Piezo Accelerometer Tutorial
Conception de l'accéléromètre
Interférence électromagnétique
Parmi les principes fonctionnels, nous avons vu différentes dispositions électriques de l'élément sensible comme "à single ended" (un pôle mis à la masse) ou "isolé et totalement flottant".Le choix de ces caractéristiques de conception de base dépend de l'architecture du système dans lequel nous voulons utiliser l'accéléromètre. Le choix de ces caractéristiques de conception de base dépend de l'architecture du système dans lequel nous voulons utiliser l'accéléromètre.
Lors de la conception d'un capteur, nous devons également tenir compte de l'environnement électromagnétique. Les lignes électriques, les appareils électroniques et autres équipements électriques proches peuvent créer ce que l'on appelle des interférences électromagnétiques IEM (angl. EMI). Les effets des champs électromagnétiques peuvent être captés par le capteur et en particulier par le câble de signal de liaison et dégrader le minuscule signal de mesure.
La compatibilité électromagnétique CEM (angl. EMC) est la capacité d'un équipement électrique à fonctionner dans un environnement électromagnétique et, dans la mesure du possible, à ne pas perturber d'autres appareils.
Le monde des IEM / CEM est assez complexe et une discussion détaillée nécessiterait un tutoriel pour soi-même. Nous nous limiterons ici à aborder le sujet.
La CEM est classée en émission et en susceptibilité, à la fois par couplage par conduction, par induction et par rayonnement. Le couplage par induction comprend magnétique et capacitif dans le champ proche, tandis que le couplage par rayonnement est plutôt du champ lointain.
Notre signal de pico-Coulomb n'est pas très puissant en émission, mais il est très susceptible aux interférences électromagnétiques. Le circuit de mesure piézoélectrique est particulièrement sensible au couplage par induction et éventuellement au rayonnement.
La solution pour réduire ou éliminer ces problèmes est un blindage et une mise à la terre appropriés.
Le blindage
Le blindage doit entourer toutes les parties du circuit de mesure, l'élément sensible, les conducteurs de signaux et enfin l'amplificateur de charge. Il intervient de deux manières dans les interactions avec les IEM. Il peut réfléchir une partie de l'énergie et il peut capter le bruit et le conduire à la terre afin que les IEM n'atteignent pas les parties internes. Cependant, une partie de l'énergie passe toujours à travers le blindage, mais fortement atténuée.
Le blindage a toujours besoin d'une connexion solide avec la terre.
Un blindage flottant ne fournit aucune protection contre les interférences électromagnétiques.
énergie restante
IEM par induction
énergie réfléchie
énergie conduite à la terre
intérieur
extérieur
blindage
Le blindage va réfléchir une partie de l'énergie, conduire la majeure partie de l'énergie vers la terre, mais aussi laisser passer une partie de l'énergie.
L'accéléromètre
Au niveau de l'accéléromètre, le blindage électrique est assuré en grande partie par le couvercle. Avec la base, les composants internes sont complètement blindés. On distingue deux architectures électriques différentes : La conception dite "single ended" ou asymétrique où un pôle de l'élément sensible est connecté au boîtier et la version électriquement flottante ou asymétrique avec les deux pôles isolés du boîtier.
Accéléromètre single ended.
Accéléromètre flottant.
Les figures montrent le schéma électrique des deux schémas de base Le blindage (c'est-à-dire le boîtier) est représenté en pointillés.
La machine sur laquelle l'accéléromètre est monté représente également une terre électrique, mais il faut être prudent avec cela, comme nous le verrons plus tard.
Le câble de signal
Le câble de signal est déjà plus difficile à blinder. Nous voulons que le câble soit flexible, c'est pour cela que le blindage du câble est généralement tressé et possède par nature de nombreux petits trous qui font que l'efficacité du blindage est inférieure à 100 %.
En fonction de la longueur du câble, nous pouvons avoir une capacité considérable entre le conducteur du signal et le blindage. De plus, la résistance linéaire du blindage n'est pas nulle.
Mais surtout, la longueur du conducteur dépassant le blindage peut réduire la protection. Dans l'idéal, le blindage est relié directement aux boîtiers sur toute la circonférence.
Effets des IEM sur le circuit de mesure asymétrique (single ended)
Schéma du circuit asymétrique
L'accéléromètre, le câble blindé et l'amplificateur de charge forment le circuit de mesure complet. Tous les composants sont asymétriques, ce qui signifie qu'il n'y a qu'un seul pôle actif alors que l'autre est relié au blindage. Cette architecture est franche et présente l'avantage d'être la plus simple et de nécessiter le moins de composants possible.
charge amplifier
ampli de charge
Circuit de mesure complet avec des composants asymétriques: accéléromètre, câble blindé et amplificateur de charge
Couplage capacitif
IEM induit
Les IEM induits créent une tension sur le blindage. Le bruit à couplage capacitif passe au travers. La plus grande partie de l'énergie des IEM est captée et conduite à la terre.
générée et provoquer le passage du bruit couplé capacitivement, bien que la plus grande partie de l'énergie IEM soit captée et mise à la terre.
