mesure de vibration et choc

MESURE DE VIBRATION ET CHOC
APPLICATIONS
.Mesure de mouvement
.Mesure de vibration haute fréquence
.Mesure de vibration basse fréquence
.Mesure de choc
.Mesure très faible vibration
.Mesure de vibration d’objets très petits
.Mesure de vibration sous haute température
.Mesure de vibration sous basse température
.Mesure de vibration sous radiation
.Mesure de condition de machines
.Mesure multi voies
ACRONYMES UTILISES
.PE : accéléromètre piézoélectrique
.PR : accéléromètre piézorésistif
.AC : couplage alternatif
.DC : couplage continu
.VC : accéléromètre à capacité variable
.SERVO : accéléromètre à équilibre de force
.TZS : dérive thermique du zéro
.TEDS : capteur avec données incorporées
QUESTIONS A SE POSER AVANT LE CHOIX DE L’ACCELEROMETRE
.Quel est le niveau maximum d’accélération à mesurer ?
.Quel est le niveau minimum d’accélération à mesurer ?
.Quelle est la fréquence maximum utilisable de l’accéléromètre ?
.Quelle est la fréquence minimum utilisable de l’accéléromètre ?
.La masse de l’accéléromètre peut elle affecter la mesure ?
.Les contraintes de base peuvent elles être importantes ?
.Comment doit être monté l’accéléromètre ?
.Quelles sont les températures extrêmes pendant la mesure ?
.Quelles sont les températures extrêmes auxquelles le capteur sera soumis ?
.Quel est le niveau de choc maximum ?
.Quel est le niveau de vibration maximum ?
.Quelle est la fréquence maximale des vibrations ?
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Version X
.La température d’environnement change t’elle rapidement pendant la mesure ?
.Quelle est l’amplitude maximum des vibrations transverses ?
.L’environnement inclut il de la corrosion, un niveau de bruit important, une pression
élevée (immersion), des niveaux de radiation ?
Pourquoi mesurer les vibrations ?
 pour vérifier que les fréquences et les amplitudes
n’excèdent pas les limites des matériaux.
 Pour éviter d’exciter les fréquences de résonance
des composants de la structure.
 Pour être capable d’amortir ou isoler la ou les
sources de vibration.
 Pour faciliter la maintenance conditionnelle des
machines.
 Pour construire ou vérifier les modèles
informatiques des structures.
Comment quantifier la vibration ?
.en faisant la mesure
.en analysant les résultats (niveaux et fréquence)
.pour procéder à l’analyse, il faut en premier, évaluer le type de signal vibratoire
pouvant être rencontré et le mesurer.
Types de signaux
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Version X
Signaux déterminés
Signaux déterminés et harmoniques
Harmoniques
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Version X
Signaux aléatoires
Signaux
choc
impact-
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Version X
Choc, mouvement linéaire : collision entre sphères
Choc :
sphère /
d’acier
collision
plaque
XXX XXX
Version X
Simple rappel des paramètres utilisés pour la mesure des vibrations et chocs
Dans la plupart des applications de mesure de vibration, les paramètres, accélération, vitesse
et déplacement sont des informations qu’il est indispensable de connaître avec la meilleure
précision possible, particulièrement pour la conception ou la validation de structures.
Généralement, l’accélération (g) est la référence, la vitesse (mm/sec) et le déplacement (mm)
sont plus souvent utilisés pour les fréquences moyenne et basse.
Ces variables sont indispensables pour les calculs et le contrôle des conceptions.
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Version X
F= k x d
F= c x v
F= m x a
Déplacement / vitesse / accélération
.conversion accélération / déplacement
.pour une onde sinusoïdale de fréquence angulaire égale à 1000 radians/seconde (159Hz),
ces paramètres seront numériquement équivalent
XXX XXX
Version X
Pour obtenir la vitesse et le déplacement à partir d’une accélération, il faut intégrer une et
deux fois le signal de sortie de l’accéléromètre.
C’est précisément pour cela que le choix d’un accéléromètre (AC ou DC) est très important.
Les variations d’amplitude et décalage/dérive du zéro, bien que semblant minimes, se
traduiront pas des erreurs importantes, après intégration.
CHOISIR L’ACCELEROMETRE SELON L’APPLICATION
Mesure de mouvement
Pour sélectionner l’accéléromètre, il est important de déterminer ce que l’on veut mesurer, un
mouvement ou une vibration ?
La mesure de vibration concerne la réponse vibratoire d’un objet lors d’un essai en vibration.
Pour la mesure d’un mouvement, l’intérêt est de mesurer la vitesse ou le déplacement d’un
objet rigide.
L’accéléromètre pour mesurer avec précision la vitesse d’un mouvement lent, par exemple,
d’un bras de robot ou d’un ascenseur, doit donner une mesure d’accélération exempte de
toute dérive du zéro, une faible dérive du zéro peut donner après intégration digitale, une
erreur importante de la vitesse ou du déplacement.
Un accéléromètre piézoélectrique ne peut pas être utilisé pour mesurer une accélération
constante ou quasi statique, en effet à la fréquence zéro, aucune énergie mécanique n’est
appliquée au système et donc aucune énergie électrique ne peut être obtenue de façon
continue. Avec l’utilisation d’un amplificateur de charge, incorporé ou extérieur, la réponse
en basse fréquence d’un accéléromètre piézoélectrique est surtout déterminée par la réponse
de l’amplificateur qui en général, est équipé d’un filtre passe haut 2Hz, afin d’éliminer le
signal très basse fréquence dont la qualité dépend beaucoup de la construction interne de
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Version X
l’accéléromètre piézoélectrique. Avec l’utilisation d’un amplificateur de tension, la réponse
basse fréquence du système est une fonction de la constance de temps (RC) de
l’accéléromètre piézoélectrique et de la résistance d’entrée de l’électronique associée. La
qualité du signal basse fréquence dépendra également du type de construction interne
utilisé et de l’influence des contraintes non vibratoires.
