Brevet FR2608771A1 — publié le 19880624

La présente invention concerne un dispositif destiné à la caractérisation de la sensibilité aux accélérations d'instruments de mesure tels que les accéléromètres, les gyromètres ou les gravimè- tres. Elle concerne plus particulièrement l'étalonnage de tels ins- truments lorsqu'ils sont montés rigidement sur la structure d'un véhicule spatial ou disposés sur une plateforme découplée de la structure ou encore lorsqu'ils sont disposés sur une plateforme découplée d'un biti support terrestre. On connait, par la publication ONERA n 1976-5 "Les essais en orbitre de l'accéléromètre CACTUS" et par l'article "The CACTUS ACCELEROMETER" paru dans l'AGARDograph n 254, les moyens utilisés pour caractériser l'accéléromètre électrostatique triaxial, ultra- sensible "CACTUS" à bord du satellite français CASTOR-DSB. Dans ces documents, l'accéléromètre est placé au centre de masse du satellite. Des mécanismes déplacent des masselottes et permettent de décentrer le satellite de quantités connues. Des volants d'inertie commandent la mise en rotation à vitesse constante du sa- tellite pour créer une accélération centripète perçue, dans le système d'axes de l'accéléromètre, comme une accélération constante en module et en direction. Un premier inconvénient de cette technique est d'imposer une rotation lente au satellite, ce qui n'est pas possible lorsque le satellite doit être stabilisé en attitude et/ou comporte des ins- truments pointés dans une direction de l'espace. Un deuxième inconvénient du procédé connu est que l'accélé- ration d'étalonnage est difficilement discernable des accélérations communiquées au satellite par les forces extérieures telles que la traînée aérodynamique, la pression de radiation etc... En conséquence, la précision de la caractérisation de la sensibilité de l'accéléromè- tre est limitée (précision relative de 10) et les moyens décrits ne sont pas applicables lorsqu'une plus grande précision est recherchée. L'invention remédie aux inconvénients de l'état de la tech- nique rappelée ci-dessus. Elle a pour but d'appliquer au support des instruments de mesure, selon des axes définis, des accélérations périodiques, à valeur moyenne nulle, d'amplitude, de fréquence et de phase connues facilement identifiables à partir des signaux électri- ques délivrés par les instruments à caractériser en réponse aux accélérations qui leur sont appliquées. En pratique, les accélérations périodiques sont sinusol- dales et sont appliquées selon trois axes de référence formant un trièdre trirectangle, en translation et en rotation et les réponses des instruments sont identifiées par démodulation synchrone des si- gnaux électriques. L'invention a pour but un dispositif d'étalonnage d'instru- ments de mesure sensibles aux accélérations, comprenant des moyens d'engendrer des accélérations de translation et de rotation selon trois axes trirectangles et permettant de déterminer à partir des signaux électriques des instruments, leur sensibilité, leur orienta- tion et leur position par rapport aux axes de référence. L'invention a aussi pour but d'identifier les principales imperfections de réali- sation des moyens de génération des accélérations et de déterminer le centrage du véhicule spatial ou de la plateforme par rapport aux axes de référence ainsi que les rapports des moments principaux d'inertie. Un dispositif tridimensionnel conforme à l'invention com- porte 3 paires d'actionneurs, chaque paire étant respectivement asso- ciée à l'un des axes et agencée pour engendrer des accélérations de translation et des accélérations angulaires, périodiques à valeur moyenne nulle. Dans un premier mode de réalisation, les actionneurs sont à mouvement rotatif, à balourd dynamique et sont disposés symétrique- ment de part et d'autre du point de concours des 3 axes. Dans un second mode de réalisation, les actionneurs sont à mouvement linéaire et sont disposés d'un même c8té du point de con- cours des 3 axes. Dans le premier mode de réalisation les actiorneurs sont des moteurs électriques solidaires du support des instruments, dont les axes de rotation de chaque paire sont coaxiaux à un axe commun du système d'axes et comportent chacun une masselotte de masse m en- trainée en rotation et un détecteur de phase du mouvement de la masse- lotte. Dans le second mode de réalisation, les actionneurs sont des moteurs électrodynamiques ou piézoélectriques interposés entre le support des instruments et un bâti rigide, chaque paire d'actionneurs étant disposée symétriquement par rapport à un axe commun du système d'axes et agissant respectivement dans l'un des plans conte- nant l'une des faces du trièdre formé par les 3 axes du système d'axes, le dispositif comprenant, en outre, 3 paires de détecteurs de position détectant la position du support par rapport au bâti. L'invention va maintenant Etre décrite en détail en se