Accéléromètre

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Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile, permet de mesurer l'accélération de ce dernier. Bien que l'accélération soit définie en m/s (SI), la majorité des documentations sur ces capteurs expriment l'accélération en « g » (accélération de la gravité standard au niveau de la mer pour une latitude de 45°, g=9, 80665 m/s).
Accéléromètre

Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile, permet de mesurer l'accélération de ce dernier. Bien que l'accélération soit définie en m/s (SI), la majorité des documentations sur ces capteurs expriment l'accélération en « g » (accélération de la gravité standard au niveau de la mer pour une latitude de 45°, g=9, 80665 m/s).

Le capteur

Principe

Le principe de tous les accéléromètres est basé sur la loi fondamentale de la dynamique F=M.a (F : force, M : masse, a : accélération aussi notée gamma). Plus précisément, il consiste en l'égalité entre la force d'inertie de la masse sismique du capteur et une force de rappel appliquée à cette masse. On distingue deux grandes familles d'accéléromètres : les accéléromètres non asservis et les accéléromètres à asservissement.

Accéléromètres non asservis

Sur les capteurs de type non asservis (boucle ouverte), l'accélération est mesurée par son image "directe" : le déplacement de la masse sismique (masse d'effort ou encore masse d'épreuve) du capteur pour atteindre l'égalité entre la force de rappel et sa force d'inertie. Il existe des accéléromètres non asservis commercialisés que l'on trouve directement sur le marché :
- à détection piézoélectrique
- à détection piézorésistive
- à jauge de contrainte/extensométrie (proche du type piézorésistif, dans son principe)
- à détection capacitive
- à détection inductive (ou réluctance variable)
- à détection optique
- à poutre vibrante
- à ondes de surface De même, il en existe des non commercialisés tels que :
-à détection à effet Hall
-à détection à potentiomètre
-à détection électromagnétique
-à détection piézo-optique
-à lecture directe
-à pendule tournant

Accéléromètres piézoélectriques

Principe de fonctionnement
Certains cristaux (quartz, sel de Seignette) et certaines céramiques ont la propriété de se charger électriquement lorsqu'elles sont soumises à une déformation. Inversement, elles se déforment si on les charge électriquement, le phénomène est réversible. Le cristal se charge sur deux faces en regard avec des charges opposées lorsqu'on le soumet à une force exercée entre ces deux faces. Une métallisation des faces permet de recueillir une tension électrique qui pourra être utilisée dans un circuit.

Accéléromètres à asservissement

Pour les accéléromètres à asservissement, l'accélération est mesurée à la sortie d'une boucle à contre-réaction (asservissement) comportant un correcteur type P.I. (Proportionnel Intégral : type de correcteur améliorant la précision). Un capteur à détection de déplacement (type non asservis) permet la mesure de l'accélération immédiate. Elle est la valeur d'entrée de notre boucle d'asservissement. En sortie de cette boucle, l'accélération est obtenue par la lecture de l'énergie nécessaire à la force de rappel permettant le retour de la masse sismique à sa position initiale. Il existe plusieurs types de ces capteurs à asservissement :
- à détection capacitive
- à détection inductive
- à détection optique La force de rappel de tels capteurs d'accélération peut être de type électromagnétique ou électrostatique.

Principaux paramètres propres à un accéléromètre

Les principaux paramètres d'un capteur d'accélération sont :
-l'étendue de mesure (en g=9, 80665 m/s)
-la bande passante (en Hz)
-la précision, la sensibilité (: terme techniquement correct, en mV/g)
-la gamme de température d'utilisation (en °C)
-la masse du capteur, la finesse (:terme technique correct correspondant)
-la sensibilité transversale
-le nombre d'axe (1 à 3 axes)
-la construction mécanique
-l'électronique intégrée
-le prix (de 6 euros pour un capteur capacitif non asservi jusqu'à 3000 euros pour un capteur asservi haut de gamme) Toutes ces caractéristiques interagissent et caractérisent un principe, une technologie ou un procédé de fabrication.