Pour une mesure très basse fréquence, un accéléromètre couplage continu (DC) est plutôt
recommandé
Certains accéléromètres piézoélectriques de type Isobase ® et Isoshear® avec amplificateur
incorporé (tension) peuvent néanmoins être utilisés, en pratique, à partir de 0,2 Hz.
Spécifications importantes
.DC réponse
.Pour les raisons ci-dessus mentionnées, un accéléromètre DC passant le « continu » de
type piézorésistif, capacitif ou à équilibre de force, doit être utilisé.
.Résolution
.La qualité du résultat de l’intégration, vitesse ou déplacement, est très dépendante de la
qualité du signal « accélération », la sensibilité de l’accéléromètre est un paramètre
important mais il faut également considérer sa résolution ou le rapport signal/bruit.
.Dérive du zéro et dérives thermiques (sensibilité et zéro)
.La dérive (aléatoire) dans le temps du zéro d’un accéléromètre passant le continu produit
une erreur similaire à celle des capteurs à couplage alternatif.
.Selon la plage d’utilisation en température, les dérives du zéro et les variations de la
sensibilité sont critiques. Les spécifications de la compensation en température de
l’accéléromètre (DC) sont très importantes pour cette application.
Parmi les différentes technologies d’accéléromètres passant le continu actuellement
disponibles, les technologies « capacitive » et « équilibre de force » sont les mieux adaptées.
Elles remplacent avantageusement d’anciennes technologies, elles sont plus stables et mieux
compensées en température.
Mesure de vibration haute fréquence
Les applications telles que l’analyse du bruit d’engrenages, la surveillance de turbine et
machines à haute vitesse de rotation, nécessitent l’utilisation d’accéléromètres ayant de très
bonnes réponses en haute fréquence, et plus particulièrement une fréquence de résonance
(capteur fixé sur la structure) très élevée.
Toutefois, les contraintes physiques d’un système masse/ressort font que plus la fréquence de
résonance est élevée, plus la sensibilité est faible.
La réponse en haute fréquence d’un accéléromètre piézoélectrique est une fonction de ses
caractéristiques mécaniques. Un accéléromètre piézoélectrique peut être représenté comme un
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Version X
système masse / ressort à simple degré de liberté, non amorti, dont la réponse est illustrée par
la figure suivante.
Réponse d’un capteur masse / ressort à un degré de liberté soumis à une accélération
sinusoïdale
Pour un accéléromètre, cette courbe peut être considérée comme montrant la variation de la
sensibilité avec la fréquence ; elle indique que pour un rapport fréquence / fréquence de
résonance de 1/5, la réponse du système est de 1,04. Ceci signifie que la sensibilité de
l’accéléromètre est à cette fréquence de 4% plus élevée qu’aux fréquences plus basses.
En général, 5% est l’erreur maximum acceptable. Ainsi la réponse en fréquence « plate »
spécifiée, de l’accéléromètre devrait être limitée au 1/5 de la fréquence de résonance.
L’institut national des standards (ANSI) définit la fréquence de résonance comme étant la
fréquence à laquelle la sensibilité est maximale. Plusieurs méthodes peuvent être utilisées
pour déterminer la fréquence de résonance : par calcul, électrique, choc, vibration, capteur
fixé, non fixé…, malheureusement, elles ne donnent pas toutes le même résultat.
Exemples de résultats obtenus pour un accéléromètre piézoélectrique
Méthodes d’essais
Par calcul
Electrique
Choc, capteur non fixé
Choc, capteur fixé
Vibration, capteur fixé
Fréquence de résonance
91kHz
49kHz
50Khz
35kHz
32kHz
Plat jusqu’à
18,2kHz
9,8kHz
10kHz
7kHz
6,4kHz
Finalement, cet accéléromètre a été spécifié comme ayant une fréquence de résonance
nominale de 32kHz.
Il est préférable d’utiliser la fréquence de résonance mesurée pour l’accéléromètre monté sur
la structure.
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Version X
Spécifications importantes
.Gamme dynamique et linéarité
.La variation du niveau d’entrée d’accélération pour laquelle la sensibilité de
l’accéléromètre reste constante, définit la plage de linéarité d’amplitude. Bien qu’un
accéléromètre piézoélectrique soit théoriquement linéaire à partir de 0g, une limite basse
pratique, est imposée par le niveau de bruit de l’électronique adaptatrice d’impédance
utilisée.
.Les limites supérieures de linéarité peuvent être imposées soit par la réponse non linéaire
de l’élément piézoélectrique soit par la fragilité du capteur.
.La sensibilité des accéléromètres piézoélectriques augmente avec le niveau d’accélération.
.En général, la linéarité d’amplitude est spécifiée comme étant le niveau d’accélération
auquel l’augmentation de la sensibilité reste inférieure à 1%.
.Déphasage
.Pour un accéléromètre, le déphasage est défini comme étant le délai de temps entre
l’entrée mécanique et le signal de sortie électrique résultant. Les vibrations, en pratique
sont complexes et comme les chocs, composées d’un nombre de fréquences superposées.
.Si le déphasage du capteur n’est pas linéaire avec la fréquence, les composantes de
fréquence sont déphasées les unes des autres et le signal de sortie résultant, sera une
distorsion de l’entrée mécanique.
.Pour éviter les distorsions, le déphasage du capteur doit être constant (0° ou 180°) ou
linéaire avec la fréquence.
Les accéléromètres piézoélectriques, virtuellement sans amortissement, ont un déphasage
de 0° jusqu’au voisinage de la fréquence de résonance, c'est-à-dire bien au dessus de la
plage de fréquence d’utilisation. Les accéléromètres capacitifs sont généralement amortis et
présentent un déphasage non constant. Les accéléromètres piézorésistifs, pour les étendues de
mesures inférieures à 200g sont généralement amortis par « liquide » et présentent un
déphasage qui varie également selon la température. La variation de l’amortissement dû à la
variation de température aura aussi un impact sur la réponse en fréquence.
.Fréquence de résonance
.Les accéléromètres « haute fréquence » généralement ne sont pas amortis, néanmoins des
composantes harmoniques « haute fréquence » de la structure, peuvent exciter leur
propre fréquence de résonance et entraîner une condition de surcharge en entrée.
