Brevet FR2558588A1 — publié le 19850726

La présente invention concerne les instruments de mesure pour le guidage par inertie. Plus spécifiquement, la présente invention se rapporte aux capteurs combinés destinés à mesurer à la fois l'accélération linéaire et la vitesse de rotation d'un corps en mouvement. Un certain nombre de tentatives ont été faites dans le but d'utiliser une masse d'inertie pour détecter la vitesse de rotation d'un corps. Ces tentatives ont en géné- ral été basées sur l'accélération de Coriolis que subit un l0 corps animé d'un mouvement vibratoire ou rotatoire lorsqu'il est fixé à un second corps dont la rotation doit être détectée. L'accélération de Coriolis est donnée par l'équation suivante: À = 2 x v o: A = accélération de Coriolis w = vitesse angulaire du système de coordonnées tour- nant (second corps) à mesurer; et v = composante de la vitesse perpendiculaire à l'axe de rotation. Comme indiqué ci-dessus, ce qui précède exprime le principe de base sur lequel se fondent tous les gyros- copes vibrants ainsi que les gyroscopes à volant rotatif à savoir qu'une force due à l'accélération de Coriolis est subie lorsqu'une masse en mouvement présente une composante de vitesse perpendiculaire à l'axe de rotation du système de coordonnées tournant qui lui est associé. En pratique, ce principe permet la détection de la vitesse angulaire au moyen d'un pendule oscillant, ainsi qu'il a été démontré pour la première fois par Léon Foucault au début des années 1850. Depuis lors, de nombreuses tentatives ont été faites pour appliquer les principes de l'accélération de Coriolis à la conception de gyromètres et de gyromètres intégrateurs. Des tentatives importantes parmi celles visant à la mise au point d'un gyroscope capteur de vitesse conforme aux principes précédents ont été les suivantes (toutes réfé- rencées sous leur nom de marque de fabrique): "Gyrotron" de Sperry Gyroscope Corporation (1940); "AS Gyro" de Royal Aircraft Establishment; "Vibrating String Gyro" de North American Rockwell Corporation (Autonetics Division, Anaheim, Californie); "Viro" de General Electric Corporation; et "Sonic Bell Gyro" de General Motors Corporation (Delco Division). Tous les système susmentionnés, à l'exception de "Gyrotron", ont commencé à être développés au début des années 1960. En général, les systèmes cités ci-dessus se basent soit sur un corps en rotation, soit sur un corps vibrant sans contraintes pour fournir la composante de vitesse v perpendiculaire à l'axe de rotation du second corps. La force d'accélération subie par un tel corps vibrant ou rotatif est alors mesurée d'une manière quelconque pour donner l'accélération de Coriolis A. Connaissant l'accélé- ration de Coriolis et la vitesse d'un élément capteur de force, il est alors possible de déterminer simplement la vitesse de rotation du corps. Les corps en vibration offrent des avantages évi- dents par rapport aux ensembles rotatifs du point de vue de la simplicité mécanique. Pour réaliser un instrument inertiel rotatif sensible à l'accélération de Coriolis, tel qu'un accéléromètre, il est nécessaire de prévoir des roulements à billes, des bagues collectrices, des moteurs tournants, etc. De plus, un dispositif rotatif doit être référencé en phase avec le boîtier dans lequel il est monté pour décom- poser la vitesse angulaire initiale selon les deux axes de mesure orthogonaux, ce qui complique encore ces structures. Un problème latent inhérent à tout capteur combiné constitué d'un ou de plusieurs capteurs vibrants du type à masse d'inertie résulte du fait que l'information concer- nant l'accélération appliquée suivant l'axe d'entrée du ou des capteurs est contenue dans le signal de sortie du cap- teur. Bien que dans beaucoup d'applications et d'environne- ments, la fréquence de l'accélération soit prévisible et se situe en dehors de la plage de fréquences en question, il va apparaître une confusion lorsque la fréquence de l'accé- lération linéaire appliquesuivant l'axe d'entrée est proche de la fréquence de vibration du capteur. Les problèmes précédents ainsi que d'autres de l'art antérieur sont abordés et résolus grâce à la présente invention qui fournit un capteur combiné perfectionné. Ce capteur combiné comporte des moyens sensibles à l'accélé- ration appliquée suivant un premier axe et des moyens sen- sibles à l'accélération appliquée suivant un second axe. Il est prévu des moyens pour le montage des moyens susdits tels que le premier axe soit colinéaire au second axe. Il est prévu de plus des moyens destinés à mettre en vibration chacun de ces moyens sensibles à l'accélération en des mou- vements déphasés et le long d'axes parallèles, chacun de ces axes étant orthogonal au premier et au second axes. Les caractéristiques précédentes, ainsi que d'au- tres, de l'invention seront davantage mises