Brevet FR2714973A1 — publié le 19950713

Procédé de mesure d'une force appliquée à une armature mobile et capteur de force pour la mise en oeuvre du procédé. La présente invention concerne tout d'abord un procédé de mesure d'une force, dans lequel, on applique une force électrique à une armature mobile pour engendrer un signal représentatif d'une position de repos de l'armature, on soumet l'armature à la force à mesurer pour, avec le déplacement de l'armature, modifier le signal devenant représentatif du décalage de l'armature par rapport à sa position de repos, et on le détecte. Lorsque, comme c'est souvent le cas, il est plus commode, pour les calculs exploitant la mesure fournie, de disposer d'une valeur d'accélération plutôt que d'une valeur de force, on utilise un capteur de force qui est alors un accéléromètre et comporte une armature mobile de masse déterminée qui se déplace sous l'action de la force qu'elle subit par l'effet de l'accélération à mesurer. Il fournit un signal représentant l'accélération subie, égale, au facteur représentant la masse près, à la force appliquée. A bord d'une voiture, l'accéléromètre peut servir de détecteur de chocs, pour déverrouiller très rapidement les portières ou gonfler un sac gonflable (air bag) se déployant devant le conducteur ou un passager en cas d'accident. On connatt déjà des capteurs utilisant le procédé indiqué ci-dessus. Ainsi, l'article "An ASIC for Highresolution Capacitive Microaccelerometers" de H. Leuthold et F. Rudolf, p 278 et s. de la revue Sensors and Actuators, A21 A23 (1990), Ed. : ELSEVIER SEQUOIA, Pays Bas, décrit un capteur dans lequel une armature, mobile entre deux électrodes fixes, forme, avec elles et avec les deux entrefers d'air les séparant, deux condensateurs de valeur variable en fonction de la position de l'armature mobile. Lorsque cette dernière occupe, au repos, une position centrale entre les deux électrodes, les deux condensateurs ont alors des valeurs égales. Deux signaux d'excitation, issus de deux sources de tension de même amplitude et de signes opposés, sont appliqués à l'armature mobile à travers les deux condensateurs. Leur valeur résultante est nulle, par raison de symétrie, tant que les deux condensateurs transmettent de façons égales les deux signaux d'excitation. Par contre, un déplacement de l'armature mobile modifie cet équilibre, le condensateur formé avec l'électrode la plus proche de l'armature mobile prenant une valeur accrue au détriment de l'autre. Le signal d'excitation traversant le condensateur de valeur accrue est alors supérieur à l'autre signal d'excitation et la différence entre ces deux signaux d'excitation est le signal de décalage, représentatif du déplacement de l'armature mobile par rapport aux électrodes, c'est-à-dire de la force à mesurer. Une boucle de mesure et de régulation, recevant le signal de décalage, le mémorise et fournit un signal de commande qui est périodiquement appliqué en retour sur les électrodes, pour compenser la différence des signaux d'excitation et ainsi, à la fin de chaque application du signal de commande, ramener à zéro le signal de décalage, c'est-à-dire évacuer de l'armature mobile les charges électriques dues à cette différence des signaux d'excitation. On asservit ainsi l'amplitude du signal de commande par celle du signal de décalage mémorisé. Le signal de commande, fourni comme mesure en sortie du capteur, représente le déplacement de l'armature mobile et donc la valeur de la force ou de l'accélération à mesurer. Cependant, le signal d'excitation, destiné à permettre la mesure du déplacement, a aussi un effet actionneur car il crée des forces électro-statiques d'attraction, entre l'armature mobile et les électrodes, qui faussent le déplacement dû à la force à mesurer, donc créent une erreur sur le signal de décalage. Pour tenter de la compenser, on ajoute au signal de commande un signal de compensation correspondant à cette erreur, estimée a priori. Un tel capteur présente plusieurs inconvénients. En effet, comme l'armature doit être rappelée vers la position de repos par un ressort, l'incertitude sur l'élasticité de celui-ci se retrouve dans la mesure, qui est donc peu précise. En outre, il faut disposer de deux sources de tension égales et opposées, ce qui est coûteux et apporte une imprécision supplémentaire. Pour supprimer l'incertitude due au