Mesure des vibrations avec des accéléromètres

Cette ressource fournit des informations pour vous aider à comprendre les concepts de base des vibrations, le fonctionnement des accéléromètres et l’impact des différentes spécifications des capteurs sur les performances des accéléromètres dans votre application. Après avoir choisi vos capteurs, vous pouvez envisager le matériel et les logiciels requis pour conditionner, acquérir et visualiser correctement les mesures du microphone. Vous pouvez aussi envisager tout conditionnement supplémentaire du signal dont vous pourriez avoir besoin pour vos capteurs.

Qu’est-ce que la vibration ? 

 

 

La vibration est le mouvement ou l’oscillation mécanique autour d’une position d’équilibre d’une machine ou d’un composant. Il peut être périodique, comme le mouvement d’un pendule, ou aléatoire, comme le mouvement d’un pneu sur une route de gravier. Les vibrations peuvent être exprimées en unités métriques (m/s2) ou en unités de la constante gravitationnelle g, où 1 g = 9,81 m/s2. Un objet peut vibrer de deux manières : vibration libre et vibration forcée.

 

La vibration libre se produit lorsqu’un objet ou une structure est déplacé(e) ou touché(e), puis oscille naturellement. Par exemple, quand vous frappez un diapason, il sonne, le son finit par diminuer. La fréquence naturelle fait souvent référence à la fréquence à laquelle une structure « veut » osciller après un impact ou un déplacement. La résonance est la tendance d’un système à osciller plus violemment à certaines fréquences qu’à d’autres. Une vibration forcée à la fréquence naturelle d’un objet, ou proche de celle-ci, crée de l’énergie à l’intérieur de la structure. Au fil du temps, la vibration peut devenir assez importante, même si la vibration forcée d’entrée est très faible. Si une structure a des fréquences naturelles qui correspondent aux vibrations normales de l’environnement, la structure vibre plus violemment et souffre d’une défaillance prématurée.

 

On parle de vibration forcée lorsqu’une structure vibre en raison de l’application d’une force modificatrice. Un mouvement rotatif ou alternatif peut forcer un objet à vibrer à des fréquences non naturelles. Un exemple de ce mouvement est le déséquilibre dans une machine à laver, où la machine tremble à une fréquence égale à la rotation du tourniquet. Dans la surveillance d’état, vous pouvez utiliser des mesures de vibration pour indiquer l’état des machines rotatives telles que les compresseurs, les turbines ou les pompes. Ces machines se composent d’une variété de pièces, et chacune d’entre elles génère un modèle ou une signature unique. En analysant l’évolution des différentes signatures vibratoires au fil du temps, vous pouvez prédire quand une machine tombera en panne et programmer correctement la maintenance pour améliorer la sécurité et réduire les coûts.

Figure 1 : Les structures peuvent céder si leurs fréquences naturelles correspondent aux vibrations environnementales.
Figure 1. Structures may fail if their natural frequencies match environmental vibration.

Mesure de vibrations 

 

Les vibrations sont généralement mesurées à l’aide d’un capteur piézoélectrique en céramique ou d’un accéléromètre. La plupart des accéléromètres s’appuient sur l’utilisation de l’effet piézoélectrique, qui se produit lorsqu’une tension est générée à travers certains types de cristaux pendant qu’ils sont sollicités. L’accélération de la structure d’essai est transmise à une masse sismique à l’intérieur de l’accéléromètre, qui génère une force proportionnelle sur le cristal piézoélectrique. Cette contrainte externe exercée sur le cristal génère alors une charge électrique à haute impédance, proportionnelle à la force appliquée et donc proportionnelle à l’accélération. 

 

 

 

Il existe deux types courants d’accéléromètres : Accéléromètres piézoélectriques (mode de charge) et accéléromètres piézoélectriques électroniques intégrés (IEPE, Integrated Electronic Piezoelectric).

 

Les accéléromètres sont des transducteurs à contact total généralement montés directement sur des éléments à haute fréquence, tels que des paliers à roulement, des boîtes de vitesses ou des pales en rotation. Ces capteurs polyvalents peuvent également être utilisés pour les mesures de choc, telles que les tests d’explosion et de défaillance, et les mesures de vibrations à basse fréquence et lentes. Les avantages d’un accéléromètre incluent la linéarité sur une large gamme de fréquences et une large gamme dynamique.

