MESURES MÉCANIQUES Les accéléromètres En matière d accéléromètres, l offre est abondante et variée. Un peu à l image des applications auxquelles ils sont destinés. Car on les emploie aussi bien pour surveiller des machines tournantes que pour réaliser des essais de vibrations ou de chocs, déclencher un air-bag ou surveiller les ouvrages de génie civil Suivant les cas, les technologies à retenir sont souvent différentes et les capteurs n ont pas du tout les mêmes caractéristiques. Bref, c est l application qui commande Des accéléromètres, il y en a partout ou presque. On les utilise aussi bien pour évaluer le confort vibratoire d un véhicule que pour détecter un défaut sur une machine tournante ou encore pour caractériser le comportement dynamique d un équipement sur un banc d essai... Et ne parlons pas de ceux qui servent à déclencher l ouverture des airbags ou à guider un satellite.bref,les applications ne manquent pas. Et comme souvent dans ces cas-là, le capteur universel n existe pas. Le choix d un accéléromètre n est donc guidé que par l application à laquelle il est destiné. Une fois le En bref Pour bien choisir un accéléromètre, il faut avant tout bien savoir à quoi il est destiné. C est l application qui détermine le type de capteur à utiliser. Quatre technologies se partagent l essentiel du marché : les accéléromètres piézoélectriques, piézorésistifs, capacitifs et asservis. Tous ne sont pas utilisés dans les mêmes conditions. Une fois l accéléromètre choisi, il faut encore prendre ses précautions : ne pas négliger notamment son montage sur la structure, ni son étalonnage. besoin clairement défini, tout n est ensuite qu une affaire de priorités et de compromis.dans certains cas (mesures en environnement industriel, par exemple), on privilégie plutôt la robustesse du capteur (sa tenue aux chocs, aux températures élevées, aux milieux corrosifs ). Dans d autres (essais de recherche-développement), peu importe la robustesse ou la durée de vie, l essentiel étant la précision de la mesure. Et c est ce que prouvent les sites Internet et les PCB Piezotronics brochures des fournisseurs : au lieu de décliner leur offre en termes d étendue de mesure, de sensibilité, de répétabilité, un peu comme ils le feraient pour un capteur classique, ils présentent les différentes applications auxquelles leurs accéléromètres peuvent répondre : automobile, aéronautique, surveillance industrielle, R & D, environnements sévères, etc. «Pour orienter l utilisateur vers tel ou tel type de capteur,il nous faut avant tout connaître l application.s il nous indique seulement la sensibilité ou la gamme de mesure qu il recherche, par exemple, nous avons tous des quantités de modèles qui peuvent répondre à ce besoin!», souligne Frank Retourné, p.-d.g. de PCB Piezotronics.Même analyse pour Jean- Pierre Labattu, p.-d.g. de Kistler : «Quand on parle d accéléromètre,on englobe des capteurs extrêmement différents les uns des autres.pour que ce terme veuille dire quelque chose,il faut préciser l application.car on recherche un accéléromètre un peu comme un véhicule : pour un usage précis». Accélération, vitesse ou déplacement A cela s ajoute une autre spécificité.si l accéléromètre est autant répandu, c est qu il permet d accéder à plein d autres grandeurs. La force, par exemple, à partir de la relation F = m x a (où m est la masse et a l accélération). La force permet ensuite de déterminer par exemple la contrainte appliquée à une structure. A partir de l accélération, on peut aussi accéder à la vitesse et au déplacement : d un para- Des accéléromètres, il y en a de toutes les formes, de toutes les tailles... Certains se collent, d autres se vissent, certains sont conçus pour résister aux chocs les plus durs, d autres pour fonctionner jusqu à 400 C. Bref, il peut être difficile de s y retrouver. Pour faire le bon choix, il faut avant tout bien définir son besoin. 90
mètre à l autre, il n y a en effet qu une intégration ou une dérivation mathématique du signal : en intégrant l accélération, on obtient la vitesse, puis le déplacement Curieusement, la mesure de vibrations est ainsi l application la plus courante de l accéléromètre. Sa légèreté (il ne pèse que quelques grammes), sa taille (au plus quelques cm 3 ) et les larges gammes de fréquences qu il permet de couvrir en font même le capteur de choix. Ensuite, le paramètre choisi pour exprimer le résultat (accélération, vitesse ou déplacement) dépend de l application, ainsi que des habitudes du métier. «Les mécaniciens s intéressent généralement au déplacement, explique Christian Delamare, directeur commercial d AllianTech. Peut-être parce que par le passé,certains avaient l habitude de placer un stylo sur la structure en vibration,et une feuille en vis-àvis,afin de mesurer l amplitude du mouvement». Mais le plus souvent, c est la vitesse qui focalise l attention. «Dans le domaine des vibrations industrielles, la majorité des normes portent sur la vitesse, poursuit M. Delamare (AllianTech). Il faut dire qu historiquement, les capteurs de vitesse ont été fabriqués avant les capteurs d accélération».on peut aussi accéder au déplacement, mais pour que le calcul de la double intégration donne un résultat exploitable, il est préférable de travailler en basse fréquence. Pour la même raison, quelqu un qui s intéresse uniquement à la mesure de déplacement emploiera rarement un accéléromètre Quatre grands types de capteurs Côté principes de mesure, l offre est globalement divisée en quatre. Les