Les accéléromètres doivent être sélectionnés avec une fréquence de résonance au moins 5 fois
plus élevée que la plus haute fréquence d’intérêt. .La fréquence de résonance spécifiée doit
être celle de l’accéléromètre fixé ; l’accéléromètre en utilisation étant toujours fixé, seule
cette valeur est intéressante.
.Méthode de montage
.La précision de la réponse en haute fréquence est directement affectée par le moyen de
fixation utilisé, mais aussi par l’état de surface sur laquelle l’accéléromètre est fixé.
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Version X
.En général, plus grande sera la surface de contact entre la structure et la base de
l’accéléromètre, plus élevée sera la fréquence de résonance.
.La réponse en haute fréquence est autant basée sur les spécifications du capteur que sur la
surface de contact.
.Les capteurs fixés par un goujon amovible utilisent une importante surface de contact avec
la structure, ce qui favorise la réponse en haute fréquence, mais nécessite un bon état de
la surface sur laquelle ils seront fixés.
Le montage par goujon et le démontage des accéléromètres, imposent l’utilisation de
techniques et outils appropriés. Il est essentiel de fixer l’accéléromètre avec le couple de
serrage indiqué par le constructeur.
Exemples de montage
Par contact
Par aimant sur
surface bombée
Démontage
rapide
Par aimant
surface plate
Adhésif
Goujon
vissé
Fréquences de résonance maximales selon le montage (+/-3dB)
.Etat de surface
Une attention particulière doit être portée à la « qualité » de l’état de surface sur laquelle
sera monté l’accéléromètre. Voici ce qui est recommandé pour une bonne transmission.
.Planéité : 0,0003’’ TIR
.Rugosité : 32µinch
.Perpendicularité du trou fileté : 1 degré +/- 0,5°
.Filet classe : 2
L’application d’un fluide incompressible sur le goujon de montage ainsi qu’une fine couche
de couplant sur la surface de montage pour « combler » les défauts de surface restant,
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Version X
améliorera la transmission du signal.
Ceci est particulièrement important pour des fréquences supérieures à 2kHz.
.Etalonnage
.Un étalonnage jusqu’a une fréquence de 10 kHz est essentiel pour la mesure de vibration
haute fréquence.
.Pour des accéléromètres de faible masse, il peut être nécessaire de connaître leur réponse
en fréquence jusqu'à 50 kHz, il existe des systèmes d’étalonnage en vibration permettant
d’effectuer cette opération.
Ils existent des accéléromètres piézoélectriques ayant une fréquence de résonance supérieure
à 70 kHz avec une sensibilité suffisamment importante pour ce type de mesure.
Des accéléromètres piézorésistifs avec des fréquences de résonance ≥ à 1MHz sont également
disponibles, mais leur faible sensibilité n’est pas compatible avec la mesure de vibration.
Ils sont principalement utilisés pour les mesures de choc très importants
Mesure de vibration basse fréquence
Les applications telles que l’analyse modale, surveillance ponts, bâtiments, ouvrages d’art,
nécessitent des accéléromètres avec une exceptionnelle bonne réponse en basse fréquence.
Pour les applications d’analyse modale, la différence de la réponse en phase des voies de
mesure est un point très important affectant l’analyse.
L’accéléromètre idéal pour ces mesures, ne devrait pas avoir de dérive ni de déphasage dans
la plage de fréquence intéressante.
Pour les très basses fréquences, un accéléromètre passant le continu peut être préférable à un
accéléromètre piézoélectrique à couplage alternatif.
Spécifications importantes
.Réponse en basse fréquence
.Pour une mesure à une fréquence très proche du continu, les accéléromètres du type
piézorésistif, capacitif ou à équilibre de force, sont conseillés.
.N’ayant pas ou peu de dérive de zéro (à température constante), ils peuvent être utilisés
pour la mesure d’un mouvement très lent.
Pour une mesure d’accélération à une fréquence égale ou inférieure à 1 Hertz, certains
accéléromètres piézoélectriques (couplage alternatif) peuvent néanmoins être utilisés.
Mais, ils doivent être particulièrement peu sensibles aux contraintes de base.
.Déphasage
.Cette spécification est particulièrement importante pour les applications « modales »
.Sensibilité aux vibrations transverses
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Version X
.La sensibilité transverse est le rapport entre le signal généré par une accélération
appliquée perpendiculairement à l’axe de sensibilité, divisé par la sensibilité dans la
direction principale (axe de mesure).
Seul, un étalonnage en transverse de l’accéléromètre permet de mesurer l’influence des
vibrations appliquées perpendiculairement à l’axe de mesure et sur une rotation complète.
.Ceci permet de déterminer la direction pour laquelle l’accéléromètre présentera une
sensibilité minimale ou maximale et l’indiquer sur son boîtier.
.Cette spécification est importante pour les applications pour lesquelles il est très difficile
de prévoir les comportements des structures.
.Il existe des systèmes commercialisés, permettant d’effecteur cet étalonnage (voir la photo
ci-dessous d’un système développé par la société Spektra.)
.Sensibilité aux contraintes de base
.Quand un accéléromètre est monté sur une structure soumise à des contraintes
importantes, celles-ci peuvent être plus ou moins transmises, selon la construction
interne de l’accéléromètre, à l’élément piézoélectrique.
.Cette sensibilité est déterminée en utilisant une poutre encastrée à une extrémité, que l’on
fait osciller à des fréquences de 8 ou 10 Hz.
.L’accéléromètre est monté à l’endroit correspondant à un maximum de contrainte, cette
contrainte étant mesurée par des jauges disposées sur la surface opposée à celle ou
l’accéléromètre est fixé.
.En général, le signal généré par des contraintes de base se produit pour des fréquences
inférieures à 200 Hz, il est difficile de le dissocier du signal vibratoire.
Pour une application susceptible de générer des contraintes de base importantes, il est
recommandé d’utiliser des accéléromètres de construction interne type cisaillement (shear).
Un montage par adhésif,peut réduire cet effet, mais aura une influence sur la réponse en
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Version X
fréquence.
