Brevet FR2692349A1 — publié le 19931217

GYROMETRE A POUTRE VIBRANTE, A EXCITATION PIEZO-ELECTRIQUE La présente invention concerne les gyromètres à poutre vibrante utilisant les forces de Coriolis qui s'exercent sur un corps vibrant animé d'une vitesse de rotation, dans une direction perpendiculaire à celle de la vitesse de rotation et à celle de la vibration. On a déjà proposé de nombreux gyromètres de ce type ayant au moins une poutre métallique encastrée, des éléments piézo-électriques excités pour maintenir la poutre en vibration dans une direction déterminée et d'autres moyens piézoélectriques pour détecter la vibration de la poutre dans une direction perpendiculaire à la première. Le circuit d'excitation des premiers moyens piézo-électriques est généralement prévu pour provoquer une vibration à la fréquence de résonance, avec une amplitude sensiblement constante. Les seconds moyens piézo-électriques, destinés à la détection, sont reliés à un circuit de mesure en boucle ouverte ou en boucle fermée. De tels gyromètres, qui ont fréquemment au moins deux poutres constituant les branches d'un diapason, sont bien adaptés à des domaines industriels qui exigent des gyromètres de coût modéré à large bande passante, par exemple pour mesurer la vitesse de rotation d'un véhicule ou de composants de ce véhicule ou pour maintenir le pointage d'un organe. On a notamment proposé (EP 88 115.809-1, Fujimura et al) un gyromètre qu'on peut regarder comme étant "en H" comportant quatre poutres métalliques munies d'éléments piézo-électriques moteurs de mise en vibration des poutres suivant une première direction et d'éléments piézoélectriques détecteurs, permettant de mesurer les vibrations dans une seconde direction orthogonale à la première. Les quatre poutres constituant les jambages d'un H, on peut fixer le gyromètre par la jonction entre les deux diapasons ainsi constitués car cette jonction, formant la barre du H, constitue un noeud de vibration. Cette disposition présente des inconvénients. Un couple de torsion apparaît entre les deux diapasons lorsque le gyromètre est soumis à un mouvement de rotation. Il est mécaniquement peu commode de fixer l'ensemble vibrant par la barre du H. Il n'est pratiquement pas possible de donner à chaque poutre une section carrée, constante sur toute sa longueur, donc d'avoir l'avantage d'une même fréquence propre de vibration dans la direction de vibration provoquée par les éléments moteurs et dans la direction de détection. L'invention vise à fournir un gyromètre à poutres vibrantes répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il est de constitution simple et compacte, et peut être fixé aisément par un noeud de vibration. Dans ce but l'invention propose un gyromètre comportant au moins quatre poutres parallèles, identiques, disposées suivant les angles d'un parallélépipède rectangle, solidaires d'un socle commun de fixation. Souvent les poutres auront une section constante sur toute leur longueur. Toutefois un rétrécissement ou un renflement local, par exemple terminal, peut être prévu. Cela permet par exemple d'ajuster la fréquence propre. En règle générale chaque poutre aura une section lui donnant le même moment d'inertie dans toutes les directions. On utilisera fréquemment une section carrée. Les poutres ne vibrent pas indépendamment les unes des autres ; le couplage mécanique par le socle est tel que la mise en vibration d'une poutre suffit à provoquer celle des autres. Il est cependant avantageux de prévoir des éléments piézo-électriques moteurs sur plusieurs poutres. L'ensemble socle-poutres peut être usiné dans un métal à faible coefficient thermo-élastique, tel que celui connu sous le nom de "elinvar". Les éléments piézo-électriques peuvent être constitués par des pastilles minces de céramique métallisées, par exemple en céramique de ZrO3-Pb Ti. Les dimensions des poutres sont choisies de façon à obtenir une fréquence de résonance compatible avec les vitesses de rotation à mesurer. Pour des vitesses de rotation ne dépassant pas 100 O/, il sera possible de réaliser un gyromètre dont la longueur ne dépasse pas 50 mm et dont la section droite peut être inférieure à 20x20 mm. Le montage est très simple, car on dispose d'un socle qui est un noeud de vibration. Tous les efforts et couples éventuels se compensent dans l'épaisseur même du socle. Le gyromètre est alors insensible aux vibrations extérieures. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est une vue en élévation de la partie vibrante d'un gyromètre selon un mode particulier de réalisation de l'invention - les figures 2 et 3 sont des vues du gyromètre de la figure 1, en coupe suivant la ligne Il-Il de la figure 1, destinées à faire apparaître respectivement la direction des mouvements provoqués par les éléments moteurs et par les forces de Coriolis lors d'une rotation Q autour de l'axe du gyromètre ;; - la figure 4 est un schéma de principe de circuits d'excitation et de mesure d'un gyromètre fonctionnant en boucle ouverte - la figure 5 est un synoptique du circuit d'excitation et de mesure d'un gyromètre conforme à la figure 1, fonctionnant en boucle fermée. Les figures 1 à 3 montrent la constitution générale d'un résonateur de gyromètre à poutres vibrantes permettant de mettre en oeuvre l'invention. Ce résonateur peut être regardé comme comportant un socle 10 à section carrée, d'une seule pièce avec quatre poutres vibrantes 12a, 12b, 12c et 12d. Comme on le verra plus loin, le socle constitue un noeud de vibration. Il peut être solidarisé d'une embase 14 par une tige de liaison 16. Un capot 18 peut être fixé à l'embase 14 pour délimiter une enceinte étanche, pouvant être mise sous vide pour augmenter le facteur de surtension mécanique du résonateur. Les poutres peuvent être regardées comme constituant deux diapasons mis en vibration en opposition de phase. Il serait difficile de constituer la totalité du résonateur en matériau piézo-électrique. Il est en conséquence préférable de le réaliser par usinage d'une masse d'un métal à faible coefficient thermo-élastique et ayant de bonnes qualités mécaniques. Dans ce cas, la mise en vibration et la détection des vibrations provoquées par les forces de Coriolis sont effectuées à l'aide d'éléments piézoélectriques fixés aux poutres. Ces éléments seront généralement en forme de pastilles rectangulaires métallisées sur l'une de leur face, l'autre face étant collée sur une poutre qui constitue la masse électrique. Certains des éléments piézo-électriques sont moteurs et sont reliés à un circuit d'excitation fournissant l'énergie nécessaire pour mettre les poutres en vibration et compenser les pertes. Les autres éléments sont reliés à un circuit de détection de la vibration provoquée par les forces de Coriolis. Le circuit d'excitation sera généralement en boucle fermée, de façon à donner à la vibration motrice une amplitude constante et une pulsation égale à la pulsation du mode propre de vibration du résonateur, bien que cela ne soit pas strictement indispensable. Le circuit de détection pourra être en boucle ouverte ou en boucle fermée. Le nombre minimum d'éléments piézo-électriques dépend de la nature des circuits moteur et d'excitation. Dans la pratique, huit éléments au minimum sont nécessaires. Dans le cas illustré sur les figures 1 à 3, les éléments sont tous placés sur les faces externes des poutres, ce qui permet de ne laisser subsister entre elles que des fentes étroites, d'épaisseur juste suffisante pour ne pas gêner la vibration. Ces huit éléments sont désignés par les références 18ab à 18db sur la figure 2. Dans le cas d'un fonctionnement en boucle ouverte d'un tel résonateur, c'est-à-dire dans le cas où on mesure l'amplitude de vibration y due aux forces de Coriolis des poutres auxquelles on donne une amplitude de vibration x, la vitesse de rotation Q autour de l'axe du résonateur est donnée par la formule y = 2xQ R/W où est la pulsation à la résonance, qui est la même en mode moteur et en mode détection puisque les poutres sont carrées, et Q est le facteur de qualité du résonateur, qui dépend du matériau constitutif. Le fonctionnement en boucle ouverte peut être obtenu avec un circuit d'excitation et un circuit de détection associés aux éléments piézo-électriques suivant le schéma de la figure 4. Le circuit d'excitation 20 attaque un couple d'éléments piézo-électriques, par