètres fiables fonctionnant dans une large gamme de fréquences et présentant une sensibilité élevée , un encombrement et un poids réduit R E V E N E T C A T I O N S l-Accéléromètre piézoélectrique à blindage électroXfCztX vue dans lequel il est prévu au moins un élément piozoélectrique, comportant des électrodes disposées entre la russe d'inertie et l'embase, caractérisé en ce qu'il est réalisé sous forme d'un bloc monolithe en matériau piézoélectrique partagé par des enceintes à l'intérieur desquelles sont logées les électrodes, en zones assurant la fonction d'embase, d'élément piézoélectrique et de masse d'inertie . 2-Accéléromètre piézoélectrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ses enceintes sont en forme de cylindres disposés radialement dont les axes sont situés dans deux plans parallèles 3-Accéléromètre pièzoélectrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les enceintes sont en forme de coins et sont symétriques par rapport à l'axe longitudinal du bloc 4-Accéléromètre piézoélectrique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les enceintes sont conçues en forme de deux cylindres coaxiaux comportant des fonds , le cylindre intérieur étant orienté par sa face ouverte vers le fond du cylindre extérieur 5-Accéléromètre piézoélectrique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4 , caractérisé en ce qu'à la surface de cha- cune des enceintes est appliqué un revêtement conducteur consti- tuant les électrodes