Brevet FR2537726A1 — publié le 19840615

ACCELEROMETRE A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE La présente invention se rapporte aux accéléromètres à ondes élastiques de surface et plus particulièrement à ceux qui comportent au moins deux oscillateurs reliés à des moyens transducteurs situés sur les deux faces d'une lamelle élastique fléchissant sous l'action de l'accélération. Une telle structure permet de mesurer l'accélération selon une composante de direction normale aux faces principales de la lamelle, laquelle comporte généralement une extrémité encastrée dans un bâti et une extrémité libre où peut être attachée une masse séismique. 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 tensions mécaniques.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 destinés à entretenir l'oscillation de la cavité. La fréquence représentative de l'accélération à mesurer résulte de la soustraction de deux fréquences d'oscillation qui présentent des dérives thermiques qui ne se compensent pas exactement. En effet, ces dérives thermiques résultent en partie des tensions créées par le montage encastré de la lamelle et le cas échéant par le montage de la masse séismique. Dans les accéléromètres de type connu toute augmentation de la sensibilité se traduit par une diminution de la plage de fréquences où une réponse à niveau constant est assurée. En effet, avec un accéléromètre composé d'une lamelle fléchissante et d'une masse suspendue, la limite supérieure de la plage de réponse à niveau constant est liée à la fréquence naturelle de résonance. Cette fréquence diminue lorsqu'on augmente la masse suspendue ou lorsqu'on augmente la souplesse de la lamelle. Ces deux paramètres interviennent dans le calcul de la sensibilité qui montre qu'une lamelle mince portant une masse importante développe des tensions mécaniques plus fortes en réponse à l'accélération à mesurer. L'augmentation de la sensibilité pâr le processus indiqué cidessus a d'autres inconvénients, puisque l'équipage mobile devient plus fragile et puisque les moyens de détection occupent deux faces rapprochées présentant un couplage parasite exagéré. En vue de pallier les inconvénients mentionnés ci-dessus, l'invention propose d'utiliser comme équipage mobile d'un accéléromètre à ondes élastiques de surface, une lamelle fléchissante à faces parallèles portant des moyens à ondes élastiques de surface détecteurs de tension mécanique situés dans des régions où la section de la lamelle subit un rétrécissement grâce auquel les tensions de flexion sont localement renforcées. Le rétrécissement de section résulte des découpes en forme d'entailles, de trous ou d'un contour de lamelle représentant un évasement brusque. L'invention a principalement pour objet un accéléromètre à ondes élastiques de surface comportant un bâti auquel est fixé une lamelle fléchissante sous l'action de l'accélération et comportant deux faces selon lesquelles lesdites ondes élastiques de surface sont propagées ; ledit dispositif comporte en outre au moins deux boucles oscillatrices et au moins un circuit mélangeur délivrant un signal dont la fréquence est représentative de ladite accélération, chacune desdites boucles oscillatrices comportant un senseur à ondes élastiques de surface de tension mécanique occupant une région de mesure desdites faces, caractérisé en ce que à proximité immédiate de ladite région de mesure, la section de ladite lamelle est rétrécie par au moins une découpe destinée à y amplifier localement ladite tension. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description ciaprès et des figures annexées, parmi lesquelles - la figure 1 montre la flexion simple d'une lamelle d'accéléromètre; - la figure 2 est une vue en perspective d'une lamelle d'accélé romètre à deux encoches, selon l'invention; - la figure 3 est une vue en perspective d'une première variante de réalisation de la lamelle d'accéléromètre selon l'inven- tison; - la figure 4 est une vue en perspective d'une seconde variante de réalisation de la lamelle d'accéléromètre selon l'invention - la figure 5 est une vue en perspective d'une troisième variante de lamelle d'accéléromètre selon l'invention; - la figure 6 est une vue en perspective d'un accéléromètre selon l'invention;; - la figure 7 est une vue de dessus d'une autre variante de lamelle d'accéléromètre selon l'invention - la figure 8 est une vue de dessus d'une lamelle d'accéléromètre composée d'une languette d'épreuve attachée à un cadre de montage; - la figure 9 illustre des formes d'encoches appropriées à la mise en oeuvre de l'invention. Dans la description qui va suivre, les tensions mécaniques de flexion engendrées par l'accélération se manifestent sur les faces principales d'une lamelle d'épaisseur constante taillée dans un matériau capable de propager des ondes élastiques de surface. A titre d'exemple non limitatif, on peut envisager d'utiliser une lamelle taillée dans un matériau piézoélectrique cristallin tel que le quartz, mais moyennant une réalisation plus complexe des moyens transducteurs d'ondes élastiques de surface, on pourrait également mettre en oeuvre une lamelle de silice. En ce qui concerne la mesure de l'accélération, c'est la composante selon la normale aux faces principales de la lamelle qui est mesurée.Les formes envisagées sont telles que la rigidité à la flexion pour des sollicitations parallèles aux faces principales de la lamelle soit plus grande que la frigidité entrant en ligne de compte pour la mesure de la composante normale de l'accélération. L'accéléromètre comporte hécessai rement un support de lamelle permettant son fléchissement. La masse de mesure peut être constituée par la lamelle elle-me me, ou par une masse séismique. Dans ce dernier cas, la lamelle constitue un lien élastique entre le support et la masse séismique et tous les éléments sont sensés subir la même accélération. Il est à noter que la dérive thermique à l'ordre fondamental indépendant de la tension mécanique n'est pas affecté par l'ampli- fication de tension. Sur la figure l, on voit l'équipage mobile d'un accéléromètre à ondes élastiques de surface de type connu. Cet équipage comporte une lamelle flexible 1 encastrée à l'une de ses extrémités dans un bâti fixe 6. L'axe Oz est orienté dans la direction de porte à faux de la lamelle B. Les axes Oy et Ox définissent un plan parallèle à la section droite de la lamelle 1. La lamelle l d'épaisseur constante e, comporte à l'extrémité opposée à celle où elle est encastrée dans le bâti 6 une masse séismique 5. Quand l'accéléromètre subit une accélération g dirigée selon la direction Oy, la masse séismique 5 excerce sur la lamelle l une force F = mge La lamelle au repos est représentée en traits pleins. Sous l'action de l'accélération g la lamelle I fléchit. La déformée de la lamelle l est représentée. en traits pointillés. Considérons les tensions subies par la lamelle 1 suivant l'axe L-L situé à une distance 1 au centre de gravité de la masse séismique 5. La flexion de la lamelle 1 est une flexion simple, somme d'une flexion pure provoquée par le couple 1F x r et d'un cisaillement provoqué par la force F vu qu'elle n'est pas compensée par une autre force à droite de la section L-L. La répartition des tensions mécaniques induites pour résister à la flexion pure est illustrée par le diagramme de charge triangulaire 18 de la figure l. La répartition en arche de parabole des tensions mécaniques induites' pour résister au cisaillement est illustrée par le diagramme l9 de la figure 8. Au milieu de la lamelle l passe la fibre neutre 26. Dans le cas de la figure 8, les moyens de mesure à ondes élastiques de surface occupent les faces 13 et 14 de la lamelle 8, De ce fait, les tensions résultants de la flexion pure entraînent des changements de la vitesse de propagation qui associés aux eziets d'allongement et de contraction des faces 13 et 14 permettent d'influencer en sens contraire les fréquences d'accord de deux boucles oscillatrices non-représentées sur la figure 1. Dans les figures qui suivent la figure 1 la localisation des moyens de mesure à ondes élastiques de surface est symbolisée par