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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/s2 (SI), la majorité des documentations sur ces capteurs expriment l'accélération (L'accélération désigne couramment une augmentation de la vitesse ; en physique, plus précisément en cinématique, l'accélération est...) en " g " (accélération de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) standard au niveau de la mer (Le niveau de la mer est la hauteur moyenne de la surface de la mer, par rapport à un niveau de référence adéquat.) pour une latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre (ou sur une autre planète), au nord ou au sud de l'équateur.) de 45°, g=9,80665 m/s2).

Le capteur (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une...)

Principe

Le principe de tous les accéléromètres est basé sur la loi fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) F=M.a (F : force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...), M : masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse...), a : accélération aussi notée gamma). Plus précisément, il consiste en l'égalité entre la force d'inertie (L'inertie d'un corps découle de la nécessité d'exercer une force sur celui-ci pour modifier sa vitesse (vectorielle). Ainsi, un corps immobile ou en mouvement rectiligne uniforme (se déplaçant sur...) de la masse sismique du capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une...) 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 (L'asservissement est une partie de l'automatique. L'objet principal de l'asservissement est d'élaborer la commande d'un procédé afin de lui faire atteindre une grandeur physique...).

Accéléromètres non asservis

Sur les capteurs de type non asservis (boucle ouverte), l'accélération est mesurée par son image "directe" : le déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En...) 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 ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant un...) de contrainte/extensométrie (proche du type piézorésistif, dans son principe)
  • à détection capacitive
  • à détection inductive (ou réluctance variable)
  • à détection optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.)
  • à poutre vibrante
  • à ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...)

De même, il en existe des non commercialisés tels que :

  • à détection à effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension perpendiculaire à...)
  • à détection à potentiomètre
  • à détection électromagnétique
  • à détection piézo-optique
  • à lecture directe
  • à pendule (Le mot pendule (nom masculin) nous vient d'Huygens et du latin pendere. Il s'agit donc à l'origine d'un système oscillant sous l'effet de la pesanteur. Parmi les célèbres pendules, c'est sans doute celui...) 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 (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) électriquement, le phénomène est réversible. Le cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition...) 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 (La tension est une force d'extension.) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.).

Principaux paramètres propres à un accéléromètre (Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile, permet de mesurer l'accélération de ce dernier.)

Les principaux paramètres d'un capteur d'accélération sont :

  • l'étendue de mesure (en g=9,80665 m/s2)
  • la bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un minimum. Elle est...) (en Hz)
  • la précision, la sensibilité (: terme techniquement correct, en mV/g)
  • la gamme de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux...) d'utilisation (en °C)
  • la masse du capteur, la finesse (:terme technique correct correspondant)
  • la sensibilité transversale
  • le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'axe (1 à 3 axes)
  • la construction mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un mouvement, une force,...)
  • 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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) ou un procédé de fabrication.

Ses applications

Les applications de ce capteur sont très diverses :

  • la mesure de vitesse (On distingue :) (par intégration)
  • la mesure de déplacement (par double intégration)
  • le diagnostic (Le diagnostic (du grec δι?γνωση, diágnosi, à partir de δια-, dia-, „par, à travers, séparation,...) de machine (par analyse vibratoire)
  • la détection de défaut dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (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 (Dans cette simple équation d’onde :). Par exemple, un accéléromètre qui tombe d'une hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de 20 cm sur une tôle d'acier (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la théorie du soudage de...) 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 (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de...)
  • 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 (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) 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 (Le hertz (symbole : Hz) est l’unité dérivée de fréquence du système international (SI). Elle est équivalente à une oscillation par seconde (s-1 ou 1⁄s).). 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 (En mécanique céleste, l'inclinaison est un élément orbital d'un corps en orbite autour d'un autre. Il décrit l'angle entre le plan de l'orbite et le...) (grâce à la force de gravité de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) et à un accéléromètre deux axes)

Certains accéléromètres à détection capacitive à masse sismique pendulaire (Se dit d'un ULM ou d'un PULMA qui se pilote par déplacement du centre de gravité.) permettent aussi d'assurer la fonction d'inclinomètre (Un inclinomètre (ou clinomètre) est un instrument servant à mesurer des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale). Là où le niveau à bulle (ou niveau) permet de détecter précisément où se situe l'horizontale,...). 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.).

L'accéléromètre et l'actualité

Depuis la phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de développement des accéléromètres MEMS, de 1975 à 1985, l'accéléromètre a vécu un "boom" dans ses utilisations. En effet, il est passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps...) 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...

Wiimote, Nunchuck et Sixaxis

La firme japonaise Nintendo (Nintendo Company, Limited (??????? Nintend? Kabushiki-kaisha) (NASDAQ : NTDOY.PK,TYO : 7974) est une entreprise multinationale fondée en...) 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 (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application...) dans la manette Sixaxis de sa Playstation 3.

Sources utiles

Ouvrages

  • Georges Asch, Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod (ISBN 2100057774)
  • Techniques de l'Ingénieur (l'encyclopédie technique)

Revue

  • Mesures, n°746, guide d'achat, article de Marie-Line Zani, juin 2002.
Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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Jeudi 19 Juillet 2018 à 00:00:10 - Physique - 0 commentaire
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