Brevet FR3001549A1 — publié le 20140801

La présente invention concerne un capteur accélé- rométrique à lames vibrantes utilisable par exemple dans une centrale de navigation. Un tel capteur comprend généralement un boîtier définissant une enceinte dans lequel est montée une lame vibrante. La lame vibrante a généralement une extrémité solidaire du boîtier et une extrémité opposée solidaire d'un pendule articulé au boîtier de manière qu'une accélération appliquée au pendule, selon une direction prédé- terminée appelée axe sensible, tende à déplacer le pen- dule. La lame vibrante est reliée par des conducteurs électriques à une unité de commande agencée pour mettre la lame en vibration et mesurer une fréquence de vibration de la lame. La fréquence de vibration de la lame dé- pend de l'effort exercé par le pendule sur la lame, cet effort dépendant lui-même de l'accélération à laquelle le pendule est soumis. Ainsi, il est possible de déduire l'accélération de la fréquence mesurée. Toutefois, ces capteurs accélérométriques sont extrêmement sensibles à la température qui engendre des variations de dimensions des différents constituants des capteurs. Il serait donc utile de disposer d'une information relative à la température au sein du capteur qui permettrait de corriger l'accélération détectée en fonc- tion de la température. Or, il n'est pas possible de dis- poser simplement une sonde de température sur la lame vibrante sans perturber le comportement de celle-ci. Il est connu du document FR-A-2 832 804 un cap- teur accélérométrique comportant deux lames ou poutres vibrantes, parallèles l'une à l'autre, travaillant l'une en traction et l'autre en compression. Les fréquences de vibration des deux poutres dépendent, comme précédemment, de l'accélération et de la température, et ce document propose d'établir une corrélation entre la somme des fré- quences des deux poutres et une température mesurée au voisinage du capteur pour estimer une température des poutres et en déduire une valeur compensée en température de l'accélération initialement déterminée à partir des fréquences de vibration des poutres. Ce capteur et le procédé associé de détermination de l'accélération don- nent de très bons résultats. Un but de l'invention est de fournir un capteur ayant encore de meilleures performances. A cet effet, on prévoit, selon l'invention, un capteur accélérométrique, comprenant un boîtier dans le- quel sont montés une première lame vibrante ayant un premier axe sensible et une deuxième lame vibrante ayant un deuxième axe sensible non colinéaire au premier axe sensible, les lames étant reliées par des conducteurs élec- triques à une unité électronique de commande agencé pour mettre les lames en vibrations et détecter une fréquence de vibration des lames. L'unité de commande est agencée pour exciter au moins deux modes de vibration dans chaque lame et pour calculer une accélération à déterminer à partir d'une combinaison des fréquences détectées sur les deux lames. On sait que la fréquence de vibration détectée sur chaque lame vibrante est influencée par l'accélération à laquelle le capteur est soumis, ainsi qu'à la qualité du vide dans le boîtier et à la tempéra- ture qui constituent une perturbation commune aux deux modes vibratoires. En outre, dans le capteur de l'invention, les deux lames sont soumises à la même atmosphère (pression et température notamment) dont les va- nations constituent une perturbation commune aux deux lames. Par la combinaison des fréquences détectées, il est possible d'éliminer les perturbations agissant en mode commun sur les deux fréquences des deux modes de vibration mais également aux deux lames. L'utilisation de deux lames avec dans chaque lame deux modes de vibration fournit, pour le calcul de l'accélération à déterminer, des paramètres supplémentaires qui permettent de déterminer la norme et la direction de l'accélération en minimisant, voire éliminant, l'influence des perturbations agissant sur les deux lames et notamment l'influence de la température. Avantageusement, le premier axe sensible et le deuxième axe sensible sont perpendiculaires l'un à l'autre. Depréférence, les lames vibrantes sont délimitées dans un bloc unique. L'invention a également pour objet un dispositif de détection accélérométrique, comportant au moins deux capteurs du type de l'invention, dans lequel trois des quatre axes sensibles de l'ensemble de capteurs forment un trièdre, le quatrième axe étant redondant. