Brevet FR2539231A1 — publié le 19840713

L'invention concerne un accéléromètre comportant une masselotte mobile articulée contrainte par un trans- ducteur de force à résonateur à poutre. Un accéléromètre utilisant un transducteur de force à résonateur à poutre pour contraindre ou limiter le mouvement de la masselotte mobile présente des avantages de simplicité, de faible coût et d'un signal de sortie qui, de par sa nature, est numérique, par rapport à un accéléromètre asservi Le transducteur à poutre est géné- ralement réalisé en quartz, cette matière étant très cassante Par conséquent, il faut prévoir une protection contre les signaux d'entrée hors limites L'utilisation de butées m 6 caniques-est connue Cependant, le mouvement de la masselotte mobile doit être inférieur 2,5 gm Il est difficile de fabriquer un accéléromètre avec des butées conservant des dimensions si petites sur une certaine plage de températures. Une caractéristique de l'invention est la réali- sation d'un accéléromètre à montage souple pour le trans- ducteur à poutre, permettant à la masselotte mobile de se déplacer davantage sans détérioration du transducteur. La précision demandée pour le positionnement des butées mécaniques est donc réduite. Une autre caractéristique est que la masselotte mobile est articulée sur un bâti et que le transducteur à poutre est relié à la masselotte mobile en un point intermédiaire, tandis que les butées mécaniques sont positionnées de façon que l'extrémité de la masselotte mobile entre en contact avec elles Le mouvement de l'ex- trémité de la masselotte mobile est supérieur à celui communiqué au transducteur à poutre Comme précédemment, la précision demandée pour le positionnement des butées mécaniques est réduite. Une autre caractéristique est l'utilisation d'un amortissement de la masselotte mobile, en association avec le montage souple, au moyen d'un gaz visqueux formant une couche compressible Cette association accroit le rapport de la force d'amortissement à la force de rappel, ce qui minimise la réponse de la masselotte mobile aux résonances mécaniques sans nuire à la sensibilité de l'accéléromètre. Une autre caractéristique de l'invention est que le transducteur à poutre est relié à la masselotte mobile au centre de percussion de cette masselotte Cette relation géométrique minimise la sensibilité de l'accé- léromètre aux vibrations. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une élévation schématique d'une forme de réalisation de l'accéléromètre selon l'in- vention; la figure 2 est une élévation schématique d'une autre forme de réalisation de l'invention la figure 3 est une élévation schématique d'une autre forme de réalisation de l'invention; la figure 4 est une coupe longitudinale de l'accéléromètre selon l'invention; et la figure 5 est une vue en perspective éclatée d'un système à masselotte et transducteur de force de l'accéléromètre de la figure 4. Le bâti la masselotte mobile et le dispositif souple de montage de l'accéléromètre décrit dans le présent mémoire peuvent être fabriqués d'un seul bloc de quartz naturel ou synthétique par exemple par gravure électrochimique Le transducteur de force à poutre réso- nante est de préférence du type à fourchette d'accord à double extrémité, décrit en détail dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 215 570 Le transducteur de force possède une fréquence de résonance qui est une fonction de la force axiale à laquelle il est soumis. La figure 1 représente un accéléromètre 10 comprenant un bâti 11 auquel une masselotte mobile 12 est reliée par une articulation ou section flexible 13. La masselotte mobile réagit à des composantes d'accélé- ration orientées le long de l'axe sensible indiqué par la double flèche 14 Le transducteur 16 de force à résonateur à poutre présente une extrémité 16 a reliée à la masselotte mobile 12 et une autre extrémité 16 b. reliée à l'extrémité libre 17 d'une poutre 18 en porte-' à-faux partant du bâti 11, ce qui constitue un montage souple pour le capteur de force Lorsqu'une accélération déplace la masselotte mobile 12 de sa position à l'état stable, la poutre 18 fléchit La masselotte mobile peut se déplacer, sans dépassement des limites de force du transducteur, sur une plus grande amplitude que celle qu'il est possible d'atteindre dans le cas o 1 