une zone de mesure rectangulaire 20 de sommets A, B, C, D, et par une autre zone de mesure rectangulaire 22 de sommets A1, B1, C1, D1. Pratiquement les moyens de mesure à ondes élastiques de surface peuvent être constitués par des lignes à retard à ondes élastiques de surface, illustrées dans l'exemple concret de la figure 6, ou des cavités résonnantes à ondes élastiques de surface illustrées par les exemples de réalisation de la figure 7 et de la figure 8. La figure 2 représente une lamelle 1 d'accéléromètre comportant deux encoches 2 et 201 identiques, réduisant la section de la lamelle 1, ce qui y amplifie localement les tensions mécaniques qui sont induites par l'accélération à mesurer. Les deux encoches 2 et 201 sont disposées symétriquement par rapport à l'axe principal de la lamelle 1 parallèle à Oz. Ceci entraîne une distribution symétrique des masses et surtout une répartition symétrique des tensions par rapport à l'axe principal de la lamelle 1. Il en résulte une moindre flexion gauche de la lamelle 1. Sur la face supérieure 13 de la lamelle 1 est disposé à proximité de l'encoche 2 dans la zone de mesure 20 un moyen de mesure. Le moyen de mesure homologue sur la face inférieure 14 de la lamelle 1 est disposé dans la zone de mesure 22 à proximité de l'encoche - 201.Cette disposition décalée diminue les couplages mécaniques et capacitifs des moyens de mesure à ondes élastiques de surface disposés sur les faces 13 et 14 de la lamelle 1. La courbe 15 représente la répartition uniforme des tensions suivant l'axe G-G, loin des encoches 2 et 201. La courbe 16 représente la répartition des tensions présentant deux maxima, suivant l'axe F-F passant par le bord des encoches. La courbe 17 représente une brusque variation des tensions sur l'axe E-E passant par le centre des encoches 2 et 201. Les contraintes sont les plus fortes au fond des encoches 2 et 201. Les moyens oscillateurs de mesure à ondes élastiques de surface sont placés au voisinage immédiat des encoches 2 et 201 pour optimiser la sensibilité. L'accélération g a mesurer est dirigée suivant l'axe Oy. La figure 3 représente une lamelle 1 d'accéléromètre comportant un trou circulaire 2. Sur la face 13 supérieure de la lamelle 1 à proximité du trou 2 est - disposée la zone de mesure 20. La zone de mesure homologue se trouvant sur la face 14 inférieure de la lamelle 1 n'a pas été représentée pour la lisibilité de la figure. La courbe 15 représente la répartition uniforme des tensions suivant l'axe G-G, loin du trou. La courbe 17 représente une brusque variation des tensions sur l'axe E-E passant par le centre du trou 2. L'accélération à mesurergest dirigée suivant l'axe Oy. La figure 3 représente une lamelle 1 d'accéléromètre comportant deux encoches 2 et 202 et un trou 222 alignés sur l'axe E-E. Deux zones 20 et 21 de mesure de tensions représentatives de l'accélération à mesurer sont disposées sur la face supérieure 13 de la lamelle 1. Deux zones de mesure des tensions homologues des zones 20 et 21, non représentées sur la figure 3, se trouvent sur la face inférieure 14 de la - lamelle 1. La courbe 15 représente la répartition uniforme des tensions suivant l'axe G-G éloigné de l'axe E-E. La courbe 17 représente les variations brusques des tensions représentatives de l'accélération à mesurer. La figure 5 représente une lamelle 1 comportant une zone J de largeur L, une zone K de largeur 1 (L et une zone I où la largeur de la lamelle 1 passe de L à l avec un rayon de courbure R. La courbe 15 faite sur l'axe G-G-montre que la répartition des tensions dans la zone J est sensiblement uniforme. La courbe 25 selon l'axe H-H montre que la répartition des tensions dans la zone K est aussi sensiblement uniforme, mais les tensions sont plus fortes que celles observées dans la zone J. En effet, les tensions sont inversement proportionnelles a la largeur d'une lamelle d'épaisseur constante. Dans la zone I, les tensions varient aussi bién suivant l'axe Oz que l'axe Ox. La courbe 17 illustre les variations des tensions suivant l'axe E-E. Les tensions sont les plus