exemple 18ab et 18ba qui fait résonner directement l'un des diapasons et fait résonner l'autre par couplage. L'amplitude de vibration des poutres est mesurée à l'aide d'un second couple d'éléments piézo-électriques, par exemple les éléments 18cd et 18dc, placés au même niveau sur l'autre diapason.Le circuit 20 peut avoir diverses constitutions, et notamment celle qui sera décrite plus loin et qui permet de maintenir l'amplitude de vibration x, qui s'effectue suivant les flèches de la figure 2 et les flèches opposées, à une valeur constante et prédéterminée. La détection en boucle ouverte est effectuée, dans le cas montré en figure 4, de façon différentielle : les signaux fournis par deux couples d'éléments piézo-électriques sont appliqués sur les deux entrées d'un soustracteur 22 dont la sortie attaque un circuit 24 de démodulation ou de redressement dont la sortie 26 est représentative de la vitesse Q. Les couples d'éléments piézo-électriques de mesure sont choisis pour tenir compte des oppositions de phase entre les mouvements de vibration, indiqués par les flèches de la figure 3 pour une alternance. La bande passante d'un gyromètre à boucle ouverte est égale à os /4wu. Lorsque l'on souhaite augmenter cette bande passante, on peut utiliser un circuit de mesure en boucle fermée, qui maintient l'amplitude de la vibration provoquée par les forces de Coriolis à une valeur nulle. Dans ce cas, le gain et la bande passante dépendent beaucoup plus de la qualité de l'asservissement que du facteur de qualité du résonateur mécanique. Le fonctionnement en boucle fermée exige un nombre accru d'éléments piézo-électriques. Dans le cas illustré en figure 1, huit éléments piézo-électriques supplémentaires 20ab,..., 20dc sont disposés en couronne, directement audessus des éléments 18ab, ...., 18dc. Deux éléments superposés portent les mêmes indices sur la figure 5, qui donne une constitution possible d'un circuit d'excitation à asservissement d'amplitude et de phase et d'un circuit de mesure en boucle fermée, utilisable lorsque le gyromètre met en oeuvre seize éléments piézo-électriques, ce choix n'étant pas impératif. Le circuit d'excitation montré en figure 5 se différencie de celui de la figure 1 en ce que le signal d'entrée est obtenu à partir de quatre éléments piézoélectriques portés chacun par une poutre (au lieu de deux) et le signal de sortie attaque quatre éléments (au lieu de deux). Les quatre éléments piézo-électriques 18ab, 18ba, 18cd et 18dc fournissent des signaux de sortie proportionnels chacun à l'élongation de la poutre correspondante et qui sont combinés dans un soustracteur 30 pour fournir le signal d'entrée du circuit d'excitation 20 à asservissement d'amplitude et de phase. Le circuit représenté à titre d'exemple comprend un amplificateur 32 qui attaque un multiplieur 34 par l'intermédiaire d'un filtre 36 piloté par une chaîne de régulation de phase. Le gain du multiplieur 34 est commandé par la chaîne de régulation d'amplitude 38 qui reçoit d'une part le signal de sortie de l'amplificateur 32, d'autre part un signal de référence REF, représentatif de l'amplitude à maintenir. Le filtre 36 (filtre actif en général) est commandé de son côté par un comparateur de phase 40 qui reçoit d'une part le signal de sortie de l'amplificateur 32, d'autre part le signal de sortie du circuit, provenant de l'atténuateur 34, et commande le filtre de façon à maintenir le déphasage à une valeur constante, généralement nulle. Le signal de sortie du circuit 20 attaque directement les éléments piézo-électriques 20cd et 20dc ; il attaque, par l'intermédiaire d'un inverseur 42, les éléments piézo-électriques 20ba et 20ab. Comme on l'a indiqué plus haut, il suffirait d'attaquer deux éléments seulement. Les quatre éléments piézo-électriques 18db, 18bd, 18ca et 18ac fournissent des signaux qui sont combinés dans un soustracteur 28 pour constituer le signal d'entrée du circuit de mesure 24, en boucle fermée. Le circuit 24 peut avoir une constitution de type connu. Le circuit représenté comprend un amplificateur d'entrée 44 suivi d'un démodulateur synchrone 46 qui reçoit un signal de référence constitué par le signal de sortie du circuit 