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ETALONNAGES D’ACCELEROMETRES
Introduction
Un étalonnage précis est nécessaire pour obtenir des mesures de choc et vibration de haute
qualité. Des efforts considérables ont été faits ces dernières années pour établir une méthode
et développer des équipements permettant d’obtenir cette qualité.
Il était également très important d’avoir une communication directe entre les organisations et
laboratoires nationaux et internationaux tels que l’Institut National des Standards et
Technologies américain (NIST), le PTB allemand, le NAMAS britannique et le Bureau
National de Métrologie (BNM) français.
Pourquoi étalonner ?
Un accéléromètre est un transducteur qui seul ou associé à une électronique délivre un signal
électrique instantané proportionnel au mouvement appliqué à sa base.
La sensibilité d’un accéléromètre est le rapport de son signal électrique en sortie avec l’entrée
mécanique appliquée, dans ce cas une accélération.
Elle peut être exprimées en unités différentes telles que pico coulombs /g, millivolts /g, pico
coulombs /mètre sec-² ou millivolts/mètre sec-².
Pour faire une mesure avec un accéléromètre il est important de connaître sa sensibilité exacte
mais quelque fois aussi, la phase du signal à ou les fréquences d’intérêt. Ces informations sont
obtenues en étalonnant le transducteur. L’étalonnage devrait être fait à plusieurs fréquences
afin de s’assurer de la fidélité de sa réponse dans la plage de fréquence prévue. Il est quelque
fois nécessaire d’aller jusqu’à la fréquence de résonance afin de détecter des fréquences de
résonance mineures.
Grâce aux systèmes actuels contrôlés par ordinateur, un étalonnage par comparaison peut être
rapidement effectué pour différents points de fréquence, de 0,5Hz à la fréquence de résonance
du transducteur ou plus (50kHz).Il est difficile d’obtenir une précision crédible de
l’étalonnage de la sensibilité sans prendre en compte les incertitudes des composants de
l’ensemble du système d’étalonnage. Il existe plusieurs sources d’erreurs, aléatoire ou
systématique. L’existence de ces erreurs de mesure fait que la valeur de l’étalonnage est
simplement la meilleure estimation ou la valeur probable de la sensibilité réelle.
Dans la terminologie « étalonnage » la probabilité que la valeur mesurée est la vraie valeur est
définie par la mesure des incertitudes et le niveau de confiance accordé à ces mesures.
La plus faible incertitude associée à un niveau de confiance élevé conduira à un étalonnage de
sensibilité proche de la réalité.
Il existe un document très largement utilisé par les laboratoires d’étalonnage et les
fournisseurs de systèmes d’étalonnage appelé GUM (guide pour l’expression des incertitudes
de mesure) dont la première parution de 1971 a été suivie par la version actuellement utilisée,
publiée en 1995, ce document est suivi par un groupe international d’experts provenant
d’organisations diverses.
.BIPM (Bureau International des Poids et Mesures)
.IEC (International Electro Technical Commission)
.ISO (International Organization for Standardization)
.OIML (International Organization of Legal Metrology)
Ce guide d’estimation des incertitudes devient la référence des experts de la mesure.
Types d’étalonnages
Il existe deux types d’étalonnage, l’étalonnage primaire par les méthodes de réciprocité ou
optique (interféromètre), utilisé pour l’étalonnage des accéléromètres étalon qui serviront de
référence et les étalonnages par comparaison des accéléromètres de mesure.
Etalonnages primaires
Les étalonnages primaires concernent les accéléromètres de référence (étalon) qui seront
utilisés pour l’étalonnage des accéléromètres de mesure.
Un étalonnage primaire peut être fait à partir de deux méthodes différentes
.méthode optique, par l’utilisation d’interféromètres
.pour cette méthode, l’amplitude du déplacement de est mesurée. Connaissant le
déplacement, la fréquence et la tension de sortie de l’accéléromètre, sa sensibilité à
l’accélération peut être calculée
.méthode de réciprocité
.pour cette méthode, un excitateur de vibration électrodynamique à deux bobines est utilisé
comme générateur et réciproquement, comme capteur pour étalonner les accéléromètres.
Etalonnages par méthode de comparaison
Les étalonnages optiques ne s’utilisent généralement pas à des fréquences supérieures à 100
Hz et la méthode par réciprocité est très longue à appliquer. Il a donc été nécessaire de
développer une autre méthode précise et simple, couvrant des fréquences, en général de 5 à
10000Hz (des fréquences plus basses ou plus élevées sont possibles en utilisant une source de
vibration adaptée) et des niveaux d’accélération de 1 à 10000g (100000g pour les chocs).
