Brevet FR2677128A1 — publié le 19921204

ACCELEROMEFRE A RESONATEURS PIEZO-ELECTRIQUES MULTIPLES La présente invention concerne un accéléromètre vectoriel à résonateurs piézo-électriques multiples destiné notamment à la mesure d'accélérations dynamiques résultant de chocs ou de vibrations. I1 existe déjà une grande variété d'accéléromètres. Un grand nombre d'entre eux utilisent l'effet piézo-électrique existant dans un cristal naturel ou synthétique, de structure asymétrique, tel que le quartz. D'une manière générale, l'élément piézo-électrique, qui constitue le résonateur de liaccéléromètre, se présente sous la forme d'un disque à deux faces, biconvexe ou plan-convexe, ou bien d'une lame à faces planes et parallèles ayant une fréquence de résonance propre. Toute action sur l'une des dites faces provoque des contraintes au sein dudit résonateur et entraîne une modification de la fréquence de résonance. Parmi ces accéléromètres, il en est certains pour lesquels les contraintes appliquées résultent de l'action d'une masse sismique faisant également office d'électrode d'excitation pour la vibration piézo-électrique.La transmission de la force d'inertie, engendrée dans la masse sismique par l'accélération subie par un tel accéléromètre, se fait par le contact de ladite masse sismique avec les faces desdits résonateurs. La zone de contact peut présenter des forces variées et concerner la totalité ou simplement une ou plusieurs zones spécifiques des faces, voire se réduire à une simple ligne d'appui ou à des liaisons ponctuelles. Une première difficulté réside alors dans la maîtrise des contraintes appliquées, une forte concentration de celles-ci existant au voisinage des éléments de maintien de la masse sismique et des articulation mécaniques. La présente invention vise essentiellement à s'affranchir de cette difficulté. Par ailleurs, pour minimiser les effets des variations de température sur les résonateurs, il est connu de recourir à des tailles selon des axes cristallographiques particuliers. Ainsi avec des cristaux de quartz de coupe AT, SC, il est possible notamment de s'affranchir des variations de température. Dans le cas d'un cristal de quartz, du fait de la symétrie ternaire de cet élément, un même résonateur peut être réalisé selon trois configurations différentes. Jusqu'à présent, le choix de l'une ou l'autre des configurations possibles résultait essentiellement de la dimension du cristal disponible. L'utilisation simultanée de plusieurs résonateurs nécessitait le recours à plusieurs cristaux, d'où une seconde difficulté résultant d'une différence au niveau du comportement thermique au sein des propriétés cristallines et piézo-électriques de ces cristaux. La présente invention vise également à remédier à un tel inconvénient et à faciliter la fabrication d'un accéléromètre tout en améliorant les propriétés thermiques. Ces buts sont atteints, conformément à la présente invention, grâce à un accéléromètre à résonateurs piézo-électriques multiples, caractérisé en ce qu'il comprend - une structure monobloc composée de plusieurs résonateurs piézoélectriques présentant chacun une face principale externe et une face principale interne plane, cette dernière délimitant une cavité interne, - une masse sismique liquide, conductrice et non guidée, en contact avec lesdites faces principales internes planes de chacun desdits résonateurs et faisant office d'électrode commune d'excitation desdits résonateurs, tout en permettant l'application d'une force directement sur la surface vibrante desdits résonateurs, - des électrodes externes en nombre égal auxdits résonateurs et en contact avec les faces principales externes desdits résonateurs, pour recueillir les signaux électriques résultant des forces appliquées, sous l'effet de l'accélération, par ladite masse sismique liquide conductrice sur chacune desdites faces planes internes desdits résonateurs. Selon des modes particuliers de réalisation, ledit accéléromètre comporte deux ou trois résonateurs aux propriétés électriques, piézo-électriques et thermiques identiques. La structure monobloc peut être réalisée par exemple par usinage ultrasonore. Avantageusement, ladite structure monobloc est un cristal de quartz de coupe AT, BT, SC ou X. Toutefois, l'invention ne saurait se limiter aux modes de réalisation précédents. Une résolution à six résonateurs est ainsi possible en associant tête-bêche deux structures à trois résonateurs. Lesdites électrodes desdits résonateurs sont reliées à un oscillateur multi-canaux qui détermine les