en évidence par la description détaillée suivante. Cette description est accompagnée de dessins illustratifs. Des numéros de réfé- rence servent à désigner divers éléments du mode de réali- sation illustré, des numéros identiques désignant partout des éléments identiques. Sur ces dessins: la figure 1 est une vue de dessus d'un capteur combiné monoaxial, certaines parties en ayant été retirées à des fins de clarification; la figure 2 est, en partie, une coupe transversale du capteur combiné monoaxial, faite suivant la ligne 2-2 de la figure 1, et comprend de plus certains des composants qui ont été omis à la figure précédente; la figure 3 est une coupe transversale partielle faite suivant la ligne 3-3 de la figure 2, afin d'illustrer la manière dont sont provoquées les vibra- tions des accéléromètres droit et gauche conformément à l'invention; et la figure 4 est un schéma synoptique fonctionnel du circuit d'extraction des informations relatives à l'accé- lération et à la vitesse de rotation, destiné à être utilisé dans la présente invention. En se référant maintenant aux dessins, la figure 1 donne une vue de dessus d'un capteur combiné conforme à la présente invention. Un certain nombre d'éléments du mode de réalisation ont été ôtés de la figure 1 pour clarifier la présentation. Ces éléments seront montrés et mis en évidence dans les vues suivantes et la description qui s'y rapporte. Le capteur combiné de l'invention comprend un accéléromètre droit 10 et un accéléromètre gauche 12 disposés à l'intérieur d'un boîtier 14 dont le dessus a été ôté sur la figure 1 pour permettre un accès visuel. L'un au moins des accéléromètres peut être d'un type dans lequel une masse d'inertie qui y est renfermée est disposée de façon à réagir aux forces d'accélération appliquées suivant une direction prédéterminée et, par là, à fournir une indication à leur sujet. Il peut de plus être du type à masse contrainte c'est-à-dire assujettie. En variante, on peut utiliser dans le capteur combiné des accéléromètres du type à boucle ouverte ou une association de capteurs de types à boucle ouverte et à boucle fermée. Au surplus, la présente invention peut être mise en oeuvre en utilisant des accéléromètres comprenant des éléments dont les propriétés optiques sont modifiées pendant les accélérations. Les accéléromètres sont disposés à l'intérieur d'une cavité 16 formée à l'intérieur du boîtier 14. Chaque accéléromètre est fixé à un étrier constitué de trois par- ties, l'accéléromètre droit étant fixé à l'étrier qui com- prend le doigt 18 et la poutre 19 et l'accéléromètre gauche 12 étant fixé à l'étrier qui comprend le doigt 20 et la poutre 21. Des traverses latérales ne sont pas représentées sur la figure 1 pour permettre une vue dégagée de chaque ensemble d'accéléromètre et d'étrier. Cependant, ainsi qu'il sera montré sur les figures suivantes, chaque ensemble étrier- et-accéléromètre associés est pris en sandwich entre deux traverses latérales flexibles espacées l'une de l'autre qui comprennent des éléments piézo-électriques aux- quels elles sont liées pour faire effectuer un mouvement vibratoire prédéterminé aux capteurs. Les accéléromètres 10 et 12 sont agencés à l'inté- rieur de la cavité 16 de telle manière que, au repos, leurs axes d'entrée, respectivement 22 et 24, soient sensiblement colinéaires. Ceci est plus clairement visible sur la figure 2 qui est une coupe transversale prise suivant la liqne 2-2 de la figure 1 et qui comprend certains des éléments ayant été ôtés de la figure précédente à des fins de clarification. Sur la figure 2 sont visibles les suspensions gauche et droite à traverses parallèles qui comprennent des traverses latérales espacées l'une de l'autre dans les paires 25, 26 et 27, 28 qui prennent respectivement en sandwich les ensem- bles accéléromètre-et-étrier droit et gauche. (Il est à re- marquer que l'étrier droit est complété par un doigt infé- rieur 30 et que l'étrier gauche est complété par un doigt inférieur 32). Les masses des assemblages droit et gauche consti- tués respectivement d'un accéléromètre, d'un étrier et de deux traverses latérales sont sensiblement les mêmes afin de minimiser les efforts au niveau des montures 34, 36, 38 et 40 du boîtier. Cet appariement des masses tend, en pre- mier lieu, à compenser les forces de vibrations linéaires (de translation pure). Des trous identiques 42 et 44 sont prévus dans les poutres 19 et 21, le trou 42 ayant essentiel- lement pour but d'équilibrer les masses alors que le trou 44 admet un aimant 46 qui correspond à un aimant 48 fixé à l'accéléromètre droit 10. Chacun des aimants 46 et 48 agit en association avec une paire de bobines fixées au bottier qui, prises ensemble, font office d'élément détecteur de la vitesse du capteur. Dans le cas de l'aimant 48, sa vibration, conjointe à celle de