Brevet FR2800869A1 — publié le 20010511

La présente invention concerne le domaine de capteurs de rotation vibrants, comme par exemple des gyros- opes à résonateur hémisphériques (ou pour "hemispherical resonator gyroscopes"), et plus particulièrement un capteur vibrant dans lequel des seconds harmoniques parasites sont éliminés en utilisant un noeud/ventre virtuel. Des capteurs vibrants emploient un élément résonnant pour détecter une rotation du capteur en se basant sur l'effet de la force de Coriolis sur l'élément résonnant. Un type de capteur vibrant, utilisé ici seulement à titre d'exemple, appelé gyroscope à résonateur hémisphérique. Il faut noter que bien que l'explication présente utilise gyroscope à résonateur hémisphérique pour illustrer avantages et le fonctionnement de la présente invent' , l'application de la présente invention s'étend à n importe quel capteur vibrant qui mesure des oscillations d' élément résonnant. Des gyroscopes à résonateur hémisphérique sont connus dans la technique pour mesurer vitesse angulaire d'un corps autour d'un axe prédéterminé. Les gyroscopes à résonateur hémisphérique sont d'une importance primordiale dans des applications spatiales, comme l'orientation de satellites et de véhicules spatiaux. Les HRG sont fiables et ont une longue durée de vie active, ce qui fait que le gyroscope est particulièrement bien adapté pour cette application. Les gyroscopes comprennent de façon caractéristique un assemblage d'électrodes de génération de force, une coquille en quartz à paroi mince hémisphérique et un assemblage d'électrodes de détection, joints ensemble avec un métal de la famille des terres rares tel que l'indium. L'unité est logée dans une chambre à vide avec des passages de conducteurs électriques pour transmettre des signaux de tension du gyroscope à un microprocesseur, pour l'interprétation. Le fonctionnement général du gyroscope est envisagé dans le brevet des Etats-Unis n 4 951 508, délivré à Loper, Jr. et al. Le résonateur hémisphérique 10 est une structure à paroi mince en forme de cloche avec un bord qui peut se deformer en passant d'un profil circulaire à un profil elliptique lorsqu'il est soumis à certains champs électriques externes. Le résonateur est supporté par une tige qui lui est intégrée, qui est elle-même supportée par boîtier pour les électrodes de détection et de génération de force. En appliquant une tension de génération de force cyclique, on peut établir une configuration d'onde stationnaire dans le résonateur. Pour établir l'onde stationnaire, on polarise initialement le résonateur hémisphérique à une tension de niveau connu, et on applique ensuite un champ électrique variable avec les électrodes de génération de force. Si les électrodes de genération de force appliquent le champ électrique variable approprié à des intervalles angulaires de 90 degrés, le resonateur se déformera par flexion en une onde stationnaire telle que celle représentée sur la figure 1. L'onde résonnante fondamentale a quatre noeuds a, b, c, d et quatre ventres e, f, g, h autour de la periphérie du résonateur, alternés et uniformément espacés de quarante-cinq degrés. Les noeuds sont des points sur 1 onde stationnaire où le déplacement est minimal, et les ventres sont des points sur l'onde stationnaire où le deplacement est maximal. Le fonctionnement du gyroscope à resonateur hémisphérique exige un suivi précis du mouvement de l'onde stationnaire, qui exige à son tour que 1 emplacement des noeuds et des ventres soit détermine avec exactitude. Une propriété physique du gyroscope la suivante: si on fait tourner un résonateur libre autour d un axe normal à la page (voir la figure 2), 'onde stationnaire accomplira un mouvement de précession dans une direction opposée à la rotation d'origine, à cause la force de Coriolis. En outre, la valeur de la précession angulaire sera de 0,3 fois le déplacement angulaire du résonateur la valeur 0,3 étant une propriété géométrique de la forme hémisphérique du résonateur, restant constante pour tout angle de rotation et toute vitesse de rotation. exemple, si on fait tourner le résonateur de la figure 4 de quatre-vingt-dix degrés en sens inverse d'horloge, comme indiqué par le déplacement angulaire de l'encoche 20, l'onde stationnaire accomplira une précession de vingt-sept degrés en sens