.Sensibilité aux transitoires thermiques
.En addition à leur tenue en température, les accéléromètres peuvent également montrer
une variation de leur signal de sortie quand ils sont soumis à un transitoire thermique.
.L’erreur induite par un transitoire thermique se produit aux basses fréquences, elle
se combine avec le signal basse fréquence et ne peut pas être facilement
dissociée du signal
.Pour éviter ce problème, il est recommandé d’utiliser un accéléromètre du type
cisaillement (shear), 100 fois moins sensible à ce problème qu’un accéléromètre du type
compression.
L’usage d’un capuchon de protection thermique disposé sur l’accéléromètre et/ou l’insertion
entre la surface de montage de l’accéléromètre et la surface de la structure, d’un isolateur
thermique peut diminuer de façon significative cet effet.
L’isolateur thermique, en général un polymère amorphe de faible conductivité thermique,
rigide à température élevée, peut être utilisé avec succès jusqu’à une température de 175°C.
.Filtre passe bas
.Pour beaucoup d’applications de mesure « basse fréquence », les composantes « haute
fréquence, haut niveau » produit par un choc, présentent dans le signal, peuvent réduire la
plage dynamique de mesure en saturant l’entrée de l’amplificateur.
L’usage d’un filtre passe bas, externe ou incorporé dans le boîtier de l’accéléromètre, peut
réduire ce problème.
Mesure de choc
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Version X
Des applications telles que les essais en chute d’emballage, les tests en crash d’automobiles,
les chocs pyrotechniques, nécessitent des accéléromètres avec des spécifications particulières.
Une chute accidentelle d’un téléphone portable d’une hauteur « humaine » peut produire un
niveau d’accélération crête supérieur à 10.000g .
Une personne sans expérience de ce type d’essais, pourrait penser prévoir approximativement
l’amplitude du choc en utilisant un modèle « corps rigide » et complètement oublier la
réponse locale du matériau.
Pour les essais en haut niveau de choc, les réponses des structures sont souvent non linéaires
et difficiles à caractériser. Le choix de l’accéléromètre et de sa fixation, est particulièrement
important.
Spécifications importantes
.Dérive du zéro
.La dérive ou décalage de la référence (zéro) est un phénomène souvent rencontré lors de la
mesure d’évènements à haut niveau d’accélération. Ces hauts niveaux peuvent provoquer
des modifications dimensionnelles qui, pour les accéléromètres piézoélectriques peuvent
entraîner une perte de sensibilité due à une dépolarisation définitive de l’élément
piézoélectrique.
.N’existant pas de base de définition de cette spécificité ce risque n’est que très rarement
mentionné sur les fiches techniques des accéléromètres.
Les accéléromètres de type piézorésistif ne présentent pas ce phénomène, les modèles conçus
pour la mesure de choc «haut niveaux» bénéficient d’une fréquence de résonance très élevée.
Par contre un décalage du zéro et même une destruction peuvent se produire selon le montage
mécanique utilisé.
Pour les accéléromètres piézorésistifs, généralement de très faibles dimensions, il faut éviter
de générer des déformations trop importantes du boîtier, il faut utiliser des vis de fixation
ayant de préférence, les mêmes caractéristiques mécaniques que le matériau du boîtier..
Certains accéléromètres de type piézoélectrique, incorporent un filtre mécanique passe bas
qui supprime le risque d’excitation de la fréquence de résonance de l’accéléromètre et protège
ainsi l’élément piézoélectrique d’une destruction Ce filtre mécanique est quelque fois
complété par un filtre électrique passe bas, définissant la bande passante utile.
.Survivance
.La plupart des accéléromètres peuvent supporter sans dommage interne, les applications de
mesure de faible choc, alors que les applications de mesure de haut niveau de choc
produisent souvent des dommages internes.
.Il est prudent de choisir une étendue de mesure pleine échelle supérieure au niveau
d’accélération estimé.
En général, plus l’accéléromètre est proche de la zone d’impact ou d’explosion, plus
l’amplitude du choc est élevée.
Les câbles et connecteurs devront être soigneusement choisis, un câble non suffisamment
attaché ou trop rigide peut générer un signal parasite (effet triboélectrique) mais aussi,
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Version X
transmettre au connecteur une énergie importante qui pourrait entraîner une rupture ou pire,
des contacts intermittents (perte du signal)..
Un accéléromètre avec bornes conçues pour une liaison par soudure, et un câble souple
(plutôt qu’un connecteur), est recommandé pour les hauts niveaux de choc.
.Etendue de mesure
.L’étendue de mesure de l’accéléromètre ne doit pas être confondue avec la valeur
maximale d’accélération à laquelle il sera soumis.
.Un accéléromètre peut avoir à mesurer une accélération de 100g tout en étant soumis
préalablement à un niveau d’accélération de 10000g.
.Filtre passe bas
.Un filtre passe bas en entrée de l’amplificateur peut éliminer ce niveau d’accélération
« parasite » et éviter une saturation de l’entrée de l’amplificateur.
.Réponse en fréquence
.Pour mesurer des chocs longue durée (crash tests) ou de structure non rigide (bateaux) il
est recommandé d’utiliser des accéléromètres ayant une très bonne réponse en basse
fréquence.
Si le signal accélération fourni par l’accéléromètre doit être intégré pour avoir la vitesse
ou le déplacement, un accéléromètre à couplage continu est absolument nécessaire.
Mesure de très faible vibration
La mesure de très faibles vibrations d’un microscope électronique, télescope, humaines ou
coque d’un sous marin nucléaire, nécessite des accéléromètres ayant une grande sensibilité
associée à un très faible bruit résiduel.
La spécification en bruit résiduel d’accéléromètres est généralement indiquée en valeur
efficace large bande, mais pour quelques cas, peut être indiquée en valeur d’accélération
équivalente, par exemple en g/√ Hz (PSD).Il est aussi utile de connaître le bruit de fond
global du système : accéléromètre, câble, amplificateur. Un système de mesure alimenté par
batterie aura un général, un bruit de fond résiduel plus faible.
