technologies d`accelerometres pour la mesure de

XXX XXX
Version X
TECHNOLOGIES D’ACCELEROMETRES POUR LA
MESURE DE VIBRATION ET CHOC
Le but de cet article technique est de passer en revue les différentes technologies
d’accéléromètres et d’aider à leur choix selon les applications et l’environnement, tout en
sachant que l’utilisation principale d’un accéléromètre est la mesure de vibration.
Chaque famille d’accéléromètres présente des avantages et des inconvénients, il est évident
que la qualité de la mesure dépend du choix du bon accéléromètre, il doit être choisi selon
l’application mais également selon sa qualité. Il est bon de garder aussi à l’esprit que la chaîne
de mesure utilisée comprend le capteur, l’ensemble câble/ connecteur, ainsi que le
conditionneur ou le système d’acquisition des données.
Avant de commenter les choix, il est bon de reprendre quelques notions de base concernant
les différentes technologies d’accéléromètres.
En général, les mesures d’accélération, choc et vibration nécessitent des accéléromètres dont
la conception permet la mesure d’évènements statiques ou / et dynamiques.
Pour les évènements « dynamiques », il est nécessaire d’utiliser des accéléromètres à réponse
alternative.
Pour les évènements « statiques », il est nécessaire d’utiliser des accéléromètres à réponse
continue
Néanmoins, certains accéléromètres à réponse continue peuvent mesurer des évènements
dynamiques, basse fréquence.

XXX XXX
Version X
ACCELEROMETRES A REPONSE ALTERNATIVE (AC)
Pour la mesure de phénomènes dynamiques
Les accéléromètres piézoélectriques
Qu’est ce que la piézoélectricité ?
L’observation humaine la plus ancienne de l’effet électrique a été effectuée sur l’agencement
des forces mécaniques. Un pouvoir mystérieux était connu des Grecs anciens comme étant
une propriété de l’ELEKTRON (ambre) lorsqu’on le frottait. Des siècles plus tard,
l’électricité ayant été découverte, ses divers aspects étaient codifiés par un préfixe particulier
tel que : voltaïque, thermo, photo, et bien sûr PYRO et PIEZO.
On avait observé depuis longtemps que le cristal de tourmaline placé dans des cendres
chaudes commence par attirer les cendres puis à la repousser.
La caractéristique électrique fut établie en 1756 par Aepinus qui avait remarqué des polarités
opposées aux deux extrémités d’un cristal de tourmaline chauffé.
En 1824, Brewster, qui avait étudié les effets de plusieurs sortes de cristaux, introduisit le
vocable PYROELECTRICITE. Suivant une théorie de Coulomb que l’électricité doit être
produite par pression sur un cristal, Hauy et Becquerel ont montré les effets électriques de
certains cristaux lorsque ceux-ci étaient comprimés.
La découverte la plus importante fut celle des frères Pierre et Jacques Curie en 1880 : certains
cristaux, étant comprimés dans des directions particulières, présentent des charges positives et
négatives en certains endroits de leur surface.
Les charges sont proportionnelles à la pression et disparaissent lorsque la pression est
supprimée, ainsi la PIEZOELECTRICITE était découverte. Cependant pendant les décades
qui suivirent peu d’attention fut portée à cette découverte.
Avec le bond en avant de la seconde guerre mondiale, la piézoélectricité fut utilisée pour
générer et détecter des ondes à haute fréquence à travers l’eau en vue de construction de
sonars, l’effet réciproque étant alors utilisé : l’application d’une charge à un cristal produit un
mouvement ou une déformation de l’aspect physique du cristal.
Il fallut encore attendre de nombreuses années avant de construire des accéléromètres tels que
nous les connaissons aujourd’hui.

