Brevet FR2595142A1 — publié le 19870904

ACCELEROMETRE OPTO-ELECTRONIQUE La présente invention concerne un dispositif d'accélé- rométrie, et notamment de mesure de champ de gravitation sur des orbites terrestres de satellites, etc., compor- tant un corps qui est monté mobile dans un champ de force et dont un dispositif de détection de position détecte la position. On connaît par exemple, par le brevet américain US-PS 4 384 487, un tel dispositif de mesure très précise d'accé- lération dans lequel on mesure l'accélération d'un corps chargé dans un champ électrique homogène qui est engendré par six électrodes associées chaque fois par paires. Afin de pouvoir résoudre même des variations de l'ordre de -10 g du champ de gravitation, on mesure ici par interfé- rométrie chaque position instantanée du corps. Ce dispositif connu présente une série d'inconvé- nients. Le dispositif de détection de position, dans lequel on utilise au total trois interféromètres, est par exem- ple non seulement très coûteux, mais présente de plus un grand encombrement et doit être ajusté avec précision. A elles seules, ces exigences font déjà paraître douteux qu' avec l'appareil connu on puisse obtenir, sur une orbite terrestre à laquelle on a amené ledit dispositif au moyen d'une fusée ou d'un transporteur spatial, les précisions voulues. De plus, dans ce dispositif connu, le champ de force dans lequel le "corps de mesure" est suspendu, ou monté, est engendré par des champs électriques. Il en résulte pour le dispositif une demande d'énergie relativement éle- vée qui est également désavantageuse dans des véhicules spatiaux. On connaît un autre type de dispositif d'accéléromé- trie par l'article "A Supersensitive Accelerometer for Spa- cecraft Gradiometry" de V.S.Reinhardt et coll. dans Procee- dings of the IEEE Position Location and Navigation Sympo- sium (1982). Dans ce dispositif, afin de pouvoir obtenir une réso- lution de 10-3 à 10-4 unités Eôtvôs, on mesure la varia- tion de fréquence d'un résonateur supraconducteur à cavi- té. Il n'existe cependant pas encore de réalisation prati- que de ce dispositif. L'invention a pour objet la définition d'un disposi- tlf d'accelerométrie de haute précision qui ait une forte résolution pour une grande plage dynamique et se prête par- ticulièrement à l'utilisation dans des véhicules spatiaux, c'est-à-dire soit par exemple peu encombrant et consomme peu d'énergie. Ce dispositif est caractérisé, de façon surprenante, par le fait que la force agissant sur le corps est aniso- trope et, au moins en direction de l'accélération à mesu- rer, ne varie pas linéairement avec la déviation du corps par rapport à sa position de repos. Selon l'invention, le corps dont on accélère la masse inerte est placé dans un champ de force anisotrope et non linéaire; on entend par là que la force agissant sur le corps n'est pas une fonc- tion linéaire de la déviation de ce dernier par rapport à sa position de repos. Cette loi de dépendance non linéai- re permet de rendre le champ de force "très souple" dans les parages de la position de repos du corps et de plus en plus "rigide" dans la région de plus grandes déviations par rapport à la position de repos. Dans la région de la position de repos du corps, on obtient donc de fortes dé- viations pour une accélération déterminée sans que l'ensem- ble du système devienne instable par suite de trop gran- des déviations du corps. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le corps est suspendu à quatre ressorts de traction qui, dans sa position de repos, sont placés dans un plan perpen- diculaire a la direction de l'accélération à mesurer et forment chacun un angle droit avec le ressort voisin. Dans un tel dispositif, on obtient, en cas de faibles dévia- tions du corps en direction de l'accélération par rapport à sa position de repos, une force qui est fonction linéai- re et de troisième ordre décimal de la déviation du corps en direction de l'accélération. La part de force linéaire est par exemple compensable par le fait qu'une force régla- gle qui varie linéairement avec la déviation du corps agit en plus en direction de l'accélération. La "force nette" agissant sur le corps dépend ainsi en troisième ordre déci- mal de la déviation par rapport à la position de repos. Le champ de force non homogène et "non linéaire" que l'on utilise selon l'invention peut également être engen- dré de diverses autres façons, soit que le corps consiste en une bille noyée dans une membrane, soit qu'il consiste en une bille diélectrique ou chargée qui se trouve dans un champ électrique répulsif non homogène engendré par des pô- les ponctuels situés dans un même plan, soit encore qu'il consiste en un barreau para- ou diamagnétique à réparti- tion de masse non homogène placé entre des pôles magnéti- ques situés dans un même plan. La force réglable agissant en plus sur le corps en di- rection de l'accélération peut être une force électrostati- que ou électromagnétique ou encore être engendrée soit par une pression de rayonnement exercée par un rayon lumineux ou un rayon X, soit pneumatiquement, par exemple par un rayon gazeux dirigé. Le dispositif