Accélération, vitesse ou déplacement

G uide d’achat
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…
D
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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
PCB Piezotronics
es 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
besoin clairement défini,
En bref…
tout n’est ensuite qu’une
affaire de priorités… et de
Pour bien choisir un accécompromis.Dans certains
léromètre, il faut avant tout
bien savoir à quoi il est descas (mesures en environtiné. C’est l’application qui
nement industriel, par
détermine le type de capexemple), on privilégie
teur à utiliser.
plutôt la robustesse du
Quatre technologies se
capteur (sa tenue aux
partagent l’essentiel du
chocs, aux températures
marché : les accéléroélevées, aux milieux cormètres piézoélectriques,
piézorésistifs, capacitifs et
rosifs…). Dans d’autres
asservis. Tous ne sont pas
(essais de recherche-déveutilisés dans les mêmes
loppement), peu imporconditions.
te la robustesse ou la
Une fois l’accéléromètre
durée de vie, l’essentiel
choisi, il faut encore
étant la précision de la
prendre ses précautions :
ne pas négliger notamment
mesure.
son montage sur la strucEt c’est ce que prouvent
ture, ni son étalonnage.
les sites Internet et les
avons tous des quantités de modèles qui peuvent répondre
à ce besoin! », souligne Frank Retourné, p.-d.g.
de PCB Piezotronics. Même analyse pour JeanPierre 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.
MESURES 746 - JUIN 2002
Guide d’achat
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 cm3) 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,
MESURES 746 - JUIN 2002
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 105 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
Guide d’achat
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 températu-
re (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
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Principaux avantages
Principales limitations
Domaine d’applications privilégié
Piézoélectrique
- Utilisable à haute température (jusqu’à 700 °C)
- Coût généralement peu élevé (entre 250 et
600 euros pour les plus courants)
- Large échelle de mesure (de 10-5 à 105 g)
- Sensible aux vibrations de faible amplitude
- Faible encombrement
- Réponse en fréquence étendue, de 0,5 Hz à 40 kHz
- Ne passe pas la composante continue
- Peu adapté aux chocs pyrotechniques au-delà
de 100000 g
- Phénomènes vibratoires impulsionnels ou non
- Caractérisation du comportement de structures
et d’équipements
- Mesures à hautes températures
- Mesures sismiques
- Mesures de chocs
- Phénomènes vibratoires basse fréquence
(analyse de confort vibratoire)
Piézorésistif
- Passe la composante continue
- Faible encombrement
- Adapté à la mesure de chocs de haute amplitude
(supérieure à 100000 g)
- Températures inférieures à 130 °C
- Coût plus élevé que le piézoélectrique
- Moins sensible aux faibles niveaux que le
piézoélectrique
- Mesures d’accélérations de faible amplitude et de
vibrations basse fréquence (jusqu’à quelques
milliers de Hz)
- 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
- Signal de sortie élevée (4 V pleine échelle contre
400 mV pour le piézorésistif)
- Peu sensible à la température
- Robuste
-Températures inférieures à 130 °C
- Encombrement
- Échelle de mesure limitée (inférieure à 1000 g)
- Limitations en fréquence (pas plus de quelques
centaines de Hz)
- Phénomènes vibratoires de faible amplitude et
de basse fréquence, acceptant des surcharges
ponctuelles importantes
- Mesure d’accélération statique et quasi-statique
(comportement de véhicules sur routes
ou sur bancs, comportement d’ouvrages d’art, etc.)
Asservi
- Passe la composante continue
- Résolution très élevée (jusqu’à 10-6 g)
- Signal de sortie élevé
- Coût (entre 2300 et 3000 euros)
- Fragilité
- Encombrement
- Températures inférieures à 150 °C
- Mesures de faible amplitude et de phénomènes
inertiels basse fréquence
- Exemples : correction de trajectoire, stabilisation de
plates-formes, etc.
