Brevet FR2637689A1 — publié le 19900413

ACCELEROMETRE. L'invention concerne un accél6romètre, en particulier pour la détermination d'accélération à basse fréquence, du type comportant un corps inerte, fixé & un organe élastique, et un senseur pour la détermination de la position du corps inerte. On connait des accéléromètres par lesquels la force d'accélération exercée sur un corps inerte est observée et mesurée. Le corps inerte est maintenu en sa position de repos par un organe élastique, tandis que la force d'accélération exercée tend à l'éloigner d'une position de repos. En règle générale, ce principe ne suffit pas pour des mesures précises d'accélérations à très basse fréquence ou même d'accélérations statiques. Dans la technique de la navigation, en particulier dans la navigation spa- tiale, il est nécessaire de pouvoir déterminer exacte- ment et en valeur absolue de très petites valeurs d'accélération. Une difficulté réside dans le fait que les valeurs de mesure d'un accéléromètre étalonné ne sont valables que pendant un laps de temps limité, étant donné que les différents éléments de la chaine de mesure présentent une dérive. La constante de force élastique de l'organe élastique peut, comme on le sait, etre supposée, de sorte que la pente de la droite indiquant le rapport entre la grandeur du sig- nal mesuré et l'accélération existante est connu. L'origine du système de coordonnées concerné est toutefois inconnue. Pour un étalonnage de l'accéléromètre, il conviendrait de conna tre la valeur absolue de l'accélération d'une paire de valeurs par une accélération mesurée et un affichage. La connaissance de la valeur absolue suppose toutefois un second accéléromètre étalonné. L'objet de l'invention est de créer un accéléromètre du type indiqué précédemment, pouvant être étalonné d'une manière simple, pour la mesure de valeurs absolues d'accélérations. Cet objet est réalisé, suivant l'invention, par le fait que, pour la détermination de la valeur absolue de l'accélération, la masse du corps inerte peut varier, de manière contrôlée, par l'addition ou l'absorption d'un corps étranger. Dans le cas de l'accéléromètre suivant l'invention, la masse du corps inerte est variable d'une manière définie. On peut effectuer une première mesure avec une première valeur de masse et une seconde mesure avec une seconde valeur de masse. La différence em entre les valeurs de masse correspond à une différence Ax entre les déplacements latéraux du corps inerte lors des deux mesures. D'après la relation am * b = k *4x, on peut déterminer l'accélération b recherchée, si la constante de force k du tystème élastique est connue, & la condition que la différence de masse em du corps inerte ait une valeur définie et que la différence Ax entre les déplacements latéraux du corps inerte soit mesurée pour les différentes masses. L'accélération b est proportionnelle au quotient. x: A m. De cette manière, il est possible d'étalonner l'accéléromètre par mesure du déplacement latéral x pour deux masses distinctes. De manière appropriée, une mesure se fait uniquement avec le corps inerte et l'autre mesure lorsque le corps inerte est chargé d'une masse prédéterminée du corps étranger. L'accéléromètre suivant l'invention convient pour la mesure très précise d'accélérations statiques ou à basse fréquence. Il peut en particulier être utilisé dans la navigation spatiale, mais peut égale- ment être utilisé pour des mesures sismiques et simi- laires. Lorsque le rapport bx: Am a été mesuré, on peut ensuite effectuer d'autres mesures d'accélération, soit uniquement avec la masse du corps inerte, soit avec la masse du corps inerte complétée par la masse définie du corps étranger. Avantageusement, le corps inerte est placé, avec l'organe élastique et le senseur, dans un bottier étanche & la pression et le corps étranger peut être introduit dans ce bottier. Le corps inerte est alors chargé du corps étranger de préférence gazeux. Le chargement du corps inerte est fonction de la pression partielle du corps étranger et de la température régnant dans le bottier. Le diagramme de phases permet de déterminer l'augmentation en poids du corps inerte. Le corps inerte peut être composé d'un métal, par exemple vanadium, qui est un bon accumula- teur de gaz, par exemple de l'hydrogène. Le vanadium a un faible poids spécifique et est à même d'accumuler de l'hydrogène dans les emplacements intermédiaires du réseau. D'autres éléments que le vanadium conviennent également comme accumulateur de gaz, par exemple le palladium. Le