29
XXX XXX Version X MESURE DE VIBRATION ET CHOC APPLICATIONS .Mesure de mouvement .Mesure de vibration haute fréquence .Mesure de vibration basse fréquence .Mesure de choc .Mesure très faible vibration .Mesure de vibration d’objets très petits .Mesure de vibration sous haute température .Mesure de vibration sous basse température .Mesure de vibration sous radiation .Mesure de condition de machines .Mesure multi voies ACRONYMES UTILISES .PE : accéléromètre piézoélectrique .PR : accéléromètre piézorésistif .AC : couplage alternatif .DC : couplage continu .VC : accéléromètre à capacité variable .SERVO : accéléromètre à équilibre de force .TZS : dérive thermique du zéro .TEDS : capteur avec données incorporées QUESTIONS A SE POSER AVANT LE CHOIX DE L’ACCELEROMETRE .Quel est le niveau maximum d’accélération à mesurer ? .Quel est le niveau minimum d’accélération à mesurer ? .Quelle est la fréquence maximum utilisable de l’accéléromètre ? .Quelle est la fréquence minimum utilisable de l’accéléromètre ? .La masse de l’accéléromètre peut elle affecter la mesure ? .Les contraintes de base peuvent elles être importantes ? .Comment doit être monté l’accéléromètre ? .Quelles sont les températures extrêmes pendant la mesure ? .Quelles sont les températures extrêmes auxquelles le capteur sera soumis ? .Quel est le niveau de choc maximum ? .Quel est le niveau de vibration maximum ? .Quelle est la fréquence maximale des vibrations ?

MESURE DE VIBRATION ET CHOC - AllianTech, … · utilisé et de l’influence des contraintes non vibratoires. ... par calcul, électrique, choc, ... Méthodes d’essais Fréquence

Embed Size (px)

Citation preview

XXX XXX

Version X

MESURE DE VIBRATION ET CHOC

APPLICATIONS

.Mesure de mouvement

.Mesure de vibration haute fréquence

.Mesure de vibration basse fréquence

.Mesure de choc

.Mesure très faible vibration

.Mesure de vibration d’objets très petits

.Mesure de vibration sous haute température

.Mesure de vibration sous basse température

.Mesure de vibration sous radiation

.Mesure de condition de machines

.Mesure multi voies

ACRONYMES UTILISES

.PE : accéléromètre piézoélectrique

.PR : accéléromètre piézorésistif

.AC : couplage alternatif

.DC : couplage continu

.VC : accéléromètre à capacité variable

.SERVO : accéléromètre à équilibre de force

.TZS : dérive thermique du zéro

.TEDS : capteur avec données incorporées

QUESTIONS A SE POSER AVANT LE CHOIX DE L’ACCELEROMETRE

.Quel est le niveau maximum d’accélération à mesurer ?

.Quel est le niveau minimum d’accélération à mesurer ?

.Quelle est la fréquence maximum utilisable de l’accéléromètre ?

.Quelle est la fréquence minimum utilisable de l’accéléromètre ?

.La masse de l’accéléromètre peut elle affecter la mesure ?

.Les contraintes de base peuvent elles être importantes ?

.Comment doit être monté l’accéléromètre ?

.Quelles sont les températures extrêmes pendant la mesure ?

.Quelles sont les températures extrêmes auxquelles le capteur sera soumis ?

.Quel est le niveau de choc maximum ?

.Quel est le niveau de vibration maximum ?

.Quelle est la fréquence maximale des vibrations ?

XXX XXX

Version X

.La température d’environnement change t’elle rapidement pendant la mesure ?

.Quelle est l’amplitude maximum des vibrations transverses ?

.L’environnement inclut il de la corrosion, un niveau de bruit important, une pression

élevée (immersion), des niveaux de radiation ?

Pourquoi mesurer les vibrations ?

pour vérifier que les fréquences et les amplitudes

n’excèdent pas les limites des matériaux.

Pour éviter d’exciter les fréquences de résonance

des composants de la structure.

Pour être capable d’amortir ou isoler la ou les

sources de vibration.

Pour faciliter la maintenance conditionnelle des

machines.

Pour construire ou vérifier les modèles

informatiques des structures.

Comment quantifier la vibration ?

.en faisant la mesure

.en analysant les résultats (niveaux et fréquence)

.pour procéder à l’analyse, il faut en premier, évaluer le type de signal vibratoire

pouvant être rencontré et le mesurer.

Types de signaux

XXX XXX

Version X

Signaux déterminés

Signaux déterminés et harmoniques

Harmoniques

XXX XXX

Version X

Signaux aléatoires

Signaux impact-

choc

XXX XXX

Version X

Choc, mouvement linéaire : collision entre sphères

Choc : collision

sphère / plaque

d’acier

XXX XXX

Version X

Simple rappel des paramètres utilisés pour la mesure des vibrations et chocs

Dans la plupart des applications de mesure de vibration, les paramètres, accélération, vitesse

et déplacement sont des informations qu’il est indispensable de connaître avec la meilleure

précision possible, particulièrement pour la conception ou la validation de structures.

Généralement, l’accélération (g) est la référence, la vitesse (mm/sec) et le déplacement (mm)

sont plus souvent utilisés pour les fréquences moyenne et basse.

Ces variables sont indispensables pour les calculs et le contrôle des conceptions.

XXX XXX

Version X

F= k x d F= c x v F= m x a

Déplacement / vitesse / accélération

.conversion accélération / déplacement

.pour une onde sinusoïdale de fréquence angulaire égale à 1000 radians/seconde (159Hz),

ces paramètres seront numériquement équivalent

XXX XXX

Version X

Pour obtenir la vitesse et le déplacement à partir d’une accélération, il faut intégrer une et

deux fois le signal de sortie de l’accéléromètre.

C’est précisément pour cela que le choix d’un accéléromètre (AC ou DC) est très important.

Les variations d’amplitude et décalage/dérive du zéro, bien que semblant minimes, se

traduiront pas des erreurs importantes, après intégration.

CHOISIR L’ACCELEROMETRE SELON L’APPLICATION

Mesure de mouvement

Pour sélectionner l’accéléromètre, il est important de déterminer ce que l’on veut mesurer, un

mouvement ou une vibration ?

La mesure de vibration concerne la réponse vibratoire d’un objet lors d’un essai en vibration.