La méthode par comparaison couvre ces différentes gammes en fréquence et amplitude, elle
est utilisable pour les vibrations comme pour les chocs.
Etalonnages primaires
Méthode par réciprocité
Pour cette méthode, un excitateur de vibration électrodynamique à deux bobines est utilisé
comme générateur et réciproquement comme capteur.
Excitateur de vibration pour étalonnage par réciprocité
L’explication de cette méthode de mesure par réciprocité, développée par Endevco® et le
Bureau américain des Standards (NBS) de Gaithersburg (Maryland), nécessite la définition
de formules mathématiques, la description de la procédure d’essai et enfin, une évaluation de
l’erreur globale de la mesure.
Formules utilisées
Cette méthode fait appel aux trois équations ci- dessous mentionnées
Equation 1 : Sa= 2635√ JR/jf
ou
Sa= sensibilité de l’accéléromètre.
J= intercepte de la fonction de transfert (l’intercepte de la courbe poids - rapport de la
fonction de transfert en livre multiplié par des milli ohms ou le rapport de la fonction de
transfert entre le courant de l’enroulement d’excitation divisé par la tension de sortie de
l’accéléromètre et le poids se réfère à 10 valeurs de masse de 0,1 à 10 livres.
R= rapport de tension (tension de sortie de l’accéléromètre divisée par la tension aux bornes
de l’enroulement d’excitation ouvert quand le pot vibrant est excité par le deuxième
enroulement).
j= √-1, le vecteur imaginaire.
f= fréquence à laquelle le rapport de tension est mesuré.
Equation 2: J= 0, 04204 ∑n2Ynr – 0, 0502∑n2 WnYnr
ou
n= nombre entier de 1 à 10 correspondant au nombre de l’incrément de poids (voir tableau 1).
Wn étant le poids des masses utilisées (voir tableau 1)
Equation 3: Ynr = Wn / (Gn – Go)
Gn étant le rapport de la fonction de transfert comme défini dans l’équation 1.
Go étant le rapport de la fonction de transfert sans masse fixée sur le pot vibrant.
Pour écrire ces équations, on a supposé que
.la fréquence d’étalonnage est au maximum de 100 Hz, c'est-à-dire très inférieure à la
fréquence de résonance axiale du pot vibrant.
.le déphasage du rapport de tension est 90° (équation 1).
.le déphasage entre le courant de l’enroulement d’excitation et la sortie de
l’accéléromètre est nul (équations 2 et 3).
Tableau 1: Mesure de la fonction de transfert
Procédure d’essais
Cette procédure peut être résumée ainsi :
a) étalonner 10 poids de 0,1 à 1 livre avec des incréments de 0,1 livre.
b) déterminer le rapport de la fonction de transfert pour chaque poids et aussi lors qu’aucune
masse n’est montée sur le vibrateur. Ceci nécessite de mesurer le courant dans
l’enroulement d’excitation et la tension de sortie de l’accéléromètre comme le montre la
figure 1.
Figure 1 : Montage pour la mesure des fonctions de transfert
c) faire la somme des mesures de fonction de transfert comme indiqué par les équations 2 et 3.
d) mesurer le rapport de tensions : la tension de sortie de l’accéléromètre divisée par la
tension aux bornes de l’enroulement d’excitation ouvert- quand le pot est excité par le
deuxième enroulement comme le montre la figure 2.
Figure 2 : Montage pour la mesure du rapport de tension
e) mesurer la fréquence pendant la mesure du rapport de tensions
f) utiliser les valeurs de J, R et f, obtenues pendant les mesures c), d), et e) pour calculer la
sensibilité au moyen de l’équation 1.
Erreur globale de mesure
L’erreur estimée de la sensibilité est de +/- 0,5% aux fréquences auxquelles il n’y a pas de
mouvement relatif entre l’accéléromètre étalon et la bobine de l’excitateur de vibration jouant
le rôle du capteur de vitesse vibratoire.
Une analyse de toutes les erreurs présentes lors de l’étalonnage par réciprocité est donnée par
le tableau 2.
Tableau 2 : Analyse des erreurs rencontrées en déterminant la sensibilité d’un accéléromètre
étalon Endevco® modèle 2270, à diverses fréquences.
* en supposant des changements de phase de 0 à 90° entre les fonctions de transfert et les
mesures de rapport de tension.
