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2014-2015Capteurs piézoélectriques
Travail réalisé par:
DIMOKRATI Ahmed
Sous la supervision de:
Pr Abdelmajid BENHIDA
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2014-2015Capteurs piézoélectriques
Travail réalisé par:
DIMOKRATI Ahmed
Sous la supervision de:
Pr Abdelmajid BENHIDA
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2014-2015Capteurs piézoélectriques
Travail réalisé par:
DIMOKRATI Ahmed
Sous la supervision de:
Pr Abdelmajid BENHIDA
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Sommaire
Généralités sur la piézoélectricité :………………………………………………….……………………………………3
L’effet piézoélectrique :..............................................................................................................................3
Quelques matériaux piézoélectriques :......................................................................................................4
Applications des capteurs piézoélectriques:……………………………..………………………………………5
Accéléromètre piézoélectrique:……………………………………….…………………………………………………….6
Introduction :..............................................................................................................................................7
Principe de fonctionnement d’un accéléromètre piézoélectrique : ..........................................................7
Caractéristiques métrologiques:……………………………………….……………………………………………………8
La réponse en fréquence :..........................................................................................................................8
Fréquence de résonance, capteur fixé : .....................................................................................................9
Etendu de mesure ....................................................................................................................................10
Sensibilité .................................................................................................................................................10
Linéarité ....................................................................................................................................................11
Grandeurs d'influences:……………………..……………………………………………………………………………………12
Effet de la température : ..........................................................................................................................12
Effet du champ magnétique :...................................................................................................................12
Le vieillissement .......................................................................................................................................12
Conditionnement de signal:…………………………………………………………………………………………………..13
Fiche technique (exemple):……………………………………..…………………………………………..………………..16
Conclusion:……………………………………………………………………………………….…………………………………………..17
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Généralités sur la piézoélectricité :L’effet piézoélectrique :
La piézoélectricité (du grec « piézein » presser, appuyer) est la propriété possédée par
certains corps qui se polarisent électriquement sous l’action d’une contrainte
mécanique. Inversement, ces corps peuvent se déformer sous l’action d’un champ
électrique. Ce phénomène a été découvert au XIXème siècle par les frères Pierre et
Jacques Curie
Becquerel a montré qu’il existe une relation entre la pression exercée sur le cristal et la
tension produite.
La constante piézoélectrique change avec le matériau utilisé. Cette constante est obtenue à
partir d’expériences rigoureuses dans les laboratoires. Dans le tableau ci-contre sont
présentées les constantes piézoélectriques des matériaux les plus utilisés
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Tableau 1 : comparatif des deux types de cristals Tableau 2 : quelques constantes piézoélectriques
Quelques matériaux piézoélectriques :
Rapidement après la découverte de la piézoélectricité, plusieurs matériaux ayant cette
caractéristique ont été trouvés. Néanmoins des nouveaux matériaux continuent à apparaître,
toujours avec des meilleures caractéristiques et performances. Maintenant les matériaux,
leurs présentations, leurs tailles, peuvent s’adapter à leurs applications pratiques et non
l’inverse comme on le faisait il y a quelques années. C’est pour cela que les innovations
dans le domaine de la piézoélectricité sont à l’ordre du jour.
Les matériaux piézoélectriques peuvent être soit des cristaux ou matières minérales
naturelles, soit des créations de l’homme.
Cristaux naturels
Berlinite.
Quartz
Topaze.
D’autres matériaux
L’os
L’émail dentaire.
Ceramiques et cristaux fabriquées par l’homme
Phosphate de gallium,
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Titanate de barium.
Sodium tungstane.
Lithium niobate.
Titanate zirconate de plomb nommé PZT par ses sigles en
anglais. Ses propriétés piézoélectriques sont efficaces pour
fabriquer des outils de type capteurs ou actionneurs. Les
plaques piézoélectriques que l’on a acheté aux État-Unis sont
en PZT.
Ceramiques sans plomb fabriquées par l’homme
Sodium potassium niobate.
Ferrite de bismuth.
Titanate de bismuth.
Polymères (Substance composée de macromolécules)
Polyvinylide fluoride
Polyvinylide de flouride en boules de gel
Figure 2 : les différents matériaux piézoélectriques
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Quelques applications des matériauxpiézoélectriques « capteurs » :La première application industrielle et la plus présente de nos jours des
piézoélectriques est pour des capteurs, ils sont appelés transducteurs piézo-électriques.
Grâce à la capacité des piézoélectriques de créer une tension dès qu’une force leur est
appliquée, ils sont utilisés pour une grande variété de capteurs :
• Accéléromètres : Un cylindre avec une bille et un capteur piézoélectrique sur
chaque base permet de détecter le mouvement et la vitesse sur un axe. Plusieurs
accéléromètres sont placés dans les systèmes pour pouvoir capter le mouvement sur
tous les axes comme dans la manette de la console de jeux vidéo Wii ou dans quelques
systèmes de sécurité routière.