Pour la mesure d’un mouvement, l’intérêt est de mesurer la vitesse ou le déplacement d’un

objet rigide.

L’accéléromètre pour mesurer avec précision la vitesse d’un mouvement lent, par exemple,

d’un bras de robot ou d’un ascenseur, doit donner une mesure d’accélération exempte de

toute dérive du zéro, une faible dérive du zéro peut donner après intégration digitale, une

erreur importante de la vitesse ou du déplacement.

Un accéléromètre piézoélectrique ne peut pas être utilisé pour mesurer une accélération

constante ou quasi statique, en effet à la fréquence zéro, aucune énergie mécanique n’est

appliquée au système et donc aucune énergie électrique ne peut être obtenue de façon

continue. Avec l’utilisation d’un amplificateur de charge, incorporé ou extérieur, la réponse

en basse fréquence d’un accéléromètre piézoélectrique est surtout déterminée par la réponse

de l’amplificateur qui en général, est équipé d’un filtre passe haut 2Hz, afin d’éliminer le

signal très basse fréquence dont la qualité dépend beaucoup de la construction interne de

XXX XXX

Version X

l’accéléromètre piézoélectrique. Avec l’utilisation d’un amplificateur de tension, la réponse

basse fréquence du système est une fonction de la constance de temps (RC) de

l’accéléromètre piézoélectrique et de la résistance d’entrée de l’électronique associée. La

qualité du signal basse fréquence dépendra également du type de construction interne

utilisé et de l’influence des contraintes non vibratoires.

Pour une mesure très basse fréquence, un accéléromètre couplage continu (DC) est plutôt

recommandé

Certains accéléromètres piézoélectriques de type Isobase ® et Isoshear® avec amplificateur

incorporé (tension) peuvent néanmoins être utilisés, en pratique, à partir de 0,2 Hz.

Spécifications importantes

.DC réponse

.Pour les raisons ci-dessus mentionnées, un accéléromètre DC passant le « continu » de

type piézorésistif, capacitif ou à équilibre de force, doit être utilisé.

.Résolution

.La qualité du résultat de l’intégration, vitesse ou déplacement, est très dépendante de la

qualité du signal « accélération », la sensibilité de l’accéléromètre est un paramètre

important mais il faut également considérer sa résolution ou le rapport signal/bruit.

.Dérive du zéro et dérives thermiques (sensibilité et zéro)

.La dérive (aléatoire) dans le temps du zéro d’un accéléromètre passant le continu produit

une erreur similaire à celle des capteurs à couplage alternatif.

.Selon la plage d’utilisation en température, les dérives du zéro et les variations de la

sensibilité sont critiques. Les spécifications de la compensation en température de

l’accéléromètre (DC) sont très importantes pour cette application.

Parmi les différentes technologies d’accéléromètres passant le continu actuellement

disponibles, les technologies « capacitive » et « équilibre de force » sont les mieux adaptées.

Elles remplacent avantageusement d’anciennes technologies, elles sont plus stables et mieux

compensées en température.

Mesure de vibration haute fréquence

Les applications telles que l’analyse du bruit d’engrenages, la surveillance de turbine et

machines à haute vitesse de rotation, nécessitent l’utilisation d’accéléromètres ayant de très

bonnes réponses en haute fréquence, et plus particulièrement une fréquence de résonance

(capteur fixé sur la structure) très élevée.

Toutefois, les contraintes physiques d’un système masse/ressort font que plus la fréquence de

résonance est élevée, plus la sensibilité est faible.

La réponse en haute fréquence d’un accéléromètre piézoélectrique est une fonction de ses

caractéristiques mécaniques. Un accéléromètre piézoélectrique peut être représenté comme un

XXX XXX

Version X

système masse / ressort à simple degré de liberté, non amorti, dont la réponse est illustrée par

la figure suivante.

Réponse d’un capteur masse / ressort à un degré de liberté soumis à une accélération

sinusoïdale

Pour un accéléromètre, cette courbe peut être considérée comme montrant la variation de la

sensibilité avec la fréquence ; elle indique que pour un rapport fréquence / fréquence de

résonance de 1/5, la réponse du système est de 1,04. Ceci signifie que la sensibilité de

l’accéléromètre est à cette fréquence de 4% plus élevée qu’aux fréquences plus basses.

En général, 5% est l’erreur maximum acceptable. Ainsi la réponse en fréquence « plate »

spécifiée, de l’accéléromètre devrait être limitée au 1/5 de la fréquence de résonance.

L’institut national des standards (ANSI) définit la fréquence de résonance comme étant la

fréquence à laquelle la sensibilité est maximale. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées

pour déterminer la fréquence de résonance : par calcul, électrique, choc, vibration, capteur

fixé, non fixé…, malheureusement, elles ne donnent pas toutes le même résultat.

Exemples de résultats obtenus pour un accéléromètre piézoélectrique

Méthodes d’essais Fréquence de résonance Plat jusqu’à

Par calcul 91kHz 18,2kHz

Electrique 49kHz 9,8kHz

Choc, capteur non fixé 50Khz 10kHz

Choc, capteur fixé 35kHz 7kHz

Vibration, capteur fixé 32kHz 6,4kHz

Finalement, cet accéléromètre a été spécifié comme ayant une fréquence de résonance

nominale de 32kHz.

Il est préférable d’utiliser la fréquence de résonance mesurée pour l’accéléromètre monté sur

la structure.

XXX XXX

Version X

Spécifications importantes

.Gamme dynamique et linéarité

.La variation du niveau d’entrée d’accélération pour laquelle la sensibilité de

l’accéléromètre reste constante, définit la plage de linéarité d’amplitude. Bien qu’un

accéléromètre piézoélectrique soit théoriquement linéaire à partir de 0g, une limite basse

pratique, est imposée par le niveau de bruit de l’électronique adaptatrice d’impédance

utilisée.

.Les limites supérieures de linéarité peuvent être imposées soit par la réponse non linéaire

de l’élément piézoélectrique soit par la fragilité du capteur.

.La sensibilité des accéléromètres piézoélectriques augmente avec le niveau d’accélération.

.En général, la linéarité d’amplitude est spécifiée comme étant le niveau d’accélération

auquel l’augmentation de la sensibilité reste inférieure à 1%.