20. Le signal démodulé est appliqué à un filtre passe-bas 48 dont la sortie 26 est représentative de la vitesse Q. Le bouclage est assuré par une liaison entre la sortie de l'amplificateur 44 et les éléments piézoélectriques 20ac, ..., 20db. Un inverseur 50 inverse la polarité du signal appliqué aux éléments 20bd et 20db. On peut se dispenser des soustracteurs 28 et 30 et des inverseurs 42 et 50 en orientant de façon appropriée les vecteurs polarisation des pastilles piézo-électriques les uns par rapport aux autres. Comme on l'a indiqué plus haut, l'invention est susceptible de nombreuses variantes de réalisation, notamment en ce qui concerne la constitution des circuits associés au résonateur mécanique. A titre d'exemple, on peut donner les caractéristiques suivantes correspondant à un gyromètre destiné à mesurer des vitesses de rotation allant jusqu'à 100" par seconde. Le résonateur mécanique comportait quatre branches ayant une section de 6 x 6 mm, de 30 à 35 mm de long. Les éléments piézo-électriques étaient constitués par des pastilles en PZT de quelques dixièmes de millimètre d'épaisseur, métallisées sur les deux faces et collées sur les branches. REVENDICATIONS 1. Gyromètre ayant au moins une poutre métallique encastrée, des premiers éléments piézo-électriques excités par un circuit d'excitation pour maintenir la poutre en vibration dans une direction déterminée et des seconds éléments piézo-électriques pour détecter la vibration de la poutre dans une direction perpendiculaire à la première, reliés à un circuit de mesure (24), caractérisé en ce qu'il comporte un résonateur mécanique à au moins quatre poutres parallèles (12a,12b,12c,12d), identiques, disposées suivant les angles d'un parallélépipède rectangle, solidaires d'un socle commun de fixation et ayant la même fréquence propre. 2. Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les poutres ont une section constante sur toute leur longueur. 3. Gyrométre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le résonateur est constitué par usinage d'un bloc de métal à faible coefficient thermo-élastique. 4. Gyromètre selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les quatre poutres occupent les angles d'un carré. 5. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que certaines seulement des poutres portent des premiers éléments piézoélectriques. 6. Gyromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que le circuit d'excitation (20) est à asservissement d'amplitude, reçoit des signaux d'entrée provenant d'éléments piézo-électriques (18cd,18dc) portés par deux des poutres (12c,12d) et fournit un signal d'excitation à deux premiers éléments (18ab,18ba) portés par les deux autres poutres (12a,12b). 7. Gyromètre selon la revendication 6, caractérisé en ce que le circuit d'excitation (20) comprend un amplificateur (32) qui attaque un multiplieur (34) par l'intermédiaire d'un filtre (36) passe-bande piloté par une chaîne de régulation de phase, le gain du multiplieur (34) étant commandé par la chaîne de régulation d'amplitude (38) qui reçoit d'une part le signal de sortie de l'amplificateur (32), d'autre part un signal de référence. 8. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de mesure reçoit un signal d'entrée provenant des seconds éléments, portés par les quatre poutres (12a, ...,12d). 9. Gyromètre selon la revendication 8, caractérisé en ce que le circuit de mesure est en boucle fermée et fournit un signal d'équilibrage des forces de Coriolis à des éléments piézo-électriques de compensation portés par les quatre poutres. 10. Gyromètre selon la revendication 9, caractérisé en ce que le circuit de mesure comprend un amplificateur d'entrée (44) suivi d'un démodulateur synchrone (46) qui reçoit un signal de référence constitué par le signal de sortie du circuit de mesure (20) et fournit le signal de sortie (26) représentatif de la vitesse et comprend une boucle d'asservissement constituée par une liaison entre la sortie de l'amplificateur d'entrée (44) et les éléments piézo-électriques de compensation (20ac,...,20db). 11. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments piézo-électriques sont disposés en deux rangées superposées.