Brevet FR2594957A1 — publié le 19870828

La présente invention concerne un Capteur accélérométrique triaxial inertiel à six degrés de liberté dont lunique partie mobile est suspendue et stabilisée dans l'espace suivant les trois axes dun triède rectangle - par le seul effet électromagnétique. il permet de mesurer simultanément et avec une très haute précision les trois accélérations linéaires et les trois accélérations angulaires suivant les trois axes orthogonaux de La navigation inertielle des aéronefs où autre mobile se déplaçant dans l'espace. En utilisation comme inclinomètre il mesure à distance les trois angles d'inclinaison d'un corps par rapport à la verticale du lieu (forage pétrolier) La plupart des Capteurs accéléromètriques sont monoaxe. Les capteurs linéaires sont traditionnellement constitués d'un élément mobile sous forme d'un pendule composé, dont le point d'articulation est réalisé par une liaison mécanique entre le pendule et le corps du Capteur soit par une charnière flexible, soit par pivots et paliers, soit par roulements et axe ou autre dispositif. Les capteurs d'accélération angulaire sont constitués en ce qui concerne la partie mobile par un volume mécanique équilibré autour dun axe matériel formant avec le palier lié au corps la suspension et l'axe de rotation de la partie mobile. Le volume mécanique peut être flotté dans un liquide ou non. Une variante d'un capteur d'accélération angulaire monoaxe est constitué en ce qui concerne la partie mobile par un tube de fluide thorique où son déplacement sous l'effet d'accélération angulaire est mesu- ré par une palette plongeant dans le fluide et dont l'articulation et la et la suspension sont réalisées par des moyens mécaniques, pivots, charnière flexible etc... Tous les dispositifs de suspension à liaison mécanique entre le corps et léquipage mobile d'un capteur, soit directement ou indirectement, engen- drent des frottements - solides ou visqueux - donc des forces ou couples parasites, par contrainte mécanique ou thermique dont les effets variables ou incontrolables sont incompatibles avec la mesure des très faibles grandeurs et en conseuence avec la réalisation d'un capteur de très haute précision. Le fait que le capteur soit asservi par une boucle d'asservissement él c- tronique ou simplement par un moyen mécanique ne supprime pas les effets de frottement dûs à la suspension mécanique. Dans le cas d'un accéléromètre linéaire du type pendulaire et monome l'inévitable action d'une accéléraion angulaire produit une mesure généralement indésirable et parasitaire. De même dant un capteur d'accé- Aération angulaire les imperfections d'équilibrage du volume mécanique en gendrent une indésirable sensibilité aux accélérations linéaires entrainant des erreurs de mesure. Le capteur accélérométrique triaxial à six degrés de liberté selon l'in- vention permet la suppression de la ou des suspensions mécaniques de la partie mobile par une suspension à effet électromagnétique tridirectionnel sans liaison mécanique principal entre la partie mobile et le corps du cap teur. De cefait les effets nuisibles des frottements et donc les erreurs de mesure y affèrantes sont supprimées. Dans la présente invention l'effet de suspension est obtenu simultanoment avec la mesure des accélérations. Théorie de fonctionnement. Considérons une poutre rigide de section constante de masse m à axe lon gitudinal x-/ orienté horizontalement, donc perpendiculairement à la direction de l'accélération terrestre "g" . La poutre est articulé libre ment au point "Q" autour d'un axe y-yJ perpendiculaire à l'axe x-x' con formément à la Figure 1. le centre de gravité "G" de la poutre est considéré comme étant situé sensiblement à la moitié de la longueur de l'axe longitudinal x-x # A l'extrémité de la poutre, donc opposé au point "Q" est appliquée une force F1 perpendiculaire à laxe longitudinal x-x mais parallèle et " opposée avec le vecteur produit par, m x g agissant au point "G grandeur de la force "F1" est sensiblement égale à mg/2. pour maintenir la poutre en équilibre par une force extérieure F1", le point d'articula tion "Q" est soumis à trois forces, et d'autant plus que si la force "lest pas rigoureusement colinéaire avec le vecteur mg , Ces trois forces F 2 , P et-H song orthogonales entre elles et 2 est . 2 u parallèle au vecteur "mg", de même signe que "F1" et sensiblement de la même valeur. Les forces "p" et "H" assurent la stabilité latérale et longitudinale de la poutre.Cette configuration est celle dsun accéI;ro- mètre pendulaire monoaxe mesurent "g On peut Supprimer le point d'articulation "Q" lorsque les trois force "F1", "F2", et "mg" agissent dans un même plan et le système sera stable en l'absence de toute force ou couple de perturbation non prise en compte par les forces "F1" et "F2". Suivant la figure 2 la poutre est suspendue et statiquement équilibrée dans un plan par deux forces parallèles F1 et C sen*iblement identi- ,1 , ques et de même signe et dont la valeur est "F1"-"F2"-mg/2". La somme des forces "F1" et "F2" représente la mesure de l'accélération linéaire suivant un axe dU système. Considérations maintenant un axe A-B formant un plan X-B-G orthogonal aux forces "F1" et "F2"; si une accélération angulaire "Q" est appliquées aoutour de l'axe A-B