The image shows electrical sparkovers as a symbol for electromagnetic compatibility. Image source: Pixabay.com

Piezo Accelerometer Tutorial

Conception de l'accéléromètre

Matières EMI

 

Interférence électromagnétique

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 environnants peuvent créer des interférences électromagnétiques IEM (angl. EMI). Les effets des champs électromagnétiques peuvent être captés par le capteur et en particulier par le câble de connexion et dégrader le faible signal de mesure.
La solution pour réduire ou éliminer ces problèmes est un blindage et une mise à la terre appropriée.

Le blindage

Le blindage est une coque ou une tresse métallique qui doit entourer toutes les parties du circuit de mesure, l'élément sensible, les conducteurs de signaux et enfin l'amplificateur de charge.
Il peut réfléchir une partie de l'énergie et il peut capter les parasites et les conduire à la terre afin que les interférences électromagnétiques n'atteignent pas les parties internes. Cependant, une partie de l'énergie passe toujours à travers le blindage, mais elle est fortement atténuée.
Le blindage a toujours besoin d'une connexion solide à la terre. Un blindage flottant (= non-relié à la terre) n'offre aucune protection contre les interférences électromagnétiques.

The shield will reflect some energy, conduct most of the energy to ground, but also pass some energy.

énergie restante

IEM par induction

énergie réfléchie

intérieur

extérieur

blindage

énergie conduite à

la terre

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 par le couvercle et la partie inférieure. Dans le chapitre "Modes fonctionnels", nous avons vu différentes configurations électriques de l'élément sensible de typ isolé ou non-isloé. Le choix de ces caractéristiques de base dépend du système dans lequel nous voulons utiliser l'accéléromètre. Nous distinguons deux architectures électriques différentes:

The figure shows the electrical diagram of a single ended accelerometer. The shield (basically the housing) is shown dashed.

Accéléromètre single ended.

Diagr Accel balanced.png

Accéléromètre flottant.

Dans la conception single ended ou asymétrique, un pôle de l'élément sensible est relié au boîtier tandis que dans la conception symétrique, les deux pôles sont isolés du boîtier. Cette isolation des deux côtés est aussi appelée électriquement flottante.
Les figures montrent le schéma électrique des deux configurations de base. Le blindage (le boîtier) est représenté en pointillés.

Le câble de signal

Le câble de signal est déjà plus difficile à blinder. Nous voulons que le câble soit flexible et c'est pourquoi le blindage du câble est principalement tressé et possède donc de nombreux petits trous qui réduisent l'efficacité du blindage.
Il est important de savoir qu'en raison de la longueur des conducteurs qui dépassent le blindage, nous risquons de perdre une grande partie de la protection. Idéalement, le blindage est connecté 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.
Le symbole de l'amplificateur est un triangle et le cadre en pointillé indique le blindage. 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.

Complete measuring circuit with single ended components, accelerometer, shielded cable and charge amplifier.

Circuit de mesure complet avec des composants asymétriques: accéléromètre, câble blindé et amplificateur de charge

ampli de charge

Couplage capacitif

Le blindage électrique d'un câble subit toujours une petite fuite. En raison du contact étroit du blindage le long du conducteur central, il y existe une certaine capacité électrique. Il y a également des capacités entre le blindage et tout composant interne, mais beaucoup plus petites. Ces capacités sont représentées en bleu.

Comme la mise à la terre du blindage n'est jamais absolument parfaite, une fraction du bruit passe, bien que la majeure partie de l'énergie des IEM soit captée et conduite à la terre.
Avec l'augmentation de la longueur du câble, la capacité du câble augmente et la protection devient un peu moins efficace. Nous ne trouvons donc ce type d'architecture que lorsque des câbles relativement courts peuvent être utilisés.

Radiated EMI builds up a voltage on the shield. Capacitively coupled noise is coming through. Most of the EMI energy is captured and led to ground.

ampli de charge

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.

Boucle de masse

Dans un environnement industriel, la machine ou l'équipement sur lequel l'accéléromètre est monté peut présenter une certaine tension par rapport à la terre au niveau du rack électronique.  Si l'on relie maintenant le blindage à la terre des deux côtés, on crée une "boucle de masse" dans laquelle un courant peut circuler.

