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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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Définitions et principes généraux des capteurs de vibration
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9. Précautions de câblage des capteurs de vibrations
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 « 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 :
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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) ;
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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) ;
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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, 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...
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Précautions de câblage des capteurs de vibrations
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
NORMES
-
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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QUIZ ET TEST DE VALIDATION PRÉSENTS DANS CET ARTICLE
1/ Quiz d'entraînement
Entraînez vous autant que vous le voulez avec les quiz d'entraînement.
2/ Test de validation
Lorsque vous êtes prêt, vous passez le test de validation. Vous avez deux passages possibles dans un laps de temps de 30 jours.
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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