Brevet FR2647907A1 — publié le 19901207

PROCEDE POUR ETALONNER UN APPAREIL DE MESURE DE L'ACCELERATIOiN. L'invention concerne un procédé pour étalonner un appareil de mesure de l'accélération qui présente un corps d'inertie fixé à un organe élastique ainsi qu'un détecteur pour déterminer la position du corps d'inertie. On connaît des appareils de mesure de l'accélération dans le cas desquels on observe et on mesure la force, résultant de l'accélération, agissant sur un corps d'inertie. Le corps d'inertie est maintenu en position de repos par un organe élastique tandis que la force, résultant de l'accélération, qui agit sur lui s'efforce de l'écarter de cette position de repos. Pour des mesures précises d'accélérations de très basse fréquence ou même d'accélérations statiques, ce principe ne suffit généralement pas. Dans la technique -de navigation, en particulier en astronautique, se présente la nécessité de pouvoir déterminer de très faibles valeurs de l'accélération de façon exacte et sous forme de valeurs absolues. Une difficulté réside dans le fait que les valeurs de mesure d'un appareil de mesure de l'accélération, étalonné, ne sont valables que pour un temps limité, du fait que les différents composants de la chaine de mesure présentent une dérive. La constante élastique de l'organe élastique peut être considérée comme connue, de sorte que l'on connaît la pente des droites que donne le rapport entre la valeur du signal de mesure et l'accélération qui s'exerce. Mais ce qui est inconnu, c'est l'origine du système de coordonnées en question. Pour un étalonnage de l'appareil de mesure de l'accélération, il serait intéressant de connaître la valeur absolue de l'accélération à partir d'un couple de valeurs provenant d'une accélération mesurée et de son indication. Mais la connaissance de la valeur absolue suppose un second appareil de mesure de l'accélération qui soit lui- même étalonné. Dans la demande de brevet antérieur (non prépubliée) P 38 34 531, est décrit un appareil de mesure de l'accélération que l'on étalonne par le moyen que l'on modifie, de façon ccntrôlée, la masse du corps d'inertie en y posant ou en y apportant un corps étranger. On effectue une première mesure avec une première valeur de la masse du corps d'inertie et une seconde mesure avec une seconde valeur de sa masse. La différence entre les valeurs de la masse correspond à une différence entre les déviations du corps d'inertie. De cette façon, on peut établir la valeur absolue de l'accélération avec deux mesures. L'étalonnage de l'appareil de mesure de l'accélération se fait par mesure de la déviation dans le cas des deux masses différentes. La modification de la masse du corps d'inertie demande une dépense relativement élevée ou des matériels bien déterminés qui puissent poser ou apporter des corps étrangers. L'invention a pour but de créer un procédé d'étalonnage du type décrit au début, qui ne pose aucune condition particulière en ce qui concerne la forme-ou la qualité du corps d'inertie. Selon l'invention, on atteint ce but par le fait que l'on modifie la densité du fluide qui entoure le corps d'inertie et que l'on détermine l'accélération absolue à partir des différentes déviations du corps d'inertie dans le cas des différentes densités. Dans le cas de l'appareil de mesure de l'accélération conforme à l'invention, on ne modifie pas la masse du corps d'inertie, mais la densité 'du fluide qui entoure ce corps d'inertie. Se modifie alors la poussée que subit le corps d'inertie pour une accélération déterminée, Cette poussée dépend du volume du fluide déplacé par le corps d'inertie et de sa densité. Plus grande est l'accélération, plus grande est la différence de poussée entre les deux positions à densité du fluide différente. L'accélération b peut, dans le cas du procédé conforme à l'invention, être déterminée selon la relation b = - k-t x / V-Ap dans laquelle k est la constante du système élastique, Ax la différence entre les déviations du corps d'inertie lors des deux mesures, V le volume du corps d'inertie et ap la différence des densités du fluide