Brevet FR2650885A1 — publié le 19910215

L'invention concerne un procédé et un dispositif pour la mesure numérique de mouvements rotatifs suivant le principe de la détermination des différences de durée de parcours dans deux systèmes de référence tournant en sens inverse, avec utilisation de deux rayons lumineux tournant en sens inverse. De tels procédés et dispositifs sont connus sous différentes formes de réalisation, entre autres également par le déposant. Ils se basent sur le principe de la mesure de différences de durées de parcours dans deux systèmes de référence tournant en sens inverse, l'un des systèmes constituant le système de mesure et l'autre le système à mesurer. Cette idée fondamentale est à-la base de nombreux modes de réalisation de lasers gyroscopiques et de détecteurs d'ondes gravitationnelles et de dispositifs analogues. Avec tous ces dispositifs connus, il s'avère que la mesure de faibles vitesses de rotation avec une grande précision et une haute résolution exige non seulement une importante dépense en appareils mais pose aussi des problèmes de fabrication. D'autres procédés présentent également des inconvénients, par exemple des génératrices tachymétriques à courant continu qui fournissent, à de faibles vitesses, des tensions très basses et de plus, l'ondulation du signal a un effet perturbateur en raison de la commutation et du passage d'une lamelle de- commutateur à l'autre. Toutefois, même des dispositifs de mesure de vitesse de rotation avec des capteurs angulaires numériques exigent une très haute résolution pour capter de faibles vitesses, ce qui conduit à une augmentation- du poids et de la taille. La présente invention a pour but de montrer un procédé et un dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé, qui permet de réduire considérablement la taille et le poids, tout en simplifiant la possibilité de réalisation, sans nuire à la précision et à la fiabilité du système de mesure, même en cas de faibles vitesses de rotation. Ce but est atteint du point de vue procédé par le fait que a) deux points lumineux, tournant dans un plan de mesure sur des cercles concentriques ayant des diamètres différents, sont produits au moyen de miroirs pivotants et forment ainsi un cercle de rotation intérieur et un cercle. de rotation extérieur tournant en sens inverse, b) les deux miroirs sont déplacés en phase dans un mouvement sinusoïdal autour des axes X-X' et sont déplacés en opposition de phase dans un mouvement cosinusoïdal autour des axes Y-Y', les amplitudes du mouvement des miroirs ayant pour les axes X et Y respectifs les mêmes valeurs ou des valeurs différentes, selon la géométrie choisie du miroir supérieur, c) la génération d'impulsions de mesure s'effectue au moyende deux prises optoélectriques qui sont disposées de 'façon rigide de telle manière l'une par rapport à l'autre qu'elles soient balayées séparément par les points lumineux tournant en sens inverse, d) les impulsions de mesure à fréquences différentes des prises sont exploitées dans une unité de calculateur en vue de la détermination de la vitesse de rotation, et e) la relation de phase des impulsions de mesure des prises par rapport à la fréquence fondamentale de la modulation est exploitée dans une unité de calculateur en vue de la détermination de la position angulaire; et du point de vue instruments par le fait que l'angle de rotation est déterminé à partir de la position de phase des flancs de signal de mesure par rapport à la position du signal de modulation. Selon des modes de réalisation et aspects non limitatifs de l'invention, 1) les points lumineux tournant en sens inverse de façon synchrone et rigide l'un par rapport à l'autre peuvent former un système de référence, et les deux prises, placées de façon rigide l'une par rapport à l'autre et tournant autour du même centre que les cercles des points lumineux et se déplaçant donc sur ces cercles, peuvent former l'autre système de référence, le diamètre des cercles de rotation, sur lequel se rencontrent les points lumineux, étant utilisé comme ligne de référence du premier système, et la position dans laquelle les points lumineux produisent, lors du balayage des prises, des flancs de -signal de mesure croissant de façon simultanée, étant utilisée comme fréquence zéro du système de prises; 2) la vitesse de rotation peut être déterminée à partir du rapport des différentes fréquences d'impulsions; 3) la vitesse de rotation peut être déterminée à partir de la différence des différentes fréquences d'impulsions; 4) deux parties de boîtier peuvent être montées au moyen de paliers de façon à pouvoir tourner l'une par rapport à l'autre et être insérées l'une dans l'autre, la partie extérieure recevant dans l'axe de rotation central une source lumineuse et les éléments d'exploration pour les points lumineux tournant dans un plan de mesure sur des