Brevet FR2849183A1 — publié le 20040625

GYROMETRE VIBRANT AVEC ASSERVISSEMENT DE LA FREQUENCE DE DETECTION SUR LA FREQUENCE D'EXCITATION L'invention concerne un gyromètre vibrant. On rappelle le principe de fonctionnement d'un gyromètre vibrant en relation avec la figure 1. Une masse M est suspendue sur un cadre rigide C par 5 l'intermédiaire de deux ressorts de raideur Kx et Ky Elle possède donc deux degrés de liberté suivant les directions x et y. Le système peut être considéré comme un ensemble de deux résonateurs de fréquence propre Fx selon x et Fy selon y. La masse M est excitée à sa fréquence propre Fx selon l'axe x. En présence d'une vitesse de rotation Q autour du troisième axe z, les forces de Coriolis provoquent un couplage entre les deux résonateurs engendrant une vibration de la masse selon l'axe y. L'amplitude du mouvement selon y est alors proportionnelle à la vitesse de rotation Q. Cette amplitude est également fonction de la différence des fréquences propres Fx et Fy: la sensibilité maximale est atteinte lorsque les deux fréquences propres sont égales. En particulier, pour les gyromètres de haute performance, il est nécessaire d'obtenir une sensibilité maximale du déplacement par rapport à 20 la vitesse de rotation Il est donc très souhaitable de rendre ces fréquences égales. Mais lorsque la condition d'égalité des fréquences est atteinte, la bande passante du gyromètre devient très faible Pour l'augmenter, on asservit le mouvement de détection selon y en appliquant sur la masse une 25 force électrostatique ou électromagnétique selon l'axe y qui contrebalance la force créée par le couplage de Coriolis Il n'y a plus de vibration de la masse suivant y et c'est alors la force de contre-réaction proportionnelle à la vitesse de rotation Q qui est mesurée. Il est donc souhaitable pour les gyromètres vibrants les plus 30 performants de réaliser un asservissement suivant l'axe y et d'obtenir la coincidence des fréquences Fx et Fy. Cependant, les dispersions dues au mode de réalisation ne permettent pas d'obtenir par la fabrication un écart de fréquence parfaitement nul Pour égaliser les deux fréquences il est donc nécessaire de réaliser un ajustement. Une première méthode consiste à rendre ces fréquences égales par un équilibrage mécanique Il s'agit alors de modifier par un enlèvement 5 de matière localisé les caractéristiques de masse ou de raideur de l'un ou l'autre des résonateurs Cette méthode peut être utilisée pour réaliser un réglage initial grossier des fréquences. Une autre méthode consiste à réaliser un équilibrage électrique. Par l'intermédiaire d'électrodes, on ajoute une raideur électrostatique (ou 10 électromagnétique) variable sur un des deux résonateurs de façon à faire varier sa fréquence propre Cette méthode permet de réaliser un réglage initial très fin des fréquences à partir d'une tension électrique appliquée sur les électrodes. Dans le cas o l'on utilise un gyromètre dont les fréquences ont 15 été initialement réglées par l'une de ces méthodes, le réglage initial de concidence des fréquences de résonance mécanique Fx et Fy ne peut être conservé à long terme et dans toutes les conditions d'environnement. En effet des phénomènes parasites mécaniques et les phénomènes de thermoélasticité ne sont pas rigoureusement identiques pour 20 les deux résonateurs et peuvent conduire à une différenciation des fréquences lorsque les conditions d'environnement mécanique et thermique évoluent. Un but important de l'invention est donc de proposer un gyromètre vibrant permettant que le réglage initial de concidence des fréquences de 25 résonance mécanique Fx et Fy puisse être conservé à long terme et dans toutes les conditions d'environnement. Pour atteindre ces buts, I'invention propose un gyromètre comportant au moins une masse M apte à vibrer selon un axe x à une fréquence de résonance d'excitation Fx et apte à vibrer suivant un axe y 30 perpendiculaire à l'axe x, à une fréquence de résonance de détection Fy, sous l'effet d'une force de Coriolis engendrée par une rotation