Constructions internes d’accéléromètres piézoélectriques

Dans la série des 4 articles que nous vous proposons sur les accéléromètres, ce 2ème va traiter des accéléromètres piézoélectriques et notamment de leur construction.

CONDITIONS A REMPLIR

Pour convertir en signal électrique, de façon satisfaisante, une vibration ou un choc complexe, un accéléromètre devra répondre à certains critères, ci-dessous mentionnés Il devra….

  • fonctionner avec une large gamme d’accélération dynamique
  • couvrir une gamme de fréquence allant de 2 Hz (ou moins, pour les chocs de longue durée, étude de flottement…) à environ 10000Hz (pour des vibrations induites par des phénomènes acoustiques et les chocs de courte durée)
  • être insensible aux phénomènes non vibratoires tels que
    - la température extérieure et les transitoires de température
    - les bruits acoustiques
    - les rayonnements parasites (nucléaires, interférences, magnétiques)
  • être insensible aux signaux de vibration non souhaités tels que
    - les vibrations transverses
    - les contraintes de base induites par le spécimen à tester et le mode de fixation utilisée
  • reproduire l’information désirée sans distorsion due à l’amortissement et au filtrage
  • avoir une fréquence de résonance (capteur monté) élevée, pour minimiser les effets de résonance d’éléments du capteur.
  • modifier le moins possible la vibration du spécimen à tester, poids du capteur < à 10% du poids du spécimen à tester.
  • avoir des caractéristiques stables dans le temps

Lorsque l’accéléromètre est soumis à une accélération suivant son axe vertical, l’élément piézoélectrique est comprimé (ou décomprimé) par les forces d’inertie agissant sur la masse. Cette construction permet d’atteindre les buts recherchés, c’est-à-dire, haute sensibilité et une fréquence de résonance élevée mais a un inconvénient important.

Bien que le cristal lui-même fournisse le ressort dans le système masse ressort, constitué par le cristal et la masse de précontrainte, les parois du boîtier agissent également comme ressort, en parallèle avec l’élément sensible.

Ceci implique que tout changement dans les dimensions du boîtier va influer sur les caractéristiques et le fonctionnement du capteur.

Par exemple, des variations de température vont produire une variation dans les dimensions du boîtier et, par conséquent, influer sur l’élément sensible.

En particulier, cette construction sera très sensibles aux hautes énergies acoustiques car les ondes acoustiques, en rencontrant le boîtier, vont être directement transmises à l’élément sensible et auront pour conséquence une sortie électrique parasite.

Cette construction interne n’est plus utilisée et est incluse ici comme référence au premier accéléromètre piézoélectrique commercialisé.

Exemples de construction interne d’accéléromètre piézoélectrique

(Ces constructions internes sont aussi utilisées pour les accéléromètres piézoélectriques avec électronique incorporée)

Compression par écrou central

Cette construction améliore la précédente en fournissant un isolement plus important aux influences parasites. La compression par écrou central comporte une base, une tige filetée, une masse et un système de compression. La précontrainte est obtenue en vissant l’écrou de compression sur la tige filetée centrale. Le boîtier du capteur est monté au dessus et soudé sur la base. Le boîtier a alors un simple rôle de protection et n’est pas en contact direct avec le système « masse ressort ».

Compression Isobase®

La construction compression par écrou central peut encore être améliorée, toutefois en diminuant légèrement la fréquence de résonance. La compression par écrou central assure une liaison étroite entre la surface de montage et l’élément sensible, mais l’accéléromètre est toujours sensible aux phénomènes non vibratoires tels que la contrainte de base, la chaleur et le bruit acoustique. Pour améliorer ceci, Endevco™ a conçu la construction Isobase®, comparable à la précédente, sauf que la base de montage a une forme particulière pour mieux isoler la base de montage du capteur de la surface de l’élément sensible et mieux protéger de l’influence de contrainte de base.