** déterminée à partir de la racine carrée de la somme des carrés de chaque erreur applicable.
Cette méthode est relativement pratique à mettre en œuvre et donne une précision
remarquable. Néanmoins, elle est maintenant remplacée de plus en plus par la méthode
optique (interféromètre) informatisée.
Méthode optique par l’utilisation d’interféromètre
Selon la référence ISO 16063-11, la vibration est mesurée par interférométrie en utilisant un
laser interféromètre de référence appelé vibromètre.
Un vibromètre laser peut être considéré comme étant un vibromètre idéal, il est constitué d’un
laser interféromètre, d’un conditionneur de signal analogique, haute fréquence et d’une unité à
base d’ordinateur pour le traitement de signaux digitaux.
Les caractéristiques métrologiques de tels systèmes dépendent presque entièrement de la
stabilité de la longueur d’onde du laser et du logiciel utilisé. Les instruments actuellement
disponibles sont capables d’assurer une incertitude de quelques 0,1% pour une plage de
fréquence et d’amplitude dépassant les étendues de mesure des capteurs conventionnels. Ceci
est vrai pour une mesure primaire du déplacement vibratoire, mais aussi pour la vitesse et
l’accélération qui en sont dérivées. A titre d’exemple, pour un vibromètre digital laser,
modèle CLV-1000 Polytec®, le signal vitesse sera un signal digital 24 bit binaire pour une
pleine échelle de 20mm/s, 100mm/s ou 500mm/s, c’est l’équivalent d’une résolution
maximale de (2,38nm/s)/LSB, aussi l’erreur résiduelle est négligeable.La relation entre le
signal binaire vitesse (V dig) et la quantité physique vitesse (V phys) est donnée par
ΔT: étant une constante de temps qui dépend du type de vibromètre laser et de ses réglages
S N : étant le coefficient complexe de transfert du vibromètre laser
Ta : étant le taux d’échantillonnage en sortie (pour ce cas, 96k samples/seconde)
Les figures suivantes, 1A et 1B, montrent les composants opérationnels d’un système
d’étalonnage primaire actuel, ainsi qu’un diagramme simplifié du traitement
1A-
Principe opérationnel d’un système d’étalonnage primaire (le spot du laser de droite étant positionné près de
l’objet à étalonné)
1B-Diagramme simplifié d’un système d’étalonnage primaire
La ligne supérieure de la figure 1B correspond à la mesure de la vibration selon la figure 1C
1C-Diagramme simplifié de la mesure d’un signal d’accélération
Dans ce cas, le signal digitalisé de l’accélération u (n) ≈ a (n) est traité plus loin.
La ligne du milieu « laser sensor » convertie la vitesse vibratoire de l’accéléromètre à
étalonner en un signal digital v (n).
L’ensemble des signaux est ensuite traité comme recommandé par le standard ISO 16063-11,
en utilisant les relations basiques « accélération » et « phase »
L’amplitude Sx et le déphasage φx du coefficient de fonction de transfert Sx de
l’accéléromètre sous étalonnage peuvent être calculés à partir de
SN étant le coefficient de transfert du vibromètre laser et GX le facteur de gain de la voie de
mesure.
Raccordement avec les bureaux nationaux de métrologie
A la différence de l’étalonnage par comparaison (secondaire), le vibromètre laser est la
référence étalon de l’étalonnage primaire, il doit être raccordé aux bureaux nationaux comme
tous les autres « standards ».
A cette fin, Spektra™, concepteur des systèmes ci-dessous représentés utilisant un vibromètre
Polytec™, a dû également avec l’aide du PTB résoudre les problèmes d’étalonnage. Ces
efforts communs ont conduit à la directive DKD-R3-1, paragraphe 15 et un brouillon de ISO
16063-41-CD, (Calibration of Laser Vibrometers).
La figure suivante décrit d’une façon simplifiée le principe de l’étalonnage d’un vibromètre
laser. Idéalement le rayon laser du vibromètre à étalonner et le rayon laser du vibromètre de
référence impactent orthogonalement sur le même point de la surface vibrante.
De cette façon les deux ensembles optiques reçoivent en entrée la même « quantité », et les
mesures résultantes peuvent être comparées.
Schéma simplifié d’un système d’étalonnage d’un vibromètre laser
Approximation « sinus »
Selon les recommandations de l’ISO 16063-11 (Primary vibration calibration by laser
interferometry), une approximation « sinus » doit être appliquée pour les étalonnages
primaires suivant la méthode 3, utilisée pour les mesures complexes.
