Brevet FR2529681A1 — publié le 19840106

ACCELEROMETRE A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE. La présente invention se rapporte aux accéléromètres à ondes élasti- ques de surface et plus particulièrement à ceux qui comportent au moins deux oscillateurs reliés à des moyens transducteurs situés sur deux faces d'une structure fléchissante ayant une extrémité encastrée Les moyens transducteurs sont conçus pour exciter et recueillir des ondes élastiques de surface dont on sait que la vitesse de propagation varie en fonction des contraintes mécaniques de flexion Selon un premier mode de réalisation, les moyens transducteurs forment une ligne de transmission dont le temps de retard fixe le déphasage d'une boucle oscillatrice Selon un second mode de réalisation, les moyens transducteurs sont situés dans une cavité résonante à réseaux et sont reliés à des moyens électriques destinés à entretenir l'oscillation de la cavité La fréquence représentative de l'oscillation à mesurer résulte de la soustraction de deux fréquences d'oscillation, mais ces fréquences sont sujettes à une dérive thermique qui peut fausser la mesure des faibles accélérations Lorsque deux oscillateurs sont couplés, l'oscilla- tion de l'un peut entraîner l'autre à osciller à la même fréquence Le phénomène se produit lorsque les fréquences propres des deux oscillateurs sont très proches Pour combattre ce phénomène, on peut écarter les oscillateurs ou décaler suffisamment leurs fréquences d'oscillation, mais alors la compensation des dérives thermiques n'est plus idéale On rencontre ce type de problème dans les accéléromètres o la structure qui fléchit est une simple lamelle encastrée à une extrémité En effet, les moyens transducteurs sont en surplomb sur les deux faces principales de la lamelle et pour des raisons de sensibilité à l'accélération, l'épaisseur de cette lamelle est faible Les conditions de montage mécanique de la lamelle peuvent induire des contraintes indésirables prenant naissance à l'encas- trement Ces contraintes varient du fait du vieillissement des matériaux et de leur relaxation qui intervient postérieurement à l'assemblage initial. En dehors des problèmes de découplage électrique et de fixation qui sont évoqués ci-dessus, le problème se pose également d'assurer une mesure de la composante de l'accélération à mesurer L'utilisation d'une seule lamelle fléchissante implique un montage parfaitement symétrique de là masse séismique pour que l'accélération ne puisse pas donner naissance à des déformations de torsion de la lamelle En effet, la rigidité à la torsion dépend du moment d'inertie de la section droite de la lamelle et celui-ci n'est pas assez important pour s'opposer à un couple de torsion La solution du problème de découplage mécanique au niveau de la structure déformable est envisageable à condition de ne pas sacrifier la sensibilité de Paccélé- romètre Pour ce faire, il faut également disposer judicieusement les moyens de mesure à ondes élastiques de surface, car il ne serait pas avantageux d'utiliser toute la longueur d'une poutre en flexion pour la circulation des ondes élastiques de surface En effet, que l'on ait affaire à une ligne à retard ou à un résonateur à ondes élastiques de surface, il y a lieu de considérer que chaque oscillateur ne doit s'accrocher que sur un seul mode d'oscillation En donnant une longueur importante à une ligne à retard ou à un résonateur, on court le risque de resserrer les modes à un point tel que la sélectivité des transducteurs ou des réseaux réflecteurs ne permette pas d'assurer le fonctionnement monomode désiré Ceci conduit en pratique à des moyens de mesure à ondes élastiques de surface couvrant à une fréquence de l'ordre de 100 M Hz une distance d'une centaine de longueurs d'ondes La diminution de résolution qui correspond à une limitation de létendue des moyens de mesure peut être largement compensée par une meilleure utilisation des contraintes de flexion dont dépend la variation de la vitesse de propagation des ondes élastiques de surface. L'invention a pour objet un accéléromètre à ondes élastiques de surface comprenant une structure déformable encastrée à une extrémité et munie à son autre extrémité d'une masse séismique; ladite structure comportant deux facettes de mesure parallèles ayant un plan de symétrie