Brevet FR2735868A1 — publié le 19961227

DISPOSITIF DE MESURE D'UNE VITESSE ANGULAIRE La présente invention concerne un dispositif de mesure d'une vitesse angulaire comportant: - un transducteur destiné à tourner à ladite vitesse angulaire; - des moyens pour générer une vibration mécanique dudit transducteur en réponse à un signal d'excitation, cette vibration mécanique comportant une composante parasite, et au moins une composante utile ayant une amplitude représentative de ladite vitesse angulaire; des moyens pour produire un signal électrique de détection représentatif de ladite vibration mécanique et comportant également une composante parasite et au moins une composante utile ayant une amplitude représentative de ladite vitesse angulaire; L'invention concerne également un procédé de traitement des signaux d'excitation et de détection pour faciliter la mesure de la composante utile du signal de détection. L'invention s'applique notamment à la détermination de la composante utile du signal de détection électrique fourni par un gyromètre à diapason en réponse à un signal d'excitation, du fait de la force de Coriolis agissant sur le diapason. Les gyromètres à diapason ont tendance à s'imposer pour la détermination de la vitesse angulaire d'un objet en mouvement, du fait de leur petite taille et de leur faible coût. Des gyroscopes complexes et onéreux sont depuis longtemps utilisés, notamment dans les avions ou les missiles, o ils servent à suivre l'orientation de l'avion ou du missile par rapport à un référentiel fixe. Mais, avec les possibilités de miniaturisation liées au gyroscope à diapason, de nouvelles applications sont envisagées, notamment dans le domaine automobile, o ils peuvent être intégrés dans des dispositifs d'antidérapage35 ou de correction d'assiette. Un dispositif de mesure d'une vitesse angulaire à l'aide d'un diapason en quartz a été décrit dans le brevet EP-B-0 515 981, du même demandeur. Dans un gyromètre à diapason en quartz, les branches du diapason sont pourvues d'électrodes pour l'application d'un signal d'excitation, et d'électrodes pour la détection d'un signal de détection qui correspond à la réponse du diapason lors de sa mise en rotation autour de son axe longitudinal. Certains documents de l'état de la technique, notamment le EP 0 494 588, font état du fait que le bon fonctionnement d'un gyromètre à diapason dépend d'une part de l'implantation des électrodes d'excitation et de détection sur le diapason, permettant de minimiser le couplage entre le signal d'excitation et le signal de détection, et d'autre part, de la qualité des moyens de traitement électronique associés au diapason pour pleinement exploiter la composante utile, typiquement très faible, due à la force de Coriolis lors du mouvement du gyromètre. Or, les gyromètres connus sont dans l'état actuel de la technique pénalisés par la difficulté de mesurer la partie utile du signal détecté correspondant à la force de Coriolis, et ce d'autant plus que la vitesse de rotation du gyromètre est faible. La présente invention a pour but de remédier à cet inconvénient, en proposant un dispositif de mesure d'une vitesse angulaire basé sur l'utilisation de la force de. Coriolis, permettant d'isoler et de déterminer la composante utile du signal de détection fourni par le transducteur. Un autre but de l'invention est de proposer un dispositif de mesure du type précité, présentant une meilleure résolution lors de la mesure du signal utile détecté.35 A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de mesure d'une vitesse angulaire comportant: - un transducteur destiné à tourner à ladite vitesse angulaire; - des moyens pour générer une vibration mécanique dudit transducteur en réponse à un signal d'excitation, cette vibration mécanique comportant une composante parasite, et au moins une composante utile ayant une amplitude représentative de ladite vitesse angulaire; - des moyens pour produire un signal électrique de détection représentatif de ladite vibration mécanique et comportant également une composante parasite et au moins une composante utile ayant une amplitude représentative de ladite vitesse angulaire; caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement pour obtenir à partir dudit signal électrique de détection, un signal de mesure analogique dont l'amplitude ne dépend que de ladite composante utile du signal électrique de détection, la composante parasite du signal électrique de détection étant éliminée. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - les moyens de traitement comportent des moyens pour mélanger le signal de détection et le signal d'excitation, associés à des moyens de traitement analogique du signal de façon à obtenir un signal de sortie présentant une amplitude mesurable, représentative de la vitesse de rotation du dispositif de mesure de vitesse angulaire. Avantageusement, ces moyens de traitement analogique du signal comportent un filtre passe-bas, connecté en sortie du mélangeur, et sa fréquence de coupure est choisie pour éliminer les30 composantes du signal mélangé de fréquence supérieure à la fréquence du signal d'excitation. En outre, des amplificateurs et des filtres passe-tout utilisés comme déphaseurs sont connectés en amont du mélangeur, pour supprimer la dépendance du signal de mesure par rapport à un déphasage initial entre le signal d'excitation et le signal de détection, de sorte que l'amplitude du signal de sortie résultant représente une valeur proportionnelle à la vitesse angulaire à mesurer. De préférence, les moyens de traitement. comportent des moyens pour mélanger respectivement le signal d'excitation et le signal de détection avec un signal de référence, associés à des moyens de filtrage passe-bas et à des moyens déphaseurs, de façon à produire un signal de sortie dont l'amplitude est fonction de la vitesse angulaire, et de l'amplitude du signal de référence, tout en étant indépendante de la composante parasite du signal de détection. Dans ce cas, le signal de référence est choisi avec une amplitude suffisamment élevée, apte à augmenter la résolution du signal de mesure de la vitesse angulaire. Les objets et caractéristiques de l'invention vont être décrits plus en détail et à titre d'exemple non limitatif en liaison avec les dessins, dans lesquels: - la Figure lA est une vue en coupe longitudinale d'un diapason tel que ceux utilisés dans certains gyromètres; - la figure lB est une vue en coupe transversale I-I des branches d'excitation (E) et de détection (D) du diapason de la figure lA; - la figure 2 est une vue schématique du dispositif de mesure d'une vitesse angulaire selon l'invention; - la figure 3 'est une vue plus détaillée d'un premier mode de réalisation du dispositif de mesure d'une vitesse angulaire selon l'invention; - la figure 4 est une vue schématique d'un autre mode de réalisation du dispositif de mesure d'une vitesse angulaire selon l'invention; On se réfère à la figure 1. On a représenté dans cette figure un exemple de diapason 1 du type de ceux utilisables dans un gyromètre. Le diapason 1 représenté en35 coupe longitudinale dans la figure 1A comporte principalement une base 3 solidaire de deux branches 5, 7, l'ensemble étant réalisé en un matériau de quartz piézo- électrique. Comme représenté en coupe transversale agrandie selon la figure lB, chaque branche 5, 7 comporte des électrodes 9, 11. La branche d'excitation (E) 5 comporte des électrodes d'excitation 9, une seule des quatre électrodes représentées étant référencée, permettant l'application d'un signal électrique V qui permet d'exciter et par conséquent de faire vibrer mécaniquement les branches 5, 7 du diapason 1 dans un premier plan, comme indiqué par les flèches 13. La branche de détection (D) 7 comporte des électrodes de détection 11, une seule des quatre électrodes représentées étant référencée, qui permettent de transformer les vibrations mécaniques de la branche de détection en un signal électrique détecté. Selon la théorie des gyromètres à diapason, un mouvement en rotation angulaire du diapason 1 autour de son axe longitudinal 15 pendant qu'un signal d'excitation est appliqué sur l'électrode d'excitation (E) 9, génère une force de Coriolis perpendiculaire à l'excitation, et par conséquent une vibration d'au moins la branche de détection (D) 7 dans un plan perpendiculaire au plan correspondant à la vibration d'excitation, comme indiqué par la flèche 17. Cette vibration mécanique est transformée par le quartz piézo- électrique du diapason 1 en un