Spécifications importantes
.Rapport signal/bruit
.Un élément de mesure piézoélectrique peut être vu comme une source capacitive pure
exempte de bruit intrinsèque. La contribution au bruit de fond résiduel est apportée par
le mouvement des électrons dans le convertisseur de charge incorporé.
.En conséquence, seul les accéléromètres ICP/IEPE sont concernés par cette spécification.
Le bruit électronique de ces accéléromètres dépend principalement de la fréquence, il est
le plus élevé en basse fréquence, décroissant selon l’augmentation de la fréquence pour se
stabiliser autour de 100Hz.
.Exemples représentatifs du bruit résiduel
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Version X
1 Hz
10 Hz
100 Hz
70µg
7µg
2µg
.Le bruit résiduel est souvent exprimé en g équivalent, obtenu en divisant le bruit résiduel
(mV) par la sensibilité de l’accéléromètre (mV/g).
.Le bruit résiduel du à l’électronique incorporée est en général semblable pour beaucoup
d’accéléromètres. Ainsi, le bruit résiduel dépendra beaucoup de la sensibilité de l’élément
piézoélectrique, mais aussi indirectement, de son volume.
.Une sensibilité élevée, (100/500,1000 mV/g) et le faible bruit de fond nécessaire pour la
mesure de très faible vibration, ont une influence directe sur les dimensions et le poids
des accéléromètres.
.Le bruit intrinsèque détermine la résolution limite du capteur. Un signal inférieur à ce
bruit ne devrait pas être mesuré.
La limite de détection spécifiée parla norme DIN 45661, est la valeur efficace (RMS) de
l’accélération correspondant à un signal en sortie capteur, égal ou supérieur à 2 fois la
valeur efficace (RMS) du bruit.
.Les accéléromètres piézoélectriques avec électronique incorporée (ICP ou IEPE) auront
généralement des dimensions proportionnelles à leur sensibilité, dimensions restant
inférieures aux accéléromètres capacitifs et à équilibre de force (servo accéléromètre).
.Sensibilité à l’environnement non vibratoire.
.Tous les accéléromètres « de qualité »sont scellés et soumis à des tests de détection de
fuites.
.Pour une utilisation en environnement normal, l’étanchéité est obtenue par époxy,
cependant si l’accéléromètre doit être soumis à des essais de qualification en humidité
MIL-E-5272C), une étanchéité par fusion doit être utilisée.
.Les capteurs spécifiés hermétiques sont scellés soit par soudure, soit par fusion.
.Tous les accéléromètres hermétiques ne sont pas affectés par le vide et peuvent s’utiliser
pour applications spatiales.
.Sensibilité au bruit acoustique
.Des vibrations considérables en vol, ou en essais statiques peuvent être induites par des
énergies acoustiques.
.Il a été montré, de nombreuses fois, qu’une énergie acoustique de 120dB (random)
pouvait induire des vibrations de l’ordre de 50g, ou plus, sur les
structures.
.Le signal engendré par le cristal de l’accéléromètre pour un niveau de 140dB appliqué à
l’accéléromètre ne représente qu’une fraction de « g », et n’affecte donc pas la précision
de la mesure des vibrations élevées.
.Par contre, pour les applications ou les niveaux de vibration à mesurer sont faibles, une
attention particulière doit être apporter au choix de la chaîne de mesure.
.La fréquence de résonance de l’accéléromètre doit être au moins 3 fois la fréquence
acoustique attendue la plus élevée.
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Version X
.Sensibilité aux champs magnétiques
.D’importants champs magnétiques peuvent exister à proximité de machines électriques
(50Hz ou autre). Pour certains accéléromètres piézoélectriques la sensibilité mesurée pour
une valeur de 0,01T à 50Hz est si faible quelle peut être ignorée pour les mesures
courantes.
.En général, les accéléromètres avec un boîtier en acier sont mieux protéger que ceux
utilisant un boîtier en aluminium.
Une attention particulière doit être portée à l’utilisation d’accéléromètres à couplage
continu, piézorésistifs, capacitifs, équilibre de force.
Ces types d’accéléromètres étant sensibles à la gravité, une variation de +/-1g, ou une
inclinaison, produit un décalage de zéro qui risque de saturer l’entrée du conditionneur.
Pour les accéléromètres à équilibre de force (servo) l’influence de la gravité peut être
internement compensée, mais la plage dynamique de mesure reste affectée.
Les accéléromètres piézoélectriques à couplage alternatif ne sont pas sensibles à la gravité.
Mesure de vibration de petits objets
Beaucoup d’essais en choc et vibration se font sur des objets de petites dimensions et de faible
masse.
Dans ces conditions, les mesures nécessitent des accéléromètres dont les dimensions et masse
sont compatibles.
Spécifications importantes
.Effet de masse
.L’effet d’une masse additionnelle est de réduire la fréquence de résonance du système, ce
changement peut s’évaluer avec la formule suivante :
fn = fréquence de résonance de la structure
Δ fn = fn ( 1-√ m / ma + m)
Δfn= changement de la fréquence de résonance
m = masse de la structure
ma = masse ajoutée
.Il est évident que la plupart des structures sont des systèmes mécaniques oscillants de
degrés multiples non amortis, il faut donc une analyse plus sophistiquée pour estimer
comment l’accéléromètre affecte la fréquence de résonance ainsi que les amplitudes de
vibration du système.
.Comme les accéléromètres piézoélectriques ont un coefficient d’amortissement interne
très proche de zéro, le poids apparent reste constant pour toutes les fréquences de 0 à
approximativement 0,9 de la fréquence de résonance et est égal à leur poids.
.On peut ainsi pour cette gamme de fréquence, déterminer les effets de masse par la
formule suivante
ar = accélération résultante
Ar = ao (ms/ms+wt)
ao = accélération sans l’accéléromètre
ms = masse dynamique de la structure
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Version X
wt = poids de l’accéléromètre
.Cette forme du théorème de Norton démontre que le montage d’un accéléromètre
changera le mouvement de la structure si sa masse dynamique apparente n’est pas
suffisamment importante, comparée à celle de l’accéléromètre.
.Pour de nombreuses applications, la masse dynamique du capteur est négligeable et
n’affectera pas la mesure.
