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L’accéléromètre piézoélectrique est un système auto-générateur et par conséquence n’a pas besoin d’une alimentation électrique. Il n’y a pas de pièces mobiles susceptibles de s’user, et enfin, sa sortie proportionnelle à l’accélération peut être intégrée pour donner des signaux proportionnels à la vitesse et au déplacement. Les accéléromètres peuvent fonctionner à des températures extrêmes, mais sont limités par une impédance de sortie élevée nécessitant des câbles à faible bruit et des amplificateurs de charge pour conditionner le signal de sortie.
Le cœur d’un accéléromètre piézoélectrique est composé d’une lamelle de matériau piézoélectrique, généralement une céramique ferroélectrique polarisée artificiellement, qui présente le célèbre effet piézoélectrique. Lorsqu’il est stressé mécaniquement, que ce soit en tension, en compression ou en cisaillement, il génère une charge électrique proportionnelle à la force appliquée sur les faces de ses pôles.
Conceptions d’accéléromètres
Dans les conceptions pratiques d’accéléromètre, l’élément piézoélectrique est disposé de telle sorte que lorsque l’ensemble est vibré, la masse applique une force à l’élément piézoélectrique elle-même proportionnelle à l’accélération vibratoire. Cela peut être compris à partir de la loi, Force = Masse x Accélération.
EN SAVOIR PLUS
CAPTEUR D’ACCÉLÉROMÈTRE
Pour les fréquences se situant bien en dessous de la fréquence de résonance du système complet masse-ressort, l’accélération de la masse sera la même que l’accélération de la base, et l’amplitude du signal de sortie sera donc proportionnelle à l’accélération à laquelle le capteur est soumis.
Deux configurations sont couramment utilisées :
Le type dit à compression où la masse exerce une force de compression sur l’élément piézoélectrique et le type dit à cisaillement où la masse exerce une force de cisaillement sur l’élément piézoélectrique.
Types d’accéléromètres piézoélectriques
La plupart des fabricants ont une large gamme d’accéléromètres qui peut à première vue, sembler trop complexe pour faciliter un choix.
Un petit groupe de types « à usage général » satisfera la plupart des besoins classiques. Les modèles sont disponibles avec des connecteurs montés sur le dessus ou sur le côté et ont des sensibilités de l’ordre de 1 à 10 mV ou pC par m/s2. Les Types Brüel &Kjær Uni-Gain® ont une sensibilité normalisée à une « valeur ronde » pratique telle que 1 ou 10 pC / ms-2 pour simplifier l’étalonnage du système de mesure.
Accéléromètres CCLD/DeltaTron® ou IEPE
Les accéléromètres CCLD (Constant Current Line Drive) ou accéléromètres IEPE (Integrated Electronics Piezo Electric) sont des accéléromètres piézoélectriques avec préamplificateurs intégrés, qui donnent des signaux de sortie sous forme de modulation de tension sur la ligne d’alimentation.
Les accéléromètres IEPE de Brüel &Kjær ont une sensibilité de sortie élevée, un rapport signal/bruit élevé et une large bande passante qui les rendent adaptés aux mesures vibratoires à usage général et à haute fréquence.
Ces accéléromètres sont des instruments à haute performance, ils ont une sensibilité de sortie plus élevée que les accéléromètres piézoélectriques standard (sans amplificateurs intégrés). Ils sont hermétiquement scellés et donc protégés contre la contamination de l’environnement, ils ont une faible sensibilité aux radiofréquences et au rayonnement électromagnétique, ainsi qu’une faible impédance en raison de leur alimentation à courant constant par une source externe. La sortie à faible impédance permet d’utiliser des câbles coaxiaux peu coûteux pour relier les accéléromètres au système de mesure.
De nombreux accéléromètres en dehors de la plage d’usage général ont des caractéristiques orientées vers une application spécifique. Un exemple ; accéléromètres destinés à des mesures de haut niveau ou à haute fréquence, et utilisés sur des structures délicates, des panneaux, etc. qui pèsent environ 0,5 à 2 grammes.
D’autres types spéciaux sont optimisés pour la mesure simultanée dans trois directions perpendiculaires les unes aux autres : températures élevées ; niveaux de vibration très bas ; chocs de haut niveau ; étalonnage d’autres accéléromètres par comparaison ; surveillance permanente sur les machines industrielles.
Sensibilité, masse et plage dynamique de l’accéléromètre
La sensibilité est la première caractéristique normalement considérée. Idéalement, nous aimerions un niveau de sortie élevé, mais, nous devons faire ici un compromis car une sensibilité élevée implique un assemblage piézoélectrique relativement grand et, par conséquent, une unité relativement grande et lourde.