d'horloge, comme représenté sur la figure 2. De cette manière, lorsqu'on fait tourner un gyroscope à résonateur hémisphérique autour son axe principal, on peut déterminer une information concernant la rotation du gyroscope à résonateur hémispherique en mesurant changement dans la position angulaire de l'onde stationnaire. position de l'onde stationnaire à la fois avant et après la rotation du gyroscope est déterminee par les électrodes de détection positionnées autour du composant annulaire externe du boîtier. En mesurant la capacité à travers l'espace formé entre les électrodes de detection et le résonateur, on peut déterminer de manière exacte la distance à travers cet espace. Cette information est traitée par un microprocesseur de manière à déterminer la position exacte de l'onde stationnaire. En mesurant le changement de position de l'onde stationnaire, on peut aisément déterminer la rotation du gyroscope. gyroscopes à résonateur hémisphérique fonctionnent dans l'un de deux modes . un mode d'angle entier un mode de rééquilibrage de force. Dans le mode d'angle entier, on laisse l'onde stationnaire accomplir librement son mouvement de précession sous l'influence de la force de Coriolis occasionnée par la rotation du gyroscope, comme on vient de le décrire. on évalue la position instantanée de l'onde stationnaire calculant l'arc tangente du rapport de l'amplitude des deux signaux de détection. Dans le mode d'angle entier, la dynamique du gyroscope est limitée exclusivement par la résolution et le traitement de l'estimation des signaux de détection. Dans le mode de rééquilibrage de force l'onde stationnaire est retenue de façon à ne pas accomplir de mouvement de précession sous l'influence de la force de Coriolis, et on utilise la valeur de la force retenue pour calculer la vitesse de rotation du gyroscope. Dans ce mode, il existe un signal de génération force supplémentaire qui maintient l'onde stationnaire dans une position azimutale fixe. L'intensité de force nécessaire pour maintenir l'onde stationnaire fixe est proportionnelle à la vitesse de rotation d'entrée. Pour des gyroscopes à rééquilibrage de force, le traitement de commande et de lecture orienté vers le boîtier est éliminé, et les performances de bruit de sortie peuvent être optimisées du fait que les exigences de dynamique de l'estimation de signaux de détection sont fortement réduites. Dans le mode de rééquilibrage de force quatre mécanismes de commande séparés sont nécessaires. Le premier mécanisme de commande est la boucle d'asservissement de phase, qui est nécessaire pour suivre la fréquence et la phase naturelles de 1a résonance à Q élevé. Cette boucle fournit une référence temporelle pour les autres mécanismes lecture et d'entraînement. Le second mécanisme de commande est la boucle de commande d'amplitude, établit maintient l'amplitude d'onde stationnaire stable exigée. Le troisième mécanisme de commande est la boucle de commande en quadrature, qui est utilisée pour éliminer la petite discordance de fréquence entre les deux axes de flexion principaux. Le mécanisme de commande final est la boucle de commande de vitesse angulaire, qui s'applique seulement au mode de rééquilibrage de force, et maintient l'onde stationnaire dans une position fixe tandis que la vitesse angulaire inertielle est mesurée directement au moyen de la génération de force en boucle fermée qui est appliquée. Les boucles d'asservissement de phase, de commande 'amplitude et en quadrature sont exigées à la fois pour le mode d'angle entier et le mode de rééquilibrage force. boucles de commande d'amplitude et d'asservissement de phase maintiennent respectivement l'amplitude de flexion et référence temporelle. Ces processus sont associés aux dispositifs de détection et de génération de force l'axe ventres. L'amplitude de flexion nominale définit le moment cinétique stocké et le facteur d'échelle de vitesse angulaire dans le gyroscope à résonateur hémisphérique dans le mode de rééquilibrage de force. La boucle d'asservissement de phase est nécessaire pour suivre l'oscillation libre du résonateur, de façon les fonctions de démodulation et d'entraînement puissent être synchronisées sur la résonance à bande étroite. Les boucles de commande de vitesse angulaire et en quadrature utilisent dispositifs de génération de force