.Déphasage

.Pour un accéléromètre, le déphasage est défini comme étant le délai de temps entre

l’entrée mécanique et le signal de sortie électrique résultant. Les vibrations, en pratique

sont complexes et comme les chocs, composées d’un nombre de fréquences superposées.

.Si le déphasage du capteur n’est pas linéaire avec la fréquence, les composantes de

fréquence sont déphasées les unes des autres et le signal de sortie résultant, sera une

distorsion de l’entrée mécanique.

.Pour éviter les distorsions, le déphasage du capteur doit être constant (0° ou 180°) ou

linéaire avec la fréquence.

Les accéléromètres piézoélectriques, virtuellement sans amortissement, ont un déphasage

de 0° jusqu’au voisinage de la fréquence de résonance, c'est-à-dire bien au dessus de la

plage de fréquence d’utilisation. Les accéléromètres capacitifs sont généralement amortis et

présentent un déphasage non constant. Les accéléromètres piézorésistifs, pour les étendues de

mesures inférieures à 200g sont généralement amortis par « liquide » et présentent un

déphasage qui varie également selon la température. La variation de l’amortissement dû à la

variation de température aura aussi un impact sur la réponse en fréquence.

.Fréquence de résonance

.Les accéléromètres « haute fréquence » généralement ne sont pas amortis, néanmoins des

composantes harmoniques « haute fréquence » de la structure, peuvent exciter leur

propre fréquence de résonance et entraîner une condition de surcharge en entrée.

Les accéléromètres doivent être sélectionnés avec une fréquence de résonance au moins 5 fois

plus élevée que la plus haute fréquence d’intérêt. .La fréquence de résonance spécifiée doit

être celle de l’accéléromètre fixé ; l’accéléromètre en utilisation étant toujours fixé, seule

cette valeur est intéressante.

.Méthode de montage

.La précision de la réponse en haute fréquence est directement affectée par le moyen de

fixation utilisé, mais aussi par l’état de surface sur laquelle l’accéléromètre est fixé.

XXX XXX

Version X

.En général, plus grande sera la surface de contact entre la structure et la base de

l’accéléromètre, plus élevée sera la fréquence de résonance.

.La réponse en haute fréquence est autant basée sur les spécifications du capteur que sur la

surface de contact.

.Les capteurs fixés par un goujon amovible utilisent une importante surface de contact avec

la structure, ce qui favorise la réponse en haute fréquence, mais nécessite un bon état de

la surface sur laquelle ils seront fixés.

Le montage par goujon et le démontage des accéléromètres, imposent l’utilisation de

techniques et outils appropriés. Il est essentiel de fixer l’accéléromètre avec le couple de

serrage indiqué par le constructeur.

Exemples de montage

Par contact Par aimant sur Démontage Par aimant Adhésif Goujon surface bombée rapide surface plate vissé

Fréquences de résonance maximales selon le montage (+/-3dB)

.Etat de surface

Une attention particulière doit être portée à la « qualité » de l’état de surface sur laquelle

sera monté l’accéléromètre. Voici ce qui est recommandé pour une bonne transmission.

.Planéité : 0,0003’’ TIR

.Rugosité : 32µinch

.Perpendicularité du trou fileté : 1 degré +/- 0,5°

.Filet classe : 2

L’application d’un fluide incompressible sur le goujon de montage ainsi qu’une fine couche

de couplant sur la surface de montage pour « combler » les défauts de surface restant,

XXX XXX

Version X

améliorera la transmission du signal.

Ceci est particulièrement important pour des fréquences supérieures à 2kHz.

.Etalonnage

.Un étalonnage jusqu’a une fréquence de 10 kHz est essentiel pour la mesure de vibration

haute fréquence.

.Pour des accéléromètres de faible masse, il peut être nécessaire de connaître leur réponse

en fréquence jusqu'à 50 kHz, il existe des systèmes d’étalonnage en vibration permettant

d’effectuer cette opération.

Ils existent des accéléromètres piézoélectriques ayant une fréquence de résonance supérieure

à 70 kHz avec une sensibilité suffisamment importante pour ce type de mesure.

Des accéléromètres piézorésistifs avec des fréquences de résonance ≥ à 1MHz sont également

disponibles, mais leur faible sensibilité n’est pas compatible avec la mesure de vibration.

Ils sont principalement utilisés pour les mesures de choc très importants

Mesure de vibration basse fréquence

Les applications telles que l’analyse modale, surveillance ponts, bâtiments, ouvrages d’art,

nécessitent des accéléromètres avec une exceptionnelle bonne réponse en basse fréquence.

Pour les applications d’analyse modale, la différence de la réponse en phase des voies de

mesure est un point très important affectant l’analyse.

L’accéléromètre idéal pour ces mesures, ne devrait pas avoir de dérive ni de déphasage dans

la plage de fréquence intéressante.

Pour les très basses fréquences, un accéléromètre passant le continu peut être préférable à un

accéléromètre piézoélectrique à couplage alternatif.

Spécifications importantes

.Réponse en basse fréquence

.Pour une mesure à une fréquence très proche du continu, les accéléromètres du type

piézorésistif, capacitif ou à équilibre de force, sont conseillés.

.N’ayant pas ou peu de dérive de zéro (à température constante), ils peuvent être utilisés

pour la mesure d’un mouvement très lent.

Pour une mesure d’accélération à une fréquence égale ou inférieure à 1 Hertz, certains

accéléromètres piézoélectriques (couplage alternatif) peuvent néanmoins être utilisés.

Mais, ils doivent être particulièrement peu sensibles aux contraintes de base.

.Déphasage

.Cette spécification est particulièrement importante pour les applications « modales »

.Sensibilité aux vibrations transverses

XXX XXX

Version X

.La sensibilité transverse est le rapport entre le signal généré par une accélération

appliquée perpendiculairement à l’axe de sensibilité, divisé par la sensibilité dans la

direction principale (axe de mesure).

Seul, un étalonnage en transverse de l’accéléromètre permet de mesurer l’influence des

vibrations appliquées perpendiculairement à l’axe de mesure et sur une rotation complète.

.Ceci permet de déterminer la direction pour laquelle l’accéléromètre présentera une

sensibilité minimale ou maximale et l’indiquer sur son boîtier.

.Cette spécification est importante pour les applications pour lesquelles il est très difficile

de prévoir les comportements des structures.

.Il existe des systèmes commercialisés, permettant d’effecteur cet étalonnage (voir la photo

ci-dessous d’un système développé par la société Spektra.)

