Brevet FR2659743A1 — publié le 19910920

La présente invention concerne un capteur d'accélération à plusieurs composants, o l'action de la force d'inertie d'une masse produit la variation d'un paramètre électromagnétique, o il est prévu plusieurs détecteurs individuels, o les différents détecteurs individuels, et par conséquent également leurs bobines de captage, sont disposés l'un derrière l'autre, o, dans chaque détecteur individuel, lors d'un proces- sus d'accélération, une masse sismique agit sur une couche magnétoélastique de mesure, o la perméabilité fur de cette couche de mesure exerce une influence sur l'inductance d'une bobine de captage, o, dans au moins un circuit électronique d'évaluation, un signal représentant l'état d'accélération est obtenu à partir des inductances des bobines de captage. Il est déjà connu un capteur d'accélération du type précité (brevet US-3 786 674), qui se compose de plusieurs détecteurs individuels formant les composants et qui sont tous disposés de manière qu'une accélération dans une direction déterminée produise une variation de même sens des signaux de sortie des détecteurs indivi- duels A cet effet, dans les détecteurs individuels formant les différents composants, une bobine est enroulée autour d'un noyau en fer à magnétostriction de telle sorte qu'une déformation, résultant d'une accélération, du noyau en fer, qui engendre, du fait de la magnéto- striction, une variation de perméabilité Fr de ce noyau en fer, produise une variation de l'inductance de la bobine A partir de cette variation de l'inductance de la bobine, l'accélération est déterminée dans un circuit électronique d'évaluation L'accélération est alors transmise au noyau en fer au moyen d'éléments à l'aide desquels le capteur d'accélération est appliqué contre l'objet à étudier et qui agissent comme des masses sismiques En outre il est décrit dans ce document des moyens à l'aide desquels il est possible de protéger la bobine contre l'influence de perturbations extérieures. Il est également décrit comment, dans le cas d'une liaison en série des détecteurs individuels, il est possible d'effectuer une adaptation de l'impédance de telle sorte que la combinaison-série de tous les détecteurs individuels puisse être analysée à l'aide de seulement un circuit électronique d'évaluation. Un inconvénient rencontré avec cet agencement consiste en ce que des accélérations dans une direction, qui s'écarte d'une direction définie pour l'accélération à déterminer, produisent également une variation des inductances des bobines des détecteurs individuels car également ces accélérations peuvent causer, sous l'effet de contraintes mécaniques, des déformations des noyaux en fer Il peut en résulter un captage erroné d'accélérations. En outre il est connu (DT 24 32 225 Al) de disposer plusieurs capteurs, en vue d'une détermination d'accélérations dans différentes directions spatiales, de telle sorte que les directions des accélérations à déterminer par les différents capteurs soient linéaire- ment indépendantes. Egalement il peut se produire un captage incorrect d'accélérations lorsqu'on utilise des capteurs d'accélérations à magnétostriction, dans lesquels une accélération, qui s'écarte de la direction de l'accéléra- tion à capter par le capteur d'accélération, provoque des contraintes mécaniques faisant en sorte qu'également une accélération soit captée par ce capteur d'accélération. En outre il est connu un capteur d'accéléra- tion à plusieurs composants (Symposium "Sensoren, Messaufnehmer 1989 " de l'Académie Technique d'Esslingen (République Fédérale Allemande) du 30 05 1989 au 01.06 1989; Editeur: K W Bonfing; Chapitres 2 4, 3, 4; pages 10 610 20), o un capteur d'accélération, désigné par le terme anglais " Piezo Beam " ( Piezo Poutre) est agencé sous la forme d'un élément de captage actif constitué de poutres flexibles en piezo-céramique bimorphe A cet égard, le capteur d'accélération, relié à un corps à étudier, est accéléré dans une direction qui ne concorde pas avec la direction axiale d'une des poutres flexibles en piezo-céramique de sorte qu'il se produit une flexion à cause de la masse d'inertie de la poutre flexible en piezo- céramique Cette flexion crée des charges différentes sur le côté avant et