 

Les accéléromètres en mode charge nécessitent un amplificateur externe ou un convertisseur de charge en ligne pour amplifier la charge générée, réduire l’impédance de sortie pour la compatibilité avec les périphériques de mesure et minimiser la susceptibilité aux sources de bruit externes et à la diaphonie.

 

Les accéléromètres IEPE sont munis d’un amplificateur sensible à la charge intégré. Cet amplificateur accepte une source de courant constante et fait varier son impédance par rapport à une charge variable sur le cristal piézoélectrique. Le matériel de mesure conçu pour ces types d’accéléromètres fournit un courant d’excitation intégré pour l’amplificateur. Vous pouvez alors mesurer ce changement d’impédance comme un changement de tension aux entrées de l’accéléromètre.

 

Un autre capteur pouvant être utilisé pour mesurer les vibrations est la sonde de proximité. Contrairement aux accéléromètres, qui mesurent l’accélération pour déterminer les vibrations, les sondes de proximité sont des transducteurs sans contact qui mesurent la distance vers une cible. Ces capteurs sont presque exclusivement utilisés dans les machines rotatives pour mesurer les vibrations d’un arbre. Un exemple d’application courante est la surveillance des machines et les mesures de protection pour les systèmes mécaniques tels que les turbomachines. En raison de la souplesse des roulements à film fluide et de la lourdeur du boîtier, les vibrations ne se transmettent pas bien au boîtier externe. Il faut donc utiliser des sondes de proximité au lieu d’accéléromètres pour mesurer directement le mouvement de l’arbre.

 

Figure 2 : Les accéléromètres sont des capteurs polyvalents utilisés pour les vibrations haute ou basse fréquence ainsi que pour les mesures de choc.
Figure 2. Accelerometers are versatile sensors used for high or low frequency vibration as well as shock measurements.
Figure 3 : Les accéléromètres IEPE produisent des signaux de tension proportionnels à la force des vibrations sur le cristal piézoélectrique.
Figure 3. IEPE accelerometers output voltage signals proportional to the force of the vibration on the piezoelectric crystal.

Choisir le bon accéléromètre

 

Puisque les accéléromètres sont si polyvalents, vous pouvez choisir parmi une variété de modèles, de tailles et de gammes. La compréhension des caractéristiques du signal que vous souhaitez mesurer et des éventuelles contraintes environnementales peut vous aider à trier toutes les différentes spécifications électriques et physiques des accéléromètres.

 

 

Amplitude des vibrations

 

L’amplitude ou la gamme maximale des vibrations que vous mesurez détermine la plage du capteur que vous pouvez utiliser. Si vous essayez de mesurer des vibrations en dehors de la plage du capteur, la réponse est déformée ou tronquée. En général, vous utiliserez un accéléromètre pour surveiller les niveaux de vibration élevés avec une sensibilité et une masse plus faibles.

 

 

 

Sensibilité

 

La sensibilité est un des paramètres les plus importants pour les accéléromètres. Il décrit la conversion entre la vibration et la tension à une fréquence de référence, telle que 160 Hz. La sensibilité est spécifiée en mV par G. Si la sensibilité typique de l’accéléromètre est de 100 mV/G et que vous mesurez un signal de 10 G, vous pouvez prévoir une sortie de 1 000 mV ou 1 V. La sensibilité exacte est déterminée par l’étalonnage et est généralement répertoriée dans le certificat d’étalonnage fourni avec le capteur. La sensibilité dépend aussi de la fréquence. Un étalonnage complet sur l’ensemble de la gamme de fréquences utilisable est nécessaire pour déterminer comment la sensibilité varie avec la fréquence. La figure 4 montre les caractéristiques typiques de la réponse en fréquence d’un accéléromètre. En général, utilisez un accéléromètre à faible sensibilité pour mesurer des signaux de forte amplitude et un accéléromètre à haute sensibilité pour mesurer les signaux de faible amplitude.

