Decoration_ Fire as symbol for temeperature. Image source: Pixabay.com

Piezo Accelerometer Tutorial

Propriétés de l'accéléromètre

Propriétés thermiques et électriques


Propriétés thermiques

Après les propriétés dans "l'axe de sensibilité" et "l'axe de fréquence", le troisième domaine de première importance est la température. Concernant la température, nous pouvons faire la distinction entre la capacité de résister à une température et la réponse à la température.


Capacité en température

La capacité de survivre à une température maximale (mais aussi minimale) est déterminée en première ligne par le matériau piézoélectrique. Nous avons vu quelques exemples dans le chapitre sur l'effet piézoélectrique. La plupart du temps, c'est la température de Curie du matériau piézoélectrique qui détermine la capacité de température. Il faut donc toujours garder une distance de respect vis-à-vis de la température de Curie!
Bien entendu, toutes les autres pièces du capteur doivent également être capables de maintenir leur fonction aux températures extrêmes et, enfin, la méthode d'emballage utilisée par le fabricant du capteur est très importante. La température absolument maximale (ou minimale) à laquelle l'accéléromètre peut être exposé est normalement appelée température de survie ou température de survie à court terme. Ces termes sont un peu vagues et ne sont pas normalisés. Pour la signification exacte, il faut se référer à la définition du fabricant, mais elle implique que le capteur peut être exposé à ces températures sans subir de dommages permanents ou de dégradation des performances.
Sans spécification supplémentaire, on doit supposer que le capteur est entièrement soumis à ces températures, mais on trouve parfois des exigences distinctes pour la "température de montage de l'unité" (UMT, unit mounting temperature) et la "température de l'air ambiant" (SAT, surrounding air temperature).


Plage de température opérationnelle

Comme pour la plage dynamique, nous pouvons définir une plage de température comprise entre la température de fonctionnement la plus basse et la plus haute, dans laquelle les caractéristiques spécifiées de l'accéléromètre sont assurées. En plus d'une certaine variation de la sensibilité (que nous appelons réponse en température), le paramètre le plus important, influencé par la température, est la résistance interne de l'élément piézoélectrique. Pour certains matériaux, la baisse de la résistance est plus limitative que la température de Curie.
Comme nous l'avons vu, la résistance interne a une grande influence sur la réponse en fréquence aux basses fréquences. Cet aspect doit donc être pris en compte lorsqu'une mesure à basse fréquence à des températures plus élevées est nécessaire.
Les restrictions dues à la résistance interne et à la température de Curie influencent la limite supérieure ou la plage de température opérationnelle. Cependant, il existe parfois aussi une limite inférieure. Certains matériaux piézoélectriques subissent une transition de phase et ne fonctionnent plus en dessous d'une certaine température. Heureusement, cet effet est réversible.


Gradient de température

Piezoelectric accelerometers may also exhibit a more or less pronounced  reaction to temperature variations. These phonemes are addressed in the chapter “Facteurs Perturbateurs".


Réponse en température (erreur de sensibilité à la température)

La réponse en température indique l'erreur de la sensibilité à la température par rapport à la température ambiante.
Elle est normalement exprimée en pour cent, 100% étant la sensibilité à la température ambiante.
Par exemple, une déclaration typique pourrait être
± 5 % de 20°C à 200°C et ± 8 % de 20°C à -50°C

Graphique typique de l'erreur de température

Courbe de réponse en température typique et spécification associée.

Configuration de la mesure

Pour effectuer une mesure de la réponse en température, nous avons besoin d'une extension du shaker vers un four afin de chauffer l'unité sous test sans chauffer le capteur de référence. Si nécessaire, nous pouvons utiliser un dispositif de refroidissement. Comme stimulation, nous utilisons une vibration sinusoïdale de même niveau et fréquence que pour la calibration.
Mécaniquement, nous devons vérifier qu'il n'y a pas de résonance axiale ou transversale proche de la fréquence d'essai, qui pourrait influencer le niveau de vibration d'une extrémité à l'autre de la tige d'extension.
D'un point de vue thermique, nous devons prendre en compte le délai de la température pour chauffer l'unité sous test. Nous pouvons soit faire des paliers de température discrets et prendre les mesures après avoir permis au capteur de monter à température, ou bien augmenter la température très lentement et prendre la mesure en continu.
Comme résultat, nous traçons l'erreur de sensibilité en pourcent en fonction de la température (par rapport à la lecture à température ambiante).

