Brevet FR2547654A1 — publié le 19841221

CAPTEUR DE FORCES A ONDES ELASTIQUES DE SURFACE STABLE EN TEMPERATURE La présente invention se rapporte aux capteurs de forces à ondes élastiques de surface du type comportant des oscillateurs reliés à des moyens transducteurs situés sur une face ou sur les deux faces d'une lamelle élastique fléchissant sous l'action de l'accélération. Elle est particulièrement utilisable dans les accéléromètres et leur structure permet dans ce cas de mesurer l'accélération selon une composante de direction normale aux faces principales de la lamelle. Les capteurs de forces, en particulier les accéléromètres, comportent généralement au moins une extrémité encastrée dans un bâti et une masse agissant sur la lamelle et qui tend à la déplacer dans la direction de l'accélération. 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. Les moyens transducteurs forment une ligne de transmission dont le temps de retard fixe le déphasage d'une boucle oscillatrice. Ils sont par exemple situés dans des zones de la lamelle soumises à des contraintes de sens opposés ce qui entraîne une variation en sens contraire de leur fréquence d'oscillation. I1 s'en suit que la fréquence représentative de l'accélération à mesurer résulte de la soustraction des deux fréquences d'oscillation. L'un des inconvénients majeurs de ces capteurs est dû à l'influence sensible qu'exerce la température sur les fréquences d'oscillation et qui faussent par conséquent les valeurs de l'accélération. Il est connu, par des associations de transducteurs et de combinaisons de fréquences de diminuer l'influence de la température. En fait, ces dispositifs éliminent les variations de fréquence déterminées par un terme intervenant au premier ordre dans la dérive en température. A titre d'exemple, une variation de température d'une vingtaine de degrés entraîne, pour une variation de l'accélération de quelques G, une erreur de quelques dizièmes sur la valeur de l'accélération. Afin de pallier ces inconvénients, l'invention propose un capteur de forces à ondes élastiques de surface comprenant des éléments sensibles à l'accélération et des éléments insensibles à l'accélération mais délivrant une information représentative des variations locales de température. Les grandeurs fournies par ces éléments permettront une mesure corrigée de l'accélération et donc une meilleure précision. L'invention a pour objet un capteur de forces à ondes élastiques de surface comprenant au moins une lamelle ayant une première et une seconde faces parallèles susceptibles de véhiculer des ondes élastiques de surface, des moyens de pression agissant sur ladite lamelle afin d'appliquer au moins une force de flexion sur l'une desdites faces, des moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface détectant les contraintes de flexion engendrées dans la lamelle par ladite force, ledit capteur comprenant également des moyens de détection des variations de température, lesdits moyens de détection coopérant afin de délivrer une mesure de ladite force qui soit indépendante des variations de température, caractérisé en ce que les moyens de détection des variations de température comprennent des moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface disposés au niveau d'un point d'inflexion de la déformée de ladite lamelle. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront au moyen de la description qui va suivre et des figures annexées parmi lesquelles: - la figure 1 est une vue isométrique d'un accéléromètre à ondes élastiques de surface de type connu, - la figure 2 représente l'action d'une force sur une poutre appuyée à une extrémité et encastrée à l'autre, - la figure 3 est un schéma de principe d'un capteur de forces selon l'invention, - la figure 4 est un schéma de circuit de traitements de signaux, - la figure 5 représente un capteur de forces selon l'invention, -la figure 6 représente une poutre encastrée à ses deux extrémités, - la figure 7 est une variante de capteur de forces selon l'invention. Dans la description qui va suivre, les contraintes 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. 