FR2569855A1 - Dispositif de detection optique, a compensation du coefficient de temperature du gain, pour accelerometre - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN DISPOSITIF DE DETECTION OPTIQUE, A COMPENSATION DU COEFFICIENT DE TEMPERATURE DU GAIN, POUR ACCELEROMETRE. LE DISPOSITIF OPTIQUE COMPREND UNE DIODE 30 ELECTROLUMINESCENTE ET UNE PHOTODIODE DONT LES DEUX ELEMENTS 34, 36 SONT PLACES DE MANIERE A ETRE EGALEMENT ECLAIRES. UN DISPOSITIF ELECTRIQUE A3 PRODUIT UN PREMIER SIGNAL V PROPORTIONNEL A LA DIFFERENCE DES TENSIONS DE SORTIE V, V DES DEUX ELEMENTS, POUR RAPPELER A L'EQUILIBRE UNE MASSE PENDULAIRE. UN SECOND SIGNAL V EST PROPORTIONNEL A LA SOMME DESSORTIES DES DEUX ELEMENTS 34, 36 ET SERT A MODIFIER LE COURANT I ALIMENTANT LA DIODE 30 POUR MAINTENIR LE SIGNAL V A UN NIVEAU DE REFERENCE V PREDETERMINE.

Description

La présente invention concerne des d-tecteurs op)tiques de position

d'équilibre, ou de position de

zero, et, plus particulièrement, un dispositif de compen-

sation destiné à éliminer quasi totalement les variations de rendement de lecture optique dues a des variations

de la température.

Une classe d'accéléromètre utilise une masse pendulaire disposée entre une source émettrice de lumiere, telle qu'une diode électroluminescente, et des photodiodes sensibles à la lumière. En particulier, la photodiode peut etre un dispositif monolithique comportant deux éléments, dont chacun est sensible à un rayonnement lumineux. Sous l'effet d'une accélération, la masse pendulaire va dévier de sorte que l'un des detecteurs

à photodiode va recevoir plus de flux lumineux que l'autre.

Les quantités relatives du flux lumineux reçu peuvent être mesurees et différenciées pour engendrer un signal d'erreur utilisable pour faire revenir la masse pendulaire à une position d'équilibre ou de zéro. Souvent, la masse pendulaire est rappelée vers une position d'équilibre à I'didc de bobines électriques avec interaction de la mdsse avec un aimant permanent. La quantité de courant qu'il faut faire passer dans les bobines pour maintenir la masse pendulaire à sa position d'équilibre est alors une indication de l'accélération subie par l'accéléromètre

et palr e véhicule auquel liaccéléromètre est fixé.

Un tel svsteme est un système à boucle fermée du fait que les écarts par rapport à la position de zéro ou d'équilil)bre sont mesures et rétroagissent pour rétablir l'état d'équilibre. Comme dans tous les systèmes à boucle

Fermre, les niveaux de gain doivent demeurer entre cer-

t.iini'; I imi tes car, sinonri, le systèie peut devenir ins-

table. Ainsi, si le q(in total du système diode électro-

lumi rlicsce'il te/po Lotod( etc t Leur venait à changer, le gain corresporndiant pourrait être tel qu'il déstabilise le systcmne.)Des varri ations de gain peuvent apparaître par suite dc, variations die composants en fonction de la

tempe rl tt i re.

Une façon de compenser des variat i s de t(rmpe r i tu rc pourrait consister mesurer direu, -. rint la,L,îpcrature et a utiliser cette lecture pour compenser les lectures effectuées par les photodétecteurs. Cette technique exige, bien entendu, des éléments séparés de détection de la température, qui augmentent le coût

et la complexité de l'accéléromètre dans son ensemble.

Un objet de la présente invention consiste donc à fournir un accéléromètre comportant un système de

détection optique et incorporant un dispositif de compen-

sation de température sans qu'il soit nécessaire de mesurer directement la température et, donc, sans qu'il soit nécessaire de connaître la température relative

ou absolue.