le côté arrière ( par rapport au sens d'accélération) de la poutre flexible en piezo-céramique Cette différence de charges peut alors être déterminée au moyen d'un amplificateur de charges, qui peut être intégré dans le capteur d'accélération Comme fréquence de résonance du capteur d'accélération, il est indiqué à cet égard une valeur de 9 k Hz. Des inconvénients de ce capteur d'accéléra- tion à plusieurs composants connu résultent du fait que, à partir d'une hauteur de chute d'environ lm, il se produit une destruction du capteur d'accélération sous l'effet d'une rupture des poutres flexibles en piezo-céramique. L'invention a pour but de perfectionner le capteur d'accélération à plusieurs composants de telle sorte qu'il soit insensible à une sollicitation mécanique et qu'on soit assuré simultanément d'une détermination, exempte d'erreurs et aussi simple que possible à réaliser, de l'accélération à capter. Ce problème est résolu, pour un capteur d'accélération à plusieurs composants du type défini ci-dessus, conformément à l'invention en ce que: il est prévu plusieurs détecteurs individuels pour la détermination de l'accélération dans plusieurs directions spatiales, pour chaque direction spatiale dans laquelle l'accéléra- tion doit être déterminée, il est prévu deux détecteurs individuels disposés de telle sorte que leurs bobines soient disposées coaxialement l'une derrière l'autre, la disposition des détecteurs individuels sur un corps de base étant réalisée de telle sorte que, pour une composante d'accélération du capteur d'accélération orientée perpendiculairement à la direction axiale des bobines de captage des deux détecteurs individuels> il se produise une variation de même sens des inductances des bobines tandis que, pour une composante d'accélération du capteur d'accélération orientée dans la direction axiale des bobines de captage des deux détecteurs indivi- duels, il se produit une variation en sens opposés des inductances des bobines de captage des deux détecteurs individuels. Selon d'autres particularités du capteur d'accélération conforme à l'invention: La couche de mesure se compose de nickel, de phosphore et d'un élément de transition chimique notamment du cobalt -, la proportion de nickel pouvant atteindre notamment 8 % et la proportion de cobalt pouvant atteindre notamment 10 %. Un détecteur individuel est agencé de telle sorte que: la couche de mesure soit disposée sur un fourreau, * la masse sismique agisse sur ce fourreau pendant un processus d'accélération de telle sorte que, dans le cas d'une accélération orientée dans la direction axiale du fourreau, il se produise une compression ou un allongement de la couche de mesure et, pour une accélération orientée perpendiculairement à la direction axiale du fourreau, il se produise une flexion du fourreau, un imbriquement moléculaire soit établi entre la couche de mesure et le fourreau et une bobine de captage soit disposée autour du fourreau de telle sorte que le fourreau soit situé coaxialement dans la bobine de captage. Les bobines de captage de deux détecteurs individuels sont connectées sous forme d'un demi-pont inductif pour la détermination de l'accélération dans une direction spatiale. L'impédance des bobines de captage est déterminée au moyen d'une application d'une fréquence porteuse. L'impédance des bobines de captage est déterminée par branchement dans un circuit oscillateur. La masse sismique est agencée au moins en partie sous la forme d'un aimant permanent. D'autres avantages de l'invention par rapport à l'art antérieur consistent en ce que, du fait de la plus faible masse sismique, il est possible d'obtenir une construction plus simple du capteur d'accélération aussi bien en ce qui concerne son poids que ses dimensions. Conformément à la présente invention, il est possible de capter une accélération en déposant sur un fourreau une couche à magnétisme doux et à forte magnéto-élasticité, dont la variation de la perméabilité r peut être déterminée par exemple au moyen d'une bobine de captage La variation de la perméabilité r est engendrée à cet égard lors d'une action de la force d'inertie d'une masse sismique sous l'effet d'une accélération On combine ensemble plusieurs détecteurs individuels de manière à obtenir un capteur d'accélération à plusieurs composants. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 donne une représentation d'un exemple de réalisation d'un détecteur individuel, la figure 2 représente la combinaison de plusieurs détecteurs individuels pour former un capteur d'accéléra- tion à plusieurs composants, et la figure 3 montre un ensemble de bobines de captage de détecteurs individuels utilisés dans un système d'évaluation. Comme le montre la figure 1, un détecteur individuel se compose d'un fourreau 1 1 à paroi mince, formé d'un acier à ressort ou d'un acier allié non magnétique et qui est fixé dans un corps de base 1 2, en étant simultanément lié solidement avec un corps de bobine 1 3 Ce corps de bobine 1 3 peut à cet égard être constitué d'une matière plastique renforcée par des fibres de verre et résistant à des températures élevées ou bien il peut être constitué d'un alliage métallique très mauvais conducteur du courant électrique. Ce corps de bobine 1 3 est relié par conjugaison de forces avec une masse sismique 1 4 Cette liaison par conjugaison de forces peut alors être réalisée par exemple en prévoyant dans le corps de bobine 1 3 un filetage ou un élément rapporté fileté En outre, le corps de bobine 1 3 comporte, dans l'exemple de réalisa- tion de la figure 1, une rainure 1 3 1 servant à recevoir la bobine de captage 1 5, pour laquelle des expériences ont montré qu'un nombre de spires compris entre environ et 150 était suffisant pour obtenir une résolution suffisamment précise Sur le fourreau 1 1 à paroi mince, il est prévu une couche magnéto-élastique de mesure 1.6, qui se compose d'une couche de nickel-phosphore magnéto-élastique, amorphe, ou bien nanocristalline, à magnétisme doux et dopée avec des éléments de transi- tion A cet égard, la proportion de nickel peut atteindre 8 % et, comme élément de transition, on peut utiliser du cobalt en proportion d'environ 10 % La couche de mesure 1 6 est avantageusement déposée sur le fourreau 1.1 à paroi mince de telle sorte qu'il se produise un imbriquement moléculaire entre la couche de mesure 1.6 et le fourreau 1 1 à paroi mince Cette couche de mesure s'est avérée être très sensible au niveau du signal Pour cette raison, il est possible par exemple d'utiliser seulement de très petites masses sismiques 1 4 et/ou de réaliser la bobine de captage 1 5 avec le petit nombre de spires indiqué ci-dessus A cet égard, la masse sismique 1 4 peut être remplaçable de manière à pouvoir opérer dans différents domaines de mesures En outre, l'agencement représenté sur la figure 1 peut également être pourvu d'une partie de recouvrement 1 7. Un capteur d'accélération à plusieurs compo- sants conforme à l'invention peut être réalisé, en correspondance avec la représentation de la figure 2, sous la forme d'un capteur d'accélération à 3 composants constitués par les détecteurs individuels décrits en relation avec la figure 1 A cet égard, six des corps de base 1 2 de la figure 1 sont combinés sous la forme d'un corps de base d'ensemble 2 7 de telle sorte que six des détecteurs individuels de la figure 1 soient disposés respectivement perpendiculairement entre eux sous la forme des détecteurs individuels 2 1 2 6. Ainsi, dans chacune des trois directions spatiales, deux bobines de captage de deux détecteurs individuels sont située S coaxialement l'une derrière l'autre A cet égard, en fonction des spécifications correspondantes imposées au capteur d'accélération en ce qui concerne le poids et les dimensions, il est encore possible d'intégrer le système électronique d'évaluation dans le corps de base d'ensemble 2 7 A l'aide d'un exemple, on va maintenant décrire ce qui se passe lorsqu'une accélération du capteur d'accélération à trois composants est produite dans la direction-z Sous l'effet de la masse sismique du détecteur individuel 2 1, le fourreau correspondant ainsi que la couche de mesure se trouvant sur celui-ci sont comprimés Il en résulte une augmenta- tion de leur perméabilité et par conséquent également de l'inductance de la bobine de captage associée Simulta- nément, la couche de mesure du détecteur individuel 2 2 est allongée sous l'effet du fourreau associé et de la masse sismique En conséquence, sa perméabilité diminue, de même que