accéléromètres piézoélectriques, piézorésistifs, capacitifs et asservis couvrent à eux quatre la grande majorité des applications. Leur principe n est pas si différent. Ces capteurs intègrent généralement une masse (dite sismique ) suspendue par un ressort. En mesurant la force à laquelle est soumise cette masse, on en déduit l accélération (toujours par F = m x a). Seul le principe de mesure de la force change d une technologie à l autre. Dans la plupart des capteurs piézoélectriques, la masse sismique exerce des efforts de compression ou (le plus souvent) de cisaillement sur un matériau piézoélectrique qui génère alors une charge électrique proportionnelle à la force qui lui est appliquée (donc à l accélération à mesurer). Dans les capteurs piézorésistifs, c est un peu le même principe, sauf que la masse sismique est le plus souvent solidaire d une poutre dont on mesure la déformation (avec des jauges piézorésistives). Avec les accéléromètres capacitifs, en revanche, Jusqu à 175 C avec électronique intégrée Alors que les accéléromètres à électronique intégrée ne peuvent généralement pas être utilisés au-delà de 130 C, le modèle 65HT-10 de Brüel & Kjaer-Endevco fonctionne de - 55 à 175 C. Autres atouts, sa taille (c est un cube de 10 mm d arête) et sa masse (5 g). Ce capteur tri-axial est dédié à l analyse de structures aussi bien dans les bancs d essais moteurs que sur des pièces et composants légers testés en chambre climatique. Un capteur qui ne craint ni le chaud, ni le froid Pour les accéléromètres ATH 110 de FGP Instrumentation, peu importe la température Entre - 40 C et 60 C, cela ne leur fait ni chaud, ni froid : l intérieur du boîtier est chauffé par des résistances électriques associées à une électronique de régulation et à une sonde de température. Résultat, la température à l intérieur du capteur est maintenue constante à ± 1 C par rapport au point de consigne, ce qui permet de s affranchir des dérives thermiques de zéro, de sensibilité, etc. Le capteur pèse près de 25 grammes, et offre (suivant les modèles) une étendue de mesure de ± 20 g à ± 500 g. L accéléromètre devient analyseur FFT Le capteur SeTac de la société Sequoia (représentée par Spectral Dynamics) est à mi-chemin entre un accéléromètre et un analyseur FFT. Dans le même boîtier (de 30x55x15 mm) sont en effet regroupés trois accéléromètres (un pour chaque axe) et un microprocesseur pour le traitement et l analyse du signal. Avec un logiciel spécifique, on peut alors réaliser des fonctions de FFT, de suivi spatial, temporel, etc. Il est en outre possible de fixer des seuils de dépassements d un certain niveau vibratoire. Bien sûr, compte-tenu que l électronique est intégrée, le capteur est utilisable dans une gamme de température moins large que celle d un capteur classique (de 0 à 70 C). Il offre une étendue de mesure de ± 5 g (avec une résistance aux chocs jusqu à 1 000 g) et pèse 55 grammes. on s intéresse généralement au déplacement de la masse sismique sous l effet de l accélération. La masse se déplace en effet entre deux électrodes. La variation de tension aux bornes de celles-ci traduit alors l accélération. (D autres accéléromètres capacitifs intègrent une sorte de diaphragme dont le mouvement varie en fonction de l accélération). Dans le cas des accéléromètres asservis, enfin, il n y a pas de déplacement de la masse sismique : on crée (le plus souvent par un électro-aimant) une force égale et opposée à celle qu induit l accélération pour maintenir la masse sismique dans sa position initiale. La force appliquée est alors proportionnelle à l accélération à mesurer Alors, quelle technologie utiliser? Tout dépend bien sûr de l application. La différence se fera essentiellement au niveau des gammes de fréquences, des températures d utilisation et de l encombrement. Les accéléromètres piézoélectriques sont les premiers à avoir fait parler d eux, il y a près de 50 ans. Suivant le matériau piézoélectrique qu ils emploient, tous les capteurs n offrent pas les mêmes propriétés (notamment en termes de tenue à la température ou de niveau du signal de sortie). En règle générale, ce sont les capteurs qui offrent la gamme de température la plus large. Seuls les accéléromètres piézoélectriques permettent d aller au-delà de 200 C, et certains permettent même d atteindre 760 C. Autre avantage, une échelle de mesure étendue (de 10-5 g à 10 5 g) et une gamme de fréquences relativement large (de 0,3 Hz à 40 khz), ce qui leur permet de couvrir une grande variété d applications : aussi bien pour caractériser le comportement d équipements que pour des mesures basse fréquence (telles que le confort vibratoire) ou encore pour la 91
AllianTech Le choix de la taille du capteur dépend de l application,et notamment de la masse de la structure sur laquelle il sera fixé. Mais il faut faire un certain nombre de compromis.plus un capteur est léger,moins il influence le phénomène qu il est censé mesurer. D un autre côté,il sera aussi plus fragile et moins sensible. mesure de chocs. «C est aussi le capteur le plus sensible pour les mesures sismiques,dans le domaine du bâtiment ou de la géophysique», ajoute M. Delamare (AllianTech). Avec tout de même quelques limitations. Les capteurs piézoélectriques ne permettent pas d observer des fréquences très basses, et ils ne passent pas la composante continue. De plus, «ils ne sont pas recommandés pour les mesures de chocs de haute amplitude, qui peuvent causer des dérives de zéro.dans ces conditions,il vaut mieux