MESURES 746 - JUIN 2002
Guide d’achat
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 & KjaerEndevco, 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
MESURES 746 - JUIN 2002
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 pesan-
teur ? », 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-
Principales caractéristiques
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
Guide d’achat
Principales applications
MESURES
DE VIBRATIONS
MESURES SISMIQUES
CONTRÔLE
INDUSTRIEL
Faibles vibrations, basses fréquences
R&D
Mesures
sur bancs
Analyse de
structures
Mesures
embarquées
Surveillance
de machines
Mesures vibratoires
sur équipements
t° ≤ 100 °C
Bâtiment, génie civil, géophysique...
t° ≤ 760 °C
t° ≤ 175 °C
Piézoélectrique
Piézoélectrique à
électronique intégrée
Piézorésistif
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
L’accéléromètre
un capteur de type charge,
“idéal”…
résume M. Retourné
(PCB Piezotronics). Même
Est petit (un cube de
si
elle est plus faible,la dyna2-3 mm d’arête)
mique
d’un capteur à élec et léger (moins d’1 g)
tronique
intégrée reste rela A une fréquence de résotivement
importante et elle
nance élevée (de l’ordre
suffit à une majorité d’apde 60 kHz),
plications ».
donc une large bande
passante
La gamme de mesure.
Est à électronique intégrée
Si l’unité d’accélération est le m/s2, la
Fournit un signal assez
élevé (1 V/g)
gamme de mesure
Est robuste
s’exprime en multiples de l’accélération
Peut être collé ou vissé
g (g = 9,8 m/s2) due à
Fonctionne entre -50 et
200 °C
la pesanteur (un cap Est “intelligent” (capteur
teur classique offre
Teds)
une étendue de mesu et ne coûte pas plus de
re pouvant aller jus300 euros…
qu’à quelques cen(Source :Brüel & Kjaer)
taines de g).Attention
cependant à prendre
94
Piézorésistif
Piézoélectrique à
électronique intégrée
Piézoélectrique
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
Asservi
Piézoélectrique à
électronique intégrée
Capacitif
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
PCB Piezotronics
Piézorésistif
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.).
MESURES 746 - JUIN 2002
Guide d’achat
des accéléromètres
MESURES
DE CHOCS
ETUDE
DE MOUVEMENTS
Guidage inertiel, comportement
de véhicules, stabilisation de plates-formes...
Crash-test
automobile
≤ 2000 g
Asservi
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
MESURES 746 - JUIN 2002
Piézorésistif
Essais de tenue
aux chocs
VIBRATIONS APPLIQUÉES
A L’HOMME
Pyrotechnie,
balistique
Confort vibratoire,
mesures normalisées
≤ 50000 g
Piézoélectrique
Piézorésistif
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
Piézorésistif
Piézoélectrique à
électronique intégrée
Capacitif
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
Guide d’achat
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
(Représentant)
Principe
(nombre d’axes)
Chaîne
Chocs
Haute t° Masse Nb de
Applications privilégiées
complète** ≥10 000 g ≥250 °C min. gammes
Observations
01dB-Stell
Piézoélectrique2
(1, 3)
Oui
Oui
(50000 g)
Oui
(400 °C)
0,7 g
2
Maintenance des machines, surveillance
de chantiers, essais sur bancs et embarqués
Capteurs étanches
Pour nucléaire. Sur mesure
Bently Nevada
Piézoélectrique
(1)
Oui
Non
Non
71 g
3
Essentiellement surveillance vibratoire
des machines
Bourdon-Haenni
Piézorésistif
(1, 3)
Non
Non
(70 °C)
4
CIS
Piézoélectrique,
piézorésistif... (1)
Oui
Non
Oui
5
Mesures de vibrations de turbines
Columbia
(MCE)
Piézoélectrique2,
asservi (1, 3)
Oui
Oui
(100000 g)
Oui
(400 °C)
2g
5
Tous types d’applications (surveillance
de machines, essais, etc.)
Colybris
(Sensorex)
Capacitif
(1)
Non
Non
Non
(125 °C)
2,6 g
2
Mesures de chocs et de vibrations basses
fréquences (jusqu’à 800 Hz)
Crossbow
(MCE)
Piézorésistif1
(1, 3)
Oui
Non
Non
(120 °C)
43 g
4
Surveillance vibratoire de machines
DJB Instruments
Piézoélectrique
(1, 3)
Oui
Oui
(450 °C)
0,25 g
10
Applications industrielles et laboratoires
(essais)
Dytran Instruments
(AllianTech)
Piézoélectrique1
(1, 2, 3)
Oui
Oui
(70000 g)
Oui
(260 °C)
0,6 g
100
modèles
Essais embarqués et sur bancs, analyse
modale, maintenance prédictive, etc.
Construction en titane,
modèles immergeables
Endevco
(Brüel & Kjaer)
Piézorésistif1, capacitif,
piézoélectrique1 (1, 2, 3)
Oui
Oui
(200000 g)
Oui
(760 °C)
0,14 g
10
Tous types d’applications (essais,
surveillance de machines…)
Labo d’étalonnage dans
l’Essonne. Vibromètres laser.