Dans des circonstances normales, la sensibilité n’est pas un problème critique car les préamplificateurs modernes sont conçus pour accepter des signaux de faible niveau. La masse des accéléromètres devient importante lors de la mesure sur des objets en essai de faible masse. Une masse supplémentaire peut modifier considérablement les niveaux de vibration et les fréquences mesurées au point de mesure.
En règle générale, la masse de l’accéléromètre ne doit pas dépasser le dixième de la masse dynamique de la partie vibrante sur laquelle il est monté.
Lorsqu’on souhaite mesurer des niveaux d’accélération anormalement bas ou élevés, la plage dynamique de l’accéléromètre doit être prise en compte. La limite inférieure indiquée sur le dessin n’est normalement pas déterminée directement par l’accéléromètre mais par le bruit électrique des câbles de connexion et des circuits amplificateurs. Cette limite est en principe aussi basse que le centième de m/s2 avec des instruments à usage général.
La limite supérieure est déterminée par la résistance structurelle de l’accéléromètre aux chocs. Un accéléromètre typique à usage général est linéaire jusqu’à 50000 à 100 000 m/s2, ce qui correspond bien à la gamme des chocs mécaniques. Un accéléromètre spécialement conçu pour la mesure des chocs mécaniques peut être linéaire jusqu’à 1000 km/s2 (100000 g).
Plage de fréquences de l’accéléromètre
Les systèmes mécaniques ont tendance à avoir une grande partie de leur énergie vibratoire contenue dans la gamme de fréquences relativement étroite entre 10 Hz et 1000 Hz, mais les mesures sont souvent faites jusqu’à environ 10 kHz parce qu’il y a souvent des composantes de vibration intéressantes à ces hautes fréquences. Nous devons donc nous assurer, lors du choix d’un accéléromètre, que la gamme de fréquences de l’accéléromètre peut couvrir la plage d’intérêt.
La gamme de fréquences sur laquelle l’accéléromètre donne une sortie correcte est limitée dans la partie basse de la gamme de fréquence en pratique, par deux facteurs. La première est la coupure basse fréquence de l’amplificateur qui le suit. Ce n’est normalement pas un problème car cette limite est généralement bien inférieure à un Hz.
Le second est l’effet des fluctuations de température ambiante, auxquelles l’accéléromètre est sensible. Avec les accéléromètres modernes basés sur l’effet de cisaillement du matériau piézoélectrique, cet effet est minime, permettant des mesures jusqu’en dessous de 1 Hz pour les environnements classiques.
La limite supérieure est déterminée par la fréquence de résonance du système masse-ressort de l’accéléromètre lui-même. En règle générale, si nous fixons la limite de fréquence supérieure à un tiers de la fréquence de résonance de l’accéléromètre, nous savons que les vibrations mesurées ne seront pas erronées de plus de 12%.
Avec les petits accéléromètres dont la masse est faible, la fréquence de résonance peut atteindre 180 kHz, mais pour les accéléromètres à usage général un peu plus volumineux et offrant un niveau de sortie plus élevé, les fréquences de résonance sont habituellement situées sur une gamme allant de 20 à 30 kHz.
Erreurs dues à la résonance de l’accéléromètre
Comme l’accéléromètre montre généralement une augmentation de sa sensibilité dans l’extrémité haute de sa gamme fréquence en raison de sa résonance, sa sortie ne donnera pas une représentation fidèle de la vibration au point de mesure à ces hautes fréquences.
Lors de l’analyse en fréquence d’un signal de vibration, on peut facilement reconnaître qu’un pic à haute fréquence est dû à la résonance de l’accéléromètre, et donc l’ignorer. Mais si l’on prend une lecture globale à large bande qui inclut la résonance de l’accéléromètre, cela donnera un résultat inexact si, en même temps, la vibration à mesurer comporte également des composantes dans la région autour de la fréquence de résonance.
Ce problème est surmonté en choisissant un accéléromètre avec une gamme de fréquences aussi large que possible et en utilisant un filtre passe-bas, qui est souvent inclus dans les mesureurs de vibrations et les préamplificateurs, pour réduire le signal indésirable causé par la résonance de l’accéléromètre.
Si les mesures sont limitées aux basses fréquences. les vibrations à haute fréquence et les effets de résonance de l’accéléromètre comme les surcharges sur l’électronique peuvent être facilement éliminés avec des filtres mécaniques. Ces filtres sont constitués d’un matériau résilient, généralement en caoutchouc, collé entre deux disques d’interface, et sont montés entre l’accéléromètre et la surface de montage. Ils réduisent généralement la limite de fréquence supérieure entre 0,5 kHz et 5 kHz.
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