signal électrique qui est détecté par les électrodes de détection 7 du diapason 1. Dans la présente invention, on n'abordera pas le problème du positionnement des électrodes d'excitation 9 et de détection 11 sur les branches du diapason 1 permettant de générer une réponse électrique optimale du diapason, ce problème ayant été abordé et résolu dans des documents précités de l'état antérieur de la technique. En revanche, la présente invention s'intéresse au procédé de35 traitement électronique des signaux électriques d'excitation et de détection, et aux moyens qui y sont associés, pour isoler et mesurer la composante utile du signal de détection, c'est-à-dire la composante due à la force de Coriolis, et ceci avec une résolution et une vitesse suffisantes pour permettre l'utilisation du diapason dans de nouvelles applications. A cet effet, on se réfère à la figure 2, o est représenté de façon schématique un diapason 1 conforme à celui de la figure 1, associé à des circuits électroniques de traitement du signal d'excitation et du signal de détection. De façon connue en soi, les électrodes d'excitation 9 du diapason 1 sont intégrées à un circuit résonateur schématisé par la boucle 19 et alimenté en courant constant par un amplificateur 21, et le signal de détection DET est prélevé aux bornes des électrodes de détection 11. Pour simplifier les considérations qui vont suivre, on admettra que le signal d'excitation (OSC) est sinusoïdal, et que le signal de détection (DET) correspond à la superposition d'une composante parasite déphasée d'un angle po0 par rapport au signal d'excitation, et d'une composante utile correspondant à la force de Coriolis. Dans ces conditions, les signaux OSC et DET satisfont aux équations suivantes: (1) OSC = A.sin(o0t + (0), o A est l'amplitude du signal d'excitation, C0 sa pulsation et po son déphasage initial par rapport au signal de détection, et: (2) DET = B.sin(O0t) + C.cos(o0t), dans laquelle le premier terme représente un signal parasite issu du couplage capacitif et mécanique entre les35 branches du diapason, et le second terme représente le signal utile dû à la force de Coriolis, dont l'amplitude C que l'on cherche à mesurer est proportionnelle à la vitesse de rotation Q du diapason. On note par ailleurs que le déphasage 9po entre le signal d'excitation OSC et le signal de détection DET, constant pour un diapason donné, est typiquement de l'ordre de 56 pour un diapason tel que celui représenté en figure 1. Le signal de détection DET apparaît comme un signal modulé en phase, pouvant être réécrit selon l'équation (3) DET= (B + C).sin( avec p(t) = (0Ot+1, et o y = arc tan C/B. En pratique, on s'est aperçu que l'amplitude C de la composante utile du signal de détection est très inférieure, pour des vitesses de rotation i de l'ordre de /s, à l'amplitude B de la composante de couplage parasite, de sorte que le rapport C/B est typiquement de l'ordre de 1/50, ce qui correspond à un angle de déphasage v très faible, de l'ordre de 1 , difficile à mesurer et à utiliser pour déterminer la vitesse de rotation Q du diapason 1. En conséquence, il est prévu selon le principe de l'invention, d'effectuer un traitement analogique des signaux OSC et DET, permettant d'extraire plus aisément l'amplitude C de la composante utile du signal détecté. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, comme schématisé en figure 2 par le bloc 23, ce traitement analogique consiste à amener les signaux OSC et DET à un30 multiplieur analogique. Le signal résultant S(t) est conforme à la relation (4) suivante: (4) S(t) = OSC. DET = [A.sin( (5) S'(t) = A.B/2.cosI0 + A.C/2.sinVo0. De préférence, les signaux OSC et DET sont déphasés avant leur mélange, à l'aide de filtres passe-tout déphaseurs permettant cde fixer leur déphasage à n/2. Lorsque OSC et DET sont ainsi en quadrature, leur mélange et filtrage donnent un signal S'' (t) satisfaisant la relation (6): S''(t) = A.C/2, dont l'amplitude est proportionnelle à l'amplitude C de la composante utile, représentative de la vitesse angulaire Q(t) que l'on cherche à mesurer. Il s'ensuit que la vitesse peut être déterminée, grâce au traitement analogique décrit ci-dessus, uniquement à partir de l'amplitude A du signal d'excitation OSC et de