Brevet FR2575835A1 — publié le 19860711

La présente invention concerne les systèmes de navigation pour aéronefs et a trait notamment à un dispositif perfec- tionné de détection de vitesse angulaire qui compense les effets d'accélérationslinéaires. Le brevet américain n 4 197 737 délivré le 15 avril 1980 au nom du présent inventeur, concerne un dispositif de détection permettant de détecter des paramètres tels que le champ magnétique, le champélectrique, le flux de gaz, l'accélération linéaire et l'accélération angulaire. Le dispositf breveté vise notamment les aéronefs. Plus précisément, ce dispositf breveté comprend un certain nombre d'ensembles de détection individuels montés à rotation sur un arbre commun, et des moyens de commutation-sont connectés permettant de coupler la tension détectée à partir du dis- positif de détection. Les ensembles individuels sont conçus pour produire des signaux de tension alternative, les amplitudes instantanées maximales des signaux correspondant en général au vecteur de la caractéristique physique mesurée dans un plan déterminé, par exemple un plan normal à l'axe de rotation. Par conséquent, on peut obtenir des données sensiblement complètes en ce qui concerne les caractéristiques physiques à l'aide des ensembles de détection. La vitesse angulaire autour des axes normaux à l'arbre sont détectés par une paire de cristaux s'étendant radiale- ment à partir de l'arbre et présentant des axes de flexion disposés normalement à l'arbre. En ce qui concerne le dis- positif connu, on a constaté qu'une accélération linéaire produit des effets indésirables sur le dispositif de détection de vitesse angulaire. Une solution visant à annuler ces effets indésirables des signaux de sortie fait appel à un certain nombre de bagues collectrices et d'amplificateurs d'isolation destinés à amener les signaux à des conditionneurs de signaux en vue de leur mélange. En outre, il était nécessaire de prévoir un ensemble de détec- tion à deux phases pour pouvoir détecter correctement une accélération linéaire. Par conséquent, dans l'art antérieur il a été nécessaire de prévoir une compensation de 1' accélération linéaire au niveau du système, ce qui est coûteux et ajoute un facteur de fiabilité supplémentaire à l'ensemble. L'avantage apporté par la présente invention par rapport au système de compensation mentionné en dernier lieu est d'introduire une compensation au niveau du détecteur, plutôt qu'au niveau du système. Selon cet objectif, des faisceaux de détection de vitesse piézoélectriques sont disposés sous forme de dipôle et sont entraînés en rotat- ion à grande vitesse autour d'un axe de rotation. En réponse à une vitesse angulaire autour de tout axe orthogonal à l'axe de rot3tion, on obtient une sortie dynamique qui engendre un signal électrique proportionnel à la vitesse angulaire deentrée. Les effets de l'accélération linéaire sont couplés aux faisceaux des cristaux qui émettent en sortie une composante de sortie indésirable des faisceaux. Pour compenser cet effet, la présente invention prévoit un fais- ceau piézoélectrique supplémentaire de compensation qui est relié mécaniquement et électriquement aux faisceaux piézoélectriques de détection de vitesse angulaire. L'axe sensible du faisceau supplémentaire (de compensation) est disposé de façon à coupler la totalité des effets d'une accélération linéaire aux faisceaux piézoélectriques de détection de vitesse angulaire. Un signal provenant du faisceau de compensation est mis à l'échelle et en phase avant d'être ajouté ultérieurement au signal du détecteur de vitesse angulaire pour annuler la réponse indésirable à l'accélération linéaire. Une forme d'exécution de la présente invention est décrite ci-après à titre d'exemple, en référence aux dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une représentation schématique d'un dispositif de détection de vitesse angulaire de l'art antérieur; - les figures 2A-2D sont des vues illustrant, sous forme schématique, quatre positions consécutives du rotor de détection du dispositif représente sur la figure 1; - les figures 3A-3D sont des figures illustrant con- sécutivement les vues latérales correspondant aux vues des figures 2A-2D res3-Yectfv-enrert;- - la figure 4 illustre la sortie des deux cristaux du dispositif représenté sur les figures 2A-2D et 3A-3D; - la figure 5 représente la somme