Un autre objet de l'invention consiste à fournir

un tel système qui soit hautement efficace et fiable.

Un autre objet encore de l'invention consiste en ce que le système soit simple et peu onéreux à fabriquer

et à faire fonctionner.

Pour tenter de résumer l'invention, on pourrait indiquer que l'accéléromètre ici décrit comprend une masse disposée au sein d'une unité de détection optique et un dispositif à boucle fermée destiné à maintenir la masse essentiellement en une position d'équilibre ou de zéro, au sein de l'unité de détection optique pendant une accélération. L'appareil de détection optique comprend une source d'émission de lumière et un détecteur de type photodiode à deux éléments, qui est espacé de la source et situé de manière que la source lumineuse éclaire de façon égale chaque élément de cette photodiode

à deux éléments. Le mouvement de la masse modifie l'éclai-

rementl reçu, de sorte qu' il n 'est plus égal sur chacun des éléments. Un dispositif électrique est prévu pour produire un premier signal proportionnel à la différence de sortie des deux éléments du détecteur du type photodiode à d(eux éléments. Il est également prévu un circuit destiné à produire un second signal proportionnel à la somme des sorties des deux éléments du photodétecteur à deux éléments.- Ce second signal sert à modifier le courant alimentant la source émettrice de lumière de façon à maintenir le second signal à un niveau prédéterminé de référence. De cette façon, on élimine quasi totalement

des variations du gain total de système dues à des varia-

tions de la température.

Une forme préférée de réalisation sera maintenant décrite plus en détail, à titre illustratif et nullement limitatif, en regard des dessins annexes sur lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un accéléromètre tel que décrit ici; la figure 2 est -un diagramme schématique du dispositif optique de lecture -de l'accéléromètre de la figure 1; la figure 3 est un schéma électrique d'un réseau de compensation des effets de la température; la figure 4 est un graphique des tensions Va et Vb (en volts) en fonction de la température (en

C) pour un dispositif de lecture optique sans compen-

sation; la figure 5 est un graphique des tensions Va et Vb, en volts, en fonction de la température, en C, avec compensation de gain; la figure 6est un graphique de la tension Vy, servant à commander le retour à l'équilibre ou au zéro, en fonction de la température, en C, dans le

cas d'un dispositif optique de lecture sans compensa-

tion; et -la figure 7-est un graphique de la tension Vn, servant à commander le retour- à l'équilibre ou à la position zéro, cr foniction de la température, en C,

dans le cas o il y a une compensation de gain.

Ln se rélférant maintenant plus spécialement à la figure 1, on voit qu'un accéléromètre 10, destine à mesurer des accélérations de pénétration dans le plan de la figure 1 et de sortie de ce plan, comporte un support 12 auquel des bras flexibles 14 et 16 sont rigidement fixés. Les bras 14 et 16 comprennent des parties découpées 18 et 20 destinées à procurer la quantité appropriée de flexibilité. Les bras 14 et 16 supportent une bobine électrique 22 présentant une ouverture centrale 24. L'ouverture 24 se trouve normalement au-dessus d'un aimant permanent 26. A la bobine 22 est fixé un écran directionnel 28 disposé entre une source 30, constituée par une diode électroluminescente, et une photodiode 32 à deux éléments. La photodiode 32 est représentée plus en détail sur la figure 2. La photodiode 32 consiste en un premier élément 34 et un second élément 36. Sur la figure 1, les éléments 34 et 36 sont placés l'un au-dessus

de l'autre sur la photodiode 32. Ainsi, pour des accéléra-

tions de pénétration dans le plan de la figure 1 et de sortie de ce plan, qui s'exécuteraient le long de la flèche double 38 de la figure 2, l'écran directionnel 28 serait dévié en raison de la nature flexible des bras 14 et 16. Si, par exemple, l'écran directionnel 28 est dévié vers le bas de la figure 2, l'élément 34 de photodiode va recevoir plus d'éclairement que l'élément 36 de photodiode. La sortie relative des éléments 34 et 36 de photodiode peut alors servirà alimenter et exciter

la bobine 22 de manière à provoquer, avec l'aimant perma-

nent 26, une interaction qui va rappeler l'écran direc-

tionnel 28 à sa position d'équilibre ou de zéro. La quantité de courant nécessaire pour maintenir l'équilibre

constitue alors une indication de la quantité d'accéléra-

tion subie par le support 12 de l'accéléromètre 10.