Croquis montrant le montage d'essai pour la mesure de la réponse à la température.

Four

Entrée de vibration sinusoïdale

Capteur de référence

Refroidissement

Unité sous test

Montage d'essai pour la mesure de la réponse à la température


Éléments de design déterminants

La température maximale est clairement déterminée par le matériau piézoélectrique, et la variation de la sensibilité et de la résistance en fonction de la température dépend également presque exclusivement de celui-ci.
La technique de mise en boîtier est souvent d'une grande importance pour le comportement de la résistance à température.
Bien entendu, les autres matériaux et méthodes d'assemblage utilisés doivent également être adaptés aux conditions de fonctionnement.


Mode de charge versus mode de tension

Si un capteur piézoélectrique est utilisé en mode tension, la réponse en température du capteur n'est généralement pas la même qu'en mode charge.

 
 
 


Caractéristiques électriques

Les principales caractéristiques électriques d'un accéléromètre piézo-électrique sont la résistance interne et la capacité en plus du signal de sortie lui-même.


Sortie de Sinal: Charge versus tension

Ici, nous ne considérons que l'accéléromètre à sortie de charge, qui n'a pas d'électronique intégrée. L'accéléromètre à sortie de charge doit toujours être utilisé avec un convertisseur de charge dédié, comme cela a déjà été décrit dans ce tutoriel.
Pour des informations complémentaires, se référer au chapitre "Conditionneurs de signal".

Si, pour une raison quelconque, la tension à la sortie est intéressante, il faut prendre garde au fait que toute capacité supplémentaire connectée à l'accéléromètre réduira la lecture de la tension U.
La charge est Q=U·C , où C  est la capacité totale.
La capacité totale est la somme de la capacité de sortie de l'accéléromètre, du câble de connexion et de la capacité d'entrée du voltmètre.


Résistance

Nous avons vu auparavant que les résistances internes d'un accéléromètre piézoélectrique ont une grande influence sur son fonctionnement et sont donc importantes.
Dans un accéléromètre symétrique, on trouve trois résistances individuelles:
R1 entre le pôle 1 et le boîtier,
R2 entre le pôle 2 et le boîtier,
R3 entre le pôle 1 et le pôle 2
Cependant, il n'est pas possible d'accéder à ces trois résistances pour une mesure simple, car elles sont toujours reliées entre elles par une connexion en delta. Nous pouvons appeler les trois résistances "correspondantes" Rx, Ry et Rz.

Le diagramme montre les résistances individuelles R1, R2 et R3 par rapport aux résistances Rx, Ry et Rz connectées en delta.

Résistances individuelles R1, R2 et R3 par rapport aux résistances Rx, Ry et Rz reliées en triangle.

Maintenant, les résistances Rx, Ry et Rz sont exactement celles qui sont importantes pour le fonctionnement avec l'électronique externe. Si par exemple Rz est faible, cela n'a pas d'importance si c'est à cause d'un R3 faible ou parce que R1 et R2 sont tous les deux faibles.
Lorsque nous parlons de la résistance interne d'un accéléromètre, nous parlons toujours de la résistance combinée Rz. Il en va de même pour les résistances pôle à boîtier Rx et Ry.


Mesure de Rx, Ry et Rz

Les résistances de l'accéléromètre sont très élevées (à l'état normal). Il faut donc utiliser un Mégohmmètre comme il est habituellement utilisé pour mesurer une résistance d'isolement. La tension recommandée est de 50V ou 100V. Cependant, il faut faire attention si l'on veut effectuer une mesure à température. Dans ce cas, il est possible que la polarisation de l'élément piézo soit affectée et donc un multimètre standard avec une tension de test de quelques volts est la meilleure solution.

