19 Février 2013  |  Capteurs
Publié dans La Revue POLYTECHNIQUE 11/2012

Une technologie de mesure d’inclinaisons, d’accélérations et de vibrations

Pour la mesure et le contrôle de l’accélération et des vibrations, d‘une part, un degré élevé de robustesse et de fiabilité est nécessaire, ainsi qu’une haute stabilité et une précision à long terme est attendue. Grâce à la technologie Bulk-MEMS consistant en un pendule de silicium permet d’atteindre ces conditions spécifiques.
 
La méthode d’inertie utilisée consiste à un pendule animé soit par l’accélération, soit par des vibrations. La masse mobile est disposée entre deux plaques de condensateur. Son mouvement modifie les valeurs électriques capacitives. Cette méthode qui a fait ses preuves est particulièrement utile, là où les exigences de précision, de variations de température, de chocs et de vibrations parasites sont particulièrement élevés.
 
 
 
La technologie «Surface» «Bulk»-MEMS
En général, il est admis que par capteurs d’accélérations MEMS, on parle de technologie «Surface» MEMS. Contrairement à la technologie «Bulk»-MEMS taillé dans bloc de silicium.
La technologie «Surface» MEMS utilise un silicium monolithique dont les couches sont successivement retirées du substrat de base. Il en résulte une multitude de petits doigts très fins dont la quantité, la longueur et la section dépendent de la mesure et de la résolution déterminée. L’avantage de cette technologie  réside dans la possibilité d’intégration monolithique peu coûteuse, mais l’inconvénient est le faible signal obtenu par rapport au bruit de fond, ainsi que la sensibilité aux chocs et aux vibrations (collage ou rupture des doigts). La dépendance aux variations de températures et l’effet d’hystérèse sont relativement élevées. Par conséquent, ces capteurs sont très peu coûteux et assez précis pour la plupart des applications grand public, tels que téléphones mobiles, iPod, consoles de jeu, etc.
 
 
Le pendule en technologie «Bulk» MEMS est gravé dans un morceau de silicium très pur. Cette masse de mesure est hermétiquement isolée entre deux plaques de silicium, formant les deux plaques fixes du condensateur. Cette enceinte hermétique offre une protection élevée contre l’humidité.  Par une pression du gaz enfermé dans cette enceinte étanche, on crée un amortissement du système mobile («Frequency Response») étalonée par rapport à l’usage demandé, les sur-oscillations sont amorties et les vibrations parasites éliminées. Le matériel monocristallin confère au pendule une énorme résistance aux chocs (70’000 g environ) et mesure sans aucune variation du point zéro après un impact. Un autre grand avantage de la technologie «Bulk» MEMS sont une haute protection contre le collage et la rupture d’un doigt, ainsi qu’un signal électrique utile relativement élevé. Des résolutions de la plage de mesure jusqu‘à 0,001 % et une répétabilité < 0,01 % sont possibles. La conception symétrique du pendule diminue sensiblement le coefficient thermique; de plus, la compensation active du capteur permet encore de l’améliorer. Au moyen d’une compensation active, on obtient un coefficient de 0,02 % environ de la gamme de mesure. L’hystérésis de température (pas reproductible lors de changement de températures) est difficile à mesurer; elle varie de 0,001 % environ.
 
Ce graphique nous montre ce qui suit:
Le graphique «Underdamped» montre une sur oscillation, élément pas amortit suffisamment.
Les graphiques «Overdamped» et «Critically damped» montrent l’amortissement d’un élément amorti par ungaz.
 
Le gaz d’amortissement dans l’élément de mesure permet un contrôle de l’amortissement de la vibration (mesure d‘inclinaison, par exemple). Il évite les sur-oscillations lors de résonnances, ainsi que les dépassements dynamiques lors des mesures de vibrations.
 
Mesures d’inclinaisons
En principe le même capteur permet de mesurer l’inclinaison, l’accélération et les vibrations. Pour la mesure d’inclinaison, la masse de mesure (le pendule) est dirigée perpendiculairement par rapport à l’horizontale soit contre le centre de la Terre. Lorsque le capteur s’incline, la masse tend à garder sa position verticale due à la gravité terrestre. Le comportement du signal de sortie, par rapport à l’angle formé par le capteur, est sinusoïdale. Sa résolution maximum est donnée pour un angle de 0°.
 
Pour un capteur  ± 1 g (qui équivaut à ± 90°) l‘inclinaison 0….45° correspond à 1,41 Vet de 45…..90 °C, elle n’est plus que de 0,59 V.
 
Les applications les plus courantes de cette technologie concernent les mesures ou contrôles d’inclinaisons, dans les ascenseurs, grues, rampes, plates-formes, l’équilibrage de grandes structures et, sous certaines conditions,  le domaine de la manutention, des robots multi-bras et machines diverses.
En position horizontale, le signal de sortie est de 2,5 V (pour une variation totale de 0,5… 4,5 V) ou 12 mA (pour  4... 20 mA). En fonction de l’environnement mécanique, il peut être utile d’ajuster le signal de sortie par rapport à une position souhaitée et déterminée, par exemple, un ajustage au point zéro. La répétabilité élevée est garantie dans tous les cas, surtout pour des applications, telles que le nivellement de plates-formes. Le comportement sinusoïdal du signal de sortie est excellent; plus on se rapproche du point 0 plus la précision et la résolution sont grandes.
Pour éviter les interférences des vibrations parasites lors de mesures d’inclinaison, on obtient des capteurs ayant un amortissement à gaz (bis 18 Hz) et un amortissement électrique.
Les capteurs «Bulk» MEMS parviennent à une résolution de 0,0004° ou 7 mg (1 Hz de bande passante),  une reproductivité supérieure à 0,01°, une stabilité à long terme de 0,036° sur dix ans, simulée par des tests cycliques de chocs thermiques selon les normes de l’industrie automobile.
 
