Brevet FR2748106A1 — publié le 19971031

APPAREIL DE MESURE A DETECTEUR LASER La présente invention concerne les appareils de mesure comprenant un détecteur laser, son circuit de traitement de signal et un circuit d'alimentation électrique à partir d'une source de courant continu. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les gyroscopes et gyromètres laser, qu'on désignera collectivement par la suite sous le terme de "gyrolasers". Un appareil de mesure du genre ci-dessus nécessite pour son fonctionnement plusieurs tensions très différentes. I1 nécessite une très haute tension pour amorcer le plasma, puis une haute tension pour entretenir le courant de décharge dans le plasma. Une moyenne tension, plus faible, est généralement requise pour commander différents actionneurs, par exemple pour déplacer un miroir et ajuster la longueur de la cavité laser. Une basse tension de polarité de la source est souvent nécessaire pour alimenter les circuits analogiques et/ou numériques de traitement de signal. A l'heure actuelle les différentes tensions sont généralement fournies soit par plusieurs sources d'énergie, soit par l'intermédiaire de plusieurs transformateurs. Cette constitution conduit à un poids et un volume élevé des moyens d'alimentation et à une consommation également élevée. La présente invention vise notamment à fournir un appareil de mesure du genre ci-dessus dont le circuit dali- mentation électrique, à partir dune source de courant continu à basse tension, a un volume et un poids nettement inférieurs à ceux de circuits habituels. Dans ce but l'invention propose notamment un appareil de mesure comprenant un laser ayant des électrodes d'amorçage et de maintien de décharge et des moyens de réglage de la longueur de la cavité laser, un circuit de traitement de signal de sortie du laser et un circuit d'alimentation électrique à partir d'une source de courant continu, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation électrique comprend un transformateur unique ayant un enroulement primaire muni dun interrupteur de hachage du courant provenant de la source, un premier secondaire d'alimentation en haute tension desdites électrodes par l'intermédiaire d'un circuit de redressement et de filtrage et un second secondaire de fourniture d'une basse tension destinée au circuit de traitement, placée en parallèle avec un condensateur de capacité suffisante pour que la basse tension soit sensiblement indépendante du rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur et en ce qu'il comprend des moyens d'asservissement du courant de maintien de décharge à une valeur de consigne déterminée par commande du rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur. Le circuit d'alimentation doit fournir, jusqu'à amorçage de la décharge, une tension nettement plus élevée que celle qui est nécessaire pour l'entretien de la décharge. La tension qui peut être atteinte aux bornes du premier secondaire, lorsque la charge constituée par le laser n'absorbe pas de courant, varie en fonction inverse de la capacité équivalente du transformateur, ramenée au secondaire. Pour obtenir une très haute tension, il faut diminuer le plus possible les capacités parasites des bobinages et la différence de tension entre spires adjacentes. Cela conduira généralement à utiliser un transformateur dont le primaire comporte une seule couche de spires. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donnée à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 est un schéma synoptique d'un appareil de mesure constituant un gyrolaser, conforme à un mode de réalisation de l'invention, - la figure 2 est un diagramme montrant la variation du courant et de la tension en différents points de l'appareil de la figure 1, - la figure 3 montre une constitution possible d'un des composants de l'appareil de la figure 1. L'appareil montré en figure 1 comprend un gyrolaser 10 et les circuits électriques qui lui sont associés. Ces circuits électriques comportent un circuit d'alimentation électrique à partir d'une source de courant continu à basse tension +V0 et un circuit de traitement du signal de sortie du gyrolaser, qui intervient également sur le circuit d'alimentation pour réaliser une régulation, comme on le verra plus loin. Dans le cas fréquent d'un gyrolaser embarqué, la tension continue + Vo sera celle disponible sur le réseau de bord, par exemple de + 5 volts ou + 12 volts. Le gyrolaser 10 représenté sur la figure a une constitution classique à trois miroirs. I1 comprend un corps 12,généralement en verre à faible coefficient de dilatation thermique, dans lequel sont pratiqués des capillaires 13 contenant le milieu laser (hélium, néon, par exemple). Trois miroirs 14a, 14b, 14c replient le chemin optique aux angles du corps 12. L'effet laser est créé dans le gaz actif par des électrodes comprenant, dans le cas illustré, une cathode 16 placée