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Accéléromètres : un guide complet des applications et des techniques de mesure des vibrations

Les accéléromètres sont des transducteurs essentiels utilisés pour mesurer les vibrations et l’accélération dans diverses applications, notamment la sécurité automobile, l’électronique grand public et les machines industrielles. Ce guide couvre les techniques de sélection, de montage, d’étalonnage, de collecte de données et d’analyse nécessaires pour utiliser efficacement les accéléromètres pour des mesures précises de vibrations.

Qu'est-ce qu'un accéléromètre ?

Un accéléromètre est un transducteur qui mesure les vibrations en termes d’accélération du mouvement d’une structure. Il fonctionne en convertissant les vibrations en un signal électrique proportionnel, basé sur la deuxième loi du mouvement de Newton, qui stipule que l’accélération (m/s²) est directement proportionnelle à la force nette (Newton) agissant sur un corps et inversement proportionnelle à sa masse (gramme ). Essentiellement, un accéléromètre mesure indirectement l’accélération en détectant la force appliquée à l’un de ses axes. Une approche de détection courante utilisée dans les accéléromètres est la détection de capacité, où l’accélération est liée au changement de capacité d’une masse en mouvement. La méthode de transduction dépend du type d’accéléromètre, avec des constructions mécaniques différentes pour les accéléromètres piézoélectriques et MEMS.

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Quels sont les types d’accéléromètres ?

Les principaux types d’accéléromètres comprennent :

  • Les accéléromètres piézoélectriques utilisent un cristal de détection auquel est fixé un poids sismique. Lorsque le capteur subit une accélération, le poids exerce une force sur le cristal, générant une charge électrique proportionnelle à la force et donc à l’accélération. Ce signal à haute impédance peut être mesuré directement ou amplifié et conditionné par des circuits électroniques. Ils sont largement utilisés dans les mesures de vibrations des machines.
  • Les accéléromètres MEMS (systèmes microélectromécaniques) sont construits à l’aide d’une technologie de microfabrication, composée de minuscules composants mécaniques sur une puce de silicium. Un mécanisme de détection courant implique la détection de capacité, où les changements de position d’une masse micro-usinée provoquent des variations de capacité. Lorsque le corps de l’accéléromètre est déplacé par une force appliquée de l’extérieur, le mouvement de la masse sismique est détecté par des éléments de détection capacitifs différentiels. Le signal produit est amplifié, conditionné et filtré par des composants de circuit montés à l’intérieur du même boîtier IC. Les accéléromètres MEMS sont largement utilisés dans l’électronique grand public, pour mesurer les vibrations humaines et pour les vibrations du sol à basse fréquence.
  • Les accéléromètres piézorésistifs utilisent des matériaux qui modifient la résistance électrique lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique. Ils fonctionnent de la même manière que les jauges de contrainte, mesurant la contrainte. Une force appliquée au matériau piézorésistif le déforme, modifiant sa résistance. Ceci est mesuré à l’aide d’éléments résistifs disposés en configuration en pont. Les accéléromètres piézorésistifs ont une bande passante élevée et une faible sensibilité, ce qui les rend adaptés aux mesures à haute fréquence et de courte durée, telles que les essais de collision ou d’armes. Ils sont essentiels dans les applications de crash tests automobiles.
  • Les accéléromètres à jauge de contrainte utilisent des jauges de contrainte fixées à une structure qui se déforme sous l’accélération. Cette déformation modifie la résistance des jauges de contrainte, qui est mesurée à l’aide d’un circuit en pont. Un accéléromètre à jauge de contrainte moderne utilise généralement une jauge de contrainte en silicium ou en feuille déposée sur ou liée à un élément qui fléchit avec le mouvement d’une masse sismique. Ces accéléromètres peuvent mesurer des accélérations jusqu’à zéro Hertz, ce qui les rend adaptés aux mesures statiques. Ils sont largement utilisés dans l’industrie automobile pour des applications de sécurité telles que les systèmes de freinage antiblocage, le déploiement des airbags et les systèmes de contrôle de traction.

Les accéléromètres sont importants car ils fournissent des mesures précises de l’accélération et des vibrations, qui renforcent la sécurité, améliorent la navigation et le contrôle, permettent des fonctionnalités avancées, facilitent la maintenance prédictive, prennent en charge la surveillance sismique et facilitent les applications médicales. Ces capacités rendent les accéléromètres indispensables dans diverses industries, garantissant des opérations efficaces, fiables et sûres dans les secteurs de l’automobile, de l’aérospatiale, de l’électronique grand public, des machines industrielles, de la santé structurelle et de la santé.