cercles concentriques ayant des diamètres différents, la partie intérieure peut entourer le système de miroirs pivotants formé par les miroirs et le système électronique pour la commande des miroirs, et un système de transmission d'énergie inductif peut être disposé entre les deux parties de boîtier; ) le miroir pivotant supérieur, pouvant être dévié suivant deux axes, peut être constitué par une plaque de verre clair, qui est parfaite du point de vue optique et porte en son centre un miroir rond semi-transparent; 6) le miroir pivotant inférieur, pouvant être dévié suivant - deux axes, peut être constitué par un miroir plan à réflexion totale; 7) les miroirs déplaçables suivant deux axes peuvent être suspendus à la Cardan, les axes X des deux systèmes de pivotement étant séparés l'un de l'autre; 8) les axes de la suspension peuvent être situés exactement dans le plan de réflexion, de façon asymétrique par rapport aux corps des mirotirs; 9) le système d'entraînement pour la déviation en opposition de phase autour des axes Y peut être disposé entre les deux miroirs; ) le système d'entraînement peut porter contre le cadre de miroir et.dévier, par l'intermédiaire d'un accouplement articulé mais rigide, les deux miroirs de manière synchrone et en phase autour des axes X; 11) des éléments à ressorts croisés ou à rubans tendus peuvent être utilisés pour la suspension des miroirs et de leurs cadres; 12) des bobines mobiles ou des systèmes de transmission d'énergie inductifs peuvent être utilisés en tant que systèmes d'entraînement; 13) des parties du système de miroirs pivotants, y compris les systèmes d'entraînement électromécaniques et les éléments optiques (surfaces de miroirs), peuvent être fabriquées par attaque chimique en tant que composants intégrés. La description ci-après explique un exemple de réalisation illustré par les figures du dessin, sur lequel la figure 1 représente une vue en perspective simplifiée pour la génération du faisceau d'exploration, la figure 2 représente une vue en perspective simplifiée pour la déviation des miroirs, la figure 3 représente une vue en perspective simplifiée pour illustrer le principe d'entraînement pour les mouvements des miroirs, la figure 4 représente un dessin schématique simplifié en perspective pour la déviation des miroirs, la figure 5 représente un dessin schématique simplifié pour la définition du système de référence, la figure 6 représente un diagramme pour l'illustration du principe de modulation de fréquence, la figure 7 représente une coupe transversale schématique d'un exemple de réalisation d'un instrument de mesure. Afin de résoudre le problème posé, il est essentiel de concevoir de manière correspondante le type de génération du système de référence en rotation. A cet effet, on utilise deux faisceaux lumineux qui peuvent être produits de différentes manières, mais aussi avec différentes dépenses. En égard de l'exigence fondamentale concernant une grande fiabilité et une réalisation facile, il est proposé un système dans lequel un faisceau lumineux b, partant d'une source lumineuse 13 fixe, est dévié par des miroirs 10, 11 pivotants. Il est alors d'importance secondaire si l'on utilise, en tant que source lumineuse 13, un système à laser miniature ou une DEL à rayons infrarouges avec une focalisation correspondante (fig. 1). Le procédé de mesure proposé ici nécessite deux points lumineux A1, A2 tournant dans un plan de mesure sur des cercles concentriques ayant des diamètres différents (cf. figures 1, 2 et ). Le cercle de rotation intérieur U1 est produit par la déviation d'un faisceau lumineux 0 avec un miroir 10 pouvant pivoter dans deux axes, ce qui permet d'obtenir le faisceau réfléchi 0'. Comme il ressort de la figure 1, le miroir supérieur 10, réalisé sous la forme d'une plaque pivotante, contient un miroir 10a semi-transparent relativement petit pour la génération du faisceau 0. Le reste de la surface de la plaque pivotante est constitué par du verre clair parfait du point de vue optique. Le faisceau résiduel traversant le premier miroir '10/10a arrive sur le deuxième miroir 11 qui est également pivotant, se trouve au-dessous du premier miroir, est à réflexion totale et produit le deuxième faisceau (V". Ce faisceau réfléchi " peut maintenant traverser sans obstacle le verre clair. En supposant un degré de transparence d'environ 0,52 à 0,55 du miroir supérieur 10, on obtient, en tenant compte de l'absorption du verre et du degré de réflexion du miroir inférieur 11, deux faisceaux lumineux ayant approximativement la même intensité. Afin d'obtenir les cercles de rotation U1 et U2 déjà mentionnés tournant en sens inverse, il faut mouvoir les deux miroirs 10, 11l en phase et de façon sinusoïdale autour des axes X- X', tandis que le mouvement autour des axes Y-Y' est effectué en opposition de phase et sous forme cosinusoïdale. La