fortes aux bords de la lamelle 1; Dans les régions de mesure 20 et 21 délimitées respectivement par les points A, B, C, D et A1, B1, C1, D1 on- obtient une amplification maximale des tensions. Les régions de mesures homologues des régions de mesures 20 et 21 se trouvant sur la face 14 de la lamelle 1 ne sont pas représentées sur la figure 5 pour des raisons de clarté. La figure 6 illustre un accéléromètre à ondes élastiques de surface, comportant une encoche 2, jouant le rôle de moyen d'amplification de tension mécanique. Ledit accéléromètre comporte un bati fixe 6, et une lamelle 1 d'axe principal Oz en matériau élastique. La lamelle 1 comporte à son extrémité libre une masse sismique 5. Les déformations de la lamelle 1 sont détectées par des moyens de mesure à ondes élastiques de surface. Si, par exemple, la lamelle 1 est une lamelle de quartz de coupe ST, les faces principales sont munies d'électrodes en peignes interdigités 32, 33, 34, 35, 42, 43, 44 et 45 qui délimitent des intervalles rayonnants orientés selon Ox. Les électrodes 32 et 33 forment un transducteur d'émission d'ondes élastiques de surface qui progressent dans la direction Oz avant d'être captées par un ensemble d'électrodes 34 et 35 constituant le transducteur de réception.L'ensemble des éléments conducteurs portés par la face supérieure 13 forme donc une ligne à retard à ondes élastiques de surface qui fait office de boucle d'un amplificateur 8. L'ensemble des éléments conducteurs portés par la face inférieure 14 forme une autre ligne à retard à ondes élastiques de surface rebouclant l'entrée et la sortie d'un autre amplificateur 7. On est donc en présente d'une paire d'oscillateurs dont les fréquences d'oscillation f1 et f2 sont liées aux temps de transits t1 et t2 des ondes élastiques de surface échangées selon les faces 13 et 14. Les sorties des amplificateurs 7 et 8 sont reliées aux entrées d'un mélangeur soustractif 9 dont la sortie 12 fournit un signal alternatif de fréquence f = f1 - f2. Pour alléger le dessin des connexions, des mises à la masse G ont été ajoutées sur le schéma électrique de la figure 4. En présence d'une accélération g, la flexion simple de la lamelle entraîne l'apparition de tensions mécaniques de flexion au niveau des faces principales, ce qui a pour effet de modifier en sens contraires les temps de transit tl et t2. I1 en résulte de nouvelles fréquences d'oscillations f1 + tF et 2 -ZIF et un signal sur la sortie 12 ayant une fréquence f + 2AF. On voit donc que l'accélération g est mesurée par une variation de fréquence 2AF. La figure 7 est une vue de dessus d'une lamelle 1 d'accéléromètre selon l'invention comportant un trou triangulaire 2 à arêtes vives, ce qui augmente particulièrement les tensions. Dans le cas de la figure 7, les moyens de mesure utilisés sont des résonateurs à ondes élastiques de surface. Chaque résonateur comporte une cavité délimitée par deux réseaux de traits réflecteurs réalisés sur les faces principales de la lamelle 1 notamment par gravure ou par implantation ionique. Des électrodes 31 et 41 sont photogravées dans la cavité de chaque résonateur pour entretenir avec un circuit amplificateur un régime stationnaire d'ondes élastiques de surface. Ainsi, sur la figure 7 comme sur les figures 4, 5 et 8, on dispose de quatre oscillateurs, deux 30 et 32 sur la face supérieure 13 et deux 40 et 42 sur la face inférieure 14 de la lamelle 1, dont les fréquences d'oscillations varient avec les tensions de flexion engendrées par l'accélération à mesurer. En supposant que les fréquences de repos des quatre oscillateurs 30, 32, 4Q, 42 sont respectivement f1,f2,f3 et f4, un premier mélangeur fournit la différence f1 - f3 et un second mélangeur la différence f4-f2.Un mélangeur reçoit les signaux provenant de ces deux mélangeurs et fournit un signal dont la variation de fréquence fl + f2 ~ e3 - f4 représente l'accélération subie par l'équipage.En effet, si A f est l'écart de fréquence que produit l'accélération, les fréquences d'oscillation sont : f1 + f, f2 + A f, f3 af, f4 - Af, ce qui donne à la