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. Le capteur comporte nécessairement un support de lamelle permettant son fléchissement. Sur la figure 1, on peut voir rapporté a un trièdre trirectangle Oxyz un accéléromètre à ondes élastiques de surface de type connu. L'accélération à mesurer 8 de direction parallèle à Oy est appliquée à un support 1, à une masse séismique 3 et à une lamelle élastique 2 reliant le support 1 à la masse 3. Les déformations de la lamelle 2 sont détectées par des moyens de mesure à ondes élastiques de surface.A cet effet, les faces principales 4 et 5 de la lamelle sont munies d'électrodes en peignes interdigités 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 et 13 qui délimitent des intervalles rayonnants orientés selon Ox. -Les électrodes 6 et 7 forment un transducteur d'émission d'ondes élastiques de surface qui progressent dans la direction Oz avant d'etre captées par un ensemble d'électrodes 8 et 9 constituant le transducteur de réception. L'ensemble des éléments conducteurs portés par la face 4 forme donc une ligne à retard à ondes élastiques de surface qui fait office de boucle d'un amplificateur 14. L'ensemble des éléments conducteurs portés par la face 5 forme une autre ligne à retard à ondes élastiques de surface rebouclant l'entrée et la sortie d'un autre amplificateur 15. On est donc en présence d'une paire d'oscillateurs dont les fréquences f1 et f2 sont liées aux temps de transit tl et t2 des ondes élastiques de surface échangées selon les faces 4 et 5. Les sorties des amplificateurs 14 et 15 sont reliées aux entrées d'un mélangeur soustractif 16 dont la sortie 17 fournit un signal de fréquence f = fl - f2. En présence d'une accélération 8, la flexion simple de la lamelle 2 entraîne l'apparition de contraintes mécaniques de flexion au niveau des faces 4 et 5, ce qui a pour effet de modifier en sens contraires les temps de transit tl et t2. Il en résulte de nouvelles fréquences d'oscillation f1 + A f et f2 - A f et un signal sur la sortie 17 ayant une fréquence f + 2 Af. On voit donc que l'accélération est mesurée par une variation de fréquence 2A f. Les considérations précédentes sont valables lorsque l'accéléromètre ne subit pas de variations de température. Si on tient compte de ces variations, les expressions donnant fl et f2 vont se compliquer quelque peu. On considérera que les transducteurs sont disposés sur la lamelle de façon a' ce qu'au repos, à température ambiante, les fréquences d'oscillation soient fo. L'accélération soumettant la lamelle a une contrainte réelle moyenne on a: K étant un coefficient de proportionnalité, aO le coefficient de dérive thermique du premier ordre, d a la variation du coefficient de dérive da r thermique en fonction de la contrainte #r au premier ordre. En combinant les fréquences fl et f2 on obtient: avec 7 a : contrainte apparente De l'équation (l), il vient # = # a avec x = 1 d &alpha; # T. La valeur de l'accélération étant proportionnelle à la contrainte a rr, on devra corriger l'accélération apparente par le facteur 1 + x Les accéléromètres selon l'art connu permettent la mesure de s a donc une mesure erronnée de l'accélération. Il est donc important de connaître au moment de la mesure de l'accélération l'influence des variations de la température. Afin de déterminer cette influence avec le maximum d'efficacité, il convient de la soustraire des influences de l'accélération. Le transducteur qui effectuera cette opération doit- être placé à un endroit de contrainte nulle ou pratiquement nulle. Sachant que la contrainte est proportionnelle au moment, I'un des aspects de l'invention consiste à exploiter la courbe des moments d'un système encastré ou sur appui simple présentant plusieurs formes de chargement et de considérer les endroits où les moments sont maximums (afin d'optimiser la détection de l'accélération) et minimums (afin d'optimiser la détection de la température). La figure 2 représente une poutre appuyée à une extrémité et encastrée à l'autre et sur laquelle agit une force t concentrée en un point courant. On a également représenté sur la figure 2 le diagramme des moments de flexion dus à la force r. La poutre 20 encastrée à l'une de ses extrémités dans le bloc support 21 a son autre extrémité qui repose sur un appui 22. La force f agit en un point M de la poutre. La courbe 23 représente la déformée de la poutre due à l'action de . La déformée est maximale pour le point M et présente un point d'inflexion P' correspondant au point P de la poutre entre le point d'application de la force et le bâti. La courbe 24 représente les moments de flexion du système décrit ci-dessus en fonction de la longueur de la poutre.On constate que la courbe des moments est maximum en M et s'annule en P. Un système de transducteurs placé en M ou au voisinage de M pourra donc recueillir efficacement les effets de l'accélération. Un système de transducteurs placé en P pourra recueillir des informations relatives aux variations de température. Ce système ne sera pas influencé par les effets dus à l'accélération. La figure 3 représente un accéléromètre constitué d'une poutre encastrée à une extrémité et dont l'autre extrémité repose sur un appui. La poutre est du type représenté à la figure 2 et les mêmes références représentent les mêmes éléments. On a représenté également sur la figure 3 la disposition des différents transducteurs. Chaque transducteur est formé de deux peignes interdigités et est associé à un autre transducteur