Brevet FR2724463A1 — publié le 19960315

t Procédé de mesure d'une accélération par un capteur à armature mobile et capteur d'accélération pour mettre en oeuvre le procédé. La mesure de l'accélération subie par un capteur sert à déterminer les contraintes ou le déplacement subis par une pièce mécanique solidaire du capteur. Ainsi, dans une automobile, un capteur de choc commande, en cas de choc brusque, le gonflage d'un sac à air amortisseur se déployant devant le conducteur. On connaît des capteurs comportant une armature mobile conductrice de l'électricité, de masse déterminée, qui est montée élastiquement sur un support et se déplace, sous l'action de l'accélération, vers l'une ou l'autre de deux armatures conductrices de l'électricité l'encadrant, rigidement fixées au support. Les armatures, ou électrodes, fixes sont respectivement portées à deux potentiels opposés et forment chacune, avec l'armature mobile, deux condensateurs. En l'absence d'accélération, les deux armatures, ou électrodes, fixes ont, sur l'armature mobile occupant une position à égale distance des deux armatures fixes, des effets électriques qui s'annulent. Lorsque l'armature mobile se rapproche de l'une des électrodes fixes, sous lI'effet d'une accélération, la valeur de la capacité entre l'armature mobile et l'électrode fixe la plus proche s'accroît, réciproquement la valeur de la capacité entre l'armature mobile et l'électrode fixe la plus lointaine diminue. Cette variation de capacité différentielle peut être lue par un circuit de mesure de capacité connecté aux électrodes fixes. 3) La tension de mesure de cette capacité différentielle est un signal de position qui permet de commander une boucle de rétroaction fournissant un signal de commande déterminant les tensions moyennes des deux électrodes fixes afin de rétablir, par les forces électrostatiques appliquées à l'armature mobile, un équilibre mécanique et donc aussi électrique. La variation du signal de 2 2724463 commande, depuis sa valeur pour la position de repos de l'armature mobile, représente alors l'accélération à mesurer. Il est connu de mesurer les variations de capacité par mesure des transports de charges résultant de l'application d'échelons de tension sur les électrodes avec des dispositifs appelés circuits à capacités commutées. Ainsi, il est connu de moduler par le signal de commande, individuellement et en sens inverses, les largeurs d'impulsions de tension, ou leur rythme d'apparition, de deux trains d'impulsions appliqués respectivement aux deux électrodes, ou armatures, fixes. L'amplitude de chacune de ces impulsions est vue par le circuit de mesure de capacité comme un échelon produisant des transports de charge indépendamment de la durée de ces impulsions (il y a échantillonage de niveaux de tension). La tension de mesure de capacité ainsi obtenue détermine la durée des impulsions en référence à une consigne. Cette modulation de largeur d'impulsion se traduit par l'apparition d'une tension moyenne de contre- réaction sur les électrodes. Le niveau (fixe) des impulsions sert à la mesure de la position (capacité variable) et la durée (à niveau fixe) des impulsions sert à l'asservissement de la position. Cependant, ces impulsions engendrent un bruit électrique important perturbant la mesure, du fait qu'elles doivent atteindre une amplitude importante pour avoir l'efficacité électrostatique nécessaire. En outre, cette efficacité est limitée par le fait qu'il faut prévoir des temps de garde pour l'ouverture- fermeture de portes électroniques, et surtout pour l'échantillonnage de la mesure, dans le séquencement des impulsions. La fréquence d'échantillonnage de la mesure est ainsi obligatoirement la même que celle de l'asservissement, donc limitée par la réponse du système électromécanique. La présente invention vise à améliorer l'efficacité des tensions de commande appliquées en rétroaction sur les deux armatures fixes et à limiter le bruit électrique. 