lors des deux mesures. De cette façon, il est possible d'étalonner l'appareil de mesure de l'accélération par mesure de la déviation x pour une même valeur de l'accélération qui s'exerce et pour des valeurs différentes de la densité du fluide, pour, la constante k du système élastique étant connue, déterminer l'origine du système de coordonnées par laquelle passe la droite qui caractérise la relation entre b et x. La déviation x du corps d'inertie peut se déterminer de différentes façons, par exemple par voie optique ou capacitive. Un appareil de mesure de l'accélération qui convient pour une détermination particulièrement exacte de la déviation se caractérise par le fait que le corps d'inertie, avec l'organe élastique et le détecteur, est logé dans un bottier étanche à la pression, par le fait que le détecteur, présente une pcinte qui est orientée sur le corps d'inertie et par laquelle un courant à effet de tunnel passe en direction du corps d'inertie, par le fait que la pointe peut se déplacer en direction du corps d'inertie et qu'un dispositif de déplacement, prévu pour déplacer la pointe, est régulé de façon telle que la distance entre la pointe et le corps d'inertie est constante. La modification de la densité du fluide qui entoure le corps d'inertie peut se faire en modifiant la densité du fluide dans la chambre qui entoure le corps d'inertie ou bien en introduisant daps cette chambre différents fluides, par exemple des gaz. La modification de la densité se fait avec des constantes de temps de l'ordre de quelques secondes, de sorte que l'appareil de mesure de l'accélération convient particulièrement bien pour déterminer des accélérations à basse fréquence ou des accélérationsstatiques. On peut utiliser l'appareil de mesure de l'accélération pour une mesure des accélérations sur terre, o de façon générale s'exerce l'accélération de la pesanteur g, ou bien pour la mesure d'accélérations dans l'espace en apesanteur, par exemple dans le milieu spatial. Dans chaque cas, un étalonnage de haute précision est possible de sorte que l'on peut déterminer la valeur absolue de l'accélération avec une grande précision. On explique en détail ci-dessous des exemples de réalisation de l'invention en se référant aux dessins: - la figure 1 est une représentation schématique de la structure mécanique de l'appareil de mesure de l'accélération, - la figure 2 représente le schéma de régulation du détecteur, et - la figure 3 représente une forme de réalisation avec deux détecteurs, disposés des deux côtés du corps d'inertie, pour compenser les modifications du courant à effet tunnel qui sont provoquées par les modifications de densité. Selon la figure 1, l'appareil de mesure de l'accélération présente une base 10 dans laquelle est encastrée une extrémité de l'organe élastique 11. L'organe élastique 11 est constitué d'une plaquette de silicium mince. Le silicium convient particulièrement comme organe élastique car il possède une constante d'élasticité connue avec précision et qu'il peut être fabriqué avec une grande précision dans les dimensions désirées, par exemple par attaque chimique. A l'extrémité supérieure de l'organe élastique 11 est fixé le corps d'inertie 12. Ce corps d'inertie 12 est constitué d'un corps 13 et d'un revêtement 14, entourant le corps' 13, pour donner la qualité de surface nécessaire au corps d'inertie 12. On a choisi la plaquette comme forme de l'organe élastique 11 pour que l'appareil de mesure de l'accélération détermine sélectivement les composantes de l'accélération dans une direction donnée bien déterminée de l'espace. Cette composante de l'accélération est orientée perpendiculairement au plan de l'élément élastique 11 qui est conçu sous forme d'un corps 2647907. oscillant en flexion. Pour obtenir une constante d'élasticité désirée, on peut prévoir, dans la plaquette de l'organe élastique 11, dans la zone située entre l'encastrement dans la base 10 et la masse 12, des découpes 15. De la base 10 s'élève un montant 16 auquel est fixé, par l'intermédiaire d'un isolateur 17, un dispositif de déplacement 18 pour une pointe 