Les capteurs de vibrations jouent un rôle crucial dans les applications avancées de surveillance d’état ainsi que dans les stratégies de maintenance prédictive

Nous examinons ici les avantages et les inconvénients des différents modèles d’accéléromètres.

Bonnes vibrations Mark Patrick, Mouser Electronics.

La numérisation transforme le secteur industriel. Qu’il s’agisse de fabrication, d’équipements, d’exploitation minière ou de sidérurgie, les réseaux numériques basés sur des capteurs capables de collecter, transmettre et interpréter les données en temps réel fournissent aux entreprises une visibilité encore jamais atteinte sur leurs ressources.

Cette capacité intelligente permet des avancées dans des domaines critiques. Prenons l’exemple de la maintenance prédictive. L’analyse des données d’une grande série de machines se trouvant dans une usine ou à l’extérieur permet de détecter les modèles anormaux et par conséquent de repérer tout problème de fiabilité avant qu’il ne survienne. À mesure que ces informations sont affinées, les opérations gagnent en efficacité grâce à l’élimination des temps d’arrêt imprévus et à la réduction des coûts de réparation.

Les stratégies de maintenance prédictive efficaces reposent sur un ensemble de technologies mécaniques et électriques fonctionnant harmonieusement pour fournir aux ingénieurs les informations dont ils ont besoin. L’un des principaux composants de ces ensembles est l’accéléromètre. Il s’agit d’un petit appareil capable de mesurer les vibrations d’une structure dans un environnement industriel. Les accéléromètres étaient traditionnellement utilisés pour surveiller les performances vibratoires de machines volumineuses et haut de gamme. Cependant, à mesure que la tendance à la numérisation et à l’automatisation s’est accélérée, leur utilisation s’applique de plus en plus à des systèmes plus petits, traitant de grands volumes, tels que les broches de machines, des convoyeurs, des tables de tri et des machines-outils dans le cadre de stratégies de maintenance prédictive intelligente.

Dès lors, il est important pour tout ingénieur responsable de la fiabilité de bien connaître les caractéristiques techniques des différents types d’accéléromètres disponibles. Ces informations leur permettent de faire un choix éclairé au moment de décider quel appareil utiliser pour telle gamme d’applications vibratoires, en mettant dans la balance les avantages et les inconvénients de chaque type.

Différents types de capteurs de vibrations

Examinons donc plus en détail les deux principaux types d’accéléromètres utilisés pour la mesure des vibrations, à savoir les capteurs de vibrations piézoélectriques et les capteurs de vibrations à capacité variable. Chaque type possède naturellement ses avantages et ses inconvénients, comme le souligne une récente étude de comparaison technique publiée par TE Connectivity.

Commençons par les accéléromètres piézoélectriques (PE) et leur mode de fonctionnement. Ils contiennent des cristaux piézoélectriques autoalimentés qui émettent un signal lorsqu’ils rencontrent des vibrations. La plupart des capteurs piézoélectriques contiennent des céramiques de titano-zirconate de plomb (PZT) polarisées pour aligner les dipôles et rendre les cristaux piézoélectriques. Les cristaux PZT conviennent bien aux applications de surveillance de l’état. Ils peuvent fonctionner dans une large plage de température et une plage dynamique étendue avec une bande passante de fréquence supérieure à 20 kHz.

On distingue essentiellement deux types d’accéléromètres PE sur le marché selon leur conception : ceux à mode de compression et ceux à mode de cisaillement. Les accéléromètres à mode de compression sont fabriqués en soumettant le cristal piézoélectrique à une contrainte. Pour ce faire, on charge une masse sur le cristal, puis on y applique une force de précontrainte. Ces accéléromètres ont toutefois des performances limitées. Ils ont des dérives thermiques plus élevées et leur base de montage est sensible à la déformation.

Les constructions annulaires quant à elles comportent un cristal et une masse annulaires fixés à un support. Cette construction délivre de meilleures performances que celle à compression, car l’élément piézoélectrique est isolé de la base et bien moins sensible aux contraintes thermiques, ce qui lui confère une meilleure stabilité. Fortes de ces avantages, les constructions annulaires sont prédominantes dans les applications de surveillance des conditions et des états.

Penchons-nous à présent sur les performances des capteurs à capacité variable (VC). Ce type de capteurs mesure l’accélération à partir de la variation de capacité d’une masse sismique transférée entre deux plaques de condensateur. Le changement de capacité est proportionnel à l’accélération appliquée. Pour fonctionner, les accéléromètres VC doivent disposer d’un circuit intégré connecté à l’élément de détection afin de convertir les minuscules changements de capacité en une sortie de tension. Cependant, ce processus de conversion peut résulter en un faible rapport signal/bruit et une plage dynamique limitée. Les capteurs VC sont généralement fabriqués à partir de tranches de silicium et se présentent sous la forme d’un microsystème électromécanique (MEMS).

Résultats des tests comparatifs

Nous venons donc de voir comment fonctionnent ces deux technologies. Or, nous ne savons pas encore si elles se valent. En menant des tests comparatifs méticuleusement contrôlés, l’étude de TE Connectivity fournit quelques éléments de réponse à cette question importante. Elle compare en effet des paramètres de spécification de vibrations critiques d’un accéléromètre piézoélectrique typiquement utilisé pour la surveillance de l’état à ceux d’un accéléromètre MEMS à capacité variable et à large bande de fréquence, les deux dispositifs ayant une plage de mesure pleine échelle de ±50 g.