3 2724463 A cet effet, I'invention concerne un procédé de mesure d'une accélération, dans lequel on applique, à une armature mobile d'un capteur d'accélération, un signal d'excitation pour repérer une position de repos de l'armature, on soumet l'armature mobile à l'accélération à mesurer, on détecte un signal d'écart de position de l'armature engendré par le signal d'excitation et dépendant de l'accélération à mesurer, pour fournir un signal de commande réglant l'intensité et le sens d'une force électrique que l'on applique à l'armature mobile afin de la ramener à sa position de repos et on détermine alors la valeur de l'accélération à partir du signal de commande, caractérisé par le fait qu'on applique le signal d'excitation sous la forme d'une modulation du signal de commande et le signal de commande est appliqué en permanence et engendré par intégration du signal d'écart de position. Ainsi, on applique une commande continue, ce qui n'engendre donc pas de bruit électrique, et le signal d'excitation peut être fixé à un niveau relativement faible, peu perturbateur, puisqu'il sert uniquement à la mesure, et non à la commande de la force électrique. Le signal d'excitation effectue une poursuite de l'équilibre électrique de l'armature mobile, chaque signal instantané d'excitation mesurant le déséquilibre instantané résiduel, c'est-à-dire l'erreur subsistant sur le signal de commande, et tendant progressivement, par intégration, à annuler cette erreur. On peut alors injecter le signal d'excitation à une fréquence bien plus élevée que la fréquence propre du capteur, représentée par le signal de commande, c'est-à-dire qu'on peut n'avoir qu'un très faible signal d'excitation, peu perturbateur, puisque, pour commander les moyens intégrateurs, le nombre élevé de signaux instantanés d'excitation compense leur faiblesse. Avantageusement, on mesure le signal d'écart de position par une mesure de la charge électrique induite par le signal d'excitation sur l'armature mobile. De préférence, on module le signal de commande par deux trains d'impulsions de mêmes amplitudes et de polarités opposées, qu'on applique respectivement à deux armatures fixes encadrant l'armature mobile et on effectue l'intégration du signal d'écart de position en synchronisme avec les impulsions de modulation. Avantageusement. les signaux nécessaires à la mesure ne limitent 4$ 2724463 pas la dynamique de la commande, de sorte que l'on peut considérer qu'il y a séparation entre la mesure et l'asservissement. L'invention concerne aussi un capteur d'accélération pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, comprenant, entre deux armatures fixes, une armature mobile destinée à être écartée d'une position de repos sous l'action de l'accélération à mesurer et d'un signal d'excitation, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens intégrateurs reliés à l'armature mobile pour intégrer un signal d'écart de position de l'armature engendré par le signal d'excitation et dépendant de l'accélération à mesurer, et des moyens additionneurs reliés en entrée aux moyens intégrateurs et, en sortie, aux armatures fixes. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante de la forme de réalisation préférée du capteur d'accélération mettant en oeuvre le procédé de l'invention, en référence au dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est un schéma électrique du capteur, - les figures 2 à 4 illustrent l'évolution au cours du temps L de signaux de commande du capteur - les figures 5 et 6 illustrent la réponse temporelle du capteur lors d'une mesure et - les figures 7 à 9 illustrent cette même réponse lors d'un test. Le capteur comporte un boîtier 1 contenant une armature mobile 2 en forme de lame souple, électriquement conductrice, reliée élastiquement au boîtier 1, mais isolée électriquement de celui-ci, et occupant une position de repos à égale distance de deux armatures planes fixes 3 et 4, elles aussi électriquement conductrices, qui sont disposées parallèlement à l'armature 2 et l'encadrent. L'armature 2 est reliée électriquement à l'entrée inverseuse d'un amplificateur opérationnel 10, qui est aussi reliée à sa sortie par un condensateur 11 en parallèle avec un interrupteur électronique 12 commandé par un signal 2724463 d'horloge H1. Une entrée non inverseuse de l'amplificateur 10 est reliée à la masse. L'amplificateur 10 est ainsi monté en amplificateur de charge électrique pour mesurer la