figure 4 montre ces relations de mouvement. Pour obtenir -les cercles Ul et U2, les amplitudes des mouvements de miroirs pour les axes X et Y sont les mêmes, mais, selon la géométrie, elles peuvent avoir des valeurs pour le miroir supérieur 10 qui sont différentes de celles pour le miroir inférieur 11. Le choix approprié des systèmes d'entraînement A pour les miroirs 10, 11 garantit un synchronisme et une rigidité absolus des - points lumineux A1, A2 en rotation. Etant donné que les miroirs 10, 11 doivent être déplacés dans deux axes, ils sont suspendus à la Cardan. Cela est illustré dans la figure 3 et ne nécessite pas d'explications supplémentaires. Afin d'éviter des mouvements translatoires perturbateurs aux miroirs 10, 11, qui apparaissent lors du pivotement autour d'un axe commun, les axes X des deux systèmes de pivotement sont séparés. Pour cette même raison, les axes de la suspension doivent être disposés exactement dans le plan de réflexion, de façon asymétrique. La présence du système d'entraînement intérieur A2 entre les deux miroirs 10, 11 provoque la déviation en opposition de phase autour des axes Y. Le système d'entraînement extérieur A1 porte contre le boîtier/cadre de miroir 11g et déplace, par un accouplement K articulé mais rigide avec le cadre de miroir 10g supérieur, les deux miroirs 10, 11 de façon synchrone et en phase autour des axes X. Cette conception permet de minimiser les dimensions de fabrication habituelles. Par exemple, les surfaces portant les miroirs peuvent avoir une longueur d'arête atteignant au maximum mm. La distance entre les deux miroirs 10, 11 peut être du même ordre de grandeur, de sorte que toute la structure du système de pivotement, y compris les cadres 10g, 11g et/ou le boîtier G1 dans lequel le deuxième boîtier G2 est monté de façon mobile en rotation, et les systèmes d'entraînement A1, A2 puissent être logés dans un cube d'une longueur d'arête d'environ 20 à 25 mm ou dans un boîtier cylindrique d'une taille correspondante. En tant que suspension pour les miroirs 10, 11l et les cadres o10g, 11g sont proposés de préférence des éléments à ressorts croisés ou à rubans tendus. Une suspension de ce type présente l'avantage d'être exempte de frottement et de permettre en plus un blocage de ressort mécanique autour des axes respectifs. Cela facilite à son 2.650885 tour la conception des systèmes d'entraînement A1, A2 par exemple sous la forme de bobines mobiles. Lorsque le système d'entraînement intérieur A2 est conçu comme bobine mobile, l'une des surfaces de miroir peut porter la bobine et l'autre le noyau magnétique. On peut 5. procéder de la même manière pour la conception du système d'entraînement extérieur, et dans ce cas la bobine doit être fixée sur le boîtier (fig. 3). Une autre conception des systèmes d'entraînement pourrait prévoir de réaliser des parties des surfaces ou des cadres sous forme de conducteurs, traversés par un courant électrique, et d'installer ceux-ci dans un champ magnétique du boîtier. En outre il est possible d'effectuer la suspension des.miroirs sur deux fils tendeurs traversés par un courant électrique, comme dans des oscillographes à pinceau lumineux, ce type de suspension comprenant en même temps la suspension à rubans tendus. La figure 2 illustre de façon schématique le principe de mesure. Deux prises optoélectriques 14, 15 sont associées à la source lumineuse 13 en vue de l'exploitation des faisceaux réfléchis O' et " et/ou de leurs points lumineux A1 et A2 sur les cercles de rotation U1 et U2. Elles sont disposées de façon rigide et placées de telle manière l'une par rapport à l'autre qu'elles soient balayées séparément par les points lumineux A1, A2 tournant en sens inverse. La figure 5 illustre l'orientation des systèmes en rotation. Les points lumineux A1, A2 tournant de façon synchrone et rigide l'un par rapport à l'autre constituent le système de référence. On définit comme ligne zéro le diamètre des cercles de rotation U1, U2, sur lequel se rencontrent les points lumineux Al, A2. Les prises optoélectriques 14, 15 peuvent tourner librement autour du même centre que le système de référence. Ici la référence zéro est la position dans laquelle les points lumineux A1, A2 produisent, lors du balayage des prises 14, 15, des flancs croissant de façon simultanée. Cela ne nécessite plus l'ajustage des prises dans le sens tangentiel, ce qui conduit à une simplification supplémentaire de la réalisation. 