Capteurs industriels de vibration

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Capteurs industriels de vibration
par
Bernard GARNIER
Ingénieur civil de l’École nationale des ponts et chaussées
Consultant, BlueSolutions
1.
Définitions et principes généraux des capteurs de vibration
2.
Technologies permettant de réaliser des capteurs
de vibration ......................................................................................
—
2
3.
3.1
3.2
3.3
Accéléromètres industriels...........................................................
Domaine de mesure ...........................................................................
Accéléromètres piézo-électriques industriels....................................
Accéléromètres piézorésistifs industriels ..........................................
—
—
—
—
3
3
3
4
4.
Capteurs industriels de vitesse vibratoire.................................
—
5
5.
Capteurs de déplacement vibratoire industriels ......................
—
5
6.
Capteurs de forces et « têtes d’impédance » ...........................
—
6
7.
Capteur à prétraitement intégré..................................................
—
7
8.
8.1
8.2
Précautions de montage des capteurs de vibrations ..............
Masse maximale du capteur ..............................................................
Méthode de fixation ...........................................................................
—
—
—
7
7
7
9.
Précautions de câblage des capteurs de vibrations ................
—
7
Pour en savoir plus..................................................................................
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Doc. R 6 193
C
et article traite des capteurs de vibration considérés dans leur ensemble, la
vibration étant la grandeur de sortie à mesurer en un point quelconque
d’un objet vibrant. L’article ne traite que des technologies matures conduisant
à des dispositifs robustes et peu sensibles aux perturbations extérieures, applicables aux mesures industrielles de terrain.
Un capteur de vibration est défini par : la grandeur qu’il mesure (déplacement, vitesse ou accélération vibratoire), le domaine de mesure exprimé en
niveau absolu ou relatif, la précision requise et les conditions d’environnement.
Dans tous les cas, le capteur se doit d’être aussi « neutre » que possible. La
fidélité d’un capteur est la capacité à fournir exactement la même réponse
chaque fois qu’il est soumis au même stimulus. Pour cela, il doit être insensible
aux variations de température, au vissage et dévissage sur une embase, etc. Il
doit aussi présenter une grande stabilité, c’est-à-dire ne pas changer de sensibilité en vieillissant, même en milieu hostile (radiations…), du moins à l’échelle des
étalonnages périodiques. Il doit être parfaitement linéaire pour ne pas introduire
de distorsion harmonique, donc avoir une fonction de transfert aussi « plate »
que possible dans une large bande de fréquence et dans une grande dynamique
de mesure compte tenu de la dynamique intrinsèque très grande des phénomènes vibratoires. Il aura une faible diaphonie que ce soit vis-à-vis du bruit ambiant
(faible sensibilité microphonique), ou de la présence de vibrations dans des directions autres que son axe de mesure. Il sera insensible aux influences électromagnétiques qu’on rencontre en milieu industriel, notamment près des génératrices
et moteurs électriques de forte puissance. Son optimisation est à la fois un problème de mesure et de coût qui ne sera pas développé ici.
Pour des utilisations particulières, il est possible de demander aux fournisseurs des capteurs appariés entre eux beaucoup plus finement que la classe
de précision moyenne.
Le meilleur capteur ne fournira des indications pertinentes que s’il est aussi
implanté correctement, ce qu’on précise au paragraphe 8.
Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie
est strictement interdite. – © Editions T.I.
R 6 193 – 1
CAPTEURS INDUSTRIELS DE VIBRATION –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
1. Définitions et principes
généraux des capteurs
de vibration
2. Technologies permettant
de réaliser des capteurs
de vibration
Un capteur de vibration est un transducteur capable de convertir
en signal électrique le niveau de vibrations qu’il subit à un instant
donné.
Sur un plan plus général, la diversité de l’offre en termes de capteurs de vibration peut se mesurer à l’importance des manifestations internationales : citons le salon international des capteurs de
mesure.
Il sera dit différentiel s’il mesure le mouvement dynamique relatif
entre ses deux points d’attache : c’est typiquement le cas des capteurs inductifs à noyau plongeur, ou celui des vibromètres laser. Si
l’on ne peut garantir la totale immobilité d’une des deux interfaces,
il sera dit relatif. L’avantage qui les fait choisir est l’accès direct à la
mesure d’un découplage (au sens explicité dans l’article Vibrations
des structures industrielles. Notions de physique des vibrations
[R 6 190]) par exemple pour mesurer l’efficacité d’une suspension
ou d’un amortisseur, ainsi que la capacité à mesurer de très grands
déplacements vibratoires, évidemment dans le domaine des très
basses fréquences. Dans le cas du laser, c’est la possibilité de
mesurer par effet Doppler la vibration de parties mobiles (arbres
tournants…) et celle de structures si frêles qu’elles seraient modifiées par le poids d’un capteur si petit soit-il.