fréquences de vibration desdits résonateurs, lesdites fréquences de vibration, servant à évaluer les composantes de l'accélération, variant avec la force appliquée sur lesdites faces planes internes desdits résonateurs. Par l'utilisation d'une masse sismique liquide, conductrice et non guidée, les contraintes peuvent être mieux maîtrisées. L'absence totale de guidage évite les effets d'hystérésis résultant des éléments mécaniques de maintien et articulations nécessaires avec les réalisations de l'art antérieur et le recours à une masse liquide permet d'obtenir des actions dont les directions sont normales à la surface de contact entre la masse sismique liquide et les résonateurs. En outre, par une variation de la pression au sein de la masse sismique liquide, il est possible d'ajuster la fréquence de résonance des résonateurs. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui fait suite, en référence aux dessins qui l'accompagnent dans lesquels - la figure 1 représente en perspective le schéma de principe d'un accéléromètre à deux résonateurs selon l'invention, - la figure 2 représente en perspective le schéma de principe d'un accéléromètre à trois résonateurs selon l'invention, - la figure 3 représente une coupe transversale d'un accéléromètre à trois résonateurs selon l'invention, - la figure 4 représente en coupe une réalisation particulière d'un accéléromètre à deux résonateurs selon l'invention, - la figure 5 représente en coupe une réalisation particulière à trois résonateurs selon l'invention, - la figure 6 représente le schéma-bloc d'un ensemble électronique de traitement de l'information associé à un accélérateur à deux résonateurs selon l'invention, - la figure 7 représente le schéma-bloc d'un ensemble électronique de traitement de l'information associé à un accéléromètre à trois résonateurs selon l'invention. La figure 1 montre un accéléromètre 1 selon l'invention comprenant deux résonateurs 10, 20 comportant chacun deux faces principales dont au moins la face interne 11, 21 est plane. L'autre face 12, 22 pouvant être sphérique convexe est munie sur sa surface d'une électrode 31, 41, qui peut être réalisée par exemple par un dépôt d'or. Les résonateurs 10, 20, disposés symétriquement autour d'une cavité 50, font partie intégrante d'une structure monobloc constituée avantageusement d'un cristal de quartz par exemple de coupe AT, BT, SC, ou encore X. Ces différentes orientations cristallographiques permettent d'obtenir une fréquence de résonance du quartz pratiquement indépendante de la température.Ladite cavité 50 est remplie par une masse sismique liquide conductrice 51, constituée avantageusement de mercure, qui, lors d'une accélération, applique sur lesdites faces planes 11 et 21 des résonateurs 10 et 20 une force d'inertie proportionnelle à cette accélération. Ces électrodes 31 et 32 recueillent le signal électrique produit par les résonateurs 10 et 20 dont la fréquence de résonance se trouve modifiée sous l'effet de l'accélération. La masse sismique liquide 51 n'est soumise à aucun guidage et constitue une électrode commune pour la vibration piézo-électrique des résonateurs 10 et 20. La figure 2 représente un accéléromètre 2 selon l'invention comprenant trois résonateurs 120, 220 et 320 comportant chacun deux faces principales dont l'une au moins, qui constitue la face principale interne 121, 221 et 321, est plane. La face externe 122, 222, 322, qui peut être plane ou convexe, est munie à sa surface d'une électrode 141, 241, 341. Les résonateurs 120, 220 et 320 disposés symétriquement autour de la cavité 150, comme le montre la coupe transversale de la figure 3, font partie intégrante d'une structure monobloc présentant des propriétés électriques, piézo-électriques et thermiques identiques.Cette structure monobloc est avantageusement constituée d'un cristal de quartz à coupe de simple ou double rotation, par exemple de type AT, BT, SC ou bien X, ces différentes orientations cristallographiques permettent d'obtenir une fréquence de résonance du quartz pratiquement indépendante de la température. La cavité 150 est remplie d'une masse sismique liquide conductrice, constituée avantageusement de mercure, qui, lorsqu'elle est soumise à une accélération, applique sur les faces planes 121, 221 et 321 des résonateurs 120, 220 et 320 une force d'inertie proportionnelle à l'accélération. Il en résulte une modification de la fréquence de résonance des résonateurs 120, 220 et 320 que les électrodes 141, 241 et 341, placées dans une zone de piégeage d'énergie