l'amplitude C de la composante utile du signal de détection DET, mais indépendamment de la composante parasite B du signal de détection. On se réfère à la figure 3 o est donnée une représentation schématique d'un exemple de réalisation du dispositif électronique apte à générer le signal analogique S''(t) tel que défini ci-dessus, à partir du signal OSC = Vl(t) et DET = V2(t). Le dispositif électronique de la figure 3 comporte principalement un étage oscillateur 25 alimentant le diapason 1 avec un signal d'excitation OSC, et un étage 27 de traitement analogique, utilisant le signal de détection DET et le signal d'excitation OSC pour produire le signal de sortie S'' (t) permettant la mesure de la vitesse angulaire du diapason. L'étage oscillateur 25 comporte, de façon connue en soi, un amplificateur 29 dont la sortie est connectée à l'entrée d'un filtre passe-bas 31. Une boucle de contre- réaction comprenant un redresseur 33 en série avec un régulateur intégrateur de courant 35 utilisant une source de courant de référence 37 (REFI) mesure l'amplitude du signal d'excitation OSC et agit sur l'amplitude Ao de l'amplificateur 29 pour maintenir constante cette amplitude et pour la régler à une valeur donnée, et permet ainsi de stabiliser le niveau du signal d'excitation OSC délivré par l'étage oscillateur. Une résistance R1 branchée entre l'entrée du redresseur 33 et la masse, permet d'obtenir une indication du courant qui circule dans le diapason 1. L'étage de traitement analogique 27 comporte des amplificateurs 38, 39 respectivement du signal d'excitation OSC et du signal de détection DET. La sortie de ces amplificateurs est connectée à des moyens déphaseurs 41, 43, notamment sous la forme de filtres passe-tout, permettant de mettre en quadrature les signaux OSC et DET amplifiés. La sortie des déphaseurs 41, 43 est connectée à l'entrée d'un mélangeur analogique 45, qui délivre en sortie un signal mélangé conforme à l'équation (4) ci- dessus. Ce signal est transmis à un filtre passe- bas 47 qui élimine les fréquences multiples de la fréquence du signal d'excitation, et délivre un signal30 S''(t) conformément à l'équation (6) ci-dessus. De préférence, afin d'augmenter la résolution Al ( /s) du dispositif, l'invention prévoit l'utilisation d'une technique de double mélange des signaux d'excitation OSC et de détection DET, avec un troisième signal de référence REF d'amplitude plus élevée. Ce mode de réalisation préféré de l'invention est schématisé en figure 4, dans laquelle seul l'étage de traitement des signaux OSC et DET a été représenté. Le signal OSC = V1(t) est mélangé avec le signal REF = V3(t) dans un mélangeur 49, le signal résultant étant indiqué par Ul(t). De même, le signal DET = V2(t) est également mélangé dans un mélangeur 51 avec un signal de référence, notamment le même signal REF = V3 S''(t) de mesure de la vitesse angulaire du diapason 1. En choisissant un signal de référence V3(t) selon la relation (7) suivante: (7) V3(t) = R.cos[(o + Aco) t], et en conservant pour les signaux OSC et DET les expressions précédentes, on obtient: (8) U1(t) = A.R/2 cos(Aot-p) et (9) U2(t) = B.R/2. cosAOt + C.R/2. sinAot Puis après filtrage et déphasage comme expliqué plus haut, et mélange dans le mélangeur 61, on obtient S'' (t) conforme à la relation (10): (10) S''(t) =A'.C'/2, o A' = A.R/2 et C' = C.R/2, soit: (11) S''(t) = (A.C/2). (R2/4) Il en résulte que le signal S''(t) de mesure de la vitesse angulaire de rotation du diapason 1 est, du fait de la technique de double mélange décrite plus haut, toujours proportionnel à l'amplitude C de la composante utile du signal de détection, mais est en outre multiplié par un terme (R2/4) par rapport au mode de réalisation sans double mélange. Ainsi, il suffit de choisir un signal de référence d'amplitude R supérieure à 2 Volts pour augmenter l'amplitude du signal de mesure S'' (t). Par conséquent, en choisissant un signal de référence REF d'amplitude suffisante, il est possible d'augmenter à volonté la résolution de la mesure de vitesse angulaire. De plus, le dispositif selon l'invention peut être avantageusement utilisé en combinaison avec un circuit numérique d'un dispositif de mesure de vitesse angulaire tel que décrit dans le brevet européen EP-B- 0 515 981 