Qu’est-ce qu’un capteur de vibrations ?
Un capteur de vibrations est un élément de détection permettant de mesurer l’état vibratoire d’une machine ou d’un objet.
Les capteurs de vibrations sont nécessaires pour déterminer et surveiller l’état vibratoire des machines. Les trois indicateurs de la vibration d’un objet sont l’accélération, la vitesse et le déplacement. Les capteurs de vibrations mesurent ces grandeurs physiques indicatives et les convertissent en grandeurs électriques telles que la tension et le courant.
En général, les capteurs de vibrations sont disponibles dans deux configurations : avec ou sans contact. En fonction de la grandeur physique à mesurer (accélération, vitesse ou déplacement) et de la situation de l’objet, ces deux types de capteurs de vibrations doivent être utilisés séparément. De plus, la magnitude et la plage de fréquences de l’objet mesuré, ainsi que l’environnement de mesure, sont pris en compte dans la sélection détaillée du capteur de vibrations pour une meilleure précision de mesure.
Utilisations des capteurs de vibrations
Les capteurs de vibrations sont utilisés dans les équipements de production et dans la recherche et le développement. Dans les installations de production, les capteurs de vibrations sont utiles pour la maintenance préventive afin de détecter les défauts et les dommages dans les équipements à un stade précoce. L’utilisation de capteurs permet d’éviter des coûts de réparation considérables et une diminution de l’efficacité de la production en raison de pannes et de dommages.
Ces dernières années, de petits capteurs de vibrations ont été utilisés dans les équipements de production, principalement pour le diagnostic des machines et la maintenance prédictive à l’aide de la technologie IoT. Un exemple d’utilisation des capteurs de vibrations dans le domaine de la recherche et du développement est la mesure des vibrations dans les essais de produits et les tests d’endurance.
Les capteurs de vibrations sont également utilisés pour l’évaluation du confort des passagers, en particulier dans l’industrie automobile. D’autres utilisations dans le domaine des équipements industriels vont des équipements électriques et des véhicules aux robots de production.
Principe des capteurs de vibration
Comme indiqué ci-dessus, il existe deux types de configurations de capteurs de vibrations : avec et sans contact. Les capteurs de vibrations avec contact sont utilisés pour mesurer l’accélération, tandis que les capteurs de vibrations sans contact sont utilisés pour mesurer la vitesse et le déplacement.
Cette section présente les principes des différents capteurs de vibrations adaptés aux différentes mesures de vibrations (accélération, vitesse et déplacement).
1. Type de contact : capteurs piézoélectriques à détection d’accélération
Les capteurs piézoélectriques utilisent l’effet piézoélectrique dans les matériaux piézoélectriques. L’effet piézoélectrique est un phénomène dans lequel un matériau piézoélectrique (élément piézoélectrique), tel qu’un monocristal de quartz, génère une charge électrique à sa surface lorsqu’il est soumis à une force. L’effet piézoélectrique produit un signal électrique correspondant à l’accélération.
2. Sans contact : capteurs laser Doppler avec détection de vitesse
Les capteurs laser-Doppler utilisent l’effet Doppler. Le capteur émet un faisceau laser sur un objet vibrant. Il convertit ensuite le changement de fréquence du faisceau laser réfléchi par l’objet vibrant en une tension correspondant à un changement de vitesse, détectant ainsi la vitesse de la vibration.
3. Sans contact : capteurs capacitifs à détection de déplacement
Les capteurs capacitifs reposent sur le principe de la mesure de la capacité entre le capteur et l’objet à mesurer et du calcul de la distance. Lorsque la distance entre le capteur et l’objet à mesurer change, la valeur de la capacité change, ce qui permet de mesurer le déplacement de la vibration.
Autres informations sur les capteurs de vibrations
1. Éléments de détection des capteurs de vibrations
L’élément de détection de la vibration d’une machine est, selon la réglementation japonaise JIS, le changement dans le temps de la magnitude d’une quantité représentant le mouvement ou le déplacement d’un système de machine. Dans de nombreux cas, la vibration alterne entre des états plus grands et plus petits que la valeur moyenne ou de référence, et cette vibration se compose généralement de trois éléments : l’amplitude, la fréquence et la phase.
En particulier, les vibrations qui se répètent à intervalles réguliers sont appelées vibrations harmoniques et se composent d’une seule fréquence. Dans ce cas, le déplacement, la vitesse et l’accélération sont les suivants. La différenciation du déplacement permet d’obtenir la vitesse et la différenciation de la vitesse permet d’obtenir l’accélération.
- Déplacement d = Dsin (ωt + Φ)
- Vitesse v = Vcos (ωt + Φ)
- Accélération a = – Asin (ωt + Φ)
où D : amplitude unique, ω : chaque vitesse ω = 2πf, f : fréquence f = 1/T, T : période (secondes), Φ : phase initiale.
Les types de capteurs de vibrations utilisés pour détecter cette vibration harmonique comprennent les capteurs d’accélération de type piézoélectrique, les capteurs de vitesse de type électrodynamique et les capteurs de déplacement sans contact de type courant de Foucault. Les accéléromètres piézoélectriques, en particulier, se caractérisent par leur capacité à couvrir une large gamme de fréquences.
2. Comment sont utilisés les capteurs de vibration
Cette section décrit, à titre d’exemple, comment les capteurs piézoélectriques de vibration sont utilisés pour la surveillance des vibrations. Les capteurs de vibrations piézoélectriques utilisent l’effet piézoélectrique et génèrent et émettent une charge électrique proportionnelle à la force externe appliquée. Les capteurs piézoélectriques de vibration du type à sortie de charge sont particulièrement avantageux en termes de miniaturisation.
Il est important de fixer fermement le capteur à l’objet non mesuré à l’aide de goujons. Si le capteur n’est pas solidement fixé, il peut présenter des caractéristiques de filtre avec des caractéristiques d’amortissement particulières dans la réponse en fréquence, etc. D’autres méthodes de fixation comprennent l’utilisation d’adhésifs ou d’aimants.
L’analyse de fréquence est largement utilisée pour analyser les données détectées par les capteurs de vibrations. L’analyse de fréquence est une méthode par laquelle la forme d’onde mesurée est examinée pour déterminer les composantes de fréquence et l’intensité. Cela permet de savoir si la vibration d’un objet se produit dans des conditions de fonctionnement normales ou non.