Capteurs inertiels vibrants : architecture numérique et étalonnage - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Vibrating inertial sensors : digital architecture and calibration

Capteurs inertiels vibrants : architecture numérique et étalonnage

Résumé

High Q-factor quartz piezoelectric resonators are designed at ONERA, and used to build inertial sensors. The vibrating beam accelerometer is made by a proof mass which induces a resonant frequency variation of the beam when an acceleration occurs. The tuning-fork vibrating gyroscope involves two perpendicular resonant modes which exchange energy each other by Coriolis effect. Analytic calculations and approximations made from high Q-factor hypothesis bring to resonators response modeling to sinusoidal excitation. Controlloops on frequency, phase an amplitude give access to information about the evolution of the vibrating cell physical characteristics, from which sensor calibration is possible. The sensor is composed by the piezoelectric cell under vacuum, an analog interface, digital electronics on FPGA and an on-board computer. Digital operations, as the excitation signal generation and response measurement by demodulation, without ADC or DAC converters, are implemented in VHDL and in C. The inertial instrument architecture is a generic design non dependent on specific components. The FPGA chip is connected to the onboard computer which drives and computes data provided by the resonator. Performances are obtained by analyzing noise levels, sensor scale factor and bias according to thermal conditions, measuring scale and bandwidth.
Des résonateurs mécaniques piézoélectriques en quartz et à grand facteur de qualité sont conçus à l’ONERA, et sont utilisés pour intégrer des capteurs inertiels. L’accéléromètre à lame vibrante est constitué d’une masse d’épreuve qui, soumise à une accélération, induit une variation de la fréquence de résonance de la lame. Le gyromètre vibrant de type diapason présente deux modes de résonance orthogonaux, et dont les amplitudes sont modulées par l’accélération de Coriolis. Des développements analytiques approchés en considérant l’hypothèse des grands facteurs de qualité permettent de modéliser la réponse des résonateurs à une accélération d’excitation sinusoïdale. Les asservissements de fréquence, phase et amplitude révèlent l’évolution des caractéristiques physiques de la cellule vibrante exploitable pour l’étalonnage du capteur. Le capteur est composé de la cellule piézoélectrique encapsulée sous vide, d’une interface analogique, d’une électronique numérique synthétisée sur FPGA, et d’un ordinateur de bord. Les opérations numériques, telles que la génération du signal d’excitation et la démodulation numérique de la réponse, sans convertisseurs DAC ou ADC, sont implémentées en VHDL et en C. L’architecture de l’instrument inertiel est générique, portable, et non dépendante de composants analogiques spécifiques, dans la perspective d’applications spatiales. La carte FPGA est connectée à l’ordinateur de bord qui pilote et traite les données provenant du résonateur. Les performances sont évaluées par étude du bruit, du facteur d’échelle et du biais du capteur en fonction des conditions thermiques, de l’étendue de mesure et de la bande passante.
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Origine Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03276309 , version 1 (02-07-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03276309 , version 1

Citer

Léopold Delahaye. Capteurs inertiels vibrants : architecture numérique et étalonnage. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. Université Paris-Saclay, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UPAST015⟩. ⟨tel-03276309⟩
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