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Piezo Accelerometer Tutorial

Propriétés de l'accéléromètre

 

Dans ce chapitre, nous voulons examiner les principales propriétés ou caractéristiques typiques d'un accéléromètre. Outre la définition, nous voulons examiner et comprendre l'influence de la construction sur les propriétés du capteur de vibrations.

Il existe également des normes industrielles traitant des propriétés de l'accéléromètre piézoélectrique. La première à mentionner est la norme ISO 16063 sur les méthodes pour l'étalonnage des transducteurs de vibrations et de chocs et les deux normes plus anciennes ISA-RP37.2-1982 (R1995) et ANSI/ASA S2.2-1959 (R2016) qui décrivent également la procédure de mesure de certaines caractéristiques.


Pour mettre un peu d'ordre dans cet amalgame de propriétés, je les ai regroupées selon trois axes principaux, qui sont les propriétés liées à l'amplitude, à la fréquence et enfin à la température.
J'ai également essayé de séparer les "bonnes" propriétés ou les caractéristiques typiques de conception d'un accéléromètre piézoélectrique des "mauvaises", que j'ai appelées facteurs de perturbation et qui sont décrites dans le dernier chapitre.

Propriétés liées à l'amplitude

Dans cette section, nous trouvons des caractéristiques telles que la sensibilité, la linéarité ou la gamme dynamique limitée par la résolution et l'excitation permise ainsi que la capacité de choc.


Sensibilité

La caractéristique la plus concise d'un accéléromètre est probablement la sensibilité qui nous indique combien de pico-Coulombs sont émis par unité d'accélération.


En général, la sensibilité S d'un capteur est définie comme la pente de la fonction de transfert du capteur. Cela signifie le rapport entre la variation de la sortie par rapport à la variation de l'entrée correspondante.

Ainsi, la sensibilité S de l'accéléromètre devient
S = dQ/da   ou  S = ΔQ/Δa
Q = charge de sortie    [Q ] = pC
aaccélération d'entrée    [a ] = m/s
²  or g

La sensibilité est la pente de la sortie par rapport à l'entrée.

La sensibilité correspond à la pente de la courbe Sortie vs Entrée (Output vs Input)

Certains fabricants de capteurs de vibrations utilisent pour la sensibilité des unités pC/m/s², ce qui est la dimension correcte dans le système SI et également proposée par la norme ISO 16063. Cependant, dans de nombreux secteurs de l'industrie, notamment dans l'aéronautique, l'unité de base pour l'accélération reste la gravité g. Cela conduit à l'unité pC/g pour la sensibilité.


Remarque : Pour un capteur qui mesure un paramètre statique (comme la température ou la pression), nous parlerions de fonction de transfert statique. Cependant, nous nous souvenons que l'accéléromètre piézoélectrique ne peut pas mesurer une accélération statique. Avec notre capteur de vibrations, le signal (d'entrée et de sortie) est toujours dynamique. Idéalement, la fonction de transfert devrait être définie pour une seule fréquence de référence distincte. Cependant, comme nous le verrons dans la section "Linéarité", cela peut entraîner des difficultés pour tester la fonction de transfert complète.


Étalonnage de l'accéléromètre (sensibilité de référence)

L'étalonnage de l'accéléromètre (mesure de la sensibilité de référence) est établi sous un ensemble de conditions définies. Si vous suivez la norme ISO 16063, vous pouvez choisir par exemple 50 m/s² à 160 Hz.
Une autre condition de référence établie traditionnelle-ment serait 5 g à 120 Hz ou à 100 Hz.
En pratique, l'étalonnage du capteur est déterminé par une seule mesure de la sortie Q au point de référence, disons 5g à 120Hz.
Sachant que la fonction de transfert passe inévitablement par "zéro", la sensibilité de référence est alors simplement  S=Q/5    [pC/g]

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Le 120 Hz est utilisé pour éviter la première harmonique de la fréquence du réseau de 50 Hz.
Pour les pays où la fréquence du réseau est de 60 Hz, la fréquence de référence préférée est de 100 Hz.

La charge Q à 5g est égale à 5 fois la sensibilité.

La sensibilité de référence sera la valeur à laquelle se référeront toutes les autres mesures des caractéristiques de performance ou des influences extérieures.


