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RÉSUMÉ
Dans le domaine industriel, on est souvent amené à mesurer la vibration des objets. Pour cela, on utilise un capteur. Celui-ci doit pouvoir fournir des données objectives quelles que soient les éventuelles perturbations extérieures. Le capteur doit donc posséder un certain nombre de propriétés : la fidélité, la stabilité, la dynamique de mesure ou encore une faible diaphonie. Des méthodes de fabrication aux pratiques de montage en passant par les descriptions des types de capteurs et leurs caractéristiques, cet article propose un tour d'horizon complet de ces technologies. Un éclairage particulier sera également fourni concernant les principes généraux des capteurs de vibration.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Bernard GARNIER : Ingénieur civil de l’École nationale des ponts et chaussées - Consultant, BlueSolutions
INTRODUCTION
Cet 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.
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Précautions de câblage des capteurs de vibrations
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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 :
-
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.
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.
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 ρ, dont les ondes vibratoires longitudinales ont une célérité C L, et dont on veut mesurer les vibrations avec un accéléromètre de masse m A.
On démontre que la perturbation de la masse m A est une fonction qui croît 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 f MAX donnée par la formule suivante :
où C L est la racine de (E/ρ).
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....
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
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Méthodes pour l'étalonnage de capteurs de vibrations et de chocs – Partie 5 : étalonnage par gravitation tellurique. - ISO 5347-5:1993 - Décembre 1993
-
Méthodes pour l'étalonnage de capteurs de vibrations et de chocs – Partie 7 : étalonnage primaire par centrifugeur. - ISO 5347-7:1993 - Décembre 1993
-
Méthodes pour l'étalonnage de capteurs de vibrations et de chocs – Partie 8 : étalonnage primaire par centrifugeur double. - ISO 5347-8:1993 - Décembre 1993
-
Méthodes pour l'étalonnage de capteurs de vibrations et de chocs. Partie 10 : étalonnage primaire de chocs à impact élevé. - ISO 5347-10:1993 - Décembre 1993
-
Méthode pour l'étalonnage de capteurs de vibrations et de chocs. Partie 11 : essai de sensibilité aux vibrations transversales. - ISO 5347-11:1993 - Décembre 1993
-
Méthodes pour l'échantillonnage de capteurs de vibrations et de chocs. Partie 12 : essai de sensibilité aux chocs transversaux. - ISO 5347-12:1993 - Décembre 1993
-
...
1.1 Fabricants – Fournisseurs – Distributeurs (Liste non exhaustive)
01 dB Metravib
Alliantech
Amtechdata
Analog Devices
Bruel et Kjaer
Capacitec
DJB Instruments
http://www.djb-instruments.com
Dytran Instruments
Feteris Components
FGP Sensors
Freescale semiconductors
Ifm Electronic
Lescate
MSI Sensors
MTI Instruments
Optodyne
Oros France
PCB Piezotronics
Polytec...
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Entre les deux essais, vous pouvez consulter l’article et réutiliser les quiz d'entraînement pour progresser. L’attestation vous est délivrée pour un score minimum de 70 %.
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