Accéléromètre

Unaccéléromètreest uncapteurqui, fixé à un mobile ou tout autre objet, permet de mesurer l'accélérationnon gravitationnellelinéairede ce dernier. On parle d'accéléromètre même lorsqu'il s'agit en fait de 3 accéléromètres qui calculent les accélérations linéaires selon 3 axes orthogonaux.
Par contre, lorsqu'on cherche à détecter une rotation ouvitesse angulaire, on parle degyromètre. Plus généralement on parle decentrale à inertielorsqu'on cherche à mesurer l'ensemble des 6 accélérations.
Bien que l'accélération linéaire soit définie en m/s(SI), la majorité des documentations sur ces capteurs exprime eng(9,806 65 m/s) l'accélération (comme celle causée par lagravitationterrestre).
Un accéléromètre peut être schématisé par unsystème masse-ressort. Considérons ce schéma ci-contre : à l'équilibre, la positionxde la massemsera la référence, doncx=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'inertiede la massem, celle-ci va avoir tendance àrester à sa position de départ, forçant leressortà se comprimer d'autre part. La valeurxsera d'autant plus grande que l'accélération appliquée au support sera importante.
On peut montrer à l'aide duprincipe fondamental de la dynamiquepour un système non-amorti (et en considérant le système à l'horizontal, de telle sorte que l'on ne prenne pas en compte le poids) :mx¨+kx=0{\displaystyle m{\ddot {x}}+kx=0}, avecx¨{\displaystyle {\ddot {x}}}l'accélération de la massemetxla position du support (par rapport à unréférentiel galiléen).
Il apparaît clairement que cette accélération est proportionnelle àx. En mesurant simplement le déplacement de la massempar rapport à son support, on peut connaître l'accélération subie par ce dernier.
Le principe de la plupart des accéléromètres est basé sur laloi fondamentale de la dynamique:
avec
Plus précisément, 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 distingue deux grandes familles d'accéléromètres : les accéléromètres non asservis et les accéléromètres à asservissement.
Sur les capteurs de type non asservis (boucle ouverte), l'accélération est mesurée par son image « directe » : le déplacement de lamasse 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 que l'on trouve directement sur le marché :
De même, il en existe des non commercialisés tels que :
Certains cristaux (quartz,sel de Seignette) et certaines céramiques ont la propriété de se charger électriquement lorsqu'ils sont soumis 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 lorsqu'on le soumet à une force exercée entre ces deux faces. Une métallisation des faces permet de recueillir une tension électrique qui pourra être utilisée dans un circuit.
Pour les accéléromètres à asservissement, l'accélération est mesurée à la sortie d'une boucle à contre-réaction (asservissement) comportant un correcteur type PI. (Proportionnel Intégral : type de correcteur améliorant 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 nécessaire à la force de rappel permettant le retour de la masse sismique à sa position initiale.
Dans lescentrales inertielles, pour une application enguidage, utilisé généralement enaéronautiqueou enastronautique, ce type de technologie est généralement favorisé. En effet, les mobiles ont une certaine masse et leur centre de gravité subit des vibrations de fréquence relativement faible, de l'ordre de 0 à 10Hz. Cela permet donc l'utilisation de capteurs à asservissement.
Ceux-ci sont classés en fonction de leur force de rappel, qui peut être de type électromagnétique ou électrostatique.
Ou bien en fonction de leur type de détection, qui peut être capacitive, inductive ou optique.
En 2018, l’Imperial Collegede Londres présente un accéléromètrequantique. Le système se base sur la mesure des propriétés des ondes quantiques délivrées par des atomes lors des accélérations, qui permet d’en déduire le déplacement, et donc la position, par rapport au temps. Le fonctionnement est similaire à celui des accéléromètres classiques, mais tout en étant bien plus sensible et précis.
Le système utilise deslaserspour refroidir les atomes à des températures extrêmement basses, ce qui nécessite de la place.
En plus des caractéristiques classiques descapteurs, l'accéléromètre peut être caractérisé par les données suivantes :
Toutes ces caractéristiques interagissent et caractérisent un principe, une technologie ou un procédé de fabrication.
Les applications de ce capteur sont très diverses :
Néanmoins, elles sont généralement classées en trois grandes catégories :
Les chocs sont des accélérations de très forte amplitude. Par exemple, un objet qui tombe d'une hauteur de 20cmsur une tôle d'acier de 5cmd'épaisseur est soumis à une accélération de 8 000glors de l'impact, et sur un cahier de 50 pages d'épaisseur il est soumis à une accélération deseulement90g.
Ce sont des accélérations très brèves et donc qui nécessitent un capteur de bande passante allant généralement de 0 à 100kHz.
La précision requise pour ces mesures est de l'ordre de 1 % de l'échelle de mesure du capteur.
Les capteurs couramment associés à ce genre d'application sont des accéléromètres à déplacement non asservis, et plus précisément :
Exemples :
Les accélérations vibratoires sont considérées comme des accélérations de niveau moyen (généralement une centaine de g).
Elles nécessitent un capteur de bande 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 :
Les accélérations de mobiles sont de faible niveau. Par exemple, l'accélération maximum retenue pour le «Rafale» est de 9g.
Ces accélérations n'excèdent pas quelques dizaines de hertz.
En revanche, la précision requise peut être importante. Elle varie de 0,01 % à 2 % de l'échelle de mesure du capteur.
Les accéléromètres utilisés sont :
Exemple :
Depuis la phase de développement des accéléromètresMEMS, 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 lesMEMS. Avec l'arrivée récente des accéléromètresNEMS, cette omniprésence de l'accéléromètre dans les divers produits « grand public » est de plus en plus d'actualité.
Les centrales inertielles à 6 accélérations, comme sur l'IPhone 4, consomment plus d'énergie et sont souvent moins sensibles qu'une centrale réduite à 3 accéléromètres linéaires seulement comme sur de nombreux téléphones mobiles dont l'IPhone 3GS, voire 2 pour une console de jeux comme laWII, voire une seule dimension pour arrêter undisque durdans le cas d'une chute d'unordinateur portable(ThinkPad).
En montres de sport :
Pour la mesure d'un geste sportif ou du quotidien :
En appareils photos et caméras :
En ultra-portables, PDA,etc.:
En portable :
En jeux vidéo :
En téléphonie :
Du fait de la convergence des technologies, les accéléromètres sont utilisés pour cumuler la plupart des fonctions précédemment décrites :
Dans les véhicules de transports :