perpendiculaire à l'axe sensible de l'accéléromètre; chacune desdites facettes de mesure comportant une zone occupée par un moyen à ondes élastiques de surface qui détecte les contraintes de flexion engendrées par la composante selon ledit axe sensible de l'accélération à mesurer et qui agit sur la fréquence d'accord d'un oscillateur; ledit oscillateur et son homologue étant reliés à un mélangeur soustractif qui produit un signal de mesure dont la fréquence est représentative de la mesure de ladite composante, carac- térisé en ce que ladite structure déformable comporte de part et d'autre dudit plan de symétrie deux éléments flexibles lamelliformes encadrant un évidement central qui s'étend depuis l'extrémité encastrée jusqu'à ladite masse séismique; lesdites facettes de mesure étant constituées par des faces desdits éléments équidistantes dudit plan de symétrie. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ci-après et des figures annexées parmi lesquelles: La figure 1 est une vue isométrique d'un accéléromètre selon l'in- vention. La figure 2 est une vue isométrique d'une variante de réalisation dé l'accéléromètre selon l'invention. La figure 3 illustre un détail de réalisation applicable aux dispositions des figures 1 et 2. Les figures 4 et 5 sont des figures explicatives. Dans le domaine o se situe l'invention, il existe des dispositifs de mesure d'accélération basés sur l'influence qu'exercent sur des ondes élasti- ques de surface les contraintes de flexion d'une poutre en porte à faux Selon un mode de réalisation typique, la poutre est une lamelle piézoélectrique encastrée à une extrémité et munie à son autre extrémité d'une masse séismique Lorsqu'une accélération est appliquée à l'ensemble de la lamelle et du bati qui lui sert de support et que cette accélération agit selon un axe de mesure perpendiculaire à ses faces principales, des contraintes de flexion peuvent être détectées selon ces faces par des moyens de mesure à ondes élastiques de surface A titre d'exemple non limitatif, ces moyens compren- nent sur chaque face principale une ligne à retard formée de deux transducteurs interdigités qui échangent des ondes élastiques de surface selon une direction située à l'intersection de la face et d'un plan de flexion qui contient l'axe de mesure de l'accéléromètre Les ondes élastiques rencontrent sur leur trajet une contrainte de flexion qui diminue d'intensité lorsqu'on s'éloigne de l'encastrement et cette contrainte change de signe lorsqu'on change de face En bouclant deux oscillateurs via les lignes à retard situées sur les deux faces de la lamelle, on constate que les fréquences d'oscillation subissent des décalages égaux et de signes con- traires dont la somme peut être mise en évidence en appliquant les signaux électriques produits par les oscillateurs à un mélangeur soustractif. Conformément à un premier aspect de l'invention, la structure défor- mable en flexion comporte deux éléments lamelliformes d'épaisseur cons- tante qui encadrent parallèlement un évidement central Cette disposition peut se concevoir comme issue d'un dédoublement dans lequel une lamelle simple d'épaisseur 2 e est partagée en deux moitiés par une découpe médiane parallèle aux faces principales, les pièces étant ensuite écartées l'une de l'autre tout en restant en vis à vis Cette disposition augmente sensiblement la rigidité à la torsion et présente des avantages en ce qui concerne la sensibilité de l'accéléromètre dans chacune des deux configurations envi- sageables à savoir les structures en cadre déformable ouvert ou fermé. L'accéléromètre illustré sur la figure I comporte une structure en forme de cadre fermé qui se compose de deux éléments lamelliformes 6 et d'épaisseur e reliés à leurs extrémités par deux montants 4 et 8 A titre d'exemple non limitatif, la structure de la figure I peut être obtenue à partir d'un bloc de quartz parallélépipédique dans lequel on a usiné un évidement 7 également de forme parallélépipédique L'usinage est tel que les éléments 6 et 10 qui constituent les traverses du cadre peuvent être assimilées à deux lamelles d'égale épaisseur e Le jambage 4 du cadre déformable est fixé par encastrement à un bâti I grâce à deux cales 2 et 3 qui coopèrent avec un moyen de serrage non représenté La cale 3 peut être surmontée dun autre bati non