Accéléromètre

Présentation des capteurs accélérométriques

Les capteurs accélérométriques mesurent des forces associées à des accélérations statiques et dynamiques. Les forces statiques sont illustrées par l'attraction gravitationnelle, qui exerce une force constante sur les objets, tandis que les forces dynamiques interviennent lorsque l'accéléromètre est déplacé, par exemple par des secousses ou des rotations.

Certains de ces capteurs fonctionnent au moyen de minuscules cristaux qui engendrent des tensions lorsqu'ils subissent une contrainte exercée par des mouvements d'accélération (l'effet piézoélectrique). D'autres exploitent des changements de capacité électrique entre deux microstructures : si des mouvements d'accélération modifient de manière subtile les positions relatives de ces structures, la capacité électrique qui en résulte est modifiée. Ce changement électrique de la capacité est converti en tension au moyen d'un circuit électronique auxiliaire.

D'autres capteurs accélérométriques utilisent la technologie piézorésistive, la lumière et même des bulles d'air chauffées.

Des accéléromètres peuvent aussi détecter des variations d'accélération statique. Ils sont utilisés par exemple pour faire pivoter automatiquement l'écran d'un smartphone vers l'orientation correcte lorsque la position du téléphone change. En pratique, le capteur détecte des variations dans l'angle entre l'appareil et la Terre.

IBM et Apple ont récemment utilisé la fonctionnalité de détection de l'accélération dynamique des accéléromètres pour protéger les appareils mobiles (notamment les ordinateurs portables) des dommages causés par les impacts mécaniques : en mode dynamique, le capteur détecte le mouvement de l'objet. Si un ordinateur portable est lâché accidentellement, par exemple, le capteur détecte une accélération dynamique soudaine et déclenche instantanément un commutateur pour arrêter le disque dur. Ceci permet de protéger ce dernier contre les dommages d'impact causés lorsque les têtes de lecture normalement en mouvement s'écrasent contre les plateaux du disque. Ce fonctionnement ressemble à celui des capteurs accélérométriques dans les véhicules, qui activent des airbags à l'instant précis où une collision ou une décélération d'urgence se produit.

 

Historique

Les accéléromètres ont précédé de plus de 250 ans les nombreuses applications dans lesquelles ils ont été employés au vingtième siècle : le premier modèle avait été conçu pour valider les constructions théoriques de la physique newtonienne par un autre physicien, l'Anglais George Atwood, en 1783. L'invention ingénieuse d'Atwood est restée en sommeil jusqu'à la montée de l'industrie automobile. Avec un nombre croissant d'utilisateurs de voitures, les fabricants se sont davantage préoccupés de la sécurité. Les accéléromètres ont commencé à être placés par les fabricants automobiles dans des véhicules d'essai à de nombreux emplacements pour déterminer la dispersion de la puissance du moteur. L'intérêt dans la dynamique des collisions (avant, latérale et arrière) s'est développé parallèlement aux mesures destinées à minimiser les effets destructeurs de ces collisions. Aujourd'hui, des mannequins de simulation d'impact sont équipés de nombreux accéléromètres ; lorsqu'ils sont placés dans un véhicule en mouvement, les chercheurs peuvent déterminer la manière dont le corps humain est affecté par les forces lors du mouvement normal ainsi qu'en conditions d'urgence ou d'accident, notamment lorsque le véhicule glisse ou subit des collisions.

 

Aspects techniques

La majorité des capteurs accélérométriques utilisés aujourd'hui sont classés dans la catégorie « MEMS » (Micro-Electro-Mechanical Systems, systèmes micro-électromécaniques), qui utilisent la déviation d'une masse infime suspendue à un porte-à-faux (également nommée masse sismique, ou masse de test) en réponse à un mouvement. Lorsqu'une force externe est appliquée à la masse de test, notamment lors d'une accélération, le système passe de la position neutre à la position active, où le degré de déviation est mesuré et indiqué sous forme numérique ou analogique.

Les mécanismes à ressort unique de ce type peuvent être imprécis, principalement en raison du fait que le mécanisme est susceptible de se déformer au cours du temps et des utilisations répétées. C'est pourquoi les MEMS, répondant à des spécifications plus exigeantes, utilisent une série de ressorts incorporant des piézorésistances qui mesurent précisément le degré de déformation.

La grande majorité des composants MEMS mesurent une déformation sur un seul axe, mais des alternatives à deux ou trois axes sont disponibles (à un coût plus élevé) et s'avèrent considérablement plus précises pour la mesure du mouvement d'accélération.

 

Domaines d'utilisation des capteurs accélérométriques en fabrication industrielle

Dans les environnements industriels, les accéléromètres peuvent détecter l'état de machines tournantes lourdes telles que des ventilateurs industriels, des pompes, des tours de refroidissement et des turbines, en détectant des variations dans l'amplitude des vibrations des arbres dans le temps. Ils sont généralement situés sur les paliers qui facilitent la rotation ou le mouvement. L'avantage de ces méthodes de surveillance des vibrations sont nombreux : elles peuvent alerter le personnel en cas de risque de défaillance imminente de la machine, augmenter de manière considérable la sécurité des environnements autour des machines en mouvement potentiellement dangereuses, et minimiser les temps d'arrêt ou encore réduire les coûts. Pour cela, ces capteurs identifient des problèmes graves avant qu'ils ne deviennent critiques, tels que l'usure prématurée des paliers, les signes avant-coureurs de mauvais alignement des arbres, les défaillances d'engrenages et les déséquilibres dans les rotors : les rectifications rapides de ces problèmes inévitables représentent un coût bien moindre que les réparations de machines entièrement en panne.

Les méthodes de mesure des vibrations sont largement utilisées dans la fabrication des véhicules à moteur, dans la sidérurgie, dans l’industrie du papier, ainsi que dans la production d'un large éventail de produits allant des aliments et des boissons aux produits pharmaceutiques. Ces méthodes sont aussi rencontrées dans des usines aussi variées que des sucreries et des générateurs électriques, et sont largement intégrées dans les machines des secteurs industriels de la pétrochimie et de l'hydraulique.

 

Exemples d'utilisation d'accéléromètres

Les accéléromètres sont non seulement largement utilisés dans l'équipement militaire et aéronautique (de tels capteurs exceptionnellement sensibles constituent des parties intégrantes des systèmes de navigation de missiles et d'avions), mais sont aussi régulièrement employés dans des environnements considérablement moins belliqueux. Les appareils photos numériques, les tablettes et les smartphones tirent parti de capteurs accélérométriques pour leurs fonctions de « rotation automatique », qui font en sorte que les images aient toujours l'orientation correcte quel que soit le sens dans lequel l'appareil est tenu.

En médecine, des accéléromètres ont été développés pour mesurer la profondeur de la compression thoracique pendant la réanimation cardio-pulmonaire, et plusieurs fabricants leaders du secteur de la santé ont conçu des capteurs destinés à être intégrés à des montres pour permettre aux athlètes de contrôler leur vitesse et la distance parcourue pendant la course.