Instrumentation et mesures vibratoires

CAPTEURS DE MESURES VIBRATOIRES

Notions

5.1. Les capteurs de vibrations:

Il existe plusieurs types de capteurs pour apprécier les mouvements vibratoires. La sensibilité des capteurs représente la proportionnalité de la sortie électrique exploitable (tension, charge, courant) par rapport au paramètre de vibration (accélération, vitesse, déplacement). Elle s’exprime en terme de : sortie électrique / paramètre de vibration.

5.1.1. Sonde de proximité à Courant de Foucault:

Ce type de capteur ne mesure que les déplacements vibratoires relatifs. Cette sonde a une réponse aux déplacements quasi-statiques, mais a une dynamique limitée et elle nécessite souvent un calibrage sur site. De plus, la surface vibrante doit être électriquement conductrice. Une faible impédance de sortie derrière le démodulateur autorise l’emploi de grandes longueurs de câble. Ce type de capteurs est souvent monté d’origine sur les groupes turboalternateurs à paliers lisses.

5.1.2. Sonde capacitive:

Ce capteur de petite dimension est libre de tout contact. Ce capteur sensible aux déplacements vibratoires relatifs a une grande sensibilité et est opérationnel sur une large gamme fréquentielle. Les inconvénients sont que la surface de vibration doit être électriquement conductrice, que la gamme dynamique de la sonde est très limitée et que la sonde est difficile à calibrer. Il faut appliquer une différence de potentiel entre la sonde et la pièce en mouvement.

5.1.3. Potentiomètre de position:

Peu coûteux et de faible impédance, ce capteur est capable de mesurer les déplacements statiques. Cependant, les gammes dynamiques et fréquentielles sont très limitées et le capteur a une courte durée de vie et une faible résolution.

5.1.4. Bobine mobile:

C’est un capteur de vitesse vibratoire de faible impédance électrique. Il est très limité dans ses gammes dynamique et fréquentielle (au dessus de la fréquence de résonance de suspension). Il est sensible aux champs magnétiques et est affecté par son orientation. Avec ses éléments mobiles, il est sujet à une dégradation de ses spécifications initiales. Sa plage fréquentielle va typiquement de # 10 Hz à 2 000 Hz.

5.1.5. Vélocimètre Laser à effet Doppler

C’est un capteur de vitesse relative s’appuyant sur un faisceau laser qui est envoyé vers la cible et dont la fréquence est modulée par la vibration de la surface atteinte. Les avantages sont nombreux :

5.1.6. Capteur piézorésistif

Un capteur d’accélération vibratoire capable de mesurer les accélérations quasi-statiques. Les gammes de mesure, fréquentielle et dynamique, peuvent être larges. Sa résistance limitée contre les chocs en fait un capteur vulnérable. L’amortissement visqueux est nécessaire pour le protéger des chocs. Cependant, ceci amène à une compression de la gamme thermique de fonctionnement et altère les caractéristiques de phase. De nouvelles technologies de micro-usinage améliorent les performances de tels capteurs.

5.1.7. L’accéléromètre piézo-électrique

Il est unanimement considéré comme le meilleur capteur disponible à ce jour pour les mesures de vibrations absolues. Il possède les propriétés suivantes :

5.1.8. L’accéléromètre à électronique intégrée

Il est semblable à l’accéléromètre piézo-électrique à la différence qu’il possède de manière intégrée un conditionnement de charge représenté par un composant de type MOSFET. Il possède les même propriétés que l’accéléromètre piézo-électrique à l’exception de :

schéma d'un capteur de vibrations: accéléromètre

5.1.9. Capteur de force et marteau de choc

Les capteurs de force font appel à un élément piezo-électrique tout comme les accéléromètres. L’électronique peut être intégrée. La sensibilité s’exprime soit en pC/N soit en mV/N. Couplés avec un accéléromètre, ils servent à la mesure de l’impédance mécanique ponctuelle (Z = Force/Vitesse ). Généralement ils permettent la mesure de l’effort injecté dans une structure soit à l’aide d’un marteau ou d’un excitateur. La taille du marteau et la nature de l’embout permettent d’optimiser le contenu fréquentiel de l’effort injecté dans la structure.

Marteau de choc pour l'analyse de structures

5.2. Les conditionneurs

Les conditionneurs d’accéléromètre piézo-électrique ou à électronique intégrée proposent soit une simple conversion charge/tension ou tension/tension. De plus, des gains d’amplification et d’atténuation sont souvent disponibles. Des intégrations simples et doubles permettent également d’obtenir en sortie les signaux de vitesse ou de déplacement. Enfin, des fonctions de pré-filtrage du signal permettent souvent d’optimiser le signal avant enregistrement et/ou analyse.

5.3. Les calibreurs

Généralement, la vérification de la sensibilité de l’accéléromètre s’effectue avec un calibreur mono fréquence et mono niveau. La fréquence est généralement égale à 159,2 Hz ; elle correspond à 1000 rd/s, ce qui permet d’avoir des relations simples entre l’accélération, la vitesse et le déplacement. Le niveau est généralement égal à 10 m/s² en valeur efficace (RMS) soit 1,02 g. Il est donc égal par les relations de fréquence à 10 mm/s pour la vitesse ou 10μm pour le déplacement. L’incertidude est de l’ordre de 3 à 4 % La méthode absolue de vibration s’appuie sur l’interférométrie laser. La sensibilité à la (ou à quelques fréquences discrètes) est donnée avec une incertitude de 0.5% environ. D’autres méthodes utilisant un excitateur de vibration et un générateur avec une boucle de contre réaction asservie par un capteur de référence sont pratiquées. Un signal sinusoïdal balayé est utilisé. Cette méthode de laboratoire permet un étalonnage avec une incertitude de 1 à 1.2%.

5.4. Le mesureur de vibrations

Il s’apparente à un sonomètre comme dans la mesure acoustique. Il mesure généralement les niveaux globaux. Il permet de sortir les niveaux d’accélération, de vitesse et de déplacement. Le schéma bloc montre les différentes fonctions possibles d’un mesureur de vibration. L’entrée est connectée à la sortie de l’accéléromètre. L’intégrateur permet d’obtenir la vitesse ou le déplacement. Des filtres passe-haut et passe-bas peuvent être ajustés pour limiter la gamme de fréquence de mesure du niveau global. Les amplificateurs permettent de garder la justesse métrologique après filtrage. Le détecteur est un circuit de détection des valeurs efficace, crête ou crête-crête. Le convertisseur Lin-Log permet d’afficher le niveau sur une échelle Logarithmique. Enfin, un filtre externe peut être connecté pour obtenir une analyse en fréquence du signal.


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