charge électrique de l'armature 2. La sortie de l'amplificateur 10 fournit, à travers un interrupteur électronique 13, un signal EC d'écart de position, expliqué plus loin, à une borne d'un condensateur 15 relié à un autre interrupteur 14 de rappel à la masse. L'interrupteur 13 est commandé par un signal d'horloge H2, tandis que l'interrupteur 14 est commandé par le signal d'horloge Hi. L'autre borne du condensateur 15 alimente, à travers un interrupteur électronique 16 commandé par l'horloge H1, I'entrée inverseuse d'un amplificateur 20 et un interrupteur électronique 17, commandé par le signal d'horloge H2, de rappel à la masse. Un condensateur 21 relie l'entrée inverseuse à la sortie de l'amplificateur 20, qui est ainsi monté en intégrateur. La sortie de l'amplificateur 20 fournit un signal ME de mesure d'accélération et attaque, à travers une résistance 31 reliée en parallèle à un circuit RC série, l'entrée inverseuse d'un amplificateur 30 recevant aussi, à travers une résistance 32, des impulsions IM de faible amplitude, bien inférieure au volt, issues d'un générateur d'impulsions 6. Une entrée non inverseuse de l'amplificateur 30 est reliée à la masse. L'amplificateur 30 comporte une sortie inversée, ou complémentée, et une sortie directe reliée à son entrée négative à travers une résistance 33. Les entrées inverseuses de deux amplificateurs 40 et 50 sont respectivement reliées au point milieu de deux ponts résistifs diviseurs 41-42 et 43-44 respectivement alimentés, à une extrémité, par les deux sorties de 3( l'amplificateur 30 et reliés, par leur autre extrémité, à la sortie de l'amplificateur , 50 associé. Les armatures fixes 3 et 4 sont respectivement reliées aux sorties des amplificateurs 40 et 50. Les entrées positives des amplificateurs 40 et 50 sont polarisées par une source de tension continue 9. Cette source de tension continue 9 sert à prépolariser les électrodes fixes 3 et 4 à une même valeur de tension développant deux forces égales et opposées sur l'électrode mobile 2 auxquelles s'ajouteront les tensions (forces) différentielles 6 2724463 d'asservissement. Deux générateurs d'impulsions, 7 et 8, fournissent respectivement les signaux d'horloge H1 et H2. Les formes des signaux d'horloge H1 et H2 sont respectivement représentées, en fonction de temps t, sur les figures 2 et 4, tandis que les impulsions IM du générateur 6 apparaissent sur la figure 3 en fonction du même temps t. Dans cet exemple, il est prévu un circuit d'autotest constitué d'un générateur 34 d'impulsions de test ST, en série avec un potentiomètre résistif 35, connecté entre l'entrée inverseuse de l'amplificateur 30 et la masse. Le fonctionnement du capteur va maintenant être expliqué. Les impulsions IM issues du générateur 6, qui, par l'amplificateur 30, sont dédoublées en deux impulsions opposées atteignant respectivement les armatures fixes 3 et 4, induisent chacune, sur l'armature mobile 2, une charge électrique qui, par raison de symétrie, est égale et de signe opposé à celle induite par l'autre armature fixe 4 et 3. L'armature mobile 2 ne se charge donc pas et les amplificateurs 10 et 20 restent au repos. Lors de l'application au capteur d'une accélération dirigée verticalement sur la figure 1, I'armature mobile 2 se rapproche de l'une des armatures fixes 3 et 4 et présente avec elle une capacité accrue. L'impulsion IM reçue par cette électrode fixe 3 ou 4 la plus proche induit alors un nombre accru de charges électriques sur l'armature mobile 2, tandis que l'effet inverse, de réduction du nombre de charges induites, se produit pour l'autre armature fixe 4, 3. La différence de charges induites sur l'armature mobile 2 fournit le signal d'écart de position EC apparaissant en sortie de l'amplificateur 10. L'ensemble interrupteurs-condensateur 13-17 échantillonne le signal d'écart de position EC et le transmet à l'amplificateur intégrateur 20, qui fournit en sortie la mesure ME de l'accélération, pouvant atteindre plusieurs volts. Le signal de mesure ME est ensuite dédoublé par l'amplificateur 30, les deux signaux de mesure dédoublés, c'est-à-dire inversés l'un par rapport à l'autre de 7 2724463 part et d'autre d'une valeur de repos, étant respectivement