et dans le plan des forces "D1"; mg"; "F2" la poutre est stabilisée dynamiquement par la varation en sens inverse des deux forces "F1" et "F2", chacune formant par réaction respective appui pour l'autre permettant la création d'un couple. La différence des forces de sustentation est aLors une mesure de l'accélé- ration angualire "Q". La somme algérique des deux forces "F1" et "F2" est donc une mesure simultanée de l'accélération linéaire sans introduction d'erreur par l'accélération angulaire et la différence des deux forces "F1" et "F2" représente alors la valeur pure del'accélération angulaire sans sensibilité aux accélérations linéaires. La mesure de l'accélération linéaire est réalisée suivant le pri w ipe de la translation ce qui est une variante de a mesure accéléromètrique traditionnelle. Pour stabiliser un système dans l'espace tridimensionnel il est nécessaire de compenser les forces statiques et dynamiques dans les deux autres plans perpendiculaires au plan considéré. En réalisant un système à trois axes orthogonaux dont l'intersection des axes passe par ie point "G du système moncaxe de la figure 2 on assure la stabilité dynamique et l'équilibre statique dans l'espace. figure 3 Moyens traditionnels de réalisation concrète d'un accéléromètre triaxial suivant l'invention et la théorie de l'exposé. D'une façon générale un capteur accéléromètrique de haute précision comporte au moins trois parties mécaniques : un élément sensible dit équipage mobile, un organe de suspension et un corps dit partie fixe. deux organes électromécaniques ou électromagnétiques soit Un détecteur d'écart ou détecteur du zéro, Un générateur des forces, soit moteur force ou moteur-couple plus une électronique d'asservissement. Le détecteur d'écart et le générateur des forces forment avec l'électro- nique d'asservissement une boucle d'asservissement électromagnétique. Le détecteur d'écart est composé d'une partie mobile liée à l'équipa- ge mobile du capteur et d'une partie fixe liée au corps. Son fonctionnement est soit inductif soit capacitif. Le générateur de force est constitué d'au moins d'un bobinage généralement monté sur l'équipage mobile et d'un circuit magnétique à aimant permanent ou à électroaimant lié au corps ; fonctionnant suivant le principe de la deuxième Loi de LAPLACE ; production d'une force proportionnelle au courant parcourantun conducteur électrique plongé dans un champ magnétique L'électronique d'asservissement comporte les amplificateurs de tension alternative, de démodulateur les réseaux de correction et l'amplificateur de courant continu, engendrant le courant de mesure et créateur des for ces. Principe de fonctionnement d'une boucle d'asservissement électromagnéti que. Toute accélération appliquée suivant l'un ou l'autre des axes sensibles du capteur tend à écarter la partie mobile de sa poisition d'équilivre (zéro électrique). Le détecteur d'écart, alimenté par un générateur de tension alternative à fréquence élevée, délivre un signal alternatif de phase correspondant au sens de l'écart et proportionnel à son amplitvIde. Après amplification en tension, démodulation, correction de phase, ce signal est intégré puis appliqué sur un amplificateur de puissance à courant continu. Celui-ci engendre dans la bobine du moteur-force et d ms la résistance de mesure, le courant nécessaire pour équilibrer l'action de lZaccélération et ramener l'équipage mobile dans sa position initiale. Le courant obtenu est directement proportionnel à l'accélération et sa valeur ne dépend que d'elle. La réalisation concrète dtun capteur accéléromètrique triaxial à six degrés de liberté, suivant l'invention, comporte une unique partie mobile ou élément sensible, suivant figure 4, constitué par une croix triaxiale orthogonale à six branches isomètriques . L'intersection des axes de la croix engendre l'unique centre de gravité (1) du système. Chacune des six branches isomètriques (2) de la croix tridimensionnelle porte en son extrémité deux bobinages colinéaires en forme de solenoide(3) dont les axes sont perpendiculaires à ceux des branches (2). Deux branches isomètriques et opposées par rapport au centre de gravité (1) forment un bras (4) de la croix tridimensionnelle. Les axes des bobinages en forme de solénoïde (3) de chaque branche (2) formant un bras (4) de la croix (figure 4) sont rigoureusement parallèles entre eux et les trois bruis sont orthogonaux entre eux. La figure 5 représente en coupe un des trois brefs (4), seln l'invention, comportant les parties mobiles (5) et fixes (6) du détecteur d'écart ainsi que les moteurs-force constitués par deux bobinages en forme de solénoïde(3) sur la partie mobile du capteur et les circuits magnétiques (7) à aimant permanent (8) des parties fixes liées au corps (13) du capteur. Les deux autres bras sont identiques. La partie médiane (9) du support des bobines (3) constitue la partie mobile(5) du détecteur d'écart réalisé en matériau métallique rigoureuseument amagnétique et elle ne nécessite aucune référence de potentiel ou alimentation électrique. Deux bobinages colinéaires (10) logés dans les circuits magnétiques (7) forment la partie fixe (6) du détecteur d'écart. L'ensemble support (9) et bobines (3) peuvent se déplacer librement suivant les trois axes dans l'entrefer (11) de