FR2937741A1 - Accelerometre en boucle ouverte - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un accéléromètre comportant - une masse sismique mobile suspendue élastiquement, des électrodes mobiles (AM1, AM2) sur la masse mobile et des électrodes fixes (AF1, AF2) sur une partie fixe de l'accéléromètre pour constituer deux capacités de mesure (Cv1, Cv2) variant en sens opposé en fonction du déplacement de la masse mobile, - un premier circuit à capacités commutées (A1, Cint) pour appliquer cycliquement pendant deux phases d'un cycle un premier groupe de deux potentiels aux électrodes fixes (AF1, AF2) des deux capacités pendant une première phase (phi1 ) du cycle et un deuxième groupe de deux autres potentiels aux électrodes fixes des deux capacités pendant une deuxième phase (phi2) du cycle, et pour transférer dans une capacité commune (Cint) lors de la deuxième phase une charge liée aux potentiels appliqués et aux valeurs des capacités de mesure, - un circuit d'intégration (A2, Ca, Cb) recevant la tension de sortie (Va1) du premier circuit, et fournissant une tension de sortie (Vout) représentant l'accélération, L'accéléromètre comporte des moyens (AD1, AD2, AD3, AD4) pour modifier les potentiels appliqués aux deux électrodes fixes en fonction de la tension de sortie Vout.

Description

ACCELEROMETRE EN BOUCLE OUVERTE L'invention concerne les accéléromètres, fournissant un signal électrique représentant l'accélération subie, et notamment les accéléromètres miniatures réalisés selon les techniques de micro-usinage inspirées des techniques de fabrication de circuits intégrés sur silicium.

Le principe d'un accéléromètre est le suivant : une masse sismique mobile est suspendue élastiquement par rapport à un cadre fixe ; elle se déplace sous l'effet d'une accélération et le déplacement est limité par la force de rappel de la suspension ; la masse et le cadre portent des électrodes en vis-à-vis ; la capacité entre les électrodes en vis-à-vis est fonction de la distance entre ces électrodes (ou parfois fonction de la surface variable en regard entre les électrodes), et la distance (ou la surface en regard) est elle-même fonction du déplacement de la masse sismique sous l'effet de l'accélération. En général, deux capacités sont prévues, comportant chacune une électrode mobile (sur la masse sismique) et une électrode fixe (sur le cadre fixe) ; ces deux capacités sont disposées de telle manière qu'elles varient en sens inverse lorsque la masse sismique se déplace, et qu'elles ont la même valeur lorsque la masse est à sa position d'équilibre en l'absence d'accélération. Il existe deux grandes catégories d'accéléromètres : ceux qui sont 20 asservis et ceux qui fonctionnent en boucle ouverte. Dans les accéléromètres asservis on applique à la masse sismique des forces électrostatiques de contre-réaction, d'amplitude telle que la masse reste en permanence au voisinage de sa position au repos, et on mesure la force de rappel électrostatique qu'il faut appliquer à la masse pour 25 la maintenir à sa position d'équilibre. Cette force de rappel est produite par une tension appliquée à des électrodes de rappel. La position d'équilibre est celle qui rend égales les deux capacités variant en sens inverse. Les accéléromètres asservis, ou accéléromètres en boucle fermée, ont l'avantage d'être très linéaires, c'est-à-dire que la tension qu'il faut appliquer 30 pour engendrer la force de rappel électrostatique est bien proportionnelle à l'accélération subie. Or la linéarité de la mesure, c'est-à-dire l'absence de distorsion de la courbe de réponse représentant l'amplitude de signal électrique en fonction de l'accélération, est un paramètre très important.

Malheureusement, les accéléromètres asservis nécessitent une circuiterie électronique complexe et coûteuse car l'asservissement doit prendre en compte les caractéristiques mécaniques de l'accéléromètre si on veut stabiliser correctement la boucle d'asservissement ; ils sont donc coûteux, et de plus ils nécessitent des tensions d'alimentation relativement élevées (10 ou 20 volts) pour engendrer des forces électrostatiques suffisantes. Enfin, ils consomment beaucoup d'énergie pour maintenir en permanence la masse sismique à sa position d'équilibre. Les accéléromètres non asservis, fonctionnant en boucle ouverte, ne comportent pas d'électrodes supplémentaires pour appliquer une force de rappel électrostatique. La masse sismique se déplace et la valeur de son déplacement est une mesure de l'accélération subie, sachant que le déplacement est limité par la force de rappel linéaire engendrée par l'élasticité des bras de suspension de la masse. Le déplacement est lui- même mesuré à partir d'une observation des valeurs des capacités variables : l'une diminue pendant que l'autre augmente, selon le sens de l'accélération subie. Les valeurs des capacités variables sont mesurées en général par des tensions électriques. Les accéléromètres non asservis sont plus simples et 20 consomment beaucoup moins d'énergie que les accéléromètres asservis, mais ils présentent des défauts de linéarité.

