Capteurs de vibrations piézoélectriques

Capteurs de vibrations piézoélectriques

L’idée de base

Le piézoélectrique est basé sur le concept simpliste de l’éponge. Une éponge sèche ne présente

aucune prédisposition particulière, dès lors que l’eau la touche, l’éponge tend à prendre du volume et

lorsqu’elle est pressée elle restitue l’eau dont elle est gorgée. En réalité le mot piézoélectrique vient de

cette capacité à transformer l’énergie, du grec : presser.

Les matériaux piézoélectriques sont de différentes natures, le quartz cristallin est le plus connu, une

excitation mécanique va l’obliger à fournir une sortie en pico Coulombs, une excitation électrique va le

forcer à se déformer. Une piézite de synthèse en titano-zirconate de plomb (PbZrxTi1-xO3, abrégé en

PZT) va offrir le même résultat, tout comme les plastiques piézoélectriques en PVF2 ou PVDF.

La suite est un peu plus complexe, le matériau doit-être muni d’électrodes pour restituer la mesure ou

recevoir l’énergie électrique. Dans le cadre d’un plastique, le concept est simpliste, dans le cadre de

quartz ou de matériau se synthèse c’est un peu plus complexe.

Dans tous les cas l’élément sensible permet une mesure de la force correspondant à l’équation F =

M
où M est la masse et
l’accélération.

Montage de l’élément sensible

L’élément sensible doit être monté sous la forme corps d’épreuve équipé. Le montage le plus simple

est dit sous forme de poutre.

La poutre maintenue à une extrémité va ployer sous l’effet de l’accélération. Le dispositif est sensible

parce qu’élastique mais le manque de rigidité de la mécanique engendre différents problèmes dont

des soucis de bande passante, de précision et de dérives thermiques.

Le dispositif en compression comprend une base, l’élément piézoélectrique, une masse sismique et

une vis de précontrainte. L’assemblage est efficace puisque le mouvement de la masse sismique

précontrainte sera transmis intégralement au quartz et que la bande passante sera importante.

Un autre dispositif consiste à utiliser un mode en cisaillement, le quartz ou le matériau de synthèse est

taillé en cône ‘ male ‘ pour une partie et en cône ‘ femelle ‘ pour l’autre, la masse sismique est un

anneau de précontrainte qui vient serrer les deux parties ensemble. La mesure résultera du frottement

sur les parties en cisaillement. La bande passante est importante et la précision excellente, la

sensibilité est moindre que dans les deux autres configurations mais la précision importante.

Enfin, les matériaux souples, comme les plastiques permettent des agencements plus fantaisistes.

Dans tous les cas, la valeur instantanée résultant de l’accélération sera lisible en charge ou en

tension.

Poutre Compression

Cisaillement

En gris les éléments mécaniques

hors ceux utiles à la pré-charge.

Sur le modèle en compression,

la masse sismique est au dessus

du quartz en jaune. Une vis vient

pré-charger le quartz en noir.

En dessous, pour le modèle en

cisaillement, un anneau, en noir,

est utilisé pour la précontrainte

du quartz en jaune. Le montage

fait passer un axe centrale de

montage.

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Pourquoi utiliser un accéléromètre sans électronique intégrée ?

La réponse est assez simple : avec un plastique piézoélectrique la conversion et l’amplification ne

sont pas indispensables. Pour les quartz et matériaux de synthèse, lorsque les températures excèdent

120°C la question ne se pose pas, eux seuls tiennent les environnements sévères. En environnement

de laboratoire, les amplificateurs de charges permettent des réglages fins permettant des mises à

l’échelle fines, des filtrages, des intégrations pour la vitesse et le déplacement de sorte à perdre un

minimum via les calculs etc …

Enfin lorsque l’on possède des amplificateurs de charge, remplacer les accéléromètres existants offre

des perspectives de précisions et des possibilités de tenues thermiques sans équivalence avec les

accéléromètres ‘ ICP ‘.

Deux concepts distincts

Avec les accéléromètres sans électronique incorporée, deux idées s’opposent : celle conventionnelle

de l’amplificateur de charge polyvalent mais coûteux et celle du convertisseur de charge entre

accéléromètre et conditionneur classique.

Le classique est un instrument de laboratoire permettant des mesures fines et offrant de nombreux

avantages puisque le signal source, connu, permet avec un réglage pointu de sensibilité d’adapter la

chaîne de mesure aux besoins. Comme il n’existe pratiquement pas de déperdition

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