.Sensibilité aux contraintes de base

.Quand un accéléromètre est monté sur une structure soumise à des contraintes

importantes, celles-ci peuvent être plus ou moins transmises, selon la construction

interne de l’accéléromètre, à l’élément piézoélectrique.

.Cette sensibilité est déterminée en utilisant une poutre encastrée à une extrémité, que l’on

fait osciller à des fréquences de 8 ou 10 Hz.

.L’accéléromètre est monté à l’endroit correspondant à un maximum de contrainte, cette

contrainte étant mesurée par des jauges disposées sur la surface opposée à celle ou

l’accéléromètre est fixé.

.En général, le signal généré par des contraintes de base se produit pour des fréquences

inférieures à 200 Hz, il est difficile de le dissocier du signal vibratoire.

Pour une application susceptible de générer des contraintes de base importantes, il est

recommandé d’utiliser des accéléromètres de construction interne type cisaillement (shear).

Un montage par adhésif,peut réduire cet effet, mais aura une influence sur la réponse en

XXX XXX

Version X

fréquence.

.Sensibilité aux transitoires thermiques

.En addition à leur tenue en température, les accéléromètres peuvent également montrer

une variation de leur signal de sortie quand ils sont soumis à un transitoire thermique.

.L’erreur induite par un transitoire thermique se produit aux basses fréquences, elle

se combine avec le signal basse fréquence et ne peut pas être facilement

dissociée du signal

.Pour éviter ce problème, il est recommandé d’utiliser un accéléromètre du type

cisaillement (shear), 100 fois moins sensible à ce problème qu’un accéléromètre du type

compression.

L’usage d’un capuchon de protection thermique disposé sur l’accéléromètre et/ou l’insertion

entre la surface de montage de l’accéléromètre et la surface de la structure, d’un isolateur

thermique peut diminuer de façon significative cet effet.

L’isolateur thermique, en général un polymère amorphe de faible conductivité thermique,

rigide à température élevée, peut être utilisé avec succès jusqu’à une température de 175°C.

.Filtre passe bas

.Pour beaucoup d’applications de mesure « basse fréquence », les composantes « haute

fréquence, haut niveau » produit par un choc, présentent dans le signal, peuvent réduire la

plage dynamique de mesure en saturant l’entrée de l’amplificateur.

L’usage d’un filtre passe bas, externe ou incorporé dans le boîtier de l’accéléromètre, peut

réduire ce problème.

Mesure de choc

XXX XXX

Version X

Des applications telles que les essais en chute d’emballage, les tests en crash d’automobiles,

les chocs pyrotechniques, nécessitent des accéléromètres avec des spécifications particulières.

Une chute accidentelle d’un téléphone portable d’une hauteur « humaine » peut produire un

niveau d’accélération crête supérieur à 10.000g .

Une personne sans expérience de ce type d’essais, pourrait penser prévoir approximativement

l’amplitude du choc en utilisant un modèle « corps rigide » et complètement oublier la

réponse locale du matériau.

Pour les essais en haut niveau de choc, les réponses des structures sont souvent non linéaires

et difficiles à caractériser. Le choix de l’accéléromètre et de sa fixation, est particulièrement

important.

Spécifications importantes

.Dérive du zéro

.La dérive ou décalage de la référence (zéro) est un phénomène souvent rencontré lors de la

mesure d’évènements à haut niveau d’accélération. Ces hauts niveaux peuvent provoquer

des modifications dimensionnelles qui, pour les accéléromètres piézoélectriques peuvent

entraîner une perte de sensibilité due à une dépolarisation définitive de l’élément

piézoélectrique.

.N’existant pas de base de définition de cette spécificité ce risque n’est que très rarement

mentionné sur les fiches techniques des accéléromètres.

Les accéléromètres de type piézorésistif ne présentent pas ce phénomène, les modèles conçus

pour la mesure de choc «haut niveaux» bénéficient d’une fréquence de résonance très élevée.

Par contre un décalage du zéro et même une destruction peuvent se produire selon le montage

mécanique utilisé.

Pour les accéléromètres piézorésistifs, généralement de très faibles dimensions, il faut éviter

de générer des déformations trop importantes du boîtier, il faut utiliser des vis de fixation

ayant de préférence, les mêmes caractéristiques mécaniques que le matériau du boîtier..

Certains accéléromètres de type piézoélectrique, incorporent un filtre mécanique passe bas

qui supprime le risque d’excitation de la fréquence de résonance de l’accéléromètre et protège

ainsi l’élément piézoélectrique d’une destruction Ce filtre mécanique est quelque fois

complété par un filtre électrique passe bas, définissant la bande passante utile.

.Survivance

.La plupart des accéléromètres peuvent supporter sans dommage interne, les applications de

mesure de faible choc, alors que les applications de mesure de haut niveau de choc

produisent souvent des dommages internes.

.Il est prudent de choisir une étendue de mesure pleine échelle supérieure au niveau

d’accélération estimé.

En général, plus l’accéléromètre est proche de la zone d’impact ou d’explosion, plus

l’amplitude du choc est élevée.

Les câbles et connecteurs devront être soigneusement choisis, un câble non suffisamment

attaché ou trop rigide peut générer un signal parasite (effet triboélectrique) mais aussi,

XXX XXX

Version X

transmettre au connecteur une énergie importante qui pourrait entraîner une rupture ou pire,

des contacts intermittents (perte du signal)..

Un accéléromètre avec bornes conçues pour une liaison par soudure, et un câble souple

(plutôt qu’un connecteur), est recommandé pour les hauts niveaux de choc.

.Etendue de mesure

.L’étendue de mesure de l’accéléromètre ne doit pas être confondue avec la valeur

maximale d’accélération à laquelle il sera soumis.

.Un accéléromètre peut avoir à mesurer une accélération de 100g tout en étant soumis

préalablement à un niveau d’accélération de 10000g.

.Filtre passe bas

.Un filtre passe bas en entrée de l’amplificateur peut éliminer ce niveau d’accélération

« parasite » et éviter une saturation de l’entrée de l’amplificateur.

.Réponse en fréquence

.Pour mesurer des chocs longue durée (crash tests) ou de structure non rigide (bateaux) il

est recommandé d’utiliser des accéléromètres ayant une très bonne réponse en basse

fréquence.

