Brevet FR2508647A1 — publié le 19821231

L'invention se rapporte aux dispositifs pour détecter des caractéristiques physiques En particulier, elle se rapporte aux dispositifs qui sont capables de détecter des paramètres tels qu'une vitesse angulaire, une accélération linéaire, la direction d'un champ magnétique, la direction d'un champ électrique et des données relatives à un écoulement d'air Il existe à présent un dispositif de détection multiple ou multidétecteur, qui est susceptible de mesurer les paramètres énumérés plus haut Cet appareil particulier a été décrit dans le brevet US n' 4 197 737 ayant pour titre "Multiple Sensing Device and Sensing Devices Therefor" au nom de Roland Pittman et publié le 15 avril 1980. La figure 1 montre l'appareil 10 et un dispositif démodulateur convenable 12 L'appareil consiste essentiellement en un arbre tournant 14 comportant deux bras s'étendant radiale- ment et réalisés en matériau piézoélectrique, lesquels consti- tuent un dipôle simple 16 Quand une perturbation physique est appliquée, les bras fléchissent, ce qui a pour effet d'engendrer une tension piézoélectrique proportionnelle à la valeur du fléchissement La sortie est prélevée à partir du multisenseur au moyen d'un dispositif à bagueset balais (non représentés). Le multidétecteur qui a été décrit plus haut détecte des vitesses et des accélérations linéaires par rotation des éléments piézoélectriques autour de l'axe d'un moteur d'entraînement En interconnectant les dispositifs piézoélectriques de façon appropriée, on obtient que leurs réponses soient maximisées pour l'entrée désirée et minimisée pour les entrées non désirées. Quand l'arbre tourne, toute accélération appliquée, qu'il s'agisse d'accélération linéaire dans le cas d'un détecteur d'accélération ou d'accélération de Coriolis dans le cas d'un détecteur de vitesse de rotation, se produisant dans le plan du dipole, est multipliée par cos(&Jst), ks étant la vitesse angulaire qui engendre un signal à la fréquence de rotation proportionnel en amplitude à l'accélération appliquée Toutefois, si l'on applique à l'entrée une perturbation qui se trouve à deux fois la fréquence de rotation ( 2 '), celle-ci va également s produire un signal de sortie à la fréquence de rotation qui ne peut donc pas se distinguer du signal désiré Les irrégularités et les imperfections dans les paliers peuvent introduire et en fait introduisent des accélérations et des vitesses angulaires qui sont modulées par le mécanisme de rotation et ont pour effet l'apparition d'une erreur importante dans la sortie. Lorsque le multidétecteur consiste en un simple dip 8 le, il n'y a pratiquement aucun moyen de réaliser une compensation de ces "faux" signaux. Etant donné l'incapacité de l'appareil de la figure 1 de discriminer entre des perturbations à deux fois la fréquence de rotation et un vrai signal d'entrée, le multidétecteur en question n'a pas connu un développement important C'est un objectif de la présente invention en conséquence d'utiliser le principe de base de ce multidétecteur dans une configuration telle qu'il soit insensible aux bruits de paliers et autres imprécisions dont peut résulter l'apparition de signaux de sortie erronés. Grâce à la présente invention, on peut éviter les inconvénients du multidétecteur décrit dans le brevet US 4 197 737 par l'incorporation d'un dipole additionnel ou second dipoele qui est positionné à angle droit par rapport au premier. On conviendra de se référer au premier diplle comme étant le dipole "réel" et au second comme étant le dipole 'imaginaire', ce qui correspond à un système de coordonnées en rotation Le dipôle ajouté ou imaginaire fournit une source additionnelle d'information qui, lorsqu'elle est démodulée, permet une reconstruction précise de l'information appliquée à l'origine au multidétecteur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre et se réfère aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 représente un multidétecteur tel qu'il est décrit dans le brevet US 4 197 737 associé à un circuit de démodulateur convenable, et la figure 2 représente un multidétecteur perfectionné selon l'invention et son circuit démodulateur. L'invention et son circuit de démodulation associé sont représentés à la figure 2 L'ensemble 20 de multidétecteur perfectionné est presque semblable à son prédécesseur 10 représenté à la figure 1 Il comporte deux dipoles 22 et 24 de matériau piézoélectrique qui sont montés sur un arbre 26. Les détails mécaniques du multidétecteur, en ce qui concerne sa construction, sont similaires à ceux du multidétecteur à dipole unique Ils ont été longuement exposés dans le brevet US 4 197 737 et il est inutile de les répéter dans la présente demande. La figure 2 représente également, sous forme de circuit bloc, le circuit nécessaire pour démoduler le signal. Le procédé est