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui suit d'un mode de réalisation particulier non limita- tif de l'invention. Il sera fait référence à la figure unique annexée qui est une vue schématique en perspective d'un capteur conforme à l'invention. Le capteur de l'invention comprend un boîtier 10 dans lequel sont montés une première lame vibrante 1 et une deuxième lame vibrante 2 ayant chacun une extrémité solidaire d'un support commun 13 et une extrémité opposée solidaire d'une masse mobile 11, 12 articulée par des charnières 14.1, 14.2 au support commun 13. Les lames vi- brantes 1 et 2, le support commun 13, les masses mobiles 11, 12 et les charnières 14.1, 14.2 ont été obtenus par gravure d'un même bloc de matériau semi-cristallin. La première lame vibrante 1 a un premier axe sensible X destiné à être aligné avec une accélération à mesurer. La deuxième lame vibrante 2 a un deuxième axe sensible Y non colinéaire au premier axe sensible X. Plus précisément, le premier axe sensible X et le deuxième axe sensible Y sont perpendiculaires l'un à l'autre. Le boîtier définit une enceinte unique 15 sous vide qui reçoit le bloc de matériau semi cristallin de sorte que les lames vibrantes 1 et 2 sont soumises à la même atmosphère et à la même température lorsque le cap-teur est en utilisation. Les lames vibrantes 1 et 2 sont reliées par des conducteurs électriques à une unité électronique de com- mande 5 alimentée et programmée pour mettre les lames vibrantes 1 et 2 en vibration et détecter une fréquence de vibration des lames vibrantes 1, 2. L'unité de commande 5 est agencée pour exciter au moins deux modes de vibration dans chacune des lames vi- brantes 1 et 2. Sont ici choisis le mode propre et un mode secondaire correspondant à la fréquence harmonique 2 ou à la fréquence harmonique 3. L'unité de commande 5 est agencée pour déterminer une valeur de l'accélération mesurée à partir d'une com- binaison des fréquences détectées sur les deux lames vi- brantes 1 et 2. Lorsque le capteur est soumis à une accélération de direction quelconque, l'accélération a une composante rx selon l'axe X et une composante ry selon l'axe Y (ces composantes sont les projections du vecteur accélération sur ces deux axes). Les fréquences de vibration des deux lames vibrantes 1, 2 vont alors être modifiées du fait de l'accélération et des variations de températures. Il faut donc déterminer l'influence de l'accélération sur la va- riation de fréquence de chacune des lames vibrantes 1 et 2. En revanche, l'influence de la variation de température sera la même pour les deux lames vibrantes. On notera que dans le cas particulier où le capteur est soumis à une accélération de direction colinéaire à l'un des axes sensibles, par exemple l'axe X, la fréquence de vibration d'une seule des lames vibrantes, la lame vibrante 1 dans le présent exemple, va être modifiée du fait de l'accélération et de la température alors que la fré- quence de vibration de la lame vibrante 2 va être modi- fiée du fait de la température seulement. Dans le cas général, on sait que : - la fréquence Flx détectée sur la lame vibrante 1 est égale à Fl, = Fli + F12 dans laquelle Fll et F12 sont les fréquences de vibration de la lame 1 respectivement dans le premier mode de vibration et dans le deuxième mode de vibration, - la fréquence F2y détectée sur la lame vibrante 2 est égale à F2y = F21 + F22 dans laquelle F21 et F22 sont les fréquences de vibration de la lame 1 respectivement dans le premier mode de vibration et dans le deuxième mode de vibration. Les quatre mesures de fréquence aux deux modes sur les deux lames vibrantes 1 et 2 sont : 1. Fli = FOlx + FE:E12x. * rx, F 2. F12 = F02x + * Px, 3. F21 = FOly + n'y x 4. F22 = FO2y + FE2y Les termes FOi FO2, x, FOly et FO2y sont les fré- quences nominales de vibration (sans accélération et à la température ambiante) respectives des lames 1 et 2 dans chacun des modes de vibration. Les termes FElx, FE2x, FEly et FE2y sont les fac- teurs d'échelle respectifs des lames 1 et 2 pour chacun des modes de vibration. Le procédé de l'invention comprend l'étape de combiner les fréquences détectées sur les deux lames en posant, à titre d'exemple, les deux opérations de soustraction suivantes : 1. Fll - F21 = FOI>, - FOly + FElx * rx - FEly * l'y, 2. F12 - F22 = F02x - F02y + FE2x * rx - FE2y * ry, On en déduit les accélérations : 1. rx = (FOly - FOI>, + Fli - F21 + FE'y / FE2y * ( F02x F02y + F22 - F12) ) / ( FEix - FEly * FE2x FE2y) 2. ry = (FOly - F01x + Fli - F21 + FEL A cette fin, et dans une hypothèse de fabrication optimale selon laquelle les lames vibrantes 1 et 2 présentent les mêmes caractéristiques, FOI>, = FOly et F02x = F02y (fréquences exprimées par exemple en Hertz) et FElx = FE2x et FEly = FE2y /2 (facteurs d'échelle exprimés en Hz/g par exemple). Ceci permet de simplifier les équations ci-dessus pour en déduire pour chaque axe: 1. rx = 2 * (F11- F21 + 1 / 2 * (F22 - F12)) / FEix 2. ry = (F11- F21 + F22 - F12) / FEly La fréquence de vibration des lames vibrantes 1, 2, dans chacun des modes de vibration, est également in- fluencée par la température qui vient perturber la déter- mination de l'accélération. Dans le procédé de l'invention, la combinaison des fréquences détectées sur les deux lames élimine l'influence de la température am- biante dans le boîtier sur la valeur d'accélération calculée. En effet, les composantes dues à la température dans les fréquences Fli, F12, F21 et F22 sont identiques puisque les lames 1 et 2 sont montées dans le même boî- tier pour être soumises à la même température (on parle de mode commun). Les soustractions entrant en jeu dans la combinaison permettent d'éliminer ces composantes. On comprend ainsi que : - dans chaque équation, la soustraction des fré- quences permet d'éliminer la variation due à la température ; - il y a deux inconnues (liées à la variation de la fréquence de chacune des lames 1 et 2 en fonction de l'accélération) et deux équations rendant possible la dé- termination desdites inconnues. L'accélération est ensuite déterminée à partir des variations de fréquences ainsi déterminées en utilisant des modèles connus de l'homme du métier. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais englobe toute variante entrant dans le champ de l'invention telle que définie par les revendications. En particulier, il n'a été décrit qu'un exemple pour retrouver les valeurs d'accélération sur les axes X et Y, avec une combinaison d'addition et de soustraction des fréquences à leur mode de vibration. Il est possible d'utiliser toute les combinaisons d'additions, de soustractions, de multiplications, et de divisions possible pour les quatre mesures de fréquences. On notera par exemple que l'élimination des composantes de fréquence liées aux variations de températures peut également être obtenue en posant des rapports de fréquences (le rapport des composantes de fréquence liées aux variations de tem- pératures sera alors égal à 1 puisque ces composantes sont identiques). On notera que, de préférence même si ce n'est pas obligatoire, sont choisis des modes de vibrations ayant des facteurs d'échelle éloignés l'un de l'autre. Le capteur n'a pas forcément une structure mono- bloc telle que celle décrite mais peut résulter de l'assemblage de différents composants. Les axes sensibles peuvent ne pas être perpendiculaires l'un à l'autres. Il est avantageux d'utiliser un ensemble de deux capteurs conformes à l'invention dans un dispositif de détection accélérométrique de telle manière que trois des axes sensibles de l'ensemble des deux capteurs forment un trièdre, le quatrième axe étant redondant. REVENDICATIONS1. Capteur accélérométrique, comprenant un boîtier dans lequel sont montés une première lame vibrante ayant un premier axe sensible destiné à être aligné avec une accélération à mesurer et une deuxième lame vibrante ayant un deuxième axe sensible non colinéaire au premier axe sensible, les lames étant reliées par des conducteurs électriques à une unité électronique de commande agencé pour mettre les lames en vibrations et détecter une fré- quence de vibration des lames, caractérisé en ce que l'unité de commande est agencée pour exciter au moins deux modes de vibration dans chaque lame et pour déterminer une valeur de l'accélération à mesurer à partir d'une combinaison des fréquences détectées sur les deux lames. 2. Capteur selon la revendication 1, dans lequel le premier axe sensible et le deuxième axe sensible sont perpendiculaires l'un à l'autre. 3. Capteur selon la revendication 1, dans lequel les lames vibrantes sont délimitées dans un bloc unique. 4. Dispositif de détection accélérométrique, comportant au moins deux capteurs selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel trois des quatre axes sensibles de l'ensemble de capteurs forment un triè- dre, le quatrième axe étant redondant.