l'accéléromètre droit 10, induit un courant dans des bobines 50 et 52 détectrices de vitesse qui sont fixées à un support 54 lui-même fixé au boitier. {Le support 54 procure de plus le logement d'un amplificateur droit 56 de compensation des accélérations). La vibration de laccéléro- mètre gauche 12 et de l'aimant 46 induit un courant dans les bobines 58 et 60 détectrices de vitesse qui sont asso- ciées à un support 62. Un amplificateur gauche 64 de compen- sation est fixé au support 62 lui-même fixé au boîtier. La figure 3 est une coupe transversale partielle faite suivant la ligne 33 de la figure 1 dans le but d'illustrer les moyens employés pour mettre en vibration les accéléromètres 10 et 12. Comme on peut le voir sur cette figure, l'accéléromètre droit 10 est maintenu en relation d'assujettissement avec des traverses latérales et 26 de la suspension à lames parallèles de droite au moyen des doigts 18 et 30 espacés l'un de l'autre apparte- nant à l'étrier de maintien. Les traverses latérales 25 et 26 s'étendent sur la longueur de la cavité 16 et sont fixées à leurs extrémités à des pièces flexibles opposées 66 et 68 de support des traverses. Chacune des traverses laterales présente une section droite globalement en forme de W avec des parties renforcées se faisant face à l'extérieur solidaires d'élé- ments minces analogues à des membranes. Des éléments piézo-électriques 70, 72, 74 et 76 sont liés aux parties analogues à des membranes des traverses latérales par des moyens de nature adhéesive tels qu'une résine époxy ou autre. Ainsi qu'il est représenté, des contacts métallisés sont plaqués par paires sur les élé- ments piézo-électriques. De façon bien connue, une telle matière piézo-électrique est sujette A des déformations prévi- sibles et reproductibles en réponse à l'application de- potentiels électriques positifs et négatifs. Par exemple, en appliquant des potentiels électriques positifs et néga- tifs à des éléments correctement polarisés conformément à la combinaison indiquée sur la figure 3, il sera appliqué aux traverses latérales des forces résultantes tendant à contraindre chacune d'elles vers le haut en son point milieu. Réciproquement, en inversant les signes des potentiels indi- qués, l'assemblage constitué des traverses latérales, de l'étrier et de l'accéléromètre sera contraint vers le bas. Ainsi, par un séquencement convenable des polarités des signaux électriques appliqués aux traverses latérales, l'accéléromètre 10 (et l'accéléromètre 12) peut être con- traint de vibrer de haut en bas et de bas en haut à une fréquence et une amplitude prédéterminées. En se référant de nouveau à la figure 2, les vibrations des accéléromètres 10 et 12 sont provoquées, avec une différence de phases de 180 degrés, de façon à avoir lieu le long d'axes parallèles 78 et 80. Les forces de l'accélération de Coriolis précédemment décrites qui sont induites dans un système vibrant auront pour effet que les vibrations suivant les axes indiqués des accéléromètres 10 et 12 induiront des forces d'accélération mesurables pro- portionnelles à la vitesse de rotation du capteur combiné dans la direction de l'axe d'entrée de chaque accéléromètre. Les signaux de sortie des accéléromètres 10 et 12 contien- dront ainsi une mesure de la vitesse de rotation du système autour d'un axe 82.. qui est représenté sur la figure 1. La figure 4 est un schéma de principe d'un mon- tage électrique destiné à déterminer l'accélération linéaire suivant les axes d'entrée des accéléromètres 10 et 12 ainsi que la vitesse de rotation autour de l'axe 82, avec une grande précision en faisant usage des signaux de sortie engendrés par un capteur combiné conforme à la description précédente. En traitant les signaux de la façon indiquée, il est possible d'atteindre une précision de mesure qui serait autrement compromise lorsque, dans un capteur combiné du type à accélération de Coriolis, les accélérations appli- quées le long de l'axe d'entrée sont subies à des fréquences s'approchant de la fréquence de modulation qui est celle de la vibration de l'accéléromètre. Les signaux qui produisent les vibrations des accéléromètres sont fournis par un circuit d'attaque 86 et envoyés sur des conducteurs 88 et 90. Les courants induits dans les paires de bobines détectrices droite et gauche excitent le circuit d'attaque 86 selon une configuration de circuit autooscillant. Par exemple, comme montré sur la figure, la vibration détectée de l'accéléromètre gauche 12, transformée en un courant sinusoidal correspondant pro- portionnel à la vitesse par l'action conjuguée de l'aimant 46 et des bobines détectrices gauches 58 et 60, est appli- quée comme grandeur d'entrée au circuit d'attaque 86. De plus, par application à un démodulateur 92, le signal induit dans les bobines détectrices sert de signal de référence pour la