ressort, on prévoit, dans l'article "Semiconductor Capacitance-type Accelerometer with PWM Electrostatic Servo Technique", de S. SUZUKI et autres , p. 316 et s. de la revue cidessus, d'appliquer une force électrostatique aux électrodes afin de les ramener à leur position de repos. Les signaux électriques créant cette force représentent alors la force, ou l'accélération, à mesurer. Cependant, la précision de la mesure reste limitée car la boucle de mesure et de régulation est dépourvue d'intégrateur, ce qui la rend sensible aux incertitudes et aux dérives des composants électroniques. La présente invention vise à pallier ces inconvénients. A cet effet, l'invention concerne un procédé de mesure du type mentionné ci-dessus, caractérisé par le fait qu'on engendre de façon numérique le signal de commande. Ainsi, le signal de commande est établi de façon numérique et l'on peut aisément le faire varier selon toute loi désirée en fonction de l'évolution du signal de décalage. Avantageusement, on règle le signal de commande pour rappeler l'armature en position repos, avant de déterminer la force à mesurer. Comme il s'agit d'une méthode de zéro, si, pour limiter le déplacement initial avant l'application de la force de rappel, il est prévu un ressort de rappel en position de repos, et non, comme cela serait possible, des butées ou un système de freinage à frottement visqueux, le ressort est toujours en position de repos lors de la mesure, si bien que son élasticité n'intervient pas dans la précision de celle-ci. Avantageusement toujours, on engendre ladite force électrique en appliquant périodiquement à l'armature mobile deux forces électriques successives opposées pendant deux durées respectives déterminées lors de chaque période et on en règle la force résultante moyenne sur chaque période en modulant au moins l'une des deux durées. On peut ainsi, à partir d'une seule source de tension, créer deux forces opposées dont la différence entre les durées d'application détermine la force résultante moyenne sur une période, sans que les amplitudes instantanées des forces, aux instants auxquels elles sont appliquées, puissent être différentes et faussent la mesure, puisque la tension les engendrant est la même. L'invention concerne aussi un capteur de force pour mesurer une force appliquée à une armature mobile se déplaçant sous l'action de cette force, dans lequel il est prévu des moyens d'excitation pour appliquer à l'armature mobile une autre force, électrique selon la direction opposée à celle du déplacement de l'armature, des moyens détecteurs pour mesurer un signal de décalage en résultant, représentant le déplacement, et des moyens de commande pour, à partir du signal de décalage, engendrer un signal de commande, représentatif de la valeur de la force à mesurer, réglant des moyens modulateurs agencés pour commander les moyens d'excitation en modulant, en fonction du signal de commande, l'intensité moyenne de la force électrique afin qu'elle arrête le déplacement dû à la force à mesurer, caractérisé par le fait que les moyens de commande sont numériques. Il peut être prévu des moyens de commande comportant un bloc de calcul agencé pour recevoir périodiquement le signal de décalage et pour engendrer le signal de commande en fonction du signal de décalage actuel et d'au moins un signal de décalage passé. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée du capteur de force pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel - la figure 1 est une représentation par blocs du capteur de force de l'invention et - la figure 2 représente le signal de commande asservissant l'armature mobile du capteur. Le capteur de force de l'invention est, dans cet exemple, un accéléromètre comportant un détecteur mécanique de force 1 représenté sur la figure 1 et relié, en entrée, à un bloc de commutation 10 et, en sortie, à un détecteur électronique 20. Une sortie du détecteur 20 est reliée à une entrée d'un contrôleur 30, comportant une base de temps non représentée, et fournissant un signal de mesure 36 représentant l'intensité de la force, ici l'accélération, appliquée au détecteur 1. Le détecteur 1 comporte une armature conductrice mobile 2, de masse déterminée, de forme lamellaire s' étendant dans un plan perpendiculaire à celui de la figure et flexible élastiquement dans le plan de la figure, qui, à l'une de ses