chargement ne doit pas non plus se faire nécessairement avec de l'hydrogène. Le deutérium convient également à cet effet. Outre la modification de la masse par chargement de gaz, une modification de la masse peut également se faire par condensation d'une matière à la surface du corps inerte ou par vaporisation. La modification de la masse se fait avec des constantes de temps de l'ordre de quelques secondes, de sorte que l'accéléromètre convient particulièrement pour la détermination d'accélérations & basse fréquence ou même statiques. Le déplacement latéral du corps inerte se fait sans contact. A cet effet, diverses méthodes peu- vent être utilisées, telles que par exemple des dispo- sitifs de mesure optiques ou capacitifs. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, l'accéléromètre est caractérisé en ce que le senseur présente une pointe dirigée vers le corps inerte par laquelle un courant de tunnel circule vers le corps inerte, que ladite pointe peut se déplacer en direction du corps inerte et qu'un dispositif de déplacement pour le déplacement de la pointe est réglé de telle manière que la distance entre la pointe et le corps inerte est constante. La mesure du déplacement se fait alors par le mouvement de poursuite d'une pointe qui se tient a une distance déterminée par rapport au corps inerte, le courant de tunnel circulant entre la pointe et le corps inerte. La distance entre la pointe et le corps inerte peut etre réglée de telle manière que le courant de tunnel reste constant. Un piézocristal convient comme dispositif de déplacement de la pointe. Ci-après, des exemples de mode de réalisation de l'invention sont décrits plus en détail en référence aux dessins. La figure 1 est une vue schématique de la structure mécanique de l'accéléromètre. La figure 2 est un schéma des connexions de réglage du senseur. La figure 3 illustre un mode de réalisation a deux senseurs, disposés de chaque côté du corps inerte, afin de compenser les variations du courant de tunnel provoquées par le chargement du corps inerte. La figure 4, enfin, illustre un mode de réalisation & corps creux. En référence à la figure 1, l'accéléromètre présente une base 10 à laquelle est fixée une extrémité de l'organe élastique 11. L'organe élastique 11 consiste en une fine plaque de silicium. Le sili- cium convient particulièrement comme organe élastique, étant donné qu'il a une constante d'élasticité connue avec précision et parce qu'il peut etre fabriqué avec précision aux dimensions souhaitées, par exemple par décapage. A l'extrémité supérieure de l'organe élas- tique 11 est fixé le corps inerte 12. Ce corps inerte 12 se compose d'un corps 13 en vanadium et d'un revêtement 14 en palladium entourant le corps 13. Le vanadium a la propriété d'être un bon accumulateur d'hydrogène et le palladium présente une haute perméabilité à l'hydrogène et sert, dans le présent cas, de revêtement de surface afin d'obtenir la qualité de surface du corps inerte 12 requise. La forme en plaque de l'organe élastique 11 a été choisie pour que l'accéléromètre détermine sélectivement la composante de l'accélération dans une direction spatiale parfaitement prédéterminée. Cette composante de l'accélération se développe perpendicu- lairement au plan de l'élément élastique 13 réalisé en forme de vibreur flexible. Pour obtenir une constante d'élasticité désirée, des orifices 15 peuvent être prévus dans la plaque de l'organe élastique 11, dans la zone comprise entre la fixation à la base 10 et la masse 12. De la base 10 s'6élève un support 16 auquel est fixé, via un isolateur 17, un dispositif de déplacement 18 pour une pointe 19. Le dispositif de déplacement 18 consiste en un piézocristal, aux faces frontales opposées duquel sont prévues des électrodes , 21. La pointe 19 est fixée à l'électrode 21, avec intercalage d'une isolation 22, de telle manière qu'elle soit orientée vers la face latérale du corps inerte 12. Si une force d'accélération dirigée transversalement par rapport à la face de l'organe élastique 11 est exercée sur le corps inerte 12, l'organe élastique 11 agit comme vibreur flexible, c'est-à-dire qu'il se plie de telle sorte que le corps inerte 12 est déplacé soit en direction de la pointe 19, soit en direction contraire. L'accé61éromètre a une grande sélectivité de direction. Pour déterminer les accélérations dans les deux autres directions spa- tiales, on peut prévoir des accéléromètres similaires, dans lesquels l'organe élastique est disposé perpendi- culairement à l'organe élastique 11. L'ensemble