Brevet FR2554225A1 — publié le 19850503

i La présente invention concerne les gyromètres sans rotor matériel, du type utilisant l'influence des forces de Coriolis sur les particules d'un fluide contenu dans une cavité résonante, et comprenant des moyens d'excitation pour générer et entretenir des oscillations acoustiques longitu- dinales dans ladite cavité selon un axe d'excitation et des moyens pour mesurer les variations de pression transversales apparaissant au niveau d'un noeude de vibration, selon un axe de mesure, lorsque la cavité pivote autour d'un axe perpendiculaire au plan des oscillations. Dans les dispositifs connus de ce type, tel que le gyromètre acoustique décrit dans le brevet américain N 2 999 389, un générateur d'oscillations électriques fait vibrer, par l'intermédiaire d'une bobine d'excitation, un diaphragme disposé au fond d'une cavité fermée. Une onde acoustique longitudinale s'établit dans la cavité. En fonction des dimensions de la cavité et de la fréquence d'excitation on s'arrange pour que l'onde acoustique présente un noeud de pression en un point bien déterminé. Lorsque la cavité pi- vote autour d'un axe perpendiculaire au plan des oscilla- tions, les forces de Coriolis génèrent un mode oscillatoire stationnaire,transverse au mode d'excitation, dont l'ampli- tude est proportionnelle à la vitesse de rotation de la cavité. Pour mesurer cette pression acoustique transverse, image de l'amplitude de l'oscillation transverse, deux tubes sont disposés de part et d'autre de la cavité sur un axe de mesure,situé au niveau du noeud de pressionpour transmettre les variations de pression à un micro différentiel. On admet que la vitesse de rotation de la cavité peut être déduite de la relation: F = 2 p /QuAsinuL o p est la masse des molécules gazeuses, c6l'amplitude de la vitesse instantanée sinusoidale d'excitation des molécules, la vitesse angulaire de rotation de la carte, W aux forces de Coriolis. Cependant, en pratique, un tel gyromètre présente des inconvénients. - Il est de réalisation délicate car il faut que la demi- longueur d'onde de l'onde acoustique d'excitation corresponde exactement à la longueur de la cavité, faute de quoi la position du noeud de pression, sur lequel s'effectuent les mesures, sera imprécise; - l'influence des harmoniques n'est pas négligeable et se traduit par des erreurs de mesures; - le couplage entre l'organe d'excitation et le gaz est important ce qui entraîne un faible coefficient de surtension de la cavité et une influence importante des défauts des excitateurs sur la localisation exacte du noeud de pression; l'utilisation d'un micro différentiel raccordé à la cavité par des tuyaux de prises de pressions crée des déphasages dus aux retards pneumatiques, en outre le couplage avec la cavité n'est pas négligeable du fait de l'importance des diamètres des tuyaux nécessaires vis-à-vis de la longueur d'onde des oscillations. Le gyromètre acoustique suivant l'invention permet d'éviter ces inconvénients. C'est ainsi qu'il comprend, en plus des dispositifs connus, des moyens pour réaliser l'asservissement en phase de l'oscillation acoustique longitudinale dans la cavité. Il se caractérise en ce que la fréquence propre de la cavité, suivant l'axe de mesure, est la même que la fré- quence propre de la cavité suivant son axe d'excitation. Il se caractérise également en ce que l'on utilise un mode de couplage faible entre excitateur et cavité, obtenu en employant un excitateur dont l'impédance acoustique est très grande vis-à-vis de l'impédance acoustique du fluide contenu dans la cavité. L'asservissement en phase de la cavité permet de s'affranchir des variations de longueur de la cavité et des fluctuations 3 2554225 de la vitesse de propagation des oscillations dans le fluide en fonction de la température. En outre, du fait de l'asservissement de phase permanent, la position des ventres de l'onde d'excitation donc du noeud utilisé pour les mesures est stabilisé et correspond rigoureusement avec la position des micros de mesure. Les effets des harmoniques sont éléminés par comparaison de l'onde émise avec une onde de référence rigoureusement sinusoidale. Un autre moyen pour améliorer les performances d'un gyromètre selon l'invention consiste à utiliser un mode de couplage faible entre excitateur et cavité acoustique.