l'inductance de la bobine de captage associée Les couches de mesure des détecteurs individuels 2.3-2 6 sont soumises, sous l'effet de la flexion des fourreaux correspondants, également à une contrainte mécanique correspondante. En correspondance avec la représentation de la figure 3, les bobines de captage 3 1 3 6 associées aux différents détecteurs individuels 2 1 2 6 sont réunies dans les systèmes électroniques d'évaluation 3.7 3 8 et 3 9 Par exemple il est maintenant possible de faire fonctionner à chaque fois deux bobines de captage ( 3 1, 3 2), ( 3 3, 3 4), ( 3 5, 3 6) sous forme d'un système différentiel et de les analyser par paires dans les systèmes électroniques d'évaluation 3.7, 3 8 et 3 9 Au moyen de ce système différentiel, il est possible d'éliminer dans une large mesure des variations d'impédances ainsi que des perturbations électromagnétiques se produisant sous l'effet d'influences thermiques Au moyen de ce procédé de différenciation, on élimine également les déformations par flexion des détecteurs individuels en supposant que les détecteurs individuels 2 3 2 6 sont disposés de telle sorte que, lors de l'accélération dans la direction-z, ils présentent la même variation d'inductance -, de sorte que, en correspondance à l'exemple concernant l'accéléra- tion dans la direction-z, seulement le système électroni- que d'évaluation 3 7 qui est associé aux bobines de captage 3 1 et 3 2 détermine une accélération car seule- ment ses fourreaux 1 1 et ses couches de mesure 1 6 sont déformés en sens opposés. A cet égard, les bobines de captage 3 1- 3.6 peuvent être utilisées comme de demi-ponts inductifs en coopération avec un système électronique à fréquence porteuse Ainsi les chutes de tension se produisant dans les impédances des bobines de captage 3 1 3 6 sont soustraites à chaque fois par paires dans les systèmes électroniques d'évaluation correspondants 3.7, 3 8 et 3 9 La tension différentielle ainsi obtenue est directement proportionnelle au signal d'accélération. En principe il est possible à cet égard d'associer à la fréquence porteuse un courant continu de telle sorte que des points déterminés de fonctionnement des inductances puissent être réglés. En variante à cet égard, le procédé de différenciation peut être mis en oeuvre au moyen de la détermination de fréquences Les bobines de captage 3.1 3 6 sont alors branchées successivement dans un circuit oscillateur Il est cependant également possible d'incorporer chacune des bobines de captage 3 1 3 6 dans un circuit oscillateur propre Une différence de fréquence établie dans un des systèmes électroniques d'évaluation 3 7, 3 8 ou 3 9 constitue alors une mesure de l'accélération. Une autre possibilité de mise en oeuvre du procédé de différenciation consiste à agencer le capteur d'accélération sous la forme d'un capteur actif A cet effet, les masses sismiques des détecteurs individuels 2 1 2 6 doivent comporter une partie à magnétisme permanent Cela peut être réalisé en utilisant comme masse sismique un aimant permanent ou bien en reliant un aimant permanent à la masse sismique Le point de fonctionnement du détecteur individuel est alors avantageusement réglé de telle sorte que la rémanen- ce de la couche de mesure soit comprise entre environ % et 75 % de l'induction de saturation En variante, il est également possible d'obtenir cet effet en faisant passer un courant continu, réglé en correspondance, dans chacune des bobines de captage 3 1 3 6 Maintenant en cas de variation de l'accélération du capteur d'accé- lération, il se produit dans les bobines de captage correspondantes 3 1 3 6 une impulsion analogique de tension qui peut être à nouveau analysée au moyen du procédé de différenciation. Comme cela a déjà été précisé ci-dessus, les masses sismiques peuvent être agencées de façon à être remplaçables Ainsi il est également possible de donner au capteur d'accélération des sensibilités de réaction différentes dans diverses directions spatiales. En principe il est également possible d'évaluer les tensions mécaniques, se produisant sous l'effet d'une flexion, dans les différentes couches de mesure 1 6 des détecteurs individuels 2 1 2 6, auquel cas cependant il en résulte un travail plus important du fait qu'il faut déterminer l'inductance de