représenté, mais de même configuration que le bati 1 Le jambage 8 de la structure déformable est percé d'un orifice livrant passage à une broche de montage 12 dont les extrémités dépassantes sont emmanchées dans deux masses séismiques 11 et 14 Sur la figure 1, les masses séismiques 11 et 14 sont en forme de piston cylindrique circulaire. Leur mouvement vertical selon l'axe z qui est l'axe de mesure de l'accélé- ration peut être amorti en les centrant dans une coupelle 13 portée par le bati 1 Cette coupelle 13 joue le rôle d'un fond de cylindre o le fluide comprimé par le piston mobile 14 peut refluer à travers un espace annulaire calibré 39 L'amortissement visqueux résultant de ce montage permet d'aplatir la pointe de résonance de la structure déformable et peut égale- ment servir de moyen limiteur de déplacement Le fluide amortisseur peut être l'air chassé par le piston, ou un corps visqueux introduit dans Pespace annulaire 39 On peut également prévoir entre la masse séismique et le bâti un organe de liaison du genre suspension pour centrage de bobine de haut parleur qui permet d'obtenir d'une autre façon l'amortissement de la résonance mécanique de la structure déformable Avant de poursuivre la description de la figure 2, on peut mentionner d'une part que la structure déformable monolithique peut être taillée dans un matériau non piézoélectrique tel que le silice et que d'autre part cette structure peut consister en un assemblage de deux lamelles 6 et 10 collées à deux blocs 4 et 8 formant entretoises La solution qui consiste à tailler dans la masse la structure déformable a pour avantage de supprimer les contraintes mécaniques résultant d'une dilatation thermique inhomogène Pour que cet avantage soit préservé dans le cas de la réalisation par éléments séparés collés, il y a lieu, lors de la taille des éléments, d'utiliser le même matériau et lorsqu'il est cristallin de conserver les orientations cristallographiques au niveau de l'ensemble. Ceci dit, la détection par ondes élastiques de surface des contraintes mécaniques créées dans la structure déformable par l'accélération à me- surer, peut se faire avec des lignes à retard ou des résonateurs à réseaux. Sur la figure 1, on a supposé que la structure déformable est faite d'un matériau piézoélectrique ayant deux facettes polies 5 et 9 sur lesquelles on a réalisé par photogravure d'une couche métallique, des électrodes én forme de peignes interdigités Les peignes 18 et 19 portés par les facettes forment une ligne à retard à propagation d'ondes élastiques de surface dans la direction x Une autre ligne à retard identique utilisant les peignes 20 et 21 dont les contours extérieurs sont esquissés dans le plan de la facette 9 sert à détecter les contraintes sur' cette facette La ligne à retard 18-19 forme avec un amplificateur 15 une première boucle oscillatrice fonctionnant à la fréquence f i La ligne à retard 20- 22 forme avec un amplificateur 16 une seconde boucle oscillatrice fonctionnant à la fréquence f 2 Les bornes de sortie 36 et 37 des boucles oscillatrices sont reliées aux entrées d'un mélangeur soustractif 17 à la sortie 22 duquel on dispose d'un signal de mesure dont la fréquence représente la composante de l'accélération à mesurer selon Paxe sensible z. Il apparaît immédiatement que les couplages électrostatiques indési- rables entre boucles oscillatrices sont fortement amoindris du fait de la présente de l'évidement 7 qui d'ailleurs peut être utilisé comme blindage en métallisant son pourtour Ainsi les boucles oscillatrices peuvent fonctionner à des fréquences très voisines sans risquer l'asservissement de l'une par l'autre. En ce qui concerne le mode de détection de contraintes, il y a lieu de se reporter à la figure 4, qui illustre avec une forte exagération la déformation induite par l'accélération à mesurer lorsque la structure défor- mable est un cadre fermé Le tracé en pointillé se rapporte à l'état de la structure non déformée et le tracé en trait continu à la déformée produite par l'accélération On constate que les côtés 6, 8 et 10 subissent une déformation en "S" qui fait que la facette 5 présente une forme convexe à gauche et une forme concave à droite La situation est inversée en ce qui concerne la facette 9 Les moyens de détection 18, 19, et 20, 21 sont disposés près de l'encastrement 2, 3, 