Un certain nombre de capteurs sont décrits en détail dans différents articles du traité Mesures et Contrôle : Capteurs [R 410], Capteurs de déplacement [R 1 800], Mesures de vitesse et circuits associés [R 1 810], Accélération [R 1 812], Extensométrie [R 1 850],
Capteurs à jauges extensométriques [R 1 860] et Accéléromètres
inertiels [R 1 930]. Dès lors ne sont rappelés ci-après que les
aspects directement liés à l’objectif de mesurer des vibrations
dans un contexte industriel.
Les techniques classiques de mesure sont fondées sur les lois de
l’inertie, de l’induction et de la piézo-électricité. Le tableau 1 donne
une vision assez complète des diverses options de transduction
applicables à la mesure des vibrations.
Pour mener à bien le choix d’un capteur de vibration, il convient
de préciser :
Le capteur de vibration sera dit absolu s’il n’a qu’une seule interface. La solution presque universelle est celle du capteur inertiel,
c’est-à-dire que la transduction est faite en mesurant l’effort
appliqué, par l’interface soumise aux vibrations, à un élément fortement massique (« contre-masse » M) interne au capteur, qui s’oppose à la vibration g par son inertie, développant l’effort résistant
F = M.g. Plusieurs possibilités permettent la transduction de cet
effort résistif, comme l’interposition de céramiques piézo-électriques et l’implantation au sein du capteur de jauges de contrainte,
pour ne citer que les plus courants.
– les conditions d’emploi, avec ou sans contact matériel et ajout
de masse toléré entre le capteur et la structure, etc. ;
– l’étendue du domaine de mesure ;
– la classe de précision requise.
On distingue globalement :
– les capteurs de déplacement vibratoire, qui sont toujours
relatifs ;
Tableau 1 – Capteurs de vibration : classement des principales technologies (•)
Principe de transduction
Variable détectée
Mécanique
Linéaire
Électrique
Optique
Linéaire ou angulaire
Linéaire ou angulaire
Capteur résistif, à piste, A ou N (•) ; capteur
inductif à transformateur différentiel, A (•) ;
capteur capacitif, à signal A (•)
Holographie et interférométrie
laser, N (•)
Effet Doppler sur lumière laser
réfléchie, N (•)
Angulaire
Déplacement
Règle divisée,
comptage N (•)
Disque divisé,
comptage N (•)
Vitesse
Stroboscopie, A ou N (•)
Induction d’un conducteur dans un champ
magnétique, A (•)
Accélération
Masse sismique asservie en position
neutre, servoaccéléromètres, A (•)
Accéléromètre piézo-électrique avec système masse-ressort à fréquence propre
f0 >> f, A (•)
Force
Ressort de raideur connue, mesure du
déplacement relatif, A ou N
« Rondelles de force » en céramique piézo-électrique, possibilité de combinaison
pour mesurer les 6 composantes (forces et
moments)
Saccades, chocs
Systèmes vibrant à fréquence propre
élevée (105 à 106 Hz), capteur d’émission
acoustique, A (•)
Induction avec système masse-ressort à
...
fréquence propre fo >> f, d’où x (t ) , signal
A
(•) Transducteur à maturité industrielle, A : analogique, N : numérique.
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–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– CAPTEURS INDUSTRIELS DE VIBRATION
– les capteurs de vitesse vibratoire, souvent dits vibromètres, qui
sont en général relatifs ;
– les accéléromètres, toujours absolus ;
– les capteurs d’effort vibratoire ;
– les détecteurs de la dérivée de l’accélération (donc la dérivée
troisième du déplacement vibratoire), encore appelée « saccade »
(jerk), mais qui n’ont pas encore atteint le stade industriel.
Les tableaux 2, 3 et 4 montrent dans la suite de l’article, pour
différents principes constructifs, l’ordre de grandeur des limites
pouvant être atteintes, respectivement en déplacement, vitesse,
accélération, dans une bande de fréquence également indiquée.
La plupart de ces capteurs sont uniaxiaux par construction, c’està-dire qu’ils mesurent la vibration selon un axe principal et s’efforcent d’être insensibles aux autres composantes. On peut ensuite
constituer un capteur « multi-axial » en montant dans le même boı̂tier le nombre voulu de capteurs élémentaires dans la géométrie
voulue.
En matière de dynamique intrinsèque d’une chaı̂ne de mesure
complète, on atteint avec les meilleures conceptions une limite de
l’ordre de 80 dB, bien qu’utilisant les composants et circuits à plus
faible bruit du marché. Pour dépasser cette limite, il est nécessaire
d’introduire des gains variables dans la chaı̂ne de mesure.
