Bien comprendre les spécifications des accéléromètres piézoélectriques

Un des aspects les plus difficiles de la sélection d'un accéléromètre pour une application particulière est de comprendre et d'interpréter ses spécifications.

+Souvent, l'utilisateur comprend bien les exigences d'essai, mais se retrouve en difficulté pour choisir un modèle disponible d’accéléromètre correspondant à ses besoins.

Les fabricants d’accéléromètres contribuent souvent à ce problème en positionnant leurs produits sous le meilleur jour possible. Cela déforme souvent la bonne compréhension de l’ensemble des performances de l’accéléromètre.

Il existe donc un besoin pour une description complète et l'explication des spécifications les plus souvent utilisées par les fabricants d’accéléromètres.

Ce qui suit est une explication détaillée des caractéristiques clés utilisées pour décrire les accéléromètres piézoélectriques. 

Sensibilité

La sensibilité de l'accéléromètre, parfois appelée le « facteur d'échelle" de l'accéléromètre, est le ratio du signal électrique en sortie et l’entrée mécanique. (Notez qu'un capteur est généralement défini comme un dispositif qui convertit une forme d'énergie en une autre).

Un accéléromètre est tout simplement un transducteur qui convertit une accélération mécanique en un signal électrique proportionnel (sensibilité). Typiquement exprimée en termes de mV / g ou pC / g, elle n’est valable que pour une seule fréquence, la fréquence pour laquelle l’accéléromètre a été étalonné, de façon classique 100 Hz ou 120 Hz selon le lieu de fabrication. Comme la plupart des accéléromètres sont influencés dans une certaine mesure par la température, la sensibilité n’est aussi valable que sur une gamme étroite de température, généralement de 25 ± 5 °C (température à laquelle l’accéléromètre a été étalonné). En outre, la sensibilité n'est également valable que pour une certaine accélération, généralement de 5 g ou 10 g selon le fabricant. La sensibilité est parfois spécifiée avec une tolérance, généralement ± 5% ou ± 10%. Ceci assure à l'utilisateur que la sensibilité de l'accéléromètre restera dans cet écart par rapport à la sensibilité nominale déclarée. Dans presque tous les cas, les accéléromètres sont fournis avec un certificat d'étalonnage indiquant sa sensibilité exacte (dans les limites de l'incertitude de mesure).

La sensibilité exacte appelée « sensibilité de référence » est exprimée en pourcentage ou en dB de la valeur trouvée lors de l’étalonnage pour la réponse en fréquence indiquée par le constructeur. (figure 1) 

Cette sensibilité est appelée sensibilité axiale par rapport à la sensibilité transversale qui devrait être a plus faible possible (figure 2). La sensibilité de référence est appelée la "sensibilité axiale" lors de la discussion concernant la sensibilité transversale. Voir ci-dessous la figure 2 (sensibilité transversale). 

Malgré les fortes contraintes qui entourent une spécification précise de la sensibilité, c'est la valeur la plus fréquemment utilisée pour la programmation d'un conditionneur de signal ou d'un système d'acquisition de données. Un conditionneur de signal et / ou un système d'acquisition de données utilise cette valeur pour traiter et interpréter le signal de l'accéléromètre.

Réponse en fréquence

D’une façon similaire à la spécification de sensibilité (référence), la réponse en fréquence indique également à l'utilisateur la sensibilité de l’accéléromètre non plus à une fréquence connue mais pour la plage de fréquence utile du capteur. Plus correctement dénommée "réponse en amplitude", puisque la réponse en phase est rarement précisée.

La réponse en fréquence est toujours spécifiée avec une bande de tolérance, par rapport à la sensibilité de référence, accéléromètre en général étalonné à une fréquence de 100 ou 120Hz. La bande de tolérance peut être spécifiée en pourcentage ou/et en dB, généralement +/-10%, +/-1dB et +/-3dB. Dans ce contexte, un dB est défini comme :

dB = 20log (S f / S réf)

où : S f est la sensibilité à une fréquence particulière

S réf est la sensibilité de référence (sensibilité d’étalonnage)

La spécification de réponse en fréquence permet à l'utilisateur de prendre en compte les variations de sensibilité pour toutes les fréquences à l’intérieur de la plage de fréquence spécifiée, par rapport à la sensibilité référence (sensibilité d’étalonnage).

Par exemple, pour un accéléromètre ayant une sensibilité de référence de 10pC/g (sensibilité présumée exacte aux limites d’incertitude du système d’étalonnage utilisé) dont la réponse en fréquence spécifiée est de +/-10% pour une plage de fréquence de 1 à 6000Hz, la sensibilité peut varier de 9pc/g à 11pC/g ou 10pC/g +/-1pC dans la bande de fréquence spécifiée.

En général, l’accéléromètre est livré avec un certificat d’étalonnage indiquant sa sensibilité exacte. Trop souvent ce certificat n’indique pas la sensibilité à d’autres fréquences mais montre la réponse en fréquence sous la forme d’une courbe typique.