4 et la zone de mesure contenant ces moyens à une longueur L qui ne s'étend pas sur la totalité de la longueur de la facette 5 En fait il est avantageux de limiter la longueur L à la plage de la facette 5 o la contrainte conserve le même signe, car si cette longueur est dépassée, la sensibilité de l'accéléromètre qui intègre toutes les con- traintes détectées peu baisser en raison du changement de signe de la -0 contrainte On voit donc que la valeur moyenne de la contrainte sur le trajet des ondes élastiques de surface doit être maximale pour obtenir une sensibilité optimale, ce qui dans le cas d'une structure du type cadre fermé, revient à ne pas utiliser toute la longueur en porte à faux de la structure encastrée. A titre d'exemple de réalisation, une structure-en cadre fermé usinée dans un bloc de quartz peut avoir une longueur totale de 2 cm mesurée dans la direction x et une hauteur totale de 0,5 cm dans la direction z. L'évidement central 7 a une longueur de 1, 4 cm et sa hauteur est choisi pour que l'épaisseur e des éléments 10 et 6 soit de 0,06 cm Les masses séismiques Il et 14 totalisent une masse de 10 g, tandis que les peignes transducteurs 18 et 19 sont décalés de quelques millimètres pour établir le retard de transmission désiré Les boucles oscillatrices fonctionnent à une fréquence de l'ordre de 100 M Hz. Si la structure déformable est faite d'un matériau non-piézoélectrique, il y a lieu de déposer sur les facettes de mesure 5 et 9 une couche de matériau piézoélectrique, tels que l'oxyde de zinc avant de photograver sur cette couche les peignes interdigités. La figure 2 est une vue isométrique d'une variante de réalisation de l'accéléromètre à ondes élastiques de surface. Selon cette variante, la structure déformable est un cadre ouvert dont les branches 6 et 10 se terminent par des jambages 24 et 23 La fixation de l'équipage mobile au bati 1 est assuré par une lamelle 25 encastrée dans une aile 2 Les deux surépaisseurs 23 et 24 pincent de part et d'autre la lamelle 25 grâce à des moyens de serrage non représentés sur la figure 2 A titre de variante, les jambages 23 et 24 peuvent être fixés à la lamelle 25 par collage. Globalement, la structure déformable encastrée est une fourche a deux branches dont les extrémités libres sont couplées à une masse séismique 27 de façon à transmettre la force d'inertie qui fait fléchir les branches sans créer de couple résistant, ce qui serait le cas au niveau du jambage en porte à faux dun cadre fermé A cet effet, la masse séismique comporte deux sillons à fond plat 28 dans lesquels sont respectivement logés des rouleaux 29 et 30 Pour maintenir le contact entre la masse séismique 27 et les branches 6 et 10 quelle que soit la direction de l'accélération à mesurer, il' est nécessaire de prévoir une précontrainte de la structure déformable A cette fin, la hauteur de l'empilage constitué par les éléments 27, 29 et 30 est choisie supérieure à l'écartement au repos des faces externes des branches 6 et 10 L'insertion de l'empilage provoque l'écarte- ment des branches et le maintien en place de la masse séismique est assuré par une lame de retenue 26 qui relie cette masse à l'encastrement. La rigidité à la flexion de la lame de retenue 26 peut être faible par rapport à celle des branches 6 et 10 La rigidité à la flexion de l'ensemble de deux branches 6 et 10 est moindre que celle d'une lamelle unique d'épaisseur double ou que celle d'un cadre fermé employant les mêmes branches associées rigidement à deux jambages On obtient donc avec le dispositif de la figure 2 une plus grande sensibilité à l'accélération, mais la précontrainte impose une limite à la plage de mesure de l'accélération, car il faut que le contact soit maintenu en toutes circonstances au niveau des rouleaux 29 et 30. La figure 5 illustre les déformations de flexion mises en oeuvre dans le cas d'une structure déformable telle que représentée sur la figure 2 La fourche avant précontrainte est représentée en pointillé par le tracé 37. Sous l'effet de l'insertion des éléments 27, 29 et 30, les branches 6 et 10 prennent pour déformée les lignes en trait mixte 38 o l'on a intentionnel- lement fortement exagéré la déformation de précontrainte. Le tracé en trait plein représente la déformation par flexion simple qui résulte d'une accélération ayant une