utiliser des capteurs piézorésistifs», souligne Bruno Cristofari, responsable capteurs-conditionneurs chez Brüel & Kjaer (qui commercialise les accéléromètres d Endevco). Les accéléromètres piézorésistifs offrent l avantage, contrairement aux précédents, de passer la composante continue. Ils sont essentiellement destinés aux mesures d accélération statique et de vibrations basse fréquence (jusqu à quelques milliers de Hz), ainsi qu à la mesure de chocs de haute amplitude (200000 g). On les retrouve ainsi dans les essais de crashs-tests (où une norme impose que l accéléromètre employé passe la composante continue), dans le domaine de l automobile embarqué (comportement du véhicule, suspensions, etc.). Par rapport aux capteurs piézoélectriques, ils sont cependant moins sensibles aux faibles niveaux, et ils ne peuvent pas être utilisés à haute température (au-delà de 130 C). Les accéléromètres capacitifs offrent quelques similitudes avec les capteurs précédents.tout comme eux, ils passent la composante continue et sont destinés à la mesure d accélération statique et de phénomènes vibratoires basse fréquence (jusqu à quelques centaines de Hz). Ils montrent aussi les mêmes limitations en température. On les utilise notamment dans l étude du comportement de véhicules, de trains (confort vibratoire), d ouvrages de génie civil (ponts, bâtiments ), dans la surveillance de machines tournantes lentes et d équipements lourds, etc. «Ils ont un champ d applications similaire à celui des capteurs piézorésistifs, excepté pour la mesure de chocs», résume M. Retourné (PCB Piezotronics). Malgré leur taille (largement supérieure à celle des capteurs précédents en raison de l électronique spécifique qu ils intègrent), les accéléromètres capacitifs concurrencent de plus en plus les autres technologies. Ils fournissent un signal de sortie élevé (4 V pleine échelle contre 400 mv pour les capteurs piézorésis- Les principales technologies Principaux avantages Principales limitations Domaine d applications privilégié Piézoélectrique - Utilisable à haute température (jusqu à 700 C) - Ne passe pas la composante continue - Phénomènes vibratoires impulsionnels ou non - Coût généralement peu élevé (entre 250 et - Peu adapté aux chocs pyrotechniques au-delà - Caractérisation du comportement de structures 600 euros pour les plus courants) de 100000 g et d équipements - Large échelle de mesure (de 10-5 à 10 5 g) - Mesures à hautes températures - Sensible aux vibrations de faible amplitude - Mesures sismiques - Faible encombrement - Mesures de chocs - Réponse en fréquence étendue, de 0,5 Hz à 40 khz - Phénomènes vibratoires basse fréquence (analyse de confort vibratoire) Piézorésistif - Passe la composante continue - Températures inférieures à 130 C - Mesures d accélérations de faible amplitude et de - Faible encombrement - Coût plus élevé que le piézoélectrique vibrations basse fréquence (jusqu à quelques - Adapté à la mesure de chocs de haute amplitude - Moins sensible aux faibles niveaux que le milliers de Hz) (supérieure à 100000 g) piézoélectrique - Mesures de chocs - Caractérisation d équipements et de structures (mesures quasi-statiques) : comportement de véhicules, suspension lors d essais routiers, crashs-tests, etc. Capacitif - Passe la composante continue -Températures inférieures à 130 C - Phénomènes vibratoires de faible amplitude et - Signal de sortie élevée (4 V pleine échelle contre - Encombrement de basse fréquence, acceptant des surcharges 400 mv pour le piézorésistif) - Échelle de mesure limitée (inférieure à 1000 g) ponctuelles importantes - Peu sensible à la température - Limitations en fréquence (pas plus de quelques - Mesure d accélération statique et quasi-statique - Robuste centaines de Hz) (comportement de véhicules sur routes ou sur bancs, comportement d ouvrages d art, etc.) Asservi - Passe la composante continue - Coût (entre 2300 et 3000 euros) - Mesures de faible amplitude et de phénomènes - Résolution très élevée (jusqu à 10-6 g) - Fragilité inertiels basse fréquence - Signal de sortie élevé - Encombrement - Exemples : correction de trajectoire, stabilisation de - Températures inférieures à 150 C plates-formes, etc. 92
Principe des accéléromètres piézoélectriques Les accéléromètres piézoélectriques sont les plus répandus.. Ils intègrent une masse (dite sismique ) qui exerce,sous l effet de l accélération,des efforts de compression ou de cisaillement sur un matériau piézoélectrique. Celui-ci génère alors une charge électrique proportionnelle à la force qui lui est appliquée,donc à l accélération à mesurer. Les accéléromètres piézoélectriques à compression, qui étaient très répandus il y a quelques années, sont aujourd hui de plus en plus remplacés par les accéléromètres à cisaillement, généralement peu sensibles aux accélérations transversales et aux contraintes mécaniques exercées à la base du capteur. tifs), et acceptent des surcharges importantes. Plus rares, les accéléromètres asservis sont un peu considérés comme des capteurs de luxe.a priori, ils ont en effet tous les avantages : ils passent la composante continue, ils offrent de très hautes résolutions (jusqu à 10-6 g, contre près de 10-3 g pour un capteur capacitif standard) et un signal de sortie élevé Le revers de la médaille, c est un peu la rançon du luxe : ils coûtent beaucoup plus cher que les capteurs classiques (entre 2300 et 3000 euros), et ils sont plus fragiles.autres limitations, leur encombrement (supérieur à celui de tous les autres capteurs) et