maximum, peuvent transmettre à un ensemble de traitement de l'information. La masse sismique liquide 151 ne nécessite aucun guidage et constitue l'électrode commune d'excitation pour la vibration piézoélectrique des résonateurs 120, 220 et 320. L'accélération peut se diviser en plusieurs composantes selon des directions de sensibilité U1, U2, U3 perpendiculaires aux faces principales internes délimitant la cavité centrale 150 qui présente elle-même une forme pyramidale. L'axe Z de la structure de quartz monobloc peut être choisi comme l'axe de symétrie des coupes, et il est possible d'avoir plusieurs coupes sensibles pour les trois résonateurs de la même structure monobloc, par rotation de 2 tir/3, l'axe Z pouvant ou non correspondre lui-même à l'axe X de la cavité pyramidale. Les directions de sensibilité U1, U2, U3 perpendiculaires aux faces principales internes délimitant la cavité centrale 150 ne constituent pas un repère orthonormé, mais permettent néanmoins une identification des caractéristiques du vecteur accélération, à partir des variations de fréquence des trois résonateurs comme cela sera exposé ci-dessous en référence précisément à la figure 3. - > - > - > Soit U1, U2, U3 des vecteurs normaux du fait de l'action du contact de la masse sismique liquide en mercure, à la face plane des résonateurs R1, R2, R3, dans le plan contenant le vecteur accélération F (a ). - > - > - > 2# U1, U2, U3 font entre eux un angle constant égal à 3 . Chacun de ces vecteurs est représentatif de l'effort subi par les résonateurs lors de la mise en accélération de telle sorte que - > - > F=mA - > - > où F = kR U - > - > - > - > et U = U1 + U2 + U3 où m = masse sismique kR = cte des résonateurs. Soit A un axe quelconque de projection et les axes 1, 2, 3 respectivement des axes de symétrie des résonateurs R1, R2, R3 tels que les les axes 1, 2, 3 font entre eux un angle de 3 et # et l'axe 1 forment un angle oc. - > - > - > Projetons U1, U2, U3 sur # U1(#) = U1 cos Oc U2( = U2 cos (4# + cc) 3 U3(#) = U3 cos (## + &alpha;) U(A) = U1(#) + U2(#) + U3(#) On montre que - > - > - > Projetons U1, U2, U3 sur l'axe 1 droite vectorielle de U1 on obtient un vecteur U(1). U(1) = U1 + cos (##) . (U2 + U3) étant quelconque, considérons que # est droite vectorielle de U. U = et U(1) = U(#) cos Oc Oc étant alors l'angle U, U1 (c) reporté dans (a) donne soit or 1 = cos&alpha; + sin &alpha; On connaît ainsi Oc angle que forme U avec l'axe de référence 1 (R1). La figure 4 représente un mode de réalisation particulier d'un accéléromètre 1 à deux résonateurs 10 et 20 selon l'invention. La masse liquide 51 contenue dans la cavité 50 est maintenue en contact avec les résonateurs 10 et 20 par deux bouchons 61 et 62 qui empêchent la masse liquide 51 de s'échapper hors de la cavité 50 et constituent des réserves de liquide supplémentaire. L'ensemble est maintenu en suspension dans un boîtier 70 par des éléments 81 et 82 posés sur des appuis 91 et 92, eux-mêmes en contact avec le boîtier 70. Des bornes 100, 101 et 102 permettent de recueillir le signal électrique présent sur les électrodes 31 et 41. La figure 5 représente un mode de réalisation particulier d'un accéléromètre 2 selon l'invention comprenant trois résonateurs 120, 220 et 320, le troisième résonateur 320 des figures 2 et 3 n'étant pas visible sur la coupe de la figure 5. La masse sismique liquide 151 contenue dans la cavité 150 est maintenue en contact avec les résonateurs 120, 220 et 320 par un support 161 et un couvercle 162 qui empêchent que la masse sismique liquide 151 ne s'échappe hors de la cavité 150. L'ensemble est maintenu en suspension dans un boîtier 170 par des éléments 181 et 182 posés sur des appuis 191 et 192, eux-mêmes en contact avec le boîtier 170. Des bornes 200, 201, 202 et 203 (cette dernière n'étant pas visible sur la figure 5) permettent de recueillir le signal électrique présent sur les électrodes 141, 241 et 341 (cette dernière n'étant également pas visible sur la coupe de la figure 5). La figure 6 représente un schéma-bloc d'un ensemble électronique de traitement des informations en provenance des résonateurs 10, 20. Sous l'effet d'une accélération, la masse sismique liquide 51, préalablement en contact avec les faces planes 11 et 21 des résonateurs 10 et 20, applique sur celles-ci une force qui entraîne une modification des fréquences de résonance des résonateurs 10 et 20. Un oscillateur multi-canaux 400, accordé au repos sur les fréquences de résonance propres à chacun des résonateurs, délivre alors sur des modules 401, 402 