Si le signal accélération fourni par l’accéléromètre doit être intégré pour avoir la vitesse

ou le déplacement, un accéléromètre à couplage continu est absolument nécessaire.

Mesure de très faible vibration

La mesure de très faibles vibrations d’un microscope électronique, télescope, humaines ou

coque d’un sous marin nucléaire, nécessite des accéléromètres ayant une grande sensibilité

associée à un très faible bruit résiduel.

La spécification en bruit résiduel d’accéléromètres est généralement indiquée en valeur

efficace large bande, mais pour quelques cas, peut être indiquée en valeur d’accélération

équivalente, par exemple en g/√ Hz (PSD).Il est aussi utile de connaître le bruit de fond

global du système : accéléromètre, câble, amplificateur. Un système de mesure alimenté par

batterie aura un général, un bruit de fond résiduel plus faible.

Spécifications importantes

.Rapport signal/bruit

.Un élément de mesure piézoélectrique peut être vu comme une source capacitive pure

exempte de bruit intrinsèque. La contribution au bruit de fond résiduel est apportée par

le mouvement des électrons dans le convertisseur de charge incorporé.

.En conséquence, seul les accéléromètres ICP/IEPE sont concernés par cette spécification.

Le bruit électronique de ces accéléromètres dépend principalement de la fréquence, il est

le plus élevé en basse fréquence, décroissant selon l’augmentation de la fréquence pour se

stabiliser autour de 100Hz.

.Exemples représentatifs du bruit résiduel

XXX XXX

Version X

1 Hz 70µg

10 Hz 7µg

100 Hz 2µg

.Le bruit résiduel est souvent exprimé en g équivalent, obtenu en divisant le bruit résiduel

(mV) par la sensibilité de l’accéléromètre (mV/g).

.Le bruit résiduel du à l’électronique incorporée est en général semblable pour beaucoup

d’accéléromètres. Ainsi, le bruit résiduel dépendra beaucoup de la sensibilité de l’élément

piézoélectrique, mais aussi indirectement, de son volume.

.Une sensibilité élevée, (100/500,1000 mV/g) et le faible bruit de fond nécessaire pour la

mesure de très faible vibration, ont une influence directe sur les dimensions et le poids

des accéléromètres.

.Le bruit intrinsèque détermine la résolution limite du capteur. Un signal inférieur à ce

bruit ne devrait pas être mesuré.

La limite de détection spécifiée parla norme DIN 45661, est la valeur efficace (RMS) de

l’accélération correspondant à un signal en sortie capteur, égal ou supérieur à 2 fois la

valeur efficace (RMS) du bruit.

.Les accéléromètres piézoélectriques avec électronique incorporée (ICP ou IEPE) auront

généralement des dimensions proportionnelles à leur sensibilité, dimensions restant

inférieures aux accéléromètres capacitifs et à équilibre de force (servo accéléromètre).

.Sensibilité à l’environnement non vibratoire.

.Tous les accéléromètres « de qualité »sont scellés et soumis à des tests de détection de

fuites.

.Pour une utilisation en environnement normal, l’étanchéité est obtenue par époxy,

cependant si l’accéléromètre doit être soumis à des essais de qualification en humidité

MIL-E-5272C), une étanchéité par fusion doit être utilisée.

.Les capteurs spécifiés hermétiques sont scellés soit par soudure, soit par fusion.

.Tous les accéléromètres hermétiques ne sont pas affectés par le vide et peuvent s’utiliser

pour applications spatiales.

.Sensibilité au bruit acoustique

.Des vibrations considérables en vol, ou en essais statiques peuvent être induites par des

énergies acoustiques.

.Il a été montré, de nombreuses fois, qu’une énergie acoustique de 120dB (random)

pouvait induire des vibrations de l’ordre de 50g, ou plus, sur les

structures.

.Le signal engendré par le cristal de l’accéléromètre pour un niveau de 140dB appliqué à

l’accéléromètre ne représente qu’une fraction de « g », et n’affecte donc pas la précision

de la mesure des vibrations élevées.

.Par contre, pour les applications ou les niveaux de vibration à mesurer sont faibles, une

attention particulière doit être apporter au choix de la chaîne de mesure.

.La fréquence de résonance de l’accéléromètre doit être au moins 3 fois la fréquence

acoustique attendue la plus élevée.

XXX XXX

Version X

.Sensibilité aux champs magnétiques

.D’importants champs magnétiques peuvent exister à proximité de machines électriques

(50Hz ou autre). Pour certains accéléromètres piézoélectriques la sensibilité mesurée pour

une valeur de 0,01T à 50Hz est si faible quelle peut être ignorée pour les mesures

courantes.

.En général, les accéléromètres avec un boîtier en acier sont mieux protéger que ceux

utilisant un boîtier en aluminium.

Une attention particulière doit être portée à l’utilisation d’accéléromètres à couplage

continu, piézorésistifs, capacitifs, équilibre de force.

Ces types d’accéléromètres étant sensibles à la gravité, une variation de +/-1g, ou une

inclinaison, produit un décalage de zéro qui risque de saturer l’entrée du conditionneur.

Pour les accéléromètres à équilibre de force (servo) l’influence de la gravité peut être

internement compensée, mais la plage dynamique de mesure reste affectée.

Les accéléromètres piézoélectriques à couplage alternatif ne sont pas sensibles à la gravité.

Mesure de vibration de petits objets

Beaucoup d’essais en choc et vibration se font sur des objets de petites dimensions et de faible

masse.

Dans ces conditions, les mesures nécessitent des accéléromètres dont les dimensions et masse

sont compatibles.

Spécifications importantes

.Effet de masse

.L’effet d’une masse additionnelle est de réduire la fréquence de résonance du système, ce

changement peut s’évaluer avec la formule suivante :

fn = fréquence de résonance de la structure

Δ fn = fn ( 1-√ m / ma + m) Δfn= changement de la fréquence de résonance

m = masse de la structure

ma = masse ajoutée

.Il est évident que la plupart des structures sont des systèmes mécaniques oscillants de

degrés multiples non amortis, il faut donc une analyse plus sophistiquée pour estimer

comment l’accéléromètre affecte la fréquence de résonance ainsi que les amplitudes de

vibration du système.

.Comme les accéléromètres piézoélectriques ont un coefficient d’amortissement interne

très proche de zéro, le poids apparent reste constant pour toutes les fréquences de 0 à

approximativement 0,9 de la fréquence de résonance et est égal à leur poids.

