Brevet FR2880690A1 — publié le 20060714

-1- Accéléromètres piézoélectriques du type à compression dual Les accéléromètres piézoélectriques du type à compression représentent encore aujourd'hui le meilleur choix en terme de prix de fabrication pour un facteur de qualité donné. Le facteur de qualité étant défini comme le produit de la sensibilité en Pico Coulomb par le carré de la fréquence de résonance en kilohertz. Toutefois ils souffrent d'inconvénients majeurs et sont parfois remplacés pour des applications plus exigeantes par des modèles à cisaillement plus coûteux. Il est à noter que les accéléromètres flexion présentent un coût au moins aussi faible que ceux à compression mais souf- fient d'un faible facteur de qualité. Les accéléromètres piézoélectriques du type à compression sont susceptibles de s'imposer dans la presque totalité des applications pour autant que l'on corrige sensiblement leurs défauts majeurs: * forte sensibilité aux transitoires de température due à l'effet 15 pyroélectrique primaire. * forte sensibilité aux contraintes de base. * forte sensibilité transverse de l'ordre de 5% bien supérieur au 2% des accéléromètres cisaillement. Le moyen le plus simple de réduire ces 3 effets néfastes est d'empiler et de connecter en série 2 éléments piézoélectriques. L'empile- ment ne permet pas d'obtenir une homogénéité des gradients thermiques, et la compensation de l'effet pyroélectrique n'est pas parfaite. Il est aussi peu probable que le coefficient pyroélectrique soit exactement le même pour les deux disques. De plus, en série les éléments piézoélectriques n'additionnent pas leurs effets. Cette technique résout partiellement les effets néfastes et ajoute un coût car elle utilise deux éléments piézoélectriques. Une autre technique pour compenser ces effets est présentée dans le brevet EP 0 478 737 B1. En plus de corriger les mêmes défauts, deux éléments piézoélectriques sont connectés en parallèle et leur coefficient piézoélectrique s'additionne. Ce type de capteur compression n'apporte pas d'avantage en terme de coût de fabrication car les pièces constitutives sont plus complexes et l'assemblage nécessite deux éléments piézoélectriques. Présentation de l'invention. L'invention consiste à produire un accéléromètre du type à corn- pression utilisant un seul élément piézoélectrique servant à corriger les défauts ci dessus mentionnés sans pour autant être plus cher à fabriquer que les accéléromètres compression standard. L'accéléromètre du type décrit ci-dessus et représenté figure 3 caractérisé par une vis (5) isolée électriquement de la masselotte vibrante (3) par une 40 rondelle (4), l'ensemble assurant la précontrainte de l'élément piézoélectri- 2880690 -2- que ferroélectrique (2) comportant deux zones (S 1) et (S2) polarisées parallèlement à l'axe (10) dans des sens opposés et où seule la zone (S 1) est soumise à la force inertielle de la masselotte vibrante (3) et où les surfaces (S la) et (S2a) ainsi que (S 1 b) et (S2b) sont reliées électriquement par une électrode déposée sur leurs surfaces. L'accéléromètre présenté dans l'invention présente plusieurs avantages par rapport aux accéléromètres à compression étudiés dans l'historique: - Un seul élément piézoélectrique permet de compenser les défauts déjà évoqués. Malgré son caractère spécifique il ne coûte pas plus cher à fabriquer car il n'y a pas d'opérations supplémentaires lors de la polarisation des deux zones (S 1) et (S2). On obtient ainsi: - une parfaite compensation de l'effet pyroélectrique primaire. car la compensation se fait au sein de 2 zones du même élément piézoélectri- que. La compensation se fera d'autant mieux que les zones (S 1 a) et (S2a) ainsi que (S2a) et (S2b) ont la même surface. Il est aussi probable que le coefficient pyroélectrique des deux zones (S 1) et (S2) sera plus proche pour autant que l'on s'attache à polariser les 2 zones en même temps avec la même tension. - une moindre sensibilité aux contraintes de base car la zone où est transmise la force inertielle est mieux isolée des contraintes