19. Le dispositif de déplacement 18 est constitué d'un cristal piézoélectrique sur les faces frontales, opposées, duquel sont prévues les électrodes 20, 21. La pointe 19 est fixée à l'électrode 21, avec interpo- sition d'une isolation 22, de façon telle qu'elle est orientée sur la face latérale du corps d'inertie 12. Si une force d'accélération, orientée transversalement à la surface de l'organe élastique 11, agit sur le corps d'inertie 12, l'organe élastique 11 réagit comme organe oscillant en flexion, c'est-à-dire qu'il fléchit de sorte que le corps d'inertie 12 se déplace soit en direction de la pointe 19, soit en s'en écartant. L'appareil de mesure de l'accélération présente une importante sélectivité d'orientation. Pour déterminer les accélérations dans les deux autres directions de l'espace, on peut prévoir des appareils de mesure de l'accélération respectivement identiques, dans lesquelles l'organe élastique est disposé perpendiculairement à l'organe élastique 11. L'ensemble de l'appareil de mesure de l'accélération est disposé dans un bottier 23 étanche à la pression dans lequel débouche un tube 24 qui est relié à une source de gaz. On explique ci-dessous à l'aide de la figure 2 le prin- cipe de fonctionnement de l'appareil de mesure de l'accélération: la pointe 19 se trouve à faible distance du corps d'inertie 12. Cette distance vaut quelques 10 10 m. Une source de courant 26 est reliée, par un pôle, à l'élément élastique 11 et, par l'intermédiaire de cet élément élastique, au corps d'inertie 12 électriquement conducteur. L'autre pôle de la source de courant 25 est relié, par l'intermédiaire d'un ampèremètre 26, avec la pointe 19, également conductrice. La source de courant , dont la tension est de 6 volts, produit, entre la pointe 19 et le corps d'inertie 12, un courant à effet tunnel dont l'ampèremètre 26 mesure l'intensité. Le signal de sortie de l'ampèremètre 26 est envoyé à un régulateur 27 qui commande une source haute tension 28. Les conducteurs de sortie de la source haute tension 28 sont reliés avec les electrodes 20 et 21 situées aux deux extrémités du dispositif de déplacement 18. Etant donné que ce dispositif de déplacement 18 est constitué d'un cristal piézoélectrique, sa longueur se modifie en fonction de la valeur de la haute tension régnant à ses extrémités. Le régulateur 27 fait varier la longueur du dispositif de déplacement 18 de façon que le courant à effet tunnel reste constant entre la pointe 19 et le corps d'inertie 12. De ce fait la distance entre la pointe 19 et le corps d'inertie reste également constante, c'est-à-dire que la pointe 19 suit le déplacement du corps d'inertie 12 à distance constante. Le signal de sortie 29 du régulateur 27 forme le signal de mesure qui est proportionnel à la déviation du corps d'inertie 12 à partir de sa position de repos. Pour étalonner l'appareil de mesure de l'accélération, en présence d'une force d'accélaration agissant sur le corps d'inertie 12, tout d'abord inconnue, on procède à une mesure au cours de laquelle on obtient un signal de sortie sur le conducteur de sortie 29. On effectue cette mesure en faisant régner dans le boitier 23 une faible densité de gaz. Dans ce but, on réduit la pression de gaz dans le bottier 23. Ensuite, par l'intermédiaire du raccord 24, on accroît la pression du gaz, et donc la densité du gaz, dans le boitier 23 jusqu'à ce que s'établisse une densité de gaz déterminée. On effectue alors une seconde mesure en présence de la même accélération. Du fait de l'accroissement de la poussée du corps d'inertie 12, lors de la seconde mesure, la déviation du corps d'inertie à partir de sa position de repos est plus faible que lors de la première mesure. Le signal qui apparaît sur le conducteur de sortie 29 décroît donc également. Grâce aux deux mesures effectuées avec une poussée différente et opposée à la force résultant de l'accélération, et grâce aux signaux différents qui en résultent sur le conducteur de sortie 29, on détermine la proportionnalité entre lesignal de sortie et la masse et on calcule donc la proportionnalité entre le