 

 

Nombre d’axes

 

Vous pouvez choisir entre deux types d’accéléromètres axiaux. L’accéléromètre le plus courant mesure l’accélération sur un seul axe. Ce type d’accéléromètre est souvent utilisé pour mesurer des niveaux de vibrations mécaniques. Le deuxième type est un accéléromètre triaxial. Cet accéléromètre est capable de créer un vecteur d’accélération 3D sous forme de composantes orthogonales. Utilisez ce type lorsque vous devez déterminer le type de vibration (latérale, transversale ou rotative, par exemple).

 

 

Pondération

 

Les accéléromètres devraient peser nettement moins que la structure que vous surveillez. L’ajout d’une masse à la structure peut modifier ses caractéristiques vibratoires et peut potentiellement conduire à des données et des analyses inexactes. Le poids de l’accéléromètre ne doit généralement pas dépasser 10 % du poids de la structure d’essai.

 

 

Options de montage

 

Un autre élément à prendre en compte pour votre système de mesure de vibrations est la fixation de l’accéléromètre sur la surface cible. Vous pouvez choisir parmi quatre méthodes de montage courantes :

 

  • Embouts à main ou à sonde
  • Magnétique
  • Adhésif
  • Montage sur goujons

 

Le montage sur goujons est de loin la meilleure technique de montage, mais elle nécessite de percer le matériau cible et est généralement réservée à l’installation permanente de capteurs. Les autres méthodes permettent une fixation temporaire. Les différentes méthodes de fixation ont toutes un impact sur la fréquence mesurable de l’accéléromètre. En général, plus la connexion est lâche, plus la limite de fréquence mesurable est basse. L’ajout d’une masse quelconque à l’accéléromètre, comme une base de montage adhésive ou magnétique, abaisse la fréquence de résonance, ce qui peut affecter la précision et les limites de la gamme de fréquences utilisable de l’accéléromètre. Consultez les spécifications de l’accéléromètre pour déterminer la manière dont les différentes méthodes de montage affectent les limites de mesure de fréquence. Le tableau 1 montre les limites de fréquence habituelles pour un accéléromètre de 100 mV/G.

 

 

 

Tableau 1. Limites de fréquence pour le montage d’un accéléromètre 100 mv/G.

 

 

 

La figure 5 montre les gammes de fréquences approximatives des différentes techniques de montage, notamment montages sur goujon, les montages adhésifs, les montages sur aimant et les montages sur bloc triaxial.

 

Contraintes environnementales

 

Lorsque vous choisissez un accéléromètre, tenez compte des paramètres environnementaux critiques tels que la température de fonctionnement maximale, l’exposition à des produits chimiques nocifs et l’humidité. En raison de leur construction robuste et fiable, vous pouvez utiliser la plupart des accéléromètres dans des environnements dangereux. Pour une protection supplémentaire, les accéléromètres industriels fabriqués en acier inoxydable peuvent protéger les capteurs de la corrosion et des produits chimiques.

 

Utilisez un accéléromètre en mode de charge si le système doit fonctionner dans des températures extrêmes. Comme ces accéléromètres ne contiennent pas d’électronique intégrée, la température de fonctionnement n’est limitée que par l’élément de détection et les matériaux utilisés dans la construction. Cependant, comme ils n’ont pas de conditionnement et d’amplification de charge intégrés, les accéléromètres en mode charge sont sensibles aux interférences environnementales et nécessitent un câblage à faible bruit. Si l’environnement est bruyant, utilisez un convertisseur de charge en ligne ou un capteur IEPE avec un amplificateur de charge intégré.

 

Les spécifications d’humidité sont définies par le type de joint sur l’accéléromètre. Les joints les plus courants sont les joints hermétiques, époxy ou environnementaux. La plupart de ces joints peuvent résister à des niveaux élevés d’humidité, mais NI recommande un joint hermétique pour l’immersion dans un fluide et une exposition prolongée à une humidité excessive.

 

 

Coût

 

Bien que les accéléromètres en mode de charge et IEPE aient des coûts similaires, les accéléromètres IEPE ont un coût nettement inférieur pour les plus grands systèmes multicanaux, car ils ne nécessitent pas de câbles spéciaux à faible bruit et d’amplificateurs de charge. De plus, les accéléromètres IEPE sont plus faciles à utiliser, car leur fonctionnement et leur maintenance requièrent moins de soins, d’attention et d’efforts.