-Pour cela on utilise un excitateur dont l'impédance acoustique est très grande vis- à-vis de l'impédance acoustique du gaz contenu dans la cavité. Ce qui permet d'avoir un coefficient de surtension élevé pour la cavité. Ceci peut être réalisé de deux moyens: - Soit en employant un excitateur constitué par un disque piézoélectrique de diamètre très faible vis-à-vis des dimensions de la cavité. En ce cas, on génère des ondes sphériques; Soit en employant un excitateur de grand diamètre mais d'épaisseur très faible, de l'ordre de quelques microns. En ce cas on génère des ondes planes. Pour éliminer l'influence néfaste des tuyaux tels que décrits dans le brevet US N 2 999 389, les variations de pression, au niveau du noeud de l'onde acoustique, sont mesurées au moyen de deux microphones montés en différentiel et disposés dans ou à proximité immédiate de la cavité. Cette disposition élimine les effets de retards pneumatiques et les signaux parasites engendrés par les vibrations ou les bruits acoustiques du porteur sur lequel est monté le gyromètre. L'orifice de couplage de ces micros à la cavité est réalisé par une fente extrêmement fine, ce qui permet de conserver des dimensions, dans le sens de l'onde d'excitation, très réduites par rapport à la longueur d'onde tout en conservant une section de passage suffisante. Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, un mode de réalisation de gyromètre acoustique conforme à la présente invention. La figure 1 représente une cavité résonante avec ses axes privilégiés d'utilisation, La figure 2 schématise un gyrOmètre conforme à l'invention, Les figures 3 et 4 montrent la réalisation d'une fente de couplage, La figure 5 représente une cavité résonante pour gyromètre 2 axes, La figure 6 schématise la réalisation d'un gyromètre 3 axes. Pour un gyromètre un axe, la cavité résonante est avan- tageusement un volume, symétrique autour de son axe longi- tudinal S, réalisé en métal. Ce peut être, par exemple, un cylindre ou un parallélépipède rectangle 1, tel que représenté figure 1. Pour un gyromètre un axe, les parois opposées E et F, sur l'axe R correspondant à l'axe de rotation, sont de section carrée, de l'ordre de 40 x 40 mm2 et distantes l'une de l'autre d'environ 27 mm. Cette cavité est excitée acousti- quement au moyen du transducteur 10 disposé sur la paroi A. Ce transducteur est constitué par un disque en matériau piézoélectrique d'un diamètre de 20 mm et d'une épaisseur de quelques microns. Un tel disque fournit un niveau sonore d'environ 100 dB. La fréquence de résonance à l'excitation est de 4350 Hz environ à la température ambiante. Lorsque la cavité est remplie d'air, son coefficient de surtension atteint 150. Dans ces conditions, un noeud d'onde N s'établit au centre de la cavité sur son axe transversal T. Deux microphones de mesure 11 et 12 sont disposés sur chacune des deux faces parallèles du parallélépipède, coupées.par l'axe transversal T, et ajustés exactement à un endroit o règne un noeud de pression, soit au centre de la cavité dans l'exemple considéré. Dans la mesure o le coefficient de surtension de la cavité est suffisamment élevé, aucun signal n'est observé aux bornes des microphones 11 et 12, montés en différentiels,en l'absence de mouvement de rotation du dis- positif autour de l'axe R. A noter au passage qu'il est possible de n'utiliser qu'un seul microphone. La mise en rotation de la cavité autour de l'axe R, ou de tout autre axe parallèle à R, modifie le régime vibratoire des molé- cules du gaz contenu dans la cavité. Pendant la rotation, une onde acoustique, dont la direction de propagation T (figure 2) est orthogonale à l'axe longi- tudinal S prend naissance et est détectée par les micro- phones de mesure 11 et 12. L'amplitude de cette onde est proportionnelle à la vitesse de rotation