Dans un tel agencement, l'écran directionnel 28 est maintenu en position d'équilibre à l'aide d'un système

de commande à boucle fermée.

Puisque l'ecran directionnel 28 est maintenu en position d'équilibre, correspondant à un zéro d'échelle, à l'aide d'un systeme a boucle fermée, le gain global de Id boucle doit rester entre certaines limites car, sinon. le système risque de devenir instable, comme cela se produi t couramment dans le cas des systèmes de commonde automatique à boucle fermée. Il a été trouve qlue les caractéristiques de la diode électroluminescente et de la photodiode 32, ce qui comprend les éléments 34 et 36 de la photodiode, varient avec la température. De telles variations influent directement sur le gain de la boucle et peuvent conduire à des instabilités

si l'on ne prévoit pas une compensation.

La présente invention va maintenant être décrite

de façon plus détaillée, en référence à la figure 3.

La diode électroluminescente 30, ou DEL 30, est alignée de façon à éclairer de manière égale les éléments 34 et 36 de photodiode. Les éléments 34 et 36 sont reliés aux entreées d'amplificateurs différentiels A1 et A2, respectivement, et R1 et R2 assurant une rétroaction vers I es entrées. Les condensateurs C1 et C2 assurent une élimination des parasites à haute fréquence pour garantir la stabilité. Cette configuration transforme les courants photoélectriques ia et ib, engendrés par l'éclairement assure par la diode électroluminescente DEL 30. en des tensions V et V de sortie. Les tensions a b V et V de sortie sont différenciées par un amplificateur a Vb différentiel A3 en produisant une tension V de sortie n correspondant au zéro ou à l'équilibre. La tension V n

de sortie sert ensuite dans un autre circuit (non repré-

senté) pour commander la bobine 22 de la figure 1 de façon i maintenir l'écran directionnel 28 à sa position d'équilibre ou de zéro d 'échelle. Comme indiqué ci-dessus, la tension V de sortie est une indication du niveau n de l 'accélération subie par l'accéléromètre 10. Il a eté trouvé que]lorsque]la température varie, V et Vl voint vatriJer. Puisque Va etL Vb sont utilisées dans un systeme à bolele fermée, V ne va pas subir de variations dues n a d(.; varialtions de Va et Vb puisque l'écran directionnel 2,5 'a se déplacer pour compenser une variation apparente de V due Il des différences induites par la température dans \ et V. Donc,] es variations de V et Vb sont aJb ab dircctvmernt alors des variations du gain. Les variations apparentes dans V en sont un sous-produit. Comme indiqué n ci-dussus, une telle variation de gain pourrait conduire

a des instabi]itésdu système de commande.

En se référant toujours a la figure 3, on voit que les tensions Va et Vb de sortie sont additionnees et inversées par un amplificateur A4 qui produit un signal Vs de sortie. Le signal Vs sert de signal d'erreur pour compenser les variations de gain, comme indique ci-dessus. Le signal V de sortie, représentant la somme s des siqnaux de sortie V a et Vb, est appliqué a une entree d'un amplificateur différentiel A5, et une tension Vref

est appliquée à l'autre entrée de l'amplificateur diffe-

rentiel A5. La sortie de l'amplificateur différentiel A5 constitue donc la différence entre le signal V et le s signal Vref. Cette différence commande un élément Ql de passage monté en série, qui, de préférence, est unr dispositif à transistor métal/oxyde à effet de champ ou un dispositif' à transistor à effet de champ, pour ajuster le courant ID à la diode 30 de façon à maintenir V essentiellement égal à Vref. N'importe quel composant s

capable de traiter le courant requis est acceptable.