extrémités 3, est solidaire d'un boîtier 4 et libre de fléchir élastiquement autour de cette extrémité fixe. Son extrémité opposée est libre et peut ainsi se déplacer entre deux électrodes 5-6 en forme de plaque disposées parallèlement à l'armature 2 et à égales distances de sa position de repos en l'absence de force appliquée. L'armature 2 et les électrodes 5-6 forment respectivement, avec les intervalles d'air les séparant, deux condensateurs variables 7-8. Les électrodes 5 et 6 sont respectivement reliées aux bornes communes 12 et 16 de deux circuits interrupteurs inverseurs analogiques 11 et 15 dont les bornes "travail" 13 et 17 sont respectivement reliées à une tension d'alimentation continue Vréf et à la masse, tandis que leurs bornes "repos" 14 et 18 sont respectivement reliées à la masse et à la tension Vréf. Le détecteur électronique 20 comporte un amplificateur différentiel 21 recevant, par son entrée négative reliée à l'armature 2, un signal de tension VM, tandis que son entrée positive est une tension fixe intermédiaire, ici celle de la masse, le détecteur 20 étant alimenté dans cet exemple sous deux tensions égales et opposées par rapport à la masse. Un circuit de contre-réaction relie l'entrée négative de l'amplificateur 21 à sa sortie, au travers d'un condensateur 23 relié à la borne commune 25 d'un circuit interrupteur inverseur analogique 24 dont la borne "travail" 26 est reliée à la masse et dont la borne "repos" 27 est reliée à la sortie de l'amplificateur 21, fournissant un signal de décalage 22. D'autres interrupteurs peuvent être ajoutés pour annuler le décalage différentiel (offset) de l'amplificateur 21. Un condensateur 28, branché entre la sortie de l'amplificateur 21 et la masse, est relié à l'entrée négative d'un comparateur 29 fournissant en sortie un signal 39 appliqué à l'entrée du contrôleur 30 et relié à la masse par son entrée positive. Il est prévu, dans cet exemple, d'exploiter aussi la dérivée du signal de décalage 22. Pour cela, un circuit dérivateur 40 relie la sortie de l'amplificateur 21 au contrôleur 30. Le circuit dérivateur 40 comporte un étage d'entrée dérivateur 41 relié en sortie à un condensateur de filtrage 42 et à une entrée d'un comparateur 43, dont l'autre entrée est à la masse et dont la sortie est reliée au contrôleur 30. On remarquera que, si l'on avait choisi que le signal de décalage fournisse l'amplitude de la différence qu'il mesure, et pas uniquement son signe, l'information sur la valeur de la dérivée du signal de décalage 22 aurait été fournie par ce signal, et donc sans nécessité de la présence du circuit dérivateur 40 mais avec nécessité d'un convertisseur analogique-numérique. Le contrôleur 30 comporte un bloc de calcul 31, relié aux sorties des comparateurs 29 et 43, une mémoire morte ROM 32 (mémoire à lecture seule), une mémoire morte inscriptible 33 et un séquenceur/modulateur 34 commandant les circuits inverseurs 11, 15 et 24 par un signal de commande 35 (ligne en pointillés). Une entrée 37 du contrôleur 30 reçoit des valeurs de paramètres extérieurs, comme la température ambiante, provenant d'un capteur externe. Le fonctionnement du capteur de l'invention va maintenant être expliqué. En l'absence d'accélération, l'armature mobile 2 occupe sa position de repos et les deux condensateurs 7-8 ont des valeurs égales. Le signal de commande 35 est formé d'impulsions rectangulaires périodiques de tension, ayant alors un facteur de forme égal à 0,5. De ce fait, le condensateur équivalant aux deux condensateurs 7-8, reliés en série par l'armature 2, est branché alternativement entre la tension Vréf et la masse puis entre la masse et la tension Vréf, si bien que des courants égaux de sens opposés le traversent. Comme l'entrée de l'amplificateur 21 reste à une tension voisine de la masse (tension d'offset), on notera que le condensateur 7 ou 8 alors à la masse est pratiquement shunté et que c'est l'autre condensateur 8 ou 7 qui détermine la valeur du courant. Par symétrie dans le temps, la charge électrique moyenne, sur une période, induite par ces courants opposés est nulle, du fait de leur égalité d'intensité et de durée. L'amplificateur 21 détecte donc un signal de déplacement représenté par la tension VM nulle, égale à celle appliquée sur son entrée positive. Cette tension VM nulle est transmise, sous forme du signal de décalage 22, au