appliqués aux armatures fixes 3 et 4 afin d'engendrer deux forces électrostatiques dont la résultante tend à rappeler l'armature mobile 2 à sa position de repos, médiane. Pendant le régime transitoire pour retrouver la position de repos, la mesure ME fournie par l'amplificateur 20 est fausse. Les impulsions IM issues du générateur 6 induisent, comme expliqué, le signal d'écart de position EC, ici sensiblement proportionnel à l'écart de position, qui continue à être intégré par l'amplificateur 20 dont la sortie de mesure ME, et de régulation, évolue ainsi, jusqu'à l'équilibre, dans un sens tendant à annuler le signal d'écart de position EC. La figure 6 illustre l'évolution, en fonction du temps t, du signal de mesure ME, en réponse à une accélération AC représentée sur la figure 5, et montre, sous forme de marches d'amplitudes décroissantes, les intégrations successives du signal d'écart de position EC dans le signal de mesure ME. La régulation a ainsi lieu en boucle fermée et est effectuée au moyen de la tension "continue" que constitue le signal de mesure ME et qui est évolutive en fonction des impulsions IM, ou stimuli, du générateur 6 qui mesurent l'erreur d'asservissement et constituent une modulation du signal de mesure ME appliqué aux armatures fixes 3 et 4. En bref, dans ce procédé, on applique à l'armature mobile 2 le signal d'excitation IM pour repérer la position de repos de l'armature 2, on soumet l'armature mobile 2 à l'accélération à mesurer, on détecte le signal d'écart de position EC de l'armature 2 engendré par le signal d'excitation IM et dépendant de l'accélération à mesurer, pour fournir le signal de commande ME réglant l'intensité et le sens d'une force électrique que l'on applique à l'armature mobile 2 afin de la ramener à sa position de repos et on détermine alors la valeur de l'accélération à partir du signal de commande ME, le signal d'excitation IM étant appliqué sous la forme d'une modulation du signal de commande ME, qui est appliqué en permanence et engendré par intégration du signal d'écart de position EC. Les figures 2-4 illustrent le séquencement du fonctionnement des interrupteurs. 8 2724463 D'une façon générale, tous les interrupteurs sont à l'écart bloqué lorsque le signal d'horloge H1 ou H2 qui les commande est à l'état bloqué, ici correspondant à un état bas. Les impulsions IM issues du générateur 6 ont un front avant, ici montant, qui suit le front descendant du signal H1, tandis que leur front descendant se produit au même instant que le front remontant de Hi. Le signal H2 présente des impulsions positives strictement "à l'intérieur" des impulsions IM, c'est-à-dire que le signal H2 présente une fenêtre temporelle de lecture de l'effet des impulsions IM. Le séquencement est le suivant. Le signal Hi1 étant initialement à l'état haut, les interrupteurs 14 et 16 sont fermés, c'est-à-dire passants, et relient le condensateur 15 à la masse et à l'amplificateur 20. A la descente du signal H1, les interrupteurs 12, 14 et 16 s'ouvrent et, ensuite, l'impulsion IM est émise et engendre le signal d'écart de position EC en sortie de l'amplificateur 10. Le signal H2 commande la fermeture, pendant la fenêtre de lecture, ou d'échantillonnage, des interrupteurs 13 et 17 et le condensateur se charge à la valeur du signal d'écart de positions EC. Le signal H1 remonte ensuite et l'impulsion IM retombe. L'interrupteur 12 élimine, entre deux mesures, les charges induites sur l'armature mobile 2. Il est ainsi réalisé un montage d'échantillonnage et de maintien. L'intégration du signal d'écart de position EC est ainsi effectuée, ici, en synchronisme avec les impulsions de modulation. Dans cet exemple, il a été prévu deux armatures fixes induisant des charges électriques sur l'armature mobile. D'une façon générale, il faut au moins une armature fixe exerçant sur l'armature mobile une force de rappel opposée à celle due à l'accélération, qui est proportionnelle à la masse de l'armature mobile. La force de rappel peut aussi, par exemple, être magnétique. 