265088 5 La rotation des prises 14, 15, à partir de leur position zéro (cf. fig. 5) , sous l'angle 1 jusque dans leur nouvelle position, a deux effets: a) les flancs croissants des signaux d'exploration se suivent maintenant à un intervalle de temps défini et ont une relation des phases qui est modifiée par rapport au signal de commande et correspond à l'angle parcouru, et b) pendant l'opération de rotation, les fréquences d'exploration ont changé, à savoir de valeurs qui correspondent à la vitesse de rotation. La relation des phases des flancs des signaux d'exploration indique l'angle de rotation des systèmes de référence. Les nouvelles fréquences d'exploration - ou la période avec laquelle deux flancs croissants de la même prise 14 ou 15 se succèdent - correspondent à la somme/différence entre la vitesse de rotation et la vitesse angulaire des points lumineux tournant en sens inverse. Cela est illustré dans la figure 6 du dessin. La courbe en dents de scie en trait continu et la courbe en dents de scie en trait interrompu représentent respectivement le mouvement des points lumineux. Les bonds sont clairement visibles en T1, T2 etc. dans le diagramme après chaque rotation. La ligne - en pointillés croissant lentement correspond au mouvement des prises 14, 15 pendant la rotation. Les signes + et o indiquent les emplacements o les points lumineux balaient les prises et génèrent les impulsions (Tls+, Tls-, etc.). Il ressort du diagramme que les trains d'impulsions apparaissent avec des fréquences différentes. Ces différences servent à mesurer la vitesse de rotation, ce qui peut être effectué par exemple à l'aide de la mesure de rapports ou de la mesure de différences. Avec la mesure de rapports, les fréquences de succession d'impulsions des prises 14 (F+) et 15 (F-) sont F+ = Fm + Fs (rad/s) (1) F Fm - Fs (rad/s) (2), Fm étant la fréquence de mesure, c'est-à-dire la fréquence de commande des points lumineux A1, A2 en rotation, et Fs étant la -5 fréquence perturbatrice, c'est-à-dire la vitesse de rotation des prises 14, 15. Le rapport F+/F constitue une mesure pour la vitesse de rotation. La mesure de différences exploite les différences de durées de périodes. Chaque train d'impulsions commande la porte d'un compteur sur lequel agit une fréquence de mesure. Les contenus de compteur représentent la durée de période des trains d'impulsions, et la différence de compteur constitue une mesure pour la vitesse de rotation. La figure 7 du dessin illustre de façon schématique un exemple de réalisation d'un dispositif pour la mesure numérique de mouvements rotatifs. Deux parties de boîtier G1 et G2-sont montés au moyen de paliers L de façon à -pouvoir tourner l'une par rapport à l'autre et être insérées l'une dans l'autre. La partie extérieure G1 contient entièrement la partie de boîtier intérieure G2 et reçoit par ailleurs dans l'axe de rotation central 16 une source lumineuse 13 et les éléments d'exploration ou prises 14, 15 pour les points lumineux A1, A2 tournant dans un plan de mesure sur des cercles concentriques Ul, U2 ayant des diamètres différents. La partie intérieure G2 entoure le système de miroirs pivotants, formé par les miroirs 10, 11, et le système électronique pour la commande E des miroirs. Un système d'entraînement A, qui a déjà été décrit ci- dessus dans des exemples de réalisation, est associé aux deux parties Gl, G2. La transmission d'énergie entre les deux parties de boîtier pouvant tourner l'une par rapport à l'autre peut se faire, avec des angles de rotation limités, par une boucle de câble. Pour obtenir une possibilité de rotation libre, on propose le système de transmission d'énergie inductif illustré dans la figure 7, ce qui constitue un avantage supplémentaire, car le système électronique de commande logé dans le fond du boîtier G2 n'a besoin que d'une faible quantité d'énergie. L'utilisation de procédés de technique microscopique permet de fabriquer des parties du système de miroirs pivotants, y compris les systèmes d'entraînement électromécaniques et les éléments optiques (surfaces de miroirs), par attaque chimique en tant que composants intégrés. Cela s'applique de manière analogue au système électronique d'exploitation. 1. Procédé pour la mesure numérique de mouvements rotatifs suivant le principe de la détermination des différences de durée de parcours dans deux systèmes de référence tournant en sens inverse, avec utilisation de deux rayons lumineux tournant en sens inverse, caractérisé par le fait que a) deux points lumineux, tournant dans un plan de mesure sur des cercles concentriques ayant des diamètres différents, sont produits au moyen de miroirs (10, 11) pivotants et forment ainsi un cercle de rotation intérieur (Ul1) et un cercle de rotation extérieur (U2) tournant en sens inverse, b) les deux miroirs (10, 11) sont déplacés en phase dans un mouvement sinusoïdal autour des axes X-X' et sont déplacés en opposition de phase dans un mouvement cosinusoïdal autour des axes Y-Y', les amplitudes du mouvement des miroirs ayant pour Ies axes X et Y respectifs les mêmes valeurs ou des valeurs différentes, selon la géométrie choisie du miroir supérieur (10), c) la génération d'impulsions de mesure s-'effectue au moyen de deux prises (14, 15) optoélectriques qui sont disposées de