de base. Il y a également compensation dû au moyennage dans les deux zones (S 1) et (S2) de polarité opposées. - une sensibilité transverse fortement réduite car les 2 zones (S 1) et (S2) subissent la même contrainte transversale laquelle par effet de moyennage dans les 2 zones de polarité opposées se compense. Le moyennage se fera d'autant mieux si (S l a) et (S lb) ainsi que (S2a) et (S2b) ont la même surface - un nombre et une complexité des pièces constitutives égale aux 30 accéléromètres compression standard. - une sensibilité axiale égale aux accéléromètres compression standard. - une résonance transverse du capteur égale aux accéléromètres compression standard car celle ci n'est pas affectée par l'existence des 2 35 zones (S 1) et (S2). L'invention permet également comme dans le cas des accéléromètres compression standard d'empiler et de connecter en parallèle plu-sieurs disques comme décrit dans l'invention. L'invention décrite élargit sensiblement les applications des accéléromètres compression au point qu'il devient possible de remplacer les 2880690 -3- accéléromètres cisaillement beaucoup plus chères dans des applications bas-ses fréquences en présence de fortes variations de températures. On remarque que le mode de réalisation du capteur est économique du fait de la simplicité des pièces et de l'utilisation d'un seul élément piézoélectrique. De plus les capteurs compression possède le meilleur facteur de qualité ce qui confère à l'invention des avantages décisifs même sur les accéléromètres flexion dits économiques avec facteur de qualité amélioré décrit dans le brevet US 6,715,363. D'autres variantes d'assemblages de cette technique sont possi-10 bles et sont décrites dans les figures suivantes: Fig.1 montre un élément piézoélectrique ferroélectrique polarisé comme l'invention et utilisé dans l'accéléromètre de la figure 3. Fig.2 montre un élément piézoélectrique ferroélectrique comportant des zones (S 1) et (S2) de formes et nombres différents et utilisé dans l'accéléromètre de la figure 4. Fig.3 montre un accéléromètre monté comme l'invention. Fig.4 montre un accéléromètres monté comme l'invention mais utilisant un élément piézoélectrique ferroélectrique comportant des zones (S 1) et (S2) de formes et nombres différents. Fig.5 montre un accéléromètre utilisant différentes techniques pour contrôler la force inertielle de la masselotte vibrante (3) sur une seule zone soit t-elle (S 1) ou (S2). Fig.6 montre un accéléromètre monté comme l'invention utilisant plusieurs éléments piézoélectriques empilés et connectés en parallèle. Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemples. C'est ainsi que les accéléromètres compression décrits pourraient être équipés d'autres dispositifs de précontrainte que la vis (5) utilisée sans que l'on sorte du cadre de l'invention. 2880690 -4- Revendications. 1. Dispositif destiné à la mesure de l'accélération ou de la vibration d'un objet d'essai au moyen de transducteurs piézoélectriques, et comprenant un support (1) susceptible d'être relié de façon rigide à l'objet d'essai et comportant un axe principal (10) qui s'étend dans une direction parallèle à la direction de l'accélération qu'il s'agit de mesurer, un ou plu-sieurs éléments piézoélectriques ferroélectriques de forme annulaire ou autre (2), une masselotte sismique annulaire (3), une rondelle annulaire isolante (4), une vis de précontrainte (5) caractérisée en ce que l'élément pié- zoélectrique ferroélectrique (2) comporte au moins 2 zones (S 1) et (S2) polarisées parallèlement à l'axe (10) dans des sens opposés et où seule une zone (Si) ou (S2) est soumise à la force inertielle de la masselotte vibrante (3) et où les surfaces élémentaires (S 1 a) et (S2a) ainsi que (S lb) et (S2b) sont reliées électriquement. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisés en ce que la somme des surfaces élémentaires (S la, S lb,...) de l'élément piézoélectrique composant la zone (S 1) soit sensiblement égale à la somme des surfaces élémentaires (S2a, S2b,...) composant la zone (S2). 25 30 35