des tensions générées comme illustré sur la figure 4; - la figure 6 est une vue éclatée d'un dispositif de détection de vitesse angulaire à compensation conforme à la présente invention. Une sonde de mesure de vitesse angulaire de l'art antérieur est représenté, qui est décrit dans le brevet précité. Sur la figure 1, deux cristaux 16 sont également montés de part et d'autre de l'arbre 11 et sont aptes à fléchir autour des axes de déformation normaux à l'axe de l'arbre 11. Une masse de réaction, telle que la masse annulaire 17, peut être éventuellement dipsosée symétrique- ment aux extrémités radialement extérieures des cristaux. Cette disposition constitue une sonde de détection de vitesse angulaire se basant sur le fonctionnement gyroscopique d'un corps retenu élastiqement tournant à grande vitesse. Les deux cristaux déformable sont disposés sous form de dip6le pour assurer le rejet du mode commun et l'équilibre inertiel. Le moment angulaire des masses réagissant par suite d'une vitesse angulaire appliquée perpendiculaire- ment à l'axe de rotation de l'arbre 11 a pour conséquence la génération d'une tension par les cristaux qui est d'une distribution sinusoidale et présente une fréquence identique à la vitesse de rotation de l'arbre. Le fonctionnement du gyromètre de la figure 1 peut être compris plus aisément à l'aide des figures 2A-2D qui représentent quatre positions consécutives des cristaux, tournant en sens contraire des aiguilles d'une montre, en se plaçant en bout de l'arbre 11. On suppose l'arbre en rotation continue. En se référant aux figures 3A-3D qui représentent des vues latérales du dispositif représenté sur les figures 2A-2D correspondantes, on suppose que l'axe de l'arbre 11 a été déplacé d'un angle alpha. L'arbre 11 et le moyeu 18 de l'arbre sur lequel les cristaux sont montés sont suffisamment rigides pour pouvoir prendre sensiblement instantanément leur nouvelle position sans déformation. Les extrémités radialement extérieures des cristaux, toute- fois, en raison de l'action gyroscopique, reste quelque temps orientées comme si le déplacement angulaire de 1' arbre 11 ne s'était pas produit. Cela est, bien entendu, particulièrement vrai si une masse de réaction est associée aux extrémités radialement extérieures des cristaux. Par suite de l'action gyroscopique, les cristaux fléchissent autour de leurs axes mécaniques, comme le montrent les figures 3A-3D, pour donner des tensions de sortie comme le montre la figure 4. On voit ainsi que les crêtes instan- tanées de la tension alternative résultante se produisent lorsque les cristaux s'étendent normalement à l'axe de rotation de l'angle alpha. Les sorties des cristaux étant de polarités différentes, les cristaux sont interconnectés en sens inverses pour produire la tension de tension résul- tant représentée sur la figure 5. Dans la disposition représentée sur les figures 1-5, on voit que les cristaux font office d'éléments gyroscopiques, avec ou sans la présence d'une masse de réaction, et que l'effort s'exerçant sur les cristaux est proportionnel à la vitesse angulaire d'entrée. L'amplitude de la sortie est proportionnelle à la vitesse angulaire d'entrée et la phase de la sortie est fonction de la direction de la vitesse angulaire d'entrée du déplacement angulaire de l'arbre en rotation selon une direction normale à l'axe de l'arbre. En d'autres termes, si l'arbre 11 se déplace angulairement autour d'un axe dans le plan X/Y, la sortie du gyromètre ou du détecteur de vitesse angulaire de la figure 1 est proportionnelle à la vitesse de rotation autour de l'axe dans le plan X/Y, et la phase de la tension de sortie est fonction de l'orientation de l'axede rotation dans le plan X/Y, en supposant encore que l'arbre ll s'étend dans la direction Z. La figure 6 représente le dispositif de détection de vitesse angulaire perfectionné comprenant des moyens de compensation des effets d'accélérations linéaires. Le dispositif de détection de vitesse angulaire de base, indiqué dans son ensemble en 20, est tout à fait analogue au dispositif de détection de vitesse angulaire que l'on vient de décrire en regard des figures 1, 2A-2D et 3A-3D. Un moyeu central 22 comporte un perçage central 24 coaxial par rapport à laxe de rotation 25. Deux cristaux piézo- électriques déformables26,28 s'étendent radialement vers l'extérieur à partir du moyeu 22 et jouent