Les accéléromètres capacitifs & Servo-accéléromètres

Dans la série des 4 articles que nous vous proposons sur les accéléromètres, ce dernier va traiter des accéléromètres capacitifs intégrant des micromécanismes ou de l’électronique.

ACCÉLÉROMÈTRES CAPACITIFS

Ces accéléromètres sont des capteurs à l’état solide incorporant des éléments sensiblesmicro mécanismes silicium de technologie très avancée et une microélectronique intégrée.

Ils ont été conçus pour les applications nécessitant une mesure précise d’accélération defaible niveau (0 à 200g) dans une bande passante du continu à 2000Hz (selon l’étenduede mesure pleine échelle).

Des performances améliorées, telles qu’une augmentation de la précision, de la stabilité du signal de sortie en fonction de la température ainsi qu’une grande fiabilité, distinguent particulièrement cette conception.

La perception de l’accélération se fait par une paire d’éléments sensibles en silicium à micro mécanismes spécialement conçus, pour être sensibles aux changements de capacité induits par des déflections microscopiques dues à la variation des niveaux d’accélération.

Les éléments sensibles étant montés de manière différentielle, toute accélération appliquée augmente la capacité d’un élément tandis que diminue celle de l’autre et produit ainsi, un débit de courant inégal à travers les capteurs.

Ce courant différentiel est alors mesuré, conditionné et converti en tension, fournissant ainsi un signal de sortie proportionnel à l’accélération appliquée à l’entrée.

Schéma accéléromètre capacitif

Un diagramme simplifié du fonctionnement est monté par la figure ci-dessus, les éléments sensibles à variation de capacité sont montés sur un substrat avec des composants discrets et un circuit intégré, l’ensemble se plaçant ensuite, dans un boîtier support hermétique.

En général, ces accéléromètres sont munis de butées mécaniques de protection contre des chocs importants et sont également amortis par gaz.

Les caractéristiques d’amortissement sont très précisément contrôlées en fonction de la température afin d’augmenter la réponse en fréquence.

De par la faible viscosité thermique du gaz, comparée à celle d’un liquide, cette technique a prouvé son efficacité en assurant un coefficient d’amortissement stable pour une grande variation de température.

L’accéléromètre à capacité variable répond aux besoins de nombreux secteurs de marchés existants nécessitant la mesure à très basse fréquence ou continue, d’accélération.

Actuellement, deux autres types d’accéléromètres peuvent également répondent à ce besoin.

Les accéléromètres piézorésistifs, conçus pour la mesure de faible accélération, mais ils sont limités en surcharge. De plus, ils n’offrent pas en fonction de la température, toute la précision ou la stabilité nécessaire à la majorité des applications  « mesure de faible accélération ».

Les servo-accéléromètres à boucle asservie, sont capables de mesures avec très grande précision et stabilité.

La majorité des systèmes sismiques utilisés par les servo- accéléromètres sont toutefois, susceptibles d’importantes dégradations de performances ou de destruction, quand ils sont soumis à des niveaux de chocs ou vibration importants.

LES ACCÉLÉROMÈTRES A ÉQUILIBRE DE FORCE (SERVO- ACCÉLÉROMÈTRE)

Il existe différents modèles de servo-accéléromètres, mais les plus couramment utilisés ont une construction interne utilisant une masse pendulaire pouvant être de différents types de matériaux, quartz amorphe ou silicium micro- usiné.

Pour des applications de très grande précision, composant pour centrale inertielle de type aviation longue distance, sous-marin….d’autres technologies sont utilisées.

Pour les accéléromètres asservis micro- usinés, le système inertiel est constitué d’une masse pendulaire maintenue par deux pattes de flexion, micro usinée à partir d’un wafer en silicium. Ce wafer est soudé entre deux plaques de verre ayant des électrodes à film minces prédisposées. La figure ci-dessous, présente une vue éclatée d’un capteur micro usiné qui mesure 8 x 4 x 2mm et son circuit électronique incorporé.

Servo accéléromètre

Lorsqu’une accélération est appliquée au système, la masse tourne autour des pattes de flexion. Le mouvement crée par cette accélération est détecté par les capacités différentielles et traduit en tant que signal d’écart dans la boucle d’asservissement.

Le signal d’écart est amplifié et réinjecté vers les électrodes des plaques de verre.

Cette tension de réaction va créer une force électrostatique entre les électrodes.

Le couple associé à cette force électrostatique sur la masse aura tendance à la faire tourner en sens inverse pour retrouver sa position initiale.

Ce couple est égal à celui crée par l’accélération sur la masse et de signe opposé. La tension d’asservissement nécessaire pour réaliser cette opération est directement proportionnelle à l’accélération appliquée.

Le circuit électronique présenté aussi en figure 1, comprend un oscillateur, un détecteur de position, un capteur de température et la boucle d’asservissement.

Un circuit électronique complémentaire, est également utilisé pour régler la tension de polarisation et le facteur d’échelle, fournir l’alimentation, contrôler les caractéristiques dynamiques et régler le coefficient d’ajustement en vibration de l’accéléromètre.

Une fonction auto test permet une vérification complète de l’accéléromètre (parties mécanique et électronique).

En injectant une tension dans la boucle de contre réaction, la masse pendulaire ira dans la direction de la force électrostatique induite créant par conséquent un effet équivalent à celui d’une accélération.

Cette fonction permet également d’annuler l’influence de la gravité terrestre sur le capteur, en cas de mesure de très faible niveau d’accélération, perpendiculairement au sol.

La large gamme dynamique de certains servo-accéléromètres est bien adaptée pour une variété d’applications dans les domaines aéronautiques, militaires, automobiles et industriels.

Une excellente stabilité et précision les rend adéquats pour les applications de guidage et de contrôle, tels que le guidage inertiel des missiles et projectiles intelligents.

Ils peuvent aussi s’utiliser pour les essais en vol, les essais de flutter,, de stabilité, de vibration lors du décollage, surveillance sismique, mouvements des bateaux, stabilisation de plateformes, mesure d’inclinaison.

ENSEMBLE DES ARTICLES

1/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE ALTERNATIVE (AC)

2/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE CONTINUE (DC)

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