Comprendre les accéléromètres piézoélectriques
A accéléromètre piézoélectrique est un Vibrations capteur qui exploite l'effet piézoélectrique — la propriété par laquelle certains cristaux génèrent une charge électrique lorsqu'ils sont soumis à une contrainte mécanique — pour convertir les accélération en un signal électrique proportionnel à l'amplitude de la vibration. Lorsque le capteur est soumis à une accélération, une masse sismique interne comprime ou cisaille un élément piézoélectrique, et la charge ou la tension résultante est conditionnée puis délivrée sous forme de signal de mesure. Grâce à une large plage de fréquences (environ 0,5 Hz à plus de 50 kHz), à une haute sensibilité, à sa robustesse et à son élément de détection auto-générateur ne nécessitant aucune alimentation externe, l'accéléromètre piézoélectrique est le capteur de vibrations le plus utilisé dans l'industrie et le fondement de la analyse des vibrations et la surveillance d'état.
1. L'effet piézoélectrique
Principe physique
- Certains cristaux (quartz, tourmaline) et céramiques (PZT, titanate de baryum) sont piézoélectriques
- La contrainte mécanique génère une charge électrique sur les surfaces du cristal’s.
- La charge est proportionnelle à la force appliquée.
- L'effet est réversible — l'application d'une tension provoque la déformation de l'élément.
- Il est auto-générateur, de sorte qu'aucune alimentation n'est nécessaire pour produire la charge elle-même.
À l'intérieur de l'accéléromètre
La chaîne du mouvement au signal est courte et directe :
- La vibration accélère la base et le boîtier du capteur.
- La masse sismique interne subit une force, F = m × a.
- Cette force sollicite le cristal piézoélectrique.
- Le cristal génère une charge proportionnelle à la force, et donc à l'accélération.
- La charge est collectée sur des électrodes et convertie en un signal mesurable.
Étant donné que le signal de sortie suit l'accélération, ce même signal peut être intégré électroniquement pour obtenir vitesse une analyse des défauts en milieu de gamme de fréquences, ou utilisé directement pour les mesures à haute fréquence.
2. Types selon la conception interne
La façon dont le cristal est sollicité par la masse sismique définit le caractère du capteur.
- Type à compression : la conception la plus courante, dans laquelle le cristal est comprimé entre la masse et la base. Robuste, avec une large plage de température, elle convient aux environnements difficiles — mais elle peut être plus sensible aux déformations de la base et aux transitoires thermiques.
- Type à cisaillement : le cristal est cisaillé par le mouvement de la masse. Cette géométrie offre une excellente isolation aux déformations de la base, une meilleure réponse en basse fréquence et une faible sensibilité aux transitoires thermiques, ce qui explique pourquoi le accéléromètre de cisaillement est le choix de référence pour les mesures exigeantes.
- Type flexural (en flexion) : le cristal travaille en flexion, ce qui permet une très haute sensibilité, mais il est moins robuste et moins répandu dans l'usage industriel.
3. Types selon l'électronique
La deuxième classification porte sur la question de savoir si l'électronique de conditionnement du signal se trouve à l'intérieur du capteur ou à l'extérieur.
- Mode charge : le signal de sortie est une charge brute en picocoulombs, nécessitant un amplificateur de charge. La sortie haute impédance est sensible aux mouvements du câble et bruit triboélectrique, mais en l'absence d'électronique interne, ces capteurs tolèrent des températures extrêmes (jusqu'à environ 650 °C), ce qui les rend indispensables pour les applications spécialisées à haute température.
- IEPE / ICP (mode tension) : l'électronique intégrée convertit la charge en une tension basse impédance. Le IEPE interface — également décrite comme un accéléromètre en mode tension — est la norme industrielle, offrant une connectivité simple à deux fils et une excellente immunité au bruit. Il convient à plus de 95 % des applications industrielles.
4. Spécifications de performance
Sensibilité
Sensibilité est la sortie par unité d'accélération — généralement 10–100 mV/g pour les capteurs IEPE, ou 1–100 pC/g en mode charge. Une sensibilité plus élevée offre une meilleure résolution mais une plage maximale plus faible ; la valeur est donc choisie en fonction des niveaux de vibration attendus, et le Calculateur de sensibilité des capteurs de vibrations permet de convertir une tension de sortie en accélération correspondante.