Un accéléromètre de vibration peut mesurer :

  • Accélération: taux de changement de vitesse, qui est la mesure principale fournie par les accéléromètres.
  • Vitesse: En intégrant les données d’accélération, il est possible de déduire la vitesse de l’objet vibrant.
  • Déplacement: En intégrant davantage les données de vitesse, le déplacement de l’objet vibrant peut être calculé. Ceci est particulièrement utile pour évaluer l’étendue des vibrations dans les systèmes mécaniques.
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Quelles sont les principales applications des accéléromètres ?

Les accéléromètres sont essentiels à la conception, à l’exploitation et à la maintenance de systèmes dans diverses industries. Différents types d’accéléromètres sont sélectionnés en fonction de leurs capacités spécifiques et des exigences de l’application :

  • Conception: dans la phase de R&D, des accéléromètres sont utilisés pour tester et valider les conceptions. Pour les systèmes de sécurité automobile, les MEMS et les accéléromètres piézorésistifs testent des composants tels que les airbags, les systèmes de freinage antiblocage (ABS) et les systèmes de contrôle de traction. Les accéléromètres piézorésistifs gèrent les impacts à haute fréquence lors des tests de collision. Dans l’électronique grand public, les accéléromètres MEMS permettent des fonctionnalités telles que la rotation de l’écran, les jeux de mouvement et le suivi de la condition physique, fournissant ainsi des données critiques pour la conception des interfaces utilisateur. Dans l’aérospatiale et la défense, les accéléromètres piézoélectriques et MEMS aident à concevoir des systèmes de navigation, le contrôle de stabilité et la surveillance de l’état des structures en mesurant les vibrations à haute fréquence et les paramètres de navigation inertielle.
  • Fonctionnement: pendant le fonctionnement, les accéléromètres fournissent des fonctionnalités et des fonctions de sécurité en temps réel. Dans les applications automobiles, les accéléromètres MEMS détectent une décélération rapide pour déployer les airbags. Dans l’électronique grand public, les accéléromètres MEMS font pivoter les écrans des smartphones et des tablettes et mesurent les vibrations corporelles pour des évaluations de santé et d’ergonomie. Pour la surveillance de l’activité sismique, les MEMS et les accéléromètres capacitifs détectent et enregistrent les mouvements du sol, offrant ainsi des mesures à haute sensibilité et sur une large plage de fréquences. Dans les machines industrielles, les accéléromètres piézoélectriques surveillent et analysent les vibrations pour assurer la stabilité opérationnelle, détectant les déséquilibres et les pannes potentielles.
  • Maintenance: Pour une maintenance continue, les accéléromètres surveillent la santé et les performances des systèmes. Dans le cadre de la maintenance prédictive, les accéléromètres piézoélectriques et à jauge de contrainte analysent les vibrations pour prédire et prévenir les pannes d’équipement, en planifiant la maintenance avant que des pannes catastrophiques ne se produisent. Dans le cadre de la surveillance de l’état des structures, les jauges de contrainte et les accéléromètres capacitifs évaluent l’intégrité des structures telles que les ponts, les bâtiments et les barrages en mesurant les vibrations et les déformations à basse fréquence. Dans le cadre de la surveillance de l’état des véhicules, les MEMS et les accéléromètres piézorésistifs surveillent en permanence les vibrations et les chocs, identifiant les problèmes nécessitant une maintenance, tels que les déséquilibres ou les composants usés.
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Comment utiliser les accéléromètres pour les mesures de vibrations ?

L’utilisation d’accéléromètres pour les mesures de vibrations nécessite des connaissances et une expertise spécifiques. Généralement, ces appareils sont utilisés par des ingénieurs, des techniciens et des chercheurs expérimentés dans le traitement et l’interprétation des données des accéléromètres.

Quels appareils utilisent des accéléromètres ?

Les accéléromètres font partie d’une chaîne de mesure de vibromètres qui comprend l’alimentation, les câbles et les connecteurs. Une bonne alimentation de l’accéléromètre est essentielle pour obtenir des lectures précises. L’utilisation de câbles et de connecteurs appropriés garantit une transmission fiable du signal et minimise la perte de données. Les vibromètres peuvent être monocanaux ou multicanaux et, par conséquent, les accéléromètres sont disponibles en versions à un ou trois axes.

Comment choisir le bon accéléromètre ?

