Technologies d’Accéléromètres pour la Mesure de Vibration et de Choc

Nous vous proposons une série de 4 articles dont le but est de passer en revue les différentes technologies d’accéléromètres et d’aider à leur choix selon les applications et l’environnement, tout en sachant que l’utilisation principale d’un accéléromètre est la mesure de vibration.

Ces articles vont être publiés dans l’ordre suivant

1/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE ALTERNATIVE (AC)

2/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE CONTINUE (DC)

Chaque famille d’accéléromètres a ses avantages et inconvénients, il est évident que la qualité de la mesure dépend du choix du bon accéléromètre, il doit être choisi selon l’application mais également selon sa qualité. Il est bon de garder aussi à l’esprit que la chaîne de mesure utilisée comprend le capteur, l’ensemble câble/ connecteur mais aussi le conditionneur ou le système d’acquisition des données.

Avant de commenter les choix, il est bon de reprendre quelques notions de base concernant les différentes technologies d’accéléromètres.

En général, les mesures d’accélération, choc et vibration nécessitent des accéléromètres dont la conception permet la mesure d’évènements statiques ou dynamiques.

Pour les évènements « dynamiques », il est nécessaire d’utiliser des accéléromètres à réponse alternative.

Pour les évènements « statiques », il est nécessaire d’utiliser des accéléromètres à réponse continue.

Néanmoins, certains accéléromètres à réponse continue peuvent mesurer des évènements dynamiques, basse fréquence.

Photo introduction

1/ ACCÉLÉROMÈTRES À RÉPONSE ALTERNATIVE (AC)

Pour la mesure de phénomènes dynamiques

Les accéléromètres piézoélectriques

QU’EST-CE QUE LA PIÉZOÉLECTRICITÉ ?
L’observation humaine la plus ancienne de l’effet électrique a été effectuée sur l’agencement des forces mécaniques. Un pouvoir mystérieux était connu des Grecs anciens comme étant une propriété de l’ELEKTRON (ambre) lorsqu’on le frottait. Des siècles plus tard, l’électricité ayant été découverte, ses divers aspects étaient codifiés par un préfixe particulier tel que : voltaïque, thermo, photo, et bien sûr PYRO et PIEZO.

On avait observé depuis longtemps que le cristal de tourmaline placé dans des cendres chaudes commence par attirer les cendres puis à la repousser.

La caractéristique électrique fut établie en 1756 par Aepinus qui avait remarqué des polarités opposées aux deux extrémités d’un cristal de tourmaline chauffé.

En 1824, Brewster, qui avait étudié les effets de plusieurs sortes de cristaux, introduisit le vocable PYROELECTRICITE. Suivant une théorie de Coulomb que l’électricité doit être produite par pression sur un cristal, Hauy et Becquerel ont montré les effets électriques de certains cristaux lorsque ceux-ci étaient comprimés.

La découverte la plus importante fut celle des frères Pierre et Jacques Curie en 1880 : certains cristaux, étant comprimés dans des directions particulières, présentent des charges positives et négatives en certains endroits de leur surface.

Les charges sont proportionnelles à la pression et disparaissent lorsque la pression est supprimée, ainsi la PIEZOELECTRICITE était découverte. Cependant pendant les décades qui suivirent peu d’attention fut portée à cette découverte.

Avec le bond en avant de la seconde guerre mondiale, la piézoélectricité fut utilisée pour générer et détecter des ondes à haute fréquence à travers l’eau en vue de construction de sonars, l’effet réciproque étant alors utilisé : l’application d’une charge à un cristal produit un mouvement ou une déformation de l’aspect physique du cristal.

Il fallut encore attendre de nombreuses années avant de construire des accéléromètres tels que nous les connaissons aujourd’hui.

Représentation Transformation PiézoQU’EST-CE QUE L’EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE ?
La réponse la plus simple serait la transformation d’une énergie mécanique en une énergie électrique.

La figure ci-contre montre une méthode de transformation simple ou à partir d’un matériau piézoélectrique sous contrainte, une force en entrée fournit un signal électrique en sortie, dans le cas de compression dans l’axe de polarisation.

QUEL EST LE MÉCANISME QUI TRANSFORME L’ÉNERGIE ?
Afin de faciliter la compréhension, considérons la figure 1 ci-dessous qui représente une structure cristalline imaginaire à une dimension, comprenant un alignement d’ions alternativement positifs et négatifs, à  la manière de perles enfilées sur un élastique. Considérons la région entourée par les lignes en pointillées. Dans cette structure symétrique, la vue à partir du centre de la région vers la gauche ou vers la droite, est exactement la même.

Maintenant, supposons que nous appliquions une contrainte d’extension au cristal et que l’allongement soit faible (figure 2), les deux anions s’éloignent du centre avec des déplacements identiques mais en sens opposé. Le cation ne bouge pas, au centre de la région. Ainsi, il n’y a pas de déplacement important de charge dans la région considérée ou dans la structure cristalline qui est considérée comme un tout.

Cellule Cristalline Symétrique&Asymétrique

Voyons maintenant, ce qu’il advient lorsque nous allongeons faiblement une structure asymétrique. Le cation est à gauche du centre de la région de la figure 2 effectuant un déplacement de charge positive à gauche.

De nouveau, les deux anions se déplacent à partir du centre d’une quantité égale et opposée mais maintenant le cation se déplace vers la gauche du centre comme l’indique la figure 2 effectuant un déplacement de charge positive à gauche.

Si le cristal est maintenant comprimé, le cation se déplace à droite et une charge piézoélectrique de polarité opposée est générée.