Cette méthode peut également être utilisée pour les étalonnages secondaires
Exemples de systèmes récents, commercialisés pour l’étalonnage primaire
La première illustration décrit l’ensemble des constituants d’un système « haute fréquence ».
La seconde illustration décrit l’ensemble des constituants d’un système « basse fréquence ».
La différence principale étant le type et la technologie de vibrateur utilisés. Pour les basses
fréquences, le vibrateur doit être capable de fournir un déplacement important
Système d’étalonnage primaire, haute fréquence
Système d’étalonnage primaire, horizontal et vertical, basse fréquence
Etalonnages par méthode de comparaison
Principe
La méthode par comparaison plus couramment pratiquée, utilise un accéléromètre
piézoélectrique très précis et très stable que l’on appelle accéléromètre étalon.
Il est étalonné avec beaucoup de soins en laboratoire spécialisé. L’accéléromètre étalon et
l’accéléromètre à étalonner sont soumis aux mêmes vibrations ou aux mêmes chocs.
La sensibilité de l’accéléromètre étalon étant connue, la sensibilité de l’autre accéléromètre
sera déterminée en mesurant le rapport des signaux de sortie des deux accéléromètres.
Il est important que l’accéléromètre à étalonner et l’accéléromètre étalon soient exactement
soumis aux mêmes mouvements.
On satisfait cette condition en fixant étroitement les accéléromètres l’un sur l’autre en évitant
les mouvements relatifs qui pourraient se produire à haute fréquence. Il existe également une
nouvelle génération de vibrateurs spécifiques aux étalonnages ayant l’accéléromètre étalon
directement intégré dans l’armature mobile équipée d’une table en céramique professionnelle
de grande rigidité sur laquelle sera fixé l’accéléromètre à étalonner, ceci offre une plus grande
surface pour le montage de l’accéléromètre à étalonner, une augmentation de la limite haute
fréquence, mais aussi une protection thermique et un isolement électrique de l’accéléromètre à
tester.
Mouvement relatif
L’accéléromètre étalon ou l’armature mobile avec accéléromètre étalon incorporé doivent
permettre une fixation de l’accéléromètre à étalonner la plus rigide possible. Cette condition
doit être remplie quelles que soient les dimensions des goujons de fixation et la configuration
de montage des accéléromètres à tester. Le boîtier de l’accéléromètre étalon doit être très
rigide pour éviter le mouvement relatif entre la céramique piézoélectrique de l’étalon et
l’accéléromètre à tester.
Le vibrateur d’étalonnage avec une armature mobile dans laquelle se trouve l’accéléromètre
étalon, permet un meilleur couplage mécanique avec l’accéléromètre (ou l’objet) à étalonner.
De plus, il offre une surface plus grande, ce qui permet l’étalonnage d’accéléromètres ou
objets volumineux.
Isolement électrique
Les étalonnages en mouvement sinusoïdal se font en fixant l’accéléromètre étalon sur un
vibrateur ou en l’incorporant dans l’armature mobile du vibrateur.
Il est nécessaire que le goujon de fixation de l’accéléromètre étalon monté sur le vibrateur soit
isolé de son boîtier de manière à éliminer les boucles de masse et les parasites créés par la
circulation d’un courant électrique dans l’armature mobile de l’excitateur.
Pour les vibrateurs avec l’accéléromètre étalon intégré dans l’armature mobile, l’isolement
électrique est assuré par la table en céramique sur laquelle se fixe l’accéléromètre à étalonner.
L’étalonnage des accéléromètres à boîtier isolé nécessite que l’étalon ait un boîtier mis à la
terre pour éliminer l’accumulation de charges électriques parasites sur l’accéléromètre à
tester.
Stabilité dans le temps
C’est une des caractéristiques les plus importantes d’un accéléromètre étalon. Pour éviter les
variations de sensibilité, il doit utiliser des céramiques piézoélectriques synthétiques très
stables dans le temps et être conçu de façon à minimiser les effets de montage et l’influence
du câble sur la sensibilité.
Linéarité d’amplitude
Il est essentiel que la sensibilité de l’accéléromètre étalon soit constante dans toute la gamme
d’utilisation.
Ceci tout particulièrement si le même système doit être pour les étalonnages en chocs et en
vibrations sinusoïdales.
Réponse en fréquence
L’accéléromètre étalon ne doit présenter aucune fréquence de résonance secondaire dans sa
gamme d’utilisation en fréquence.
Sa sensibilité doit rester constante dans toute la gamme d’utilisation.