le même rôle que les cristaux déformables 16 décrits à propos des figures de l'art antérieur. Le cristal déformable 26 se compose d'éléments cristallins piézoélectriques 30 et 32 tandis que le cristal 28 se compose d'éléments cristallins piézo- électriques 34 et 36. Comme le montre la flèche, les cristaux déformables 26 et 28 fléchissent selon un plan coincident par rapport à l'axe de rotation 25. Le perfectionnement apporté par la présente invention, à savoir le dispositif de compensation d'accélérations linéaires 38, permet de réduire l'effet indésirable d'une accélération linéaire sur la sortie du dispositif de détection de vitesse angul- aire 20 qui est relié électriquement aux cristaux déform- ables du dispositif 38 pour annuler les effets d'accéléra- tions linéaires, comme on va le décrire ci-après. Le dispositif de compensation 38 comprend un bloc central 40 en une matière appropriée telle qu'une céramique, com- portant un perçage 42 coaxial à l'axe de rotation 25. Un cristal piézoélectrique déformable 44 comprenant des éléments cristallins 46 et 48, s'étend selon une direction orthogonale à l'axe de rotation 25. Comme l'indiquent les flèches, le cristal déformable 44 du dispositif de compens- ation 38 fléchit dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation 25. Un arbre 52 est monté de manière appropriée dans les perçages 24, 42 du dispositif de détection 20 et dans le dipsositif de compensation 38, respectivement, pour permettrede monter les dispositifs sur un même axe de rotation. En raison de l'orientation du cristal déformable 44 du dispositif de compensation, il est pratiquement insensible à la vitesse angulaire mais est entièrement sensible à l'accélération linéaire. En choisissant une position appropriée du dispositif de compensation 38 sur l'arbre 52, on obtient un décalage angulaire unique permettant de générer un signal, en réponse à une accélération lin- éaire, qui présente la même phase que le signal d'accélér- ation angulaire produit par le dispositif de détection de vitesse angulaire 20. L'orientation appropriée du cristal déformable 44, par rapport aux cristaux déformables 26,28 se fait par approximations successives en raison des imperfections minuscules de la matière cristalline piézoélectrique par rapport à des structures cristallines idéales. Un élément pondéral réglable 50 est monté en prolongement de l'extrémité extérieure du cristal déform- able 44 de façon à obtenir une amplitude d'annulation qui est égale à l'effet de l'accélération linéaire. L'élément pondéral 50 peut être en soudure et en ajoutant ou en en- levant de la soudure de l'extrémité du cristal déformable 44, on peut obtenir une amplitude précise d'annulation du dispositif de compensation 38. Pour que le dispositif de compensation 38 fonctionne selon un mode de compensation par annulation, il doit être relié électriquement aux cristaux déformables piézoélec- triques du dispositif de détection de vitesse angulaire 20. Par conséquent, le fil 54 est connecté entre l'élément cristallin 32 du dispositif de détection 20 et l'élément cristallin 48 du dispositif de compensation 38. Un fil volant 58 est relié entre les éléments 36 et 30 des cristaux du dispositif de détection de vitesse angulaire 20. Lors de l'assemblage de la structure compensée de la figure 6, on tourne le dispositif de compensation 38 sur l'arbre 52 jusqu'à l'obtention d'unephase précise d' annulation. Ensuite, on fixe le bloc central 40 sur le moyeu 22 du dispositif de détection 20 à l'aide d'un adhésif époxyde approprié. En variante, la fixation pourrait être obtenue si l'arbre 52 est fileté pour permettre de tourner le dispositif 38 librement par rapport à l'axe de rotation et de le bloquer ensuite par rapport aux dispositif de détection de vitesse angulaire 20 par serrage de l'organe de fixation. Par conséquent, la présente invention permet d'obtenir une sonde de détection de vitesse angulaire perfectionnée permettant de compenser les effets d'une accélération linéaire s'exerçant sur elle. Le dispositif de compensation 38 décrit produit un signal qui est mis à l'échelle et en phase et qui est ajouté au signal du dispositif de détection de vitesse angulaire 20 pour annuler la réponse indésirable aux accélérations linéaires. Par conséquent, la compensation apportée par la présente invention s'effectue au niveau du détecteur plutôt que