• Capteurs de vibration : des capteurs piézoélectriques sont utilisées pour capter les
vibrations qui sont aussi une action mécanique comme sur des systèmes anti cambriolage
des voitures et le phonographe.
• Capteurs de vibrations sonores : la première application, comme beaucoup de
systèmes innovants, a été développé par l’armée. Un système qui capte des vibrations
ultrasonores créés par lui même, grâce à une plaque de quartz, peut faire une image d’un
environnement invisible ou lointain (en calculant le temps d’aller-retour de l’onde émise
puis réfléchie) : c’est le premier sonar. De plus, ces capteurs sont utilisés pour des
microphones.
• Capteurs d’impact : Des transducteurs sont placées dans des systèmes où l’on
veut calculer la force appliquée et le moment de son application comme dans des
batteries (instrument de musique) électriques ou des capteurs de proximité comme dans le
métro japonais ou les escaliers électriques qui s’actionnent uniquement quand les
matériaux envoient un signal de présence d’un utilisateur.
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Accéléromètre piézoélectrique :Introduction :
Les vibrations font partie intégrante de notre univers. Le moindre mouvement entraîne des
vibrations d'amplitude et de durée variables, depuis l'oscillation lente d'un pont suspendu
excité par le vent jusqu'au choc engendré à l'atterrissage par un avion, en passant par le
bruit des moteurs de nos voitures. Cet environnement vibratoire est ressenti par l'ensemble
des équipements que nous utilisons dans la vie courante et peut engendrer des
dysfonctionnements allant jusqu'à la destruction du matériel en question.
Donc il est nécessaire de mesurer ces vibrations et prévoir des méthodes qui permettent de
diminuer leurs intensités.
Figure 3 : représentation schématique d’un accéléromètre
Principe de fonctionnement d’un accéléromètre piézoélectrique :Une masse dite la masse sismique est attaché à une face du matériau piézoélectrique, l’autre
coté est monté sur le corps du capteur, lorsque le corps subit des vibrations, la masse
sismique sens la même vibration en intensité mais avec un retard de phase due a la force
d’inertie, donc le matériau subira des compressions et attractions avec la même fréquence
que celle des vibrations, une charge est générée proportionnelle a la force, qui est a son
tour proportionnelle a l’accélération.
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Les caractéristiques métrologiques d’unaccéléromètre piézoélectrique :La réponse en fréquence :
Le matériau piézoélectrique lorsqu’il subit des déformations il génère une charge électrique
qui sera accumulée sur les surfaces de ces électrodes, cette charge peut être facilement
dissipée a cause de plusieurs facteurs, mais principalement a cause de l’impédance d’entrée
des dispositifs électroniques connectés, ce qui engendre une perte d’information avant
qu’on puisse la récupérer totalement, par conséquent un accéléromètre ne présente aucun
intérêt pour les forces statique, en effet il se comporte en fréquence comme un filtre passe-
haut
Fi
La bande de fréquence utile, la réponse d’un accéléromètre doit être proportionnelle a
l’accélération, cela n’est vrai que si le capteur opère dans la bande de fréquence utile, c’est
la bande de fréquence pour laquelle le rapport sortie/entrée est constant (réponse linéaire).
Pour certaines valeurs élevées de fréquence le système présente un phénomène de résonance.
Figure 4: reponsea une force
statique
Figure 5:reponse enfrequence
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Fréquence de résonance, capteur fixé :La fréquence de résonance, accéléromètre monté, est la fréquence à laquelle sa sensibilité est
maximale (voir Figure 3), elle est précisée en hertz (Hz). Les accéléromètres en général,
montrent une fréquence de résonance supérieure à 20kHz allant quelquefois jusqu'à 90
kHz selon la construction interne utilisée. Comme son nom l’indique, elle est le résultat de
résonance naturelle de la structure mécanique de l’accéléromètre. La fréquence de résonance
de l’accéléromètre « non monté » en espace libre serait plus élevée mais n’est pas utilisable
pour les applications de mesure. C’est la raison pour laquelle la fréquence de résonances est
spécifiée « accéléromètre monté ».
Concevoir et produire un accéléromètre ayant une fréquence de résonance montée avec une
certaine tolérance n’est pas un but des fabricants. Au lieu de cela, ils préfèrent spécifier
une fréquence de résonance inférieure, assurant à l’utilisateur que le point de résonance ne se
produira au dessous du minimum.
La fréquence de résonance est un « facteur de mérite » qui fixe la limite supérieure de la
bande de fréquence de l’accéléromètre.