condensateur 28. Le comparateur 29, recevant le signal de décalage 22, "pompe" légèrement en sortie, c'est-à-dire qu'il fournit des signaux logiques 39 présentant, au fil du temps, des états alternativement haut et bas, présents chacun sensiblement la moitié du temps. I1 s'ensuit une légère modulation de la forme temporelle du signal de commande 35 qui modifie en sens inverses les durées de passage des courants opposés traversant les condensateurs 7-8 et crée avec retard, en sortie de l'amplificateur 21, une faible tension faisant à nouveau changer d'état la sortie logique 39 du comparateur 29. Le même phénomène se produit alors en sens inverse, de l'autre côté du point d'équilibre électrique de la boucle d'asservissement ainsi constituée. Lorsque l'armature 2 est soumise à une force créée par une accélération appliquée au capteur, elle quitte sa position de repos pour se rapprocher de l'une des électrodes 5-6. Le condensateur 7-8 de plus forte valeur induit alors un nombre accru de charges électriques, qui ne sont pas totalement évacuées par l'autre condensateur 8-7 lors de l'alternance opposée. L'amplificateur 21 détecte la différence de ces charges et fournit un signal de décalage 22 de tension proportionnelle à la quantité de ces charges, qui est appliqué au comparateur 29. Le condensateur 23 sert à compenser le décalage en entrée (offset) en maintenant l'entrée négative de l'amplificateur 21 à une tension voisine de la masse, afin d'éviter une dérive bloquant sa sortie, en éliminant l'excès de charges en entrée par une rétroaction négative à partir de la sortie. L'interrupteur 26 sert à décharger périodiquement le condensateur de contre-réaction 23. Le signal de décalage 22 à la sortie de l'amplificateur 21 a donc un signe constant tant que l'élimination des charges cidessus n'est pas suffisante et le comparateur 29 fournit en sortie un signal logique 39 constant. Le bloc de calcul 31 effectue une scrutation cyclique du signal 39 provenant du comparateur 29 et du signal issu du comparateur 43 et fournit au séquenceur 34 un nombre N, déterminé à partir du nombre N de la période précédente et de vitesse 29 et 43 par un filtrage pseudo-P.I.D. (Proportionnel/intégral/Déivée). Dans cet exemple, les comparateurs 29 et 43 ne founissent pas l'amplitude de la différence mesurée mais uniquement son signe. Le bloc de calcul 31 ne traite ainsi qu'un bit et non un nombre, ce qui limite le temps de calcul et de réponse, simplifie la structure de ce bloc 31 et surtout évite l'utilisation d'un convertisseur analogique numérique. Comme le montre la figure 2, qui représente, en fonction du temps t, la tension V du signal de commande 35 sur une de ses périodes T, le séquenceur 34 module, selon la flèche F1, à partir de sa valeur de repos 0,5, le facteur de forme k du signal de commande 35, jusqu'à une valeur d'équilibre ki, proportionnellement au nombre N et dans le sens voulu. La dissymétrie temporelle, ainsi créée pour les valeurs moyennes des courants opposés traversant alternativement les condensateurs 7 et 8, modifie, sur l'armature 2, les inductions moyennes de charges, jusqu'à ce que la différence entre les forces électro-statiques moyennes opposées d'attraction entre l'armature 2 et les deux électrodes 5 et 6 ramène l'armature mobile 2 à sa position de repos. La sensibilité de cette modulation est définie par un nombre, contenu dans la mémoire ROM 32, déterminant la variation des durées des impulsions de commande 35 pour une variation déterminée du nombre N. Dans cette situation, le nombre N ou le facteur de forme du signal de commande 35 fournit une information de mesure de l'accélération, transmise à l'extérieur du capteur, dans la forme voulue, par le signal de mesure 36. La force électro-statique exercée sur l'armature 2 est de la forme avec Q = charge du condensateur 7 ou 8 V = tension d'électrode 5 ou 6 et d'armature 2 C = valeur du condensateur 7 ou 8 = constante diélectrique de l'air S = surfaces en regard des condensateurs 5 ou 6 m = masse de l'armature 2 = accélération appliquée d = entrefer nominal x = variation de l'entrefer Dans cet exemple, la modulation de durée des impulsions du signal de commande 35 est définie par un correcteur pseudo-P.I.D. (Proportionnel / Intégrale / Dérivée) numérique du bloc de calcul 31 qui effectue un filtrage numérique passe-bas, ou intégration, de cette modulation