indépendants pour entraîner vers zéro les composantes d'amplitude de détection nodales. La boucle de commande en quadrature atténue la vibration en mode de quadrature qui se développe à cause de la faible discordance de fréquence entre les deux axes. La boucle de commande de vitesse angulaire utilise l'entraînement angulaire pour annuler la composante d'amplitude nodale en phase, c'est-à-dire la déflexion de l'onde stationnaire. La figure 3 est une représentation 'une boucle de commande de vitesse angulaire, dans laquelle la case 30 représente un modèle du mécanisme de gyroscope à résonateur hémisphérique. Le modèle comprend un facteur d'échelle K qui convertit des volts en force électrostatique qui annule la force de Coriolis due à une grandeur d'entrée inertielle, et la force différentielle résultante, en une réponse dynamique P(s) de l'amplitude nodale en phase yi. La force différentielle comprend une composante de bruit thermique Ç#TN ainsi qu'une composante de polarisation Ç#B. Le signal d'entrée provenant du dispositif de détection du gyroscope à résonateur hémisphérique est amplifié en 40 et converti en un signal numérique 50, après quoi un microprocesseur 60 peut analyser le signal et fournir sortie une estimation de vitesse angulaire R. L'estimation de vitesse angulaire numérique est appliquée au convertisseur numérique- analogique qui génère un signal en synchronisme avec la phase du gyroscope à résonateur hémisphérique, ayant l'amplitude nécessaire pour maintenir Yi à zéro. Le signal analogique est amplifié en 80 sommé avec le signal de tension d'électrodes de génération de force VDN, et le signal est renvoyé au modèle 30 pour un traitement ultérieur. Dans le mode de rééquilibrage de force, l'onde ou la configuration de vibration fondamentale, c'est-à-dire la configuration de vibration 2N, retenue de façon à être fixe par rapport au gyroscope à résonateur hémisphérique. Le gyroscope à résonateur hémisphérique présent retient l'onde stationnaire de façon qu'un noeud soit fixé directement au-dessous d'une electrode de détection. Du fait que le signal est réduit à un minimum théorique directement au-dessous du noeud, le signal peut être amplifié pour obtenir une plus grande précision. C'est ce signal amplifié VPN qui est grandeur d'entrée de la boucle de commande de vitesse angulaire, et qui est utilisé pour commander l'ordre de genération de force pour maintenir ce signal à "zéro". L'inconvénient avec la methodologie qu'on vient de décrire consiste en ce que 1 onde stationnaire dans le résonateur a des harmoniques en plus de la configuration de vibration 2N. Parmi ceux-ci, second harmonique est le plus important, du fait que second harmonique a un maximum situé au noeud de la configuration de vibration 2N. Par conséquent, à l'endroit auquel le signal est supposé être égal à zéro dans le cas ideal, il y a une contribution maximale du second harmonique, qui limite l'amplification du signal. De plus, le condensateur de détection a une taille finie et est soumis au déplacement du résonateur directement au-dessous de la surface entière de l'électrode. Du fait de la forme géométrique du dispositif de détection et de la forme que prend résonateur lorsqu'il accomplit son mouvement de flexion lorsque le noeud est directement au centre du dispositif détection, il y a un déplacement moyen entre le résonateur en flexion et le dispositif de détection, au double de fréquence fondamentale. Ce second harmonique empêche une amplification élevée du signal. La présente invention vise à éliminer les inconvénients des capteurs vibrants de l'art antérieur en créant un noeud et un ventre virtuels pour évaluer le signal inertiel d'onde stationnaire. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, on crée un noeud virtuel en retenant le ventre réel de la configuration de vibration 2N à une position équidistante entre les deux électrodes de détection. Les signaux provenant de ces deux électrodes de détection sont ensuite soumis à la fois à un calcul de somme et un calcul de différence par des circuits électroniques appropriés, pour créer respectivement un ventre virtuel et un noeud virtuel. Le noeud virtuel est créé du fait que les deux signaux équidistants du ventre réel comprennent tous deux une contribution égale provenant du mode de flexion 2N et du second harmonique, de façon que lorsqu'on calcule la différence des deux signaux, le signal résultant ait un tres faible niveau de sortie. De façon similaire, le ventre virtuel comprend le déplacement radial de crête du mode de flexion 2N et du mode de flexion du second harmonique. Le noeud virtuel est maintenant réduit au niveau de différences de fabrication entre électrodes, qui est suffisamment faible pour permettre une amplification élevée, sans la nécessité d'un décalage et d'un filtrage de fréquence. Bien que le ventre virtuel contienne deux contributions provenant du second harmonique, la valeur du second harmonique est inférieure en moyenne à un pour cent (1%) du mode de vibration fondamental, et par conséquent la contribution du second harmonique n'aura pas d'influence significative sur la dynamique de la conversion analogique- numérique au moment l'échantillonnage du ventre virtuel. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La suite de la description se réfère aux dessins annexés, dans lesquels La figure est une représentation d'une onde stationnaire du type généré par un capteur vibrant; La figure est une représentation de l'onde stationnaire de la figure 1 après que le capteur vibrant a été tourné de quatre-vingt-dix degrés autour d'un axe normal à la page; La figure 3 un schéma d'une boucle de commande de vitesse angulaire pour un capteur vibrant; et La figure 4 un schéma d'un mode de réalisation préféré d'un circuit de traitement de données inertielles de la présenté invention. La description qui suit est présentée pour permettre à l'homme de l'art de mettre en oeuvre et d'utiliser l'invention, et elle présente les meilleurs modes envisagés par 'inventeur pour mettre en oeuvre son invention. Diverses modifications apparaîtront cependant aisément à l'homme l'art, du fait que les principes généraux de la présente invention ont été définis ici de façon spécifique pour procurer un mécanisme pour générer un noeud virtuel et un ventre virtuel sur un capteur vibrant qui peuvent être évalues avec une amplification plus élevée que pour le noeud et ventre réels, par l'élimination de seconds harmoniques parasites. Bien que la présente invention utilise un gyroscope à résonateur hémisphérique pour illustrer le fonctionnement de la présente invention, il faut noter la présente invention est applicable à d'autres capteurs vibrants dans lesquels une vitesse de rotation est mesuree en utilisant force de Coriolis. La figure 1 représente une onde stationnaire d'un gyroscope à résonateur hémisphérique, les ignes en traits mixtes représentant déflexions maximale et minimale de l'onde stationnaire.- Dans un mode réalisation préféré de la présente invention, une première électrode de détection 100a est placée en une position espacée de vingt-deux degrés et demi par rapport au ventre e, et une seconde électrode de détection 100b est placée de l'autre côté du ventre e, à une distance égale à celle de la première électrode de détection. Dans le fonctionnement en mode de rééquilibrage force, le résonateur sera maintenu dans cette configuration par les circuits électroniques du système. Dans cette position, les deux électrodes de détection seront soumises à un signal ' n'est ni un minimum ni un maximum signal 2N fondamental, mais à la place les deux électrodes de detection reçoivent un signal qui est approximativement égal à soixante-dix pour cent de la valeur de crête du signal fondamental. L'emplacement des électrodes de detection fournit un signal avec une contribution provenant à la fois de la configuration de vibration 2N (c'est-à-dire mode de vibration fondamental) et de la configuration du second harmonique de l'onde stationnaire. A 22,5 degrés de la position de ventre, le signal est donné par l'expression Acos (45 + eerreur) X sin (COt) + Bsin (45 + Oerreur) X sin (2ù)t) dans laquelle A est l'amplitude de crête du signal 2N, erreur est le décalage entre la position prédite et la position réelle de l'onde stationnaire, et B est la valeur crête du signal du second harmonique. L'expression pour la seconde électrode de détection est Asin (45 + eerreur) X sin (0)t) + Bcos + eerreur) X sin (2ü)t) dans laquelle les coefficients même signification que ci-dessus. Si on calcule la différence signaux provenant des deux électrodes de détection l'expression pour le