Evidemment, la résistance le long du blindage augmente avec sa longueur. Nous ne trouvons donc ce type d'architecture que lorsque des câbles sont relativement courts et que l'IEM n'est pas très grave.
La plupart des blindages, en particulier sur un câble, subissent certaines fuites en fonction de la fréquence de la perturbation. En outre, il y a toujours une certaine capacité parasite entre le blindage et tout composant interne. Cet effet est le plus marqué sur le câble en raison du diélectrique de l'isolation. Puisque la résistance le long du blindage du câble n'est pas nulle, une tension peut être
ampli de charge
Boucle de masse
amplificateur
de charge
Cet effet s'aggravera bien sûr avec l'augmentation de la longueur des câbles et de la différence de tension entre les points de mise à la terre.
Une simple contre-mesure consiste à isoler l'accéléromètre du sol de la machine afin que la boucle soit interrompue.
Dans un environnement industriel, la machine ou l'équipement sur lequel l'accéléromètre est monté peut être à un potentiel électrique (tension) différent de celui de la terre du rack électronique. Avec le blindage relié à la terre des deux côtés, nous créons une boucle de masse dans laquelle un courant circulera si les extrémités du blindage sont maintenues à des potentiels différents. Comme la résistance du blindage le long du câble n'est pas nulle, nous trouverons différentes tensions le long du blindage qui, à la suite de la capacité entre le blindage et le conducteur, se coupleront dans le pôle actif.
Courant de boucle de masse induit par différents potentiels entre les points de mise à la terre. Le bruit est couplé à cause de la capacité du câble.
Système triaxial
ampli de charge
Circuit triaxial (accéléromètre et câble)
Cette conception est électriquement totalement flottante, les deux pôles étant isolés de la terre, mais elle n'est pas électriquement équilibrée (symétrique).
Une architecture triaxiale offre une excellente protection contre les IEM.
Une autre amélioration peut être obtenue en ajoutant un blindage supplémentaire à l'accéléromètre et au câble. On obtient alors un système dit triaxial. Le blindage externe du câble n'est mis à la terre qu'à une seule extrémité pour éviter toute boucle de masse, tandis que le blindage interne sert toujours de retour de signal.
Effets IEM sur le circuit de mesure équilibré (symétrique)
Une approche quelque peu différente pour lutter contre les IEM consiste à utiliser un capteur, un câble et un amplificateur de charge électriquement équilibrés. Équilibré dans ce contexte signifie que les composants sont entièrement isolés de la masse et qu'ils ont des impédances identiques des deux pôles à la masse (ce qui n'était pas le cas pour le circuit asymétrique). Pour obtenir une structure avec des impédances identiques à la masse, il est plus facile d'utiliser les mêmes pièces (électrodes, isolateurs, etc.) des deux côtés.
Amplificateur de charge différentiel
Le noyau d'un circuit équilibré, outre l'accéléromètre et le câble symétriques, est l'utilisation d'un amplificateur de charge différentiel.
Dans l'amplificateur de charge différentiel, les deux entrées, positive et négative, sont traitées exactement de la même manière. En effet, la polarisation négative de l'élément piézoélectrique n'est plus reliée à la terre et nous trouvons un amplificateur de charge distinct pour chaque ligne, chacune ayant une tension de sortie intermédiaire séparée U1 and U2.
Le troisième amplificateur est appelé amplificateur différentiel car il produit la différence entre deux tensions.
Sa sortie est essentiellement
Uout = U1 - U2 si U2 = - U1 on trouve Uout = 2U
amplificateur de charge 1
amplificateur de charge 2
amplificateur différentiel
U1
U2
Toute tension commune appliquée aux deux entrées est rejetée à la sortie car la différence est nulle.
En bref: le signal différentiel passe alors que le bruit de mode commun est bloqué. Les figures ci-dessous démontrent cela.
ampli de charge différentiel
+ signal
- signal
sortie
Le signal différentiel est amplifié
ampli de charge différentiel
bruit
bruit
sortie
Le bruit commun est annulé
L'amplificateur différentiel idéal supprimerait le signal en mode commun dans sa totalité, c'est-à-dire la tension qui est commune aux deux bornes de l'entrée différentielle. Dans la pratique, cette capacité de blocage a aussi ses limites. Nous appelons la capacité d'un amplificateur différentiel à éliminer la tension de mode commun de la sortie réjection du mode commun (common-mode rejection).
Les tensions de mode commun peuvent provenir d'un couplage capacitif dans les deux lignes, ou d'un différentiel de terre entre les deux extrémités du circuit. Quoi qu'il en soit, ce n'est pas la tension de mode commun qui est intéressante, mais plutôt la tension de sortie différentielle. C'est pourquoi la mesure de la capacité de l'amplificateur différentiel à supprimer la tension en mode commun par rapport au signal utile est appelée taux de réjection du mode commun (common-mode rejection ratio).