composante selon l'axe z. En ce qui concerne les moyens de détection de contrainte à ondes élastiques de surface, la figure 2 illustre à titre de variante une cavité résonante à réseaux réflecteurs 31 et 32 Les traits des réseaux sont réalisés par usinage ou par implantation ionique La boucle oscillatrice comprend le circuit amplificateur 15 associé à deux transducteurs 33 et 34 placés dans la cavité 31, 32 pour exciter et détecter les ondes de surface stationnaires qui fixent la fréquence d'oscillation de la boucle en fonction des contraintes mécaniques de flexion. Selon une variante de réalisation illustrée par la figure 3, on peut donner aux branches 6 et 10 une forme d'égale résistance à la flexion La vue en plan de la figure 3 montre que Je contour de la bande 10 s'évase en -0 direction de l'encastrement 23 de manière que la déformée dans la partie évasée ait un rayon de courbure constant La partie évasée est le siège de contraintes uniformes lorsque la branche à une épaisseur constante Ceci est favorable à l'obtention d'une meilleure sensibilité et apporte une plus grande facilité de réalisation, car le positionnement des moyens détecteurs dans la zone de mesure 35 n'est pas critique L'uniformisation de contraintes s'applique également à la structure déformable de la figure 1 quoique la condition dégale résistance soit plus complexe à déterminer Dans le cas de la figure 3, si l'on tient pour négligeable la masse propre des branches 6 et , l'égale résistance signifie que les bords de la zone évasée se recoupent suivant deux droites qui passent par le centre de poussée O de la masse séismique 27. Les dispositifs précédemment décrits permettent d'obtenir une bonne sensibilité de mesure d'accélération tout en étant peu sensibles à la dérive thermique On dispose en effet d'une structure déformable biétagée ayant un premier plan de symétrie situé à mi-distance de deux lamelles fléchissantes et orienté perpendiculairement à l'axe de mesure z Cette structure peut être réalisée symétriquement par rapport au plan de flexion qui contient l'axe de mesure, ce qui augmente encore sa symétrie La solution en cadre fermé élimine les problèmes de précontrainte et apporte une bonne sensi- bilité, car la rigidité à la flexion est plus faible que si les deux lamelles n'en faisaient qu'une seule On sait en effet que la résistance à la flexion d'une poutre varie comme le cube de la hauteur. Pour encore augmenter linsensibilité aux dérives thermiques, on peut mettre en oeuvre une technique de mesure basée sur la compensation de la force d'inertie Pour cela, on créé une force électrodynamique antagoniste de la force d'inertie et par une boucle d'asservissement analogue à celle utilisée dans les balances électroniques, on s'arrange pour maintenir une déformation nulle à l'aide d'un comparateur de fréquence relié à la sortie 22 de l'accéléromètre Pour créer la force électrodynamique, on peut dans le dispositif de la figure 1 ajouter des bobines mobiles aux masses séismiques Il et 14 Dans ce cas, la cuvette 13 prend la forme d'un aimant de haut parleur Grâce à la structure en cadre, la suspension assure un déplacement tel que l'axe des bobines mobiles reste parallèle à l'axe z, ce qui permet un guidage précis des bobines dans les entrefers des aimants La solution inverse utilisant comme masses séismiques des aimants mobiles et comme partie fixe des bobines apporte l'avantage supplémentaire de disposer de connexions électriques fixes L'utilisation de moteurs électrodynamiques ou électromagnétiques permet de réaliser électriquement l'amortissement des vibrations de la structure déformable et le cas échéant peut empêcher les trop grands débattements grâce à un freinage électro dynamique approprié. Pour terminer, il y a lieu de signaler que la structure en cadre fermé se prête au montage de quatre moyens détecteurs de contraintes à ondes élastiques de surface Deux de ces moyens sont placés comme sur la figure 1 à proximité du jambage encastré 4; les deux autres étant à disposer à proximité du jambage libre 8 Quatre oscillateurs sont à prévoir deux à deux reliés à des premiers mélangeurs soustractifs Un troisième mélangeur soustractif reçoit les signaux provenant des premiers mélangeurs Les fréquences d'oscillation sont choisies pour maximiser la sensibilité à l'accé- lération tout en