Capteurs de vibrations piézoélectriques - giacintec.com

1 1 Capteurs de vibrations pi zo lectriques L id e de base Le pi zo lectrique est bas sur le concept simpliste de l ponge. Une ponge s che ne pr sente aucune pr disposition particuli re, d s lors que l eau la touche, l ponge tend prendre du volume et lorsqu elle est press e elle restitue l eau dont elle est gorg e. En r alit le mot pi zo lectrique vient de cette capacit transformer l nergie, du grec : presser. Les mat riaux pi zo lectriques sont de diff rentes natures, le quartz cristallin est le plus connu, une excitation m canique va l obliger fournir une sortie en pico Coulombs, une excitation lectrique va le forcer se d former. Une pi zite de synth se en titano-zirconate de plomb (PbZrxTi1-xO3, abr g en PZT) va offrir le m me r sultat, tout comme les plastiques pi zo lectriques en PVF2 ou PVDF.

2 La suite est un peu plus complexe, le mat riau doit- tre muni d lectrodes pour restituer la mesure ou recevoir l nergie lectrique. Dans le cadre d un plastique, le concept est simpliste, dans le cadre de quartz ou de mat riau se synth se c est un peu plus complexe. Dans tous les cas l l ment sensible permet une mesure de la force correspondant l quation F = M o M est la masse et l acc l ration. Montage de l l ment sensible L l ment sensible doit tre mont sous la forme corps d preuve quip . Le montage le plus simple est dit sous forme de poutre. La poutre maintenue une extr mit va ployer sous l effet de l acc l ration. Le dispositif est sensible parce qu lastique mais le manque de rigidit de la m canique engendre diff rents probl mes dont des soucis de bande passante, de pr cision et de d rives thermiques.

3 Le dispositif en compression comprend une base, l l ment pi zo lectrique, une masse sismique et une vis de pr contrainte. L assemblage est efficace puisque le mouvement de la masse sismique pr contrainte sera transmis int gralement au quartz et que la bande passante sera importante. Un autre dispositif consiste utiliser un mode en cisaillement, le quartz ou le mat riau de synth se est taill en c ne male pour une partie et en c ne femelle pour l autre, la masse sismique est un anneau de pr contrainte qui vient serrer les deux parties ensemble. La mesure r sultera du frottement sur les parties en cisaillement. La bande passante est importante et la pr cision excellente, la sensibilit est moindre que dans les deux autres configurations mais la pr cision importante.

4 Enfin, les mat riaux souples, comme les plastiques permettent des agencements plus fantaisistes. Dans tous les cas, la valeur instantan e r sultant de l acc l ration sera lisible en charge ou en tension. Poutre Compression Cisaillement En gris les l ments m caniques hors ceux utiles la pr -charge. Sur le mod le en compression, la masse sismique est au dessus du quartz en jaune. Une vis vient pr -charger le quartz en noir. En dessous, pour le mod le en cisaillement, un anneau, en noir, est utilis pour la pr contrainte du quartz en jaune. Le montage fait passer un axe centrale de montage. 2 Pourquoi utiliser un acc l rom tre sans lectronique int gr e ? La r ponse est assez simple : avec un plastique pi zo lectrique la conversion et l amplification ne sont pas indispensables.

5 Pour les quartz et mat riaux de synth se, lorsque les temp ratures exc dent 120 C la question ne se pose pas, eux seuls tiennent les environnements s v res. En environnement de laboratoire, les amplificateurs de charges permettent des r glages fins permettant des mises l chelle fines, des filtrages, des int grations pour la vitesse et le d placement de sorte perdre un minimum via les calculs etc .. Enfin lorsque l on poss de des amplificateurs de charge, remplacer les acc l rom tres existants offre des perspectives de pr cisions et des possibilit s de tenues thermiques sans quivalence avec les acc l rom tres ICP . Deux concepts distincts Avec les acc l rom tres sans lectronique incorpor e, deux id es s opposent : celle conventionnelle de l amplificateur de charge polyvalent mais co teux et celle du convertisseur de charge entre acc l rom tre et conditionneur classique.