chacune des différentes bobines de captage 3 1- 3.6. il REVENDICATIONS 1 Capteur d'accélération à plusieurs composants, o l'action de la force d'inertie d'une masse produit la variation d'un paramètre électromagnétique, o il est prévu plusieurs détecteurs individuels, o les différents détecteurs individuels, et par consé- quent également leurs bobines de captage, sont disposés l'un derrière l'autre, o, dans chaque détecteur individuel, lors d'un proces- sus d'accélération, une masse sismique agit sur une couche magnétoélastique de mesure, o la perméabilité lur de cette couche de mesure exerce une influence sur l'inductance d'une bobine de captage, o, dans au moins un circuit électronique d'évaluation, un signal représentant l'état d'accélération est obtenu à partir des inductances des bobines de captage, capteur caractérisé en ce que: il est prévu plusieurs détecteurs individuels ( 2 1 2 6) pour la détermination de l'accélération dans plusieurs directions spatiales, pour chaque direction spatiale dans laquelle l'accéléra- tion doit être déterminée, il est prévu deux détecteurs individuels ( 2 1 2 2, 2 3 2 4, 2 5 -2 6) disposés de telle sorte que leurs bobines ( 1 5, 3 1 3 6) soient disposées coaxialement l'unederrièrel'autre, la disposition des détecteurs individuels ( 2 1 2 2, 2 3 2 4, 2 5- 2.6) sur un corps de base ( 2 7) étant réalisée de telle sorte que, pour une composante d'accélération du capteur d'accélération orientée perpendiculairement à la direction axiale des bobines de captage ( 1 5, 3 1-3 6) des deux détecteurs individuels ( 2 1-2 2, 2 3-2 4, 2 5-2 6), il se produise une variation de même sens des inductances des bobines tandis que, pour une composante d'accélération du capteur d'accélération orientée dans la direction axiale des bobines de captage ( 1 5, 3 1-3 6) des deux détecteurs individuels ( 2 1-2 2, 2 3-2 4, 2 5 2 6), il se produit une variation en sens opposés des inductan- ces des bobines de captage ( 1 5, 3 1-3 6) des deux détecteurs individuels ( 2 1-2 2, 2 3-2 4, 2 5-2 6). 2 Capteur d'accélération à plusieurs composants selon la revendication 1, caractérisé en ce que la couche de mesure ( 1 6) se compose de nickel, de phosphore et d'un élément de transition chimique notamment du cobalt -, la proportion de nickel pouvant atteindre notamment 8 % et la proportion de cobalt pouvant atteindre notam- ment 10 %. 3 Capteur d'accélération à plusieurs composants selon une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un détecteur individuel ( 2 1 2 6) est agencé de telle sorte que: la couche de mesure ( 1 6) soitdisposée sur un fourreau ( 1.1), la masse sismique ( 1 4)agissesur ce fourreau ( 1 1) pendant un processus d'accélération de telle sorte que, dans le cas d'une accélération orientée dans la direction axiale du fourreau ( 1 1), il se produise une compression ou un allongement de la couche de mesure ( 1 6) et, pour une accélération orientée perpen- diculairement à la direction axiale du fourreau ( 1 1), il se produise une flexion du fourreau ( 1 1), un imbriquement moléculaire soit établi entre la couche de mesure ( 1 6) et le fourreau ( 1 1) et une bobine de captage ( 1 5, 3 1-3 6) soit disposée autour du fourreau ( 1 1) de telle sorte que le fourreau ( 1 1) soit situé coaxialement dans la bobine de captage ( 1.5, 3 1-3 6). 4 Capteur d'accélération à plusieurs composants selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les bobines de captage ( 1 5, 3 1 3 6) de deux détec- teurs individuels ( 2 1 2 2, 2 3-2 4, 2 5-2 6) sont connectées sous forme d'un demi-pont inductif pour la détermination de l'accélération dans une direction spatia- le. Capteur d'accélération à plusieurs composants selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'impédance des bobines de captage ( 1 5, 3 1-3 6) est déterminée au moyen d'une application d'une fréquence porteuse. 6 Capteur d'accélération à plusieurs composants selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'impédance des bobines de captage ( 1 5, 3 1-3 6) est déterminée par branchement dans un circuit oscillateur. 7 Capteur d'accélération à plusieurs composants selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la masse sismique ( 1 4) est agencée au moins en partie sous la forme d'un aimant permanent.