Figure 4. Accelerometers have a wide usable frequency range where sensitivity is relatively flat.
Figure 5. The different frequency ranges of different mounting techniques.

Conditionnement du signal pour les accéléromètres

 

Lorsque vous préparez un accéléromètre pour qu’il soit correctement mesuré par un périphérique DAQ, vous devez tenir compte des facteurs suivants pour vous assurer que vous répondez à toutes vos exigences en matière de conditionnement du signal :

 

  • L’amplification pour augmenter la résolution de la mesure et améliorer le rapport signal/bruit
  • Courant d’excitation pour alimenter les amplificateurs de charge dans les capteurs IEPE
  • Couplage en courant alternatif pour éliminer l’offset en courant continu afin d’augmenter la résolution et de profiter de la gamme complète du périphérique d’entrée
  • Le filtrage pour supprimer les bruits externes à haute fréquence
  • Mise à la terre appropriée pour éliminer les bruits du flux de courant entre différents potentiels de masse
  • Gamme dynamique pour mesurer toute la gamme d’amplitude de l’accéléromètre

 

Pour en savoir plus sur la façon de conditionner, d’acquérir, d’analyser et d’afficher des mesures d’accéléromètres, téléchargez le Guide de l’ingénieur pour des mesures précises avec un capteur.

Connexion des accéléromètres au matériel NI

 

Une fois que vous connaissez vos besoins en matière de capteur ou de test, la prochaine étape importante consiste à choisir le matériel pour collecter ces données. La qualité du matériel d’acquisition détermine la qualité des données que vous collectez.

 

NI propose une série de matériels pour son et vibrations, qui peut recueillir des données vibratoires et compatibles avec divers capteurs IEPE.

 

Pour vérifier la compatibilité entre un périphérique NI pour son et vibrations et un capteur IEPE, un microphone, etc., utilisez le guide Tension d’excitation et de conformité pour les capteurs IEPE dans les cartes NI. Si un préamplificateur est utilisé, le matériel NI pour son et vibrations fonctionne toujours, mais les caractéristiques du signal peuvent changer. Vérifiez que la sortie du préamplificateur respecte la gamme d’entrée du matériel pour son et vibrations. De la même manière, dans le cas des capteurs non-IEPE, assurez-vous que la sortie du capteur est adaptée aux capacités d’entrée du périphérique.

Vous cherchez un capteur ?

 

NI propose des capteurs piézoélectriques à circuit intégré, ou ICP®, de type PCB. ICP® est une marque déposée de PCB Piezotronics, Inc. et fait référence aux capteurs d’accélération et de vibration IEPE (Integrated Electronic Piezoelectric) qu’elle fabrique. Les capteurs sont disponibles en format universel, industriel, triaxial et marteau d’impact.

Configuration matérielle simple

Associez votre accéléromètre au matériel recommandé

L’offre groupée CompactDAQ Sound and Vibration simplifie la connexion de votre accéléromètre ou de votre capteur de vibrations avec un ensemble de modules de son et de vibrations et un châssis CompactDAQ.

Autres produits pour la mesure des vibrations

 

Les produits suivants s’interfacent avec des accéléromètres pour mesurer les signaux de vibration. Utilisez ces produits pour les tests audio, la surveillance d’état des machines et les applications de bruit, de vibration et de rudesse (NVH). Ces produits fonctionnent à la fois pour les mesures de son et de vibrations. Apprenez-en plus sur la mesure du son avec des microphones pour choisir les bons capteurs et les utiliser avec les produits NI.

Méthode Limite de fréquence
Portable 500 Hz
Magnétique 2000 Hz
Adhésif 2500 à 5000 Hz
Goujons 6000 Hz

 

 

Références

  • Lally, Jim. “ACCELEROMETER SELECTION CONSIDERATIONS, Charge and ICP® Integrated Circuit Piezoelectric.” PCB Group Inc. 2005. https://www.pcb.com/techsupport/docs/vib/TN_17_VIB-0805.pdf
  • « Introduction aux accéléromètres ICP®. » PCB Piezoelectronics. http://www.pcb.com/techsupport/tech_accel
  • “Steps to selecting the right accelerometer.” Endevco. https://www.endevco.com/news/newsletters/2012_07/tp327.pdf