.On peut ainsi pour cette gamme de fréquence, déterminer les effets de masse par la

formule suivante

ar = accélération résultante

Ar = ao (ms/ms+wt) ao = accélération sans l’accéléromètre

ms = masse dynamique de la structure

XXX XXX

Version X

wt = poids de l’accéléromètre

.Cette forme du théorème de Norton démontre que le montage d’un accéléromètre

changera le mouvement de la structure si sa masse dynamique apparente n’est pas

suffisamment importante, comparée à celle de l’accéléromètre.

.Pour de nombreuses applications, la masse dynamique du capteur est négligeable et

n’affectera pas la mesure.

La procédure suivante décrit un moyen simple de déterminer si

la masse de l’accéléromètre perturbe la mesure

1° : mesurer la réponse en fréquence caractéristique du système à tester, accéléromètre

monté et conserver cette mesure.

2° : monter une deuxième masse équivalente à la masse de l’accéléromètre (pour

doubler la charge)

3° : répéter le point 1

4° : comparer les deux mesures, comme indiqué dans les figures suivantes

A : charge importante B : charge faible

Effets de la masse d’un accéléromètre

.Si les deux mesures diffèrent de façon importante, le poids de l’accéléromètre est alors un

problème, il faut utiliser un capteur plus léger.

Pour les mesures de vibration sur de petits et légers objets, les dimensions et la masse de

l’accéléromètre utilisé doivent s’adapter à celles de l’objet.

En général, la masse de l’accéléromètre de mesure ne doit pas être supérieure à 10% de celle

de l’objet à tester. Il existe des accéléromètres piézoélectriques avec ou sans électronique

incorporée, de faibles dimensions et pour certains, une masse inférieur à 0,14 grammes.

.Méthodes de montage

.Le montage par goujon nécessite de percer un trou dans l’objet à tester, ce qui est rarement

possible, aussi un montage par adhésif est le plus souvent utilisé, mais il entraîne une

attention particulière à porter lors de l’installation et démontage afin de ne pas détériorer

l’accéléromètre. (torsion ou choc)

.Le montage par adhésif modifie la fréquence de résonance de l’accéléromètre monté.

.La réponse en haute fréquence peut également diminuer selon la température et le

XXX XXX

Version X

comportement du type d’adhésif utilisé.

Réponses typiques d’un accéléromètre de 10 grammes pour différents types d’adhésifs

.hot glue: colle

.2 sided tape: scotch double faces

.petro wax: cire

.cyanoacrylate : cyanoacrylate

*Température 25°C

*Température 40°C

*Température 60°C

XXX XXX

Version X

.Surface de montage

.Afin d’avoir une mesure de qualité, il est nécessaire d’avoir une surface plate, en contact

avec l’accéléromètre. Il est quelquefois nécessaire d’usiner un bloc intermédiaire si la

surface est courbe.

.Les fournisseurs d’accéléromètres ou de moyens d’essais, proposent en général toute une

panoplie d’accessoires de montage et quelques fois, un kit contenant les principaux

accessoires utiles (goujons,adaptateurs, colles,câbles. ( exemple : valise Spektra)

.Résonance

.Les objets de petites dimensions

ont en général une fréquence de résonance élevée, il est

souvent nécessaire d’utiliser des accéléromètres ayant une fréquence de résonance égale

ou supérieure à 50Khz

.Câbles

.Un câble par sa rigidité, peut perturber la réponse d’un petit objet, il est préférable

d’utiliser un câble coaxial faible bruit, souple, flexible, de petit diamètre et peu sensible

aux effets triboélectriques dus a son mouvement.

.En général, un accéléromètre miniature d’une masse inférieure à 0,5 gramme ne possède

pas de connecteur, il est équipé d’un câble coaxial intégré d’un très faible diamètre,

néanmoins, il existe maintenant des accéléromètres d’une masse égale ou légèrement

supérieure au gramme, équipés d’un connecteur, ce qui permet le remplacement du câble

en cas de détérioration.

.Le remplacement du câble d’un accéléromètre piézoélectrique sans amplificateur

incorporé est une opération délicate, qui doit se faire en laboratoire afin de s’assurer de

l’absence de pénétration d’humidité à l’intérieur de l’accéléromètre.

.Un réétalonnage de la sensibilité et une vérification de la réponse en fréquence sont

recommandés.

Mesure de vibration sous haute température

XXX XXX

Version X

Les tests en vibrations de moteurs d’avions, turbines industrielles, systèmes de propulsion,

échappement, centrale thermique, nécessitent en général des accéléromètres conçus pour

supporter un environnement sous haute et très haute température.

Pour des températures dépassant 200°C, les accéléromètres piézoélectriques doivent être

utilisés.

Pour des températures légèrement inférieures, quelques accéléromètres piézoélectriques avec

amplificateur incorporé (ICP/IEPE) peuvent être utilisés.

Ils présentent l’avantage d’un signal en sortie, basse impédance, associé à un meilleur rapport

signal/bruit en environnement bruité, mais au détriment d’une durée de vie raccourcie, du fait

de l’influence de la température sur l’électronique incorporée

En général, tous les accéléromètres piézoélectriques sont spécifiés pour couvrir cinq plages de

température, (selon l’élément piézoélectrique utilisé).

-54 à + 177°C

-54 à + 260°C

-54 à + 460°C

-54 à + 540°C

-54 à + 700°C

Dans leur plage d’utilisation en température, les matériaux cristallins présentent des variations

de sensibilité, capacité et résistance.

La réponse en température de la sensibilité exprimée en pC/g étant différente de la sensibilité

exprimée en tension mV/g, il faut choisir l’accéléromètre présentant la meilleure réponse en

température, selon l’amplificateur utilisé : tension ou charge.

Les amplificateurs de charge peuvent accepter une plus faible résistance de source, ils sont

recommandés pour les applications sous très haute température.

Si les accéléromètres sont utilisés au dessus de leur limite de température, leurs cristaux

commencent à se dépolariser et perdent de la sensibilité.

Si la température atteint le point de Curie, l’accéléromètre est complètement dépolarisé et

définitivement inutilisable.

Le choix à faire, dépend vraiment de l’environnement mécanique, de la durée de l’exposition

sous haute température mais aussi de variations rapides de la température (choc thermique)

Pour les très hautes températures, le choix de l’amplificateur de charge peut causer un

problème, dû à la résistance interne et d’isolement de l’accéléromètre.