9 2724463 Le circuit d'autotest 34-35 a un effet du même type que celui du générateur 6, c'est-à-dire que l'application d'un créneau de tension par le générateur 34 crée une force électrostatique, mais qui, alors, déséquilibre l'électrode, ou masse sismique, 2. Le signal d'écart de position EC, intégré par l'amplificateur 20, a pour effet de décaler la tension de sortie ME d'une quantité proportionnelle à l'amplitude des impulsions de test ST, dans le rapport des résistances 31 et 35. Les figures 7 à 9 illustrent respectivement l'évolution temporelle des impulsions ST de test, la modulation de position P de l'électrode mobile 2 qui en résulte et la modulation correspondante du signal de mesure ME. On peut ainsi effectuer l'autotest en temps réel, sans désactiver les fonctions du capteur, et en particulier en maintenant le fonctionnement en boucle fermée. En outre, l'autotest est bidirectionnel et le déplacement commandé de l'armature mobile 2 est réglable par action sur le potentiomètre 35 et peut atteindre la pleine échelle. De plus, I'autotest crée une excitation mécanique de la masse sismique 2, équivalente à une accélération, sans qu'il soit nécessaire, lorsqu'on veut, en production, effectuer une sorte de rodage du capteur, de monter le capteur sur un pot vibrant. 2724463 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure d'une accélération, dans lequel on applique, à une armature mobile (2) d'un capteur d'accélération, un signal d'excitation (IM) pour repérer une position de repos de l'armature (2), on soumet l'armature mobile (2) à l'accélération à mesurer, on détecte (H2) un signal d'écart de position (EC) de l'armature (2) engendré par le signal d'excitation (IM) et dépendant de l'accélération à mesurer, pour fournir un signal de commande (ME) réglant l'intensité et le sens d'une force électrique que l'on applique à l'armature mobile (2) afin de la ramener à sa position de repos et on détermine alors la valeur de l'accélération à partir du signal de commande (ME), caractérisé par le fait qu'on applique le signal d'excitation (IM) sous la forme d'une modulation du signal de commande (ME) et le signal de commande (ME) est appliqué en permanence et engendré par intégration (20) du signal d'écart de position (EC). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on mesure le signal d'écart de position (EC) par une mesure de la charge électrique induite par le signal d'excitation (IM) sur l'armature mobile (2). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on module le signal de commande (ME) par deux trains d'impulsions de mêmes amplitudes et de polarités opposées, qu'on applique respectivement à deux armatures fixes (3,4) encadrant l'armature mobile (2). 4. Procédé selon la revendication 3, dans lequel on effectue l'intégration du signal d'écart de position (EC) en synchronisme (H1) avec les impulsions de modulation (IM). 5. Capteur d'accélération pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1, comprenant, entre deux armatures fixes (3,4), une armature mobile (2) destinée à être écartée d'une position de repos sous l'action de l'accélération à mesurer et d'un signal d'excitation (IM), caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens intégrateurs (20) reliés à l'armature mobile (2) pour intégrer un signal d'écart de position (EC) de l'armature (2) engendré par le signal d'excitation (IM) et dépendant de l'accélération à mesurer, et des il 2724463 moyens additionneurs (30) reliés en entrée aux moyens intégrateurs (20) et, en sortie, aux armatures fixes (3,4). 6. Capteur selon la revendication 5, dans lequel un amplificateur (10) de mesure de charges électriques est relié en entrée à l'armature mobile (2) et, en sortie, aux moyens intégrateurs (20). 7. Capteur selon l'une des revendications 5 et 6, dans lequel des moyens d'échantillonnage et de maintien (13-17) sont agencés pour prélever sur io l'armature mobile (2), en synchronisme avec un rythme d'apparition du signal d'excitation (IM), le signal d'écart de position (EC) et pour le présenter à l'entrée des moyens intégrateurs (20). 8. Capteur selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel il est prévu des moyens d'autotest (34, 35) agencés pour, par l'intermédiaire des armatures fixes (3, 4), transmettre à l'armature mobile (2) un signal de test (ST) lui appliquant une accélération déterminée.