L'invention a pour but de proposer un accéléromètre fournissant une tension analogique représentant l'accélération subie par la masse 25 sismique, fonctionnant en boucle ouverte mais ayant à la fois une très bonne linéarité et une immunité aux imprécisions de valeurs de tension de référence qui servent à mesurer l'accélération.

Selon l'invention, on propose un accéléromètre comportant une 30 masse sismique mobile suspendue élastiquement, des électrodes mobiles sur la masse mobile et des électrodes fixes en regard sur une partie fixe de l'accéléromètre pour constituer deux capacités de mesure variant en sens opposé en fonction du déplacement de la masse mobile, un circuit de détermination d'une tension proportionnelle au rapport entre la différence et 35 la somme des deux capacités, ce rapport représentant lui-même une mesure du déplacement de la masse mobile et donc de l'accélération, le circuit de détermination comprenant : - un premier circuit à capacités commutées pour appliquer cycliquement pendant deux phases d'un cycle un premier groupe de deux potentiels aux électrodes fixes des deux capacités pendant une première phase du cycle et un deuxième groupe de deux autres potentiels aux électrodes fixes des deux capacités pendant une deuxième phase du cycle, et pour transférer dans une capacité commune lors de la deuxième phase une charge liée aux potentiels appliqués et aux valeurs des capacités de mesure, - un circuit d'intégration recevant la tension de sortie du premier circuit, et fournissant une tension de sortie représentant l'accélération, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour modifier les potentiels appliqués aux deux électrodes fixes en fonction de la tension de sortie.

De préférence, les potentiels appliqués pendant la première phase sont élaborés à partir de la différence entre deux potentiels de référence et la tension de sortie, et les potentiels appliqués pendant la deuxième phase sont élaborés à partir de la somme entre ces deux potentiels de référence et la tension de sortie. En pratique, les potentiels de référence sont définis par rapport à une masse commune et les électrodes mobiles sont reliées à cette masse pendant la première phase et à une entrée d'un amplificateur opérationnel pendant la deuxième phase. L'autre entrée de l'amplificateur opérationnel est de préférence reliée à la masse pendant les deux phases. Dans une réalisation, la capacité commune dans laquelle est opéré un transfert de charges pendant la deuxième phase est une capacité de contre-réaction entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel, et un interrupteur est prévu pour court-circuiter cette capacité de contre-réaction pendant la première phase de chaque cycle. Les potentiels de référence sont de préférences égales et de signe opposé. Le circuit de mesure d'accélération peut être avantageusement 35 entièrement différentiel ; il utilise alors deux capacités auxiliaires fixes simulant les valeurs des capacités de mesure dans la position d'équilibre. Les électrodes de capacités auxiliaires qui simulent des électrodes mobiles sont reliées à la masse pendant la première phase et à une entrée noninverseuse de l'amplificateur opérationnel pendant la deuxième phase. Les électrodes des capacités auxiliaires qui simulent des électrodes fixes reçoivent les mêmes tensions que les capacités de mesure. Dans ce cas, l'amplificateur opérationnel possède deux entrées, deux sorties et deux capacités de contre-réaction symétriques. L'intégrateur à capacités commutées est également symétrique et possède deux entrées et deux sorties différentielles, l'une fournissant la tension de sortie et l'autre fournissant une tension égale et de signe opposé. Ces tensions de sortie opposées sont utilisées pour modifier les potentiels appliqués aux quatre électrodes fixes.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit et qui est faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente un circuit de mesure d'accélération de l'art 20 antérieur ; - la figure 2 représente un circuit de mesure d'accélération selon l'invention ; - la figure 3 représente une réalisation entièrement différentielle ; - la figure 4 représente un circuit d'élaboration de sommes et 25 différences de tensions à appliquer aux électrodes fixes des capacités de l'accéléromètre.

