Un accéléromètre est un capteur qui convertit les informations d'accélération en signaux électriques. Il se compose généralement d'un bloc de masse, d'un mécanisme d'amortissement, d'un corps élastique, d'un élément de détection et de composants de débogage.
Principe
Pendant l'accélération du capteur et de l'objet mesuré, la force d'inertie agissant sur le bloc de masse est mesurée et la valeur de l'accélération est calculée à l'aide de la formule a=FMa = \frac{F}{M}a=MF (seconde de Newton loi).
Types (basés sur les éléments de détection)
- Accéléromètre piézoélectrique
- Accéléromètre capacitif
- Accéléromètre de jauge de tension
- Accéléromètre piézorésistif
- Accéléromètre inductif
- Accéléromètre servo
Accéléromètre piézoélectrique
Accéléromètre piézoélectrique (accéléromètre piézoélectrique):
Principe: utilise l'effet piézoélectrique des céramiques piézoélectriques ou des cristaux de quartz. Lorsque l'accéléromètre se déplace, la force appliquée à l'élément piézoélectrique par le bloc de masse change, provoquant la déformation de la céramique piézoélectrique ou du cristal de quartz et générer un signal électrique. Le signal électrique est proportionnel à l'accélération, indiquant des changements d'accélération. Remarque: La fréquence de vibration de l'objet mesuré doit être beaucoup plus faible que la fréquence de résonance de l'accéléromètre.
Avantages : Sensibilité élevée, rapport signal / bruit élevé, grande plage dynamique, large plage de fréquences, structure simple, installation facile, longue durée de vie.
Inconvénients : fréquence de résonance élevée, sensible à l'interférence saine; Impédance de sortie élevée, signal de sortie faible, nécessitant des circuits d'amplification pour la détection.
Profil accéléromètre IEPE de type cisaillement piézoélectrique
Accéléromètre capacitif MEMS
Accéléromètre capacitif (accéléromètre capacitif variable):
Principe: basé sur le principe de capacité, où la distance entre les électrodes change. Une électrode est fixe, tandis que l'autre est un diaphragme flexible. Sous les forces externes (par exemple, la pression de l'air, la pression hydraulique), le diaphragme se déplace, provoquant un changement de capacité. Ce type de capteur peut mesurer la vitesse de vibration (accélération) dans l'écoulement de l'air ou du liquide et peut également mesurer la pression.
Accéléromètre capacitif variable MEMS:
Principe: L'élément sensible est composé de trois plaquettes de silicium monocristallines liées ensemble. Les plaquettes supérieures et inférieures forment deux électrodes fixes, tandis que la tranche moyenne, gravée chimiquement pour former une membrane flexible soutenant une masse centrale rigide, agit comme l'élément sensible. L'épaisseur de la membrane détermine la plage du capteur. De petits trous sont gravés dans la membrane. Lorsque la membrane se déplace avec la masse, l'air s'écoule à travers les trous, fournissant une force d'amortissement. Le changement de capacité génère une variation de courant qui indique l'accélération.
Avantages : bonnes caractéristiques à basse fréquence, sensibilité élevée, excellente adaptabilité environnementale, effet de température minimale. Convient pour mesurer les accélérations dynamiques et en régime permanent, les mesures à basse fréquence à basse fréquence et peuvent tolérer des chocs élevés G.
Inconvénients : relation non linéaire d'entrée-sortie, impédance de sortie élevée, mauvaise capacité de charge, significativement affectée par la capacité du câble.
Applications : tests d'accélération et de décélération dans les ascenseurs, tests de flottement sur les avions, lancement et tests en vol de vaisseaux spatiaux, irremplaçables dans des champs comme les airbags et les appareils mobiles.
Accéléromètre de jauge de tension
Accéléromètre de jauge de tension:
Principe: Le bloc de masse est fixé à une extrémité d'un faisceau en porte-à-faux, avec l'autre extrémité fixée à la base du capteur. Les deux côtés de la poutre en porte-à-faux sont fixés avec des jauges de contrainte, formant un pont de blé. L'entourant du bloc de masse et du cantilever est rempli de liquide d'amortissement (par exemple, d'huile de silicone) pour générer la force d'amortissement nécessaire. Le mouvement de l'objet mesuré fait bouger le capteur et la base transmet le mouvement vers le bloc de masse via le faisceau en porte-à-faux. La force inertielle déforme le cantilever, provoquant un changement de résistance des jauges de contrainte. Sous excitation constante, le pont de Wheatstone génère un signal de sortie de tension proportionnel à l'accélération, indiquant la valeur d'accélération.