de l'accéléromètre est disposé dans un boitier 23 étanche à la pression, dans lequel aboutit un tuyau 24 relié à une source d'hydrogène. Ci-après, le principe de fonctionnement de l'accéléromètre est expliqué en référence & la figure 2. La pointe 19 se trouve à une faible distance du corps inerte 12. Cette dstance est de quelques 10 -. Une source de courant 25 est connectée par un pole & l'élément élastique 11 et reliée, via cet élément élastique, au corps inerte 12 conducteur d'électricité. L'autre pôle de la source de courant 25 est connecté, via un ampèremètre 26, à la pointe 19, également conductrice. La source de courant 25, dont la tension est de six volts, produit, entre la pointe 19 et le corps inerte 12, un courant de tunnel dont l'intensité est mesurée par l'ampèremètre 26. Le sig- nal de sortie de l'ampèremètre 26 est amené à un régulateur 27 commandant une source de haute tension 28. Les circuits de sortie de la source de haute ten- sion 28 sont reliés avec les électrodes 20 et 21 aux deux extrémités du dispositif de déplacement 18. Etant donné que ce dispositif de déplacement 18 consiste en un piézocristal, sa longueur varie en fonction de la valeur de la haute tension présente à ses extrémités. Le régulateur 27 fait varier la longueur du dispositif de déplacement 18 de telle manière que le courant de tunnel entre la pointe 19 et le corps inerte 12 reste constant. De ce fait, la distance entre la pointe 19 et le corps inerte reste également constante, c'est- à-dire que la pointe 19 suit le déplacement du corps inerte 12 à une distance constante. Le signal de sor- tie 29 du régulateur 27 constitue le signal de mesure qui est proportionnel au déplacement latéral du corps inerte 12 par rapport a sa position de repos. Pour étalonner l'accéléromètre, en cas de force d'accélération tout d'abord inconnue exercée sur le corps inerte 12, il est effectué une mesure au cours de laquelle on obtient un signal de sortie au circuit de sortie 29. Cette mesure est effectuée en faisant régner une faible pression partielle d'hydrogène dans le bottier 23. A cet effet, la pres- sion d'hydrogène dans le bottier 23 est réduite. Ensuite, il est introduit, par la connexion 24, de l'hydrogène dans le bottier 23, jusqu'à constituer, dans le bottier 23, une pression partielle déterminée de l'hydrogène. De ce fait, le corps en vanadium 13 se charge d'hydrogène, à travers la couche de palladium 14, de sorte que la masse du corps inerte 12 est augmentée d'une valeur définie avec précision m. Ensuite, il est effectué une seconde mesure dans les mêmes conditions d'accélération. Du fait de la masse accrue du corps inerte 12, lors de la seconde mesure, le déplacement latéral du corps inerte par rapport à sa position de repos est supérieur & celui observé lors de la première mesure. De ce fait, le signal au circuit de sortie 29 est également augmenté. A l'aide de ces deux mesures avec masse différente et des sig- naux différents ainsi obtenus au circuit de sortie 29, on détermine la proportionnalité entre le signal de sortie et la masse et on calcule ainsi la proportion- nalité entre le signal de sortie et l'accélération absolue. De cette manière, l'accéléromètre a été étalonné. A la suite de l'étalonnage, on peut, pendant un long laps de temps, effectuer des mesures d'accélération, soit en utilisant la masse accrue du corps inerte 12, soit en effectuant d'abord un déchargement de l'hydrogène du corps inerte 12. Du fait que l'hydrogène peut être déchargé du corps inerte 12, il existe la possibilité de réaliser des cycles d'étalonnage fréquents & volonté. Dans l'exemple de mode de réalisation de la figure 3, outre le senseur décrit, dont la pointe 19 est disposée sur un coté du corps inerte 12, un autre senseur est disposé, sur le coté opposé, dont les éléments correspondent à ceux du premier senseur, por- tant les mêmes références auxquelles il y a lieu d'ajouter chaque fois la lettre "an. Lorsque le corps inerte est déplacé d'un coté, par rapport & sa posi- tion de repos, un dispositif de déplacement 18 ou 18a se raccourcit, tandis que le dispositif de déplacement opposé s'allonge. La variante de la figure 3 convient dans les cas o le courant de tunnel entre la pointe 19 et le corps inerte 12 est modifié uniquement par la pression de gaz modifiée ou dans le cas o des contaminations à la surface du corps inerte 12 modi- fient son courant de tunnel. Les deux régulateurs 27 et 27a sont reliés entre eux de telle manière que leurs signaux de sortie se soustraient. Normalement, les signaux