Construction en cisaillement

Les accéléromètres qui fournissent une sortie électrique, en utilisant un élément piézoélectrique travaillant en cisaillement, permettent, une meilleure réjection des signaux induits par les contraintes de base. De même que pour la construction par écrou central, le boîtier a un rôle de protection et n’est pas en contact avec le système masse ressort, mais les contraintes venant de la base de montage sont très bien isolées, puisque les éléments piézoélectriques sont fixés sur une tige. Ce type de construction a pour avantage une sensibilité très faible aux contraintes de base et aux phénomènes acoustiques.

Comme les accéléromètres utilisant des cristaux ferroélectriques montés en cisaillement ne présentent pas de phénomènes pyroélectriques primaires, un autre avantage sera l’absence de signaux parasites en sortie, dus à des phénomènes pyroélectriques ou a des transitoires de température. La plupart des accéléromètres à cisaillement annulaire sont fabriqués en fixant les différents éléments à l’aide d’adhésif époxy, ce qui limite leur gamme de température de -55 à +260°C.

Les principaux avantages de ce type de construction sont la simplicité, la sécurité, mais aussi la possibilité d’avoir de capteurs miniatures et micro- miniatures, d’une taille ≤ à 4mm pour un poids de ≤ 0,13 gramme.

Les accéléromètres miniatures sont utilisés dans la plupart des applications hautes fréquences pour éliminer les erreurs dues à leur masse. Une modification intéressante, consiste à creuser la tige centrale qui traverse entièrement le capteur, afin de pouvoir le monter par une vis captive traversante. Cette technique permet une grande souplesse pour le montage du capteur dans des endroits difficiles d’accès, par l’orientation (radiale) du connecteur.

Construction Isoshear®

Les accéléromètres fonctionnant en cisaillement pourront également être construits en utilisant des éléments ayant une forme plate. Ces capteurs ont une conception semblable à ceux à cisaillement annulaire car les céramiques piézoélectriques seront fixées de part et d’autre d’un élément central par l’intermédiaire d’une masse qui sera précontrainte contre celui-ci. Dans un accéléromètre Isoshear ®, l’ensemble est boulonné assemblé, comme le montre la figure sur la page suivante.

Comme pour le cas précédent, le montage est symétrique par rapport au centre de gravité du capteur et permet d’obtenir de hautes fréquences de résonance.

De plus, cette technique n’utilisant pas d’adhésif organique, la gamme en température ne sera pas limitée à celle de l’adhésif.

Un autre avantage important de ce type de montage, est la possibilité de disposer  plusieurs éléments entre l’élément central et la masse de précontrainte, ces éléments plans, peuvent être empilés comme pour une construction en compression.

Lors de la fabrication, on pourra accroître la sensibilité, ajouter des éléments de compensation en température, augmenter la capacité interne et ajouter ou non, un isolant électrique par rapport au boîtier.

Ces différentes possibilités permettent d’obtenir un capteur correspondant au mieux à une application désirée. Les constructions Isoshear® ont généralement une sensibilité aux contraintes de base et une erreur due à la température très faibles, et par conséquent, des rapports signal sur bruit particulièrement élevés.

Ces caractéristiques permettent également d’effectuer des mesures en basse fréquence jusqu’a 0,1Hz.

ILLUSTRATION DES CONSTRUCTIONS

ILLUSTRATION DES CONSTRUCTIONS

Piézoélectrique sortie haute impédance (charge: pC/g)

Ces accéléromètres délivrent directement un signal électrique proportionnel à la vibration, étant auto générateur, ils n’ont pas besoin d’une alimentation.

Du fait de la haute impédance du signal électrique de sortie ,il est nécessaire d’utiliser un amplificateur, tension ou charge, avec une entrée haute impédance ainsi qu’un câble coaxial de liaison, traité contre les effets triboélectriques, générateurs de charges parasites.

L’amplificateur de charge étant peu sensible aux problèmes causés par les variations de capacité  des câbles, il est généralement plus couramment  utilisé qu’un amplificateur de tension .L’amplificateur de charge permet également d’utiliser la grande dynamique des accéléromètres piézoélectriques (>120dB) ; dynamique globale pouvant être ajustée par le gain réglable de l’amplificateur.