pour définir la boucle oscillatrice d'un oscillateur du type représenté à la figure 1. Les transducteurs 30 et 31 font partie d'une même boucle oscillatrice. Il en va de meme des couples de transducteurs 32-33, 34-35 et 36-37.Lorsque le capteur de forces est soumis à une accélération 8, les oscillateurs correspondant aux couples 30-31 et 32-33 vont délivrer des signaux ayant respectivement les fréquences fl et f2. Ces fréquences vont permettre de mesurer la contrainte induite dans la poutre par l'accélération. Elles permettent une mesure apparente de l'accélération. Les oscillateurs correspondant aux couples 34-35 et 36-37 vont délivrer des signaux ayant respectivement les fréquences fl et f2 qui sont fonction des variations de température et indépendants de l'accélération. La figure 4 est un exemple de circuit électronique de traitement des signaux délivrés par les oscillateurs du capteur de forces selon l'invention. Les signaux de fréquences fl et f2 sont envoyés à un circuit soustractif 40 qui délivre un signal à la fréquence f1 - f2. Ce signal est représentatif de la contrainte apparente a = #r (1 + x). Les signaux de fréquences f1 et a r f2 sont envoyés à un circuit soustractif 41 qui délivre un signal à la fréquence fl - f2. Ce signal est représentatif de la variation de température T. Il est envoyé à un calculateur 42 qui, en fonction des grandeurs da K et da réalisé l'opération x = 1 da connues K et d a ' réalise l'opération x = K do T.Un r second calculateur 43 fournit à partir de a et de x la valeur réelle de la a contrainte due à l'accélération #r et par conséquent la valeur de cette accélération. On va maintenant s'attacher à décrire quelques réalisations possibles d'un accéléromètre selon l'invention. Les réalisations pratiques des capteurs différeront quelque peu du schéma théorique de la figure 3. La force? due à l'accélération sera engendrée par une masse appuyant sur la poutre. Elle ne peut donc être placée sur le chemin des ondes de surfaces. I1 convient donc de dédoubler cette poutre ce qui aura comme autre avantage une plus grande facilité de réalisation. En effet, les faces des poutres supportant les transducteurs doivent être polies avec soin et il est beaucoup plus facile de polir une poutre sur une seule face que sur les deux. La figure 5 est un exemple de réalisation de capteur de forces selon l'invention. Le capteur comprend deux lamelles 50 et 51 identiques et susceptibles de véhiculer des ondes élastiques de surface. Ces lamelles forment un système de poutres encastrées à une extrémité et dont l'autre extrémité repose sur un appui. L'encastrement est réalisé par le support 52 et les éléments de serrage 53 et 54 fixés sur le support 52 par des vis non représentées. Les appuis sont réalisés par une pince 55 solidaire du support 52. Une masse séismique 56 est placée entre les deux lamelles 50 et 51. Les faces 57 et 58 de la masse 56 présentent chacune un couteau central. Ces couteaux viennent se loger dans de fines rainures pratiquées dans les lamelles. Afin d'éviter des phénomènes de gauchissement des lamelles, les rainures sont disposées suivant leurs largeurs.Le plan AA' perpendiculaire aux lamelles passe par lesdites rainures et est également un plan de symétrie vertical pour la masse 56. Lorsque le capteur est soumis à une accélération , la masse 56 réagit à l'accélération et les lamelles 50 et 51 sont soumises à une force > qui provoque leur déformation. Cette force agit suivant le plan AA' et en sens inverse de l'accélération si on considère que le poids des lamelles est négligeable par rapport à la masse 56. On a représenté par des traits en pointillés les déformées 59 et 60 des lamelles 50 et 51 sous l'action d'une accélération t. Ces déformées possèdent des points de déformation maximale M1 et M2 et des points d'inflexion P1 et P2 où la contrainte due à l'accélération est nulle.Les couples de transducteurs 61-62, 63-64, 65-66 et 67-68 sont disposés selon le schéma de principe de la figure 3 et les signaux des oscillateurs correspondant à ces couples de transducteurs sont traités comme il a été dit plus haut. D'autres structures de capteurs peuvent être envisagées. En particulier, il est avantageux pour un capteur de forces de ne posséder qu'une seule lamelle flexible et de disposer tous les transducteurs sur une même face. Pour de faire, il faut qu'à la suite d'une accélération la lamelle présente sur une même face des contraintes égales et de signaux opposés. Ceci est réalisable avec un capteur du type poutre encastrée à une extrémité et dont l'autre extrémité repose sur un appui simple. En revenant au diagramme de la figure 1 qui représente les moments des forces on constate qu'aux points 9 et K situés de part et d'autre du point I (correspondant au point inflexion dé la déformée) et à égale distance