Spécifications importantes

Une température de l’ordre de 400°C est courante pour les applications de surveillance

de vibration de moteurs, turbines et échappement..

Les accéléromètres utilisés pour ce type d’applications doivent être capable de supporter à

long terme et sans modification non identifiée ( sensibilité et fréquence de résonance) ce type

de température.

.Réponse en température

XXX XXX

Version X

.La réponse en température dépend principalement des caractéristiques : constante

diélectrique, constante de contrainte diélectrique, et point de Curie de l’élément

piézoélectrique

Exemples de matériaux piézoélectriques utilisés

Matériel Constante Constante de Point de Curie

diélectrique contrainte

piézoélectrique

(pC/N)

Titanate de plomb 1600 300 370°C

Niobate de Sodium/Baryum 30 - 560°C

Métaniobate de plomb 200 75 540°C

Quartz 4 2 560°C

Oxyde de zinc 9 12 NC

Tourmaline 7 2 NC

Céramique P14™ 160 20 680°C

Niobate de Lithium 85 80 1200°C

Cristal P14™ 40 23 NC

Réponse typique de la sensibilité en fonction de la température

.Pour un

accéléromètre usuel, l’augmentation de la sensibilité en charge en fonction de la

température, peut être minimisée par des éléments compensateurs insérés dans le cristal

lors de sa fabrication. En effet, la construction interne Isobase™ présente la particularité

d’utiliser un empilage symétrique d’éléments piézoélectriques afin d’obtenir une

sensibilité importante, ceci permet d’insérer entre les éléments piézoélectriques, d’autres

éléments dont la variation de capacité en fonction de la température compensera celles

des éléments piézoélectriques.

.Résistance interne

XXX XXX

Version X

.Il existe des accéléromètres piézoélectriques utilisant un élément piézoélectrique gardant

une sensibilité avec une stabilité acceptable ou variation « identifiée » dans une plage de

température bien définie pouvant jusqu’à 700°C.

.Par contre, ces accéléromètres ont leur résistance interne qui chute avec la température,

passant de quelques MΩ à quelques KΩ.

.Un amplificateur de charge, capable d’accepter en entrée une telle variation sans

augmentation importante du bruit résiduel doit être utilisé.

.Transitoires thermiques

.En plus des caractéristiques ci-dessus mentionnées, des accéléromètres piézoélectriques

engendrent un signal de sortie, fonction du taux de changement de température. Ces

signaux peuvent être importants et sont dus à deux effets :

*les transitoires thermiques peuvent causer des contraintes différentielles ou non,

uniformes dans la structure de l’accéléromètre et changer les forces s’exerçant sur le

cristal, ce qui produit un signal de sortie.

*quelques matériaux piézoélectriques engendrent un signal de sortie selon le

changement de température (effet pyroélectrique). Ce signal de sortie est

heureusement un phénomène quasi statique qui suit les lentes variations de

température du cristal

.Le signal engendré est souvent inférieur à la fréquence de coupure basse du système

piézoélectrique et ne cause pas de problème.

.Certaines configurations internes sont particulièrement moins susceptibles aux effets des

transitoires thermiques.

.La construction interne type cisaillement montre moins de

sensibilité aux changements thermiques que la compression. La construction Isoshear®

est de toutes, la moins sensible à ces phénomènes.

Les effets d’un environnement aux transitoires thermiques importants peuvent être réduits ou

éliminés :

.par sélection d’un capteur connu pour avoir une faible susceptibilité.

.en incorporant un écran thermique pour augmenter le temps de transmission au capteur.

.en s’assurant que la réponse en basse fréquence du système n’est pas supérieure à ce qui

est nécessaire pour l’application.

.l’insertion d’un filtre passe-haut 5 ou 10 Hz peut souvent être utile.

.Câble

.Un câble coaxial souple faible bruit peut être utilisé jusqu’à environ 260°C. Pour des

températures plus élevées, il est nécessaire d’utiliser un câble métallique ayant comme

élément diélectrique, de la céramique.

.Ces câbles, malheureusement, ne sont pas souples, assez fragiles et non traités contre les

effets « triboélectriques ».

Mesure de vibration sous basse température

XXX XXX

Version X

Des mesures en environnement très basse température lors d’essais de systèmes de

refroidissement de moteurs de fusées, de caméras ou application « cryogénique » de

composants et module électronique « espace » nécessitent des accéléromètres et câbles

pouvant supporter des températures extrêmes, proches du zéro absolu

Un accéléromètre piézoélectrique, soumis à un grand changement de température (chaud ou

froid) peut développer une importante charge électrique à travers son élément sensible. Si

l’accéléromètre est connecté à une électronique, cette charge se dissipera d’elle-même dans le

circuit d’entrée. Si l’accéléromètre n’est pas connecté, la haute tension développée peut

causer une perte de sensibilité. Il est recommandé pour les accéléromètres soumis à des

variations importantes de température, de les garder connecter à leur électronique ou de court-

circuiter leur sortie.

Beaucoup d’accéléromètres de différentes technologies peuvent être utilisés de façon

satisfaisante jusqu’à – 100°C.

Pour une température inférieure, seul un accéléromètre spécialement conçu peut être utilisé

de manière correcte.

De la même façon que pour les accéléromètres piézoélectriques « haute température », la

sensibilité des accéléromètres piézoélectriques « basse température » chute d’une façon

importante lors de l’approche du zéro absolu.

Pour ce type d’application, il est quelques fois nécessaire d’utiliser des câbles coaxiaux sans

dégazage. (Teflon prohibé)

Spécifications importantes

.Réponse en température

Pour la plupart des conceptions d’accéléromètres piézoélectriques la sensibilité diminue

grandement en approchant le zéro absolu, cependant les accéléromètres utilisant du quartz

comme élément piézoélectrique présentent une diminution linéaire et prévisible de leur

sensibilité, ils peuvent être plus facilement utilisés.

.Sensibilité aux transitoires thermiques

Pour les températures extrêmes un changement brutale de la température peut entraîner des

variations dimensionnelles des éléments internes et générer un signal en sortie non attendu.

Pour les applications de ce type il est important de connaître la réponse de l’accéléromètre

à ce type de sollicitation.