réduisant le plus possible la dérive en fréquence d'origine thermique. Il REVENDICATIONS 1 Accéléromètre à ondes élastiques de surface comprenant une structure déformable ( 6,10) encastrée à une extrémité et munie à son autre extrémité d'une masse séismique ( 11,14,27); ladite structure comportant deux facettes de mesure parallèles ( 5,9) ayant un plan de symétrie perpen- diculaire à l'axe sensible (Z) de l'accéléromètre; chacune desdites facettes de mesure comportant au moins une zone ( 35) occupée par un moyen à ondes élastiques de surface ( 18,19,20,21) qui détecte les contraintes de flexion engendrées par la composante selon ledit axe sensible de l'accélération à mesurer et qui agit sur la fréquence d'accord dun oscillateur ( 15); ledit oscillateur ( 15) et son homologue ( 16) étant relié à un mélangeur soustractif ( 17) qui produit un signal de mesure dont la fréquence est représentative de la mesure de ladite composante, caractérisé en ce que ladite structure déformable comporte de part et d'autre dudit plan de symétrie deux éléments flexible lamelliformes ( 6,10) encadrant un évidement central ( 7) qui s'étent depuis l'extrémité encastrée ( 4) jusqu'à ladite masse séismique ( 11,14, 27); lesdites facettes de mesure ( 5,9) étant constituées par des faces desdits éléments ( 10,6) équidistantes dudit plan de symétrie. 2 Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure déformable est un cadre fermé dans lequel lesdits éléments flexibles lamelliformes ( 6,10) sont reliés à leurs extrémités à des jambages ( 4,9). 3 Accéléromrtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure déforrnable est un cadre ouvert dans lequel lesdits éléments flexibles lamelliformes ( 6,10) sont reliés par l'une de leurs extrémités à un jambage ( 23,25,24) faisant office d'encastrement. 4 Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite masse séismique ( 27) est insérée avec précontrainte entre les extrémités libres desdits éléments flexibles lamelliformes ( 6,10). Accéléromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que la masse séismique comporte une masselotte ( 27) et deux rouleaux ( 29,30) logés dans des logements à fond plat ( 28) de ladite masselotte ( 27); ladite masselotte ( 27)étant reliée au jambage encastré ( 23,25,24) par une lame de retenue ( 26). 6 Accéléromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit jambage encastré ( 23,25,24) comporte un élément central ( 25) lui même encastré dans l'aile ( 2) d'un bati ( 1). 7 Accéléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'un desdits jambages et un jambage encastré ( 4); l'autre jambage ( 8) servant de support à la masse séismique ( 11,14). 8 Accéléromètre selon la revendication 7, caractérisé en ce que la masse séismique comprend deux masselottes ( 11,14) reliées au jambage ( 8) par un axe traversant ledit jambage ( 8). 9 Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications I à 8, caractérisé en ce que des moyens d'amortissement sont prévus pour freiner le déplacement de l'extrémité libre de ladite structure déformable encastrée ( 4,6,10,8). 10 Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens moteurs à commande électrique appliquant à l'extrémité libre de ladite structure déformable encastrée ( 4,6,10,8) une force antagoniste à la force d'inertie résultant de l'accélé- ration à mesurer; des moyens d'asservissement assurant ladite commande électrique de façon à annuler la déformation de ladite structure déformable. 11 Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications I à 10, caractérisé en ce que chaque élément flexible lamelliforme ( 6,10) comporte une partie évasée vers l'encastrement qui satisfait à la condition d'égale résistance à la flexion. 12 Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que ledit moyen de mesure à ondes élastiques de surface est une ligne à retard à électrodes en peignes interdigités ( 18, 19,- ,21) ou une cavité résonante à réseaux ( 31,32) munie de transducteurs électromécaniques ( 33,34). 13 Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précé- dentes, caractérisé en ce que ledit moyen de mesure à ondes élastiques de surface est situé à proximité de l'encastrement de ladite structure défor- mable et s'étend vers l'extrémité libre de celle-ci de façon à maximiser la sensibilité aux contraintes de flexion.