similaire à celui utilisé pour le multidétecteur à dipôle unique avec quelques légères modifications Il sera décrit en détail plus loin. L'analyse qui va suivre est nécessaire pour une bonne compréhension du fonctionnement des multidétecteurs à deux dip Sles. Si l'on considère une perturbation sinusoïdale de vitesse angulaire A D dans le plan X-Y du multidétecteur d'ampli- tude A ayant un angle de phase X au temps t = 0 L'amplitude de la perturbation est donnée par la formule D = A cos(ú Dt + È) ( 1) Si l'on suppose que la perturbation se produit selon une droite qui se trouve à un angle de O par rapport à l'axe X du détec- teur, la perturbation devient, selon l'axe X Dx = D cos ( 2) et selon l'axe Y D = D sin ( 3) En combinant les équations ( 1) et ( 2) pour les composantes selon l'axe X dela perturbation et les équations ( 1) et ( 3) pour les composantes suivant l'axe Y, et en procédant à un développe- ment, on obtient Dx = l Lcos "àDt + j +e) +cos (W Dt + W À, l ( 4) Dy = A lsin (eût + 6 +À sin (Oût + ç &J ( 5) Ci l'on considère le détecteur comme étant constitué d'une paire de dipoles (qui ont été désignés de façon arbitraire "réel" et "imaginaire"), lesquels sont montés à angle droit par rapport à l'axe de rotation et à angle droit l'un par rapport à l'autre, et si l'on définit le dipole réel comme étant aligné par rapport à l'axe X de l'instrument au temps t = O et le dipole imaginaire comme étant aligné avec l'axe Y de l'instrument au temps t = ri/( 2 i S) avec w S = vitesse angulaire de rotation de l'arbre, on obtient pour le signal réel: SR = Dx cos (& t) + Dy sin ( Jst) ( 6) s s 6 et pour le signal imaginaire: SI = Dy cos (a J t) DX sin (c t) ( 7) En développant, on obtient: R = A/2 Cos( D ús)t + +) + cos (( D + O)t + ( 8) Si ((D S)t + S+ ) sin ((AD + Ws)t +, J) ( 9) Pour retrouver une information d'entrée d'origine pour les axes X et Y, il est nécessaire de multiplier les informations réel et imaginaire par sin(L Ost) et cos(LO st) pour obtenir quatre produits et de combiner ces produits par paires: Signal Axe X = SR cos(&) st) SI sin( O st) ( 10) Signal Axe Y = SI cos(W st) + SR sin( c St) ( 11) En développant et en combinant on obtient pour les deux compo- santes de signal: Signal X = A/2 lcos(LJ Dt + +) + cos( 3 Dt + -) ( 12) Signal Y = A/2 lsin( O Dt + +) sin(O Dt +) ( 13) Ces expressions peuvent être réécrites comme: Signal X = A cos( Dt +) cos ( 14) Signal Y = A cos( Dt + 6) sin ( 15) Dans ces formules, le terme A cos( Dt + M) correspond à la perturbation appliquée au détecteur, alors que cos i et sin représentent l'orientation de la perturbation par rapport aux axes de l'instrument Les équations ( 14) et ( 15) montrent qu'à condition d'employer des dipoles réel et imaginaire dans l'instrument et à condition que la démodulation du signal soit accomplie par multiplication en sinus et cosinus, la sortie va représenter l'information à l'entrée de l'instrument La transformation du bruit des paliers à deux fois la fréquence de rotation en polarisation statique ne se produira pas. Dans le multidétecteur connu, l'information est saisie au moyen d'un détecteur à dipole unique et non pas par l'utili- sation de détecteurs réel et imaginaire Les effets de la présente mise en oeuvre peuvent être déterminés en donnant la valeur O au signal imaginaire dans les équations ( 10) et ( 11). Signal X = SR cos( Wst) ( 16) s Signal Y = SR sin( Lst) ( 17) Par développement et combinaison, on obtient pour les deux composantes de signal: Sig X =cos(W Dt+o)cos(o) +Acos (("D-2 us)t++) Sig X 2 =D 4 D + A cos (( D+ 2 Ws) t +) ( 18) Sig Y = cos( Dt+)sin) + sin( (( 4-2 ts)t+ç+e) + sin ((CD+ 2 US) t + 6 -) ( 19) Le premier terme des équations ( 18) et ( 19) est identique à la moitié du signal défini par les équations ( 14) et ( 15) et représente la sortie correcte du dispositif Cette sortie, cependant, est altérée par les deuxième et troisième termes. Le troisième terme n'est pas trop significatif étant donné que sa fréquence la plus basse possible se produit quand M)D = -à deux fois la fréquence de rotation du dispositif Il représente un bruit à haute fréquence qui normalement n'affectera pas le système Le second terme des équations ( 18) et ( 19) pose un problème Il montre que les perturbations à deux fois la fré- quence de rotation vont produire une polarisation statique dans la sortie avec une sensibilité de 50 % (si on la compare à la sensibilité statique de l'instrument) Etant donné que l'effet 1.0 du bruit des paliers est élevé à deux fois la fréquence de rotation, la construction de l'instrument sans l'utilisation simultanée des dipôles réel et imaginaire impose une limitation importante de la stabilité de polarisation dudit appareil. Le multidétecteur est essentiellement un modulateur. Pour dériver une information utile du multidétecteur, la sortie des dip Sles est prélevée au