Figure 6 : pic de réponse fréquentielle a la fréquence de résonance
Pour les accéléromètres piézo-électriques, dont la structure mécanique est presque entièrement
non amortie, l'amplitude du pic de résonance peut être très élevée, ce qui entraîne une sensibilité
beaucoup plus élevée que la sensibilité de référence spécifiée.
En tant que tel, toute vibration à ou près de la fréquence du pic de résonance sera fortement
amplifiée, ce qui entraîne des mesures déformées et des données corrompues. Un objectif de
conception des fabricants, alors, est d’avoir le point de fréquence de résonance « capteur
monté » aussi haut que possible avec l'intention que ce point soit bien au-delà de toutes les
fréquences de vibration de l’application. L'utilisateur doit également veiller à ce qu'aucune
des composantes de fréquence de vibration soient, à ou près du point de fréquence de
résonance du capteur monté.
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Notez que la fréquence de résonance capteur monté est spécifiée en supposant des conditions
idéales de montage de l’accéléromètre. Tout comme le fabricant peut influer sur le point de
fréquence de résonance capteur monté selon l'accéléromètre utilisé, la structure mécanique elle-
même, peut aussi apporter des facteurs structurels externes devant être sous le contrôle de
l’utilisateur. Les caractéristiques de la fréquence de résonance mécanique dépendent de l’élasticité
des matériaux et de l’amortissement.
Une fixation de l’accéléromètre insuffisamment rigide augmentera l’amortissement, ce qui se
traduira par l’apparition d’un pic de résonance à une fréquence inférieure à celle de la résonance
initiale.
La fixation de l’accéléromètre est un point critique pouvant dégrader la réponse en fréquence et la
qualité de la mesure
Etendu de mesure :Etendu de mesure est limité :
Vers le bas par les bruits électriques du au câble de liaison et a l’amplificateur, et les
effets pyroelectriques éventuels, avec un accéléromètre de sensibilité 10 pC/g, cette
limite est d’environ 0.001g.
Vers le haut par la solidité structurelle du capteur soit couramment et selon la
sensibilité, 5000 a 10000 g, voir 100000 g pour les chocs violents.
Sensibilité :La sensibilité de l'accéléromètre, parfois appelée le «facteur d'échelle" de l'accéléromètre,
est le ratio du signal électrique en sortie et l’entrée mécanique. (Notez qu'un capteur est
généralement défini comme un dispositif qui convertit une forme d'énergie en une autre).
Un accéléromètre est tout simplement un transducteur qui convertit une accélération
mécanique en un signal électrique proportionnel (sensibilité).Typiquement exprimée en
termes de mV / g ou pC / g, elle n’est valable que pour une seule fréquence, la fréquence
pour laquelle l’accéléromètre a été étalonné, de façon classique 100 Hz ou 120 Hz selon le
lieu de fabrication. Comme la plupart des accéléromètres sont influencés dans une certaine
mesure par la température, la sensibilité n’est aussi valable que sur une gamme étroite de
température, généralement de 25 ± 5 °C (température à laquelle l’accéléromètre a été
étalonné). En outre, la sensibilité n'est également valable que pour une certaine
accélération, généralement de 5 g ou 10 g selon le fabricant. La sensibilité est parfois
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spécifiée avec une tolérance, généralement ± 5% ou ± 10%. Ceci assure à l'utilisateur que
la sensibilité de l'accéléromètre restera dans cet écart par rapport à la sensibilité nominale
déclarée. Dans presque tous les cas, les accéléromètres sont fournis avec un certificat
d'étalonnage indiquant sa sensibilité exacte (dans les limites de l'incertitude de mesure).
La sensibilité exacte appelée « sensibilité de référence » est exprimée en pourcentage
ou en dB de la valeur trouvée lors de l’étalonnage pour la réponse en fréquence
indiquée par le constructeur.
Linéarité :Il y a plusieurs façons de spécifier la linéarité d'amplitude. La plus restrictive est
de la préciser en pourcentage de la lecture, typiquement de ± 1%, pour toute lecture à
l’intérieur de l’étendue de mesure pleine échelle du capteur.
Il s'agit d'une spécification de tolérance étroite, car elle signifie que la sensibilité de
l'accéléromètre ne peut pas varier de plus de ± 1% à n'importe quel point dans la plage
d'étendue de mesure.
Une façon beaucoup moins restrictive et plus pratiquée, est de spécifier la linéarité par
« paliers », par exemple: la sensibilité augmente de 1% par 500 g, de 0 à 2000 g. Cela
signifie qu'à l'extrémité supérieure de la plage d'amplitude, la sensibilité peut varier de
4% par rapport à celle de l'extrémité inférieure de la même plage d'amplitude.