des températures maximales d utilisation de l ordre de 150 C. Ils sont surtout utilisés pour observer des phénomènes de très faible amplitude. «On les emploie notamment dans la navigation par inertie (pour des corrections de trajectoires,par exemple) ou pour des problèmes spécifiques tels que la stabilisation de platesformes», souligne Albert Charié, gérant de MCE (qui commercialise les capteurs asservis de Columbia en France). «On est un peu à la limite entre un accéléromètre, un gyroscope et un inclinomètre», ajoute M. Cristofari (Brüel & Kjær). Aucun fournisseur ne propose les quatre techniques. Seuls quelques-uns (Brüel & Kjaer- Endevco, Kistler, PCB Piezotronics ) en proposent deux, parfois trois. D autres grands noms (DJB, Entran, etc.) sont plus spécialisés dans une seule technologie (piézoélectrique pour DJB,piézorésistive pour Entran). Enfin, il existe aussi des accéléromètres plus exotiques, employés dans des cas très particuliers. La société canadienne VibroSystM par exemple, propose un accéléromètre à fibre optique Principales caractéristiques destiné aux mesures de vibrations dans les environnements électriquement hostiles (sur les têtes de bobines des alternateurs turboélectriques par exemple), à haute tension ou explosifs. Quant à la société française Sensorex, elle propose des capteurs capacitifs donnant au choix l accélération ou l inclinaison. Le principe capacitif permet en effet d exploiter non seulement le déplacement de la masse sismique entre les deux électrodes (pour en déduire la force à laquelle elle est soumise, donc l accélération) mais aussi sa position angulaire (pour en déduire l inclinaison). Cependant ces capteurs ne permettent pas encore de connaître les deux paramètres en même temps. En effet, «comment savoir, sur un véhicule ou un équipement animé d un mouvement,si l inclinaison de la masse sismique observée est due à l accélération du véhicule ou à la pesanteur?», souligne Louis Goyet, responsable Département Produits chez Sensorex. La société travaille d ailleurs actuellement sur des capteurs permettant de connaître l inclinaison tout en s affranchissant de l accélération. Quelques critères incontournables La sensibilité, la gamme de mesure, la température d utilisation, la masse, la construction, etc. sont autant de critères incontournables dans le choix d un accéléromètre. Des critères qui conduisent, bien souvent, à faire des compromis Électronique intégrée ou pas? La question se pose lorsqu on choisit un accéléromètre piézoélectrique ou piézorésistif. Ces capteurs peuvent en effet intégrer, ou non, le conditionneur et l amplificateur de charge. Il n y a pas de solution universelle. Un capteur à élec- Capacitif Piézoélectrique Piézorésistif Asservi Dimensions Moyennes Faibles Faibles Importantes Gamme de température Moyenne Elevée Moyenne Moyenne Sensibilité aux faibles niveaux Moyenne Moyenne Faible Elevée Coût Moyen Faible Moyen Elevé Échelle de mesure Limitée Très large Large Limitée Résistance aux chocs Très élevée Très élevée Moyenne Faible Température max. d utilisation Basse Elevée Basse Moyenne Sensibilité à la température Faible Moyenne Moyenne Faible 93
Principales applications MESURES DE VIBRATIONS CONTRÔLE INDUSTRIEL MESURES SISMIQUES Faibles vibrations, basses fréquences R & D Mesures sur bancs Analyse de structures Mesures embarquées Surveillance de machines Mesures vibratoires sur équipements Bâtiment, génie civil, géophysique... t 100 C t 760 C t 175 C Piézorésistif Piézoélectrique Piézoélectrique à électronique intégrée Piézorésistif Piézorésistif Piézoélectrique à électronique intégrée Piézoélectrique Asservi Piézoélectrique à électronique intégrée Capacitif L accéléromètre idéal Est petit (un cube de 2-3 mm d arête) et léger (moins d 1 g) A une fréquence de résonance élevée (de l ordre de 60 khz), donc une large bande passante Est à électronique intégrée Fournit un signal assez élevé (1 V/g) Est robuste Peut être collé ou vissé Fonctionne entre -50 et 200 C Est intelligent (capteur Teds) et ne coûte pas plus de 300 euros (Source :Brüel & Kjaer) tronique intégrée est moins encombrant et son signal de sortie a moins de chances d être perturbé. D un autre côté, il est limité en température (typiquement à 125 C) et sa dynamique de mesure est plus faible que dans le cas d une électronique externe (120 db au lieu de 160 db dans le cas d un capteur piézoélectrique). Malgré ces limitations, le capteur à électronique intégrée a un succès croissant. «À l exception de la gamme de température, il n y a pratiquement aucun intérêt à prendre un capteur de type charge, résume M. Retourné (PCB Piezotronics).Même si elle est plus faible,la dynamique d un capteur à électronique intégrée reste relativement importante et elle suffit à une majorité d applications». La gamme de mesure. Si l unité d accélération est le m/s 2,la gamme de mesure s exprime en multiples de l accélération g (g = 9,8 m/s 2 ) due à la pesanteur (un capteur classique offre une étendue de mesure pouvant aller jusqu à quelques centaines de g).attention cependant à prendre en compte la manipulation de l accéléromètre. Lorsqu on choisit un accéléromètre de faible g pour un environnement industriel sévère, où il risque d être manipulé brutalement ou de tomber, il vaut mieux sélectionner un modèle comportant des butées mécaniques intégrées. La sensibilité. C est le rapport entre la tension de sortie et l accélération (il s exprime donc en mv/g pour un capteur à électronique intégrée). Idéalement, il