Oscilloscope to show vibration signals. Image source: Pixabay.com

Piezo Accelerometer Tutorial

Conception de l'accéléromètre

Conditionneurs de signal

La sortie de charge d'un capteur piézoélectrique représente un signal très particulier et ne peut être chargée électriquement par des pratiques courantes sans impact sur le signal lui-même.  C'est pourquoi nous avons besoin d'un conditionnement de signal adapté. Il s'agit de fournir un signal électrique de basse impédance par une interface standard qui peut être chargé, partagé et traité ultérieurement.

Amplificateur de charge

Pourquoi aurions-nous besoin d'un amplificateur de charge ? Ne pourrions-nous pas tout aussi facilement utiliser un amplificateur de tension standard ?

Lorsque nous utilisons un câble pour relier le piézo à l'amplificateur de tension, nous ajoutons un câble avec une capacité électrique Ccable. Avec la capacité Cpiezo  de l'élément piézo, la capacité totale devient alors Ctotal = Cpiezo +Ccable. L'augmentation de la capacité signifie que la tension de l'élément piézoélectrique baisse de manière significative. En outre, si nous utilisons un autre câble de longueur différente, la tension change à nouveau, de sorte que la sensibilité finale n'est pas connue.

Ce problème peut être évité en utilisant un amplificateur de charge. A proprement parler, il n'amplifie pas la charge mais il s'agit plutôt d'un convertisseur charge-tension, c'est-à-dire qu'il émet une tension qui correspond à la charge électrique appliquée à l'entrée. La sortie d'un amplificateur de charge est un signal électrique standard qui peut être connecté à d'autres appareils, même sur de longues distances. En ce qui concerne l'entrée, nous devons être plus prudents car le circuit d'entrée est normalement sensible à la haute tension. C'est pourquoi nous court-circuitons toujours l'entrée lorsque nous manipulons l'entrée d'un amplificateur de charge.

Les amplificateurs de charge fonctionnent sur une large gamme de fréquences, y compris les basses fréquences. Cependant, si nous recherchons des fréquences extrêmement basses, une bonne résistance d'isolation du câble de connexion et une haute résistance interne de l'accéléromètre sont nécessaires. Sinon, le signal de sortie peut commencer à dériver vers la saturation. Bien que nous puissions mesurer à de très basses fréquences, un amplificateur de charge ne convient pas pour mesurer des charges statiques. Normalement, il est possible de choisir une constante de temps qui détermine le comportement à basse fréquence.

En raison de la constante de temps, la sortie sera tirée vers zéro lorsque la fréquence sera trop basse. La plupart des amplis de charge de laboratoire ont également un réglage "quasi statique" qui permet d'obtenir des signaux théoriquement statiques au moins pendant une courte période. Cependant, cela nécessite des résistances d'isolation extrêmement hautes ainsi qu'une analyse critique du résultat.

En pratique, un amplificateur de charge contient également des étages de circuit supplémentaires, tels que des filtres passe-haut et passe-bas, des intégrateurs et des circuits de contrôle de niveau, ainsi que des étages de sortie supplémentaires pour fournir un signal de sortie normalisé en tension ou en courant.

 

Électronique intégrée (IEPE)

Compte tenu du bruit du signal et de la facilité de transmission du signal, un bon endroit pour placer un amplificateur est l'accéléromètre lui-même. En fait, il est assez courant de placer une petite électronique à l'intérieur du boîtier du capteur lorsque des spécifications comme la température et d'autres conditions environnementales le permettent. Cette technique est appelée IEPE et signifie Integrated Electronics Piezo-Electric, mais il existe aussi des noms commerciaux comme ISOTRON (Endevco), ICP (PCB), CCLD et DeltaTron (tous deux B&K) ou Piezotron (Kistler). L'électronique du capteur IEPE convertit le signal à haute impédance de l'élément piézoélectrique en un signal de tension à basse impédance. Une faible impédance signifie une sortie plus robuste qui permet d'utiliser des câbles plus longs et moins de bruit par interférence électromagnétique.

Avec le conditionneur monté à l'intérieur du capteur, il n'y a bien sûr aucun câble provenant de l'élément piézoélectrique et aucun problème lié à sa capacité. Le circuit IEPE complet comprend une source de courant constant externe comme alimentation électrique, qui est placée au bout d'un câble de connexion coaxial. Le conducteur central transmet à la fois le courant d'alimentation et la tension de sortie. Le retour commun se fait à travers le blindage du câble. Les courants d'alimentation typiques sont compris entre 2 et 20 mA.

Le câble n'a pas besoin d'être particulièrement bas bruit comme pour une transmission de charge. Un câble coaxial standard suffit. Cependant, si nous voulons utiliser des câbles très longs (disons plus de 10 mètres), la réponse pour les fréquences plus élevées ( par exemple plus de 10 kHz) peut être affectée lorsque le courant d'alimentation est insuffisant pour supporter la capacité du câble. 

Les fabricants fournissent normalement des nomogrammes pour déterminer la fréquence limite en fonction de la capacité du câble et du courant d'alimentation. Nous pouvons retenir: Plus le courant d'alimentation est élevé, plus grande peut être la longueur de câble.

Résumé

Le circuit IEPE est extrêmement simple. La partie intégrée du capteur de la conception la plus commune consiste en un seul transistor MOSFET. En même temps, une transmission de signal robuste avec seulement quelques restrictions est assurée. Grâce à leur simplicité, ces circuits sont très fiables, même dans des conditions difficiles. Il existe des capteurs IEPE avec des capacités de température étonnamment extrêmes allant de la cryogénie (5°K) jusqu'à 175°C ou même 200 °C.