On rappelle d'abord les principes généraux régissant le fonctionnement des accéléromètres en boucle ouverte : en pratique, 30 l'accéléromètre comporte au moins deux capacités Cv1 et Cv2 constituées chacune par une armature ou électrode mobile (attachée à la masse sismique mobile) et une armature ou électrode fixe (attachée au substrat auquel la masse sismique est reliée par des bras de suspension élastiques). Les électrodes ont des surfaces en regard identiques pour les deux 35 capacités. La structure est construite de manière symétrique de sorte que les capacités ont des valeurs égales lorsque la masse sismique est à sa position d'équilibre et qu'elles varient en sens inverse lorsque la masse sismique se déplace hors de sa position d'équilibre dans la direction où on veut mesurer l'accélération.

Dans ce qui suit, on considère que la direction de déplacement est perpendiculaire aux surfaces des électrodes en regard, et c'est donc la distance d entre armatures de capacité qui varie lorsque la masse se déplace sous l'effet de l'accélération. La distance d diminue pour l'une des capacités pendant que l'épaisseur augmente pour l'autre. La valeur des capacités varie comme on le sait en proportion inverse de cette distance. La position d'équilibre est celle pour laquelle les capacités ont des valeurs identiques, ce qui implique que les électrodes fixe et mobile des deux capacités sont à une même distance do l'une de l'autre. En fonction de la structure physique de l'accéléromètre fonctionnant en boucle ouverte, on sait modéliser le déplacement d qui est engendré par une force d'accélération donnée y. Le modèle fait intervenir de nombreux paramètres qui sont la raideur mécanique (rapport de proportionnalité entre déplacement et force de rappel) des ressorts de suspension, les coefficients de friction, la masse, mais aussi les forces électrostatiques exercées sur la masse mobile du fait que les électrodes fixes et mobiles sont portées à des potentiels permettant d'effectuer la mesure de capacité ; ces potentiels créent en effet sur les électrodes en vis-à-vis des charges engendrant des forces d'attraction ou de répulsion. En ce qui concerne ces forces électrostatiques, on comprend qu'elles s'équilibrent mutuellement et n'agissent pas sur la masse lorsque la masse mobile est à sa position d'équilibre, car elles engendrent des forces égales mais opposées, à condition bien sûr que les potentiels de mesure appliqués aux électrodes des capacités soient identiques pour les deux capacités. Mais, du fait que l'accéléromètre fonctionne en boucle ouverte, la masse se déplace de sa position d'équilibre et les forces électrostatiques engendrées par les potentiels de mesure ne sont plus égales de part et d'autre de la masse ; pour un même potentiel appliqué aux deux capacités, l'une engendre des forces électrostatiques plus grandes que l'autre. Pour mémoire, on rappelle que la force électrostatique est proportionnelle aux surfaces en regard, au carré de la tension appliquée, et à l'inverse du carré de la distance, ce qui revient à dire qu'elle est proportionnelle au carré de la charge de la capacité pour une surface donnée d'électrodes en regard. Et on peut montrer aussi que la variation de capacité pour un écart de distance d-do par rapport à la position d'équilibre est à peu près proportionnelle à (d-do) et à peu près inversement proportionnelle au carré de la distance do à la position d'équilibre. Pour mesurer l'écart des capacités, on a déjà proposé d'utiliser des circuits à capacités commutées dont les capacités variables Cv1 et Cv2 forment des éléments.

On a montré en effet qu'on pouvait produire une tension de mesure Vout proportionnelle à la différence des capacités (donc sensiblement proportionnelle à la distance) en connectant, à travers des commutateurs, les capacités à l'entrée d'un amplificateur bouclé par une capacité de référence Cref. La tension de sortie produite est proportionnelle à (Cv1-Cv2)/Cref, et on peut montrer qu'elle est presque proportionnelle au déplacement (d-do). Cependant elle n'est pas tout-à-fait proportionnelle à (d-do) et il y a une distorsion de linéarité. On a montré aussi qu'on pouvait trouver des schémas de circuits à capacités commutées légèrement modifiés par rapport au précédent, qui produisent non plus une tension proportionnelle à (Cv1-Cv2)/Cref mais une tension proportionnelle à (Cv1-Cv2)/(Cv1+Cv2). Or, ce rapport de capacités est exactement et non pas approximativement égal au rapport (d-do) /do entre le déplacement et la distance à la position d'équilibre. II y a de ce point de vue une excellente linéarité.

