Comprendre les transducteurs sismiques
A transducteur sismique — également appelé capteur sismique ou transducteur inertiel — est un Vibrations capteur qui utilise une masse sismique interne (une “masse d’épreuve”) suspendue sur des ressorts ou des lames flexibles comme référence inertielle, ce qui lui permet de mesurer le mouvement absolu de la base du capteur. Lorsque le boîtier vibre, le mouvement relatif entre la masse suspendue et le boîtier est converti en un signal électrique qui représente la vibration. Selon l'endroit où se situe la fréquence de mesure par rapport à celle du système masse-ressort fréquence naturelle, le capteur fonctionne selon l'un des deux régimes suivants : au-dessus de la résonance, la masse a tendance à rester immobile dans l'espace et le mouvement relatif suit le déplacement du boîtier (le régime classique du sismomètre et du capteur de vitesse), tandis qu'en dessous de la résonance, la faible déflexion résiduelle de la masse est proportionnelle à l'accélération du boîtier (le régime de l'accéléromètre). La caractéristique déterminante est que la référence est portée à l'intérieur le capteur lui-même, de sorte qu'aucune référence fixe externe n'est nécessaire.
Le terme “sismique” vient de l'instrumentation sismologique : dans un sismomètre, la masse suspendue reste relativement immobile tandis que le sol se soulève en dessous d'elle. Dans la surveillance des machines, les transducteurs de vitesse et accéléromètres sont des transducteurs sismiques en ce sens, bien que le terme soit le plus souvent associé au capteur de vitesse classique.
1. Principe de fonctionnement
Système masse-ressort-amortisseur
Tout transducteur sismique est, à la base, un petit oscillateur mécanique comprenant quatre éléments fonctionnels :
- Masse sismique : une masse d'épreuve calibrée suspendue à l'intérieur du boîtier du capteur.
- Ressort : des ressorts mécaniques ou des flexures minces qui soutiennent la masse.
- Amortissement: un amortissement par air, magnétique (courants de Foucault) ou fluide qui atténue la résonance.
- Transduction : l'élément qui convertit le mouvement relatif masse/boîtier en tension électrique.
Régions de réponse en fréquence
Le comportement du capteur dépend entièrement de la position de la fréquence d'excitation par rapport à sa propre fréquence propre — et les deux principales familles de capteurs fonctionnent délibérément de part et d'autre de la résonance :
- En dessous de la fréquence propre (régime accéléromètre) : la masse et le boîtier se déplacent essentiellement ensemble, et la faible déflexion résiduelle de la masse est proportionnelle à celle du boîtier accélération. Les accéléromètres piézoélectriques et MEMS fonctionnent ici, en dessous de leur résonance montée élevée.
- À la fréquence propre : le système entre en résonance — le signal de sortie est amplifié mais déformé et peu fiable, c'est pourquoi la mesure à proximité de la résonance est évitée.
- Au-dessus de la fréquence propre (régime sismomètre) : la masse reste pratiquement immobile tandis que le boîtier vibre autour d'elle, et le mouvement relatif suit celui du boîtier déplacement (ou la vitesse). Les sismomètres à déplacement et les capteurs de vitesse à bobine mobile fonctionnent ici, au-dessus de leur faible fréquence propre.
- Plages d'utilisation : un capteur de vitesse est classiquement utilisé au-delà d'environ 2× sa fréquence propre, là où sa réponse s'est stabilisée et est plate ; un accéléromètre est utilisé bien en dessous de sa résonance montée — généralement jusqu'à environ un tiers de celle-ci pour une bonne précision.
2. Types de capteurs sismiques
Transducteurs de vitesse (bobine mobile)
- Un aimant est suspendu sur des ressorts à l'intérieur d'une bobine fixe (ou inversement).
- La vitesse relative entre l'aimant et la bobine génère une tension par induction électromagnétique.
- Fréquence propre typiquement comprise entre 8 et 15 Hz.
- Utilisable au-dessus d'environ 16–30 Hz.
- Mesure directement la vitesse vibratoire, sans intégration du signal.
Accéléromètres
- Piézoélectrique certains types utilisent un cristal piézoélectrique pour mesurer la force d'inertie de la masse.
- Les types MEMS utilisent une détection capacitive ou piézorésistive sur un élément micro-usiné.
- Fréquence propre (montée) beaucoup plus élevée, typiquement 10–30 kHz.