On remarquera aussi que les étendues de mesure de loin les plus
larges tant en fréquences qu’en niveaux sont offerts par les accéléromètres piézo-électriques et piézorésistifs. Une qualité de ces derniers, non mentionnée dans le tableau, est leur grande résistance
aux chocs, alors que les accéléromètres piézorésistifs sont limités
par la fragilité de la micropoutre qui supporte la masse sismique
(voir exemple ci-après).
3.2 Accéléromètres piézo-électriques
industriels
Nota : les dispositifs de mesure des contraintes mécaniques (tels que les vernis craquelants, les jauges de contrainte ou la photo-élasticimétrie), utilisés comme tels, permettent aussi de mesurer des effets des vibrations, mais de manière indirecte à travers
la déformation du « corps d’épreuve » sur lequel ils sont implantés. Même si remonter à
des niveaux vibratoires relatifs est possible dans le cas de formes simples (arbre cylindrique, aubage droit…), cette approche est par trop indirecte pour être traitée ici.
Le premier principe de transducteur est le montage « Tonpilz »
d’origine germanique, autrement dit « champignon sonore ». Le
chapeau du champignon est la masse sismique, le pied l’assemblage de rondelles piézo-électriques, et le mycélium l’embase attachée à la structure. Alors que dans les sonars cet assemblage est
utilisé tel quel, il est mis dans un boı̂tier fermé dans le contexte
des mesures vibratoires (figure 1).
3. Accéléromètres industriels
3.1 Domaine de mesure
Un autre montage classique est de faire travailler la céramique
en cisaillement, en excentrant la masse sismique. En montant
trois céramiques en triangle équilatéral, on a un montage symétrique très avantageux (« Delta-Shear ») qui a fait la renommée
d’un constructeur leader du marché de la mesure de laboratoire.
Le domaine de mesure typique des divers types d’accéléromètres industriels est indiqué dans le tableau 2. On notera que tous
les types de capteurs ne permettent pas la mesure de la composante statique – mais ce n’est pas un désavantage dans la mesure
où cela dispense de la compensation de la pesanteur, nécessaire
dès qu’on veut mesurer des niveaux d’accélération faibles.
D’autres détails constructifs ont une grande importance pratique,
comme la conception de l’embase pour éviter que les contraintes
de vissage n’influencent la sensibilité de la céramique, la compensation des dérives thermiques, l’étanchéité du connecteur, etc. Il y a
donc chez les divers constructeurs un « métier » important, qui
peut justifier des écarts de performance significatifs, et le choix du
Tableau 2 – Ordre de grandeur des limites atteintes au moyen de capteurs d’accélération
industriels (1)
Principe
Accélération
(m.s-2)
Fréquence f
(Hz)
10-2 à 102
0 à 102
Mise en œuvre
Résistif :
– potentiométrique
-5
à 10
4
– extensométrique
10
Inductif
10-5 à 103
Électromagnétique
10
-3
-9
à 10
2
-7
à 10
0 à 10
3
0 à 103
0 à 10
2
ª 0
Électrostatique
10
Piézorésistif
10-8 à 103
ª 0 à 104
10-4 à 105
1 à 104
Capteurs à piste moulée
Jauges à fil collées
À mutuelle inductance
À zéro asservi
En impesanteur
Semi-conducteur
Piézo-électrique :
– tous usages
– émission acoustique
niveau imprévisible
Optoélectronique à effet Doppler
10-2 à 103
102 à 106
Sensibilité décroissante
quand f croı̂t
⎫
⎬ À quartz ou à céramique
⎭
Dérivation du signal de vitesse
(1) Une ligne de ce tableau ne correspond pas à un capteur déterminé, mais indique une performance réalisable par au moins un capteur fondé sur le principe
énoncé.
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« bon capteur » pour une application donnée est déterminant pour
l’exploitabilité des données.
Dans tous les cas, lorsque l’embase est soumise à une accélération, la contre-masse résiste par inertie, et des charges électriques
apparaissent aux bornes de la céramique, proportionnelles à l’accélération. La sensibilité s’exprime donc en picocoulombs par m.s-2 –
encore que beaucoup utilisent des « g » (accélération de la pesanteur) soit 9,81 m.s-2 comme référence d’accélération vibratoire, par
habitude.
g /gréf (dB)
20
0
103
Ces dispositifs ont toutes les caractéristiques d’un système
masse-ressort et sont sujets par conséquent à une résonance qui
limite leur bande passante en fréquence. Bien que la céramique
piézo-électrique soit un matériau raide, cela impose de réduire la
masse sismique pour offrir une bande passante qui dépasse
10 kHz à 1 dB (ou 10 %), domaine de mesure minimum lorsqu’un
risque de gêne acoustique est en jeu, ce qui impose de rejeter la
1
fréquence propre f0 au-delà de 20 kHz. Comme f0 =
K / M , la
2π
masse M de la contre-masse doit être réduite en conséquence en
fonction de la raideur K de la céramique.