Calcul de la sensibilité (pro memoria)

Pour calculer la sensibilité S d'un accéléromètre en pC/g, nous utilisons l'équation simple suivante
S = m·d·g = m·d·9.81  [pC/g ]
d est la constante piézoélectrique résultante de l'élément de mesure combiné et m est la masse de la masse inertielle de l'accéléromètre.
(le plus souvent d=n·dik  avec n = nombre d'éléments piézo)

Il ressort de ceci que pour augmenter la sensibilité de l'accéléromètre, il faut un matériau piézo avec une constante piézoélectrique élevée (dik ), un grand nombre d'éléments piézoélectriques et une grande masse inertielle.


Configuration de mesure

Il existe plusieurs méthodes d'étalonnage de l'accéléromètre (voir également la norme ISO 16063), mais pour toutes les mesures, nous avons besoin d'une table vibrante (shaker) pour produire un mouvement sinusoïdal monoaxial. Il est très important que le mouvement du shaker soit aussi proche que possible dans un seul axe, ce qui signifie que tout mouvement transversal doit être minimisé.

 

Une configuration de mesure typique pour l'étalonnage (sensibilité de référence) est un montage dos à dos avec un bloc central sur lequel on monte l'unité à tester d'un côté et un capteur de référence étalonné de l'autre côté. L'ensemble est monté sur un shaker. Les deux capteurs doivent être montés dans le même axe afin de réduire l'influence d'un éventuel mouvement de balancement de la table vibrante.
Un dispositif de mesure à laser peut également être utilisé à la place de l'accéléromètre de référence, mais il doit également être aligné dans l'axe central.
Il existe des capteurs d'étalonnage dos à dos sur lesquels l'unité à tester est montée directement. Le bloc de montage central peut ainsi être omis, mais si les capteurs à tester ont des plans de montage différents, un capteur d'étalonnage différent est nécessaire pour chaque plan.

Image montrant le montage typique dos à dos pour mesurer la sensibilité.

Unité

à tester

Accéléromètre de référence

Mouvement

du shaker

 


Linéarité

La fonction de transfert d'un capteur est idéalement une ligne droite, mais dans la réalité, il y a toujours de petites déviations par rapport à la ligne idéale. La linéarité caractérise cette propriété d'un capteur. Selon la norme ISA 37.1, la linéarité est définie ainsi: La proximité de la courbe d'étalonnage avec une ligne droite spécifiée.
La linéarité est exprimée en tant que non-linéarité ou erreur de linéarité. Il s'agit d'une mesure de la déviation maximale de la sortie de l'accéléromètre par rapport à une ligne droite de référence spécifiée et elle est exprimée en pourcentage du signal de sortie pleine échelle (full scale - FS). Dans certains cas, elle est également spécifiée comme pourcentage du signal.

Graphique montrant l'erreur de linéarité en tant que déviation de la meilleure ligne droite.

L'erreur de linéarité est la déviation de la meilleure ligne droite.

Normalement, la référence est la "meilleure ligne droite", c'est-à-dire la ligne droite passant par tous les points de mesure qui mène aux plus petits décalages de tous les points par rapport à la ligne.
Elle peut également être définie de différentes manières, par exemple par les plus petits carrés d'erreur.
La linéarité est souvent indiquée par différentes valeurs sur différentes plages. Une indication typique serait 0,3 % sur 100 g et 1% sur 500 g.
Un élément piézoélectrique est considéré comme l'un des moyens les plus linéaires pour convertir une force en un signal électrique. Il faut juste s'assurer qu'il n'y a pas de shunt mécanique entre la masse inertielle et la base qui pourrait détruire la bonne linéarité !


Configuration de la mesure

Le test de linéarité est aussi effectué par comparaison avec un accéléromètre standard comme l'étalonnage de la sensibilité. Cependant, avec la configuration d'étalonnage décrite plus haut, la capacité d'amplitude ou la puissance du shaker risque d'atteindre rapidement ses limites. C'est pourquoi nous utilisons des structures résonantes comme une barre résonante  transversale ou une tige résonante longitudinale pour obtenir l'accélération désirée. La fréquence de la structure résonante est normalement plus élevée que celle que nous avons choisie pour le test d'étalonnage. C'est une pratique acceptable, mais la fréquence d'essai doit rester dans la partie inférieure de la bande de fréquence de l'accéléromètre testé, car à des fréquences plus élevées, son signal de sortie pourrait être influencé par sa propre résonance.
Il est important de monter l'accéléromètre de référence et l'unité sous test à faible distance et à un endroit éloigné du point nodal de la structure résonante (la barre ou la tige). Il est également important que le rapport des deux sorties soit mesuré sur toute la gamme d'accélération sur le même montage.
Bien entendu, un capteur de vibration au laser peut également être utilisé comme référence.