Cependant, cette linéarité par rapport à (d-do) ne prend pas en compte les forces électrostatiques qu'on a mentionnées ci-dessus. Si on les prend en compte, la linéarité est détériorée. On a donc imaginé un schéma de mesure utilisant des capacités commutées, mesurant un rapport de capacités qui est exactement proportionnel à la distance de déplacement (d-do) et éliminant en grande partie l'effet des forces électrostatiques de manière que le déplacement (d-do) soit dû uniquement à l'accélération et non à l'effet secondaire des forces électrostatiques déséquilibrées pour d-do non nul. Le schéma qui permet cela est représenté à la figure 1. Il 35 comprend deux parties ; la première est le circuit qui utilise les capacités de mesure variables Cv1 et Cv2 pour transférer dans une capacité commune Cint des paquets de charge liés aux tensions appliquées pendant deux phases successives de commutation phil et phi2 ; la deuxième est un intégrateur à capacités commutées fournissant une tension analogique Vout qui représente le signal recherché, proportionnel à (Cvl-Cv2)/(Cvl+Cv2) donc proportionnel à la distance d-do. Le schéma présente la particularité suivante : la première partie du circuit à capacités commutées, qui utilise les deux capacités variables Cv1 et Cv2, utilise deux tensions de référence fixes identiques et de signe opposé Vref et -Vref et une tension variable qui est la tension de sortie Vout de l'intégrateur. En phase phil, la tension de référence Vref est appliquée à l'électrode fixe de la capacité Cv1, et la tension de référence -Vref est appliquée à l'électrode fixe de la capacité Cv2. Les électrodes mobiles AMI et AM2, respectivement en regard des électrodes fixes AF1 et AF2, sont au même potentiel et sont reliées à l'entrée positive (+) d'un amplificateur opérationnel Al. Cette entrée positive reçoit en permanence la tension de sortie Vout. Une capacité d'intégration Cint est reliée entre la sortie de l'amplificateur Al et son entrée négative ; elle est court-circuitée pendant la phase phil. En phase phi2, l'électrode mobile des capacités variables cesse d'être reliée à l'entrée positive de l'amplificateur et elle est maintenant reliée à l'entrée négative, mais l'entrée positive reste à Vout ; la capacité Cint cesse d'être court-circuitée ; également, les électrodes fixes de Cv1 et Cv2 ne reçoivent plus Vref et -Vref mais reçoivent maintenant la tension Vout. Il en résulte que la capacité Cv1 reçoit une charge Q11= CvI(Vref-Vout) pendant la phase phil ; la capacité Cv2 reçoit pendant cette phase une charge Q21 = Cv2(-Vref-Vout) ; la capacité Cint a une charge nulle.

Pendant la phase phi2, l'amplificateur bouclé ramène une tension Vout sur son entrée négative du fait que son entrée positive est à Vout. La capacité Cv1 et la capacité Cv2 prennent une charge nulle du fait qu'elles ont chacune Vout sur leurs deux électrodes.

Les charges antérieures Q11 et Q21 des capacités Cv1 et Cv2 sont transférées sur la capacité Cint qui prend donc une charge égale à Cv1(Vref-Vout)+Cv2(-Vref-Vout). La sortie de l'amplificateur opérationnel Al prend une valeur Val 5 égale à [Cvl (Vref-Vout)+Cv2(-Vref-Vout)]/Cint, soit Val = [Vref(Cv1-Cv2) - Vout(Cvl+Cv2)]. Cette valeur Val est intégrée par l'amplificateur à capacités commutées qui produit la tension Vout. Ce système s'asservit automatiquement autour d'une valeur de 10 Vout idéale telle que la charge totale prise par les capacités Cv1 et Cv2 pendant la phase phil soit égale à zéro. En effet, si elle est supérieure à zéro, parce que Vout est trop faible, elle produit à la sortie de l'amplificateur Al une tension de sortie positive Val qui tend à augmenter le potentiel Vout fourni par l'intégrateur A2 ; inversement, si la charge est inférieure à zéro, 15 c'est parce que Vout a une valeur trop grande par rapport à sa valeur optimale, et l'amplificateur Al produit une tension négative qui tend à réduire le potentiel Vout fourni par l'intégrateur A2. Ainsi, Vout se stabilise automatiquement (avec la constante de temps liée à l'intégrateur) à une valeur optimale telle que 20 [Cv1(Vref-Vout)+Cv2(-Vref-Vout)]/Cint] = 0

Soit une valeur Vout = Vref (Cv1 - Cv2)/(Cvl + Cv2)

D'une part, Vout prend donc automatiquement, du fait de ce 25 système asservi, une valeur proportionnelle à (Cv1-Cv2)/(Cvl +Cv2) qui est, comme on l'a dit, exactement égale au rapport (d-do)/do entre le déplacement de la masse mobile et la distance entre électrodes fixes et mobiles à la position d'équilibre. Cette tension Vout sert donc directement à la mesure de déplacement donc d'accélération. 30 D'autre part, les charges sur les capacités Cv1 et Cv2 pendant la phase phil sont respectivement Cv1(Vref-Vout) et Cv2(-Vref-Vout). Les forces électrostatiques engendrées sont proportionnelles au carré des charges (pour une surface donnée d'électrodes en regard). Or ces deux valeurs sont égales en valeur absolue d'après l'égalité précédente, ce qui 35 veut dire que les forces électrostatiques appliquées sur la masse mobile, égales et opposées pendant la phase phil, s'annulent. Pendant la phase phi2, les charges sont nulles et il n'y a pas de force électrostatique. Ce système asservi est donc très linéaire par principe et il élimine les distorsions d'origine mécanique et d'origine électrostatique.