Dans ces contraintes de masse et de matériau, la sensibilité
typique n’est que de quelques picocoulombs par m.s-2.
Dès lors, pour être opérationnel dans des ambiances électromagnétiques parfois sévères, l’élément sensible du transducteur et ses
moyens d’acquisition et de traitement associés doivent être aussi
rapprochés que possible. L’emploi de microcoaxiaux à blindage
graphité (« câbles minibruit ») améliore déjà la transmission vers
un « amplificateur de charge » à quelques mètres de distance,
mais la solution la plus commode industriellement est l’utilisation
d’accéléromètres à électronique intégrée, comme l’exemple de la
figure 1. Le microcircuit réalise à la fois une conversion d’impédance (la céramique a une impédance électrique très élevée, la
suite de la chaı̂ne de mesure requiert une impédance basse) et un
gain. Le gain du circuit est réglé lors du montage pour normaliser
la sensibilité (à 10 mV/(m.s-2) à titre indicatif pour cet exemple), en
vue de simplifier l’étalonnage global de la chaı̂ne de mesure. La
courbe d’étalonnage montre clairement la résonance de la contremasse sur la raideur de la céramique en très haute fréquence.
Beaucoup d’appareils de mesure sont aujourd’hui directement
interfaçables avec des accéléromètres à électronique intégrée,
mais comme il n’existe pas de standardisation stricte du courant
d’alimentation et de la sensibilité, cette compatibilité n’a rien d’universelle et doit être examinée attentivement. À défaut, un ensemble
de conditionneurs devra être utilisé entre les capteurs et la chaı̂ne
de mesure (enregistreurs, analyseurs de spectres…).
La rapidité d’acquisition et de traitement des mesures incite à
augmenter le nombre P de points retenus pour le problème traité
soit P = 10n avec 1 ł n ł 3, ce qui est également rendu possible
par l’abaissement du coût des capteurs.
3.3 Accéléromètres piézorésistifs
industriels
Le principe de ces accéléromètres est de mesurer la déformation
d’une poutre mince qui maintient la masse sismique en porte-àfaux vis-à-vis de l’embase. La transduction se fait par des jauges
de contraintes semi-conductrices. Les accéléromètres piézorésistifs
sont donc eux aussi des systèmes masse-ressort utilisés bien en
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105
Fréquence (Hz)
D
A
B
C
On verra aussi qu’une autre raison de limiter la masse du capteur
est d’éviter que celui-ci n’influence localement la réponse de la
structure qu’on instrumente. Dès lors, la masse totale du capteur
idéal n’est que de quelques dizaines de grammes.
Le choix des céramiques piézo-électriques, lui, doit tenir compte
de la sensibilité thermique (et la minimiser, voire la compenser), de
la tenue au vieillissement, etc., ce qui contraint aussi la solution.
104
F
E
gréf
accélération de référence (par exemple 1 g, g étant l'accélération
de la pesanteur)
Caractéristiques :
- sensibilité à 120 Hz : 97,8 mV/g
à 40 Hz : 96,6 mV/g
à 10 Hz : 91,7 à 93,3 mV/g
à 5 Hz : 76,8 à 93,8 mV/g
- bande passante à 10 % : 13,9 kHz
- fréquence propre : 23,65 kHz
A
B
masse sismique
rondelle de quartz
piézo-électrique
C électrode
D préamplificateur
E embase taraudée
F prise miniature
Figure 1 – Accéléromètre à quartz piézo-électrique, à électronique
intégrée Metravib. Fonctionnement « Tonpilz » en compression
deçà de leur résonance, et les commentaires précédents sur les
compromis sous-jacents à leur conception restent identiques.
On a choisi d’illustrer ici une réalisation particulière par microusinage d’une plaquette de silicium, avec les moyens habituels de
fabrication des semi-conducteurs. En effet, dans la perspective
d’une réduction importante des coûts d’une chaı̂ne de mesure
accélérométrique, alliée à une compacité et une légèreté accrues
qui multiplient les possibilités d’utilisation, il est intéressant de
jouer la carte des microtechnologies en élaborant des microcapteurs sur substrat silicium (figure 2).