La procédure suivante décrit un moyen simple de déterminer si
la masse de l’accéléromètre perturbe la mesure
1° : mesurer la réponse en fréquence caractéristique du système à tester, accéléromètre
monté et conserver cette mesure.
2° : monter une deuxième masse équivalente à la masse de l’accéléromètre (pour
doubler la charge)
3° : répéter le point 1
4° : comparer les deux mesures, comme indiqué dans les figures suivantes
A : charge importante
B : charge faible
Effets de la masse d’un accéléromètre
.Si les deux mesures diffèrent de façon importante, le poids de l’accéléromètre est alors un
problème, il faut utiliser un capteur plus léger.
Pour les mesures de vibration sur de petits et légers objets, les dimensions et la masse de
l’accéléromètre utilisé doivent s’adapter à celles de l’objet.
En général, la masse de l’accéléromètre de mesure ne doit pas être supérieure à 10% de celle
de l’objet à tester. Il existe des accéléromètres piézoélectriques avec ou sans électronique
incorporée, de faibles dimensions et pour certains, une masse inférieur à 0,14 grammes.
.Méthodes de montage
.Le montage par goujon nécessite de percer un trou dans l’objet à tester, ce qui est rarement
possible, aussi un montage par adhésif est le plus souvent utilisé, mais il entraîne une
attention particulière à porter lors de l’installation et démontage afin de ne pas détériorer
l’accéléromètre. (torsion ou choc)
.Le montage par adhésif modifie la fréquence de résonance de l’accéléromètre monté.
.La réponse en haute fréquence peut également diminuer selon la température et le
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Version X
comportement du type d’adhésif utilisé.
Réponses typiques d’un accéléromètre de 10 grammes pour différents types d’adhésifs
.hot glue: colle
.2 sided tape: scotch double faces
.petro wax: cire
.cyanoacrylate : cyanoacrylate
*Température 25°C
*Température 40°C
*Température 60°C
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.Surface de montage
.Afin d’avoir une mesure de qualité, il est nécessaire d’avoir une surface plate, en contact
avec l’accéléromètre. Il est quelquefois nécessaire d’usiner un bloc intermédiaire si la
surface est courbe.
.Les fournisseurs d’accéléromètres ou de moyens d’essais, proposent en général toute une
panoplie d’accessoires de montage et quelques fois, un kit contenant les principaux
accessoires utiles (goujons,adaptateurs, colles,câbles. ( exemple : valise Spektra)
.Résonance
.Les objets de
petites dimensions
ont en général une fréquence de résonance élevée, il est
souvent nécessaire d’utiliser des accéléromètres ayant une fréquence de résonance égale
ou supérieure à 50Khz
.Câbles
.Un câble par sa rigidité, peut perturber la réponse d’un petit objet, il est préférable
d’utiliser un câble coaxial faible bruit, souple, flexible, de petit diamètre et peu sensible
aux effets triboélectriques dus a son mouvement.
.En général, un accéléromètre miniature d’une masse inférieure à 0,5 gramme ne possède
pas de connecteur, il est équipé d’un câble coaxial intégré d’un très faible diamètre,
néanmoins, il existe maintenant des accéléromètres d’une masse égale ou légèrement
supérieure au gramme, équipés d’un connecteur, ce qui permet le remplacement du câble
en cas de détérioration.
.Le remplacement du câble d’un accéléromètre piézoélectrique sans amplificateur
incorporé est une opération délicate, qui doit se faire en laboratoire afin de s’assurer de
l’absence de pénétration d’humidité à l’intérieur de l’accéléromètre.
.Un réétalonnage de la sensibilité et une vérification de la réponse en fréquence sont
recommandés.
Mesure de vibration sous haute température
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Les tests en vibrations de moteurs d’avions, turbines industrielles, systèmes de propulsion,
échappement, centrale thermique, nécessitent en général des accéléromètres conçus pour
supporter un environnement sous haute et très haute température.
Pour des températures dépassant 200°C, les accéléromètres piézoélectriques doivent être
utilisés.
Pour des températures légèrement inférieures, quelques accéléromètres piézoélectriques avec
amplificateur incorporé (ICP/IEPE) peuvent être utilisés.
Ils présentent l’avantage d’un signal en sortie, basse impédance, associé à un meilleur rapport
signal/bruit en environnement bruité, mais au détriment d’une durée de vie raccourcie, du fait
de l’influence de la température sur l’électronique incorporée
En général, tous les accéléromètres piézoélectriques sont spécifiés pour couvrir cinq plages de
température, (selon l’élément piézoélectrique utilisé).
-54 à + 177°C
-54 à + 260°C
-54 à + 460°C
-54 à + 540°C
-54 à + 700°C
Dans leur plage d’utilisation en température, les matériaux cristallins présentent des variations
de sensibilité, capacité et résistance.
La réponse en température de la sensibilité exprimée en pC/g étant différente de la sensibilité
exprimée en tension mV/g, il faut choisir l’accéléromètre présentant la meilleure réponse en
température, selon l’amplificateur utilisé : tension ou charge.
Les amplificateurs de charge peuvent accepter une plus faible résistance de source, ils sont
recommandés pour les applications sous très haute température.
Si les accéléromètres sont utilisés au dessus de leur limite de température, leurs cristaux
commencent à se dépolariser et perdent de la sensibilité.
Si la température atteint le point de Curie, l’accéléromètre est complètement dépolarisé et
définitivement inutilisable.
Le choix à faire, dépend vraiment de l’environnement mécanique, de la durée de l’exposition
sous haute température mais aussi de variations rapides de la température (choc thermique)
Pour les très hautes températures, le choix de l’amplificateur de charge peut causer un
problème, dû à la résistance interne et d’isolement de l’accéléromètre.
Spécifications importantes
Une température de l’ordre de 400°C est courante pour les applications de surveillance
de vibration de moteurs, turbines et échappement..
Les accéléromètres utilisés pour ce type d’applications doivent être capable de supporter à
long terme et sans modification non identifiée ( sensibilité et fréquence de résonance) ce type
de température.
