Accéléromètre

Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile ou tout autre objet, sert à mesurer l'accélération de ce dernier.



Catégories :

Instrument de mesure - Capteur - Composant électronique - Sismologie

Définitions :

  • Instrument donnant un enregistrement proportionnel à l'accélération d'un mouvement (source : fr.wiktionary)

Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile ou tout autre objet, sert à mesurer l'accélération de ce dernier.

Bien que l'accélération soit définie en m/s2 (SI), la majorité des documentations sur ces capteurs expriment l'accélération en «g» (accélération causée par la gravitation terrestre, soit g = 9, 80 m/s2).

Le capteur

Approche intuitive

Schéma d'un dispositif masse-ressort.

Un accéléromètre peut être schématisé par un système masse-ressort. Considérons ce schéma ci-contre : A l'équilibre, la position x de la masse m sera la référence, par conséquent x=0. Si le support subit une accélération verticale, vers le haut, deux choses vont avoir lieu : Ce support va se déplacer vers le haut d'une part et , à cause de l'inertie de la masse m, celle-ci va avoir tendance à rester à sa position de départ, forcant le ressort à se comprimer d'autre part. La valeur x sera d'autant plus grande que l'accélération appliquée au support sera importante.

On peut montrer à l'aide du principe essentiel de la dynamique pour un dispositif non-amorti que :  m\ddot{x} +  k x = k y , avec  \ddot{x} l'accélération de la masse m et y la position du support (comparé à un référentiel galiléen).

Il apparaît clairement que cette accélération est proportionnelle à x - y. En mesurant simplement le déplacement de la masse m comparé à son support, on peut connaître l'accélération subie par ce dernier.

Principe

Le principe de l'ensemble des accéléromètres est basé sur la loi principale de la dynamique F = m·a (F : force (N), m : masse (kg), a : accélération (m/s2) aussi notée γ). Plus exactement, il consiste en l'égalité entre la force d'inertie de la masse sismique du capteur et une force de rappel appliquée à cette masse. On peut distinguer deux grandes familles d'accéléromètres : les accéléromètres non asservis et les accéléromètres à asservissement.

Accéléromètres non asservis

Sur les capteurs de type non asservis (boucle ouverte), l'accélération est mesurée par son image «directe» : le déplacement de la masse sismique (masse d'effort ou encore masse d'épreuve) du capteur pour atteindre l'égalité entre la force de rappel et sa force d'inertie.

Il existe des accéléromètres non asservis commercialisés qu'on trouve directement sur le marché :

De même, il en existe des non commercialisés tels que :

Accéléromètres piézoélectriques

Principe de fonctionnement

Certains cristaux (quartz, sel de Seignette) et certaines céramiques ont la propriété de se charger électriquement quand elles sont soumises à une déformation. Inversement, elles se déforment si on les charge électriquement, le phénomène est réversible. Le cristal se charge sur deux faces en regard avec des charges opposées quand on le soumet à une force exercée entre ces deux faces. Une métallisation des faces sert à recueillir une tension électrique qui pourra être utilisée dans un circuit.

Accéléromètres à asservissement

Pour les accéléromètres à asservissement, l'accélération est mesurée à la sortie d'une boucle à contre-réaction (asservissement) comportant un correcteur type P. I. (Proportionnel Intégral : type de correcteur perfectionnant la précision). Un capteur à détection de déplacement (type non asservis) permet la mesure de l'accélération immédiate. Elle est la valeur d'entrée de notre boucle d'asservissement. En sortie de cette boucle, l'accélération est obtenue par la lecture de l'énergie indispensable à la force de rappel donnant la possibilité le retour de la masse sismique à sa position d'origine.

Il existe plusieurs types de ces capteurs à asservissement :

La force de rappel de tels capteurs d'accélération peut être de type électromagnétique ou électrostatique.

Principaux paramètres propres à un accéléromètre

En plus des caractéristiques classiques des capteurs, l'accéléromètre peut être caractérisé par les données suivantes :

Toutes ces caractéristiques interagissent et caractérisent un principe, une technologie ou un procédé de fabrication.

Ses applications

Les applications de ce capteur sont particulièrement diverses :

Néanmoins, elles sont le plus souvent classées en trois grandes catégories :

Les chocs

Les chocs sont des accélérations de très forte amplitude. A titre d'exemple, un accéléromètre qui tombe d'une hauteur de 20 cm sur une tôle d'acier de 5 cm d'épaisseur sera soumis à une accélération de 8 000 g lors de l'impact, et sur un cahier de 50 pages d'épaisseur, il sera soumis à une accélération de 90 g. Ce sont des accélérations particulièrement brèves et par conséquent qui nécessitent un capteur de bande passante allant le plus souvent de 0 à 100 kHz. La précision requise pour ces mesures est de l'ordre de 1 % de l'échelle de mesure du capteur.

Les capteurs fréquemment associés à ce genre d'application sont des accéléromètres à déplacement non asservis, et plus exactement :

Exemples :

L'accélération vibratoire

Les accélérations vibratoires sont reconnues comme des accélérations de niveau moyen (généralement une centaine de g). Elles nécessitent un capteur de bande de passante allant jusqu'à 10 kHz et de précision de l'ordre de 1 % de l'échelle de mesure du capteur.

Les accéléromètres utilisés, de type non-asservis, sont :

Exemples :

L'accélération de mobiles

Les accélérations de mobiles sont de faible niveau. A titre d'exemple, l'accélération maximum retenue pour le "Rafale" est de 9 g. Ces accélérations n'excèdent pas quelques dizaines d'hertz. Par contre, la précision requise peut être importante. Elle fluctue de 0, 01 % à 2 % de l'échelle de mesure du capteur.

Les accéléromètres utilisés sont :

Exemple :

Applications isolées et produits spécifiques

Mesure d'inclinaison (grâce à la force de gravité de la Terre ainsi qu'à un accéléromètre deux axes)

Certains accéléromètres à détection capacitive à masse sismique pendulaire permettent aussi d'assurer la fonction d'inclinomètre. Cette dernière est rendue envisageable par la configuration mécanique des accéléromètres capacitifs pendulaires et la gravité terrestre. Cependant, la fonction d'accéléromètre ne peut pas être utilisée en même temps.

L'accéléromètre et l'actualité

Depuis la phase de développement des accéléromètres MEMS, de 1975 à 1985, l'accéléromètre a vécu un «boom» dans ses utilisations. En effet, il est passé de 24 millions de ventes en 1996 à 90 millions en 2002. Quant à son prix, il ne cesse de diminuer pour les MEMS. Avec l'arrivée récente des accéléromètres NEMS, cette omniprésence de l'accéléromètre dans les divers produits «grand public» est de plus en plus d'actualité.

Produits «grand public» utilisant l'accéléromètre

En montres de sport :

Pour la mesure d'un geste sportif ou du quotidien :

En appareils photos et caméras :

En ultra-portables, PDA, ...  :

En portable :

En jeux vidéo :

En téléphonie : Du fait de la convergence des technologies, les accéléromètres sont utilisés pour cumuler la majorité des fonctions auparavant décrites.

Références

  1. (fr) Annonce concernant la manette de la Wii sur le site ST Micrœlectronics

Sources utiles

Liens externes

Ouvrages

Revue

Recherche sur Amazon (livres) :



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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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