autour d'un axe z perpendiculaire aux axes x et y, principalement caractérisé en ce qu'il comporte relié à la (ou les) masse(s) M, une boucle d'asservissement de la fréquence de résonance Fy de manière à ce que Fy soit égale ou quasiment 35 égale à Fx pendant la durée d'utilisation du gyromètre. Cette boucle d'asservissement permet ainsi d'obtenir un asservissement permanent de la raideur Ky pour obtenir l'égalité des fréquences propres Fx et Fy selon les deux directions. Selon une caractéristique de l'invention, il comprend un 5 générateur d'un signal de perturbation de la vibration de la masse M suivant y, relié à la masse M, et la boucle d'asservissement comprend des moyens de modification de la fréquence de résonance de détection Fy, des moyens de détection de la variation induite par le signal de perturbation, sur la vibration de la masse M suivant y, un signal d'erreur représentatif du 10 décalage entre Fx et Fy étant déduit de cette variation, et des moyens de commande des moyens de modification de Fy, la commande étant établie à partir du signal d'erreur. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le générateur du signal de perturbation est relié à la masse M via les moyens de 15 modification de Fy. Selon un autre mode de réalisation, le gyromètre comportant des moyens d'excitation de la masse M suivant y visant à contrebalancer la vibration suivant y engendrée par la force de Coriolis, le générateur du signal de perturbation est relié à la masse M via ces moyens d'excitation. 20 D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels: la figure 1 illustre schématiquement le principe de fonctionnement 25 d'un gyromètre vibrant, la figure 2 représente schématiquement les principaux composants nécessaires relatifs à une seule masse d'un gyromètre selon l'état de la technique, la figure 3 représente schématiquement une courbe représentative 30 de la variation de l'amplitude (en d B) du signal Udety de détection du mouvement de la masse suivant y, en fonction de la fréquence en Hz du signal d'excitation Uexcy selon l'état de la technique, les figures 4 a) et 4 b) représentent schématiquement les courbes représentatives du signal (en l'occurrence une tension) de commande de la 35 modulation de fréquence (fig 4 a) et du signal de perturbation Uexcy modulé en fréquence autour de la fréquence centrale Fx à la fréquence Fo (fig 4 b), exprimés en fonction du temps, les figures 5 a), 5 b), 5 c) représentent schématiquement selon que Fy>Fx, Fy=Fx ou Fy Les gyromètres vibrants de haute précision comportent généralement deux masses symétriques vibrantes fonctionnant dans un 20 mode dit diapason. Sur les capteurs micro-usinés, le mouvement d'excitation est généralement assuré par des forces électrostatiques suivant la direction x. Ces forces sont souvent créées au moyens de peignes électrostatiques. Le mouvement de détection se fait selon une direction y 25 perpendiculaire à x Dans le cas de capteurs micro-usinés réalisés dans une structure plane, cette direction y peut suivant les cas être dans le plan de la structure plane ou perpendiculaire à ce plan. On a représenté figure 2, les principaux composants nécessaires relatifs à une seule masse, pour des raisons de simplicité. 30 De manière classique, des moyens sont prévus: pour appliquer des forces d'excitation selon la direction x et pour détecter le mouvement des masses suivant x de manière à asservir ces forces d'excitation, pour détecter le mouvement des masses suivant les directions y, 35 pour appliquer des forces de contre-réaction sur les masses suivant y, ces forces étant destinées à contrebalancer les forces créées par le couplage de Coriolis selon y. Ces moyens sont généralement constitués par des jeux d'électrodes Les résonateurs x et y comportent donc différents types d'électrodes: des électrodes d'excitation 1 permettant d'appliquer une force d'excitation selon x proportionnelle à une tension de commande Uexcx, et des électrodes de détection 2 fournissant une tension de détection Udetx proportionnelle au mouvement en