Exemple d’un montage
 
Un exemple typique est la mise à niveau des plates-formes pour les grues ou les ascenseurs: les systèmes de surveillance ont été en partie réalisé avec des interrupteurs au mercure. Bien que cela puisse être relativement facile à intégrer dans un contrôleur, cela ne procure qu’une seule fonction «Marche/Arrêt». Une mise à niveau automatique a été difficile à effectuer, parce que dans ce processus, ni la direction, ni la mesure de l’inclinaison réelle ne sont connues. Les capteurs d’inclinaison ne sont pas encore souvent utilisés, en particulier parce qu’ils sont trop imprécis, trop délicats, ou étaient tout simplement trop chers. Les capteurs à technologie «Bulk»-MEMS permettent une haute résolution, une grande précision, ainsi qu’une stabilité pour un usage difficile. Grace à un haut degré de rationalisation, ces capteurs peuvent être fabriqués à moindre coût. L’application permet la compensation automatique d’inclinaison et, de ce fait, l’automatisation précise du nivellement. On peut également contrôler la position du godet, afin qu’il présente toujours le même profil en excavation, indépendamment de la position de la pelle mécanique. En outre, dans les applications mécaniques, la précision de l’application peut être grandement améliorée avec compensation automatique de l’inclinaison.
Voici une autre application: la mise à niveau d’un terrain ou la réalisation d’un trou au moyen d’une pelle-mécanique:
 
On mesure l’inclinaison en divers endroits. Ces données sont introduites dans un automate, qui régule les angles et hauteurs de la pelle et corrige automatiquement le nivellement. Malgré les conditions de travail de chantier, ceci est possible grâce aux capteurs utilisant la technologie «Bulk»-MEMS.
 
 
Mesures d’accélérations
En principe, on peut mesurer avec le même capteur l’inclinaison, l’accélération et les vibrations. 
Les gammes typiques des les capteurs d‘accélérations „Bulk“-MEMS-sont compris entre 0,25 et 50 g et l’amortissement entre 50-1000 Hz. Malgré la grande gamme de mesure pour un capteur de 1,7 g la résolution est de 20 mg (1 Hz de bande passante) et la répétabilité réalisable de l’ordre de 100 mg… 1 mg.
Une application intéressante est l’optimisation du positionnement linéaire. Les calculs de décodage d’angles et d’accélérations, nécessitant du temps, exigent une puissance de calcul. Les capteurs d’accélérations robustes «Bulk»-MEMS peuvent accélérer le processus de fabrication. Grâce à l’amortissement à gaz, peu ou pas de filtrages sont nécessaires.
Malgré les conditions les plus difficiles, cette technologie permet de contrôler sans incovéniant l’amortissment actif. Le matériel roulant est préservé et les vitesses des trains sont plus élevées.

Mesures de vibrations
L’amplitude de vibration, respectivement les oscillations peuvent être mesurées dès 0 Hz. La réponse est linéaire. En raison de la structure monocristalline de gros chocs et de vibrations répétitifs sont anodines. Des capteurs mesurant entre 0,25... 50 g avec une répétabilité élevée (0,02 %) ainsi que des mesures correspondantes de 7... 100 mg / √Hz sont possibles.
Un intérêt particulier est l’application de cette technologie pour les machines tournantes: un roulement à billes défectueux émet des coups à fréquence basse détectable de manière très fiable. Grâce à l’amplificateur intégré (signal de sortie en tension), ce capteur est utilisé comme une analyseur ou un contrôleur. Une simple analyse de fréquence peut ce faire par un simple oscilloscope du commerce. Dès lors, les fuites de stockage à basses fréquences «beat», peuvent être détectées de manière très fiable. 
Exemple: la mesure de vibrations d’un axe tournant, afin de déterminer le mal rond ou le balourd: la masse de mesure est dirigée vers le bas (contre le centre de la terre). Dans les deux positions (Variante I et II) la masse de mesure réagit d’une façon synchrone, par rapport aux vibrations de l‘axe.
Une autre application est la mesure de tremblements de terre, avec la fermeture automatique d’une conduite de gaz, afin d’éviter des fuites et de causer des dommages.
 
La série SCA1x4: signal de sortie 4…20 mA
 
La série KAS901: signal de sortie 0.5…4,5 V
 
Un exemple personnalisé
 
Traitement du signal et boîtiers
Les capteurs sont proposés dans divers boîtiers suivant les applications. Des modifications, voire de nouveaux développements sont possibles, même pour des petites quantités. La série KAS901 se caractérise par sone encombrement réduit (35 x 25 mm) et son faible coût. Quant à la série SCA1x4, elle est adaptée à un environnement difficile et à de longues distances de connexions (signal 420 mA).

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