Différents modèles de vibrateurs avec des systèmes de guidage optimisés permettent des
gammes d’utilisation en fréquence, généralement de 0 à 100/200- 3 à 10.000- 2/5 à 20.000Hz,
avec une fréquence de résonance appropriée.
La qualité de l’étalonnage dépend de l’accéléromètre étalon et du vibrateur utilisé.
Simplicité d’utilisation
Le système total doit être conçu de manière à permettre une utilisation simple et pratique,
accessible à tout opérateur moyennement qualifié.
L’accéléromètre étalon doit présenter toutes les caractéristiques décrites ci-dessus afin
d’éviter des erreurs qui pourraient passer inaperçues à l’opérateur.
En outre, les systèmes bien conçus doivent permettre de procéder à tous les étalonnages sans
avoir à faire de calcul.
De cette façon, l’élimination des sources d’erreur est maximale.
Exemple d’un des premiers systèmes d’étalonnage par comparaison, développé par
Endevco®
Les deux accéléromètres sont soumis à la même vibration fournie par l’excitateur,
(accéléromètre étalon incorporé dans l’armature mobile ou monté sur la table, dans ce cas à
l’extérieur du vibrateur).
L’oscillateur permet de choisir la fréquence à laquelle l’étalonnage doit être effectué. La voie
de mesure « étalon », sans le diviseur de tension, donnerait le niveau d’accélération appliqué
alors que la voie de test fournit le signal de sortie du capteur à étalonner (mV).
Le rapport de ces deux sorties fournirait la sensibilité de l’accéléromètre à étalonner.
Cependant au lieu de procéder à deux lectures séparées sur le voltmètre et de calculer le
rapport des deux sorties, on utilise un diviseur de tension qui est introduit dans la voie étalon.
Le diviseur de tension (boîte à décades) est réglé de façon à ce que les deux lectures dans la
position test et dans la position étalon correspondent à la même lecture sur le voltmètre.
De cette façon, le diviseur de tension indique directement le rapport des deux sorties.
Toutes les erreurs, qui seraient éventuellement dues à la non linéarité et à l’imprécision du
voltmètre, sont éliminées.
De plus, si les gains des amplificateurs de charge ou conditionneurs sont convenablement
réglés, la sensibilité de l’accéléromètre à étalonner est directement indiquée par la position
des différents plots du diviseur de tension.
Précision
L’accéléromètre étalon doit offrir des caractéristiques de haute performance de façon à
permettre un étalonnage par réciprocité à +/- 0,5% tel qu’il est offert par les laboratoires
d’étalonnage spécialisés de haute qualité.
Incertitudes de mesure
L’incertitude probable pour chaque fréquence d’étalonnage est déterminée par l’analyse de
toutes les sources d’erreur, l’accéléromètre étalon, les amplificateurs, les instruments de
lecture utilisés pour mesurer le rapport entre le signal de sortie des deux accéléromètres.
A titre d’exemple, le tableau ci-dessous illustre une analyse de ces erreurs effectuée dans le
cadre d’une habilitation d’un système d’étalonnage par le Bureau National de Métrologie.
L’incertitude globale de +/-1,2% à 100Hz sur la mesure de la sensibilité de l’accéléromètre
« test » a été calculée en prenant la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes
élémentaires définies dans le tableau.
D’autres calculs d’erreurs sont nécessaires pour obtenir l’incertitude sur la plage de fréquence
de 10 à 10.000Hz.
A titre d’exemple, on trouvera ci-dessous les valeurs d’incertitudes rentrant dans le cadre de
l’habilitation par le Bureau National de Métrologie d’un système par méthode de
comparaison.
Niveaux d’excitation de 5 m/s² à 200 m/s²
à 100Hz +/- 1,2%
de 10 à 4kHz +/- 1,5%
de 4kHz à 10kHz +/- 2,5%
Exemples de systèmes modernes d’étalonnages par comparaison, (Spektra)
Classification Réponse en fréquence Charge utile CS 18 VLF 0,4 à 160Hz 900 grammes
CS18 LF 3 à 5.000Hz 500 grammes
CS18 MF 5 à 10.000Hz 250 grammes CS18 HF 5 à 20.000Hz 200 grammes
Etalonnage de la réponse en fréquence
Les accéléromètres étalons étalonnés par la méthode de réciprocité ou par interférométrie par
le centre agrée (BNM pour la France) sont régulièrement utilisés pour établir précisément la
sensibilité et la réponse en fréquence des accéléromètres par la méthode de comparaison.