x, des électrodes de détection 3 fournissant une tension de détection Udety proportionnelle au mouvement en y, des électrodes de contre-réaction 4 qui sont en fait des électrodes d'excitation permettant d'appliquer une force de contre- réaction sur le résonateur y proportionnelle à une tension de commande Uexcy. Les moyens de détection 2 du mouvement de la masse en x sont reliés aux moyens 1 pour appliquer des forces d'excitation selon la direction x par un oscillateur 5 et un dispositif 6 de régulation d'amplitude disposé en parallèle avec l'oscillateur 5. Une boucle de contre-réaction ou d'excitation en y comporte les 20 éléments suivants Les moyens de détection 3 du mouvement de la masse en y sont reliés aux moyens 4 pour appliquer des forces de contre-réaction selon la direction y par un dispositif 7 de mise en forme, en série avec un démodulateur synchrone 8, un correcteur 9 puis un modulateur 10 Le signal de sortie du gyromètre provient du correcteur 9. Le but de l'invention est de concevoir un asservissement permanent de Fy en contrôlant par exemple la raideur Ky, de manière à obtenir l'égalité des fréquences propres Fy et Fx Pour cela on propose une boucle d'asservissement qui comporte des moyens de modification 11 de Fy (représentés figures 7 et 8) tels que par exemple des électrodes de contrôle 30 de la raideur Ky, qui sont commandés à partir d'un signal d'erreur représentatif du décalage entre Fx et Fy Le signal d'erreur est déterminé de la manière suivante. La figure 3 représente schématiquement une courbe représentative de la variation de l'amplitude (en d B) du signal | Udety | issu 35 des électrodes de détection du mouvement de la masse suivant y, en fonction de la fréquence en Hz du signal d'excitation Uexcy appliqué sur les électrodes d'excitation Cette courbe est maximale lorsque Fx = Fy et décroît sinon. En perturbant la fréquence du signal d'excitation Uexcy, c'est-à5 dire en appliquant sur la masse une force de perturbation suivant Oy, on obtient une perturbation du signal de détection du mouvement de la masse suivant y, représentative du signal d'erreur. La force de perturbation est engendrée en appliquant sur l'électrode 4 d'excitation en y, une tension de perturbation Uexcy modulée en 10 fréquence autour de la fréquence centrale Fx à la fréquence Fo de la forme suivante Uy = Uo O sin ( 2 ff(F,, + A Fsin( 2 zi Fot)t) Uexc O étant une constante. Uexcy est représentée figure 4 b) et obtenue en appliquant à un 15 oscillateur un signal (en l'occurrence une tension) de commande de la modulation de fréquence représentée figure 4 a). On a indiqué sur la figure 4 a) certaines fréquences de Uexcy. En pratique la modulation de fréquence n'est pas forcément sinusodale mais triangulaire Fo est choisie supérieure à la bande passante 20 du gyromètre, mais très inférieure à Fx On a par exemple AF égal à environ % Fx. Selon que la fréquence de résonance Fy est inférieure, égale ou supérieure à la fréquence d'excitation Fx, les variations de l'amplitude du signal de détection | Udety seront différentes: 25 si Fy>Fx, AJ Udetyj = usin( 2 zot) (secteur 1, représenté figure 5 a) si Fy=Fx, AI Udtyl = usin( 4 z Fot) (secteur 2, représenté figure 5 b) si Fy Selon le secteur considéré, I'amplitude du signal d'erreur est un signal de fréquence Fo en phase avec le signal de commande (secteur 1) ou 35 en opposition de phase (secteur 3) ou un signal de fréquence 2 Fo (secteur 2) . Ces trois cas de figures sont respectivement illustrés sur les figures Sa), 5 b) et 5 c) On a représenté dans chaque cas, la même courbe que celle de la figure 3 ainsi que la variation du signal de commande de la 5 modulation de fréquence de Uexcy comme représenté figure 4 a), et la variation correspondante de l'amplitude du signal de détection A Udety J dont est déduit le signal d'erreur e. Dans le cas de la figure 5 a) o Fx Dans le cas de la figure 5 b) o Fx=Fy, A | Udety est un signal de fréquence 2 Fo. Dans le cas de la figure 5 c) o Fx>Fy, A | Udety est un signal de fréquence Fo en opposition de phase avec le signal