sur une branche et deux anodes 18 placées sur les autres branches. Un détecteur 20 destiné à former des franges et fournir la fréquence de battement reçoit, par des moyens non représentés, les faisceaux qui ont parcouru le gyrolaser dans un sens et dans l'autre. Le gyrolaser pourrait être aussi bien à trajet optique carré, avec une ou deux cathodes. En règle générale, le corps du gyrolaser est porté par un actionneur (non représenté) destiné à lui imposer un mouvement d'oscillation ou t'dither autour de son axe, comme indiqué par la flèche double f, pour éviter un verrouillage mutuel des deux ondes contra-rotatives lors de rotations lentes du corps. Pour ajuster la longueur de la cavité laser, l'un des miroirs, 14c par exemple, est généralement porté par un actionneur 21 (pastille de matériau piezzo électrique par exemple) dont la longueur est modifiée par commande de la tension qui lui est appliquée sur une entrée 22. Le circuit d'alimentation comprend un transformateur unique 24 ayant un enroulement primaire 26 et deux enroulements secondaires 28 et 30. L'enroulement primaire 26 est alimenté par la tension VO à travers un circuit LC 27 et le courant qui le traverse est haché par un interrupteur 29, constitué par exemple par un transistor MOS. Le premier enroulement secondaire 28 est destiné à fournir la très haute tension nécessaire à l'amorçage de la décharge puis, après amorçage, la haute tension nécessaire à l'entretien. Ces tensions sont élaborées en accumulant une énergie Wm sous forme magnétique dans le transformateur et en la transférant sous forme d'une énergie électrique We à la charge. Le courant de sortie du secondaire 28 est redressé par des moyens tels qu'une diode 34 et filtré par le réseau comprenant les condensateurs 31 et 32 et une résistance 36. Si on désigne par 1/T la fréquence de répétition des fermetures de l'interrupteur 28 et par AT/T le rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur, l'énergie Wm accumulée à chaque période T est égale à (1/2 Lim2, où L désigne l'inductance au primaire et où im est le courant maximum atteint au primaire, à la fin de la période AT. Jusqu'à amorçage de la décharge, aucun courant n'est absorbé par le gyrolaser. L'énergie magnétique Wm transférée au secondaire 28 met en oscillation le circuit constitué par la capacité équivalente ramenée au secondaire Cs et l'inductance Ls du secondaire. Les deux condensateurs 31 et 32, ayant chacun une capacité C/2, se chargent progressivement. La tension maximale VM susceptible d'être obtenue correspond à l'équilibre We = Wm. Cette tension maximale VM est donc VM = (2Wm/Cs) 1/2 En fait, comme le montre la première ligne de la figure 2, la tension cesse de croître dès que la tension d'amorçage Va est atteinte et elle retombe alors à une valeur de fonctionnement Vf. Après amorçage, l'énergie électrique consommée pendant chaque période T est We = Vf.id.T où id désigne le courant de décharge. Lors du fonctionnement, il est souhaitable de maintenir le courant id à une valeur de consigne qui peut être soit fixe, soit ajustée en fonction de paramètres tels que la température, la durée de fonctionnement, la puissance du faisceau optique. Ce réglage peut aisément être effectué par action sur le rapport cyclique DUIT. Pour permettre la régulation à partir de l'amorçage, les courants qui traversent les deux branches munies chacune d'une anode 18 sont mesurés par des diviseurs respectifs 38 et 40. Les valeurs prélevées aux points milieux sont appliquées, par l'intermédiaire d'un convertisseur analogiquenumérique 42 à un organe de calcul 44 qui pourra être un micro-contrôleur, réalisable sous forme d'un circuit intégré d'application spécifique. Le micro-contrôleur permet également de commander l'actionneur ou les actionneurs, comme on le verra plus loin, dans le mode de réalisation illustré. La régulation pourrait s'effectuer à partir d'une mesure du courant dans une seule branche. La mesure des deux courants permet de vérifier qu'ils sont l'un et l'autre établis. Pour la régulation les courants sont numérisés, additionnés dans un additionneur 56 (figure 3). La somme est comparée à une valeur de consigne, fournie par un générateur 58, dans un additionneur 60. Le signal d'erreur est soumis en 62 à une intégration destinée à éviter les erreurs statiques et utilisé comme entrée de commande de AT/T. La moyenne tension nécessaire au fonctionnement des actionneurs peut être obtenue à partir de l'enroulement secondaire 28. Pour cela, la tension de crête paraissant aux bornes de l'enroulement secondaire 28 est prélevée à travers une diode 46 et conservée pendant l'ensemble de la période T par un condensateur 48 de capacité suffisante. Cette moyenne tension peut notamment être appliquée à un circuit 50 de puissance alimentant l'actionneur 21 et commandée par le micro contrôleur 44. Le second secondaire 30 permet disbtenir une basse