La figure 1 montre la variation de la sensibilité en pourcentage et en dB par rapport à la fréquence pour laquelle l’accéléromètre a été étalonné. Cette courbe permet néanmoins l’estimation de la sensibilité ; si elle montre une augmentation de 2% à 1000Hz, la sensibilité à 1000Hz de l’accéléromètre sera de : 10 +2% soit 10,2pC/g.

Pour la réponse en basse ou très basse fréquence, en général inférieure à 20Hz il est nécessaire d’utiliser pour un vibrateur permettant des grands déplacements avec un minimum de mouvement transverse. 

Sensibilité transverse

La sensibilité transverse est la sensibilité d’un accéléromètre disposé dans un axe à 90° par rapport à l’axe de sa sensibilité référence. (figure2)

Elle est généralement exprimée en pourcentage (%) de la sensibilité axiale. Idéalement elle devrait être de 0%, mais à cause de tolérances en fabrication, elle peut atteindre 5%. Des valeurs inférieures de l’ordre de 3 % peuvent être obtenues sur demande. Pour des valeurs inférieures, cela devient beaucoup plus difficile et coûteux.

Une autre solution consiste à déterminer la sensibilité transversale d’un accéléromètre selon l’angle d’application de la vibration en utilisant un système d’étalonnage spécifique (figure 3), ceci est possible pour une plage en fréquence de 2 à 50Hz avec un système ci-dessous illustré spécialement développé et commercialisé. 

Pourquoi est ont concerné par la sensibilité transverse ?

Un utilisateur doit s’assurer que la mesure effectuée est bien celle de l’accélération dans une direction, si ce n’est pas le cas, l’interprétation de la mesure devient très difficile sinon impossible. Toutefois, il existe des accéléromètres triaxiaux permettant la mesure en un point d’accélération dans 3 directions orthogonales. Pour les opérations d’étalonnage d’accéléromètres, il est nécessaire d’utiliser un vibrateur spécifique, assurant un déplacement dans une seule direction avec un mouvement transverse minimal. Dans le monde réel des mesures sur spécimens ou pendant les essais d’environnement en laboratoire, il est bien connu que les mouvements ne sont pas seulement dans une seule direction, il est alors nécessaire d’utiliser des accéléromètres avec une faible sensibilité transversale ou identifiée. L’apport de la sensibilité transversale à une mesure peut être considéré comme un « bruit » contributeur à la mesure.

Fréquence de résonance, capteur fixé

La fréquence de résonance, accéléromètre monté, est la fréquence à laquelle sa sensibilité est maximale (voir Figure 3), elle est précisée en hertz (Hz). Les accéléromètres en général, montrent une fréquence de résonance supérieure à 20kHz allant quelquefois jusqu'à 90 kHz selon la construction interne utilisée. Comme son nom l’indique, elle est le résultat de résonance naturelle de la structure mécanique de l’accéléromètre. La fréquence de résonance de l’accéléromètre « non monté » en espace libre serait plus élevée mais n’est pas utilisable pour les applications de mesure. C’est la raison pour laquelle la fréquence de résonances est spécifiée « accéléromètre monté ». 

Concevoir et produire un accéléromètre ayant une fréquence de résonance montée avec une certaine tolérance n’est pas un but des fabricants. Au lieu de cela, ils préfèrent spécifier une fréquence de résonance inférieure, assurant à l’utilisateur que le point de résonance ne se produira au-dessous du minimum.

La fréquence de résonance est un « facteur de mérite » qui fixe la limite supérieure de la bande de fréquence de l’accéléromètre. 

Pour les accéléromètres piézo-électriques, dont la structure mécanique est presque entièrement non amortie, l'amplitude du pic de résonance peut être très élevée, ce qui entraîne une sensibilité beaucoup plus élevée que la sensibilité de référence spécifiée.

En tant que tel, toute vibration à ou près de la fréquence du pic de résonance sera fortement amplifiée, ce qui entraîne des mesures déformées et des données corrompues. Un objectif de conception des fabricants, alors, est d’avoir le point de fréquence de résonance « capteur monté » aussi haut que possible avec l'intention que ce point soit bien au-delà de toutes les fréquences de vibration de l’application. L'utilisateur doit également veiller à ce qu'aucune des composantes de fréquence de vibration soient, à ou près du point de fréquence de résonance du capteur monté.

Notez que la fréquence de résonance capteur monté est spécifiée en supposant des conditions idéales de montage de l’accéléromètre. Tout comme le fabricant peut influer sur le point de fréquence de résonance capteur monté selon l'accéléromètre utilisé, la structure mécanique elle-même, peut aussi apporter des facteurs structurels externes devant être sous le contrôle de l’utilisateur. Les caractéristiques de la fréquence de résonance mécanique dépendent de l’élasticité des matériaux et de l’amortissement. Une fixation de l’accéléromètre insuffisamment rigide augmentera l’amortissement, ce qui se traduira par l’apparition d’un pic de résonance à une fréquence inférieure à celle de la résonance initiale.

La fixation de l’accéléromètre est un point critique pouvant dégrader la réponse en fréquence et la qualité de la mesure. 

