Brevet FR2509471A1 — publié le 19830114

La présente invention concerne les accéléromètres et notamment les accéléromètres pendulaires équilibrés destinés par exemple aux ensembles de guidage par inertie dans les applications aérospatiales. Un accéléromètre équilibré connu comporte une petite masse pendulaire supportée par deux pivots souples. L'équilibrage des forces est assuré à l'aide de deux aimants permanents travaillant d'une manière alternative. L'ouvrage Scientific Encyclopedia de Von Nostrand (5e édition) page 1, décrit un accéléromètre de ce type. On peut utiliser un arrangement à bobine mobile et à aimant permanent pour l'équilibrage des forces. Dans une variante de l'utilisation d'un équilibrage magnétique des forces, on a proposé un arrangement d'équilibrage électrostatique des forces utilisé dans un accéléromètre pendulaire suspendu. Cependant, on a constaté qu'il était difficile de créer des forces électrostatiques suffisamment importantes pour qu'elles assurent l'équilibrage des forces appliquées au pendule d'un accéléromètre utilisable en pratique. On a déjà proposé l'immersion d'un accéléromètre à équilibrage électrostatique dans un liquide tel qu'une huile de silicone afin que la permittivité relative soit accrue. Cependant, les accéléromètres contenant de l'huile présentent un certain nombre d'inconvénients. L'un d'eux est que l'huile de silicone par exemple a une masse volumique qui varie de 0,1 % par degré Celsius et sa permittivité relative diminue lorsque la température augmente. Un autre inconvénient est qu'on doit utiliser un soufflet quelconque de dilatation dans le cas d'un accéléromètre contenant une huile. L'invention concerne un accéléromètre équilibré électrostatiquement, nécessitant une tension réduite de pilotage. Plus précisément, l'invention concerne un accéléromètre pendulaire à équilibrage de forces comprenant un pendule qui a une mince feuille dont l'axe de pivo tement recoupe la feuille, le centre de gravité de la feuille étant distant de l'axe de pivotement, et au moins deux plaques ou électrodes d'équilibrage électrostatique, très proches de la surface de la feuille et destinées à exercer sur celle-ci une force électrostatique d'équilibrage. Le pendule peut être un mince disque plat et peut avoir un rebord relativement massif, distant de l'axe de pivotement. Cet axe peut être diamétral et le disque peut être suspendu ou articulé. Le disque peut avoir une ouverture, de préférence adjacente à son rebord, afin qu'elle ait un centre de gravité décalé par rapport au diamètre. Le pendule peut être suspendu par un ou plusieurs fils de tension ou par deux fils fixés sur les côtés du pendule et placés dans un plan sensiblement perpendiculaire au pendule lorsque celui-ci est en position neutre. Cependant, le pendule est de préférence articulé autour de l'axe de pivotement. Les plaques ou électrodes d'équilibrage électrostatique des forces peuvent être pilotées de façon proportionnelle par des impulsions d'un circuit d'asservissement ayant une entrée de réaction reliée à des électrodes d'un capteur électrostatique de position. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe schématique en élévation latérale d'un accéléromètre selon l'invention; la figure 2 est une vue en plan du pendule de l'accéléromètre de la figure 1; la figure 3 est une élévation de l'accéléromètre de la figure 1; la figure 4 est une vue en plan d'une variante de pendule; la figure 5 représente une forme d'onde idéalisée de variation de la tension d'une impulsion produite par un circuit de commande numérique de l'accéléromètre; la figure 6 est un graphique représentant les erreurs dues aux caractéristiques de non linéarité de l'impulsion de la figure 5; la figure 7 est un schéma représentant un circuit de détection de position du pendule de l'accéléromètre de la figure 1;; les figures 8 et 9 sont des schémas représentant des variantes de circuits de détection de position du pendule; la figure 10 est un schéma représentant un circuit d'asservissement faisant partie de l'accéléromètre de la figure 1; la figure 11 est une vue en plan d'un autre mode de réalisation de pendule comprenant un dispositif de montage articulé; la figure 12 est une coupe suivant la ligne X-X du pendule de la figure il ; et la figure 13 est une coupe suivant la ligne Y-Y d'une partie du pendule de la figure 11, à plus grande échelle. La figure 1 représente un accéléromètre selon l'invention, comprenant un corps cylindrique 1 de matière plastique qui loge un pendule 5 en forme dedisque, deux électrodes ou plaques 3a, 3b d'équilibrage électrostatique de forces, et deux plaques ou électrodes 4a, 4b de détecteur électrostatique de position. L'accéléromètre comporte en outre un circuit 12 d'asservissement qui est représenté sur la figure 9 et qui a des