chacun des circuits magnétiques associés.Selon l'invention par la disposition particulière des parties (5) et (6) du détecteur d'écart et suivant le mode particulier du déplacement de la partie mobile(5)seule une translation suivant l'axe des aimants permanents (8) engendre un signal d'écart correspondant par sa phase et son amplitude au sens et à la grandeur de l'écart par rapport à son zéro assigné. Un déplacement de cette partie mobile (5) dans un plan perpendiculaire à l'axe des aimants permanents (8) est sans effet et ne produit aucun signal signicatif. De ce fait les trois axes et les six boucles d'asservissement sont totalement indépendants. Les bobinages (3) de chaque moteur-force sont alimentés par deux fils électriques d'un diamètre égal ou plus petit que 0,02 mm et l'ensemble des connexions n'engendre qu'une force parasite de l'ordre de deux mil lionièmes de l'étendue de mesure du capteur triaxial à suspension électro magnétique soit - 10 4 Selon une forme de réalisation préférentielle l'élément mobile du capteur triaxial est constitué par une croix tridimensionnelle à branches isomètriques portant aux extrémités de chaque branche les bobinages (3) des moteurs-force et comprenant au centre du support bobines(9) la partie mobile (5) non alimentée électriquement du détecteur d'écart. Selon une varinate, une croix tridimensionnelle orthogonale peut comporter un ou deux bras à branches identiques mais de dimensions différentes afin de favoriser la sensibilité aux accélérations angulaires de l'un ou l'autre des axes. Selon, une autre variante, suivant figure 6, l'extrémité des branches de la croix tridimensionnelle peut être modifiée en ajoutant vers l'ex- térieur une palette métallique (12) réalisant la partie mobile du détecteur d'écart selon l'invention et augmentant par la même la sensibilité aux accélérations angulaires. Selon l'une des formes de réalisation préferentielle suivant l'invention les caractéristiques essentielles du capteur accéléromètrique triaxial sont : Volume Domaine de mesure en accélération linéaire Seuil Erreur du zéro Erreur d'axe Erreur de linéarité jusqu'à + 1g Au delà de + g, selon l'accélération appliquée Variation d'erreur du zéro Variation de l'erreur de l'axe Sensibilité aux accélérations angulaires Domaine de mesure en accélération angulaire Seuil Erreur du zéro Erreur d'axe Sensibilité à l'accélération linéaire Variation du zéro En inclinométrie triaxiale Domaine de mesure Seuil Erreur du zéro Précision Le capteur acceléromètrique triaxial dont la partie mobile est suspen- due par effet électromagnétique selon 1'invention est destiné à la mesure précise et simultanée des accélérations linéaires et angulaires des aéronefs ou tout autre mobile se déplaçant dans ltespace et préférentiellement dans la navigation inertielle à composants liés. I1 fonctionne également en INCLINOMETRE et permet de mesurer à distance,par l'intermédiaire d'une grandeur électrique, courant ou tension, avec une très grande précision, les trois angles orthogonaux d'inclinaison d'un corps par rapport à la verticale du lieu. REVENDICATIONS 1) La présente invention concerne un capteur accéléromètrique triaxial à six degrés de liberté, mesurant simultanément avec une qualité "INERTIEL" les trois accélérations linéaires et angulaires suivant les trois axes d'un trièdre rectangle, caractérisé en ce que son équipage mobile ou élément sensible -Fig 4 -, constitué par une croix tridimensionnelle Orthogonale à six branches isomètriques(2), portant à chaque extrémité des branches les bobinages (3) de la partie mobile des moteurs-force ainsi que la partie mobile 15) du détecteur d'écart, est suspendu flottant dans l'espace, mais stabilisé et référencé au corps du capteur (13) par le seul effet electromagnétique lequel est généré par trois fois deux boucles d'asservissement indépendantes dont chacune comprend les ensembles complets partie mobile et fixe - du détecteur d'écart et des moteurs force- associés à une électronqiue classique d'asservissement analogique. 2) Acceléromètre selon les revendications 1, caractérisé en ce que un ou deux des bras(4) de la croix tridimensionnelle ont des dimensions ou masses différentes afin de réduire ou augmenter la sensibilité aux accélérations angulaires suivant l'un ou l'autre des axes orthogonaux du système. 3) Accéléromètre selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la partie médiane du support (9)portant les bobinages (3) constitue la partie mobile (5) du détecteur d'écart, lequel est unidirectionnel et engendre un signal d'erreur que par translation suivant les axes des aimants permanents (B) des moteurs-force. 4) Détecteur d'écart selon la revendication 3, caractérisé en ce que le support (9)r portant les bobinages (3)constituant la partie mobile du détecteur d'écart, est réalisé en matériau métallique rigoureusement agagnétique et que la partie mobile (5) du détecteur d'écart n'est ni référencée ni alimentée électriquement. 5) Détecteur d'écart selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la partie mobile du détecteur d'écart est constituée par une palette (1%) en dehors du support bobines (9) réalisant une augmentation de la sensibilité aux accélérations angulaires par l'åccroissement de l'inertie de la croix tridimensionnelle -figure 6