Ses applications

Les applications de ce capteur sont très diverses :
-la mesure de vitesse (par intégration)
-la mesure de déplacement (par double intégration)
-le diagnostic de machine (par analyse vibratoire)
-la détection de défaut dans les matériaux (en mesurant la propagation d'une vibration à travers les matériaux) Néanmoins, elles sont généralement classées en trois grandes catégories :
-Les chocs
-L'accélération vibratoire
-L'accélération de mobiles

Les chocs

Les chocs sont des accélérations de très forte amplitude. Par exemple, un accéléromètre qui tombe d'une hauteur de 20 cm sur une tôle d'acier de 5 cm d'épaisseur sera soumis à une accélération de 8000 g lors de l'impact, et sur un cahier de 50 pages d'épaisseur, il sera soumis à une accélération de 90 g. Ceux sont des accélérations très rapides et donc qui nécessitent un capteur de bande de passante allant généralement de 0 à 100 kHz. La précision requise pour ces mesures est de l'ordre de 1% de l'échelle de mesure du capteur. Les capteurs couramment associés à ce genre d'application sont des accéléromètres à déplacement non asservis, et plus précisément :
-à détection piézoélectrique
-à détection piézorésistive
-à détection capacitive (seulement pour les airbags) Exemples :
-Déclenchement des airbags dans les voitures
-crash-tests
-pyrotechnie

L'accélération vibratoire

Les accélérations vibratoires sont considérées comme des accélérations de niveau moyen (généralement une centaine de g). Elles nécessitent un capteur de bande de passante allant jusqu'à 10kHz et de précision de l'ordre de 1% de l'échelle de mesure du capteur. Les accéléromètres utilisés, de type non-asservis, sont :
-à détection piézoélectrique
-à détection piézorésistive ou jauge d'extensiomètrie
-à détection piézoélectrique
-à détection inductive (ou réluctance variable) Exemples :
-le contrôle vibratoire pour le R&D
-le contrôle industriel

L'accélération de mobiles

Les accélérations de mobiles sont de faible niveau. Par exemple, l'accélération maximum retenue pour le "Rafale" est de 9g. Ces accélérations n'excèdent pas quelques dizaines de Hertz. En revanche, la précision requise peut être importante. Elle varie de 0, 01% à 2% de l'échelle de mesure du capteur. Les accéléromètres utilisés sont :
-des capteurs d'accélération non asservis (jauges, capacités, induction, optique, potentiomètre) ;
-des capteurs d'accélération asservis. Exemple :
-les stations inertielles des avions

Applications isolées et produits particuliers

Mesure d'inclinaison (grâce à la force de gravité de la Terre et à un accéléromètre deux axes)

Certains accéléromètres à détection capacitive à masse sismique pendulaire permettent aussi d'assurer la fonction d'inclinomètre. Cette dernière est rendue possible par la configuration mécanique des accéléromètres capacitifs pendulaires et la gravité terrestre. Cependant, la fonction d'accéléromètre ne peut pas être utilisée en même temps.

L'accéléromètre et l'actualité

Depuis la phase de développement des accéléromètres MEMS, de 1975 à 1985, l'accéléromètre a vécu un "boom" dans ses utilisations. En effet, il est passé de 24 millions de ventes en 1996 à 90 millions en 2002. Quant à son prix, il ne cesse de diminuer pour les MEMS. Avec l'arrivée des accéléromètres NEMS, cette omniprésence de l'accéléromètre dans les divers produits "grand public" sera certainement de plus en plus d'actualité...

Produits "grand public" utilisant l'accéléromètre

- La firme japonaise Nintendo a décidé d'innover en lançant une manette nouvelle génération pour sa nouvelle console : la Wii. Cette dernière détecte directement les mouvements du joueur grâce à des accéléromètres, placés dans les 2 parties que compose sa manette : la Wiimote et le Nunchuck.
- Sony utilise une technologie différente dans la manette Sixaxis de sa Playstation 3.
- Apple utilise l'accéléromètre dans les iPhone et iPod Touch.

Sources utiles

Ouvrages

-Georges Asch, Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod
-
Techniques de l'Ingénieur (l'encyclopédie technique)

Revue

-
Mesures'', n°746, guide d'achat, article de Marie-Line Zani, juin 2002. catégorie:Instrument de mesure catégorie:Sismologie da:Accelerometer de:Beschleunigungssensor en:Accelerometer es:Acelerómetro et:Kiirendusandur hr:Mjerač ubrzanja ja:加速度計 nl:Versnellingsmeter pl:Przyspieszeniomierz pt:Acelerômetro uk:Акселерометр zh:加速規
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