Un condensateur C3 est prévu autour de l'amplificateur A5 pour assurer une élimination des parasites a haute fréquence en vue (le la stabilité, et l'on utilise une

resi stance R10 pour limiter le courant.

Ln service, quand la température de l'accéléro-

mètre 10 change, le gain total de l'interaction de la diode DEL 30 avec les détecteurs 34 et 36 de photodiode va provoquer des variations de la tension V de sortie meme quand l'acceleration subie par]'accéléromètre 10 re' s L ( constante. Lu r orinan t la somme des sorties des

photodetecteurs 34 et 36, on peut déceler une telle varia-

tion dc (_lai n et la,compenser, ce qui maintient Vn essen-

tic] lement non affectée par des variations de la tempéra-

turÀe. Les figures 4 et 5 illustrent (les variations de V et Vb en fonction de la température, en cas de presence ou d'absence de compensation du gain. On voit sur La figure 4 que pour un courant Id de 15 milliampères, la variation de Va et Vb est d'environ 16,7 millivolts par degré C. Cela-est à comparer à une variation compensée des tensions Va et Vb en fonction de la température, donnant pour résultat une variation d'environ 1,1 millivolt par degré C. Ainsi, en utilisant la compensation de gain dont le schéma est représenté sur la figure 3, on réduit essentiellement les variations de gain dues à

des variations de la température.

Les figures 6 et 7 montrent les effets des variations de la température sur Vn, avec presence ou absence de -la compensation de gain obtenue à l'aide

du dispositif schématiquement représenté sur la figure 3.

On peut voir sur la figure 6 que la tension Vn de sortie, quand elle n'est pas compensée, présente à l'égard de la température une dépendance d'environ 40,6 microvolts par degré C. Cela est à comparer avec une variation de la tension V de sortie, en fonction de la température n qui, en cas de compensation, est d'environ 7,06 microvolts par degré C, comme représenté sur la figure 7. Ainsi, la variation de la tension V de sortie, utilisée dans -n- un système de commande à boucle -fermée pour commander l'emplacement du zero ou de la position à l'équilibre de l'écran directionnei 28, a été quasi totalement réduite par utilisation du circuit de compensation représenté

sur la figure 3.

- Il va de soi -que, sans sortir du cadre de l'invention, de nombreuses modifications peuvent être apportées au dispositif destiné à compenser les variations de gain provoquées par la variation de température dans un dispositif de lecture optique destine a servir avec

un dccélromotre.

Claims (3)

REVENDiCATIONS

1. Dispositif de détection optique, faisant parLie d'un accéléromètre comportant une masse (22, 28) placée au sein du dispositif de détection optique ainsi qu'un circuit à boucle fermée destiné à maintenir cette masse essentiellement en une position d'équilibre, ou de zéro, au sein du dispositif de détection optique pendant une accélération, ce dispositif de détection optique étant caractérisé en ce qu'il comprend une source (30) émettant de la lumiere; un détecteur constitué par une photodiode (32) à deux éléments (34, 36), espacee de la source (30) et placée de manière que la source (30) éclaire de manière égale chaque élément (34, 36) de la photodiode (32), le mouvement de la masse (28) modifiant cet éclairement égal; un élément électrique (A3) destiné à produire un premier signal (Vn) proportionnel à la difference des signaux de sortie (Va, Vb) provenant des deux éléments (34, 36) de la photodiode (32) et un élément électrique (A4) destiné à produire un second signal (Vs) proportionnel à la somme des signaux de sortie (Va, Vb) de deux éléments (34, 36) du détecteur à photodiode (32), ce second signal servant à modifier le courant alimentant la source (30) émettrice de lumière

afin de maintenir ce second signal à un niveau de réfé-

rence prédéterminé (Vref).

2. Dispositif selon la revendication 1, caractée-

rise en ce que la source émettrice de lumière est une

diode (30) électroluminescente.

3. Dispositif selon la revendication 1, caractée-

rise en ce que le détecteur a photodiode (32) à deux

éléments (34, 36) est de structure ou réalisation mono-

li thique.