Gamme de fréquences
- Basse fréquence : une limite inférieure d'environ 0,5–5 Hz, fixée par l'électronique.
- Haute fréquence : une limite supérieure de 5–50 kHz, déterminée par la fréquence de résonance de montage résonance.
- Plage d'utilisation : pour une précision d'amplitude à quelques pour cent près, jusqu'à environ un cinquième (20 %) de la résonance montée fréquence, selon la norme ISO 5348 ; un tiers de la résonance ne constitue qu'une limite de dépistage approximative, la lecture d'amplitude étant déjà surestimée d'environ 10–12 %.
- Effet du montage : le mode de montage limite fortement la réponse en haute fréquence atteignable.
Plage d'amplitude et plage dynamique
- Usage général : ±50 g à ±500 g.
- Haute sensibilité : ±5 g à ±50 g.
- Capteurs de choc : ±500 g à ±10 000 g.
Le signal ne doit jamais dépasser la plage du capteur, sous peine d'écrêtage et d'endommagement possible de l'élément ; une large gamme dynamique permet à un seul capteur de résoudre à la fois les faibles tonalités de palier et les vibrations importantes à la vitesse de rotation dans la même mesure.
5. Critères de sélection
Adapter le capteur à la tâche est au cœur d'une bonne configuration de mesure.
- Surveillance générale des machines : un accéléromètre IEPE 100 mV/g avec une plage de ±50 g, une réponse en fréquence de 1 Hz à 10 kHz, une tenue en température industrielle (−40 à +120 °C) et une étanchéité hermétique.
- Détection des défauts de roulement : une réponse en fréquence plus étendue (jusqu'à 20+ kHz) pour capturer fréquences de défaut des roulements, une sensibilité modérée (10–50 mV/g), une large plage dynamique et un montage par goujon pour le meilleur couplage haute fréquence — la combinaison idéale pour détecter les défauts naissants défauts de roulement.
- Applications à haute température : IEPE haute température (jusqu'à environ 175 °C) ou mode charge (jusqu'à environ 650 °C), avec un montage et un câblage spéciaux, en acceptant un certain compromis sur les performances au profit de la tenue en température.
6. Montage et installation
L'interface de montage fait partie intégrante du système de mesure : elle détermine la résonance montée et, par conséquent, la limite haute fréquence. Du meilleur au moins bon :
- Montage sur goujon : le meilleur couplage, plat jusqu'à 10+ kHz.
- Adhésif : bon, plat jusqu'à environ 7–8 kHz.
- Magnétique : acceptable, plat jusqu'à environ 2–3 kHz.
- Sonde / manuel : médiocre — limité aux basses fréquences et aux lectures qualitatives.
Pour des données haute fréquence fiables, la surface doit être propre et plane, le goujon serré au couple correct, toute couche d'adhésif fine et uniforme, la base magnétique parfaitement en contact et le câble fixé pour éviter toute traction. Le calculateur de résonance de montage indique où la bande utilisable de chaque méthode prend fin ; pour les capteurs installés en permanence, les principes d'un montage correct montage du capteur sont codifiés dans ISO 5348.
Sur le terrain, ces capteurs constituent l'entrée de tout analyseur portable. Un instrument à deux voies tel que le Balanset-1A capture la même amplitude et phase synchronisées — à l'aide de deux accéléromètres MEMS analogiques fournis avec le kit plutôt que de capteurs piézoélectriques IEPE — comme requis pour l'équilibrage mono- et biplan équilibrage ainsi que pour les diagnostics de routine dans les paliers de la machine à vitesse de fonctionnement. Associé à la sonde de proximité et au transducteur de vitesse, l'accéléromètre piézoélectrique est l'un des trois principaux capteurs de vibration transducteurs — et de loin le plus polyvalent, ce qui explique pourquoi il demeure la colonne vertébrale de la surveillance vibratoire industrielle, du diagnostic et de l'équilibrage dans le monde entier.