de sortie des régulateurs 27 et 27a sont de valeur égale et de signe différent, de sorte qu'une soustraction de ces valeurs donne la valeur 0 lorsque le corps inerte 12 se trouve en sa position centrale. La différence entre les sig- naux de sortie des régulateurs 27 est toutefois différente de O lorsque le corps inerte 12 se trouve en position déplacée. Cette différence est donc utilisée comme signal de mesure. Dans les exemples de mode de réalisation ci-dessus, le corps inerte porté par l'organe élastique peut se déplacer librement. Un mode de réalisation, dans lequel un dispositif de retour agit sur le corps inerte de telle sorte que celui-ci soit maintenu dans la même position pour toutes les forces de déplacement exercées, est également possible. Pour la mesure de l'accélération, on peut alors utiliser la force exercée par le dispositif de retour pour main- tenir le corps inerte dans la position prédéterminée. Dans ce cas, le senseur sert A la régulation de la force du dispositif de retour. Dans l'exemple de mode de réalisation de la figure 4, le corps inerte 12 est un corps creux 30, de préférence en forme de cone. Dans le corps creux 30 est introduit un circuit 31 qui traverse l'organe élastique 11 et par lequel un fluide, de préférence un gaz, peut être introduit dans le corps creux 30. Comme fluides conviennent particulièrement le xénon ou le SF6 (hexafluorure sulfureux). Par l'introduction du gaz dans le corps creux 30, la masse de ce dernier change, de sorte que la force requise pour une déformation déterminée de l'organe élastique 11 change également. En dehors du corps creux 30 règne une atmosphère composée d'un gaz dont la densité est différente de celle du gaz à l'intérieur du corps creux 30. Les pressions des gaz en dehors et à l'intérieur du corps creux sont, de préférence, égales. Par l'introduction de gaz dans le corps creux et l'évacuation du corps creux, la masse du corps inerte 12 est modifiée. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre, en particulier pour la détermination d'accélérations & basse fréquence, com- portant un corps inerte (12), fixé à un organe élas- tique (11) et un senseur pour la détermination de la position du corps inerte, caractérisé en ce que, pour la détermination de la valeur absolue de l'accélération, la masse du corps inerte (12) peut varier, de manière contrôlée, par l'addition ou l'absorption d'un corps étranger. 2. Accéléromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps inerte (12) est placé, avec l'organe élastique (11) et le senseur, dans un bottier étanche à la pression (23) et que le corps étranger peut être introduit dans ce boitier (23). 3. Accéléromètre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps inerte (12) con- siste en un matériau absorbant le gaz et que le corps étranger est un gaz. 4. Accéléromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps inerte (12) est placé, avec l'organe élastique (11) et le senseur, dans un bottier étanche à la pression (23) et que le bottier (23) est muni d'un, ou raccordé à un, dispositif de vaporisation pour la vaporisation d'un corps étranger sur le corps inerte (12). 5. Accéléromètre suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le corps inerte (12) con- tient un corps (13) en vanadium. 6. Accéléromêtre suivant la revendication 5, caractérisé en ce que le corps inerte (12) présente un revêtement (14) de palladium. 7. Accéléromètre suivant l'une des revendi- cations 1 à 6, caractérisé en ce que le senseur présente une pointe (19) dirigée vers le corps inerte (12) par laquelle un courant de tunnel circule vers le il corps inerte (12), que la pointe (19) peut se déplacer en direction du corps inerte (12) et qu'un dispositif de déplacement (18) pour le déplacement de la pointe (19) est réglé de telle manière que la distance entre la pointe (19) et le corps inerte (12) est constante. 8. Accéléromètre suivant l'une des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce qu'un senseur est disposé de chaque côté du corps inerte (12) et que le signal de mesure est dérivé de la différence entre les signaux de sortie des deux senseurs. 9. Accéléromètre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le corps inerte (12) est un corps creux (30) dont la masse peut être modifiée par l'introduction d'un fluide. 10. Accéléromètre suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il règne, en dehors du corps creux (30), une atmosphère dont la densité est différente de celle du fluide et dont la pression est égale & celle du fluide.