de ce point, les contraintes induites dans la poutre par la force sont égales et de signaux opposés. On peut envisager d'autres dispositions, par exemple une poutre encastrée à ses deux extrémités telle que représentée à la figure 6. Une poutre 70 est encastrée à chacune de ses extrémités dans des supports fixes 71 et 72. Une force P est appliquée à un point courant de la poutre. La déformée correspondant à l'action de la force F est représentée par la courbe 73. La déformée possède deux points d'inflexion Iî et 12. De part et d'autre de ces points d'inflexion et pour une même face de la poutre, les contraintes changent de signe.Les transducteurs servant à détecter l'influence de la température seront disposés dans l'une ou l'autre zone d'inflexion correspondant à I1 ou 12 On pourra disposer les transducteurs sensibles à la contrainte apparente de la manière suivante: un couple de transducteurs entre I1 et I2, un couple de transducteurs soit entre A et I soit entre I2 et B. La figure 7 est une représentation en vue éclatée d'un capteur de forces du type à lamelle encastrée à - ses deux extrémités. Il comprend un support 75 supportant une plaque 76 en matériau susceptible de propager des ondes élastiques de surface. Un cadre 77 vient fixer la plaque 76 sur le support 75 par l'intermédiaire de quatre vis non représentées. La plaque 76 possède deux découpes délimitant une lamelle 78 telles que lorsque les éléments 75, 76 et 77 sont assemblés, la lamelle 78 constitue une poutre encastrée à ses deux extrémités. Une masse inertielle, constituée par exemple de deux blocs 79 et 83, est fixée sur la lamelle. Lorsque le dispositif sera soumis à une accélération, la lamelle 78 se déformera comme l'indique la figure 6 en présentant des points d'inflexion 11 et 12. Le couple de transducteurs 80 placé au niveau du point d'inflexion I2 servira de détecteur de température. Les couples de transducteurs 81 et 82 placés dans des zones de la lamelle de courbures opposées serviront de détecteurs de l'accélération apparente. I1 entre également dans le cadre de l'invention de disposer sur la lamelle autant de détecteurs de l'accélération apparente que l'on désire. Ceci afin d'augmenter la fiabilité du dispositif. I1 en va de même pour les détecteurs de température. I1 peut en exister autant qu'il y a de points d'inflexion sur la déformée de la poutre. Le capteur de force ainsi réalisé permet par des dispositifs relativement simples une mesure beaucoup plus précise de l'accélération que les capteurs classiques. REVENDICATIONS 1. Capteur de forces à ondes élastiques de surface comprenant au moins une lamelle (20) ayant une première et une seconde face parallèle susceptible de véhiculer des ondes élastiques de surface, des moyens de pression agissant sur ladite lamelle afin d'appliquer au moins une force de flexion sur l'une desdites faces, des moyens oscillateurs de détection à ondes élastiques de surface (30, 31 et 32, 33) sensibles aux contraintes de flexion engendrées dans la lamelle par ladite force, ledit capteur comprenant également des moyens de détection des variations de température, lesdits moyens de détection coopérant afin de délivrer une mesure de ladite force qui soit indépendante des variations de température, caractérisé en ce que les moyens de détection des variations de température comprennent des moyens oscillateurs à ondes élastiques de surface (34, 35 et 36, 37) disposés au niveau d'un point d'inflexion de la déformée de ladite lamelle. 2. Capteur de forces selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une masse inertielle (56, 79, 83) qui transmet au capteur ladite force en réponse à une accélération. 3. Capteur de forces selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite lamelle est du type poutre encastrée à une extrémité et dont l'autre extrémité repose sur un appui. 4. Capteur de forces selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit capteur comprend deux lamelles identiques (50, 51) soumises aux mêmes contraintes par ladite force, lesdits transducteurs (61 à 68) étant disposés sur une seule face de chaque lamelle. 5. Capteur de forces selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une masse inertielle (56) maintenue entre lesdites lamelles (50, 51). 6. Capteur de forces selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite lamelle est du type poutre encastrée à ses deux extrémités (70). 7. Capteur de forces selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que au moins un couple desdits moyens oscillateurs de détection des contraintes de flexion (81, 82) est placé sur une face de ladite lamelle, les moyens oscillateurs dudit couple étant placés de part et d'autre d'un point d'inflexion (I1) de ladite déformée de façon à détecter des contraintes de flexion égales et de signes opposés.