.Réponse en température
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.La réponse en température dépend principalement des caractéristiques : constante
diélectrique, constante de contrainte diélectrique, et point de Curie de l’élément
piézoélectrique
Exemples de matériaux piézoélectriques utilisés
Matériel
Constante
diélectrique
Titanate de plomb
Niobate de Sodium/Baryum
Métaniobate de plomb
Quartz
Oxyde de zinc
Tourmaline
Céramique P14™
Niobate de Lithium
Cristal P14™
1600
30
200
4
9
7
160
85
40
Constante de
contrainte
piézoélectrique
(pC/N)
300
75
2
12
2
20
80
23
Point de Curie
370°C
560°C
540°C
560°C
NC
NC
680°C
1200°C
NC
Réponse typique de la sensibilité en fonction de la température
.Pour
un
accéléromètre usuel, l’augmentation de la sensibilité en charge en fonction de la
température, peut être minimisée par des éléments compensateurs insérés dans le cristal
lors de sa fabrication. En effet, la construction interne Isobase™ présente la particularité
d’utiliser un empilage symétrique d’éléments piézoélectriques afin d’obtenir une
sensibilité importante, ceci permet d’insérer entre les éléments piézoélectriques, d’autres
éléments dont la variation de capacité en fonction de la température compensera celles
des éléments piézoélectriques.
.Résistance interne
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.Il existe des accéléromètres piézoélectriques utilisant un élément piézoélectrique gardant
une sensibilité avec une stabilité acceptable ou variation « identifiée » dans une plage de
température bien définie pouvant jusqu’à 700°C.
.Par contre, ces accéléromètres ont leur résistance interne qui chute avec la température,
passant de quelques MΩ à quelques KΩ.
.Un amplificateur de charge, capable d’accepter en entrée une telle variation sans
augmentation importante du bruit résiduel doit être utilisé.
.Transitoires thermiques
.En plus des caractéristiques ci-dessus mentionnées, des accéléromètres piézoélectriques
engendrent un signal de sortie, fonction du taux de changement de température. Ces
signaux peuvent être importants et sont dus à deux effets :
*les transitoires thermiques peuvent causer des contraintes différentielles ou non,
uniformes dans la structure de l’accéléromètre et changer les forces s’exerçant sur le
cristal, ce qui produit un signal de sortie.
*quelques matériaux piézoélectriques engendrent un signal de sortie selon le
changement de température (effet pyroélectrique). Ce signal de sortie est
heureusement un phénomène quasi statique qui suit les lentes variations de
température du cristal
.Le signal engendré est souvent inférieur à la fréquence de coupure basse du système
piézoélectrique et ne cause pas de problème.
.Certaines configurations internes sont particulièrement moins susceptibles aux effets des
transitoires thermiques.
.La construction interne type cisaillement montre moins de
sensibilité aux changements thermiques que la compression. La construction Isoshear®
est de toutes, la moins sensible à ces phénomènes.
Les effets d’un environnement aux transitoires thermiques importants peuvent être réduits ou
éliminés :
.par sélection d’un capteur connu pour avoir une faible susceptibilité.
.en incorporant un écran thermique pour augmenter le temps de transmission au capteur.
.en s’assurant que la réponse en basse fréquence du système n’est pas supérieure à ce qui
est nécessaire pour l’application.
.l’insertion d’un filtre passe-haut 5 ou 10 Hz peut souvent être utile.
.Câble
.Un câble coaxial souple faible bruit peut être utilisé jusqu’à environ 260°C. Pour des
températures plus élevées, il est nécessaire d’utiliser un câble métallique ayant comme
élément diélectrique, de la céramique.
.Ces câbles, malheureusement, ne sont pas souples, assez fragiles et non traités contre les
effets « triboélectriques ».
Mesure de vibration sous basse température
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Des mesures en environnement très basse température lors d’essais de systèmes de
refroidissement de moteurs de fusées, de caméras ou application « cryogénique » de
composants et module électronique « espace » nécessitent des accéléromètres et câbles
pouvant supporter des températures extrêmes, proches du zéro absolu
Un accéléromètre piézoélectrique, soumis à un grand changement de température (chaud ou
froid) peut développer une importante charge électrique à travers son élément sensible. Si
l’accéléromètre est connecté à une électronique, cette charge se dissipera d’elle-même dans le
circuit d’entrée. Si l’accéléromètre n’est pas connecté, la haute tension développée peut
causer une perte de sensibilité. Il est recommandé pour les accéléromètres soumis à des
variations importantes de température, de les garder connecter à leur électronique ou de courtcircuiter leur sortie.
Beaucoup d’accéléromètres de différentes technologies peuvent être utilisés de façon
satisfaisante jusqu’à – 100°C.
Pour une température inférieure, seul un accéléromètre spécialement conçu peut être utilisé
de manière correcte.
De la même façon que pour les accéléromètres piézoélectriques « haute température », la
sensibilité des accéléromètres piézoélectriques « basse température » chute d’une façon
importante lors de l’approche du zéro absolu.
Pour ce type d’application, il est quelques fois nécessaire d’utiliser des câbles coaxiaux sans
dégazage. (Teflon prohibé)
Spécifications importantes
.Réponse en température
Pour la plupart des conceptions d’accéléromètres piézoélectriques la sensibilité diminue
grandement en approchant le zéro absolu, cependant les accéléromètres utilisant du quartz
comme élément piézoélectrique présentent une diminution linéaire et prévisible de leur
sensibilité, ils peuvent être plus facilement utilisés.
.Sensibilité aux transitoires thermiques
Pour les températures extrêmes un changement brutale de la température peut entraîner des
variations dimensionnelles des éléments internes et générer un signal en sortie non attendu.
Pour les applications de ce type il est important de connaître la réponse de l’accéléromètre
à ce type de sollicitation.
.Survivance
Les accéléromètres pour ce type de mesure doivent survivre aux basses températures mais
aussi aux chocs thermiques qui entraînent des contraintes mécaniques importantes sur les
éléments internes des accéléromètres. La plupart des circuits électroniques montage en
surface (puces et fils) utilisés par les accéléromètres IEPE / ICP, présentent à long terme
des problèmes de fiabilité, les accéléromètres avec une électronique incorporée sont
déconseillés pour ces applications.