- Contrairement aux capteurs de vitesse, utilisé ci-dessous résonance : utilisable d'environ 1 Hz jusqu'à environ un tiers de la fréquence de résonance montée.
- Mesure l'accélération, qui peut être intégrée pour obtenir la vitesse ou le déplacement.
3. Capteurs sismiques et non sismiques
La famille des capteurs sismiques se comprend mieux par contraste avec les capteurs qui s'appuient sur une référence externe.
Capteurs sismiques (référence inertielle)
- Accéléromètres et capteurs de vitesse vibratoire.
- Mesurent le mouvement absolu dans un référentiel inertiel.
- Se fixent directement sur la structure vibrante.
- Embarquent leur propre masse interne comme référence.
- Le choix le plus courant pour la surveillance des machines.
Capteurs non sismiques (référence externe)
- Sondes de proximité (capteurs à courants de Foucault).
- Mesurent le déplacement relatif entre deux surfaces.
- Nécessitent un point de montage fixe depuis lequel effectuer la mesure.
- Mesurent généralement le mouvement de l'arbre par rapport au palier.
- Norme pour la mesure des vibrations d'arbre sur des machines avec paliers lisses.
4. Avantages de la conception sismique
Référence autonome
- Aucun référentiel externe n'est nécessaire.
- Le capteur peut être monté presque n'importe où sur une structure vibrante.
- Il indique le mouvement absolu réel dans l'espace inertiel.
Versatilité
- Un seul type de capteur couvre un très grand nombre d'applications.
- Convient aussi bien aux relevés temporaires qu'aux installations permanentes.
- Facilement transportable d'une machine à l'autre.
Cette polyvalence explique pourquoi les instruments portables en dépendent. Le Balanset-1A, par exemple, effectue ses mesures à partir d'accéléromètres fixés sur les paliers — des capteurs sismiques auto-référencés qui ne nécessitent aucun repère fixe, permettant ainsi à un technicien de se déplacer rapidement entre les points de mesure et les machines lors d'un équilibrage sur site.
5. Limites
Limitations de la réponse en fréquence
- Les capteurs de vitesse ne peuvent pas mesurer de manière fiable en dessous d'environ 2× leur fréquence propre ; les modèles à bobine mobile en particulier répondent mal en dessous de 15–20 Hz. Il existe un compromis inhérent : une fréquence propre plus basse offre une meilleure portée en basses fréquences, mais nécessite un capteur plus grand et plus lourd.
- Les accéléromètres perdent en précision à mesure que la fréquence de mesure se rapproche de leur résonance montée ; la limite supérieure pratique (généralement environ un tiers de la résonance montée) dépend fortement de la méthode de montage (voir ISO 5348).
- À l'extrémité inférieure, la réponse de l'accéléromètre est limitée par l'élément sensible et l'électronique de l'amplificateur plutôt que par la suspension sismique — généralement jusqu'à environ 0.5–1 Hz pour les unités industrielles standard.
Mesure du mouvement du boîtier
- Le capteur indique le mouvement du carter de palier, et non directement celui de l'arbre.
- La vibration du carter n'est pas identique à celle de l'arbre — elle est filtrée par la rigidité du palier et la structure environnante.
- Lorsque l'orbite réelle de l'arbre est déterminante, des capteurs de proximité sont nécessaires à la place.
6. Applications
Surveillance de l'état des machines
- Mesures de vibrations sur les logements de paliers.
- Suivi global des niveaux de vibration.
- Défaut de roulement détection.
- Diagnostic général des machines tournantes.
Vibrations structurelles
- Mesures des vibrations des bâtiments et des fondations.
- Surveillance sismique des séismes.
- Vibrations transmises par le sol et rayonnées par les machines.
Analyse modale
- Mesure de la réponse d'une structure à un choc calibré.
- Détermination fréquences naturelles et modes propres.
- Élaboration du fonctions de réponse en fréquence utilisé dans analyse modale.
Les transducteurs sismiques, qui utilisent une masse suspendue interne comme référence inertielle, constituent le fondement de la mesure des vibrations sur les machines tournantes. Comprendre le principe sismique — comment une masse suspendue permet la mesure du mouvement absolu, et pourquoi les capteurs de vitesse fonctionnent au-dessus de leur fréquence propre tandis que les accéléromètres fonctionnent en dessous de leur résonance montée — permet de saisir à la fois les atouts et les limites de ces deux piliers incontournables de tout programme d'analyse vibratoire industrielle.