6 Le classique est un instrument de laboratoire permettant des mesures fines et offrant de nombreux avantages puisque le signal source, connu, permet avec un r glage pointu de sensibilit d adapter la cha ne de mesure aux besoins. Comme il n existe pratiquement pas de d perdition entre le signal capteur et le signal tension exploitable, les filtres et les calculs sont plus faciles. Le second concept est exploitable lorsque les temp ratures au droit du capteur d passent 120 C, un convertisseur de charge transforme, courte distance, le signal charge en signal similaire ceux des ICP. L lectronique est alors temp rature ambiante ( ceci valeur pour les temp ratures basses cryog nie ou hautes 260 C voire 400 C ).

7 Ce concept est galement utilis pour des mesures imposant une conomie nerg tique, moyens de t l mesure enbarcables par exemple. Dans ce cas le capteur est autosuffisant et seule l lectronique est consommatrice d nergie. Amplificateur de charge Les amplificateurs de charge convertissent la charge d livr e par un capteur pi zo lectrique en une tension proportionnelle, laquelle sert de grandeur d entr e pour les processus de surveillance et de r gulation. Un amplificateur de charge se compose essentiellement d un amplificateur inverseur fort gain et une contre-r action capacitive. L entr e est quip e d un MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) ou d un JFET (Junction Field Effect Transistor) pour assurer la haute r sistance d isolation n cessaire et garantir un courant de fuite aussi faible que possible.

8 Lorsque l amplification int rieure A atteint un niveau suffisant, le quotient 1/ACr tend vers z ro. La capacit du c ble et du capteur perdent ainsi leur influence et la tension de sortie est alors uniquement fonction de la charge l entr e de l amplificateur de charge et du condensateur de gamme: U0= Q/Cr L amplificateur joue le r le d int grateur et compense en continu la charge lectrique produite par le capteur par une charge quivalente mais oppos e sur le condensateur de gamme. La tension produite via le condensateur de gamme est proportionnelle la charge produite par le capteur et donc galement proportionnelle la grandeur physique mesur e. L amplificateur de charge convertit donc une charge lectrique Q en entr e en une tension proportionnelle Uo en sortie qui peut tre facilement trait e.

9 La plupart des amplificateurs de charge de Columbia permettent ainsi un r glage de la sensibilit et de la plage de mesure du capteur. Le rapport entre mesurande et signal de sortie est toujours une expression en nombre entier et l affichage de la valeur de mesure s effectue directement en unit s m caniques du mesurande. 3 U0: tension de sortie A: facteur d'amplification Ct: capacit du capteur Cc: capacit du c ble Cr: condensateur de plage ou de contre-r action Rt: r sistance de constante de temps (ou r sistance d'isolement du condensateur de plage) Ri: r sitance d'isolement en entr e (c ble et capteur) Q: charge lectrique g n r e par l' l ment pi zo lectrique Montage d un acc l rom tre L acc l rom tre per oit un d placement de la surface sur laquelle il est fix.

10 Le signal analogique produit est alors proportionnel ce mouvement. La capacit de coupler le mouvement une information choc ou vibration d pend des capacit s de l acc l rom tre mesurer le ph nom ne mais aussi de la m thode de montage de l instrument sur la surface mesurer. Pour obtenir des r sultats fiables et pr cis et assurer la fid lit des mesures, plus particuli rement en hautes fr quences, le montage est capital. Le trac de droite est obtenu en tra ant la courbe de la sortie de l acc l rom tre en fonction de la fr quence pour des niveaux constant d acc l ration chaque fr quence. De tels syst mes poss dent une fr quence de r sonance fn ( fr quence naturelle ) caract ris par une cr te importante la fr quence de r sonance.