signal de sortie et la valeur absolue de l'accélération. C'est de cette façon que l'on étalonne l'appareil de mesure de l'accélération. A la suite de l'étalonnage, on peut effectuer pendant un temps assez long des mesures de l'accélération en utilisant soit une densité de gaz plus faible, soit une densité de gaz plus forte. Du fait que L'on peut évacuer le gaz hors au Do!tier 23, on a la possibilité de procéder à volonté et fréquemment à des cycles d'étalonnage. Dans le cas de l'exemple de réalisation de la figure 3, en plus du détecteur décrit, dont la pointe 19 est disposée d'un côté du corps d'inertie 12, du côté opposé est disposé un autre détecteur dont les composants correspondent à ceux du premier détecteur et sont désignés par les mêmes repères auxquels on a ajouté l'indice "a". Lorsque le corps d'inertie dévie d'un côté hors de sa position de repos, l'un des dispositifs de déplacement 18 ou 18a se raccourcit tandis que le dispositif de déplacement opposé s'allonge. La variante de la figure 3 est intéressante dans les cas o le courant à effet tunnel entre la pointe 19 et le corps d'inertie 12 est déjà modifié du simple fait de la modification de la pression du gaz, ou bien dans le cas o des contaminations à la surface du corps d'inertie 12 modifient ce courant à effet tunnel. Les deux régulateurs 27 et 27a sont reliés entre eux de façon telle que leurs signaux de sortie se soustraient. Normalement, les signaux de sortie des régulateurs 27 et 27a sont égaux entre eux en valeur absolue et différents en signe, de sorte que la soustraction de ces signaux de sortie donne la valeur 0, lorsque le corps d'inertie 12 se trouve dans sa position médiane. Toutefois, la différence des signaux de sortie des régulateurs 27 s'écartent de O si le corps d'inertie 12 se trouve à l'état dévié. Cette différence est donc utilisée comme signal de mesure. Dans le cas des exemples de réalisation ci-dessus, le corps d'inertie, porté par l'organe élastique, peut se déplacer librement. Une forme de réalisation dans laquelle un dispositif de rappel agit sur le corps d'inertie de façon telle que celui-ci est maintenu dans la même position en présence de toutes les forces, résultant de l'accélération, agissant sur lui, est également possible. Pour mesurer l'accélération on peut alors utiliser la force exercée par le dispositif de rappel pour maintenir le corps d'inertie dans la position prédéterminée. Dans ce cas, le détecteur sert à réguler la force du dispositif de rappel. R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé pour étalonner un appareil de mesure de l'accélération qui présente un corps d'inertie (12) fixé à un organe élastique (11) ainsi qu'un détecteur pour déterminer la position du corps d'inertie, caractérisé par le fait que l'on modifie la densité du fluide qui entoure le corps d'inertie (12) et que l'on détermine l'accélération absolue à partir des différentes déviations du corps d'inertie dans le cas des différentes densités. 2. Appareil de mesure de l'accélération, pouvant s'étalonner par le procédé de la revendication 1, comportant un corps d'inertie fixé à un organe élastique (11) ainsi qu'un détecteur pour déterminer la position du corps d'inertie, caractérisé par le fait que le corps d'inertie (12), ainsiquel'organeélastiqJe (11) et le détecteur, sont logés dans un bottier (23) étanche à la pression, par le fait que le détecteur présente une pointe (9) qui est orientée verslecorps d'inertie (12) et par laquelle un courant à effet tunnel passe en direction du corps d'inertie (12), par le fait que la pointe (19) peut se déplacer en direction du corps d'inertie (12) et qu'un dispositif de déplacement (18), prévu pour déplacer la pointe (19), est régulé de façon telle que la distance entre la pointe (19) et le corps d'inertie (12) est constante. 3. Appareil de mesure de l'accélération selon la revendication 2, caractérisé par le fait que sur chaque face du corps d'inertie (12) est disposé un détecteur et par le fait que c'est de la différence des signaux de sortie des deux détecteurs que l'on fait dériver le signal de mesure.