doit être le plus élevé possible. Mais là aussi, tout est une question de priorités. Le capteur le plus sensible est aussi le plus encombrant. D autre part, plus le capteur est sensible, plus sa fréquence de résonance est basse, donc plus son utilisation est limitée aux basses fréquences. Enfin, le choix est guidé par l étendue de mesure : si elle est inférieure à 10 g, on choisira le plus souvent une sensibilité de 100 mv/g, et plutôt 10 mv/g pour un capteur de plus de 10 g. La fréquence de résonance (ou fréquence propre) est la fréquence à laquelle l élément sensible du capteur entre en résonance, et répond avec un déplacement maximum à une accélération donnée. Elle doit bien sûr être la plus élevée possible, et largement supérieure aux fréquences dans lesquelles se fait la mesure. L excitation de la fréquence de résonance du capteur suffit à l endommager. La gamme de température. On l a vu, le choix entre les différentes technologies repose notamment sur la température. Jusqu à 125 C, tous les capteurs, y compris ceux dont l électronique est intégrée, peuvent convenir. Au-delà de 150 C, seuls les capteurs piézoélectriques restent en lice. Mais pas tous (tout dépend notamment de l élément piézoélectrique qu ils intègrent et de leur construction mécanique).tout dépend aussi de la façon dont ils sont montés sur la structure : contrairement aux capteurs vissés, les capteurs collés ne dépassent pas 200 C. La masse. Pour ne pas influencer le phénomène qu il est censé mesurer, le capteur doit être le plus léger possible. Mais plus un accéléromètre est léger, moins il est sensible. Il est aussi plus cher et plus fragile (notamment au niveau de la connectique). D un autre côté, sa fréquence propre est plus élevée Le plus souvent, les capteurs destinés aux applications de tests sur bancs d essais sont plus légers que ceux que l on utilise pour la surveillance de machines tournantes, mais il n y a pas de règle générale. En fait, tout Certains accéléromètres sont dédiés aux mesures de vibrations en milieu industriel.ils permettent notamment de détecter les défauts de fonctionnement des machines tournantes (balourds,défauts de roulements,usures de l outil,etc.). PCB Piezotronics 94
des accéléromètres ETUDE DE MOUVEMENTS MESURES DE CHOCS VIBRATIONS APPLIQUÉES A L HOMME Guidage inertiel, comportement de véhicules, stabilisation de plates-formes... Crash-test automobile Essais de tenue aux chocs Pyrotechnie, balistique Confort vibratoire, mesures normalisées 2000 g 50000 g Asservi Piézorésistif Piézoélectrique Piézorésistif Piézorésistif Piézoélectrique à électronique intégrée Capacitif dépend de la masse de la structure sur laquelle est fixé le capteur : un accéléromètre de 10 grammes est trop lourd pour mesurer les vibrations de composants montés sur des cartes électroniques, mais il n a aucune influence sur les modes de vibrations d une pompe ou d une turbine de plusieurs tonnes «En général,il ne faut pas dépasser un rapport de 1 à 10 entre la masse du capteur et celle de la structure», indique M. Cristofari (Brüel & Kjaer). Attention cependant à ne pas négliger le poids du câble. «On ne considère trop souvent que le poids du capteur seul.mais le câble a aussi son importance, tout autant que sa raideur», poursuit M. Cristofari. Un câble raide et lourd peut suffire à influencer le mode de vibrations d une structure légère à l endroit où se fait la mesure. La résistance aux chocs. C est un paramètre important, notamment pour des applications en environnement industriel ou lorsque le capteur est soumis à de nombreuses manipulations qui multiplient son risque de chute. Il faut considérer l amplitude du choc (en g), ainsi que sa durée. Des chocs courts rapprochés endommagent davantage le capteur qu un seul choc relativement long. Le nombre d axes. Les accéléromètres peuvent permettre de réaliser des mesures suivant un, deux ou trois axes. «En mesure d accélération,on trouve essentiellement des capteurs mono-axe, alors que les accéléromètres tri-axiaux sont plus courants dans le domaine des vibrations»,souligne M. Retourné (PCB Piezotronics). «Les capteurs tri-axiaux sont nettement plus chers que les mono-axe.mais ils évitent de multiplier le nombre de capteurs sur la structure. Cela réduit la masse,et donc l influence du capteur sur le phénomène à mesurer»,précise Michel Brimbal, directeur général de Newport-Electronique. Quant aux capteurs bi-axiaux, ils sont beaucoup plus rares. «La demande est très faible, souligne M. Delamare (AllianTech). On les utilise dans des cas particuliers tels que les mesures de vibrations dans des tubes, sur des montages pneumatiques, etc.». La construction mécanique. Il faut là aussi faire des choix. Sur les matériaux constituant le boîtier, tout d abord. Les boîtiers en aluminium, par exemple, sont plus légers mais aussi plus fragiles que ceux en acier inoxydable. Il faut aussi regarder la façon dont est construit le capteur. Certains fournisseurs proposent des capteurs hermétiques, sans préciser s ils sont collés ou soudés. Pourtant, leur robustesse (et leur coût ) n est pas Accéléromètres ou capteurs sans contact? S ils sont les plus courants, les accéléromètres ne sont pas les seuls capteurs permettant de mesurer les vibrations. Il existe aussi des systèmes de mesure sans contact, tels que des capteurs de proximité à courants de Foucault ou encore des vibromètres laser. Leur principal intérêt est de réaliser des mesures à distance (donc même si les surfaces qui vibrent sont à très