extrémité 16 b du transducteur à poutre est fixée à un élément rigide de montage Par conséquent, les butées 19 et 20 peuvent être espacées d'une plus grande distance et la is précision demandée lors de la fabrication est réduite. Le transducteur 16 à poutre est relié à la masselotte mobile à un point milieu de cette masselotte 12 Les butées 19 et 20 sont disposées sur le bâti 11 de manière que l'extrémité 12 a de la masselôtte mobile entre en contact avec elles à distance de l'articulation flexible 13 Cette relation accroît en outre lécartement possible des butées et réduit la précision dimensionnelle demandée lors de la fabrication. La poutre 18 en porte-à-faux illustrée sur la figure 1 constitue la forme préférée de réalisation de montage souple pour l O accéléromètre décritdans la présente demande -D'autres configurations de structure peuvent être utilisées Par exemple, le montage souple peut se présenter sous la forme d'une poutre bridée ou supportée à ses deux extrémités le transducteur de force étant relié à cette poutre en un point proche de son centre, ou bien sous la forme d Dun élément sollicité en compres- sion, en traction ou en torsion pour apporter une certaine souplesse. La masselotte mobile 12 et le transducteur 16 de force forment un système à ressort et masse possédant une fréquence propre de résonance De plus, le système est fortement sous-amorti Si l'accélérocletre est excité par un signal d'entrée proche de la fréquence propre de résonance, il apparaît une brusque pointe dans le signal de sortie de l'accéléromètre Cette réponse non uniforme est indésirable De plus, à la fréquence de résonance ou à une fréquence proche, la masselotte mobile risque de frapper contre une surface de butée, ce qui ne permet pas d'obtenir un signal de sortie utilisable. La figure 2 représente une structure assurant un amortissement par compression d'une couche de gaz visqueux Les éléments communs à cette forme de réalisa- tion et à celle de la figure 1 sont identifiés par les mêmes références numériques et ne seront pas de nouveau décrits en détail. Deux surfaces 23 et 24 d'amortissement sont prévues sur le bâti 11 o Elles sont parallèles et étroite- ment adjacentes aux surfaces supérieure et inférieure de la masselotte mobile 12 Le mouvement de cette dernière provoque une compression du gaz se trouvant dans les intervalles étroits 25, 26 Le degré d'amortissement varie avec la surface et l'écartement des surfaces dgamortisse= ment, ainsi qu'avec la pression et la viscosité du gaz. La figure 3 représente une autre variante de l'accéléromètre Comme précédemment, les éléments communs à cette forme de réalisation et à celle des figures 1 et 2 sont identifiés par les mêmes références numériques et ne seront pas de nouveau décrits en détail Sur la figure 3, les surfaces d'amortissement 23 ' et 24 D sont choisies de façon à assurer à la fois l'amortissement tel que décrit en regard de la figure 2 et à assumer la fonction de butées dans le cas d'accélérations appli- quées hors limites. La combinaison de l'action d'amortissement des accéléromètres des figures 2 et 3 et de la souplesse de la poutre 18 de montage du transducteur de force 16 donne un accéléromêtre dans lequel le rapport de la force d'amortissement à la force de rappel est supérieur à celui qui serait obtenu si le transducteur de force était fixé à un élément rigide de montage Le montage - résonnant souple réduit la raideur efficace du système constitué par la masselotte mobile et le transducteur de force. Les figures 4 et 5 représentent une forme préfé- rée de réalisation de l'accéléromètre comportant deux masselottes mobiles 30, 31, sensibles à des accélérations orientées le long du même axe, montées de façon que leurs articulations flexibles respectives soient opposées et que les transducteurs de force 32, 33, à poutres réson- nantes soient reliés de façon qu'un transducteur travaille en traction quand l'autre travaille en compression. L'accélération est mesurée sous la forme d'une fonction de la différence entre les fréquences de résonance des deux transducteurs de force à poutres D'autres détails concernant le calcul de l'accélération d'après les fréquences des transducteurs sont donnés dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique No 456 255, déposée le 6 janvier 1983 Les