Le même processus peut être appliqué pour l’effet réciproque, c’est-à-dire si un potentiel était appliqué à chaque région, cela créerait un faible mouvement résultant de la variation des dimensions du cristal.

Si un cristal est un conducteur électrique, les charges piézoélectriques seront immédiatement court-circuitées et il n’y aura rien en sortie.

Les matériaux piézoélectriques généralement utilisés pour les accéléromètres sont des matériaux isolants afin que la charge soit conservée et puisse être utilisée. Ceux utilisés pour les capteurs peuvent être divisés en deux catégories: cristaux simples et céramiques ferroélectriques.

CRISTAUX SIMPLES (QUARTZ ET TOURMALINE)
Ils ont des qualités certaines, quoique leur sensibilité soit faible par comparaison avec les céramiques ferro électriques.

La figure ci-dessous montre un cristal naturel, du quartz dans le cas présent. Il y a 32 catégories de cristaux

  • 11 catégories ont un centre de symétrie et donc, ne présentent pas d’effet piézoélectrique
  • Il y en a une, la catégorie 29, qui est asymétrique mais pas piézoélectrique
  • Les 21 autres restantes, étant asymétriques présentent l’effet piézoélectrique.

Les 3 cristaux piézoélectriques, les plus couramment utilisés dans les capteurs sont le sel de Rochelle, le quartz et, la tourmaline.

Quartz Axes OrthoLe sel de Rochelle n’est plus utilisé de nos jours à cause d’un point de Curie très bas (25°C), sa faible tenue mécanique et sa basse température de désintégration (55°C). Historiquement, il a été important pour les travaux de recherche sur la piézoélectricité.

Par contre, le quartz et la tourmaline sont couramment utilisés pour les capteurs, ils ont des qualités certaines bien que leur sensibilité soit faible, la tourmaline étant très utilisée pour les applications très haute température.

CÉRAMIQUES FERROÉLECTRIQUES
Pour fabriquer un matériau piézoélectrique utilisable, il faut que la plupart des régions cristallines aient leurs axes piézoélectriques alignés dans la même direction.

On réalise ceci au moyen d’un champ électrique intense. Cet effet de polarisation est analogue à la magnétisation du fer dans un champ magnétique, d’où l’expression Ferro Electricité

Les céramiques ont en général une sensibilité élevée, elles peuvent également être fabriquées à la demande en taille et forme, ce qui n’est pas le cas des cristaux simples.

Pyroélectricité
Lorsque l’on place des céramiques ferroélectriques dans un champ électrique intense, on obtient un seul axe de polarisation mais, tous les cristaux à un seul axe présentent alors le phénomène de pyroélectricité primaire, c’est-à-dire que si la température varie, on génère une charge.

Ceci peut être gênant dans les applications pratiques de la piézoélectricité.

Dépolarisation
Comme les éléments piézoélectriques peuvent être polarisés, ils peuvent également être dépolarisés.

Pendant la polarisation beaucoup de régions ferroélectriques microscopiques, à l’intérieur du matériau, alignent leur axe de polarisation suivant le champ primaire de polarisation externe et tendent à maintenir cet alignement à cause du champ interne créé par celui-ci.

Cependant elles restent dans la direction de polarisation à cause des contraintes internes.

Lorsque le champ de polarisation est supprimé, quelques régions veulent revenir à l’état initial afin de se soustraire à la contrainte. Il en résulterait une diminution de la sensibilité. Heureusement, cette tendance à la dépolarisation peut être annulée avant utilisation en recuisant le matériau dans son état de polarisation.

On provoque ainsi un relâchement des contraintes avant que le matériau soit mis en service. Ceci constitue une part importante du procédé de fabrication pour obtenir des capteurs fiables.

Il y a également d’autres possibilités externes de dépolarisation, si une contrainte de compression est appliquée dans la direction de polarisation, quelques régions voudraient s’échapper parce qu’elles sont un peu plus minces, lorsque la pression est assez forte, un élément peut être dépolarisé.

Heureusement les forces nécessaires pour une telle dépolarisation sont assez élevées, ce qui n’est pas un problème dans la plupart des applications, sauf dans le cas d’un choc important dépassant les spécifications du capteur.

Effet de la température
Pour produire des éléments ferroélectriques les plus stables et les plus sensibles le matériau doit être poussé jusqu’à la saturation. Les champs électriques de polarisation sont généralement très élevés, de l’ordre de 40000 Volts par centimètre. Des variations de polarisation peuvent survenir avec des champs beaucoup trop faibles et également avec des champs non désirés. Une source insidieuse de champ non désiré de dépolarisation, existe dans les éléments ferroélectriques. C’est-à-dire qu’avec une grande variation de température, des charges électriques importantes peuvent être développées. Si l’élément piézoélectrique est en circuit ouvert, c’est-à-dire que les charges ne sont pas évacuées, plusieurs centaines de volts peuvent exister aux bornes, c’est le résultat de la variation de polarisation de l’élément piézoélectrique et par voie de conséquence de la variation de sensibilité.

Un autre et très important effet de la température est que la gamme de température d’utilisation pratique d’un capteur est restreinte par le point de température dit de Curie.

A une certaine température, suivant le matériau, l’élément ferromagnétique cesse d’être ferroélectrique et désormais, ne peut plus être utilisé en tant que piézoélectrique.

En résumé: les accéléromètres utilisent un élément piézoélectrique naturel ou artificiel (quartz, tourmaline, céramique PZT) pré contraint par une masse sismique. La vibration fait varier la pré contrainte et déforme l’élément piézoélectrique qui génère alors un signal électrique haute impédance, exprimé en unités pC/g ou mV/g 

… à suivre…

… l’article sur la « Construction interne d’accéléromètres piézoélectriques »

 

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