Beaucoup de vibrateurs peuvent être utilisés pour déterminer la réponse en fréquence en un
seul point ; cependant, comme il est important d’étalonner l’accéléromètre pour l’étendue de
fréquence à laquelle il sera utilisé, cette opération ne peut se faire qu’avec un vibrateur ayant
une distorsion aux accélérations et un mouvement transverse les plus faibles possible.
Il est impossible de couvrir une plage de fréquence de 0 à 10.000Hz avec un seul vibrateur.
En général, la plage de fréquence de 0 à 10.000Hz se divise en 3 sections selon les exemples
suivants.
Très basse fréquence : 0 à 100/200Hz
.guidage par paliers air
.force : 133 / 186N.
.déplacement : 158 mm (crête/crête)
.charge utile : 11 / 23 kg
.table : 254 x 254 mm
Moyenne fréquence : 3Hz à 10.000Hz
.guidage faible transverse (ISO 1606-21)
.force : 100N.
.charge maximale : 500 grammes
.accélération : jusqu’à 60g
.déplacement : 10 mm (crête/crête)
.plage de fréquence : 0 à 10.000Hz
.première résonance axiale : >12kHz
Haute fréquence : 2/5Hz à 20.000Hz
.guidage par palier air avec armature céramique
.première résonance axiale : >52kHz
.force : 100N.
.charge maximale : 350 grammes
.accélération : jusqu’à 40g
.déplacement : 8 mm (crête/crête)
.plage de fréquence : 0 à 50.000Hz
.accéléromètre étalon incorporé
Grâce à ces modèles de vibrateurs, il est possible d’étalonner par comparaison la réponse en
fréquence (sinusoïdale) de 0 à 10.000Hz des accéléromètres et fournir un document de leur
réponse en fréquence (pour certains modèles, la fréquence de résonance) et la mesure absolue
de la sensibilité dérivée de l’étalonnage par réciprocité de l’accéléromètre étalon, incorporé
dans l’élément mobile ou fixé extérieurement.
Au- dessus de 10.000Hz, un vibrateur (haute fréquence) est utilisé pour obtenir la variation de
la sensibilité de l’accéléromètre à étalonner exprimée en décibel, principalement, pour
indiquer également la fréquence de résonance principale et les fréquences de résonance
mineures jusqu’à 50/52kHz.
Au dessus de 50/52kHz, on utilise généralement une excitation transitoire. La résonance est
alors excitée par un impact de durée très courte.
Afin d’avoir par cette méthode la fréquence de résonance de l’accéléromètre « monté » le
capteur doit être fixé sur une enclume ayant une fréquence de résonance suffisamment
élevée,en général un bloc métallique de 0,76 x 0,76 x 0, 4 m.
En dessous de 5Hz, les distorsions du vibrateur d’étalonnage peuvent affectées la qualité de la
comparaison, il est nécessaire alors d’utiliser un autre type de vibrateur capable d’un grand
déplacement et utilisant un guidage par palier air pour minimiser les mouvements transverses.
Importance des tests de réponse en fréquence
L’étalonnage de la réponse en fréquence répond à deux besoins, établir la capacité de réponse
du capteur pour sa plage normale d’utilisation et déterminer que l’accéléromètre n’a pas de
réponse anormale ou de dommage physique.
Une réponse erratique ou anormale à une fréquence dans la plage d’utilisation, peut être
mieux détectée par un étalonnage complet sur l’ensemble de la réponse en fréquence utile du
capteur.
La plupart des accéléromètres n’ont pas de résonance mineure et présente une augmentation
de sensibilité aux hautes fréquences.
Cependant, quelques accéléromètres présentent une réponse différente dont les figures a,b,c,d
suivantes donnent quelques exemples.
Réponses en fréquence d’accéléromètres présentant
(a) : une résonance boîtier (b) : résonance interne
(c) : un composant interne cassé (d) : un bruit de fond
Une réponse en fréquence anormale des accéléromètres peut avoir différentes causes :
dommages internes tels qu’une résonance de connexion, détérioration de l’élément
piézoélectrique ou piézorésistif, résonance boîtier ou connecteur…
Ceci peut aisément se détecter par une vérification de la réponse en fréquence du capteur.
La présence d’un changement important de la sensibilité dans une bande étroite de fréquence
peut s’expliquer par l’utilisation d’un vibrateur présentant un mouvement transversal
important ou des distorsions d’accélération.
Il est aussi important d’utiliser un accéléromètre étalon ayant un mouvement relatif très faible
afin d’être sûr qu’une réponse inhabituelle aux fréquences élevées soit celle de
l’accéléromètre à étalonner plutôt que causée par des erreurs excessives d’étalonnages.