 
 

Gamme dynamique

La plage dynamique d'un capteur ou d'un instrument est définie comme la plage entre la plus grande et la plus petite entrée dans laquelle le capteur reste conforme aux spécifications. Un paramètre typique à considérer dans ce contexte est la linéarité de l'accéléromètre.
La limite supérieure de la gamme dynamique est dictée par l'architecture et les détails de conception de l'accéléromètre. Elle est donnée par la charge maximale admissible, avant qu'il ne soit endommagé de manière permanente ou que le signal ne soit distordu ou non-linéaire de manière inacceptable.


La limite inférieure est plutôt dictée par la résolution du signal.


Charge maximale

La limite supérieure de la gamme dynamique est finalement liée au poids de la masse inertielle et à la robustesse de l'élément piézoélectrique. Plus la masse est importante, plus l'accélération admissible est faible. Mais ce n'est pas seulement le poids de la masse qui est important, mais aussi la grandeur de la précontrainte qui maintient les éléments individuels ensemble. À l'accélération maximale dans toutes les directions, la précontrainte doit être suffisante pour empêcher les pièces de se déplacer sous l'effet des forces d'inertie.


Resolution

La limite inférieure de la gamme dynamique est généralement déterminée par la résolution de la chaîne de mesure. La résolution est définie comme la plus petite variation de l'entrée qui produit encore une variation de la sortie. La résolution d'un bon accéléromètre peut être considérée comme presque infiniment petite. Cependant, en réalité, la résolution est déterminée par le bruit du système de mesure.  Le bruit du système est largement déterminé par l'électronique, la longueur du câble, le blindage du câble, le niveau de l'environnement électromagnétique, mais aussi par le bruit triboélectrique généré par le mouvement du câble ou des effets indésirables de déformation de la base.

En règle générale, un système de mesure professionnel peut détecter de manière nette 1/100 de pico-coulomb avec un rapport signal/bruit encore raisonnable.
La limite inférieure de la gamme dynamique est déterminée par les qualités électriques du système de mesure, tandis que la limite supérieure dépend des qualités mécaniques de l'accéléromètre. Typiquement, un bon accéléromètre piézoélectrique fonctionne sur une gamme dynamique allant jusqu'à 1'000'000 à 1 (120 dB).
Si l'on considère la chaîne de mesure complète, il faut tenir compte du fait que les étages électroniques ultérieurs ont également une limite de gamme maximale au-delà de laquelle nous aurons un écrêtage par saturation. Je tiens à souligner qu'il est généralement nécessaire de réduire l'amplification à la résonance à l'aide d'un filtre passe-bas.

 

 


Choc mécanique

Un choc est un événement unique de changement soudain de l'accélération. Normalement, le choc est défini comme une impulsion demi-sinusoïdale. Cela signifie que la durée du choc correspond à la moitié de la période et la magnitude à l'amplitude d'une accélération sinusoïdale. Une spécification typique pour un choc pourrait être la suivante:

Choc demi-sinusoïdal de 5000g / 1ms


Résistance au choc

La capacité à survivre à un choc est donnée par la conception et le choix des matériaux de l'accéléromètre, comme nous l'avons vu pour la limite supérieure de la gamme dynamique.  Il ne faut pas oublier qu'une exigence de survie aux chocs s'applique normalement aux 3 axes !

Profil de choc demi-sinusoïdal

Profil de choc avec une forme d'onde semi-sinusoïdale

To produce a repeatable shock there are different systems on the market.
One of them is a pneumatic hammer i.e. there is a cylinder with a piston inside which is shot pneumatically to impact a little anvil. On the anvil the transducer under test together with a reference transducer are mounted in one axis similar to the back to back mounting of the sensitivity calibration.
Other methods are the pendulum shock testing machine which works like the name says with an impacting pendulum or the free-fall drop shock machine which has a vertically guides fall table on which the UUT is mounted.


Mesure des chocs

La mesure correcte d'un choc avec un accéléromètre piézoélectrique est assez complexe et un peu délicate. Il ne s'agit pas seulement d'une question de plage d'amplitude, mais surtout d'une question de réponse en fréquence de l'accéléromètre. L'accéléromètre piézoélectrique n'a pratiquement aucun amortissement et il faut donc tenir compte de l'influence de la résonance excitée par le choc. Pour mesurer un choc, il faut un accéléromètre ayant la résonance la plus élevée possible. Mais la partie inférieure de la bande de fréquences est également importante, car le contenu fréquentiel d'un choc, même très court, contient des fréquences très basses. En outre, certains matériaux piézoélectriques présentent une sorte de décalage du zéro après un choc important, qui ne se récupère que lentement.