de commande. On a représenté figure 6 a) le signal de détection Udety dont 15 l'enveloppe représente A I Udety, dans le cas o Fx X Fy; un signal de référence de démodulation de fréquence F 0, et le signal d'erreur e issu du dispositif de démodulation synchrone 15 sont respectivement représentés figures 6 b) et 6 c). On va à présent décrire un gyromètre selon l'invention Il comporte comme représenté figure 7, en plus des éléments décrits en relation avec la figure 2 et repérés par les mêmes références, un générateur 12 d'un signal de perturbation de la vibration de la masse suivant y relié à la masse M, et une boucle d'asservissement de la fréquence de résonance Fy sur la 25 fréquence Fx. La force de perturbation est engendrée en appliquant sur l'électrode 4 d'excitation en y, au moyen du générateur 12 tel qu'un oscillateur commandé en tension (" Voltage Controlled Oscillator " ou "VCO " en anglais), relié à la boucle d'excitation en y, une tension de perturbation 30 Uexcy modulée en fréquence autour de la fréquence centrale Fx à la fréquence Fo Le signal de commande de l'oscillateur est celui de la figure 4 a). La boucle d'asservissement comporte les éléments suivants. On récupère au moyen d'un détecteur d'amplitude 13, I'amplitude 35 du signal Udety après mise en forme par un dispositif de mise en forme 17 du signal issu des électrodes 3 de détection Ce détecteur 13 fournit I Udety | et après passage de | Udety | dans un filtre 14 passe-bande étroit autour de Fo puis dans un démodulateur 15 de fréquence de référence à Fo, on dispose d'un signal d'erreur e qui devient nul lorsque la fréquence Fy devient égale à Fx. Après intégration au moyen d'un intégrateurcorrecteur 16, ce signal d'erreur peut commander une tension V sur l'électrode de raideur 11 modifiant la raideur Ky et donc la fréquence Fy. La fréquence propre Fy de la masse M suivant y est donc bien 10 asservie sur la fréquence propre Fx suivant X. Dans le cas décrit précédemment, on a appliqué une force de perturbation sur la masse suivant y, en effectuant une modulation sur la fréquence du signal d'excitation. Plutôt que de moduler la fréquence d'excitation, il est possible selon une variante de l'invention de moduler l'amplitude de la raideur électrostatique. On applique alors sur l'électrode de raideur 11 une tension V + vo sin( 2 z Fot); I'effet sur le signal de détection est alors équivalent à celui 20 obtenu par une modulation de la fréquence du signal d'excitation. On a représenté figure 8 le gyromètre correspondant à cette variante La force de perturbation est alors engendrée en appliquant sur l'électrode de raideur 11 en y, la tension de perturbation v O sin ( 2 N Fot) générée par un oscillateur ( 12 ') centré sur la fréquence Fo, relié à la boucle 25 d'asservissement de Fy sur Fx La boucle d'asservissement est la même que celle décrite en relation avec la figure 7. Les différents éléments décrits en relation avec les figures 2, 7 et 8 peuvent bien sr être réalisés suivant une technologie analogique ou 30 numérique. Le gyromètre vibrant selon l'invention peut être à structure plane ou à trois dimensions; il peut être micro-usiné ou non. REVENDICATIONS 1 Gyromètre comportant au moins une masse (M) apte à vibrer selon un axe x à une fréquence de résonance d'excitation Fx et apte à vibrer suivant un axe y perpendiculaire à l'axe x, à une fréquence de résonance de détection Fy, sous l'effet d'une force de Coriolis engendrée par une rotation 5 autour d'un axe z perpendiculaire aux axes x et y, caractérisé en ce qu'il comporte relié à la (ou les) masse(s) (M), une boucle d'asservissement de la fréquence de résonance Fy de manière à ce que Fy soit égale ou quasiment égale à Fx pendant la durée d'utilisation du gyromètre. 