Piezo Accelerometer Tutorial
Conception de l'accéléromètre
Assemblage d'un capteur de vibrations
Cette vidéo n'est pas censée être une véritable instruction de montage pour un accéléromètre, mais elle vise plutôt à montrer les pièces de base et leur interaction les unes avec les autres. Les méthodes de montage appropriées n'ont pas été expliquées ni mentionnées. Les méthodes d'assemblage des pièces doivent être compatibles avec l'environnement prévu, comme la température, mais aussi avec l'environnement vibratoire. Nous voulons nous assurer que rien ne se détache. Une pratique courante pour joindre les pièces est donc le soudage ou le brasage. Pour les températures plus basses, le brasage tendre ou le collage peuvent également convenir. Les parties extérieures du boîtier sont normalement soudées ensemble afin d'assurer une protection totalement hermétique et un blindage électrique continu.
Nous avons vu que la constante de temps (une caractéristique très importante) dépend de la résistance et de la capacité de l'élément piézoélectrique. En ce qui concerne la capacité, nous ne pouvons pas faire grand-chose pendant l'assemblage car elle est donnée par les paramètres de conception. La résistance dépend cependant fortement de l'environnement proche de l'élément piézoélectrique. Il est très sensible à la pollution et à l'humidité.
Nous en déduisons pour l'assemblage que toutes les pièces doivent être extrêmement propres et qu'il ne doit pas y avoir d'humidité captée dans le boîtier.
Conception des pièces
Pièces typiques de l'accéléromètre
Le détail de la conception des pièces est bien sûr une part importante du savoir-faire d'un fabricant de capteurs piézoélectriques. Nous voulons ici aborder quelques considérations détaillées qui sont généralement connues et publiées.
Les détails de conception de l'accéléromètre sont principalement dictés par l'intention fonctionnelle du capteur. Doit-il être utilisé en laboratoire ou dans un environnement industriel hostile, pour des fréquences plutôt modérées ou très élevées, pour des températures ambiantes, cryogéniques ou ultra-chaudes ? Le poids est souvent primordial, que ce soit pour obtenir une fréquence de résonance élevée ou, en général, pour ne pas charger inutilement l'objet vibrant.
La première décision de conception est le choix du mode de fonctionnement de base de l'accéléromètre. En fonction des exigences, nous choisirons normalement entre le mode de compression ou le mode de cisaillement ou, dans certains cas, nous envisagerons également le mode transversal en utilisant une conception en flexion.
Base
La fonction première de la base est de soutenir l'élément sensible, de permettre le montage de tout le capteur, de tenir le connecteur (dans la plupart des cas) et de faire partie du carter externe pour protéger l'élément sensible des influences ambiantes. La taille et la forme de la base détermineront en grande partie le poids et la réponse en fréquence de l'accéléromètre.
Dans notre cas, l'exigence de réponse en fréquence est modérée. Notre conception prévoit donc quatre trous de montage à travers tout le bloc. Pour une réponse en fréquence élevée, un seul goujon de montage central aurait été l'option préférée et pour une application aérienne, nous aurions éliminé tout le matériel superflu.
Cependant, une caractéristique importante est la rainure autour de l'élément sensible. L'élément piézoélectrique est très sensible à toute déformation. Il faut donc le découpler mécaniquement des déformations du boîtier ou de la surface de montage, tout en conservant la transmissibilité dans le sens de la détection. Le câble peut également avoir une influence à travers le connecteur pour déformer le boîtier et perturber la mesure.
La surface de montage doit être plane et lisse, surtout lorsque nous avons l'intention de mesurer à des fréquences élevées.
Isolation
Nous choisirons un matériau qui soit hautement résistif même à la température de conception maximale et qui soit suffisamment dur pour transmettre les vibrations. De nombreuses céramiques techniques feront normalement l'affaire.
Bien sûr, il est beaucoup plus facile d'omettre toute isolation si la disposition électrique le permet.
Élément piézo
En général, nous privilégions le matériau piézoélectrique le plus sensible, mais la plupart du temps, il est déterminé par des facteurs tels que la gamme de température, la réponse à la température, la stabilité à long terme et parfois certaines exigences exotiques comme les radiations nucléaires ou d'autres spécialités environnementales.
Masse inertielle
Pour la masse inertielle, nous choisissons un matériau de haute densité, donc la masse est élevée (pour une grande sensibilité) et le volume pas trop grand. Le plomb serait un bon candidat, mais il est trop mou. Un simple bloc d'acier ou de laiton ferait l'affaire, mais nous utilisons normalement un matériau à haute densité comme le tungstène.
Toutes les surfaces correspondantes de l'élément sensible doivent être planes et lisses afin de transmettre la vibration correctement.
Boulon
Le boulon de précharge doit être conçu pour garantir une précontrainte suffisante dans toutes les conditions de fonctionnement, y compris les vibrations, les chocs et la température maximum, pendant la durée de vie du capteur.
Le collage direct des pièces est une variante d'assemblage possible.
Connecteur
Il est recommandé d'utiliser un connecteur hermétique ( en verre ou céramique). Encore une fois, tout dépend de la température requise. Nous devons être conscients que le niveau de vibration requis par notre accéléromètre est souvent beaucoup plus élevé que les spécifications des connecteurs disponibles dans le commerce. C'est la raison pour laquelle la plupart des fabricants d'accéléromètres PE utilisent souvent leur propre conception.
Il est également important de penser au connecteur de raccordement. Il doit survivre et fonctionner dans presque les mêmes conditions que le capteur lui-même. Dans des conditions très sévères, il est préférable d'éviter le connecteur et de prévoir un câble intégré indétachable. Cela permet de déplacer le connecteur dans un environnement plus approprié.
Couvercle
Le couvercle ainsi que la base doivent constituer une enceinte hermétique de l'élément de détection. En même temps, nous avons besoin d'une protection contre toutes sortes d'interférences mécaniques, thermiques et électromagnétiques. Un recouvrement métallique rigide est donc probablement un bon choix.