de la cavité autour de l'axe R, ou de tout autre axe parallèle. Une boucle d'asservissement en phase 14 permet de maintenir le régime d'onde stationnaire calé en phase par rapport à la cavité et à la fréquence de résonance de ladite cavité, quelles que soient ces variations de fréquence, par exemple consécutives à une variation de température du fluide contenu dans la cavité 1. Ce dispositif maintient le noeud de pression au centre de la cavité, indépendamment de tous les effets perturbateurs, ce qui améliore fondamentalement les caractéristiques de ce type de gyromètre. Cette boucle est réalisée par un comparateur de phase 3 qui délivre un signal Y proportionnel au déphasage existant entre les ondes de pression acoustique respectivement présentes sur les parois A et B. Ce signal Y commande un générateur 5 de signaux électriques, du type oscillateur à fréquence variable à commande en tension. Le signal V s'an- nule lorsque les conditions suivantes sont réalisées: - fréquence du générateur = fréquence de résonance acoustique de la cavité; - déphasage de 180 entre les pressions acoustiques au niveau des parois A et B. Toute variation de l'une de ces conditions sera mesurée par le comparateur de phase 3 qui générera la tension de correction Y et le système se régulera automatiquement. Le signal de sortie de l'oscillateur 5, après amplification par un ampli 4, est injecté dans l'excitateur 10, tandis que le signal recueilli par le micro de référence 15 est mis en forme par un comparateur amplificateur 2. Le signal ks2 représentatif de la vitesse angulaire à mesurer est obtenu par une démodulation classique des signaux issus des micros de mesure 1112, amplifiés et filtrés par un amplificateur 7. Pour cela, un démodulateur 8 est synchronisé par le signal X du générateur 5 après mise en forme au travers d'un ampli 6. Pour faire démarrer les oscillations dans la cavité, un dispositif 9 de mise en route permet l'excitation initiale avant le calage en phase de l'ensemble. Ce dispostif consiste en un générateur de rampe de tension permettant le balayage de tout le domaine de résonance de la cavité. Ce signal de démarrage est appliqué à l'oscillateur 5 sur son entree en sommation avec le signal. Une fois l'oscillation obtenue, sur la fréquence propre de la cavité acoustique, c'est le signal V qui contrôle les évolutions de fréquence de l'oscil- lateur. Pour éviter tout couplage parasite de la cavité avec le micro de référence ou les micros de mesure, ceux-ci sont de très petite taille. Ils sont par exemple constitués de microphones à électret de 5 mm de diamètre et couplés à la cavité par un trou 17 de 0,8 mm de diamètre et d'une profondeur de 1 mm. Pour améliorer encore les performances en sensibilité et surtout en stabilité on peut utiliser une fente pour le cou- plage acoustique des ondes transversales, selon l'axe T, avec les microphones de mesure 11 et 12. Ceci permet de réduire la dimension des orifices de prélèvement de pression de mesure suivant l'axe longitudinal d'excitation S, et par là même de localiser exactement la zone de mesure sur le noeud de pression N de l'onde d'excitation tout en éliminant les retards pneumatiques. De bons résultats sont obtenus avec des fentes 16, de 10 mm de longueur pour une largeur de 0,05 mm, réalisées dans les parois C et D de la cavité, tel que représenté figures 3 et 4. En variante, il est possible de réaliser des gyromètres à 2 ou 3 axes de sensibilité. Ainsi pour réaliser un gyromètre deux axes, tel que repré- senté figure 5, la cavité résonante doit être symétrique autour de l'axe d'excitation 5, par exemple cubique, cylin- drique ou sphérique pour pouvoir disposer deux paires de micros de mesures 11-12 et 11'-12' selon deux axes ortho- gonaux dans un plan perpendiculaire à l'axe d'excitation S et passant par le noeud N des oscillations. Ainsi la mesure par les micros 11-12 permet de déceler les rotations autour de l'axe Ri et celle par les micros 11'12' les rotations autour de l'axe R2. Dans ce cas un circuit électronique supplémentaire est nécessaire comportant un