Bien qu’il soit difficile d’endommager la plupart des accéléromètres, leur conception rend
certains d’entre eux plus vulnérables aux chocs élevés.
La recherche de la fréquence de résonance est la méthode la plus précise pour déterminer un
éventuel endommagement.
Les figures ci-dessus montrent les fréquences de résonance avant et après que l’accéléromètre
ait été soumis à un choc excessif, la fréquence de l’accéléromètre décroît de 32.000Hz à
29.500Hz et une résonance mineure apparaît à 11.000Hz.
Réponses en fréquence d’un accéléromètre avant et après un choc excessif
(a) : avant le choc : 32.000Hz
(b) : après le choc : 29.500Hz
La diminution de la fréquence de résonance est une indication d’endommagement interne. Sur
la base d’une recherche de la réponse en fréquence limitée, la résonance mineure à 11.000Hz
aurait été oubliée, la réponse étant acceptable en basse fréquence.
Cependant, la recherche de la fréquence de résonance établit que l’accéléromètre est
endommagé et ne doit pas être utilisé dans certaines situations d’essais.
Les résonances mineures détectées durant la réponse en fréquence et la recherche de la
fréquence de résonance peuvent être causées par des résonances de fils de connexion
d’éléments internes, boîtier, connecteurs, endommagement de la surface de la base de
montage…
Ces résonances se produisent en général à des fréquences supérieures à 10.000Hz, souvent la
limite supérieure de la plupart des recherches de réponse en fréquence.
Il est important d’être vigilant à de telles résonances mineures pour le choix d’un
accéléromètre, particulièrement pour les applications nécessitant une bonne réponse en haute
fréquence, dans ce cas, une réponse en fréquence jusqu’à 50.000Hz est recommandée.
Etalonnage par comparaison, appliqué aux chocs
L’étalonnage d’accéléromètres en choc est utile pour plusieurs raisons, principalement pour
vérifier expérimentalement leur linéarité d’amplitude et décalage du zéro aux hautes
accélérations mais aussi déterminer les effets de chocs en transverse.
L’étalonnage en choc est également important et utile pour la vérification d’un système
complet incluant l’accéléromètre, l’amplificateur, le filtre et l’enregistreur, pour vérifier si le
système a une réponse en fréquence adéquate et un déphasage acceptable.
Evaluation d’un accéléromètre étalon
La plus importante évaluation d’un accéléromètre étalon est la détermination de sa linéarité
d’amplitude. Il a été démontré que la sensibilité d’accéléromètres piézoélectriques augmentait
linéairement avec l’accélération. Pour avoir une précision acceptable, l’augmentation de
sensibilité ne doit pas dépasser quelques pour cent.
Il est très difficile de prouver expérimentalement que la sensibilité augmente juste de 1% à
des accélérations de 10.000g car les erreurs d’étalonnage peuvent être de l’ordre de 5%.
Pour prouver que les variations de linéarité d’un accéléromètre étalon sont inférieures à 1%,
il est nécessaire de l’étalonner très soigneusement jusqu’à 5 fois la valeur maximale de
l’accélération à laquelle il doit être utilisé.
Par exemple, un étalonnage en choc avec une erreur allant jusqu’à 5% à des accélérations
allant jusqu’à 50.000g est adéquat pour garantir la linéarité de l’étalon jusqu’à une
accélération de 10.000g
Exemple d’une évaluation de la linéarité d’amplitude d’un accéléromètre étalon
Un fournisseur d’accéléromètre, Endevco®, a développé, il y a quelques années, une méthode
permettant d’étalonner la linéarité d’un accéléromètre étalon modèle 2270™ (voir photo)
jusqu’à des accélérations de 50.000g.
Accéléromètre étalon 2270
Réponse en fréquence selon le poids de
l’accéléromètre à étalonner
Ces étalonnages aux hautes accélérations ont été obtenus en construisant un accéléromètre
étalon spécial ayant un élément de masse additionnel.
Par ce moyen, une faible accélération produit sur le cristal la même contrainte qu’une forte
accélération sur un accéléromètre normal.
La masse additionnelle utilisée produit des contraintes sur le cristal égales à celles qui
pourraient être générées par un niveau d’accélération de 23,5 fois le niveau utilisé.
En conséquence, une accélération de 2.500g appliquée à l’accéléromètre spécial, produit la
même déviation d’amplitude que celle qui existerait sur l’accéléromètre étalon 2270 pour une
accélération d’environ 58.700g.