XXX XXX
Version X
Qu’est ce que l’effet piézoélectrique ?
La réponse la plus simple serait la transformation d’une énergie mécanique en une énergie
électrique.
La figure ci-dessous montre une méthode de transformation simple ou à partir d’un matériau
piézoélectrique sous contrainte, une force en entrée fournit un signal électrique en sortie, dans
le cas de compression dans l’axe de polarisation.
Quel est le mécanisme qui transforme l’énergie ?
Afin de faciliter la compréhension, considérons la figure 1 ci-dessous qui représente une
structure cristalline imaginaire à une dimension, comprenant un alignement d’ions
alternativement positifs et négatifs, à la manière de perles enfilées sur un élastique.
Considérons la région entourée par les lignes en pointillées.
Dans cette structure symétrique, la vue à partir du centre de la région vers la gauche ou vers la
droite, est exactement la même.
Maintenant, supposons que nous appliquions une contrainte d’extension au cristal et que
l’allongement soit faible (figure 2), les deux anions s éloignent du centre avec des
déplacements identiques mais en sens opposé. Le cation ne bouge pas, au centre de la région.
Ainsi, il n’y a pas de déplacement important de charge dans la région considérée ou dans la
structure cristalline qui est considérée comme un tout.

XXX XXX
Version X
Fig.1: Illustration d’une structure cristalline Fig.2:Illustration d’une structure cristalline
Symétrique asymétrique
Voyons maintenant, ce qu’il advient lorsque nous allongeons faiblement une structure
asymétrique. Le cation est à gauche du centre de la région de la figure 2 effectuant un
déplacement de charge positive à gauche.
De nouveau, les deux anions se déplacent à partir du centre d’une quantité égale et opposée
mais maintenant le cation se déplace vers la gauche du centre comme l’indique la figure 2
effectuant un déplacement de charge positive à gauche.
Si le cristal est maintenant comprimé, le cation se déplace à droite et une charge
piézoélectrique de polarité opposée est générée.
Le même processus peut être appliqué pour l’effet réciproque, c'est-à-dire si un potentiel était
appliqué à chaque région, cela créerait un faible mouvement résultant de la variation des
dimensions du cristal.
Si un cristal est un conducteur électrique, les charges piézoélectriques seront immédiatement
court-circuitées et il n’y aura rien en sortie.
Les matériaux piézoélectriques généralement utilisés pour les accéléromètres sont des
matériaux isolants afin que la charge soit conservée et puisse être utilisée.
Les matériaux piézoélectriques utilisés pour les capteurs peuvent être divisés en deux
catégories
Cristaux simples (quartz et tourmaline).
Ils ont des qualités certaines, quoique leur sensibilité soit faible par comparaison avec les
céramiques ferroélectriques.
La figure ci dessous montre un cristal naturel, du quartz dans le cas présent. Il y a 32
catégories de cristaux. Onze catégories ont un centre de symétrie et donc, ne présentent pas
d’effet piézoélectrique. Il y en a un, la catégorie 29, qui est asymétrique mais pas
piézoélectrique.
Les 21 autres restantes, étant asymétriques présentent l’effet piézoélectrique.

XXX XXX
Version X
Les 3 cristaux piézoélectriques, les plus couramment utilisés dans les capteurs sont le sel de
Rochelle, le quartz et, la tourmaline.
Le sel de Rochelle n’est plus utilisé de nos jours à cause d’un point de Curie très bas (25°C),
sa faible tenue mécanique et sa basse température de désintégration (55°C).
Historiquement, il a été important pour les travaux de recherche sur la piézoélectricité.
Par contre, le quartz et la tourmaline sont couramment utilisés pour les capteurs, ils ont des
qualités certaines bien que leur sensibilité soit faible, la tourmaline étant très utilisée pour les
applications très haute température.
Céramiques ferroélectriques
Pour fabriquer un matériau piézoélectrique utilisable, il faut que la plupart des régions
cristallines aient leurs axes piézoélectriques alignés dans la même direction.
On réalise ceci au moyen d’un champ électrique intense. Cet effet de polarisation est analogue
à la magnétisation du fer dans un champs magnétique, d’où l’expression Ferro Electricité
Les céramiques ont en général une sensibilité élevée, elles peuvent également être fabriquées
à la demande en taille et forme, ce qui n’est pas le cas des cristaux simples.
Pyroélectricité
Lorsque l’on place des céramiques ferroélectriques dans un champ électrique intense, on
obtient un seul axe de polarisation mais, tous les cristaux à un seul axe présentent alors le
phénomène de pyroélectricité primaire, c'est-à-dire que si la température varie, on génère une
charge.
Ceci peut être gênant dans les applications pratiques de la piézoélectricité.
Dépolarisation
Comme les éléments piézoélectriques peuvent être polarisés, ils peuvent également être
dépolarisés.