Decoration_image shows mechanical measuring tools with technical drawing in the background. Image source: Pixabay.com

Piezo Accelerometer Tutorial

Conception de l'accéléromètre

Conception de l'accéléromètre

Nous en savons maintenant assez pour comprendre la fonction de base d'un accéléromètre et c'est ce que nous voulons examiner dans ce chapitre.  Nous verrons également certaines réflexions sur la conception qui sont dictées par les exigences de l'environnement, puis les configurations de base utilisant les différents modes de fonctionnement de l'élément piézo. Enfin, nous examinerons la sortie électrique du capteur avec un bref aperçu des pratiques électroniques courantes utilisées.

Principe de fonctionnement

Nous retenons:

  • L'accéléromètre piézoélectrique ne peut mesurer que l'accélération dynamique .
    En dessous d'une certaine fréquence minimale, la sortie devient de plus en plus petite.

  • Dans des conditions statiques, la sortie devient nulle .

  • La sensibilité est proportionnelle à la masse de la masse inertielle et à la constante piézoélectrique de l'élément sensible.

 

Principes de base

Deux propriétés fondamentales

Signal de sortie de l'accéléromètre

La charge de sortie Q

de l'accéléromètre est

Q = d33 · m · a

m   = mass
a    = accélération

d33 = constante piézoelectrique

         (en mode de compression)

The charge signal is a true picture of the acceleration acting on the sensor.

Cela signifie que le signal de charge est une image fidèle de l'accélération agissant sur le capteur. Ainsi, si l'entrée mécanique est un mouvement sinusoïdal, la sortie sera également sinusoïdale.
Si on a également besoin du signe plus ou moins du signal, il faut se rappeler que l'accélération est opposée au déplacement.
La sensibilité dépend uniquement de la constante piézoélectrique et de la masse. Tous les matériaux techniques présentent une certaine variation de leurs caractéristiques, comme la constante piézoélectrique. Dans la pratique, nous constatons souvent une variation allant jusqu'à 10%. Si nous voulons que la sensibilité finale soit dans une tolérance plus serrée, nous pouvons ajuster la masse en conséquence. C'est pourquoi la masse est conçue pour être environ 10 à 15% plus lourde que ce qui est réellement nécessaire, de sorte que toutes les sensibilités soient élevées. L'élément sensible final peut alors être calibré en enlevant du poids à la masse.

Courbe de décharge

La charge q  d'un élément piézoélectrique va lentement diminuer jusqu'à zéro lorsqu'il est laissé à lui-même. Cela est dû à un très faible courant de fuite entre le côté positif et le côté négatif de l'élément piézoélectrique. Par conséquent, les charges des deux côtés s'égalisent au bout d'un certain temps.
La durée de cette relaxation est donné par la constante de temps, qui dépend elle-même de la résistance électrique entre les électrodes et de la capacité de l'élément piézoélectrique.

Natural discharge curve

charge

time

Courbe de décharge naturel

La constante de temps est une caractéristique importante de l'accéléromètre. Nous avons vu que la vibration doit être "plus rapide" que la relaxation du signal.
L'accéléromètre piézoélectrique n'est pas capable de mesurer une accélération statique (continue). La fréquence minimale qui peut être mesurée dépend de la constante de temps de l'élément piézo.

 
 

Modes fonctionnels

On trouve typiquement deux modes de fonctionnement ou principes utilisés avec les accéléromètres piézo classiques à savoir le mode de compression et le mode de cisaillement .

 

Compression Mode

L' image montre un accéléromètre en mode de compression.
Définissons les parties entre la base et la masse inertielle comme élément sensible.
Dans notre cas, l'élément sensible est constitué de deux anneaux d'isolation, de deux électrodes avec des fils et enfin de l'élément piézoélectrique. Les pièces sont normalement maintenues ensemble par un boulon central, mais elles peuvent tout aussi bien être collées ou soudées.
L'accéléromètre en mode de compression est probablement la conception la plus courante car elle est simple et possède de très bonnes caractéristiques de base.

Compression mode accelerometer

Accéléromètre en mode de compression

Mode de cisaillement

Un autre concept très populaire est l'accéléromètre en mode de cisaillement. La variante présentée ici est une conception symétrique avec deux éléments sensibles identiques. La partie de base comprend un support central. Deux éléments sensibles sont montés à gauche et à droite, avec les masses inertielles respectives aux bouts.
Une caractéristique du mode de cisaillement est que les éléments piézoélectriques sont verticaux (dans le sens de la sensibilité) avec les électrodes sur le côté.
Parfois, seule la moitié du dispositif est utilisée, ce qui permet d'obtenir une conception plus simple avec un seul élément sensible.

Shear-mode accelerometer

Accéléromètre en mode de cisaillement

Élément sensible empilé

Afin d'augmenter la sensibilité, nous pouvons utiliser plusieurs éléments piézoélectriques les uns sur les autres dans une pile. En utilisant par exemple trois anneaux piézoélectriques au lieu d'un seul, nous obtiendrons une sensibilité trois fois supérieure. Tous les pôles plus sont connectés ensemble et tous les pôles moins sont connectés ensemble en parallèle à la sortie respective.
L'utilisation d' éléments empilés est possible en mode de compression et de cisaillement.

Compression-mode accelerometer with multiple elements

Accéléromètre en mode de compression avec plusieurs éléments

Conceptions non-isolées

Les trois exemples ci-dessus sont tous entièrement isolés ou flottants. Toutefois, il existe également des modèles dans lesquels l'élément sensible n'est pas isolé par rapport au boîtier, ce qui simplifie considérablement la construction.
Une variante populaire de conception en mode de cisaillement utilise un élément piézoélectrique en forme de tube et une masse inertielle montée autour d'un support central. Il en résulte une solution très compacte et rigide. Les pièces sont normalement soudées ensemble. La base (ainsi que le boîtier) est alors un pôle électrique de l'élément sensible tandis que la masse inertielle est l'autre.
Ce type de configuration électrique est également appelé "single ended" car il ne comporte qu'un seul pôle sous tension, l'autre pôle étant le boîtier.

Accelerometer with shear tube element
Accelerometer with shear tube element

Accéléromètre avec élément de tube de cisaillement