Swan taking off from the water. Image source: Pixabay.com

Piezo Accelerometer Tutorial

Propriétés de l'accéléromètre

Considérations finales


Synthèse de propriétés


Les accéléromètres piézoélectriques sont populaires

Il a été prouvé que les accéléromètres piézoélectriques sont très souvent le meilleur choix pour mesurer les vibrations absolues dans l'industrie mais aussi en laboratoire. Il existe différents modèles pour presque toutes les applications et donc une grande variété de modèles. Par rapport aux autres types de capteurs, les accéléromètres piézoélectriques présentent des avantages importants:

Les éléments de mesure piézoélectriques permettent de réaliser des capteurs avec une plage dynamique extrêmement large, car d'une part ils sont très robustes et d'autre part ils génèrent un signal quasiment exempt de bruit.
Il existe des accéléromètres piézoélectriques qui peuvent mesurer avec précision 1 μg (=0,000001 g), tandis que d'autres peuvent résister à 100'000g. Un même capteur peut parfaitement reproduire des amplitudes de vibration de l'ordre de 1 à 1'000'000 (120dB) avec une excellente linéarité généralement inférieure à 1% sur toute la plage dynamique.


Plage dynamique, linéarité


Plage de fréquences

De plus, il existe des accéléromètres piézoélectriques qui ont des gammes de fréquences extrêmes. Des fréquences de l'ordre de 50 mHz à 50 kHz peuvent être mesurées avec moins de 5% d'erreur.


Plage de température

Il existe des accéléromètres piézoélectriques qui fonctionnent entre 4K (-269°C) et 1020K (747°C) de température de fonctionnement. Cette plage de température de plus de 1000K est couverte par un seul matériau piézoélectrique !


Fiabilité / Robustesse

Les accéléromètres piézoélectriques sont très compacts et très robustes. Ils ne comportent aucune pièce mobile et donc aucune usure, ce qui assure une fiabilité exceptionnelle.


Temps moyen entre pannes (Mean Time Between Failure

La mesure courante de la fiabilité est exprimée par un nombre appelé MTBF (Mean Time Between Failure). Le MTBF est littéralement le temps moyen qui passe entre une panne et la panne suivante. Il s'agit donc du temps moyen pendant lequel un produit fonctionne jusqu'à ce qu'il tombe en panne et doive être réparé à nouveau. Pour les produits non réparables, il s'agit du temps moyen jusqu'à la défaillance (MTTF, Mean Time To  Failure). Un accéléromètre défectueux n'est souvent pas réparé car le coût n'est pas économiquement justifié. Dans la pratique, cependant, le terme MTBF est généralement utilisé à la place de MTTF.

Le calcul du MTBF est une science en soi. Il nécessite des valeurs empiriques pour la défaillance des pièces individuelles, ou plus précisément pour la défaillance de la fonction de la pièce. Par exemple, un fil de connexion peut avoir la fonction de transmission du signal, mais la fonction inclut également le joint de soudure correspondant ou toute autre connexion. Pour chaque fonction, une probabilité de défaillance ou un taux de défaillance λ doit être déterminé. Cela indique combien de défaillances de la fonction doivent être attendues dans une période de temps, par exemple en 1'000'000 heures. On suppose que la probabilité de défaillance est constante dans le temps. Pour trouver le taux de défaillance de l'accéléromètre entier, les valeurs λ de toutes les fonctions sont combinées selon une logique de défaillance.
Si les fonctions individuelles sont connectées en série, ce qui signifie que la défaillance d'un composant entraîne la défaillance du système complet, alors les valeurs λ peuvent être simplement additionnées. Pour la fonction de l'unité entière s'applique alors: MTBF = 1 / λtotal

S'il existe des fonctions partiellement redondantes, comme deux fils de contact parallèles, etc., le calcul devient beaucoup plus compliqué.


Stabilité à long terme

Enfin, la stabilité des fonctions sur une longue période de temps est l'une des caractéristiques importantes des accéléromètres piézoélectriques.


Sensibilité

Il existe des matériaux piézoélectriques qui sont extrêmement stables dans le temps. C'est notamment le cas des monocristaux. Lorsqu'il sont utilisés dans les limites spécifiées, les capteurs monocristallins n'altèrent pas leur sensibilité de manière mesurable, même après des années ou des décennies de service.
Les accéléromètres piézocéramiques montrent parfois une certaine fluctuation de la sensibilité sur des périodes plus longues ou après une excursion de température ou de charge. Cependant, la sensibilité reste normalement dans les limites de 1 ou 2 % de l'étalonnage initial.
Bien entendu, les matériaux doivent être utilisés dans les limites données pendant toute leur durée de vie et ne doivent pas être soumis à des contraintes mécaniques, électriques ou thermiques excessives.


Résonance

De plus, la résonance d'un accéléromètre reste extrêmement constante dans le temps. Cela signifie que la réponse en fréquence ne change pas.
Si la résonance d'un capteur utilisé a changé par rapport à la valeur initiale, c'est le signe que le capteur a été trop fortement sollicité.


Propriétés indésirables

Bien sûr, il existe aussi des caractéristiques qui sont moins souhaitables.
On trouvera plus de détails à ce sujet dans le chapitre "Facteurs perturbateurs"

 
 


Compromis entre sensibilité-fréquence-température

Les trois axes principaux qui déterminent le capteur sont la sensibilité, la tenue en température et la réponse en fréquence (résonance). Il existe une forte dépendance entre ces trois axes caractéristiques.

Pour démontrer cela, nous rappelons le calcul de la sensibilité d'un élément de compression.
Avec la masse m, la constante piézoélectrique d et le nombre de disques piézoélectriques n, nous obtenons :

  • S = m · d · n

et pour la fréquence de résonance :

  • Fres² ~ k / m    avec    k ~ 1/n

Croquis montrant les éléments de conception d'un accéléromètre

Nous trouvons une situation de compromis typique entre ces trois caractéristiques principales. Si nous favorisons un axe, les deux autres en souffriront.

  • Pour obtenir une sensibilité élevée, il faut une grande masse m et (ou) un grand coefficient d.
    S     m   d

 

  • Avec l'augmentation de la capacité de température, la constante piézoélectrique diminue drastiquement.
    Tmax   ↔ 

 

  • Pour obtenir une résonance élevée, nous devons réduire la masse m et le nombre de disques n.
    Fres   ↔  m

Compromis entre la sensibilité, la capacité en température et la réponse en fréquence
Hand shows interactive image

Compromis entre la sensibilité, la capacité en température et la réponse en fréquence