Entran
Piézorésistif1
(1, 2, 3)
Oui
Non
Non
(180 °C)
0,5 g
20
Aérospatiale (satellites), crashs-tests,
sport automobile, armement, etc.
Modèles acceptant de
hautes surcharges
FGP
Instrumentation
Piézorésistif2
(1, 2, 3)
Oui
Oui
(50000 g)
Non
(180 °C)
1g
10
Tests et dévt produits (essais embarqués ou
sur bancs, crash-tests…)
Modèle thermostaté (breveté)
HBM
Inductif
(1)
Oui
Non
Non
(60 °C)
17 g
4
Basses fréquences (confort automobile,
suspensions, ouvrages d’art, sismique…)
Honeywell
(Insyst)
Piézoélectrique1
(1)
Non
Non
Non
(95 °C)
12 g
2
Trajectographie (déplacement de
missiles, etc.)
Honeywell
(Sensorex)
Asservi
(1)
Non
Non
Non
(175 °C)
50 g
7
Inclinométrie, mesures de haute précision
(centrales de navigation aérienne, etc.)
IC Sensors
(AllianTech)
Piézorésistif
(1, 3)
Oui
Non
Non
(125 °C)
0,3 g
30
modèles
Guidage inertiel, surv. vibratoire, analyse
modale, crashs-tests, capteurs OEM
Fabrications sur mesure
Sensorex est un intégrateur
de composants
*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
MESURES 746 - JUIN 2002
Guide d’achat
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
(Représentant)
Principe
(nombre d’axes)
Chaîne
Chocs
complète** ≥10 000 g
Haute t° Masse
≥250 °C min.
Nb de
Applications privilégiées
gammes
Kistler
Piézoélectrique,
capacitif (1, 2, 3)
Oui
Oui
Non
(165 °C)
0,7 g
6
Essais embarqués ou non, surveillance de
machines, de structures, analyse modale…
Kyowa
(Phimesure)
Piézorésistif2
(1, 3)
Oui
Non
Non
(70 °C)
3g
20
modèles
Bancs d’essais, crash-tests… surtout dans
le domaine de l’automobile
Mesurex
Piézorésistif
(1, 2, 3)
Oui
Non
Non
(95 °C)
15 g
3
Tous types d’applications (essais,
surveillance vibratoire…)
Monitran
(Axom)
Piézoélectrique1,
piézorésistif1 (1)
Non
Non
Oui
(250 °C)
9g
9
Tous types d’applications
Modèles résistants aux
radiations, atm. explosibles
Newport Omega
Piézoélectrique
(1, 3)
Oui
Non
Non
(120 °C)
1,5 g
5
Surveillance et tests vibratoires
Construction en titane
PCB Piezotronics
Piézorésistif, capacitif
piézoélectrique (1, 2, 3)
Oui3
Oui
Oui
(490 °C)
0,2 g
16
Domaine industriel (surv. de machines) et
Tous les modèles sont livrés
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)
Observations
modèles
statiques
Sensorex
Capacitif
(1)
Non
Non
Non
(85 °C)
17 g
4
Mesures de chocs et vibrations basses
fréquences (jusqu’à 800 Hz)
Intégration de composants
Inclinomètres-accéléromètres
Sensotec
(AllianTech)
Piézoélectrique1,
piézorésistif1 (1, 2, 3)
Oui
Non
Non
(85 °C)
8g
12
modèles
Environnements industriels, surveillance
vibratoire, génie minier, essais moteurs…
Modèles immergeables
Silicon Designs
(AllianTech)
Capacitif
(1, 3)
Oui
Non
Non
(125 °C)
0,62 g
40
modèles
Surveillance vibratoire, crashs-tests,
analyse modale, capteurs pour OEM, etc.
Sorties numériques ou
analogiques
Vibro-Meter
Piézoélectrique1,
piézorésistif1 (1)
Oui
Non
Oui
(750 °C)
12 g
5
Surveillance vibratoire et bancs d’essais
VTI Hamlin
(Hamectrol)
Capacitif
(1)
Oui
Non
Non
(125 °C)
10 g
4
Automobile (air-bags, suspensions, etc.),
mesures d’inclinaison, etc.