en définissant la durée d'une impulsion à partir du signal 39 actuel et d'au moins un signal 39 passé. Le signal de mesure 36 peut, lui aussi, subir un filtrage passe-bas. On remarquera que ce filtrage numérique passe-bas peut être récursif et que, dans ce cas, le signal de commande 35 en sortie du filtre dépend du signal 39 actuel et des signaux de commande 35 passés, qui traduisent alors indirectement l'influence des signaux 39 passés. Par ailleurs, le comparateur 29 pourrait être remplacé par une liaison directe et l'incrément de modulation pourrait être adaptatif en fonction de l'amplitude du signal analogique de décalage 22, commandant alors, après numérisation éventuelle, le correcteur ci-dessus, ce qui permettrait de limiter le retard de la boucle d'asservissement et donc l'application des forces électro-statiques de rappel. Ces dernières sont, dans cet exemple, appliquées de façon alternée, mais un recouvrement de leurs temps d'application est aussi possible, en prévoyant des circuits interrupteurs commandés par deux signaux distincts, à la place du signal de commande unique 35, dont au moins l'un serait modulé pour faire varier la force électro-statique correspondante, et donc la force résultante, par modulation de sa durée d'application dans ce cas. Une modulation de la valeur moyenne des courants traversant les condensateurs 7-8, par réglage de leur valeur instantanée, permanente, et non de leur facteur de forme, est tout aussi envisageable. Dans ce cas, les circuits interrupteurs 11 et 15 seraient remplacés par un élément à résistance équivalente réglable, comme un transistor, commandé par un signal de modulation permanent réglable en tension. Dans le cas où plusieurs capteurs de force ou d'accélération seraient utilisés, le contrôleur 30 pourrait fonctionner en partage de temps entre ces capteurs. Dans cet exemple, il est aussi prévu de pouvoir corriger le signal de commande 35 et le signal de mesure 36 en fonction d'une ou plusieurs grandeurs physiques définissant l'environnement du capteur, comme la température ambiante. Pour ce faire, pour une valeur de la température ambiante, fournie au contrôleur 30 par son entrée 37, on applique au capteur d'accélération différentes accélérations déterminées, réparties dans toute sa plage de mesure, et on mémorise à chaque fois le signal de décalage 22 ainsi que la température dans une table d'étalonnage contenue dans la mémoire morte 33. Ces mesures mémorisées, répétées pour plusieurs températures, permettent ensuite au séquenceur / modulateur 34 de corriger les mesures ultérieures, pour autant qu'il reçoive, pour l'entrée 37, la valeur de la grandeur physique perturbatrice correspondante. On remarquera que le concept de l'invention est applicable à un capteur de force dans lequel l'armature mobile ne comporterait pas de ressort de rappel et pourrait, par exemple, se déplacer en translation. On lui appliquerait alors une force électro-statique arrêtant son mouvement, donc proportionnelle, comme dans l'exemple détaillé, à la force appliquée. En d'autres termes, on annulerait la variation temporelle du mouvement de l'armature, traduite par la dérivée temporelle du signal de décalage 22. L'application d'une force électro-statique opposée et supérieure à celle à mesurer permettrait aussi, en l'absence de ressort, le retour à la position de repos centrale ou à une position initiale stable quelconque, correspondant à l'instant de début de l'application de la force à mesurer et repérée par une valeur initiale du signal de décalage 22. L'utilisation d'une position "initiale" quelconque éviterait la nécessité de revenir à la position de repos, dans le cas d'une translation de l'armature. Si la position initiale quelconque correspondait à un facteur de forme du signal de commande 35 qui dépendrait de cette position, la valeur correspondante serait préalablement mémorisée pour corriger d'autant la mesure de la force appliquée. REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure d'une force, dans lequel, on applique une force électrique à une armature mobile (2) pour engendrer un signal représentatif d'une position de repos de l'armature (2), on soumet l'armature (2) à la force à mesurer pour, avec le déplacement de l'armature (2), modifier le signal devenant représentatif du décalage de l'armature (2) par rapport à sa position de repos, et on le détecte pour engendrer un signal de commande réglant l'intensité et le sens de la force électrique, pour arrêter le déplacement de l'armature (2), et on détermine ensuite l'intensité de la force à mesurer à partir du signal de commande, procédé caractérisé par le fait qu'on engendre de façon numérique le signal de commande. 