haute température ou si leur accès est difficile) et de ne pas perturber le phénomène vibratoire qu ils mesurent. Même s ils sont plus souvent utilisés pour mesurer des déplacements, les capteurs à courants de Foucault peuvent mesurer des phénomènes vibratoires à des fréquences allant jusqu à 10 khz (ils sont par exemple employés pour la surveillance d arbres dans les machines tournantes). Par contre, leur montage est parfois problématique (ils doivent être montés sur une structure isolée de l élément à contrôler), la surface qui vibre doit être électriquement conductrice, et leur coût (électronique comprise) est plus élevé que celui d un accéléromètre classique. Les vibromètres laser, quant à eux, présentent à priori tous les avantages : la mesure peut se faire à plusieurs mètres de distance, sur tous types de pièces ou de structures (ils mesurent même les vibrations du filament des ampoules ). Les vibromètres balayent aussi de grandes surfaces à une vitesse record (pourvu qu elles soient toutes vues par le capteur). Reste un inconvénient majeur, le prix (pas moins de 20 000 euros). 95
comparable (notamment à cause de la mauvaise tenue des colles à haute température ou des problèmes d étanchéité en milieu humide). Enfin, d autres paramètres peuvent, selon les applications, avoir leur importance. C est le cas notamment de la sensibilité aux contraintes de base (qui s exercent sur la base du capteur lorsqu il est fixé sur la structure), de l environnement climatique (humidité, présence de fluides ) qui conditionne notamment la connectique, ou encore de la sensibilité à la température. Des précautions incontournables Une fois l accéléromètre choisi, il faut encore prendre un certain nombre de précautions pour que les mesures soient correctes. Parmi elles, le montage du capteur. Sur ce sujet, les fournisseurs sont unanimes : rien ne sert d avoir un excellent capteur s il n est pas bien monté,c est-à-dire parfaitement solidaire de la structure à tester. Sinon, il risque de vibrer lui-même sur la structure et de fausser les mesures. Le plus souvent, les capteurs sont collés ou vissés. Les deux modes de fixation ont chacun leurs avantages et leurs limitations. Un montage par vis permet de réaliser des mesures en environnement sévère et offre Offre des principaux fournisseurs* Fabricant Principe Chaîne Chocs Haute t Masse Nb de Applications privilégiées Observations (Représentant)(nombre d axes) complète** 10 000 g 250 C min. gammes 01dB-Stell Piézoélectrique 2 Oui Oui Oui 0,7 g 2 Maintenance des machines, surveillance Capteurs étanches (1, 3) (50000 g) (400 C) de chantiers, essais sur bancs et embarqués Pour nucléaire. Sur mesure Bently Nevada Piézoélectrique Oui Non Non 71 g 3 Essentiellement surveillance vibratoire (1) des machines Bourdon-Haenni Piézorésistif Non Non 4 Fabrications sur mesure (1, 3) (70 C) CIS Piézoélectrique, Oui Non Oui 5 Mesures de vibrations de turbines piézorésistif... (1) Columbia Piézoélectrique 2, Oui Oui Oui 2 g 5 Tous types d applications (surveillance (MCE) asservi (1, 3) (100000 g) (400 C) de machines, essais, etc.) Colybris Capacitif Non Non Non 2,6 g 2 Mesures de chocs et de vibrations basses (Sensorex) (1) (125 C) fréquences (jusqu à 800 Hz) Crossbow Piézorésistif 1 Oui Non Non 43 g 4 Surveillance vibratoire de machines (MCE) (1, 3) (120 C) DJB Instruments Piézoélectrique Oui Oui 0,25 g 10 Applications industrielles et laboratoires (1, 3) (450 C) (essais) Dytran Instruments Piézoélectrique 1 Oui Oui Oui 0,6 g 100 Essais embarqués et sur bancs, analyse Construction en titane, (AllianTech) (1, 2, 3) (70000 g) (260 C) modèles modale, maintenance prédictive, etc. modèles immergeables Endevco Piézorésistif 1, capacitif, Oui Oui Oui 0,14 g 10 Tous types d applications (essais, Labo d étalonnage dans (Brüel & Kjaer) piézoélectrique 1 (1, 2, 3) (200 000 g) (760 C) surveillance de machines ) l Essonne. Vibromètres laser. Entran Piézorésistif 1 Oui Non Non 0,5 g 20 Aérospatiale (satellites), crashs-tests, Modèles acceptant de (1, 2, 3) (180 C) sport automobile, armement, etc. hautes surcharges FGP Piézorésistif 2 Oui Oui Non 1 g 10 Tests et dévt produits (essais embarqués ou Modèle thermostaté (breveté) Instrumentation (1, 2, 3) (50000 g) (180 C) sur bancs, crash-tests ) HBM Inductif Oui Non Non 17 g 4 Basses fréquences (confort automobile, (1) (60 C) suspensions, ouvrages d art, sismique ) Honeywell Piézoélectrique 1 Non Non Non 12 g 2 Trajectographie (déplacement de (Insyst) (1) (95 C) missiles, etc.) Honeywell Asservi Non Non Non 50 g 7 Inclinométrie, mesures de haute précision Sensorex est un intégrateur (Sensorex) (1) (175 C) (centrales de navigation aérienne, etc.) de composants IC Sensors Piézorésistif Oui Non Non 0,3 g 30 Guidage inertiel, surv. vibratoire, analyse (AllianTech) (1, 3) (125 C) modèles modale, crashs-tests, capteurs OEM *Ce tableau présente les principaux fournisseurs du domaine et l étendue de leur offre. Nous n avons mentionné ici que les critères qui les différencient le plus : le nombre de gammes ou de modèles qu ils commercialisent, les capteurs spéciaux (chocs, hautes températures), le capteur le plus léger (tous modèles confondus), les applications auxquelles ils sont destinés, etc. Les étendues de mesures et gammes de fréquence étant semblables d un fournisseur à l autre pour le même type d applications, elles ne figurent pas dans ce tableau. **Fournisseurs offrant le capteur seul ou pouvant fournir aussi la chaîne de mesure complète 1 à électronique intégrée - 2 avec ou sans électronique intégrée 96