Modèles d’accéléromètresinclinomètres
Wilcoxon Research
(01dB-Stell)
Piézoélectrique2
(1, 3)
Oui
Non
0,7 g
2
Wilcoxon Research
(LR Ingénierie)
Piézoélectrique2
(1, 3)
Oui
Non
Oui
(260 °C)
0,4 g
7
Environnement industriel (surveillance
machines, etc.), essais embarqués ou non
Mesures sismiques
Wilcoxon Research
(Spectral Dynamics)
Piézoélectrique1
(1, 2)
Oui
Non
Non
(120 °C)
10
modèles
Applications sous-marines
Capteurs étanches, très
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
MESURES 746 - JUIN 2002
97
Quelques questions
à se poser…
Il existe enfin d’autres
modes de fixation,
qui suffisent au moins
Que veut-on faire ?
pour une première
Mesurer la vibration d’une
pièce ? Contrôler l’état d’une
analyse : des monmachine tournante ? Tester
tages magnétiques et
un équipement ? Surveiller
même de simples
une structure ? Mesurer un
rubans
adhésifs
choc ? Évaluer un confort
double face…
vibratoire ? Faire une mesure
sismique ?
Autre élément à ne
S’agit-il d’un mouvement suipas négliger, l’étalonvant 1, 2, 3 axes ?
nage du capteur. Un
Le phénomène à mesurer
accéléromètre utilisé
Quelle est son amplitude ? Sa
dans
des conditions
fréquence ?
“normales”
doit théo L’environnement
riquement
être étaFaut-il des capteurs pour les
hautes températures ? Résislonné au moins une
tants aux chocs ? Étanches ?
fois par an. Mais il n’y
Submersibles ?
a pas de règle généraL’environnement est-il corle. Dans des condirosif ? Irradié ? Humide ?
tions difficiles (des
La structure sur laquelle
essais d’endurance, de
se fait la mesure
chocs), il est courant
Quelle est sa masse ? Peut-on
y percer un trou pour visser le
d’étalonner le capteur
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
98
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
Brüel & Kjaer
Guide d’achat
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
Principaux fournisseurs
01dB-Stell
Tél. : 04 72 52 48 00 - Fax : 04 72 52 47 47
AllianTech :
Tél. : 01 47 90 77 77 - Fax : 01 47 33 32 20
Axom :
Tél. : 01 48 86 77 94 - Fax : 01 42 83 11 95
Bently-Nevada :
Tél. : 02 40 72 99 44 - Fax : 02 40 72 99 46
Bourdon Haenni :
Tél. : 02 54 73 74 75 - Fax : 02 54 73 74 07
Brüel & Kjaer* :
Tél. : 01 69 90 69 06 - Fax : 01 69 90 02 55
CIS :
Tél. : 01 47 88 35 81- Fax : 01 43 33 64 90
DJB Instruments :
Tél. : 03 29 86 51 24 - Fax : 03 29 86 87 40
Entran :
Tél. : 01 30 79 33 00 - Fax : 01 34 81 03 59
FGP Instrumentation :
Tél. : 01 30 79 65 40 - Fax : 01 34 81 07 85
Hamectrol Composants :
Tél. : 01 46 87 02 02 - Fax : 01 46 86 67 86
HBM :
Tél. : 01 69 90 63 78 - Fax : 01 69 90 63 80
Insyst :
Tél. : 01 30 12 16 40 - Fax : 01 30 12 16 44
Kistler :
Tél. : 01 69 18 81 81 - Fax : 01 69 18 81 89
LR Ingénierie :
Tél. : 01 30 15 78 03 - Fax : 01 30 15 78 04
MCE :
Tél. : 05 58 78 44 18 - Fax : 05 58 78 40 63
Meiri :
Tél. : 01 43 77 93 00 - Fax : 01 43 77 84 60
Mesurex :
Tél. : 01 30 41 23 62 - Fax : 01 30 41 23 80
Newport Omega :
Tél. : 01 30 62 14 00 - Fax : 01 30 69 91 20
PCB Piezotronics :
Tél. : 01 69 33 19 61 - Fax : 01 69 33 19 76
Phimesure :
Tél. : 04 90 60 22 97 - Fax : 04 90 60 22 95
PM Instrumentation :
Tél. : 01 39 75 80 40 - Fax : 01 39 75 99 79
Sensorex :
Tél. : 04 50 95 43 55 - Fax : 04 50 95 43 75
Spectral Dynamics :
Tél. : 01 46 52 27 80 - Fax : 01 46 52 27 81
Systémique Appliquée** :
Tél. : 01 45 26 59 97 - Fax : 01 45 26 56 93
Vibro-Meter
Tél. : 01 43 70 02 02 - Fax : 01 43 70 02 76
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
MESURES 746 - JUIN 2002