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 test.
Principe
Lors de 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 (deuxième loi de Newton).
Types (selon les éléments de détection)
- Accéléromètre piézoélectrique
- Accéléromètre capacitif
- Accéléromètre à jauge de contrainte
- Accéléromètre piézorésistif
- Accéléromètre inductif
- Accéléromètre servo
Accéléromètre piézoélectrique
Accéléromètre piézoélectrique (Acceleromètre piézoélectrique):
Principe : Exploite l'effet piézoélectrique des céramiques piézoélectriques ou des cristaux de quartz. Lorsque l'accéléromètre se déplace, la force exercée sur l'élément piézoélectrique par le bloc de masse varie, ce qui provoque la déformation de la céramique ou du cristal de quartz et la génération d'un signal électrique. Ce signal est proportionnel à l'accélération et indique donc ses variations. Remarque : La fréquence de vibration de l'objet mesuré doit être nettement inférieure à la fréquence de résonance de l'accéléromètre.
Avantages : Haute sensibilité, rapport signal/bruit élevé, large plage dynamique, large bande passante, structure simple, installation facile, longue durée de vie.
Inconvénients : Fréquence de résonance élevée, sensible aux interférences sonores ; impédance de sortie élevée, signal de sortie faible, nécessitant des circuits d'amplification pour la détection.
Profil d'accéléromètre IEPE de type cisaillement piézoélectrique
Accéléromètre capacitif MEMS
Accéléromètre capacitif (accéléromètre capacitif variable):
Principe : Ce capteur repose sur le principe de la capacité, où la distance entre les électrodes varie. Une électrode est fixe, tandis que l’autre est une membrane flexible. Sous l’effet de forces extérieures (par exemple, la pression de l’air ou la pression hydraulique), la membrane se déplace, ce qui entraîne une variation de la capacité. Ce type de capteur permet de mesurer la vitesse de vibration (accélération) dans un flux d’air ou de liquide, ainsi que la pression.
Accéléromètre capacitif variable MEMS:
Principe : L'élément sensible est composé de trois plaquettes de silicium monocristallin collées entre elles. Les plaquettes supérieure et inférieure forment deux électrodes fixes, tandis que la plaquette centrale, gravée chimiquement pour former une membrane flexible supportant une masse centrale rigide, constitue l'élément sensible. L'épaisseur de la membrane détermine la plage de mesure du capteur. De petits trous sont gravés dans la membrane. Lorsque la membrane se déplace avec la masse, l'air circule à travers ces trous, créant une force d'amortissement. La variation de capacité induit une variation de courant qui indique l'accélération.
Avantages : Excellentes caractéristiques à basse fréquence, haute sensibilité, adaptabilité environnementale remarquable, faible sensibilité à la température. Convient à la mesure des accélérations dynamiques et statiques, aux mesures à basse fréquence et faible accélération (faible G) et résiste aux chocs à forte accélération (G élevée).
Inconvénients : Relation entrée-sortie non linéaire, impédance de sortie élevée, faible capacité de charge, fortement influencée par la capacité du câble.
Applications : Essais d'accélération et de décélération dans les ascenseurs, essais de flottement sur les aéronefs, essais de lancement et de vol des engins spatiaux, irremplaçable dans des domaines tels que les airbags et les appareils mobiles.
Accéléromètre à jauge de contrainte
Accéléromètre à jauge de contrainte:
Principe : Un bloc de masse est fixé à une extrémité d'une poutre en porte-à-faux, l'autre extrémité étant fixée à la base du capteur. Des jauges de contrainte sont fixées de part et d'autre de la poutre, formant un pont de Wheatstone. L'ensemble bloc de masse et poutre est rempli d'un liquide amortissant (par exemple, de l'huile de silicone) afin de générer la force d'amortissement nécessaire. Le mouvement de l'objet mesuré entraîne le déplacement du capteur, et la base transmet ce mouvement au bloc de masse via la poutre en porte-à-faux. La force d'inertie déforme la poutre, ce qui provoque une variation de la résistance des jauges de contrainte. Sous excitation constante, le pont de Wheatstone génère un signal de tension proportionnel à l'accélération, indiquant ainsi la valeur de cette dernière.