deux ensembles à masselottes mobiles et transducteurs sont identiques et un seul est représenté sur la figure 5 et sera décrit en détail. Un support cylindrique 35 présente deux surfaces d'appui 36, 37 directement opposées Le bâti de chaque masselotte mobile comprend un élément de montage qui est appliqué sur l'une des surfaces d'appui Le support 35 comporte une nervure 38 faisant saillie vers l'exté- rieur et reposant sur une entretoise cylindrique 39 qui supporte les deux ensembles à masselottes mobiles à l'in- térieur d'un boîtier 40 Un couvercle 41 porte un compar- timent 42 pour l'électronique. L'accéléromètre supérieur de-la figure 4, illustré en perspective éclatée sur la figure 5, comporte un bâti 45 qui comprend une bague 46 de montage La masselotte mobile 30 est reliée au bâti par une section flexible 47 La bague 46 de montage repose sur la surface d'appui 36 du support 35. La masselotte mobile 30 est de contour approxi- mativement rectangulaire et elle présente la même épaisseur que la bague 46 de montage Une ouverture ovale 48 est ménagée centralement dans la masselotte mobile. Le transducteur 32 de force à poutre résonnante est fixé par une extrémité 50 à la paroi de l'ouverture 48 et il est relié par son autre extrémité 51 à la surface extrême 52 d'une poutre 53 en porte-à-faux dépas- sant du bâti 45 et constituant un montage souple. Des plaques 56 et 57 sont fixées aux surfaces supérieure et inférieure de la bague 46 de montage, respectivement, et sont maintenues en place par des organes 58 de fixation Des cales 59 sont interposées entre les plaques 56 et 57 et les surfaces de la bague 46 de montage afin d'écarter les surfaces des plaques 56, 57 des sur- faces supérieure et inférieure de la masselotte mobile 30. L'écartement est représenté de façon exagérée sur la figure 4 Les plaques 56 et 57 assument les fonctions combinées de surfaces d'amortissement et de butées pour la masselotte mobile 30, comme illustré schématiquement sur la figure 3. Une plaquette 62 à circuit est montée sur la surface supérieure de la plaque 56 et porte l'électronique associée au transducteur 32 de force à poutre résonnante. Un capot 63 renferme les composants portés par la plaquette à circuit. Ainsi qu'on peut mieux le voir sur la figure 4, la paroi de l'ouverture 48 de la masselotte mobile 30 présente un épaulement 65 ménagé dans la surface la plus proche de l'articulation flexible 470 L'extrémité 50 du transducteur 32 est reliée à la surface 66 éloignée de la poutre 53 en porte-à-faux La surface 66 est choisie de façon à comprendre le centre de percussion de la masselotte mobile 30 Le centre de percussion est le point de la masselotte mobile auquel cette dernière peut être frappée franchement sans ébranler l'axe de pivotement établi par l'articulation flexible 47 Cette relation géométrique minimise la sensibilité de la masselotte mobile aux vibrations de l'accéléromètre. La forme de réalisation à deux masselottes mobiles illustrée sur la figure 4 présente un certain nombre d'avantages Les sources d'erreurs qui produisent des effets de mode commun sur les deux systèmes à masse- lottes mobiles et transducteurs de force sont réduites. Par exemple, si les deux transducteurs ont des coefficients de température similaires, la sensibilité de l'assemblage à la température est considérablement réduite. Un autre exemple est la dérive dans la base de temps vis-à-vis de laquelle les fréquences de sortie des transducteurs sont mesurées La polarisation de l'accéléromètre est très sensible aux variations de la base de temps dans un capteur à masselotte mobile unique. Si des ensembles à masselottes mobiles et transducteurs sont approximativement accordés, la dérive de la base de temps est principalement un signal de mode commun et la sensibilité de la polarisation est notablement réduite. La position des deux masselottes mobiles 30 et 31, telle que leurs articulations flexibles sont opposées l'une à l'autre, a pour effet d'annuler la sensibilité des deux masselottes aux accélérations transversales. Des erreurs de redressement de vibrations appa- raissent lorsque l'accéléromètre est soumis à un signal d'entrée oscillant ayant une période inférieure à la période de mesure des fréquences du transducteur Une réponse non linéaire des transducteurs provoque un redressement de ces oscillations d'entrée, avec, pour résultat, un décalage du signal de sortie de l'accéléro- mètre Dans l'ensemble à deux masselottes mobiles,; dans lequel les transducteurs sont montés de manière que l'un travaille en traction et l'autre en compression, les erreurs de redressement de vibrations tendent à s'annuler. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'accéléromètre décrit et repré- senté sans sortir du cadre de l'invention. 2539231 - REVENDICATIONS 1 Accéléromètre comportant un bâti ( 11), une masselotte mobile ( 12) fixée au bâti afin de réagir à une accélération, et un transducteur ( 16) de force à résonateur à poutre dont une première extrémité ( 16 b) est reliée au bâti, le signal de sortie du trans- ducteur de force étant une mesure de'l'accélération détectée par la masselotte mobile, l'accéléromètre étant caractérisé en ce qu'il comporte un montage souple ( 18) interposé entre l'autre extrémité du transducteur de force et le bâti afin d'élargir la plage de mouvement de la masselotte mobile sans soumettre le transducteur de force à une force excessive. 2 Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le montage souple comprend une poutre ( 18) en porte-'afaux dépassant du bâti et dont une extrémité libre ( 17) est reliée à I Vautre extrémité du transducteur de force. 3 o Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bâti porte une butée ( 19 ou 20 O disposée de manière que la masselotte ombile p Uisse porhte contre elle pour limiter le mouvement dans un sens de la masselotte mobile, induit par -une accélérationo 40 Accéléromètre selon 'la revendication 3, caractérisé en ce que la masselottè mobile estreliêe au bâti par une articulation ( 13), un transducteur ( 16) de force étant relié à la masselotte mobile enun point compris entre l'articulation et 1 extrémité de la masselotte mobile, la butée étant disposée de façon que l'extrémité de la masselotte mobile puisse porter contre elle. Accéléromètre comportant un bâti ( 45), une iasselotte mobile ( 12) fixée au bâti afin de réagir à une accélération, et un transducteur ( 32) de force à réso- nateur à poutre dont une extrémité ( 50) est reliée à la masselotte mobile et'l'autre extrémité ( 51) est reliée au bâti, le signal de sortie du transducteur de force étant une mesure de l'accélération détectée par la masselotte mobile, l'accéléromètre étant caractérisé en ce que la première extrémité du transducteur de force est reliée à la masselotte mobile, au centre de percussion de cette dernière. 6 Accéléromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la masselotte mobile est traversée par une ouverture centrale ( 48) et en ce que la première extrémité du transducteur de force est reliée à une paroi ( 66) de cette ouverture. 7 Accéléromètre selon la revendication 6, carac- térisé en ce que les surfaces par lesquelles la masselotte mobile et la première extrémité du transducteur de force sont en contact ont une dimension inférieure à l'épaisseur de la masselotte mobile. 8 Accéléromètre à deux masselottes mobiles, carac- térisé en ce qu'il comporte un support ( 35) qui présente deux surfaces d'appui ( 36, 37) tournées dans des directions opposées, deux accéléromètres ayant chacun un bâti ( 45) comprenant un élément ( 46) de montage, une masselotte mobile ( 30 ou 31), une articulation ( 47) reliant la masselotte mobile au bâti afin de lui permettre de pivoter sous l'effet d'accélérations, et un transducteur de force ( 32 ou 33) à résonateur à poutre dont une première extré- mité est reliée à la masselotte mobile etl'autre extrémité est reliée au bâti, l'élément de montage de chacun des accéléromètres étant appliqué sur une première des sur- faces d'appui du support de manière que les axes sensibles des accélérométres soient alignés et que les axes d'arti- culation des masselottes mobiles soient parallèles et opposés l'un à l'autre. 9 Accéléromètre selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des plaques ( 56, 57) d'amortissement et de butée des masselottes mobilesfixées à la bague de montage de chaque accéléromètre. 10 Accéléromètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que les bagues de montage et les massse- lottes mobiles sont de même épaisseur et en ce que des cales ( 59) sont disposées entre les bagues de montage et les plaques de butée.