L’élément sensible, de quelques micromètres seulement, est réalisé avec les techniques habituelles de production des circuits électroniques intégrés (micro-usinages par voie liquide ou par bombardement ionique, dépôts alternant des strates isolantes et des
strates conductrices ou semi-conductrices, etc.). Le même cristal
de silicium peut recevoir divers circuits de conditionnement et de
traitement, d’où le concept de capteur intelligent, c’est-à-dire délivrant une information (par exemple, « le moteur présente du cliquetis »), et non plus une simple mesure d’accélération.
Ces capteurs et chaı̂nes complètes de mesure des vibrations
subminiatures sont appelés à un avenir considérable, avec l’essor
des micro et nanotechnologies, et on n’en imagine encore que
très partiellement le champ d’applications (domotique, sécurité…).
procédant par liaisons mécaniques avec les structures en essai.
Les vibromètres à laser présentent deux avantages sur ces
derniers :
– l’absence de contact physique, à la différence d’un capteur de
type classique qui est soit maintenu à courte distance de l’objet
vibrant (quelques millimètres par exemple dans le cas d’un capteur
de proximité inductif ou électrostatique), soit fixé sur l’objet en le
surchargeant de la masse du capteur, donc de 1 à 100 g dans le
cas d’un accéléromètre ;
– l’étalonnage par construction, essentiellement lié à la longueur
d’onde du rayonnement servant de référence.
B
A
D
E
C
A
B
C
D
E
Le principe de fonctionnement de ces vibromètres est fondé sur
la détection de la variation de fréquence du laser modulé par l’effet
Doppler créé sur le rayon réfléchi par la surface vibrante. La vitesse
vibratoire de l’objet est proportionnelle à la variation de fréquence
d’un signal de référence modulé par l’effet Doppler.
lame flexible en porte-à-faux
pistes conductrices
zone des jauges piézorésistives diffusées
liaisons (fil d'or)
languette de contact
Les contraintes induites par la flexion de la lame sont traduites par un
pont de quatre jauges piézorésistives diffusées dans le rétreint.
Figure 2 – Cellule accélérométrique piézorésistive Vectacell
(d’après doc. Vectavib)
Suivant la technologie des composants optiques mis en œuvre
(laser, diode laser, fibre optique, filtre, objectif…), les particularités
des divers vibromètres industriels diffèrent, ainsi que :
– les domaines de mesure en amplitude et fréquence ;
– les limites de la distance opératoire séparant le vibromètre de
la cible en un point de l’objet vibrant.
5. Capteurs de déplacement
vibratoire industriels
4. Capteurs industriels
de vitesse vibratoire
D’autres types de transduction donnent accès à la vitesse vibratoire (tableau 3), en particulier ceux qui exploitent la loi de Maxwell, puisque l’intensité qui traverse un bobinage en mouvement
dans un champ magnétique est proportionnelle à la vitesse du
mouvement. Il s’agit évidemment alors d’un mouvement relatif, et
la question de la stabilité du point de référence est une contrainte
forte pour des mesures industrielles.
C’est alors là que l’intérêt de mesures basées sur la détection de
l’effet Doppler causé par la vitesse d’un point vibrant illuminé par
un laser, donc sans contact mécanique, se révèle pleinement : la
référence peut se situer à plusieurs mètres de l’objet vibrant, restant hors de l’influence de ce dernier. Un autre atout est de n’introduire aucune perturbation sur la structure mesurée, un simple
ruban adhésif suffisant comme réflecteur ; de ne requérir aucun
joint tournant sur un ensemble en rotation, etc.
La vibrométrie laser s’est donc développée sur le marché de la
mesure avec la mise au point de vibromètres compacts et assez
faciles d’utilisation (malgré la complexité du processus physique
sous-jacent) qui viennent compléter la gamme des capteurs
On retrouve, dans les technologies de transduction donnant
accès au déplacement vibratoire, les techniques grapho-mécaniques très anciennes (tableau 4). Le choix d’un tel type de capteur
n’a de sens qu’en très basses et extrêmement basses fréquences,
puisque les amplitudes décroissent rapidement quand la fréquence
augmente. Ces capteurs ne concernent donc que des applications
spécifiques, telles que la surveillance sismique. Il existe des réalisations de capteurs tant linéaires qu’angulaires.
L’immense majorité des capteurs fait appel à une transduction
mécano-électrique (en tension ou en courant), permettant de larges
amplifications ainsi que l’acquisition, le traitement et la mémorisation par des systèmes informatiques.
Les vibromètres laser présentés au paragraphe précédent peuvent aussi être conçus comme capteurs de déplacement vibratoire :
le déplacement de l’objet illuminé est proportionnel au nombre des
franges d’interférences généré entre les rayons incidents et les
rayons rétrodiffusés, dans une même direction, par l’objet : le
déplacement vibratoire normal au rayon est déduit du comptage
des franges.