ré- férant aux dessins annexés dans lesquels: - la fig. 1 représente schématiquement un dispositif d'étalonnage tridimensionnel conforme à l'invention et comprenant 3 paires d'ac- tionneurs à balourd dynamique; - la fig. 2 représente un actionneur de la fig. 1; - la fig. 3 représente le schéma de la chaîne électronique d'asser- vissement en phase d'une paire d'actionneurs alignés sur un axe commun du système d'axes trirectangles; - la fig. 4 est une application de l'invention à l'étalonnage d'un ensemble d'accéléromètres pour une identification complète de leurs caractéristiques; -la fig. 5 représente schématiquement un autre mode de réalisation du dispositif d'étalonnage tridimensionnel conforme à l'invention et comprenant 3 paires d'actionneurs électrodynamiques et 3 paires de détecteurs de position; la fig. 6 représente le schéma de la chaîne d'asservissement dans un plan de la position du support des instruments à étalonner pour le dispositif de la fig. 5. En se référant aux fig. 1 et 2, les repères 1-2, 3-4, 5-6 représentent trois paires d'actionneurs rotatifs, à moteurs électri- ques 7 dont les axes de rotation de chaque paire sont coaxiaux à un axe commun x, y, ou z du système d'axes trirectangles de référence. Les moteurs de chaque paire sont disposés symétriquement de part et d'autre du point 0 de concours des trois axes. Chacun des moteurs électriques 7.dont le rotor 8 est équilibré dynamiquement tourne par l'intermédiaire de roulements à billes 9 dans un stator 10 muni d'une embase de fixation 11. L'axe du rotor supporte à l'une de ses extré- mités une masselotte 12 de masse m, excentrée par rapport à l'axe de rotation d'une longueur r et à son autre extrémité la partie mobile d'un détecteur angulaire 13. En fonctionnement, la masse est entratnée en rotation à vitesse uniforme par le moteur 7 et sa position est indiquée par le détecteur de phase 13. Le mouvement de la masse 12 engendre sur le satelliteou la plateforme supportant les instruments à étalonner, A une accélération en translation dont l'amplitude est constante et dont la direction tourne & vitesse uniforme dans un plan perpendicu- laire à l'axe de rotation du moteur. Si le plan de rotation de la masse 12 ne contient pas le centre de masse du véhicule spatial, ou de la plateforme supportant les instruments, le mouvement uniforme de la masse engendre également une accélération angulaire, d'amplitude constante et dont la direction tourne uniformément dans un plan perpendiculaire à l'axe de rotation. On constate alors qu'il est possible, avec un ensemble de 3 paires d'actionneurs de ce type associées à 3 axes trirectangles, de commander la rotation des actionneurs pour engendrer selon ces axes des accélérations sinusoïdales de translation et des accélérations angulaires sinusoïdales dont les pulsations sont alors égales aux vitesses angulaires de rotation des balourds. A titre d'exemple, 1 seul actionneur ayant un balourd de masse m = 10 g, tournant à une distance r de 1 cm de son axe de rota- tion, à une vitesse angulaire de 1 rad/s applique sur un satellite de masse M = 10' kg, une accélération sinusoidale d'amplitude maximale --, -z ms et de pulsation 1 rad/s. Si le plan de rotation de la masse m est à une distance de 1 m du centre de masse du satellite dont les inerties principales sont de 10 kg.m, l'amplitude de l'accélération angulaire engendrée est de 10 rad/s2. Lorsque les balourds de deux actionneurs d'un même axe, 1 et 2 par exemple, tournent à la même vitesse angulaire, dans le même sens avec la même phase, dans des plans symétriques p-ar rapport au centre de masse du satellite, la résultante des deux mouvements n'engendre sur le satellite qu'une accélération en translation en z, sans engendrer d'accélération angulaire. Dans les mêmes conditions, si les balourds sont en opposition de phase, ils engendrent sur le satellite une accélération angulaire sans engendrer d'accélération de translation. Lorsque les balourds tournent à la même vitesse, dans des sens opposés, la résultante du mouvement engendre sur le satellite une accélération de translation et une accélération angulaire. Lorsque l'invention est embarquée à bord d'un satellite, le système de contrôle d'attitude de celui-ci permettra l'annulation des vitesses angulaires qui résulteraient de variations de moment cinéti- que crééeslors des mises en fonctionnement ou des changements de mode de fonctionnement des actionneurs. La démodulation synchrone des signaux électriques des ins- truments de mesure permet de déterminer la sensibilité des instruments aux accélérations en translation et aux accélérations angulaires, ces dernières dépendant de la position des instruments. En conséquence, le spécialiste pourra déterminer également la position des instru- ments & étalonner & bord du satellite ou sur la plateforme les supportant. En outre, il pourra, par l'exploitation des informations