Avantages : haute précision, large plage de mesure, structure simple, bonne réponse en fréquence, miniaturisation et intégration faciles.
Inconvénients : grande non-linéarité pour les souches élevées, signal de sortie faible nécessitant une compensation; Une précision de mesure plus élevée entraîne une fragilité accrue.
Accéléromètre piézorésistif
Accéléromètre piézorésistif mems:
Principe: Sur la base de l'effet piézorésistif des matériaux semi-conducteurs (silicium monocristallin), les composants centraux (bloc de masse, faisceau en porte-à-faux et support) sont gravés à partir d'une plaquette de silicium monocristal Un pont de Wheatstone.
Avantages : faible impédance de sortie, niveau de signal de sortie élevé, faible bruit intrinsèque, faible sensibilité aux interférences électromagnétiques et électrostatiques, conditionnement facile du signal; dérive zéro minimale sous une accélération de choc élevée; large bande de fréquence.
Inconvénients : faible sensibilité et effets de température significatifs.
Applications : intégrées dans divers circuits analogiques et numériques, largement utilisés dans la mesure des vibrations et des chocs, des études de flottement, etc., telles que les tests de collision automobile, l'équipement de test et la surveillance des vibrations.
Accéléromètre inductif
Mesure de l'accéléromètre inductif:
Principe: Sur la base de l'induction électromagnétique, le bloc de masse du capteur se déplace dans une bobine, modifiant l'auto-inductance ou l'inductance mutuelle de la bobine, qui est ensuite convertie en une tension ou un changement de courant par le circuit de mesure, indiquant des changements d'accélération.
Avantages : structure simple, fonctionnement fiable, précision élevée de mesure, point zéro stable, puissance de sortie relativement élevée.
Inconvénients : la sensibilité, la linéarité et la plage de mesure sont interdépendantes; La résolution du capteur est liée à la plage de mesure. Une grande plage de mesure entraîne une résolution plus faible, et vice versa; nécessite une stabilité élevée de la fréquence et de l'amplitude d'excitation; La propre réponse en fréquence du capteur est faible, ce qui le rend inapproprié pour les mesures dynamiques à grande vitesse.
Accéléromètre servo
Accéléromètre servo:
Principe: Le système de vibration du capteur se compose d'un système «MK», similaire à un accéléromètre standard, mais avec une bobine électromagnétique attachée au bloc de masse. Lorsque l'entrée d'accélération est appliquée à la base, le bloc de masse s'écarte de la position d'équilibre. Ce déplacement est détecté par un capteur de déplacement, amplifié par un amplificateur servo, et converti en une sortie de courant. Ce courant traverse la bobine électromagnétique dans un champ magnétique permanent, générant une force de restauration qui tente de ramener le bloc de masse à sa position d'équilibre d'origine, fonctionnant dans un état en boucle fermée.
Avantages : un système de test en boucle fermée avec d'excellentes performances dynamiques, une grande plage dynamique et une bonne linéarité. L'action de rétroaction améliore la résistance aux interférences, améliore la précision de la mesure et élargit la plage de mesure. La technologie des servo-accéléromètres est largement utilisée dans les systèmes de navigation et de guidage inertielle, ainsi que la mesure des vibrations et l'étalonnage de haute précision.
Inconvénients : coût élevé.
Indicateurs techniques
Les principaux indicateurs de fonctionnement des capteurs sont divisés en réponse efficace et en réponse parasite .
Réponse efficace : La réponse du capteur dans le sens de l'axe sensible en raison de la vibration mécanique ou de l'entrée de choc. Cette réponse est souhaitée pour une mesure fiable des données.
Réponse parasite : la réponse du capteur causée par d'autres facteurs physiques présents tout en mesurant des vibrations mécaniques ou des chocs. Cette réponse interfère avec une mesure correcte et est indésirable.
Réponse efficace Indicateurs techniques principaux : sensibilité, réponse à la fréquence d'amplitude et réponse de fréquence de phase; non-linéarité.
Réponse parasite Indicateurs techniques principaux : réponse de la température, sensibilité à la température transitoire, sensibilité transversale, sensibilité au mouvement de la rotation, sensibilité à la souche de base, sensibilité magnétique, sensibilité au couple d'installation et réponse à des environnements spéciaux.
Sélection du capteur
L'accent principal est sur les indicateurs suivants:
- Type de capteur
- Gamme
- Sensibilité
- Bande passante de réponse en fréquence
- Poids