façon rigide de telle manière l'une par rapport à l'autre qu'elles soient balayées séparément par les points Iumineux tournant en sens inverse, d) les impulsions de mesure à fréquences différentes des prises (14, 15) sont exploitées dans une unité de calculateur en vue de la détermination de la vitesse de rotation, et e) la relation de phase des impulsions de mesure des prises (14, 15) par rapport à la fréquence fondamentale de la modulation est exploitée dans une unité de calculateur en vue de la détermination de la. position angulaire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les points lumineux (A1, A2) tournant en sens inverse de façon synchrone et rigide l'un par rapport à l'autre forment un système de référence et les deux prises (14, 15), placées de façon rigide l'une par rapport à l'autre et tournant autour du même centre que les cercles (U1, U2) des points lumineux et se déplaçant donc sur ces cercles, forment l'autre système de référence, le diamètre des cercles de rotation (Ul, U2), sur lequel se rencontrent les points lumineux (A1, A2), étant utilisé comme ligne de référence du premier système, et la position dans laquelle les points lumineux (A1, A2) produisent, lors du balayage des prises (14, 15), des flancs de signal de mesure croissant de façon simultanée, étant utilisée comme fréquence zéro du système de prises. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la vitesse de rotation est déterminée à partir du rapport des différentes fréquences d'impulsions. 4. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que la vitesse de rotation est déterminée à partir de la différence des différentes fréquences d'impulsions. 5. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par le fait que l'angle de rotation est déterminé à- partir de la position de phase des flancs de signal de mesure par rapport à la position du signal de modulation. 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que deux parties de boîtier (G1, G2) sont montées au moyen de paliers (L) de façon à pouvoir tourner l'une par rapport à l'autre et être insérées l'une dans l'autre, la partie extérieure (Gi) recevant dans l'axe de rotation central (16) une source lumineuse (13) et les éléments d'exploration (14, 15) pour les points lumineux (A1, A2) tournant dans un plan de mesure sur des cercles concentriques ayant des diamètres différents, que la partie intérieure (G2) entoure le système de miroirs pivotants formé par les miroirs (10, 11) et le système électronique pour la commande (E) des miroirs et qu'un système (A) de transmission d'énergie inductif est disposé entre les deux parties de boîtier (G1, G2) (fig. 7). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le miroir pivotant supérieur (10), pouvant être dévié suivant deux axes, est constitué par une plaque de verre clair, qui est parfaite du point de vue optique et porte en son centre un miroir (10a) rond semi-transparent (fig. 2). 8. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé par le fait que le miroir pivotant inférieur (11), pouvant être dévié 5. suivant deux axes, est constitué par un miroir plan à réflexion totale (fig. 2). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé par le fait que les miroirs (10, 11) déplaçables suivant deux axes sont suspendus à la Cardan, les axes X des deux systèmes I0 de pivotement étant séparés l'un de l'autre (fig. 3). 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé par le fait que les axes de la suspension sont situés exactement dans le plan de réflexion, de façon asymétrique par, rapport aux corps des miroirs. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à , caractérisé par le fait que le système d'entraînement (A2) pour la déviation en opposition de phase autour des axes Y est disposé entre les deux miroirs (10, 11) (fig. 3). 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 11, caractérisé par le fait que le système d'entraînement (A1) porte contre le cadre de miroir (llg) et dévie, par l'intermédiaire d'un accouplement (K) articulé mais rigide, les deux miroirs (10, 11) de manière synchrone et en phase autour des axes X (fig. 3). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 12, caractérisé par le fait que des éléments à ressorts croisés ou à rubans tendus sont utilisés pour la suspension des miroirs (10, 11) et de leurs cadres (10g, 11g). 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 13, caractérisé par le fait que des bobines mobiles ou des systèmes de transmission d'énergie inductifs sont utilisés en tant que systèmes d'entraînement (A). 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 14, caractérisé par le fait que des parties du système de miroirs pivotants, y compris les systèmes d'entraînement électromécaniques et les éléments optiques (surfaces de miroirs), sont fabriquées par attaque chimique en tant que composants intégrés.