Hormis l'amplificateur lui-même, tous les autres composants à l'entrée de l'amplificateur différentiel doivent également être équilibrés. Cela signifie que les impédances de chaque pôle par rapport au blindage de l'accéléromètre et du câble doivent être égales.
Couplage capacitif
Voici un circuit équilibré complet avec l'accéléromètre, le câble et l'amplificateur de charge différentiel. Le bruit IEM rayonné est principalement capté par le blindage et conduit à la terre. Les deux conducteurs captent également une petite partie du bruit en raison de leurs capacités par rapport au blindage. Cependant, grâce au circuit équilibré, le bruit sur les deux lignes est pratiquement identique et à la sortie de l'amplificateur différentiel, le bruit sera largement supprimé.
Il est important que le blindage du câble ne soit mis à la terre qu'à une seule extrémité! Ceci afin d'éviter toute boucle de masse. Normalement, la qualité de la mise à terre est meilleure du côté de l'électronique que du côté de la machine. C'est pourquoi ce côté est préféré pour mettre le blindage à la terre.
Le couplage capacitif est symétrique et pratiquement identique sur les deux conducteurs. L'amplificateur de charge différentiel supprime le bruit en grande partie.
IEM induit
ampli de charge différentiel
Couplage magnétique
Jusqu'à présent, nous nous sommes concentrés sur le couplage capacitif comme type d'interférence prédominant. Cependant, nous ne pouvons pas négliger le couplage magnétique. On se souvient qu'un champ magnétique variable induit une tension dans une boucle de fils. Plus la surface de la boucle est grande, plus la tension est importante.
Les deux conducteurs du câble forment, avec l'élément piézoélectrique, une boucle parfaite pour collecter le bruit par couplage inductif et le conduire directement dans l'amplificateur de charge.
ampli de charge différentiel
Champ magnétique
Un champ magnétique variable induit une tension dans une boucle conductrice
Malheureusement, un champ magnétique est très difficile à blinder. Il ne peut être canalisé que par un matériau à haute perméabilité, ce qui n'est pas très pratique pour un câble. L'astuce pour lutter contre ce phénomène consiste à torsader les deux fils ensemble pour obtenir une paire torsadée.
Chaque torsion du câble présente alors une petite boucle pour elle-même. Si la première surface de la boucle est A1, la boucle suivante a environ la même surface A2, mais elle voit le champ magnétique de l'autre côté et la tension induite V2 est de signe opposé à la tension V1 induite dans la première boucle.
Champ magnétique
Paire torsadée. Deux boucles consécutives annulent la tension induite
ampli de charge différentiel
Cela signifie que deux torsions consécutives annulent la tension induite à condition que A1 et A2 soient identiques et que la densité du champ magnétique soit localement homogène.
La torsion rend également le câble plus flexible et minimise en quelque sorte les surfaces de boucle entre les fils.
La configuration équilibrée avec un amplificateur différentiel représente une solution très robuste et peut être utilisée avec succès dans un environnement pollué par les interférences électromagnétiques, même avec des câbles plus longs.
Les lignes de transmission équilibrées sont également utilisées comme une norme très répandue pour conduire de petits signaux électriques (également autres que les signaux de charge piézoélectrique) sur de plus longues distances dans les environnements industriels.
Une bonne idée est bien sûr de séparer les câbles de signaux des lignes électriques. La meilleure solution reste d'éviter les interférences au lieu de les combattre.
Câble à faible bruit
Concernant le câble de transmission de charge, il y a une dernière mais pas moindre considération. Le déplacement mécanique d'un câble en raison de vibrations ou de flexions peut induire des charges électriques par frottement à l'intérieur du câble. C'est ce qu'on appelle l'effet triboélectrique et il peut en résulter du bruit assez important, exactement dans la gamme de fréquences du signal de mesure. Dans notre circuit de mesure à haute impédance où nous travaillons avec des pico-ampères, ces charges triboélectriques peuvent devenir la source de bruit dominante.
Les câbles à faible bruit sont spécialement conçus pour les signaux de charge des capteurs piézoélectriques. Lorsque des couches internes du câble se séparent localement en raison d'une flexion, des charges électriques peuvent également être séparées et ainsi créer du bruit. Une couche semi-conductrice spéciale entre l'isolation diélectrique et le blindage permet de court-circuiter ces charges triboélectriques localement, ce qui réduit le bruit considérablement.
Cette fois également, il vaut mieux éviter le problème que de lutter contre les conséquences. Cela signifie que les câbles porteurs de charges doivent être soigneusement fixés. Ils ne doivent jamais être soumis à des battements dus aux vibrations ni trop fléchis.