Parfois (par exemple pour le dépistage de problèmes), les valeurs effectives des résistances R1, R2 ou R3 sont nécessaires. Pour cela, il est recommandé d'utiliser la méthode à 4 fils, comme indiqué ci-dessous.


Mesure de R1, R2 et R3 (méthode à 4 fils)

Les valeurs réelles de R1, R2 et R3 peuvent être déterminées directement en utilisant une méthode à 4 fils avec une alimentation en tension séparée et un pico-Ampère-mètre comme montré dans les schémas ci-dessous.
Cette méthode suppose que les valeurs de R1, R2 et R3 sont nettement supérieures aux résistances internes du pA-mètre et de la source de tension (ce qui devrait normalement être le cas).
La résistance est dans chaque cas
R=U/i

Mesure de R1 avec la méthode des 4 fils
Mesure de R2 avec la méthode des 4 fils
Mesure de R3 avec la méthode à 4 fils

Diagrammes pour la mesure des résistances individuelles R1, R2 et R3 par la méthode des 4 fils.

 

Il est recommandé de commencer les mesures par R3 puis R1 et R2 car la décharge de l'élément piézoélectrique (constante de temps R3∙C3) après la mesure de R1 et R2 pourrait perturber la mesure de R3 .


Capacité

La capacité interne n'a pratiquement aucune importance pour le bon fonctionnement d'un accéléromètre piézoélectrique en liaison avec un convertisseur de charge. Par contre, les capacités pôle à pôle d'un accéléromètre symétrique sont importantes. Elles doivent être aussi faibles que possible et surtout égales.
De plus amples explications se trouvent dans le chapitre "Conditionneurs de signal".

Comme pour les résistances, nous pouvons trouver trois capacités individuelles dans un accéléromètre symétrique:
C1 entre le pôle 1 et le boîtier,
C2 entre le pôle 2 et le boîtier,
C3 entre le pôle 1 et le pôle 2
Encore une fois, les capacités ne sont pas accessibles directement car elles sont reliées entre elles en delta.

Les trois capacités correspondantes Cx, Cy et Cz qui sont accessibles à la mesure depuis l'extérieur sont aussi celles à considérer pour la fonction avec électronique externe

Le diagramme montre les capacités individuelles C1, C2 et C3 par rapport aux capacités Cx, Cy et Cz connectées en triangle.

Capacités individuelles C1, C2 et C3 par rapport à Cx, Cy et Cz connectés en triangle.

Par capacité interne d'un accéléromètre, on entend toujours la capacité combinée Cz.
Les capacités de pôle à pôle sont Cx et Cy.


Measurement

Tout LCR mètre ou capacimètre peut être utilisé pour effectuer la mesure des capacités combinées pôle à pôle Cx, Cy ou de la capacité interne Cz. Lors de la mesure de petites valeurs de capacité, il faut veiller à éviter les capacités parasites générées par le câblage de connexion et la configuration de mesure.

Si, pour une raison quelconque, les valeurs individuelles des capacités C1, C2 et C3 sont nécessaires, les mesures peuvent être effectuées à l'aide de ponts de court-circuit selon les schémas ci-dessous

Mesure du CA à l'aide d'un pont de court cicuit
Mesure de CB à l'aide d'un pont de court cicuit
Mesure du CC à l'aide d'un pont court cicuit

Diagrammes pour la mesure des capacités individuelles C1, C2 et C3 à l'aide de ponts de court-circuit.

Avec  CA, CB et CC les capacités individuelles peuvent être calculées comme indiqué ci-dessous. Toutefois, pour obtenir un résultat correct, la résolution de la valeur la plus élevée de CA, CB et and CC doit être suffisante par rapport aux nombre de digits significatifs de la valeur la plus basse.

C1=(C_A+C_C−C_B)/2
C2=(C_B+C_C−C_A)/2
C3=(C_A+C_B−C_C)/2