Une autre approche optique de la mesure des déplacements
vibratoires est l’interférométrie holographique qui a donné lieu à
Tableau 3 – Ordre de grandeur des limites atteintes au moyen de capteurs de vitesse industriels (1)
Principe
Vitesse
(m.s-1)
Fréquence
(Hz)
ª 0 à 1
ª 0 à 103
ª 0 à 102 tours/s
0 à 102 tours/s
Mise en œuvre
Électrodynamique :
– linéaire
– angulaire
Optoélectronique à effet Doppler
10
-5
à 1
ª 0 à 10
4
Champ magnétique et bobine mobile
Dynamo tachymétrique
Rétrodiffusion de rayons laser
énoncé.
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Tableau 4 – Ordre de grandeur des limites
atteintes au moyen de capteurs de déplacement industriels (1)
Principe
Grapho-mécanique (vibrographes)
Déplacement
(m)
Fréquence
(Hz)
10-3 à 10-2
10-1 à 103
10-2 à 1
0 à 10
Mise en œuvre
Stylet sur papier ciré
Résistif :
– à piste :
• linéaire
• angulaire
– extensométrique
0 à 350
Pistes bobinées ou moulées
0 à 10 tours/s
fonction du support
Jauges à fil collées
Inductif :
10-7 à 10-2
0 à 102
0 à 360
0 à 102 tours/s
10-8 à 10-3
0 à 104
• linéaire
10-7 à 1
0 à 102
• angulaire
0 à 360
0 à 102 tours/s
10-4 à 10-3
0 à 104
– linéaire
– angulaire
Électrostatique
Transformateur différentiel ou inductance
mutuelle
Métrologie capacitive
Optique et optoélectronique :
– à traits :
– photométrique
– interférométrique
– à effet Doppler
10
10
-7
-8
à 10
à 10
-1
-3
Fibres optiques et réflexion
2
0 à 10
ª 0 à 10
Règle ou disque gravés ou codés
Comptage de franges
4
Intégration du signal vitesse
énoncé.
des réalisations intéressantes conduisant, par exemple, après expositions photographiques successives, à des mesurages de déformées précises à 0,1 mm près sur des structures d’échelles très
variées (de quelques millimètres carrés à quelques dizaines de
mètres carrés). L’ISL (Institut franco-allemand de recherches de
Saint-Louis), qui travaille de longue date sur ces problèmes, envisage la mesure de déplacement 3D en temps quasi réel sur sites
industriels, avec la possibilité de mise en œuvre de la cinéholographie interférométrique. Un avantage est de fournir en une seule
mesure la carte complète du champ vibratoire de la face illuminée,
au lieu d’une mesure ponctuelle.
Remarque : ces travaux, ainsi que d’autres analogues, sont
délicats à rationaliser. Simplifiés au niveau des normes pour
en vulgariser la diffusion, ils n’en restent pas moins fort
complexes.
dynamiques transmis. Elle sera le plus souvent mise en précontrainte par un boulon central. Les efforts transmis se partageant
entre la rondelle piézo-électrique et cette tige de précontrainte suivant l’exact prorata de leurs raideurs respectives, qui peuvent être
étalonnées très précisément, permettent de déterminer l’effort
total. On appelle ce dispositif de mesure des efforts vibratoires
« capteur de forces » ou « rondelle de charges ». Réalisées en général en quartz piézo-électrique pour présenter une très grande raideur intrinsèque, elles ne mesurent que les efforts dynamiques.
De manière similaire à la construction des accéléromètres, les
détails constructifs sont essentiels pour assurer une mesure de
bonne qualité. Il faut aussi que les surfaces en présence soient rectifiées et graissées ; on interpose le plus souvent des rondelles spécialement conçues. Ces dernières peuvent être rotulées pour garantir un parfait alignement des surfaces en regard.
6. Capteurs de forces
et « têtes d’impédance »
On trouve dans les catalogues des constructeurs tant des dispositifs uniaxiaux que biaxiaux ou triaxiaux, associant des anneaux de
céramique polarisés dans des axes différents. En montant quatre
rondelles entre deux interfaces rectangulaires, on peut constituer
une « balance de forces » donnant directement accès, après conditionnement, aux six composantes du torseur d’efforts dynamiques.