une résistance mécanique élevée même si la structure est soumise à rude épreuve. Mais il n est pas toujours possible de percer des trous de fixation (notamment dans le cas d essais sur des prototypes coûteux). De plus, «la présence de trous risque de modifier localement le comportement vibratoire de la structure», indique M. Cristofari (Brüel & Kjaer). Enfin, les capteurs à visser sont généralement plus lourds que ceux que l on colle (on leur rajoute souvent une base supplémentaire pour pouvoir les visser). Il en résulte donc une diminution de la fréquence propre, et une limitation de la gamme de fréquences dans lesquelles le capteur peut travailler. Le montage par collage est quant à lui non destructif. Il est utilisé par exemple sur des structures légères ou de faible épaisseur, où il est difficile de percer des trous de fixation. Cependant, «il présente des limites en termes de température, de résistance mécanique et de transmission en fréquences (notamment dans les fréquences élevées)», souligne M. Labattu (Kistler). Tout dépend donc là aussi de l application. «Dans le domaine de l automobile,les capteurs sont le plus souvent collés,indique M. Retourné (PCB Piezotronics). En revanche,pour les mesures de chocs ou les mesures de vibrations embarquées, ils sont généralement vissés». Tout dépend aussi de la durée des mesures. «Pour des applications à long ou moyen terme,les capteurs sont généralement vissés.mais pour des tests d endurance ou des essais de quelques jours,il est plus pratique de les coller», ajoute M. Delamare (AllianTech). Offre des principaux fournisseurs* Fabricant Principe Chaîne Chocs Haute t Masse Nb de Applications privilégiées Observations (Représentant)(nombre d axes) complète** 10 000 g 250 C min. gammes Kistler Piézoélectrique, Oui Oui Non 0,7 g 6 Essais embarqués ou non, surveillance de capacitif (1, 2, 3) (165 C) machines, de structures, analyse modale Kyowa Piézorésistif 2 Oui Non Non 3 g 20 Bancs d essais, crash-tests surtout dans (Phimesure) (1, 3) (70 C) modèles le domaine de l automobile Mesurex Piézorésistif Oui Non Non 15 g 3 Tous types d applications (essais, (1, 2, 3) (95 C) surveillance vibratoire ) Monitran Piézoélectrique 1, Non Non Oui 9 g 9 Tous types d applications Modèles résistants aux (Axom) piézorésistif 1 (1) (250 C) radiations, atm. explosibles Newport Omega Piézoélectrique Oui Non Non 1,5 g 5 Surveillance et tests vibratoires Construction en titane (1, 3) (120 C) PCB Piezotronics Piézorésistif, capacitif Oui 3 Oui Oui 0,2 g 16 Domaine industriel (surv. de machines) et Tous les modèles sont livrés piézoélectrique (1, 2, 3) (490 C) laboratoire (analyse de structures, essais ) avec certificat d étalonnage Capteurs hermétiquemt fermés Schaevitz Asservi, inductif Oui Non Non 100 g 5 Inclinométrie, mesures d accélérations (PM Instrumentation) (1) modèles statiques Sensorex Capacitif Non Non Non 17 g 4 Mesures de chocs et vibrations basses Intégration de composants (1) (85 C) fréquences (jusqu à 800 Hz) Inclinomètres-accéléromètres Sensotec Piézoélectrique 1, Oui Non Non 8 g 12 Environnements industriels, surveillance Modèles immergeables (AllianTech) piézorésistif 1 (1, 2, 3) (85 C) modèles vibratoire, génie minier, essais moteurs Silicon Designs Capacitif Oui Non Non 0,62 g 40 Surveillance vibratoire, crashs-tests, Sorties numériques ou (AllianTech) (1, 3) (125 C) modèles analyse modale, capteurs pour OEM, etc. analogiques Vibro-Meter Piézoélectrique 1, Oui Non Oui 12 g 5 Surveillance vibratoire et bancs d essais piézorésistif 1 (1) (750 C) VTI Hamlin Capacitif Oui Non Non 10 g 4 Automobile (air-bags, suspensions, etc.), Modèles d accéléromètres- (Hamectrol) (1) (125 C) mesures d inclinaison, etc. inclinomètres Wilcoxon Research Piézoélectrique 2 Oui Non 0,7 g 2 (01dB-Stell) (1, 3) Wilcoxon Research Piézoélectrique 2 Oui Non Oui 0,4 g 7 Environnement industriel (surveillance Mesures sismiques (LR Ingénierie) (1, 3) (260 C) machines, etc.), essais embarqués ou non Wilcoxon Research Piézoélectrique 1 Oui Non Non 10 Applications sous-marines Capteurs étanches, très (Spectral Dynamics) (1, 2) (120 C) modèles faible bruit *Ce tableau présente les principaux fournisseurs du domaine et l étendue de leur offre. Nous n avons mentionné ici que les critères qui les différencient le plus : le nombre de gammes ou de modèles qu ils commercialisent, les capteurs spéciaux (chocs, hautes températures), le capteur le plus léger (tous modèles confondus), les applications auxquelles ils sont destinés, etc. Les étendues de mesures et gammes de fréquence étant semblables d un fournisseur à l autre pour le même type d applications, elles ne figurent pas dans ce tableau. **Fournisseurs offrant le capteur seul ou pouvant fournir aussi la chaîne de mesure complète 1 à électronique intégrée - 2 avec ou sans électronique intégrée - 3 pour les applications en environnement industriel 97