Pour mémoire, l'intégrateur à capacités commutées de la figure 1 comprend par exemple un amplificateur opérationnel A2 ayant son entrée non-inverseuse à la masse (0 volt), une capacité d'entrée Ca pour l'amplificateur opérationnel, une capacité de contre-réaction Cb reliée entre la sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur A2, et un groupe de quatre interrupteurs connectés de manière à établir les connexions suivantes : dans la phase phi2, la capacité d'entrée Ca est reliée entre la sortie de l'amplificateur Al et une masse à 0 volt ; l'entrée inverseuse de l'amplificateur A2 est en l'air ; dans la phase phil, l'électrode de capacité Ca qui était reliée à la sortie de l'amplificateur Al est mise à la masse et déconnectée de l'amplificateur Al ; l'autre électrode qui était à la masse est déconnectée de la masse et reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur A2.

Le schéma de la figure 1 repose sur l'égalité très précise entre la référence de tension Vref appliquée à la capacité Cv1 et la référence de tension -Vref appliquée à la capacité Cv2. Si les deux potentiels de référence ne sont pas identiques et de signe opposé, une distorsion de linéarité est introduite. De plus, le schéma exige que l'entrée non inverseuse de l'amplificateur opérationnel Al soit portée au potentiel Vout, qui varie donc en fonction de l'accélération mesurée. Le potentiel des électrodes mobiles de l'accéléromètre prend également une valeur Vout qui varie en fonction de l'accélération. Les capacités parasites nécessairement présentes dans le circuit voient des tensions variables, ce qui engendre des effets secondaires gênants pour la précision de mesure.

Le principe général de la solution proposée par la présente invention est représenté à la figure 2. Les éléments qui correspondent à ceux de la figure 1 portent les mêmes références et les commentaires qui ont été faits à propos de ces éléments restent applicables. Au lieu d'appliquer une tension de sortie variable Vout à l'entrée non-inverseuse de l'amplificateur Al, on maintient au potentiel de masse cette entrée non-inverseuse. On produit encore la tension de sortie Vout du circuit par intégration de la tension de sortie de l'amplificateur Al dans un intégrateur à capacités commutées. L'intégrateur à capacités commutées peut être réalisé comme celui de la figure 1 avec un amplificateur opérationnel A2, une capacité d'entrée Ca, une capacité de bouclage Cb, et des interrupteurs pour assurer les mêmes fonctions qui ont été décrites à propos de la figure 1. Mais on produit aussi une tension -Vout, égale à Vout et de signe opposé. Cette tension -Vout peut être obtenue par un amplificateur inverseur analogique A3 placé en sortie de l'amplificateur A2. mais on peut aussi prévoir, comme on le verra plus loin, que l'amplificateur A2 produit simultanément deux tensions opposées Vout et -Vout. Les potentiels appliqués aux capacités de mesure Cv1 et Cv2 de l'accéléromètre ne sont plus Vref, - Vref puis Vout comme c'était le cas à la figure 1. Ce sont maintenant des tensions issues de quatre sommateurs désignés respectivement par AD1, AD2, AD3, AD4. Le sommateur AD1 reçoit la tension -Vout et la première tension de référence Vref. Le sommateur AD2 reçoit la tension -Vout et la deuxième tension de référence -Vref (égale et opposée à la première).