Une rondelle de matériau piézo-électrique peut facilement être
insérée dans une interface entre deux structures (par exemple
entre une machine et sa fondation) pour mesurer les efforts
Dans le contexte de l’analyse dynamique des structures par mise
en vibration artificielle (cf. article Vibrations des structures industrielles. Outils et méthodes d’analyse expérimentale [R 6 192] § 1.2.3), on
trouve sur le marché des dispositifs imbriquant un capteur d’effort et
un accéléromètre, dits « tête d’impédance », destinés à instrumenter
R 6 193 – 6
l’interface entre le vibrateur et la structure excitée, et assurer ainsi la
mesure du rapport g/F défini comme l’accélérance (dénominations
normalisées des relations entrée/sortie ponctuelles en analyse vibratoire d’après la norme ISO 7626-1). Par traitement, on peut facilement réaliser le calcul d’intégration simple ou double pour remonter
respectivement de l’accélération à la vitesse ou au déplacement
vibratoire ; on peut ainsi déterminer n’importe laquelle des grandeurs définies dans l’article [R 6 191], parmi lesquelles l’impédance
dynamique, d’où le nom de ce dispositif.
Il est important de garder en mémoire que l’insertion d’une tête
d’impédance dans la commande mécanique crée une discontinuité
de raideur et de masse plus élevée que l’utilisation d’un anneau de
force et d’un accéléromètre miniatures. La discussion des erreurs
introduites doit être entreprise, cas par cas, déjà en basse fréquence ( ª 10 à 102 Hz). De 102 à 103 Hz environ, les attelages mécaniques d’insertion de la tête d’impédance posent eux-mêmes des
problèmes de rupture d’impédance et/ou de résonance parasite.
La crédibilité des résultats doit être démontrée dans tous les cas
d’emploi et, a fortiori, pour des fréquences atteignant ou dépassant
103 Hz.
7. Capteur à prétraitement
intégré
On trouve sur le marché des transducteurs permettant de satisfaire à des normes particulières.
Exemples de transducteurs de grandeurs normalisées
& La valeur efficace Vf de la vitesse vibratoire est la grandeur de
référence des machines tournantes ayant une fréquence de rotation
entre 10 et 200 s-1 (NF E 90-300, mai 1978). Les mesures de Vf
effectuées sur les chapeaux de paliers de machines sont prévues
dans les limites 0,28 < Vf (mm.s-1) < 45 et pour les fréquences
10 < f (Hz) < 1 000.
& L’accélération équivalente aeq, qui tient compte d’un effet de
cumul des vibrations tridirectionnelles, est la grandeur utilisée pour
l’évaluation de l’exposition des individus aux vibrations transmises
aux membres supérieurs. Il s’agit de mesurer les vibrations intenses
qui peuvent être transmises par les machines-outils et pièces vibrantes aux mains et aux bras des personnes qui les utilisent (NF E 90401-2, avril 2001 et NF EN ISO 5349-1). Les limites de la cote d’alerte
dues à aeq, soit 6 < aeq (m.s-2) < 20, dépendent aussi de la durée t
d’exposition journalière aux vibrations, soit 0,5 < t (h) < 6, et de la
gamme de fréquence dans les limites 5 < f (Hz) < 1 500.
8. Précautions de montage
des capteurs de vibrations
Le meilleur capteur de vibrations du monde ne peut fournir de
résultats fidèles qu’aux conditions suivantes :
8.1 Masse maximale du capteur
Pour fournir un guide concret à l’expérimentateur, on s’intéresse
au cas d’une plaque plane – donc facile à modéliser analytiquement – d’épaisseur h, en matériau de module d’Young E et de densité r, dont les ondes vibratoires longitudinales ont une célérité CL,
et dont on veut mesurer les vibrations avec un accéléromètre de
masse mA.
On démontre que la perturbation de la masse mA est une fonction qui croı̂t avec la fréquence. Dès lors, un accéléromètre donné
ne permet la mesure sans perturbation notable de la vibration de la
plaque que jusqu’à une fréquence maximum fMAX donnée par la
formule suivante :
fMAX < 0,2 ρCLh2 / mA
où CL est la racine de (E/r).
À titre d’exemple, si l’on dispose d’un accéléromètre de 10 grammes, on pourra effectuer des mesures de vibrations sur une plaque
d’acier jusqu’aux fréquences maximales suivantes :
plaque épaisseur 1 mm : fréquence max = 840 Hz ;
plaque épaisseur 2 mm : fréquence max = 3 370 Hz ;
plaque épaisseur 3 mm : fréquence max = 7 600 Hz.
Bien entendu, ces chiffres sont près de trois fois plus faibles pour
de l’aluminium. C’est donc une limite qui peut être vite atteinte, en
particulier quand on conduit des essais sur des maquettes à échelle
réduite.
Réciproquement, on peut déduire la masse maximale du capteur
en fonction des objectifs en fréquence de l’essai.