.Câble
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Le choix du câble est un facteur critique, en général les câbles deviennent très fragiles
lorsqu’ils sont utilisés en très basse température.
Un accéléromètre avec une sortie basse impédance facilitera le choix du câble.
Mesure de vibration sous radiation
Les accéléromètres piézoélectriques peuvent être exposés à des doses de radiations
relativement élevées sans effet notable. L’institut Battelle a soumis des accéléromètres
piézoélectriques à un flux neutronique de 10 16 n/cm² avec des radiations gamma de 10¹¹
ergs/g. La plupart des accéléromètres testés ont fonctionné correctement sans incident.
Les applications les plus courantes en tels environnements concernent les systèmes de
détection de corps migrants du circuit primaire de réacteurs nucléaires (PWR),les mesures
sismiques de cuve, circuits de refroidissement, générateurs de vapeur, systèmes de pompage,
avec des niveaux de radiation différents selon l’emplacement.
En général les accéléromètres piézoélectriques offrent la meilleure résistance aux radiations,
les modèles avec électronique incorporée étant beaucoup moins résistant.
Spécifications importantes
.Exposition
Quelques accéléromètres piézoélectriques peuvent supporter une exposition à 1E8 RAD et
6E10 flux gamma.
La grande longueur de câble entre le capteur et la zone d’acquisition des mesures impose
l’utilisation, le plus près possible du capteur piézoélectrique d’un convertisseur de charge
(in line charge amplifier)capable de supporter également des radiations.
.Câble
La plupart des câbles coaxiaux utilisant une gaine Teflon qui, à long terme, se détériore
sous l’effet des radiations, ne sont pas recommandés. Il existe des câbles spécifiques
pouvant supporter à long terme cette exposition.
Surveillance des conditions de machines
Les mesures de vibration en environnements industriels ont des besoins différents de celles
effectuées en environnement laboratoire.
Beaucoup d’applications nécessitent des capteurs certifiés de sécurité intrinsèque.
Un environnement industriel implique moisissures, présence de liquides contaminants ainsi
que des conditions mécaniques sévères.
Spécifications importantes pour ces applications
.Robustesse
L’environnement « mécanique » en usine, nécessite un ensemble, capteur, connecteur,
câble et dispositifs de fixation capable de le supporter le plus longtemps possible.
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.Herméticité
Une herméticité complète est indispensable pour maintenir opérationnel à long terme
l’ensemble des composants.
.Coût
.En addition aux contraintes mécaniques, le coût est également un facteur important, il doit
être le plus faible possible !
Il existe plusieurs technologies de capteurs de vibration pour ces applications. Néanmoins les
accéléromètres piézoélectriques avec électronique incorporée de part leur faible coût, leur
faible consommation électrique et leur grande robustesse sont très largement utilisés.
Système de mesure multivoies
Les mesures de vibration (vol, sol) sur les grandes structures telles que les avions, satellites,
automobiles…nécessitent un nombre important de voies de mesure.
Très souvent, la moitié du temps utilisé pour l’ensemble des essais, est consacré aux
nombreux réglages divers, vérification et contrôle des voies de mesure, identification des
capteurs et des câbles associés, saisie des données dans le logiciel d’analyse.
Une fonction récente, appelée TEDS (Transducer Electronic Data Sheet) définie par le
standard IEEE. P1451.4, permet de grandement diminuer le temps utilisé pour la préparation
des mesures.
Principaux avantages apportés par l’utilisation de capteurs « TEDS »
.Saisie des paramètres capteurs
Les paramètres actualisés du capteur stockés sur un module mémoire « EEPROM »
incorporé dans son boîtier, sont directement transmissibles au système d’acquisition.
.Elimination des erreurs de câblage
L’identité du capteur étant toujours connue, une erreur de connexion est rapidement
identifiée et corrigée.
.Connaissance de la position capteur
Etant possible d’écrire dans la mémoire la position du capteur, il est donc possible à tout
moment de relier la mesure à une position.
Généralités sur les câbles
Quand un câble coaxial est soumis à des vibrations, flexions ou autres sollicitations
mécaniques, le blindage extérieur peut se séparer du diélectrique, la répartition des charges
électriques qui était uniforme, devient déséquilibrée à l’endroit de la séparation locale, comme
illustré par la figure suivante.
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Les charges sur le diélectrique sont immobilisées par la faible conductivité du matériau
constituant. Les charges sur le blindage sont elles, mobiles et se neutralisent en s’écoulant du
conducteur central à travers un trajet extérieur R1, en général à l’étage d’entrée du
conditionneur.
Cet écoulement de charges produit une impulsion de signal à l’entrée de l’amplificateur.
Lorsque la contrainte mécanique à laquelle le câble est soumis, disparaît, le diélectrique et le
blindage se rejoignent et les électrons s’écoulent dans le blindage créant une deuxième
impulsion de polarité opposée.
Les câbles coaxiaux conventionnels peuvent engendrer un signal de bruit supérieur à
l’amplitude du signal de sortie d’un accéléromètre piézoélectrique.
Pour ce type d’accéléromètre, on doit utiliser des câbles traités antibruit. Ils possèdent un
revêtement conducteur à la surface du diélectrique qui empêche l’accumulation de charges
locales durant la séparation mécanique avec le blindage et réduit de façon très importante, le
bruit d’origine triboélectrique.
Ce type de câble devrait être utilisé toutes les fois que les câbles sont soumis à des
sollicitations de flexion. En plus de leur bonne caractéristique de bruit, les câbles ne doivent
pas affecter le capteur ou les caractéristiques du spécimen en essais.
Le câble est un maillon important du système de mesure, il doit transmettre le signal
sans pertes ni effet parasite et supporter le même environnement que le capteur.
Les meilleurs câbles seront les plus petits, légers et flexibles, possible.
Marc Chambroux
Consultant Mesure et Système. (Décembre 2013)
[email protected]
Références : Endevco, CTC, Spektra
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