2.- Procédé selon la revendication 1, dans lequel on règle le signal de commande pour rappeler l'armature (2) en position repos, avant de déterminer la force à mesurer. 3.- Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on engendre ladite force électrique en appliquant périodiquement à l'armature mobile (2) deux forces électriques successives opposées pendant deux durées respectives déterminées lors de chaque période et on en règle la force résultante moyenne sur chaque période en modulant au moins l'une des deux durées. 4.- Capteur de force pour mesurer une force appliquée à une armature mobile (2) se déplaçant sous l'action de cette force, dans lequel il est prévu des moyens d'excitation (5, 6, 11, 15) pour appliquer à l'armature mobile (2) une autre force, électrique selon la direction opposée à celle du déplacement de l'armature (2), des moyens détecteurs (21) pour mesurer un signal de décalage en résultant, représentant le déplacement, et des moyens de commande (31-34) pour, à partir du signal de décalage, engendrer un signal de commande, représentatif de la valeur de la force à mesurer, réglant des moyens modulateurs (34) agencés pour commander les moyens d'excitation (11, 15) en modulant, en fonction du signal de commande, l'intensité moyenne de la force électrique afin qu'elle arrête le déplacement dû à la force à mesurer, caractérisé par le fait que les moyens de commande sont numériques. 5.- Capteur selon la revendication 4, dans lequel les moyens de commande (30) sont agencés pour commander le rappel, sous l'action de la force électrique, de l'armature mobile (2) à une position de repos. 6.- Capteur selon l'une des revendications 4 et 5, dans lequel les moyens de commande (30) sont agencés pour que le signal de commande contrôle l'application périodique par les moyens actionneurs (5, 6, 11, 15), sur l'armature mobile (2), de deux forces électriques successivement opposées pendant deux durées telles que la force résultante moyenne représente ladite force électrique. 7.- Capteur selon la revendication 6, dans lequel les moyens d'excitation comportent deux électrodes (5, 6) fixes situées à deux extrémités opposées de la plage de déplacement de l'armature mobile (2) et forment avec celle-ci deux condensateurs variables (7, 8) agencés pour respectivement transmettre à l'armature mobile (2) deux signaux opposés d'excitation engendrant les deux forces électriques. 8.- Capteur selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel les moyens de correction (30) comportent un bloc de calcul (31) agencé pour recevoir périodiquement le signal de décalage et pour engendrer le signal de commande en fonction du signal de décalage actuel et d'au moins un signal de décalage passé. 9.- Capteur selon la revendication 8, dans lequel les moyens de commande (30) comportent un circuit de calcul proportionnel-intégral-dérivée pour engendrer le signal de commande. 10.- Capteur selon l'une des revendications 4 à 7, dans lequel les moyens de commande (30) comportent un bloc de calcul (31) agencé pour recevoir périodiquement le signal de décalage, pour mémoriser sous forme numérique une table d'étalonnage (33) associant une pluralité de valeurs de signaux de décalage à une pluralité de valeurs, fournies par un capteur, d'une grandeur physique susceptible d'influencer l'exactitude du signal de décalage, et pour appliquer ensuite, aux signaux de commande de mesures ultérieures, des corrections fonction de la table d'étalonnage (33). 11.- Capteur selon l'une des revendications 4 à 10, dans lequel l'armature mobile (2) est de masse déterminée et les moyens de commande (30) sont agencés pour que le signal de commande fournisse une mesure de la composante de l'accélération subie par le capteur dans la direction du déplacement de l'armature mobile (2). 12.- Capteur selon l'une des revendications 4 à 11, dans lequel les moyens de commande (30) sont agencés pour traiter le signal de décalage et sa dérivée temporelle représentant uniquement le signe de la différence des signaux considérés.