second démodu- lateur exploitant les signaux issus des micros de mesure 11' et 12' de façon identique au démodulateur déjà décrit. Un gyromètre trois axes nécessite une cavité résonante ayant un centre de symétrie tel qu'un cube ou une sphère par exemple. Dans ces conditions on utilise des éléments identiques disposés selon 3 axes orthogonaux comme excitateurs, micros de référence,et micros de mesure afin de les utiliser alternativement comme excitateurs, micros de référence ou de mesure par commutations successives, selon les rotations 321,4Q2 ouf?3 à mesurer. La figure 6 schématise la réali- sation d'un tel gyromètre à 3 axes de mesure. Les trois paires de micros 11,12 - 11',12' et 11", 12" sont reliées à un commutateur d'excitation 60 ayant pour but de sélec- tionner successivement une paire de micros comme couple excitateur-micro de référence, et de la mettre en liaison 8 2554225 avec le circuit d'asservissement en phase 61. Les mesure 11-12, 11'-12', 11"-12" arrivent respectivement sur trois démodulateurs D1, D2 et D3 dont les signaux sont sélectionnés au moyen d'un inhibiteur de sortie 63 selon l'axe de rotationjQl,SI2 ouQ3 à considérer. Un séquenceur 62 assure l'explotation successive dans le temps, des combinaisons des micros, en excitateurs ou en micros de mesure. Le dispositif selon l'invention se prête particulièrement bien à la réalisation de gyromètres fiables et pouvant fonctionner dans une grande plage de température tels que ceux utilisés dans le domaine de l'aéronautique. REVENDICATIONS 1 - Gyromètre du type utilisant l'influence de la force de Coriolis sur un fluide contenu dans une cavité résonante et comprenant des moyens excitateurs pour générer et entre- tenir des oscillations acoustiques longitudinales dans ladite cavité selon un axe d'excitation, et des moyens pour mesurer des variations de pression transversales apparaissant au niveau d'un noeud de vibration selon un axe de mesure, lorsque la cavité est déplacée autour d'un axe perpendiculaire au plan des oscillations, caractérisé en ce qu'il est prévu des moyens pour réaliser l'asservissement en phase de l'onde acoustique d'excitation de la cavité. 2 - Gyromètre, selon revendication 1, caractérisé en ce que l'on utilise un mode de couplage faible entre excitateurs et cavité, obtenu en utilisant un excitateur dont l'impé- dance acoustique est très grande vis-à-vis de l'impédance acoustique du fluide contenu dans la cavité. 3 - Gyromètre, selon revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la fréquence propre de la cavité, suivant l'axe de mesure T, est la même que la fréquence propre de la cavité suivant son axe d'excitation S. 4 - Gyromètre, selon revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'excitateur est constitué d'un disque piézoélectrique dont le diamètre est très petit vis-à-vis des dimensions de la cavité. 5 - Gyromètre, selon revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que l'excitateur est constitué d'un dique de grand dia- mètre, vis-à-vis des dimensions de la cavité, et d'épaisseur très faible de l'ordre de quelques microns. 6 - Gyromètre, selon revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer les variations de pression consistent en deux microphones montés en différentiel de part et d'autre de la cavité. 7 - Gyromètre, selon la revendication 6, caractérisé en ce que le ou les micros sont couplés chacun à la cavité au moyen d'une fente très fine. 8 - Gyroscope, selon l'une des revendications 1 à 7, ca- ractérisé en ce que deux mesures simultanées orthogo- nales de vitesse de rotation sont possiblesen utilisant une cavité résonante symétrique autour de l'axe d'exci- tation E et possedant deux paires 11-12, 11'-12' de mi- cros de mesure disposées selon deux axes orthogonaux dans un plan perpendiculaire à l'axe d'excitation. 9 - Gyromètre, selon l'une des revendications 1 à 8, ca- ractérisé en ce qu'un système de commutation 60-63 à l'émission et à la réception permet de mesurer par échan- tillonnage successif d'un séquenceur 62, les vitesses de rotation selon trois axes orthogonaux.