moyen d'un dispositif à bague et balais (non représenté) pour être ensuite traitée dans un circuit démodulateur Le procédé de démodulation est simplement l'inverse d'un procédé de modulation et en tant que tel il est régi par la relation mise en évidence dans les équations ( 1) à ( 15) ci-dessus Le signal provenant de chaque dipôle est intro- duit dans des canaux distincts sur des conducteurs 30 et 32. Initialement, les signaux sont amplifiés et filtrés dans des étages 34 et 36 Alors, chaque signal est introduit simultané- ment au deux démodulateurs, l'un étant référencé comme corres- pondant à zéro degré et l'autre à quatre-vingt dix degrés. Mathématiquement, ceci est équivalent à multiplier chaque signal par cos(W lst) et sin () St) Pour terminer le procédé, les sorties du démodulateur 38 et du démodulateur 42 sont additionnées (la sortie du démodulateur 42 est en fait inversée) à une jonction d'addition 46 et les sorties du démodulateur 40 et du démodulateur 44 sont additionnées à une jonction d'addi- tion 48 Les amplificateurs de sortie et les filtres sont prévus en 50 et 52 Les sorties de ces étages sont les indica- teurs des axes X et Y, comme cela apparaît mathématiquement dans les équations ( 14) et ( 15) Il y a lieu de noter que pour une entrée correspondant à l'immobilisation de l'instrument, a D est égal à zéro et ces signaux ne sont pas des fonctions variables avec le temps mais au contraire apparaissent sous forme de tensions en courant continu constantes. Le multidétecteur à deux dipôles constitue la seule configuration possible qui permet d'éviter l'inconvénient inhérent aux multidétecteurs à diple unique En théorie, tout système qui collecte une accélération linéaire et une vitesse angulaire en utilisant un système à deux dimensions permettra l'obtention du résultat désiré Par exemple, un détecteur qui comporte trois bras s'étendant radialement et qui sont décalés l'un par rapport à l'autre de 1200 permettra une discrimination par rapport au terme 2 W S Il en sera de même dans le cas de cinq bras décalés de 72 les uns par rapport aux autres Le démodulateur correspondant devrait comporter les fréquences de référence appropriées pour décoder la sortie d'un tel détecteur. Dans la discussion qui précède, on a supposé que le signal provenant de l'instrument serait multiplié par une fonction sinus ou cosinus en vue de réaliser le processus de démodulation En principe, ceci pourrait être accompli en prélevant les signaux à une grande vitesse, après un filtre convenable, réalisant une conversion A/D et en multipliant le signal résultant par la fonction sinus ou cosinus appropriée telle qu'elle est emmagasinée dans une mémoire ROM et adressée par le compteur sur une boucle de synchronisation à verrouillage de phase Un simple filtrage passbas digital des informations résultantes pourrait fournir une information prête à utiliser par un ordinateur En pratique, pour prendre effectivement une telle approche, il semblerait nécessaire d'utiliser un conver- tisseur A/D de seize à dix-huit bits de précision et de résolu- tion qui soit capable de fonctionner à environ 100 k HZ pour permettre le multiplexage du dispositif A/D A l'heure actuelle, un tel dispositif ne semble pas hors de portée (la précision des multiplicateurs analogues disponibles est également malheureusement inadéquate pour une telle application). La seule réalisation de la fonction de démodulation qui semble adéquate couramment est le démodulateur à commutation. Le démodulateur à commutation fonctionne en multipliant le signal par 1 plutôt qu'en multipliant par sin( úst) ou par cos(",st) Si un démodulateur de commutation est utilisé, les harmoniques impairs, caractéristiques d'une onde carrée, seront introduits dans la sortie et il sera nécessaire de procéder à un filtrage. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décritset représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. REVENDICATIONS 1 Dispositif détecteur caractérisé en ce qu'il comporte en combinaison un arbre rotatif ( 26), au moins un bras en cristal piézoélectrique ( 22) fixé audit arbre ( 26) et comportant une sortie de signal, et au moins un deuxième bras en cristal piézoélectri- que ( 24) fixé audit arbre et comportant une sortie de signal, ledit second bras étant décalé angulairement par-rapport audit premier bras, et des moyens démodulateurs. 2 Dispositif détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier dipôle ( 22) ayant deux bras en cristal piézoélectrique et étant fixé par son point milieu audit arbre ( 26) et comportant une sortie de signal, et un deuxième dipôle ( 24) comportant deux bras en cristal piézoélectrique et étant fixé par son point milieu audit arbre ( 26) et comportant une sortie de signal, ledit second dipole étant décalé angulairement par rapport audit premier dipole. 