démodulation. (Ainsi qu'il apparait, le signal correspondant à l'accélération de Coriolis, qui est un produit vectoriel, oscille à une fréquence égale à la fréquence de vibration de l'accéléromètre capteur et à une amplitude proportion- nelle à la vitesse angulaire appliquée. L'extraction de l'information sur la vitesse angulaire ou sur la vitesse nécessite la démodulation d'un signal sinusoidal). Les signaux de sortie des accéléromètres droit et gauche sont appliqués, en parallèle, à un amplificateur dif- férentiel 94 ainsi qu'à un amplificateur sommateur 96.Etant donné que les accéléromètres vibrent avec un déphasage de degrés, les composantes de leurs signaux de sortie rela- tives à la mesure de l'accélération de Coriolis sont de signes opposés,'alors que les composantes relatives à l'ac- célération linéaire ne sont pas produites de la même façon et sont de même signe. Le signal de sortie de l'amplificateur différentiel 94, qui est la valeur de la différence entre les signaux de sortie des accéléromètres, constitue ainsi exclu- sivement une mesure de l'accélération de Coriolis et, par suite, de la vitesse de rotation, étant donné que les compo- santes des signaux de sortie représentatives de l'accéléra- tion linéaire sont supprimées indépendamment du rapport existant entre les fréquences de ces deux composantes parti- culières du signal de sortie de l'accéléromètre. L'égalité et l'opposition de sens des composantes représentatives de l'accélération de Coriolis ou de la vitesse de rotation dans les signaux de sortie des capteurs, a pour conséquence sup- plémentaire que la sortie de l'amplificateur différentiel 94 fournit une mesure de la vitesse de rotation deux fois plus sensible que celle donnée par la sortie d'un seul des accé- léromètres constitutifs du capteur combiné. Le signal de sortie concernant la vitesse de rota- tion est ensuite appliqué au démodulateur 92 qui, comme décrit ci-dessus, utilise le courant sinusoïdal induit dans les bobines détectrices de vitesse en tant que référence pour la démodulation. Le signal de sortie concernant la vitesse de rotation est ensuite appliqué à un filtre 98 en vue de l'extraction finale du signal de vitesse de rotation. L'opposition de sens des composantes relatives à l'accélération de Coriolis dans les signaux de sortie des accéléromètres droit et gauche a pour conséquence supplémen- taire que le signal de sortie de l'amplificateur sommateur 96, auquel sont appliqués les signaux de sortie des accéléro- mètres, ne contient pas d'information relative à la vitesse de rotation et constitue une mesure de l'accélération linéaire appliquée suivant les axes d'entrée coincidants des accéléro- mètres, cette mesure étant deux fois plus sensible que ne l'est celle donnée par le signal de sortie d'un seul des accéléromètres 10 ou 12. Ce signal de sortie n'est pas dé- modulé (à la différence du signal de vitesse de rotation) étant donné qu'il constitue une mesure directe de l'accélé- ration, que celle-ci soit ou non de nature vibratoire. Ce signal est ensuite appliqué à un filtre 100 en vue d'en extraire l'information d'accélération. Il apparaît ainsi que la présente invention four- nit un capteur combiné perfectionné du type vibrant qui permet d'obtenir une sensibilité accrue tant à l'égard de l'accélération linéaire qu'à l'égard de la vitesse de rota- tion et n'est pas sujet aux erreurs qui pourraient autrement être induites lorsque la fréquence de l'accélération coin- cide avec la fréquence modulée du capteur vibrant ou est très proche de celle-ci. REVENDICATIONS 1. Capteur combiné caractérisé en ce qu'il com- prend: (a) un moyen (10) sensible à l'accélération appli- quée suivant un premier axe (22); (b) un moyen (12) sen- sible à l'accélération appliquée suivant un second axe (24); (c) des moyens de montage (18, 19, 30, 25, 26 et 20, 21, 32, 27, 28) des moyens susdits tels que ledit premier axe (22) soit sensiblement colinéaire audit second axe (24); et des moyens de mise en vibration de chacun desdits moyens sen- sibles en des mouvements déphasés et suivant des axes paral- lèles (78, 80), chacun de ces axes étant orthogonal auxdits premier et second axes (22, 24). 2. Capteur combiné selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'au moins l'un desdits moyens sensibles à l'accélération est un accéléromètre 110 ou 12). 3. Capteur combiné selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'au moins l'un desdits moyens sensibles à l'accélération est une masse d'inertie. 4. Capteur combiné selon la revendication 1, carac- térisé en ce que lesdits moyens de montage comprennent une suspension à traverses parallèles (25, 26 ou 27, 28). 5. Capteur combiné selon la revendication 4, carac- térisé en ce que lesdits moyens de mise en vibration com- prennent plusieurs éléments piézo-électriques (70, 72, 74, 76).