tension supplémentaire, utilisée pour alimenter des composants tels les circuits analogiques. Si la tension +V0 d'alimentation est de 5 volts, le primaire peut notamment être utilisé pour fournir une tension - VO = - 5 volts. Le secondaire 30 a alors un nombre de spires égal au nombre de spires du circuit primaire 26. La tension de crête est prélevée par une diode 52 et stockée sur un condensateur 54 de capacité suffisante pour éviter une baisse de tension audelà de la durée de fermeture AT. Le fonctionnement de l'appareil ressort de la description qui précède et ne sera donc que sommairement indiqué. Pour le démarrage, le rapport cyclique AT/T est maintenu à la limite de saturation du circuit magnétique. Lorsque les deux courants sous les branches du gyrolaser sont établis, le micro-contrôleur passe en régulation de courant agissant sur le rapport cyclique. Si un seul des courants s'établit, le micro active puis désactive l'extinction du gyro plusieurs fois de suite pour obtenir l'allumage des deux branches. Jusqu'à l'allumage, l'énergie Wm accumulée à chaque conduction de l'interrupteur 20 est récupérée, lors du blocage, via la diode 34, dans les deux condensateurs réservoirs 31 et 32. La tension s'élève à chaque cycle, et l'allumage intervient dès Va, avant d'atteindre la tension, Vmax = (2.Wm /Cs) Une fois les courants de décharge établis, la tension obtenue se stabilise compte tenu de l'impédance du tube. Le courant est régulé par le microcontrôleur qui calcule le rapport cyclique AT/T en permanence et envoie le signal correspondant. L'appareil montré en figure 1 comporte également des moyens d'extinction du plasma en détournant le courant fourni par les moyens d'alimentation vers une résistance de charge. Ces moyens comprennent un interrupteur, tel qu'un transistor MOS, permettant de fermer le second secondaire et la résistance de charge 66. A la suite d'un défaut, le micro-contrôleur 44 envoie à l'interrupteur 64 un signal de conduction qui provoque une dissipation de la puissance fournie dans la résistance 66 et une chute de la tension d'entretien suffisante pour arrêter la décharge. Cette régulation de courant n'a pas d'effet sur les autres tensions. REVENDICATIONS 1. Appareil de mesure comprenant un laser (10) ayant des électrodes (16,18) d'amorçage et de maintien de décharge et des moyens (21) de réglage de la longueur de la cavité laser, un circuit de traitement de signal de sortie du laser et un circuit d'alimentation électrique à partir d'une source de courant continu, caractérisé en ce que ledit circuit d'alimentation électrique comprend un transformateur unique ayant un enroulement primaire (26) muni d'un interrupteur (29) de hachage du courant provenant de la source, un premier secondaire (28) d'alimentation en haute tension des électrodes par 1' intermédiaire de moyens de redressement (34) et de filtrage et un second secondaire (30) de fourniture d'une basse tension destinée au circuit de traitement, placé en parallèle avec un condensateur (54) de capacité suffisante pour que la basse tension soit sensiblement indépendante du rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur et en ce qu'il comprend des moyens d'asservissement à une valeur de consigne déterminée du courant de maintien de la décharge, par commande du rapport cyclique de fermeture de l'interrupteur (29). 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enroulement primaire (26) est à une seule couche de spire. 3. Appareil selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier secondaire (28) est relié d'une part aux électrodes (16, 18) du laser par l'intermédiaire d'un redresseur (34) et d'un circuit résistance capacité (31, 32, 36) et d'autre part à des éléments alimentés en moyenne tension par l'intermédiaire d'un redresseur de crête (46) et d'une capacité de stockage (48) suffisante pour que la moyenne tension soit sensiblement indépendante du rapport cyclique. 4. Appareil selon la revendication 1, 2 ou 3, dont le laser est en anneau et constitue l'élément sensible d'un gyromètre ou gyroscope, caractérisé en ce que la haute tension est appliquée à la cathode (16) du laser dont les anodes (18) sont reliées à la masse par des ponts diviseurs résistifs respectifs et en ce que les points milieux des ponts diviseurs sont appliquées à l'entrée de moyens d'asservissement du courant qui traverse le laser. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'asservissement du courant comportent des moyens de comparaison entre la somme des courants et un seuil. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent de plus des moyens pour provoquer un arrêt et un réamorçage du laser au cas où l'un des courants est inférieur à une valeur déterminée. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par des moyens d'extinction du laser par dérivation de la puissance prélevée au second secondaire vers une résistance de charge.