3 Dispositif détecteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que les premier et second dipôles ( 22,24) sont orientés dans des plans perpendiculaires à l'axe dudit arbre. 4 Dispositif détecteur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit second dip'ole ( 24) est orienté à -angle droit par rapport audit premier dipôle ( 22). Dispositif détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits premier et second dipôles se trouvent dans un même plan. 6 Dispositif détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens formant bagues de collecteur électrique couplées auxdits premier et second dipoles pour fournir la sortie. 7 Dispositif détecteur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens démodulateurs comportent des moyens formant démodulateur synchrone. 8 Dispositif détecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens démodulateurs comportent un premier, un second, un troisième et un quatrième démodulateurs synchrones ( 38,40,42,44), chacun comportant un signal d'entrée, un signal de référence et un signal de sortie; un premier générateur de signal ( 38) dont la phase est référencée par rapport à O'; un second générateur ( 40) de signal dont la phase est référencée par rapport à 900; une première jonction d'addition ( 46) ayant une entrée sans inversion, une entrée à inversion et une sortie; une seconde jonction d'addition ( 48) ayant une première et une seconde entrées sans inversion et une sortie; ladite sortie dudit premier dipole étant reliée aux sorties de signaux desdits premier ( 38) et second ( 40) démodulateurs synchrones, ladite sortie du second dipole ( 24) étant reliée aux entrées de signaux desdits troisième ( 42) et quatrième ( 44) démodulateurs synchrones, la sortie dudit premier générateur de sortie de signal étant reliée auxdites sorties de référence desdits premier ( 38) et quatrième ( 44) démodulateurs synchrones, la sortie dudit second générateur de signal étant reliée auxdites entrées de référence desdits second ( 40) et troisième ( 42) démodulateurs synchrones, ladite sortie dudit premier démodulateur ( 38) synchrone étant reliée à ladite entrée sans inversion de ladite première jonction d'addition ( 46), ladite sortie du deuxième démodulateur ( 40) synchrone étant reliée à ladite entrée sans inversion de ladite seconde jonction d'addition ( 48), la sortie dudit troisième démodulateur synchrone ( 42) étant reliée à ladite entrée à inversion de ladite première jonction d'addition ( 46) et la sortie du quatrième démodulateur synchrone ( 44) étant reliée à ladite seconde sortie sans inversion de ladite seconde jonction d'addition ( 48). 9 Dispositif détecteur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier, un second et un troisième bras de matériau piézoélectrique fixés audit arbre rotatif et s'étendant vers l'extérieur à partir dudit arbre dans une direction perpendiculaire à ce dernier, lesdits bras étant orientés à 1200 les uns par rapport aux autres, des moyens de démodulation étant associés auxdits bras. Procédé pour détecter une accélération linéaire et une vitesse angulaire, en particulier mettant en oeuvre un dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte les phases suivantes entraînement en rotation d'un premier dipole de matériau cristallin piézoélectrique par son point milieu autour d'un axe de rotation normal audit dip Ole pour produire un signal de-sortie à partir de ce dernier, entraîner en rotation un second dipôle de matériau cristallin piézoélectrique par son point milieu autour dudit axe de rotation, ledit second dip 8 le étant déplacé angulairement par rapport audit premier dip Gle pour produire un signal de sortie à partir dudit second dip Sle, et procéder à la démodulation desdits signaux de sortie desdits premier et second dipôles. 11 Procédé pour détecter une accélération linéaire et une vitesse angulaire selon la revendication 10, caractérisé en ce que le processus de démodulation comporte les phases suivantes: démodulation synchrone de ladite sortie du premier dipole avec une référence de phase de O et 900 pour produire des premier et second signaux démodulés respectivement démodulation synchrone de ladite sortie du second dipôle avec une référence de phase de O et 900 pour produire des troisième et quatrième signaux démodulés respectivement procéder à l'inversion dudit troisième signal démodulé; additionner ledit premier signal démodulé et ledit troisième signal démodulé après inversion pour produire une sortie en X; et additionner ledit second et ledit quatrième signaux démodulés pour produire une sortie en Y. 12 Procédé pour mesurer l'accélération linéaire et la vitesse angulaire d'un corps comportant un axe de rotation sur au moins deux axes non parallèles en rotation autour dudit arbre de rotation au moins deux desdits axes étant perpendiculaires par rapport audit axe de rotation.