Le sommateur AD3 reçoit Vout et -Vref. Enfin, le sommateur AD4 reçoit Vout et Vref. Pendant la phase phil, le sommateur AD1 est relié à l'électrode fixe AF1 de la capacité Cv1, et le sommateur AD2 est relié à l'électrode fixe AF2 de la capacité Cv2 ; les sommateurs AD3 et AD4 ne sont pas reliés aux capacités. Pendant la phase phi2, le sommateur AD3 est relié à l'électrode fixe AF1 de la capacité Cv1, et le sommateur AD4 est relié à l'électrode fixe AF2 de la capacité Cv2 ; les sommateurs AD1 et AD2 ne sont pas reliés aux capacités. Le montage du premier amplificateur opérationnel Al est le même qu'à la figure 1, à l'exception du fait que son entrée non-inverseuse est reliée à la masse (0 volt) et non à Vout. Par conséquent, la capacité de bouclage Cint est reliée entre la sortie de Al et l'entrée inverseuse et elle est court- circuitée pendant la phase phil. Les électrodes mobiles AMI et AM2 de l'accéléromètre sont reliées à l'entrée inverseuse pendant la phase phi2 seulement, et à l'entrée non-inverseuse pendant la phase phil seulement. Elles restent au potentiel de masse pendant les deux phases. Ainsi, pendant la phase phil, la capacité Cv1 reçoit une tension Vref-Vout ; son électrode mobile AMI prend une charge Q11 = Cv1(Vout-Vref) La capacité Cv2 reçoit dans la phase phil une tension (-Vref-Vout) et son électrode mobile prend une charge Q21 = Cv2(Vout+Vref). Pendant la phase phi2, les charges ainsi produites se déplacent ~o en partie vers la capacité de bouclage Cint (qui a été réinitialisée pendant la phase phil) ; la capacité Cv1 voit maintenant une tension (Vout-Vref) car : - son électrode mobile AMI est reliée à l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnelle, maintenue virtuellement au potentiel de l'entrée non-inverseuse, soit zéro volt, par l'effet du bouclage de l'amplificateur Al ; 15 - et son électrode fixe AF1 reçoit du sommateur AD3 une tension égale à -Vref+Vout. La capacité Cv1 prend donc sur son électrode mobile AMI une charge Q12 = Cv1(-Vout + Vref). 20 Pour la même raison, la capacité Cv2 reçoit maintenant une tension (Vref+Vout) et prend sur son électrode mobile une charge Q22 = Cv2(-Vref-Vout). La capacité Cint prend alors, sur son électrode reliée à cet instant aux électrodes mobiles AMI et AM2, une charge qui est la différence entre la 25 charge Q11+Q21 acquise sur les électrodes mobiles pendant la phase phil et la somme des charges Q12 et Q22 prises par ces électrodes pendant la phase phi2. Cette différence est égale à Cv1(Vout-Vref) + Cv2 (Vout+Vref) -Cv1(Vref-Vout) -Cv2(-Vref - Vout). 30 Au total cette charge de la capacité Cint peut s'écrire : 2Cvl (Vout-Vref) -2Cv2(-Vout-Vref) ou 2Vout(Cv1+Cv2) - 2Vref(CvI-Cv2) La tension de sortie Val de l'amplificateur Al prend donc une valeur qui est égale à cette charge divisée par -Cint, soit : 35 Val = [2Cv1 (Vref-Vout) -2Cv2(Vout+Vref)]/Cint ou Val = 2[Vref(Cv1-Cv2) - Vout(Cv1+Cv2)]/Cint.

Le système s'asservit automatiquement pour ramener en permanence cette tension Val à zéro. En effet, cette valeur de tension Val est appliquée à l'entrée de l'intégrateur. Si elle est positive elle produit une incrémentation de la tension Vout à la sortie de l'intégrateur, et cette augmentation de Vout tend à diminuer Val. Réciproquement, si Val est négative, Vout va diminuer, ce qui tend à augmenter Val. ~o Au total, le système bouclé est tel que Val est égal à zéro, et par conséquent on peut écrire les égalités suivantes : 15 Cv1(Vref-Vout) = Cv2(Vout+Vref) eq (1) Vout = Vref (Cv1-Cv2)/(Cvl +Cv2) eq (2) Il en résulte que - selon l'équation (2) Vout se maintient à une valeur égale à Vref(Cvl -Cv2)/(Cv1 +Cv2) qui représente fidèlement et linéairement le déplacement (d-do) de la masse mobile, - les charges présentes sur les capacités Cv1 et Cv2 pendant la 20 phase phil sont égales et de signe opposé puisque la charge Q11 est Cvl(Vout - Vref) et la charge Q21 est Cv2(Vout+Vref) et ces deux quantités sont égales et opposées d'après l'équation (1) ; - de la même manière, pendant la phase phi2, les charges sur les capacités Cv1 et Cv2 sont respectivement Q12 = Cv1(-Vout + Vref) et Q22 = 25 Cv2(-Vref-Vout) et sont encore égales et de signe opposé d'après la même équation (1), - les forces électrostatiques exercées entre les électrodes fixes et mobiles sont proportionnelles au carré des charges (pour une surface d'électrode donnée et les électrodes en regard sont de même surface pour 30 les deux capacités) ; ces forces sont donc identiques aussi bien dans la phase phil que dans la phase phi2 ; elles s'exercent en opposition l'une par rapport à l'autre dès lors que la masse mobile avec ses électrodes mobiles est située entre les deux électrodes fixes. II n'y a donc pas de force électrostatique qui dépendrait du 35 déplacement de la masse mobile et qui engendrerait une non-linéarité de la mesure d'accélération. La tension Vout représente doncune mesure linéaire de l'accélération. De plus, le schéma de la figure 2 fournit une mesure de tension proportionnelle à (Cv1-Cv2)/(Cv1+Cv2) même si les références de tension Vref et -Vref ne sont pas identiques et sont Vrefp et -Vrefn. Le coefficient de proportionnalité change puisqu'il devient (Vrefp+Vrefn)/2 au lieu de Vref, mais la proportionnalité subsiste, alors que le schéma de la figure 1 fournirait une valeur Vout = (Cv1Vrefp-Cv2Vrefn)/(Cvl+Cv2) qui n'est pas proportionnel à (Cv1-Cv2)/(Cvl +Cv2).