fournies par les démodulations synchrones, déterminer les f erfec- tions de réalisation des mécanismes eux-mêmes. Conformément à la fig. 3, les deux actionneurs 3 et 4 asso- ciés à un axe commun possèdent chacun un moteur 73, 74 asservi en vitesse et en phase. Le signal, issu du détecteur de phase 133 et de l'horloge 14, permet de commander le moteur 73 au travers de l'électronique d'asservissement 15 et de l'amplificateur 16. Le mo- teur 73 est ainsi asservi pour que l'actionneur 3 tourne à vitesse constante, sa phase étant repérée par rapport au signal d'horloge. Le moteur 74 est asservi pour que le mouvement de l'action- neur 4 recopie celui de l'actionneur 3. Pour cela, le comparateur de phase 17 analyse les signaux fournis par les détecteurs 133 et 13 4' L'électronique d'asservisse- ment 18 élabore un signal, amplifié par l'amplificateur 19, pour que la différence de phase, entre le mouvement des deux actionneurs, soit constante. La commande électronique 20 permet d'imposer, au travers du comparateur de phase 17, la valeur de cette différence. L'invention tire parti d'une caractéristique propre aux actionneurs tournants de l'invention qui est d'engendrer, suivant deux axes orthogonaux, des accélérations sinusoYdales d'amplitudes maximales identiques et à la même fréquence. Ainsi, il devient possi- ble de comparer avec une très grande précision la sensibilité d'un instrument selon deux axes orthogonaux puisque les accélérations d'é- talonnage ont la même source d'accélération. Dans un système d'étalonnage comprenant trois paires d'ac- tionneurs conformément à la fig. 1, lorsque le centre de symétrie 0 du dispositif est confondu avec le centre de masse du satellite, on peut alors, à l'aide de trois paires d'actionneurs tournant à des vitesses différentes, appliquer au support des instruments des accélé- rations sinusoïdales de translation à trois pulsations différentes suivant les trois axes de rotation et disposer, ainsi, pour chaque axes, de signaux électriques des instruments correspondant à 2 accé- lérations de translation à 2 fréquences différentes. Ceci est réalisé lorsque les balourds tournent deux à deux à la même vitesse de rotation avec la même phase. Si le dispositif d'étalonnage est embarqué à bord d'un sa- tellite, on choisira des vitesses permettant d'appliquer au support des instruments des accélérations à des fréquences suffisamment éloi- gnées de celle du système de pilotage du satellite pour éviter les interférences. La fig. 4 représente une application de l'invention à l'éta- lonnage de 8 accéléromètres triaxiaux embarqués à bord d'un satellite. Le dispositif d'étalonnage comprend un support cubique 21 solidaire de la structure du satellite, 3 paires d'actionneurs rotatifs 41-42, 43-44, 45-46 conformes à la fig. 2 sont disposés selon les axes tri- -'I' -b.0 rectangles x, y, z passant par les centres des faces du cube. Les instruments à étalonner sont des accéléromètres capaci- tifs triaxiaux ultrasensibles 22 disposés aux angles du support cubi- que 21. Les paires d'actionneurs sont commandées par des chaînes électroniques conformes à la fig. 3 pour obtenir des vitesses angu- lairesj xj y, et(Jz,déterminées de façon à pouvoir effectuer des démodulations synchrones des signaux délivrés par les accéléromètres, aux pulsationsUx, cy, etoz. x y z Dans un autre mode de réalisation de l'invention conforme aux fig. 5 et 6, le support cubique 21 des instruments à étalonner comporte 3 paires d'actionneurs à mouvement linéaire 51-52, 53-54, -56 solidaires d'un bâti rigide 50. Les actionneurs peuvent être aussi bien, à moteur électrodynamique ou piézoélectrique. La fig. 6 montre en vue de dessus une version électrodynamique dont le circuit magnétique 54I est solidaire du support 21, le bobinage étant soli- daire du bâti 50. Les actionneurs sont disposés pour engendrer selon les axes trirectangles x. y, z des accélérations périodiques de trans- lation et de rotation. Dans ce but, les 3 paires d'actionneurs sont disposées sur 3 faces adjacentes du support cubique 21, symétriquement par rapport _. _ à un axe commun x, ou y, ou z du système d'axes de référence et ils agissent dans des plans contenant, respectivement, l'une des faces du trièdre formé par les 3 axes trirectangles. Les figures montrent trois paires de détecteurs de position 23-24, 25-26, 27-28 disposées à proximité des paires d'actionneurs. L'ensemble des 3 paires d'actionneurs et des détecteurs de position assurent le contr8le des 6 degrés de liberté du support des instruments de mesure. Par exemple, les détecteurs 23-24 sont reliés aux amplifica- teurs 29 et 30 qui mesurent respectivement la somme et la différence des signaux qui correspondent à une translation selon l'axe x et à une rotation t autour de l'axe z. Les éléments 31 * 32 commandent les actionneurs 52 et 53-54 par l'intermédiaire d'amplificateurs 33-34 Les éléments 35 et 36, reliés