de faire appel à un traitement externe des signaux pour réaliser la compensation. Il va de soi que l'invention ne se limite pas aux détails précis de construction décrits et représentés car des modifications évidentes pourraient être envisagées par un homme de métier. REVENDICATIONS 1. Dispostif de détection de vitesse angulaire à compensation, caractérisé en ce qu'il comprend: une première section comprenant a) un moyeu (22) disposé coaxialement à l'axe de rotation (25); b) au moins une paire d'éléments cristallins piezo- électriques déformables (26,28) s'étendant radialement vers l'extérieur à partir du moyeu (22) pour générer un signal composé comprenant une composante désirable correspondant à la vitesse angulaire autour de l'axe de rotation et-une composante indésirable associée à une accélération linéaire; une seconde section comprenant c) un corps central (40) disposé coaxialement à l'axe de rotation (25); d) un troisième élément cristallin piezoélectrique déformable (44) s'étendant vers l'extérieur à partir du corps central (40) pour élaborer un signal correspondant à l'accélération linéaire; e) des fils (54,56) reliant entre eux les trois éléments cristallins déformables pour annuler les effets des accélérations linéaires; f) des moyens (52) permettant un montage coaxial accouplé et espacé des première et seconde sections, le troisième élément cristallin (44) pouvant être réglé angulairement en position par rapport à la-paire d'éléments cristallins (26,28) pour ajuster la phase du signal de la seconde section. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens à poids réglable (50) montés sur une extrémité extérieure du troisième élément cristallin déformable (44) pour déterminer l'amplitude du signal provenant du troisième élément cristallin déformable (44). 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de montage comprennent un moyen de fix- ation fileté reçu dans des orifices centraux du moyeu (22) et du corps central (40) permettant le réglage angulaire des sections lors de leur assemblage et la solidarisation entreelles après assemblage. 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de montage comprennent un moyen de fixation fileté reçu dans des orifices centraux (24,42) percés dans le moyeu (22) et dans le corps central (40) permettant le réglage angulaire des sections lors de leur assemblage et la solidarisation entre elles après assemblage. 5. Procédé de compensation de la composante d'accélérat- ion linéaire d'un signal émis par un dispositif de détection de vitesse angulaire comprenant un moyeu (22) tournant autour d'un axe de rotation (25) et des premier et second éléments cristallins déformablespiezoélectriques (26,28) s'étendant radialement à partir de celui-ci, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes: le montage d'un troisième élément cristallin piezoélec- trique déformable (44) en relation accouplée espacée et coaxiale par rapport au moyeu (22) pour produire un signal indicatif de l'effet d'accélération linéaire, l'interconnection des premier, second et troisième éléments cristallins piezoélectriques (26,28,44) en vue d'annuler la composante d'accélération linéaire du signal produit par les premier et second éléments cristallins piezo- électriques déformables. 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape supplémentaire qui consiste à ajouter un poids sur le troisième cristal déformable jusqu' à ce que l'amplitude du signal d'accélération linéaire délivré par lui soit à un niveau suffisant pour annuler le signal d'accélération linéaire indésirable provenant des premier et second éléments cristallins. 7. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape qui consiste à ajuster 1' orientation angulaire du troisième cristal déformable par rapport à celle des premier et second éléments cristallins déformables jusqu'à ce que la phase du signal d'accélération linéaire délivré par lui soit sensiblement égale à celle des premier et second éléments cristallins. 8. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre l'étape qui consiste à ajuster l'orientation angulaire du troisième élément cristallin déformable par rapport à celle des premier et second éléments cristallins déformables jusqu'à ce que la phase du signal d'accélération linéaire délivré par lui soit sensiblement égale à celle des premier et second éléments cristallins.