.Survivance

Les accéléromètres pour ce type de mesure doivent survivre aux basses températures mais

aussi aux chocs thermiques qui entraînent des contraintes mécaniques importantes sur les

éléments internes des accéléromètres. La plupart des circuits électroniques montage en

surface (puces et fils) utilisés par les accéléromètres IEPE / ICP, présentent à long terme

des problèmes de fiabilité, les accéléromètres avec une électronique incorporée sont

déconseillés pour ces applications.

.Câble

XXX XXX

Version X

Le choix du câble est un facteur critique, en général les câbles deviennent très fragiles

lorsqu’ils sont utilisés en très basse température.

Un accéléromètre avec une sortie basse impédance facilitera le choix du câble.

Mesure de vibration sous radiation

Les accéléromètres piézoélectriques peuvent être exposés à des doses de radiations

relativement élevées sans effet notable. L’institut Battelle a soumis des accéléromètres

piézoélectriques à un flux neutronique de 10 16 n/cm² avec des radiations gamma de 10¹¹

ergs/g. La plupart des accéléromètres testés ont fonctionné correctement sans incident.

Les applications les plus courantes en tels environnements concernent les systèmes de

détection de corps migrants du circuit primaire de réacteurs nucléaires (PWR),les mesures

sismiques de cuve, circuits de refroidissement, générateurs de vapeur, systèmes de pompage,

avec des niveaux de radiation différents selon l’emplacement.

En général les accéléromètres piézoélectriques offrent la meilleure résistance aux radiations,

les modèles avec électronique incorporée étant beaucoup moins résistant.

Spécifications importantes

.Exposition

Quelques accéléromètres piézoélectriques peuvent supporter une exposition à 1E8 RAD et

6E10 flux gamma.

La grande longueur de câble entre le capteur et la zone d’acquisition des mesures impose

l’utilisation, le plus près possible du capteur piézoélectrique d’un convertisseur de charge

(in line charge amplifier)capable de supporter également des radiations.

.Câble

La plupart des câbles coaxiaux utilisant une gaine Teflon qui, à long terme, se détériore

sous l’effet des radiations, ne sont pas recommandés. Il existe des câbles spécifiques

pouvant supporter à long terme cette exposition.

Surveillance des conditions de machines

Les mesures de vibration en environnements industriels ont des besoins différents de celles

effectuées en environnement laboratoire.

Beaucoup d’applications nécessitent des capteurs certifiés de sécurité intrinsèque.

Un environnement industriel implique moisissures, présence de liquides contaminants ainsi

que des conditions mécaniques sévères.

Spécifications importantes pour ces applications

.Robustesse

L’environnement « mécanique » en usine, nécessite un ensemble, capteur, connecteur,

câble et dispositifs de fixation capable de le supporter le plus longtemps possible.

XXX XXX

Version X

.Herméticité

Une herméticité complète est indispensable pour maintenir opérationnel à long terme

l’ensemble des composants.

.Coût

.En addition aux contraintes mécaniques, le coût est également un facteur important, il doit

être le plus faible possible !

Il existe plusieurs technologies de capteurs de vibration pour ces applications. Néanmoins les

accéléromètres piézoélectriques avec électronique incorporée de part leur faible coût, leur

faible consommation électrique et leur grande robustesse sont très largement utilisés.

Système de mesure multivoies

Les mesures de vibration (vol, sol) sur les grandes structures telles que les avions, satellites,

automobiles…nécessitent un nombre important de voies de mesure.

Très souvent, la moitié du temps utilisé pour l’ensemble des essais, est consacré aux

nombreux réglages divers, vérification et contrôle des voies de mesure, identification des

capteurs et des câbles associés, saisie des données dans le logiciel d’analyse.

Une fonction récente, appelée TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) définie par le

standard IEEE. P1451.4, permet de grandement diminuer le temps utilisé pour la préparation

des mesures.

Principaux avantages apportés par l’utilisation de capteurs « TEDS »

.Saisie des paramètres capteurs

Les paramètres actualisés du capteur stockés sur un module mémoire « EEPROM »

incorporé dans son boîtier, sont directement transmissibles au système d’acquisition.

.Elimination des erreurs de câblage

L’identité du capteur étant toujours connue, une erreur de connexion est rapidement

identifiée et corrigée.

.Connaissance de la position capteur

Etant possible d’écrire dans la mémoire la position du capteur, il est donc possible à tout

moment de relier la mesure à une position.

Généralités sur les câbles

Quand un câble coaxial est soumis à des vibrations, flexions ou autres sollicitations

mécaniques, le blindage extérieur peut se séparer du diélectrique, la répartition des charges

électriques qui était uniforme, devient déséquilibrée à l’endroit de la séparation locale, comme

illustré par la figure suivante.

XXX XXX

Version X

Les charges sur le diélectrique sont immobilisées par la faible conductivité du matériau

constituant. Les charges sur le blindage sont elles, mobiles et se neutralisent en s’écoulant du

conducteur central à travers un trajet extérieur R1, en général à l’étage d’entrée du

conditionneur.

Cet écoulement de charges produit une impulsion de signal à l’entrée de l’amplificateur.

Lorsque la contrainte mécanique à laquelle le câble est soumis, disparaît, le diélectrique et le

blindage se rejoignent et les électrons s’écoulent dans le blindage créant une deuxième

impulsion de polarité opposée.

Les câbles coaxiaux conventionnels peuvent engendrer un signal de bruit supérieur à

l’amplitude du signal de sortie d’un accéléromètre piézoélectrique.

Pour ce type d’accéléromètre, on doit utiliser des câbles traités antibruit. Ils possèdent un

revêtement conducteur à la surface du diélectrique qui empêche l’accumulation de charges

locales durant la séparation mécanique avec le blindage et réduit de façon très importante, le

bruit d’origine triboélectrique.

Ce type de câble devrait être utilisé toutes les fois que les câbles sont soumis à des

sollicitations de flexion. En plus de leur bonne caractéristique de bruit, les câbles ne doivent

pas affecter le capteur ou les caractéristiques du spécimen en essais.

Le câble est un maillon important du système de mesure, il doit transmettre le signal

sans pertes ni effet parasite et supporter le même environnement que le capteur.

Les meilleurs câbles seront les plus petits, légers et flexibles, possible.

Marc Chambroux

Consultant Mesure et Système. (Décembre 2013)

[email protected]

Références : Endevco, CTC, Spektra