sortie du mélangeur terminal un signal dont la fréquence vaut f1 + f2 - f3 - f4 + 4 f. Si # F1, AF22 liF3 et tFt sont les dérives en température des quatre oscillateurs, les fréquences perturbées thermiquement sont fl + ss F1, f2 + 8 F2 f3 + aF3 et f4 + A F4. La fréquence perturbée à la sortie du mélangeur terminal sera : f1 + f2 - f3 - f4 + A F1 + AF2 - F3 - hF4. On peut donc s'arranger pour annuler la dérive thermique: hF1 + aF2 - F3 - F4 de façon plus poussée qu'avec deux oscillateurs de mesure. Sur la figure 8 la languette 1 est solidaire du cadre 24 taillé dans un même matériau. L'extrémité libre de la languette 1 porte une masse séismique 5. La languette 1 comporte deux encoches 2 et 201 proches de la jonction avec le cadre 24. Ce raccordement même en absence d'encoche, présente un renforcement local de tension. Dans le cas de la figure 8, les moyens de mesures utilisés sont des résonateurs à ondes élastiques de surface. Deux résonateurs 30 et 32 sont disposés sur la face supérieure, empiétant sur le cadre 24 et la languette 1 dans les zones de renforcement des tensions. Deux autres résonateurs 40 et 42 ne sont pas visibles sur la figure 8, car ils sont cachés par les résonateurs 30 et 32 sur la face inférieure de la languette 1 et du cadre 24. La figure 9 illustre les encoches à arêtes arrondies, semiarrondies ou vives. Les arêtes vives procurent une plus grande augmentation des tensions. Cette augmentation de tension dans le cas d'arêtes vives est limitée à une zone plus restreinte. Une autre variante de l'invention comporte plusieurs moyens amplificateurs des tensions par paire de moyens de mesure homologues. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre à ondes élastiques de surface comportant un bâti (6) auquel est fixé une lamelle (1) élastique fléchissante sous l'action de l'accélération et comportant deux faces selon lesquelles lesdites ondes élastiques de surface sont propagées; ledit dispositif comporte en outre au moins deux boucles oscillatrices et au moins un circuit mélangeur (9) délivrant un signal dont la fréquence est représentative de ladite accélération; chacune desdites boucles oscillatrices comportant un senseur (30, 32, 33, 34, 35, 40, 42, 43, 44, 45) à ondes élastiques de surface de tension mécanique occupant une région de mesure desdites faces, caractérisé en ce que à proximité immédiate de ladite région de mesure, la section de ladite lamelle est rétrécie par au moins une découpe (2) destinée à y amplifier localement ladite tension. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les boucles oscillatrices comprennent des lignes à retard à électrodes en peignes interdigités bouclées sur des amplificateurs (7, 8). 3. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les boucles oscillatrices comprennent des cavités résonantes délimitées par des réseaux de traits réflecteurs reliés à des moyens destinés à entretenir l'oscillation de la cavité. 4. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le rétrécissement de la section du corps élastique est provoqué par au moins une encoche pratiquée dans ledit corps. 5. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le rétrécissement de la section du corps élastique est provoqué par au moins un trou pratiqué dans ledit corps. 6. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par le fait que le rétrécissement de la section du corps élastique est prue par une variation rapide dans une région (I) de la largeur de la lamelle (1) entre une région (J) de largeur (L) et une région (K) de la lamelle (1) de largeur (I). 7. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que les paires des boucles oscillatrices homologues connectées au même mélangeur soustracteur de fréquences à ondes élastiques de surface se trouvant sur les faces opposées de la lamelle (1) sont décalées les unes par rapport aux autres. 8. Accéléromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes comportant un cadre monolithique caractérisé par le fait que des encoches sont pratiques à la jonction de la languette et du cadre d'encasdrement.