Dans ce cas également, du bruit peut être induit en raison de la capacité du câble entre le blindage et le conducteur. Cet effet s'aggravera bien sûr avec l'augmentation de la longueur du câble.
Une simple contre-mesure consiste à isoler l'accéléromètre de la machine afin que la boucle soit interrompue.

Ground loop current induced by different potentials between ground locations. Noise is coupling through due to cable capacity.

ampli de charge

Ground loop current induced by different potentials between ground locations. Noise is coupling through due to cable capacity.

Système triaxial

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.


Une architecture triaxiale offre une excellente protection contre les interférences électromagnétiques.

Triaxial  circuit  (accelerometer and cable)

Circuit triaxial (accéléromètre et câble)

ampli de charge

 
 

Effets IEM sur le circuit de mesure symétrique (flottant)

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 terre et que les deux côtés, positif et négatif, sont symétriques. Cela signifie que nous avons pour le côté positif et négatif deux conducteurs identiques et ensuite un blindage sur les deux conducteurs. De cette manière, nous obtenons des capacités identiques des deux pôles au blindage et donc des deux pôles à la masse (ce qui n'est pas le cas pour un circuit à extrémité unique).

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 V1 and V2.

Le troisième amplificateur est appelé amplificateur différentiel car il produit la différence entre deux tensions.
Sa sortie est essentiellement  Vout = V1 - V2       

Diagr differential Charge Amp.png

amplificateur de charge 1

amplificateur de charge 2

amplificateur différentiel

V1

V

L'élément piézoélectrique a la bonne caractéristique de produire un signal de charge positive d'un côté et le même signal de charge négative de l'autre côté. Ce type de signal est appelé signal différentiel. Il est idéal pour l'amplificateur différentiel car il inverse le signal du côté négatif et l'ajoute au signal du côté positif.
D'autre part, si le même signal ou bruit est appliqué aux deux entrées (appelé tension commune), il est rejeté à la sortie car sa différence est nulle.
En bref : le signal différentiel passe alors que le bruit du mode commun est bloqué. Les figures ci-dessous le montrent.

The differential signal is amplified

ampli de charge différentiel

+ signal

- signal

output

Le signal différentiel est amplifié

Any common voltage applied to both inputs is rejected in the output because the difference is zero

ampli de charge differentiel

bruit

bruit

output

Le bruit commun est annulé

Outre l'amplificateur lui-même, tous les autres composants à l'entrée de l'amplificateur différentiel doivent également être équilibrés. Cela signifie que les capacités des deux pôles du blindage de l'accéléromètre et du câble doivent être égales.

Couplage capacitif

Voici un circuit symétrique complet avec l'accéléromètre, le câble et l'amplificateur de charge différentiel. Comme dans le cas d'un circuit asymétrique, le bruit EMI est principalement capté par le blindage et conduit à la terre. Les deux conducteurs captent également une petite partie du bruit, mais grâce au circuit équilibré, le bruit sur les deux lignes est quasiment le même et à la sortie de l'amplificateur différentiel, le bruit sera pratiquement supprimé.

Il est important que le blindage du câble ne soit mis à la terre qu'à une seule extrémité afin d'éviter une boucle de terre! Normalement, la qualité de la terre est meilleure du côté de l'électronique que du côté de la machine. C'est pourquoi il est préférable de mettre le blindage à la terre à cet endroit.

Capacitive coupling is symmetric and practically identical on both signal lines. The differential charge amplifier will largely suppress the noise.

ampli de charge differentiel

IEM induit

Le couplage capacitif est symétrique et pratiquement identique sur les deux conducteurs. L'amplificateur de charge différentiel supprime le bruit en grande partie.

 

Câble à faible bruit

En ce qui concerne les câbles 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 peut entraîner un bruit assez important dans le signal de mesure.
Les câbles à faible bruit sont conçus spécifiquement pour les signaux de charge des accéléromètres piézoélectriques. Une couche semi-conductrice spéciale entre l'isolation et le blindage réduit considérablement ce bruit.
Il vaut mieux éviter le problème que de combattre les conséquences. Cela signifie que les câbles porteurs de charge doivent être soigneusement fixés. Ils ne doivent jamais être soumis à des vibrations ni trop fléchis.