sorties électriques reliées aux électrodes 3a, 3b d'équilibrage et qui a des entrées (non représentées) reliées à chacune des électrodes 4a, 4b du détecteur de position. Le pendule 5 qui est représenté en détail sur la figure 2 est suspendu par deux fins fils métalliques tendus 2a, 2b passant dans des ouvertures îîa et 11b formées dans le pendule (voir figure 2). La figure 3 représente la disposition des fils 2a, 2b montés à leurs extrémités sur la paroi interne du corps 1. La figure 2 représente le pendule 5 qui est formé d'aluminium et qui a une forme générale de disque ayant un diamètre de 22 mm et une masse de 0,5 g. Le pendule a une partie courbe 8 qui constitue une masse de déséquilibre afin que le centre de gravité du pendule soit distant de son axe de suspension s-s, entre les points îîa et îîb de suspension. Le pendule est formé dans un disque métallique à face plane par attaque chimique de région 6 en forme de quadrant, jusqu'à la moitié de l'épaisseur, afin qu'il reste une partie circonférentielle 7 en saillie et des joues radiales 9 et 10 assurant un renforcement mécanique. La figure 4 représente une variante de pendule dans laquelle l'espacement nécessaire du centre de gravité et de l'axe de suspension s-s est obtenu par utilisation d'un disque 20 ayant une ouverture allongée 24. Le pendule a une partie circonférentielle 21 et des joues radiales 22 en saillie qui ont pratiquement la même configuration que dans le cas du pendule de la figure 3. Une étude de la commande proportionnelle analogique donnant un équilibrage électrostatique des forces appliquées au pendule montre que les petits déplacements angulaires du pendule provoquent des déséquilibres excessivement élevés des forces. Le circuit d'asservissement des figures 1 et 9 met en oeuvre un circuit proportionnel à impulsions pour l'application d'une tension pendant une période qui dépend de la force. La période est proportionnele à l'accélération détectée et constitue une mesure de celle-ci. La figure 5 représente la configuration d'un exemple de forme d'onde d'impulsions Comme les flancs montants et retombants d'une impulsion réelle P diffèrent de ceux d'une impulsion idéale V comme représenté sur les figures 5 et 6, un défaut de linéarité existe dans l'équilibrage des forces du pendule.Un défaut supplémentaire de linéarité est dû à l'asymétrie due aux différence entre les distances séparant les électrodes positive et négative 3a, 3b du disque. Le réglage de la position neutre des capteurs réduit au minimum ce dernier défaut de linéarité. Dans le cas d'un courant d'excitation de 20 'LA et d'une capacité des électrodes de 15 pF, le temps de montée t est donné par l'équation On suppose que les temps de montée et de descente sont égaux et dans le cas d'une impulsion de 10 sss, la perte résultante de vitesse (par rapport à l'intégrale idéale de l'accélération en fonction du temps) est de 1 % puisque la force est proportionnelle au carré de la tension qui augmente progressivement.Ceci n'est pas une erreur importante pourvu que les niveaux de vibration ne fassent pas d'excursions fréquentes dans les régions supérieures à 10 g, en provoquant des effets de redressement qui se manifestent sous forme d'une polarisation. La figure 7 représente un circuit de détection de position qui détecte le déplacement angulaire du pendule et a un signal de sortie qui parvient au circuit 12 d'asservissement. Le pendule 5 est mis à la masse par l'intermédiaire des fils 2a, 2b de suspension. Le circuit a des électrodes 30 de garde contre l'excitation et de capteur mises à la masse, un transformateur différentiel 31 fonctionnant à 100 kHz et dont la sortie est reliée aux électrodes 32, 33 qui sont ainsi excitées et qui correspondent aux électrodes 4a, 4b de la figure 1. Deux plaques polarisées de blindage 34, 35 ou électrodes sont placées très près des électrodes 32, 33 respectivement. La figure 8 représente une variante de circuit qui comprend des électrodes 40 mises à la masse et un transformateur de tension en mode commun. La figure 9 représente une autre variante disposée de manière que des tensions actives soient appliquées à la fois au pendule et à son châssis, ce circuit comprenant un transformateur mis à la masse 50. La figure 10 représente le circuit d'asservissement 12 de la figure 1. Une bobine 60 de capteur de courant de déséquilibre alimente un préamplificateur dont le signal alternatif de sortie a sa phase détectée dans un démodulateur 61. Le signal de sortie du démodulateur parvient à un circuit 64 de commutation commandé par un signal d'horloge, par l'intermédiaire de comparateurs 62 et 63 afin qu'il forme un signal pulsé de sortie destiné aux électrodes 3a, 3b. La figure 11 représente un autre mode de réalisation de pendule 70 qui est articulé. Le pendule est formé