selon l'invention offre l'avantage de permettre de déterminer des façons les plus diverses la position du corps servant de masse de référen- ce. Le dispositif de détection de position peut, par exemple, comporter d'une part une source lumineuse qui éclaire le corps, établi en rétroréflecteur, et d'autre part soit un détecteur semi-conducteur de position qui dé- termine la position du rayon lumineux réfléchi, soit un interféromètre qui détermine par lui-même la position du corps. Par exemple avec un détecteur semi-conducteur et un corps suspendu de la façon précitée à quatre ressorts de traction et soumis à une force réglable supplémentai- re en direction de l'accélération, on obtient une résolu- tion de 10-12 g si le détecteur de position a un pouvoir résolvant de 10-6 m. Le dispositif de détection de position peut en outre déterminer la position du corps par voie capacitive ou in- ductive. Le corps peut aussi former le fond d'un résona- teur à cavité éventuellement supraconducteur, et la posi- tion du corps être détectable par mesure de la variation de fréquence du résonateur. Suivant d'autres particularités avantageuses possi- bles de l'invention: le champ de force est réglable; les points de suspension des ressorts sont déplaçables; la mo- dification de longueur s'effectue au moyen d'un moteur li- néaire, d'une vis micrométrique, d'un cristal piézo-élec- trique ou d'une bobine parcourue par un courant; la lon- gueur des ressorts est réglable par passage de courant ou variation ajustée de la température; les points d'articu- lation des ressorts sont déplaçables par voie hydraulique; le corps se déplace librement; le corps est réglé sur sa position de repos; un mouvement périodique est imposé en direction de l'accélération; le champ de force est modi- fié périodiquement. Les différents modes de fonctionnement peuvent natu- rellement aussi être combinés entre eux. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la des- cription détaillée d'un mode de réalisation pris comme exemple non limitatif et illustré schématiquement,en vue de dessus, par le dessin annexé. Quatre ressorts 1...4 disposés dans le plan x/y sont reliés, d'une part à un corps simple de masse m, d'autre part à des éléments de réglage 6...10. Ces éléments de ré- glage 6...10 servent au déplacement des points d'articula- tion des ressorts et peuvent par exemple consister en des vis micrométriques, des éléments piézo-électriques, des bo- bines mobiles, etc. Le déplacement des points d'articula- tion des ressorts par les éléments de réglage 6 à 10 per- met au moins de minimiser, sinon d'annuler, les déséquili- bres des forces de ressort agissant sur le corps qui peu- vent être provoqués par exemple par des tolérances de fa- brication, des gradielits de température, etc. Deux électrodes 11 et 12 engendrent en outre un champ électrique Ep, avec composante en direction z, qui agit également sur le corps. En vue de la détection de sa position momentanée, le corps est etabli en rétroréflecteur et éclairé par une source lumineuse 13. La lumiere réfléchie par le corps est concentree par une lentille 14 sur un détecteur semi-con- ducteur de position 15: representé schématiquement, dont les signaux de sortie indiquent la position en directions x et y du point lumineux réfléchi. Il existe en outre une unité de commande non représen- tée qui exploite les signaux de sortie du détecteur de po- sition 15 et règle entre autre l'intensité du champ élec- trique Ep. Si le corps 5 est dévié de Az de sa position de re- pos par l'accélération à mesurer, on obtient par ce dispo- sitif un équilibre de forces en direction z qui est fonc- tion aussi bien linéaire que de troisième ordre décimal de Az. Le terme linéaire estepratiquement entièrement compensa- ble par réglage approprié de la force engendrée par le champ électrique Ep, si bien que le champ de force dans le- quel se meut le corps n'est plus fonction de Az que dans le troisième ordre décimal. Aussi obtient-on, avec un détecteur optique de posi- tion par lequel le lieu du corps 5 peut être résolu à 10-7 m et des constantes de ressort k d'environ 108 N/m, une longueur de ressort d'environ 10-2 m et une masse du corps d'environ 2*10-1 kg, une resolution d'environ 10-12. Les fréquences propres du système sont en outre comprises dans la zone de quelques centaines de hertz, par conséquent dans une zone techniquement favorable. On a décrit ci-dessus l'invention au moyen d'un seul exemple de réalisation, mais les modifications les plus di- verses sont bien entendu possibles à l'intérieur du cadre général de cette même invention. On peut par exemple remplacer le détecteur semi-con- ducteur de position par un autre système de détermination de position. Des raisons de résolution et à moindre encom- brement font cependant donner la préférence à un détec- teur semi-conducteur. Le déplacement des points d'articulation des res- sorts est en outre réalisable de n'importe quelle façon. Mais il est également possible de renoncer à ce déplace- ment et d'agir par exemple sur la longueur des ressorts par un passage de courant à travers ces derniers. L'unité de commande qui calcule l'accélération dési- rée à partir du signal de sortie du détecteur de position peut aussi régler le champ électrique ou faire fonction- ner d'une façon déterminée le dispositif précédemment dé- crit à titre d'exemple, par exemple en ramenant le corps 5 à sa position de repos par variation du champ électrique. Dans chaque cas, l'unité de commande comporte de préféren- ce un microprocesseur. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'accélération, et notamment de mesure de champ de gravitation sur des orbites terrestres, etc., comportant un corps qui est monté mobile dans un champ de force et dont un dispositif de détection de position détec- te la position, caractérisé par le fait que la force agis- sant sur le corps (1) est anisotrope et, au moins en direc- tion (z) de l'accélération à mesurer, ne varie pas linéai- rement avec la déviation dudit corps par rapport à sa posi- tion de repos. 2. Dispositif selon la revendication i caractérisé par le fait que le corps (5) est suspendu à quatre res- sorts (1...4) qui, dans sa position de repos, sont situés dans un même plan (x/y) perpendiculaire à la direction (z) de l'accélération à mesurer et forment chacun un angle droit avec le ressort voisin. 3. Dispositif selon la revendication I caractérisé par le fait que le corps consiste en une bille noyée dans une membrane. 4. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le corps consiste en une bille diélectri- que ou chargée qui se trouve dans un champ électrique ré- pulsif non homogène engendré par des pôles ponctuels si- tués dans un même plan. 5.Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le corps consiste en un barreau para- ou diama- gnétique à répartition de masse non homogène qui est pla- cé entre des pôles magnétiques situés dans un même plan. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 5 caractérisé par le fait qu'une force régla- ble agit en plus sur le corps en direction de l'accéléra- tion. 7. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que la force réglable est une force électrosta- tique (Ep). 8. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que la force réglable est une force électroma- gnétique. 9. Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que la force réglable est engendrée par une pression de rayonnement exercée par un rayon lumineux ou un rayon X. 10.Dispositif selon la revendication 6 caractérisé par le fait que la force réglable est engendrée pneumati- quement, par exemple par un rayon gazeux dirigé. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 6 caractérisé par le fait que le dispositif dé- tecteur de position comporte une source lumineuse qui éclaire le corps, établi en rétroréflecteur, et un détec- teur semi-conducteur de position qui détermine la posi- tion du rayon lumineux réfléchi. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10 caractérisé par le fait que le dispositif dé- tecteur de position comporte une source lumineuse qui éclaire le corps, établi en rétroréflecteur, et un lnterfé- rometre qui détermine par lui-même la position du corps. 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10 caractérisé par le fait que le dispositif dé- tecteur de position détermine la position du corps par voie capacitive. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tlons 1 à 10 caractérisé par le fait que le dispositif dé- tecteur de position détermine la position du corps par voie inductive. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 10 caractérisé par le fait que le corps forme le fond d'un résonateur à cavité éventuellement supraconduc- teur et que la position du corps est détectable par mesu- re de la variation de fréquence du résonateur. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 15 caractérisé par le fait que le champ de for- ce est réglable. 17. Dispositif selon la revendication 16 combinée avec la revendication 2 caractérisé par le fait que les points de suspension des ressorts sont déplaçables. 18. Dispositif selon la revendication 17 caractérisé par le fait que la modification de longueur s'effectue au moyen d'un moteur linéaire, d'une vis micrométrique, d'un cristal piezo-électrique ou d'une bobine parcourue par un courant. 19. Dispositif selon la revendication 17 caractérisé par le fait que la longueur des ressorts est réglable par passage de courant ou par variation ajustée de la tempéra- ture. 20. Dispositif selon la revendication 17 caractérisé par le fait que les points d'articulation des ressorts sont déplaçables par voie hydraulique. 21. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 20 caractérisé par le fait que le corps se dépla- ce librement. 22. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 20 en combinaison avec la revendication 6 carac- térisé par le fait que le corps est réglé sur position de repos. 23. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 20 en combinaison avec la revendication 6 carac- térisé par le fait qu'un mouvement périodique est imposé en direction de l'accélération. 24. Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 à 20 caractérisé par le fait que le champ de for- ce est modifié périodiquement.