deux nouvelles fréquences de résonance F1 et F2.Le vecteur accélération résultant est donné, dans le plan, par un module 410, à partir de ses deux composantes W1 et S2 qui sont directement proportionnelles aux variations relatives de fréquence des résonateurs 10 et 20 et sont obtenues dans des modules 411, 412 recevant en entrée les informations F1, F2. Il peut également être intéressant d'effectuer la différence F1-F2 dans un module supplémentaire, non représenté. La figure 7 représente un schéma-bloc d'un ensemble électronique de traitement des informations en provenance des résonateurs 120, 220, et 320. Sous l'effet d'une accélération, la masse sismique liquide 151 préalablement en contact avec les faces planes 121, 221 et 321 des résonateurs 120, 220 et 320 applique sur celles-ci une force qui entraîne une modification des fréquences de résonance des résonateurs 120, 220 et 320. Un oscillateur multi-canaux 500, accordé au repos sur les fréquences de résonance propres à chacun des résonateurs, délivre alors trois nouvelles fréquences de résonance F1, F2 et F3 à travers des modules 501, 502, 503. Le vecteur accélération résultant, défini dans l'espace, est donné par un module 510 à partir de ses trois composantes u 2 et 3, qui sont directement proportionnelles aux variations de fréquence des résonateurs 120, 220 et 320 et normales à chacune des faces planes 121, 221 et 321 des résonateurs. Les composantes X 2 et S3 de l'accélération sont élaborées dans des modules 511, 512, 513 à partir des informations de fréquence F1, F2, F3 fournies par les modules 501, 502, 503. REVENDICATIONS 1. Accéléromètre à résonateurs piézo-électriques multiples, caractérisé en ce qu'il comprend - une structure monobloc composée de plusieurs résonateurs piézoélectriques (10, 20 ; 120, 220, 320) présentant chacun une face principale externe (12, 22 ; 122, 222, 322) et une face principale interne plane (11, 21 ; 121, 221, 321), cette dernière délimitant une cavité interne (50 ; 150), - une masse sismique (51, 151) liquide, conductrice et non guidée, en contact avec lesdites faces principales internes planes (11, 21 ; 121, 221, 321) de chacun desdits résonateurs (10, 20 120, 220, 320) et faisant office d'électrode commune d'excitation desdits résonateurs, tout en permettant l'application d'une force directement sur la surface vibrante desdits résonateurs (10, 20 120, 220, 320), - des électrodes externes (31, 41 ; 141, 241, 341) en nombre égal auxdits résonateurs et en contact avec les faces principales externes (12, 22 ; 122, 222, 322) desdits résonateurs, pour recueillir les signaux électriques résultant des forces appliquées, sous l'effet de l'accélération, par ladite masse sismique liquide conductrice (51 ; 151) sur chacune des dites faces planes internes (11, 21 ; 121, 221, 321) desdits résonateurs (10, 20 ; 120, 220, 320). 2. Accéléromètre à résonateurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure monobloc est composée de deux résonateurs (10, 20) aux propriétés électriques, piézoélectriques et thermiques identiques. 3. Accéléromètre à résonateurs selon la revendication 1, caractérisé en ce que ladite structure monobloc est composée de trois résonateurs (120, 220, 320) aux propriétés électriques, piézo-électriques et thermiques identiques. 4. Accéléromètre à résonateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite structure monobloc est un cristal de quartz de coupe AT, BT, SC ou X. 5. Accéléromètre à résonateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte également des moyens (61, 62 ; 161, 162) pour maintenir ladite masse sismique liquide (51 ; 151) en contact avec lesdites faces planes internes (11, 21 ; 121, 221, 321) desdits résonateurs et des moyens (81, 82 ; 181, 182) de suspension de ladite structure monobloc, l'ensemble de ces dits moyens étant monté dans un boîtier unique (70 ; 170). 6. Accéléromètre à résonateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lesdites électrodes desdits résonateurs (10, 20 ; 120, 220, 320) sont reliées à un oscillateur multi-canaux (400 ; 500) qui détermine les fréquences de vibration (F1, F2 ; F1, F2, F3) desdits résonateurs, lesdites fréquences de vibration (F1, F2 ; F1, F2, F3), servant à évaluer les composantes de l'accélération ( 2 ; X 2, 3), variant avec la force appliquée sur lesdites faces planes internes (11, 21 ; 121, 221, 321) desdits résonateurs. 7. Accéléromètre à résonateurs selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la masse sismique liquide conductrice (51, 151) est constituée par du mercure.