Les éléments piézoélectriques naturels (quartz, tourmaline) et artificiel (PZT), permettent une large plage d’utilisation en température (-260 à +700°C). Ce type d’accéléromètre, très robuste, est bien adapté aux mesures de vibration en températures extrêmes, par exemple, la surveillance vibratoire de turbines et mesure cryogéniques.

Piézoélectrique sortie basse impédance, amplificateur incorporé (tension : mV/g)

Les accéléromètres piézoélectriques générateurs de charge électrique sont des capteurs, bien connus depuis de nombreuses années. L’utilisation des circuits hybrides et de la microélectronique, a permis d’incorporer un amplificateur adaptateur d’impédance dans l’accéléromètre. D’autres fonctions (filtrage…) peuvent aussi être intégrées.

Cette gamme d’accéléromètres est commercialisée sous divers noms IEPE, ICP, ISOTRON

Pourquoi alimentation en courant constant ?

L’alimentation des accéléromètres IEPE par un courant constant, permet l’utilisation d’un câble à deux conducteurs, transmettant simultanément l’énergie de fonctionnement et le signal.

Une conception d’accéléromètre IEPE à alimentation sous tension constante, nécessiterait l’utilisation de trois ou quatre conducteurs. De plus, le circuit hybride comporterait des composants supplémentaires (régulateur) et l’impédance de sortie serait plus élevée que dans la conception à courant constant.

Comment générer le courant constant nécessaire ?

Les amplificateurs conditionneurs d’accéléromètres spécifiques aux IEPE, ou admettant les deux types d’accéléromètres piézoélectriques avec ou sans électronique incorporée, incluent une source à courant constant. La figure ci-dessous, représente le schéma équivalent d’un accéléromètre IEPE relié par un câble, en général une paire torsadée, a une source d’alimentation souvent incorporée au système d’acquisition des données.

La sortie basse impédance de l’IEPE créant une bonne immunité aux bruits électriques, il n’est pas nécessaire d’utiliser un câble faible bruit.

Schéma du système accéléromètre IEPE+Câble+Alimentation

Schéma du système accéléromètre IEPE+Câble+Alimentation

  1. R1 : résistance série du câble plus résistance interne de l’IEPE
  2. C1 : capacité du câble
  3. C2 : capacité de blocage de la composante continue
  4. R2 : résistance d’entrée du circuit utilisateur

Influence de la température

La plupart des IEPE ont une plage de température d’utilisation de -55 à +121°C (portée récemment à +162°C).

La présence de composants électroniques (transistors à effet de champ, amplificateur opérationnel, résistances, capacités) dans l’accéléromètre est la raison principale de cette plage plus limitée que celle des accéléromètres piézoélectriques sans électronique incorporée.

Dans cette plage, deux paramètres sont particulièrement affectés, la tension de polarisation et la sensibilité. Les caractéristiques du transistor à effet de champ provoquent une augmentation de la tension de polarisation pour les températures basses et une diminution pour les températures hautes

CONCLUSION

La simplicité de mise en œuvre au niveau du câblage et l’avantage d’un coût réduit de la voie de mesure accélérométrique, destine ces accéléromètres aux applications, type laboratoire d’essais, mesures embarquées, essais en vol.

Ils peuvent également être très utiles lors de mesure en présence de perturbations électriques et/ou électromagnétiques importantes ainsi qu’avec des câbles de liaison de grande longueur.

Des accéléromètres IEPE disposant d’un boîtier spécifique sont également très utilisés pour les applications de surveillance (industrie).

Néanmoins les accéléromètres piézoélectriques sans électronique intégrée, demeurent la seule solution lorsque la température dépasse les limites supportables par les composants électroniques et ceci jusqu’à plus de 700°C.

ENSEMBLE DES ARTICLES

1/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE ALTERNATIVE (AC)

2/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE CONTINUE (DC)

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