respectivement aux amplificateurs de translation 31 et de rotation 32, constituent le générateur de signaux périodiques imposant au support 21 des instruments de mesure, des accélérations périodiques d'étalonnage en translation et er. rotation. Le dispositif conforme à l'invention permet de déterminer à mieux que 107 en valeur relative les différences de sensibilité des accéléromètres et à mieux que 10-4 les directions de leurs axes sensibles et de connaître avec une très grande précision leurs posi- tions relatives. Le dispositif d'étalonnage qui vient d'être décrit dans une version complète triaxiale peut, bien entendu, être simplifié dans le cas o les instruments de mesure ne comportent qu'un seul axe ou deux axes de sensibilité à étalonner; selon le cas, le dispositif cormporte alors une seule ou deux paires d'actionneurs conformes à l'invention. REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'étalonnage d'instruments de mesure sensi- bles aux accélérations, dans lequel les instruments sont solidaires d'un support et délivrent des signaux électriques en réponse aux sollicitations d'accélération, comprenant des moyens d'appliquer au support des instruments des accélérations selon trois axes de réfé- rence formant un trièdre trirectangle, caractérisé en ce que les moyens d'appliquer les accélérations comprennent trois paires d'ac- tionneurs (? -2) (3-4) (5-6) chaque paire étant respectivement asso- ciée à l'un des axes de référence (x ou y ou z) et agencée pour engendrer des accélérations périodiques de translation et de rotation. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les actionneurs sont à mouvement rotatif à balourd dynamique (12) et disposés symétriquement de part et d'autre du point 0 de concours des axes trirectangles. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que les actionneurs sont des moteurs électriques solidaires du sup- port (21) des instruments, chaque paire d'actionneurs (1-2), (3-4), (5-6) étant disposée coaxialement à un axe commun du système d'axes, les actionneurs comportant une masselotte (12) et un détecteur de phase (13). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les actionneurs (1-2), (3-4), (5-6) sont commandés pour engendrer des accélérations sinusoidales et en ce que les signaux électriques délivrés par les instruments à étalonner sont analysés par des moyens de démodulation synchrone. - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les actionneurs sont à mouvement linéaire (51-52), (53-54), (55-56) et disposés d'un même c8té du point 0 de concours des axes trirectangles. 6 Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les actionneurs sont électrodynamiques ou piézoélectriques et interposés entre le support (21) des instruments et un bâti rigide (50), chaque paire d'actionneurs (51-52), (53-54), (55-56) étant dis- posée symétriquement par rapport à un axe commun et agissant dans des plans contenant respectivement l'une des faces du trièdre formé par les 3 axes trirectangles, le dispositif comprenant, en outre, des détecteurs de position (23-24), (25-26), (27-28). 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les actionneurs sont commandés pour engendrer des accélérations sinusoïdales et font partie d'une chaine d'asservissement de la posi- tion du support (21) des instruments, la chaîne recevant comme entrée, d'une part, les signaux des détecteurs de position et, d'autre part, des signaux périodiques du générateur (35), (36) et fournissant des signaux électriques de commande des actionneurs, les signaux électri- ques délivrés par les instruments à étalonner étant analysés par des moyens de démodulation synchrone. 8 - Procédé d'étalonnage d'instruments sensibles aux accélé- rations dans lequel les instruments sont solidaires d'un support (21) et délivrent des signaux électriques en réponse aux sollicitations d'accélération, consistant à appliquer au support des accélérations périodiques de translation et de rotation selon trois axes de réfé- rence formant un trièdre trirectangle et à recueillir les signaux électriques délivrés par les instruments à étalonner pour en déduire les caractéristiques des instruments, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre trois paires d'actionneurs (1-2), (3-4), (5-6) ou (51-52), (53-54), (55-56), chaque paire étant respectivement associée à l'un -' --o --b des axes x ou y ou z de référence et commandée pour engendrer des accélérations périodiques de translation et de rotation. 9 - Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la commande des actionneurs engendre des accélérations sinusoïdales à trois fréquences distinctes selon chacun des axes et en ce que les signaux électriques délivrés par les instruments sont analysés au moyen de démodulations synchrones et traités pour déterminer la sensibilité, l'orientation et la position des instruments par rapport aux axes de référence.