Lors de la sélection d’un accéléromètre pour une application donnée, tenez compte des caractéristiques clés suivantes :

  1. Plage de fréquences (Hz): indique la plage de fréquences de vibration à laquelle l’accéléromètre répond. Par exemple, la plage de fréquences de mesure de l’instrument de mesure de l’intensité des vibrations doit être comprise entre 10 Hz et 1 000 Hz, mais peut inclure d’autres plages. (Dans certaines parties de la norme ISO 20816, une fréquence de coupure inférieure de 2 Hz ou même inférieure est utilisée.)
  2. Plage dynamique (g): La plage entre la plus petite amplitude détectable et la plus grande amplitude avant de déformer ou d’écrêter le signal de sortie.
  3. Sensibilité (mV/g ou mV/ms²): définit le signal minimum détectable ou la modification du signal électrique de sortie par modification de la modification mécanique d’entrée. Généralement fourni à une fréquence ; la sensibilité est liée à la plage de fonctionnement.
  4. Température: plage de température de fonctionnement à laquelle l’accéléromètre peut résister.
  5. Masse: Le poids de l’accéléromètre, qui peut affecter son montage et la précision de la mesure.
  6. Type de montage: méthode par laquelle l’accéléromètre est fixé à la surface de mesure.
  7. Compatibilité avec le vibromètre: garantir que l’accéléromètre fonctionne de manière transparente avec le vibromètre utilisé.

Comment garantir la précision de l’accéléromètre ?

Pour garantir des mesures précises, les accéléromètres nécessitent un premier étalonnage et vérification en laboratoire tous les deux ans. Ce processus implique la définition d’une ligne de base et l’ajustement de la sortie du capteur pour qu’elle corresponde aux valeurs de référence connues. Des contrôles réguliers sur place sont également nécessaires pour maintenir la précision dans le temps, généralement à l’aide de calibrateurs portables comme le SV110.

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Comment monter les accéléromètres ?

Des mesures précises des vibrations dépendent de techniques de montage correctes. Les fabricants d’accéléromètres décrivent généralement les méthodes de montage suivantes :

  • Montage sur goujons
  • Montage adhésif (y compris montage en ciment et en cire)
  • Montage magnétique

Fixer correctement l’accéléromètre à la machinerie ou à la structure minimise les interférences et garantit que le capteur capture avec précision les vibrations.

Comment collecter les données vibratoires des accéléromètres ?

La mise en place d’un système d’acquisition de données implique de configurer l’équipement (vibromètre) pour enregistrer avec précision les données de vibration. La sélection du taux d’échantillonnage et des paramètres d’enregistrement des données appropriés est cruciale pour capturer les détails nécessaires et éviter la perte de données. Il est essentiel de sélectionner des résultats comme PEAK, RMS, MAX, PEAK-PEAK, VDV, ou des analyses de spectre de fréquences comme FFT ou 1/3 d’octave, et d’enregistrer les données brutes (enregistrement WAV).

Traitement et analyse des données

Une fois les données collectées, elles doivent être traitées et analysées. Des logiciels spécialisés, tels que les outils SvanPC++, appliquent des filtres et des algorithmes aux données brutes, extrayant des informations significatives sur les modèles de vibrations, les fréquences et les amplitudes.

Interpréter les données et effectuer des ajustements

La dernière étape consiste à interpréter les données traitées pour comprendre l’état de la machinerie ou de la structure. Sur la base de cette analyse, les ingénieurs et les techniciens peuvent effectuer les ajustements nécessaires pour améliorer les performances, prévenir les pannes et garantir la sécurité.

Points clés à retenir

  1. Les accéléromètres sont des transducteurs polyvalents essentiels à la mesure des vibrations et de l’accélération dans diverses applications, de la sécurité automobile et de l’électronique grand public à l’aérospatiale, aux machines industrielles et à la surveillance de l’état des structures.
  2. Il existe différents types d’accéléromètres, tels que les accéléromètres piézoélectriques, MEMS, piézorésistifs et à jauge de contrainte. La sélection du bon type dépend des exigences spécifiques de l’application, notamment la plage de fréquences, la plage dynamique, la sensibilité et la compatibilité avec le système de mesure.
  3. L’utilisation efficace des accéléromètres nécessite des connaissances et une expertise spécifiques dans les techniques de montage, l’étalonnage et l’acquisition de données. Une installation et un étalonnage appropriés garantissent des mesures précises, tandis que des techniques avancées de traitement et d’analyse des données sont essentielles pour interpréter les données de vibration et effectuer des ajustements éclairés.
  4. Les accéléromètres améliorent la sécurité et l’efficacité opérationnelle en fournissant des données en temps réel pour la maintenance prédictive, la surveillance de l’état des structures et la détection de changements rapides de mouvement, qui peuvent déclencher des mécanismes de sécurité tels que les airbags dans les véhicules.
  5. La précision et la fiabilité des mesures de vibrations dépendent d’une chaîne de mesure complète qui comprend une alimentation appropriée, des câbles et connecteurs appropriés et des systèmes d’acquisition de données robustes. Un étalonnage régulier et des contrôles in situ sont nécessaires pour maintenir l’exactitude et la fiabilité des mesures.

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