d'une feuille d'alliage d'aluminium qui est attaqué sélectivement chimiquement afin qu'elle possède des nervures 72, 73, 74 et 75 de renforcement, partant d'une nervure centrale 88 placée le long d'un axe P1, P2 d'articulation, et une nervure transversale 76 qui est perpendiculaire à l'axe P1, P2, une nervure externe 71 étant sensiblement parallèle à la nervure centrale 88 mais étant distante de celle-ci. Les nervures 71 à 76 et 88 ont une épaisseur de 0,5 mm et les régions de la feuille qui sont placées entre les nervures ont une épaisseur de 0,12 mm. La figure 12 représente le pendule 70 en coupe, ainsi que l'étendue de la nervure transversale 76 et de la nervure externe 71. Le pendule 70 est monté par des charnières 82, 83 dépassant de plaques fixes de montage 80 et 81. La charnière 82 est représentée en coupe et à plus grande échelle sur la figure 13. Elle comporte une plaque 80 de montage qui a un trou 84 qui loge un boulon de serrage (non représenté) destiné au montage de la plaque 80 sur une plate-forme fixe (non représentée). Le pendule 70 est raccordé à la plaque par un mince élément 86 d'articulation formé de sulfamate de nickel et ayant un film d'or 87 à sa face supérieure. La charnière est formée par réalisation de la plaque 80 en une seule pièce avec le pendule 70 afin que la plaque 80 et la nervure centrale 88 du pendule forment un organe continu d'alliage d'aluminium ayant une épaisseur de 0,5 mm. La couche 87 d'or est formée à la face inférieure du pendule, dans la région d'articulation comme indiqué sur la figure 13, et la couche de sulfamate de nickel de l'élément 86 d'articulation est formée sur la couche d'or 87. La canal 89 est formé par attaque de l'alliage d'aluminium afin que le pendule 70 reste supporté par l'élément 86 de charnière qui dépasse de la plaque 80 et a une épaisseur de 50 microns. L'articulation ou charnière 83 est formée exactement de la même manière que l'articulation ou charnière 82. La masse du pendule, des articulations et des plaques de montage est de 0,5 g. Il est bien entendu que l'invention n'a été décrite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technqieu dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son cadre. Par exemple, la position du pendule 70 peut être détectée par un dispositif optique. La feuille qui constitue la masse pendulaire peut être formée de matière autre qu'un alliage d'aluminium, par exemple de silicium. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre pendulaire équilibré, caractérisé en ce qu'il comprend un pendule formé d'une mince feuille sensiblement plane 5 ayant un axe de pivotement qui recoupe la feuille, le centre de gravité de la feuille étant distant de l'axe de pivotement, et au moins deux électrodes d'équilibrage électrostatique (3a, 3b) des forces, très proches de la surface de la feuille et destinées à exercer sur celle-ci une force électrostatique d'équilibrage. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que la feuille a des nervures (9) de renforcement partant de l'axe de pivotement. 3. Accéléromètre selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la feuille a une nervure (71) sensiblement parallèle à l'axe de pivotement mais distante de celui-ci afin qu'elle détermine-un centre de gravité désaxé. 4. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la feuille (5) forme un disque, et celui-ci est articulé ou suspendu autour de l'axe de pivotement en des points qui se trouvent à la périphérie du disque ou à son voisinage. 5. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes; caractérisé en ce que la feuille est suspendue par deux fils métalliques (2a, 2b) fixés aux côtés de la feuille et disposés dans un plan sensiblement perpendiculaire au plan de la feuille lorsque celle-ci est en position neutre. 6. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la feuille est montée sur deux charnières (80, 81) présentant une faible rigidité, autour de l'axe de pivotement. 7. Accéléromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que les charnières sont formées de sulfamate de nickel. 8. Accéléromètre selon l'une quelconque des reven dications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes d'équilibrage électrostatique (3a, 3b) sont excitées par un circuit d'asservissement (12) ayant une entrée de réaction ré liée à un circuit de mesure de la position de la feuille. 9. Accéléromètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit d'asservissement (12) assure une excitation proportionnelle pulsée des électrodes d'équilibrage électrostatique (3a, 3b). 10. Accéléromètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de mesure de la position de la feuille transmet un signal qui varie avec la valeur de la capacité existant entre la feuille et une plaque de détection distante de la feuille.