2 Gyromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un générateur d'un signal de perturbation de la vibration de la masse (M) suivant y, relié à la masse (M), et en ce que la boucle d'asservissement comprend des moyens ( 11) de modification de la fréquence de résonance de 15 détection Fy, des moyens ( 3) de détection de la variation induite par le signal de perturbation, sur la vibration de la masse (M) suivant y, un signal d'erreur e représentatif du décalage entre Fx et Fy étant déduit de cette variation, des moyens ( 16) de commande des moyens ( 11) de modification 20 de Fy, la commande étant établie à partir du signal d'erreur e. 3 Gyromètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le générateur du signal de perturbation est relié à la masse (M) via les moyens ( 11) de modification de Fy. 25 4 Gyromètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le générateur du signal de perturbation est relié aux moyens ( 11) de modification de Fy via la boucle d'asservissement. 5 Gyromètre selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que le générateur du signal de perturbation est un oscillateur ( 12 ') de fréquence de référence Fo prédéterminée. 6 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que, le gyromètre présentant une bande passante prédéterminée, le signal de perturbation est un signal périodique de fréquence Fo, Fo étant supérieure à la bande passante du gyromètre, et inférieure à Fx. 7 Gyromètre selon la revendication 2, comportant des moyens ( 4) d'excitation de la masse (M) suivant y visant à contrebalancer la vibration suivant y engendrée par la force de Coriolis, caractérisé en ce que le 10 générateur du signal de perturbation est relié à la masse (M) via ces moyens ( 4) d'excitation. 8 Gyromètre selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte une boucle d'excitation en y et en ce que le générateur du 15 signal de perturbation est relié aux moyens ( 4) d'excitation via la boucle d'excitation en y. 9 Gyromètre selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le générateur du signal de perturbation est un oscillateur ( 12) commandé en 20 tension. Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le gyromètre présentant une bande passante prédéterminée, le signal de perturbation est un signal périodique dont la 25 fréquence varie entre Fx AF et Fx + AF selon une fréquence Fo, Fo étant supérieure à la bande passante du gyromètre, et inférieure à Fx, AF étant égal à environ 10 % Fx. 11 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 7 à 10, 30 caractérisé en ce que les moyens ( 4) d'excitation comportent des électrodes. 12 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 2 à 11, caractérisé en ce que la boucle d'asservissement comprend en outre reliés en série, des moyens ( 7) de mise en forme du signal issu des moyens ( 3) de 35 détection, un dispositif de détection d'amplitude ( 13), un filtre ( 14) passe- bande autour de Fo, un démodulateur ( 15) synchrone de fréquence de référence Fo, et un intégrateur-correcteur ( 16) relié aux moyens ( 11) de modification de la fréquence Fy. 5 13 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 2 à 12, caractérisé en ce que, la masse (M) étant reliée à un cadre rigide (C) au moyen de ressorts selon x et y de raideur respective Kx et Ky, les moyens ( 11) de modification de la fréquence de résonance Fy comportent des électrodes de contrôle de la raideur Ky. 10 14 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 2 à 13, caractérisé en ce que les moyens ( 3) de détection de la variation induite sur la vibration de la masse suivant y comportent des électrodes. 15 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le signal de perturbation étant un signal périodique de fréquence Fo prédeterminée, ce signal de perturbation un signal sinusodal ou triangulaire. 16 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le gyromètre est un gyromètre microusiné à structure plane et en ce que les axes x et y sont dans le plan de la structure plane. 17 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le gyromètre est un gyromètre micro-usiné à structure plane et en ce que l'axe x est dans le plan de la structure plane, et l'axe y n'est pas dans le plan de la structure plane. 18 Gyromètre selon l'une quelconque des revendications I à 15, caractérisé en ce qu'il est à trois dimensions.