Linéarité d’amplitude

Il y a plusieurs façons de spécifier la linéarité d'amplitude. La plus restrictive est de la préciser en pourcentage de la lecture, typiquement de ± 1%, pour toute lecture à l’intérieur de l’étendue de mesure pleine échelle du capteur.

Il s'agit d'une spécification de tolérance étroite, car elle signifie que la sensibilité de l'accéléromètre ne peut pas varier de plus de ± 1% à n'importe quel point dans la plage d'étendue de mesure. Une façon beaucoup moins restrictive et plus pratiquée, est de spécifier la linéarité par « paliers », par exemple: la sensibilité augmente de 1% par 500 g, de 0 à 2000 g. Cela signifie qu'à l'extrémité supérieure de la plage d'amplitude, la sensibilité peut varier de 4% par rapport à celle de l'extrémité inférieure de la même plage d'amplitude.

Les erreurs de linéarité d'amplitude provoquent une distorsion du signal, en particulier dans les accélérations de forte amplitude. Dans les environnements où plusieurs fréquences de vibration sont présentes, la distorsion peut entrainer une intermodulation et la création de fréquences non présentes mécaniquement au niveau de l’accéléromètre. Un examen complet de la distorsion d'intermodulation est bien au-delà du champ d'application du présent article.

Polarité de sortie

La polarité de sortie décrit la direction du signal de sortie de l'accéléromètre (que ce soit positif ou négatif), selon la direction de l'accélération d'entrée. Par convention, la plupart des accéléromètres sont spécifiés de telle sorte que si l'accélération est dirigée vers la surface de montage du capteur, le signal de sortie sera positif. (Voir Figure 4) 

En cas de doute, l'utilisateur peut facilement tester et vérifier. Tout en maintenant dans la main l'accéléromètre relié à un conditionneur de signal approprié, tapoter avec un doigt sur la surface de montage (l'orientation de l'accéléromètre n'est influente).Observer la direction dans laquelle le signal résultant va. S'il s'agit d'un accéléromètre classique, le signal doit être positif.

La polarité de sortie d'un accéléromètre triaxial est un peu moins simple à vérifier. Dans la plupart des cas, toutefois, le fabricant va marquer sur le boîtier une flèche pour chaque direction orthogonale (X, Y et Z), indiquant la direction de l'accélération pour avoir un signal positif.

L’interprétation de polarité de sortie est particulièrement critique dans certaines applications. Par exemple, pour un essai « modal » sur une grande structure, il est essentiel de comprendre les orientations et les relations de phase des vecteurs d'accélération de la structure soumise à des vibrations. Sans connaitre la polarité des accéléromètres, ce serait impossible de comprendre le comportement de la structure.

Isolement électrique

L’accéléromètre, étant un appareil électrique, doit avoir un signal «masse » de retour vers son conditionneur de signal. Il est important pour avoir un fonctionnement correct que l’utilisateur connaisse parfaitement comment ce signal est traité mécaniquement et électriquement. (Les boucles de masse étant très souvent sources de bruits résiduels important).

Plusieurs moyens de mise à la terre ou d’isolement électrique peuvent être utilisés par le fabricant dans la conception d'un accéléromètre par le fabricant, souvent choisis par l'utilisation prévue ou un prix acceptable par le marché. Une des méthodes les moins chères consiste à simplement connecter la masse (point froid) du système interne (avec ou sans amplificateur incorporé) au boîtier de l'accéléromètre. Cette méthode est souvent pratiquée pour les accéléromètres utilisés en laboratoire, équipés d’un connecteur coaxial miniature.

Pour éviter les boucles de masse, les fabricants proposent des adaptateurs de montage isolés, disposés entre l'accéléromètre et l'emplacement de montage sur la structure. Une autre méthode utilisée consiste à relier dans le boîtier de l’accéléromètre la masse (point froid) au boîtier, et d'isoler la surface de montage de l'accéléromètre. Cela se fait habituellement par l’application d'un matériau isolant, comme une anodisation dure sur la base de montage de l’accéléromètre. En fait, l'adaptateur isolé est intégré à l'accéléromètre.

La méthode d'isolement la plus performante est d’avoir l'enveloppe extérieure de l’accéléromètre et son connecteur isolés de la masse (point froid) du système interne. Cette construction interne est souvent appliquée aux accéléromètres robustes de classe industrielle, utilisés sur les moteurs à réaction, turbines à gaz industrielles ou de surveillance de machines. 

Conclusion :

Les utilisateurs d’accéléromètres sont souvent confondus à la bonne utilisation des spécifications indiquées par les fabricants, en particulier quand ils essaient de sélectionner le meilleur capteur approprié pour une application spécifique. Il est essentiel que les utilisateurs aient une compréhension claire de ces spécifications et de leur implication sur le résultat mesuré de l’essai. Sans cette compréhension, il existe un grand potentiel d’erreurs.

Cet article a couvert certaines des caractéristiques clés à examiner. Les fabricants ont aussi la responsabilité de présenter les spécifications de leurs produits de manière claire et sans ambiguïté.

Article Technique