C'est pourquoi le schéma de la figure 2 peut être modifié en utilisant comme références de tension non pas une tension Vref et une tension -Vref mais deux tensions différentes Vrefp et -Vrefn. Enfin, le principe de l'invention permet de faire un montage entièrement différentiel, si on prévoit que l'accéléromètre comporte quatre capacités au lieu de deux ou si on rajoute deux capacités fixes de valeur identiques à celles de l'accéléromètre en position de repos. L'avantage d'un montage différentiel, qui n'était pas possible avec le schéma de la figure 1, est d'une part la réduction très importante du bruit présent à la fois sur la tension d'alimentation générale du circuit et sur les tensions de référence Vref et -Vref, et d'autre part la réduction des charges parasites injectées par les interrupteurs. La figure 3 représente un montage entièrement différentiel. Les amplificateurs Al, et A2 sont différentiels et entièrement symétriques ; ils ont chacun deux entrées et deux sorties. L'amplificateur Al est bouclé par deux capacités Cint et Cint' identiques, l'une entre une première sortie et une entrée, l'autre entre la deuxième sortie et l'autre entrée. Tous les éléments de circuit dupliqués sont désignés par une référence "prime" sur la figure 3. L'accéléromètre comporte deux capacités de mesure variables Cv1 et Cv2 comme précédemment, avec des armatures fixes AF1, AF2 et des armatures mobiles AMI, AM2 ; il comporte aussi deux capacités auxiliaires identiques Cv'1 et Cv'2 dont la valeur est égale à la valeur des capacités variables dans la position de repos de la masse mobile ; les capacités auxiliaires ont des électrodes AM'l et AM'2 qui simulent les électrodes mobiles des capacités variables, et des électrodes AF'l et AF'2 qui simulent les électrodes fixes des capacités variables. Les électrodes des capacités auxiliaires sont connectées comme celles des capacités variables mais du côté de l'entrée noninverseuse de l'amplificateur Al ; elles reçoivent les mêmes tensions que les capacités variables pendant la phase phil et également pendant la phi2. Ainsi, les électrodes AM'l, AM'2 qui simulent des électrodes mobiles sont reliées à la masse pendant la première phase et à une entrée non-inverseuse de l'amplificateur opérationnel pendant la deuxième phase. Les électrodes AF'l, AF'2 qui simulent des électrodes fixes reçoivent les mêmes tensions que les capacités de mesure. L'amplificateur A2 est également monté de manière différentielle et comporte deux capacités d'entrée Ca, C'a, et deux capacités de bouclage Cb, C'b. Il possède deux sorties symétriques fournissant des tensions Vout et -Vout et ce sont ces tensions qui sont appliqués aux sommateurs pour produire des tensions Vref-Vout, -Vref-Vout, Vout-Vref, et Vout+Vref.

La figure 4 représente à titre d'exemple un circuit simple permettant d'établir les sommations de tension nécessaires aux circuits des figures 2 et 3. Dans le schéma de la figure 4, les quatre sommateurs qui étaient représentés comme des éléments distincts sur les figures 1 et 2 sont regroupés et constitués à partir de deux amplificateurs opérationnels différentiels A4 et A5 ayant chacun deux entrées et deux sorties symétriques et auxquels sont associés quatre résistances d'entrée et deux résistances de sortie pour chaque amplificateur. Toutes les résistances d'entrée ont la même valeur R, toutes les résistances de bouclage ont la même valeur qui est de préférence aussi R pour assurer un gain unité.