signal résultant, avec l'approximation correspondant à de petits angles, est donnée par Ce signal est amplifié et échantillonné de façon numérique. Un microprocesseur effectue ensuite une démodulation numérique sur le signal amplifié ' distingue entre le signal 2N (sin(cot)) et le signal de second harmonique (sin(2a)t)). Le microprocesseur commande ensuite les électrodes de génération de force pour minimiser l'amplitude de la composante 2N du signal amplifié, ce qui, dans le cas idéal, amène eerreur à zéro. I1 y a une erreur associée à la variation des électrodes qui peut s'élever jusqu'à deux pour cent (2%). Par conséquent, lorsqu'il y a un zéro dans le signal 2N pour différence des deux électrodes, la valeur du second harmonique peut s'élever jusqu'à 0,02% de l'amplitude de crete du signal 2N. Ceci permet une amplification de 1/0,0002 = 5000 avant que le signal du second harmonique ne sature le convertisseur analogique-numérique, et un amplificateur à onze bits (2048) ou à douze bits (4096) est utilisé dans ce but. La figure 4 montre un schéma d'un circuit pour atteindre les objectifs de la présente invention. Un amplificateur-séparateur 200 reçoit signal provenant de la première électrode de détection et un amplificateur- séparateur 201 reçoit le signal provenant de la seconde électrode de détection. Un ventre virtuel est créé par un élément de sommation 202 qui additionne les deux signaux, et un noeud virtuel est créé par un élément de calcul différence 203 qui soustrait le signal de l'amplificateur- séparateur 200 de celui de l'amplificateur-séparateur Le signal 210 au ventre virtuel est amplifié par un amplificateur 220 et transmis au multiplexeur 215 connecté au convertisseur analogique-numérique 250. Le signal 230 au noeud virtuel est amplifié par un amplificateur 240 et séparé en deux signaux 270, 280, le premier signal 270 est transmis au multiplexeur 215 sans être amplifié et le second signal 280 est fortement amplifié avant d'être reçu le multiplexeur 215. La division du signal du noeud virtuel est avantageuse pour le démarrage et permet un mode fonctionnement à angle entier de faible valeur. Bien que le traitement des signaux exige des circuits analogiques supplémentaires pour démoduler signal et filtrer le résultat, la présente invention améliore la précision sans les circuits et filtres supplémentaires, au prix de seulement deux amplificateurs somme et de différence supplémentaires. En outre, presente invention élimine les signaux parasites associés à démodulation des harmoniques impairs d'une onde carrée, sont interprétés comme une information de signal d'orientation inertielle. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif et au procédé décrits et représentés, sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Circuit de traitement d'une grandeur d'entrée inertielle pour un capteur vibrant avec un résonateur forcé caractérisé en ce qu'il comprend une première électrode de détection (100a) pour détecter un déplacement radial d'une onde stationnaire, cette première électrode de détection -(100a) étant positionnée pour détecter un déplacement radial de l'onde stationnaire, variant dans le temps, en position médiane entre une position de ventre (e) et une première position de noeud (a) adjacente, et pour générer un premier signal de tension caractéristique du déplacement radial variant dans temps, et une seconde électrode de détection (100b) positionnée de façon à détecter un déplacement radial de l'onde stationnaire, variant dans le temps, en position médiane entre la position de ventre (e) et une seconde position de noeud (b) adjacente et pour générer un second signal de tension caractéristique du déplacement radial variant dans le temps; un élément de sommation de signaux (202) connecté aux première et seconde électrodes de détection (1 , 100b) cet élément de sommation de signaux (202) générant un signal de somme en additionnant le premier signal tension au second signal de tension; un élément de calcul de différence de signaux (2 connecté aux première et seconde électrodes de détection (100a, 100b), cet élément de calcul de différence signaux (203) générant un signal de différence soustrayant le second signal de tension du premier signal de tension, de façon qu'une contribution provenant d' configuration de second harmonique présente dans les premier et second signaux de tension soit éliminée dans signal de différence; un amplificateur connecté à l'élément de calcul différence de signaux (203) pour recevoir le signal de tension de différence et générer un signal de différence amplifié; un multiplexeur (215) connecté à l'élément de sommation signaux (202) et à l'élément de calcul de différence signaux (203) pour recevoir le signal de tension de somme, le signal de tension de différence et le signal de tension de différence amplifié. 