cité ci-dessus. C'est-à-dire, au moment ou on a mélangé les signaux Vl(t) et V2(t) avec le signal de référence V3(t) pour obtenir le signal S''(t) conforme à la relation (10), au lieu de passer par un traitement analogique du signal tel que décrit ci-dessus, on fait passer le signal de sortie par un compteur pour numériser ce signal Comme cela a été expliqué dans ce brevet cité, le dispositif utilise un signal d'horloge de référence pour échantillonner le signal de mesure de la vitesse angulaire. La résolution du dispositif est déterminée par la relation entre la fréquence du signal de mesure de la vitesse angulaire et la fréquence du signal d'horloge. Plus la fréquence du signal de mesure est faible par rapport à la fréquence du signal d'horloge, meilleur est la résolution.30 Toutefois, la fréquence du signal d'horloge est fixe, par exemple à 20 MHz, et ne peut pas facilement être changée sans impliquer une consommation augmentée du circuit numérique. Ainsi, il est souhaitable de pouvoir baisser la fréquence du signal de mesure de la vitesse35 angulaire. Or, le dispositif selon l'invention peut effectuer ceci au moyen du signal de référence REF. En effet, comme le signal S'' (t) a une fréquence proportionnelle à (o-Ao), on peut choisir Ao proche de ( de sorte que la fréquence du signal de mesure sera plus basse. Par exemple, si la fréquence du signal d'oscillation OSC est autour de 8 kHz, on choisit la 5 fréquence du signal de référence REF autour de 7 kHz pour obtenir une fréquence du signal S''(t) d'autour de 1 kHz. Ainsi, la résolution sera augmentée d'un facteur 8 par rapport à la résolution qui peut être obtenue par le dispositif décrit dans le brevet EP-B-0 515 981 déjà cité. De ce qui précède, il ressort que le dispositif de mesure de vitesse angulaire selon l'invention répond aux objectifs fixés, en permettant d'une part de délivrer un signal de sortie qui ne dépend plus que de la composante utile du signal de détection, et en permettant d'autre15 part, soit d'augmenter l'amplitude du signal de sortie, soit de baisser la fréquence du signal de sortie, pour augmenter la résolution de la mesure de vitesse angulaire. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure d'une vitesse angulaire comportant: - un transducteur (1) destiné à tourner à ladite vitesse angulaire; - des moyens (9) pour générer une vibration mécanique dudit transducteur (1) en réponse à un signal d'excitation (OSC), cette vibration mécanique comportant une composante parasite, et au moins une composante utile ayant une amplitude représentative de ladite vitesse angulaire; - des moyens pour produire un signal électrique de détection (DET) représentatif de ladite vibration mécanique et comportant également une composante parasite et au moins une composante utile ayant une amplitude représentative de ladite vitesse angulaire; caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de traitement (23) pour obtenir à partir dudit signal électrique de détection (DET), un signal de mesure analogique (S'') dont l'amplitude ne dépend que de ladite composante utile du signal électrique de détection (DET), la composante parasite du signal électrique de détection étant éliminée. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que, ledit transducteur (1) est un diapason quartz. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que, ledit signal d'excitation (OSC) étant sinusoïdal, lesdits moyens de traitement (23) comportent des moyens (45; 49, 51, 61) pour mélanger le signal de détection (DET) et le signal d'excitation (OSC),30 associés à des moyens (38, 39, 41, 43,47; 53, 55, 57, 59, 63) de traitement analogique des signaux, de façon à obtenir un signal de sortie (S'') présentant une amplitude mesurable, représentative de la vitesse de rotation du dispositif de mesure de vitesse angulaire. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que lesdits moyens (23) de traitement analogique des signaux comportent un filtre passe-bas (47; 63), connecté en sortie du mélangeur (45; 61), et dont la fréquence de coupure est choisie de manière à éliminer les composantes du signal mélangé qui ont une fréquence supérieure à la fréquence du signal d'excitation. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens (23) de traitement analogique du signal comportent des déphaseurs (41, 43; 57, 59) connectés à 1 'entrée dudit mélangeur (45, 61), aptes à rendre le signal de mesure analogique indépendant d'un déphasage initial entre le signal d'excitation et le signal de détection, de sorte que l'amplitude du signal de mesure (S'') résultant présente une valeur proportionnelle à la vitesse angulaire à mesurer. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'amplification (38, 39; 53, 55) du signal d'excitation, du signal de détection, et/ou du signal de mesure. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (23) comportent des moyens (49, 51) pour mélanger respectivement le signal d'excitation (OSC) et le signal de détection (DET) avec un signal de référence (REF), associés à des moyens de filtrage passe- bas (63) et/ou des moyens déphaseurs (57, 59), de façon à produire un signal de sortie (S'') dont l'amplitude est fonction de la vitesse angulaire du transducteur et de l'amplitude du signal de référence. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que lesdits moyens de traitement (23) comportent des moyens (49, 51) pour35 mélanger respectivement le signal d'excitation (OSC) et le signal de détection (DET) avec un signal de référence (REF), associés à des moyens de filtrage passe-bas (63) et/ou des moyens déphaseurs (57, 59), de façon à produire *un signal de sortie (S'') dont la fréquence est fonction de la vitesse angulaire du transducteur et de la fréquence du signal de référence. 9. Dispositif selon la revendication 7, caractérisée en ce que ledit signal de référence (REF) possède une amplitude (R) suffisamment élevée, apte à augmenter la résolution du signal de mesure (S'') de la vitesse angulaire. 10. Procédé pour mesurer la vitesse angulaire d'un transducteur (1) soumis à une force de Coriolis du fait de son mouvement angulaire, comportant les étapes consistant à: - appliquer un signal électrique d'excitation (OSC) au transducteur (1), apte à générer en réponse un signal de détection (DET) comportant une composante utile représentative de la vitesse angulaire du transducteur (1), et une composante parasite; détecter ledit signal de détection; caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes consistant à mélanger le signal d'excitation (OSC) avec le signal de détection (DET), et à traiter les signaux d'excitation (OSC), le signal de détection et/ou le signal mélangé de façon à produire un signal de sortie (S'') dont l'amplitude est représentative de ladite composante utile mais indépendante de ladite composante parasite. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes consistant à: - déphaser le signal d'excitation (OSC) et le signal de détection (DET) d'une valeur correspondant au déphasage initial entre le signal d'excitation et le signal de détection; - - éliminer par filtrage les composantes des signaux déphasés et du signal de sortie mélangé qui ont des fréquences supérieures à la fréquence du signal d'excitation, de façon à obtenir un signal de sortie (S'') dont l'amplitude est une fonction de la vitesse angulaire. 12. Procédé pour mesurer la vitesse angulaire d'un transducteur (1) soumis à une force de Coriolis du fait de son mouvement angulaire, comportant les étapes consistant à: - appliquer un signal électrique d'excitation (OSC) au transducteur (1), apte à générer en réponse un signal de détection (DET) comportant une composante utile représentative de la vitesse angulaire du transducteur (1), et une composante parasite; - détecter ledit signal de détection; caractérisé en ce qu'il comporte en outre les étapes consistant à: - mélanger les signaux d'excitation (OSC) et de détection (DET), avec un signal de référence (REF); - déphaser les signaux mélangés d'une valeur correspondant au déphasage initial entre le signal d'excitation et le signal détecté; - filtrer les signaux mélangés et déphasés, de façon à éliminer les composantes de ces signaux qui ont des fréquences supérieures à la fréquence du signal d'excitation; - mélanger les signaux filtrés obtenus de façon à obtenir un signal de sortie, et filtrer ledit signal de sortie de façon à obtenir un signal de mesure dont l'amplitude est une fonction de la vitesse angulaire, indépendante de ladite composante parasite.