Les tensions Vref et -Vref (mais ce serait la même chose pour des tensions Vrefp et Vrefn) ainsi que les tensions Vout et -Vout sont appliquées chacune à une entrée respective de chaque amplificateur de la manière suivante : la tension Vref est appliquée à une résistance connectée à l'entrée non-inverseuse et la tension -Vref est appliquée à une résistance connectée à l'entrée inverseuse, ceci aussi bien pour A4 que pour A5 ; la tension Vout est appliquée à l'entrée inverseuse de A4 et à l'entrée non-inverseuse de A5 ; la tension -Vout est appliquée à l'entrée non-inverseuse de A4 et à l'entrée inverseuse de A5.

Les sorties différentielles de l'amplificateur A4 fournissent respectivement Vref-Vout et -Vref+Vout ; les sorties de l'amplificateur A5 fournissent respectivement Vref+Vout et -Vref-Vout.

Claims (7)

1. REVENDICATIONS1. Accéléromètre comportant une masse sismique mobile suspendue élastiquement, des électrodes mobiles (AMI, AM2) sur la masse mobile et des électrodes fixes (AF1, AF2) en regard sur une partie fixe de l'accéléromètre pour constituer deux capacités de mesure (Cv1, Cv2) variant en sens opposé en fonction du déplacement de la masse mobile, un circuit de détermination d'une tension proportionnelle au rapport entre la différence et la somme des deux capacités, ce rapport représentant lui-même une mesure du déplacement de la masse mobile et donc de l'accélération, le circuit de détermination comprenant : - un premier circuit à capacités commutées (Al, Cint) pour appliquer cycliquement pendant deux phases d'un cycle un premier groupe de deux potentiels aux électrodes fixes (AF1, AF2) des deux capacités pendant une première phase (phi1) du cycle et un deuxième groupe de deux autres potentiels aux électrodes fixes des deux capacités pendant une deuxième phase (phi2) du cycle, et pour transférer dans une capacité commune (Cint) lors de la deuxième phase une charge liée aux potentiels appliqués et aux valeurs des capacités de mesure, - un circuit d'intégration (A2, Ca, Cb) recevant la tension de sortie (Val) du premier circuit, et fournissant une tension de sortie (Vout) représentant l'accélération, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (AD1, AD2, AD3, AD4) pour modifier les potentiels appliqués aux deux électrodes fixes en fonction de la tension de sortie.
2. 2. Accéléromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que les potentiels appliqués pendant la première phase sont élaborés à partir de la différence entre chacun de deux potentiels de référence (Vrefp, Vrefm) et la tension de sortie (Vout), et les potentiels appliqués pendant la deuxième phase sont élaborés à partir de la somme entre chacun de ces deux potentiels de référence et la tension de sortie.35
3. 3. Accéléromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que les potentiels de référence ont une même valeur Vref et des signes opposés, et les potentiels appliqués pendant les deux phases sont respectivement Vref-Vout et -Vref-Vout pendant la première phase et Vref+Vout et -Vref+Vout pendant la deuxième phase, où Vout est la tension de sortie.
4. 4. Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les potentiels de référence sont définis par rapport à une masse commune et les électrodes mobiles sont reliées à cette masse pendant la première phase et à une entrée d'un amplificateur opérationnel (Al) pendant la deuxième phase.
5. 5. Accéléromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'une autre entrée de l'amplificateur opérationnel (Al) est reliée à la masse 15 pendant les deux phases.
6. 6. Accéléromètre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la capacité commune (Cint) dans laquelle est opéré un transfert de charges pendant la deuxième phase est une capacité de contre-réaction entre la 20 sortie et l'entrée inverseuse de l'amplificateur opérationnel, et un interrupteur est prévu pour court-circuiter cette capacité de contre-réaction pendant la première phase de chaque cycle.
7. 7. Accéléromètre selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en 25 ce que le circuit de détermination de tension est différentiel, l'accéléromètre comportant en outre deux capacités auxiliaires identiques (Cv'l et Cv'2) dont la valeur est égale à la valeur des capacités variables dans la position de repos de la masse mobile, les capacités auxiliaires ayant des électrodes (AM'1 et AM'2) qui simulent les électrodes mobiles des capacités variables, 30 et des électrodes (AF'l et AF'2) qui simulent les électrodes fixes des capacités variables et qui reçoivent les mêmes tensions que les capacités variables pendant la phase phil et également pendant la phi2.