8.2 Méthode de fixation
Le second paramètre important est la rigidité du couplage offert
par l’interface utilisée entre le capteur et la structure. Ce point est
traité par la norme ISO 5348 à laquelle on se reportera très
utilement.
L’usage d’un aimant en interface de l’accéléromètre est très commode pour des mesures rapides en divers points d’une structure
métallique courante, mais cesse d’être utilisable au-delà de 2 kHz.
Tenu à la main, c’est à peine 500 Hz que l’on peut atteindre avec
un capteur sur une pointe de touche ! Un adhésif double face
mince permettra d’atteindre 5 kHz (les versions épaisses étant à
proscrire absolument).
Pour aller au-delà de 5 kHz, il est possible d’utiliser de la cire en
couche très mince (f maximale environ 10 kHz), mais la solution la
plus sûre reste une liaison par goujon en prenant soin de graisser
l’interface. Réalisée par un filetage directement sur la structure,
localement rectifiée, on peut atteindre 20 kHz, voire plus ! Une solution moins contraignante et très fiable est de coller, avec un cimentcolle à très haut module, des embases isolantes électriquement
dotées d’un embout fileté au pas des embases d’accéléromètres,
que l’on graissera. Un avantage supplémentaire est que les points
de mesure sont bien matérialisés, et que l’on garantit ainsi la reproductibilité de mesures de contrôle ultérieures. Cette approche n’est
pas irréversible, ces ciments-colles à haut module étant cassants,
dès lors un léger coup de maillet suffira à décoller les embases et
à éliminer les traces de colle.
– il ne doit pas altérer la réponse qu’aurait la structure vibrante
en son absence ;
– il doit retranscrire totalement le mouvement du point de la
structure où on l’a implanté.
9. Précautions de câblage
des capteurs de vibrations
Le premier point pose avant tout la question d’une miniaturisation suffisante, la perturbation fondamentale étant la masse du
capteur. Le second point pose, lui, la question de la qualité du couplage entre capteur et structure.
Les signaux électriques générés par la plupart de ces transducteurs sont, avant amplification, extrêmement ténus : typiquement,
la sensibilité d’un petit accéléromètre piézo-électrique de type
R 6 193 – 7
« Tonpilz » n’est que de quelques picocoulombs par « g », donc les
charges mises en jeu par une mesure courante à peine de l’ordre
du nanocoulomb ! Certes, cela représente encore un nombre
appréciable d’électrons (dont la charge élémentaire est égale à
- 1,6 ¥ 10-19 C) mais reste un signal extrêmement faible pour
l’électronicien.
En particulier, il est du même ordre de grandeur qu’un certain
nombre de phénomènes parasites :
– la génération de charges électriques par une fluctuation de température (thermoélectricité) ;
– la génération de charges électriques par les mouvements relatifs entre conducteurs et isolants (triboélectricité) ;
– les influences électromagnétiques entre conducteurs proches
(EMC-EMI : electromagnetic compatibility – electromagnetic
interference).
Chaque fois que l’expérimentateur utilise des capteurs sans
préamplificateur intégré, et/ou que ses systèmes d’acquisition
sont déportés à une distance appréciable des capteurs (par exemple pour des questions de sécurité), il se doit de prendre d’extrêmes précautions :
– attendre la stabilisation en température, utiliser si besoin des
interfaces isolantes ;
– immobiliser les câbles des accéléromètres pour éviter qu’ils
vibrent eux-mêmes (voir norme ISO 5348, dont est extraite la
figure 3) ;
– utiliser des câbles « à faible niveau de bruit triboélectrique »
spécialement conçus (tels que les coaxiaux « minibruit », avec une
couche de graphite en périphérie du conducteur) ;
– dissocier dans le routage des câbles les tensions élevées et les
basses tensions, les hautes impédances et les faibles impédances,
R 6 193 – 8
Ne doit pas
vibrer
Objet vibrant
Ne doit pas
vibrer
À fixer à l’objet
vibrant
Figure 3 – Précautions typiques de câblage des accéléromètres piézoélectriques pour éviter les bruits tribo-électriques induits
par la vibration des câbles (source : ISO/DIS 5348)
les signaux forts et les signaux faibles, et prendre un soin extrême
dans la conception des borniers et passages de cloisons ;
– tester et retester le dispositif expérimental, et en particulier
conduire des mesures de référence en déconnectant physiquement
les capteurs de réception et les isolant le temps de la mesure de
contrôle sur un pavé de mousse souple, tout le reste du dispositif
expérimental et son environnement étant en conditions nominales
(excitateurs activés à pleine puissance, systèmes de refroidissement en route…).

Capteurs industriels de vibration

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