2. Procédé pour éliminer la contribution d'une vibration second harmonique dans la détection 'un emplacement d'une onde stationnaire dans un capteur vibrant, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes . on place une première électrode de détection ( Oa) à vingt-deux degrés et demi d'un emplacement d'un ventre (e) défini une configuration de vibration fondamentale, et on place une seconde électrode de détection (100b) à vingt-deux degrés et demi dans la direction opposee à partir de l'emplacement du ventre (e); on transmet à un premier amplificateur-séparateur (200) un signal de tension provenant de la première électrode détection (100a), et on transmet à un second amplificateur-séparateur (201) un second signal de tension provenant la seconde électrode de détection (100b); on crée un ventre virtuel en faisant la somme des signaux tension provenant du premier amplificateur- séparateur (200) et du second amplificateur-séparateur (201), et on dirige le signal de somme vers un multiplexeur (215) ; on crée un noeud virtuel en faisant la différence des signaux de tension provenant du premier amplificateur- séparateur (200) et du second amplificateur-séparateur (201), et en dirigeant le signal de tension de différence vers le multiplexeur (215); on dirige le signal de tension de différence vers un amplificateur pour l'amplification du signal de tension de différence, et on transmet au multiplexeur (215) le signal de tension de différence amplifié; on transmet à un convertisseur analogique-numérique (250) le signal de tension de somme et le signal tension de différence amplifié, pour convertir les signaux de tension en un signal numérique; et on transmet les signaux numériques à un microprocesseur pour démoduler les signaux numériques et commander un signal de sortie d'application -de force basé sur une évaluation des signaux numériques démodules. Gyroscope à résonateur hémisphérique perfectionné fonctionnant en mode de rééquilibre de force, du type comprenant un assemblage d'électrodes d'application de force un résonateur hémisphérique adapté pour osciller en une configuration d'onde stationnaire en présence d'un champ électrique externe généré par l'assemblage d'électrodes d'application de force, et un assemblage d'électrodes de détection (100a, 100b) pour détecter une position de l'onde stationnaire en mesurant une capacité entre électrodes de détection individuelles et le résonateur hémisphérique et en convertissant le déplacement en un signal de tension, et dans lequel la configuration d'onde stationnaire comprend une configuration de vibration fondamentale et au moins une configuration de vibration de second harmonique, caractérisé en ce qu'il comprend une paire d'électrodes de détection individuelles (100a, 100b) placées autour d'une périphérie l'onde stationnaire avec chacune des électrodes de détection individuelles disposée à une distance égale et part et d'autre d'un ventre (e) sur la configuration de vibration fondamentale de l'onde stationnaire, de façon que la contribution du signal de tension provenant de la configuration de vibration fondamentale et la contribution de la configuration de vibration de second harmonique soient égales à des contributions correspondantes de configurations de vibration fondamentale et de second harmonique pour chaque électrode de détection (100a, 100b); un noeud virtuel généré en soustrayant le signal de tension à une electrode de détection (100a) du signal de tension à l'autre électrode de détection (100b), de façon que le signal tension au noeud virtuel n'ait pas une contribution provenant de la configuration de vibration fondamentale ou la configuration de vibration de second harmonique; un amplificateur choisi pour maximiser le signal au ventre virtuel sans filtrage ou décalage de fréquence.