Les erreurs de linéarité d'amplitude provoquent une distorsion du signal, en particulier
dans les accélérations de forte amplitude. Dans les environnements où plusieurs
fréquences de vibration sont présentes, la distorsion peut entrainer une intermodulation
et la création de fréquences non présentes mécaniquement au niveau de l’accéléromètre.
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Grandeurs d’influenceEffet de la température :
La température a certainement des effets sur le fonctionnement d’un accéléromètre piézo-
électrique, en effet les matériaux piézo-électriques sont des matériaux pyro-électrique,
(c.à.d. il génère une charge électrique en présence d’une variation de la temperature), cette
variation peut engendrer une déformation du matériau piézo-électrique qui n’a rien avoir
avec l’accélération qu’on mesure, encore plus que ca, lorsque le matériau est attache aux
autres matériaux (la masse séismique) ayant des coefficients de dilatation thermique
différents, d’autres contraintes indésirables entre en jeu, heureusement, tant que ces
variations sont assez lentes elles seront atténuées pendant le processus de mesure grâce au
comportement fréquentiel du capteur (filtre passe-haut).
Effet du champ magnétique :Généralement, autour des machines qui fonctionnent a 50Hz et plus en fréquence il règne
un champ magnétique de fort intensité, la sensibilité aux radiations magnétiques pour
certaines accéléromètres est de 0.01 T elle est souvent négligeable dans les conditions
normales.
Le vieillissement :Le vieillissement est l’évolution irréversible de certaines caractéristiques de capteur sous
l’influence de l’un ou de l’autre des facteurs : temps, température, sollicitations mécanique,
le paramètre le plus critique est la sensibilité d’accéléromètre elle-même.
Toutes fois les matériaux modernes sont pratiquement aussi stables et sur des capteurs
placés dans des conditions normales d’emploi on n’arrive en générale pas a déceler
l’évolution de caractéristique sur plusieurs années.
Le vieillissement peut cependant être gênant et aller jusqu'à une perte importante de
sensibilité de capteur si les conditions thermiques de fonctionnement sont dures
(fonctionnement permanent à une température très proche de la température limite
d’emploi).
Conditionnement de signal :Un accéléromètre peut être modélisé en première approximation par une source de tension
Q/Ce et la réactance associée Ce plus une résistance Rs.
Ils existent plusieurs montages et techniques qui assurent le conditionnement d’un signal
issu du capteur, ici on a choisi les deux montages les plus simples utilisés, qui sont à la
base d’un amplificateur opérationnel.
Figure 7 : montage (A) amplificateur de tension
en calculant la fonction de transfert associee a ce montage on trouve que :
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Il est clair qu’il sagit d’un filtre passe haut, en effet pour les frequences satisfaisants
La fonction de transfert vaut : qui est
indépendante de la fréquence, on constate qu’elle dépend de la capacité du câble de
liaison Cc qui peut engendrer des atténuations pour Cc grande (câble longue).
La réponse en fréquence est montrée sur la figure suivante :
Figure 4: réponse en fréquence associée au montage A Figure 5 : réponse en fréquence associée au montage B
On peut remédier au problème du câble en utilisant le circuit de conditionnement suivant :
Figure 8 : montage(B) amplificateur de charge
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Ce montage porte le nom d’un amplificateur de charge, la fonction de transfert
correspondante est donnée par :
Pour : la fonction de transfert vaut :
Et on constate que la réactance du câble de liaison n’a aucun effet sur la réponse du capteur.
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Exemple d’une Fiche technique d’unaccéléromètre piézoélectrique :
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ConclusionIl n’existe pas de bons ou de mauvais accéléromètres mais des instruments
répondant à des applications.
Aujourd’hui, les accéléromètres piézoélectriques avec ou sans électroniques incorporées
existent sous différentes formes et dotés de caractéristiques différentes pour des coûts
ridicules jusqu’à des coûts d’instruments de mesure.
Les différences résident dans les technologies utilisées mais aussi dans le savoir faire des
constructeurs. De l’approvisionnement au tri des composants jusqu’à l’étalonnage et au
contrôle final un nombre d’opérations est indispensable pour un instrument de mesure et
toutes les étapes doivent- être concentrées sur un seul site pour contrôler la qualité du
produit.
Récapitulatif des Caractéristiques principales d’un accéléromètre piézoélectrique :
Les plus utilisés pour la mesure de chocs moyens et de vibration
Grande bande passante mais ne passe pas le continu (0.2Hz-30KHz)
Plage de température disponible très grande pour les versions en « sortie charge »
(-200;+650°C), moins pour les versions IEPE cependant celles-ci sont moins
Sensibles aux parasites externes.
Taille très variable, adaptée à la configuration d’essai (0.2g pour le plus petit)
Technologie robuste, mature.