Avantages : Haute précision, large plage de mesure, structure simple, bonne réponse en fréquence, miniaturisation et intégration faciles.
Inconvénients : Forte non-linéarité pour les déformations élevées, faible signal de sortie nécessitant une compensation ; une précision de mesure plus élevée entraîne une fragilité accrue.
Accéléromètre piézorésistif
Accéléromètre piézorésistif MEMS:
Principe : Basé sur l'effet piézorésistif des matériaux semi-conducteurs (silicium monocristallin), les composants principaux (bloc de masse, poutre en porte-à-faux et support) sont gravés dans une plaquette de silicium monocristallin, et des résistances sont diffusées à la base de la poutre en porte-à-faux pour former 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 de signal facile ; dérive du zéro minimale sous forte accélération de choc ; large bande de fréquence.
Inconvénients : Faible sensibilité, effets importants de la température.
Applications : Intégré dans divers circuits analogiques et numériques, largement utilisé dans la mesure des vibrations et des chocs, les études de flottement, etc., comme les essais de collision automobile, les équipements de test et la surveillance des vibrations.
Accéléromètre inductif
Mesure par accéléromètre inductif:
Principe : Basé sur l'induction électromagnétique, le bloc de masse du capteur se déplace à l'intérieur d'une bobine, modifiant l'auto-inductance ou l'inductance mutuelle de la bobine, qui est ensuite convertie en une variation de tension ou de courant par le circuit de mesure, indiquant des changements d'accélération.
Avantages : Structure simple, fonctionnement fiable, haute précision 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 large plage de mesure entraîne une faible résolution, et inversement. Ce capteur exige une grande stabilité de la fréquence et de l’amplitude d’excitation. Sa réponse en fréquence propre est faible, ce qui le rend inadapté aux mesures dynamiques à haute vitesse.
Accéléromètre servo
Accéléromètre servo:
Principe : Le système de vibration du capteur est constitué d’un système « mk », similaire à un accéléromètre standard, mais avec une bobine électromagnétique fixée au bloc de masse. Lorsqu’une accélération est appliquée à la base, le bloc de masse s’écarte de sa position d’équilibre. Ce déplacement est détecté par un capteur de déplacement, amplifié par un servo-amplificateur et converti en un courant électrique. Ce courant circule dans la bobine électromagnétique, placée dans un champ magnétique permanent, générant une force de rappel qui tend à ramener le bloc de masse à sa position d’équilibre initiale, fonctionnant ainsi en boucle fermée.
Avantages : Système de test en boucle fermée offrant d’excellentes performances dynamiques, une large plage dynamique et une bonne linéarité. La rétroaction renforce la résistance aux interférences, améliore la précision des mesures et étend la plage de mesure. La technologie des servo-accéléromètres est largement utilisée dans les systèmes de navigation et de guidage inertiels, ainsi que pour la mesure et l’étalonnage de vibrations de haute précision.
Inconvénients : Coût élevé.
Indicateurs techniques
Les principaux indicateurs de fonctionnement des capteurs sont divisés en réponse efficace et réponse parasite .
Réponse effective : Réponse du capteur dans la direction de son axe de sensibilité suite à une vibration mécanique ou à un choc. Cette réponse est essentielle pour des mesures fiables.
Réponse parasite : Réponse du capteur causée par d’autres facteurs physiques présents lors de la mesure de vibrations ou de chocs mécaniques. Cette réponse perturbe la mesure et est indésirable.
Principaux indicateurs techniques de la réponse efficace : sensibilité, réponse en amplitude-fréquence et réponse en phase-fréquence ; non-linéarité.
Principaux indicateurs techniques de réponse parasite : réponse à la température, sensibilité à la température transitoire, sensibilité transversale, sensibilité au mouvement de rotation, sensibilité à la déformation de la base, sensibilité magnétique, sensibilité au couple d’installation et réponse aux environnements spéciaux.
Sélection du capteur
L'accent est mis principalement sur les indicateurs suivants :
- Type de capteur
- Gamme
- Sensibilité
- Bande passante de réponse en fréquence
- Poids