Une série de tests, portant notamment sur la réponse en fréquence, a été réalisée à l’aide d’un pot vibrant d’étalonnage à haute fréquence avec une plage de 5 à 20 kHz. Afin de garantir la précision des résultats, les capteurs ont été solidement fixés durant toute la série de tests et un écart d’amplitude maximum de ±1 dB a été accepté comme bande de fréquence utilisable. Les résultats ont montré que le capteur MEMS VC avait une bande de fréquence utilisable pouvant atteindre 3 kHz, tandis que celle du capteur piézoélectrique était supérieure à 10 kHz.

Les échantillons ont été placés dans une chambre à bruit isolée et testés avec un équipement de mesure pouvant atteindre une résolution de l’ordre du µg. Les capteurs ont été testés en même temps pour éliminer tout écart causé par les interférences de l’environnement extérieur. Voici les résultats enregistrés pour les quatre bandes de fréquence, ainsi que le bruit résiduel enregistré pour chacune.

Comparaison du bruit résiduel à différentes bandes de fréquence.

La résolution de la mesure et la plage dynamique ont été ajustées sur la base d’une bande de fréquence de 0,03 à 10 kH et sont indiquées ci-dessous. Selon l’étude de TE, la résolution des capteurs PE était environ 9 fois supérieure à celle des capteurs MEMS VC. Ce résultat montre donc une plage dynamique nettement meilleure qui permet à l’utilisateur final de détecter les éventuels problèmes beaucoup plus précocement.




comparaison de la résolution de mesure.

La comparaison de la stabilité et de la dérive nous apprend que le capteur PE est très performant dans ces domaines. Avec le temps, les cristaux piézoélectriques ont largement prouvé leur extrême stabilité dans les environnements industriels. En revanche, les paramètres de dérive à long terme sont associés à la formulation des cristaux utilisés. De ce fait, il est difficile de présenter une valeur réelle. L’étude relève toutefois que les cristaux PZT sont le type de cristaux le plus couramment utilisé dans les accéléromètres PE et sont largement préférés pour un large éventail d’applications.




Les accéléromètres MEMS à capacité variable présentent également des limites de spécification étendues pour la dérive à long terme en fonction de la structure de la conception du MEMS. Un capteur MEMS micro-usiné en volume fournit généralement la meilleure dérive à long terme, mais il est parfois plus coûteux et n’est habituellement utilisé que dans les applications inertielles.

Pour la surveillance de l’état, les distributeurs de MEMS proposent des capteurs MEMS VC micro-usinés en surface. Ceux-ci sont moins coûteux, mais leurs performances ne sont pas optimales au niveau de la résolution de mesure et de la stabilité à long terme. L’étude souligne que la structure MEMS des constructions micro-usinées en surface n’est pas aussi stable que les capteurs MEMS micro-usinés en volume.

La comparaison des plages de température de fonctionnement indique que les accéléromètres MEMS PE et VC se montreraient tous deux performants dans les applications de surveillance d’état (de -40 °C à +125 °C). Dans des installations spécifiques soumises à des conditions extrêmes, une température plus élevée nécessite un capteur à plage plus élevée. Un capteur piézoélectrique à mode de charge paraît alors tout indiqué.

Selon les spécificités de l’installation et la tâche à accomplir, il peut être nécessaire d’opter pour des capteurs offrant un choix de signaux de sortie. La plupart des installations de maintenance prédictive requièrent un signal de sortie analogique de sorte que l’utilisateur final puisse sélectionner tels paramètres à surveiller pour tels types de machines. Dans la plupart des cas, c’est l’interface DAQ ou PLC qui impose le choix de la sortie du signal – généralement une sortie analogique.

Cependant, pour les installations nécessitant de grandes longueurs de câbles, des capteurs de 4 à 20 mA alimentés en boucle sont également un choix standard. Dans les usines intelligentes mettant en œuvre des stratégies numériques de l’industrie 4.0, les signaux de sortie numériques gagnent en popularité, tout comme les capteurs intelligents avec microprocesseurs embarqués. Ceux-ci peuvent prendre des décisions de maintenance immédiates à la place de l’utilisateur final. Selon l’étude, ces options de signal de sortie devraient être disponibles tant avec les capteurs PE que MEMS VC. Les deux technologies devraient donc prochainement offrir cette fonctionnalité.

Les capteurs piézoélectriques répondent à toutes les exigences

En conclusion, l’étude TE a montré que les accéléromètres MEMS et PE ont des performances similaires en termes de température de fonctionnement, de flexibilité d’emballage, d’options de signal de sortie et de facilité d’installation. Cependant, en raison de leurs caractéristiques inhérentes, les capteurs piézoélectriques constituent un choix plus sûr pour s’assurer de la stabilité à long terme. Avec une réponse en fréquence complète, les accéléromètres PE intégrés sont la solution idéale pour les machines à basse ou grande vitesse. Ils offrent en outre une résolution de signal plus nette permettant une détection plus précoce des défaillances. Ainsi, pour les applications de surveillance de l’état et de maintenance prédictive en milieu industriel, les capteurs piézoélectriques se présentent comme le meilleur choix technologique.

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