Quelques questions à se poser Que veut-on faire? Mesurer la vibration d une pièce? Contrôler l état d une machine tournante? Tester un équipement? Surveiller une structure? Mesurer un choc? Évaluer un confort vibratoire? Faire une mesure sismique? S agit-il d un mouvement suivant 1, 2, 3 axes? Le phénomène à mesurer Quelle est son amplitude? Sa fréquence? L environnement Faut-il des capteurs pour les hautes températures? Résistants aux chocs? Étanches? Submersibles? L environnement est-il corrosif? Irradié? Humide? La structure sur laquelle se fait la mesure Quelle est sa masse? Peut-on y percer un trou pour visser le capteur? Il existe enfin d autres modes de fixation, qui suffisent au moins pour une première analyse : des montages magnétiques et même de simples rubans adhésifs double face Autre élément à ne pas négliger, l étalonnage du capteur.un accéléromètre utilisé dans des conditions normales doit théoriquement être étalonné au moins une fois par an. Mais il n y a pas de règle générale. Dans des conditions difficiles (des essais d endurance, de chocs), il est courant d étalonner le capteur avant chaque essai. Lors des essais d homologation dans le domaine de l automobile, l étalonnage se fait systématiquement tous les trois essais. En revanche, en milieu industriel, ce n est pas vraiment la valeur absolue de l accélération ou de la vibration qui est intéressante : pour détecter un balourd ou un problème de roulement, par exemple, on ne considère le plus souvent que l évolution de la signature vibratoire de la machine. De l avis de M. Labattu (Kistler), «donner à l utilisateur des fréquences d étalonnage précises de son capteur n a pas beaucoup d intérêt. Ce qu il faut, c est qu il gère le risque en fonction de son application :risque de faire un essai pour rien, d avoir un arrêt imprévu de production,etc.». Vers des accéléromètres intelligents Qu en est-il des tendances du domaine? Même si les technologies restent globalement les mêmes, les capteurs n en finissent pas d évoluer : ils sont de plus en plus petits, ils intègrent une électronique de plus en plus sophistiquée, ils sont construits dans des matériaux robustes et légers (le titane, notamment)... et certains accéléromètres intègrent même un repérage lumineux permettant de voir, de loin, le capteur que l on interroge. Mais l une des tendances les plus marquantes est certainement celle qui consiste à intégrer de plus en plus d intelligence au niveau des capteurs. C est le cas des accéléromètres Teds (Transducer Electronic Data Sheet), ces capteurs qui intègrent une sorte de carte d identité électronique (suivant la norme IEEE 1451-4). Mais attention, «il ne s agit pas d intelligence comme on l entend pour des capteurs de process,qui disent à tout instant qui ils sont,où ils sont,s ils fonctionnent ou pas,qui savent se remettre dans les conditions idéales de fonctionnement par un recalage de zéro, ou ajuster l échelle de mesure au phénomène mesuré.les capteurs Teds permettent de mémoriser un certain nombre d informations,et de les restituer à la demande»,précise M. Cristofari (Brüel & Kjaer). Ces capteurs se composent d une partie non réinscriptible (pour le fabricant) et d une partie réinscriptible dans laquelle l utilisateur peut rentrer (à l aide d un logiciel spécifique) différents types d informations : la sensibilité,la fréquence de résonance, le nom du fabricant, etc. (Le format de stockage des données est le même d un constructeur à l autre). L intérêt? Simplifier les mesures, surtout lorsque le nombre de voies est important. Car il n est pas nécessaire de rentrer à chaque fois les paramètres des différents capteurs, de recalculer le gain, etc.avec un capteur Teds, le système d acquisition reconnaît automatiquement le type de capteur, sa sensibilité et détermine le gain en fonction du signal de Principaux fournisseurs 01dB-Stell Tél.: 0472524800 - Fax: 0472524747 AllianTech : Tél.: 0147907777 - Fax: 0147333220 Axom : Tél.: 0148867794 - Fax: 0142831195 Bently-Nevada : Tél.: 0240729944 - Fax: 0240729946 Bourdon Haenni : Tél.: 0254737475 - Fax: 0254737407 Brüel & Kjaer* : Tél.: 0169906906 - Fax: 0169900255 CIS : Tél. : 01 47 88 35 81- Fax : 01 43 33 64 90 DJB Instruments : Tél.: 0329865124 - Fax: 0329868740 Entran : Tél.: 0130793300 - Fax: 0134810359 FGP Instrumentation : Tél.: 0130796540 - Fax: 0134810785 Hamectrol Composants : Tél.: 0146870202 - Fax: 0146866786 HBM : Tél.: 0169906378 - Fax: 0169906380 Insyst : Tél.: 0130121640 - Fax: 0130121644 Kistler : Tél.: 0169188181 - Fax: 0169188189 Le montage de l accéléromètre doit faire l objet de toutes les attentions. Pour ne pas fausser les mesures, le capteur doit en effet être parfaitement solidaire de la structure à tester. En général, l accéléromètre est collé ou vissé. Tout dépend de l application, et notamment des conditions environnementales dans lesquelles se fait la mesure. sortie qu on lui demande. Grâce à cette fonction (que l on trouve pour l instant sur des accéléromètres piézoélectriques) l échange de capteurs devient lui aussi instantané.et l intérêt, à terme, est de pouvoir utiliser des accéléromètres en réseau sur un bus dédié Marie-Line Zani LR Ingénierie : Tél.: 0130157803 - Fax: 0130157804 MCE : Tél.: 0558784418 - Fax: 0558784063 Meiri : Tél.: 0143779300 - Fax: 0143778460 Mesurex : Tél.: 0130412362 - Fax: 0130412380 Newport Omega : Tél.: 0130621400 - Fax: 0130699120 PCB Piezotronics : Tél.: 0169331961 - Fax: 0169331976 Phimesure : Tél.: 0490602297 - Fax: 0490602295 PM Instrumentation : Tél.: 0139758040 - Fax: 0139759979 Sensorex : Tél.: 0450954355 - Fax: 0450954375 Spectral Dynamics : Tél.: 0146522780 - Fax: 0146522781 Systémique Appliquée** : Tél.: 0145265997 - Fax: 0145265693 Vibro-Meter Tél.: 0143700202 - Fax: 0143700276 VibroSystM www.vibrosystm.com *Les accéléromètres commercialisés en France par Brüel & Kjaer sont fabriqués par la société Endevco. Cette dernière est présente en France mais distribue principalement des capteurs pour OEM utilisés notamment dans des programmes militaires. **Capteurs sur mesure Brüel & Kjaer 98