Une version spéciale du modèle 2270 a été construite et montée d’une façon normale sur un
accéléromètre étalon modèle 2270 standard, pour effectuer son étalonnage par comparaison.
Cet étalonnage a été effectué en utilisant un système d’étalonnage en choc disponible à cette
période, l’ensemble, accéléromètre étalon 2270 et la version 2270 modifiée avec masse
additionnelle fixée dessus (back to back), étant monté sur la même pièce (enclume).
Les résultats de ces étalonnages en choc par comparaison sont montrés par la figure 1.
Chaque point a été obtenu à partir d’un oscilloscope tel que le montre la figure 2, en utilisant
la procédure décrite dans la section suivante.
Comme prévu, la sensibilité de l’accéléromètre étalon augmente linéairement avec
l’accélération appliquée.
L’augmentation de sensibilité étant de 5% à 50.000g et 1% à 10.000g
Figure 1 : étalonnage de la linéarité d’amplitude
La moyenne des valeurs obtenues autour de la droite de la figure 1, en faible accélération
donne une valeur de 50,5pC/g très proche de celles obtenues par l’étalonnage par
comparaison de l’accéléromètre spécial, 50,7pC/g en faible accélération sinusoidale.
La différence de 0,4% entre ces deux valeurs est de toute façon inférieure aux erreurs typiques
d’étalonnage par comparaison en mode sinusoïdal (vibration) et choc.
.Procédure d’essais
L’étalonnage par comparaison en choc a été fait avec un système générateur de choc Endevco
modèle 2965C et une instrumentation complémentaire décrite ci-dessous.
Système d’instrumentation pour l’étalonnage en choc par la méthode de comparaison
Cet ensemble machine à choc et instrumentation est actuellement obsolète, différents modèles de machines à
choc sont maintenant disponibles selon les caractéristiques du choc recherché,
Une bille d’acier tombe et percute une enclume cylindrique sur laquelle sont fixés
l’accéléromètre étalon et l’accéléromètre à tester. Ces capteurs sont raccordés à des
amplificateurs équipés de filtres passe- bas. La fréquence de coupure du filtre est de 15.000Hz
et sa réponse en phase linéaire.
Des diviseurs de tension sont aussi utilisés pour produire des signaux d’entrée de
l’oscilloscope approximativement égaux.
L’oscilloscope double trace enregistre simultanément les signaux des accéléromètres. Un
signal de tension de calibration est envoyé périodiquement, simultanément sur les deux voies
de l’oscilloscope.
La formule utilisée pour le calcul de la sensibilité de l’accéléromètre à tester est :
Qt : sensibilité de l’accéléromètre à tester (pC/g)
Ht : hauteur de l’impulsion de l’accéléromètre à tester, cm
Hs : hauteur de l’impulsion de l’accéléromètre étalon, cm
Dt : rapport diviseur de l’accéléromètre à tester
Ds : rapport diviseur de l’accéléromètre étalon
Ct : signal de calibration sur la voie à tester (mV/cm)
Cs : signal de calibration sur la voie étalon (mV/cm)
Kt : gain de l’amplificateur de la voie à tester (mV/pC)
Ks : gain de l’amplificateur de la voie étalon (mV/pC)
As : correction de la linéarité d’amplitude pour l’accéléromètre étalon
Un oscillogramme typique obtenu durant un étalonnage par comparaison en choc est illustré
par la figure suivante
Le signal de sortie de l’accéléromètre étalon est inversé afin de faciliter la séparation des
traces. Les traces sinusoïdales sont les signaux de calibration, le signal du haut est pour la
voie « étalon », le signal du bas est pour la voie « test ».
Le gain et l’étendue de mesure utilisés dans l’équation sont réglés sur les amplificateurs
« étalon » et « test ». La correction de la linéarité d’amplitude As déterminée à partir de
l’étalonnage spécial discuté précédemment est de 1% par 10.000g ou 0,1% par 1.000g.
Une autre méthode de mesure « numérique » de l’accélération appliquée pour les voies
« étalon » et « test » a été utilisée pour réduire le temps d’étalonnage et améliorer la précision
des mesures de rapport.
Ces lectures numériques pouvaient être utilisées pour calculer la sensibilité de l’accéléromètre
« test » si le gain de l’amplificateur de la voie « étalon » était précisément calibré pour la
sensibilité en charge de l’accéléromètre « étalon » selon la formule suivante
QT = GT A s / G s
QT = sensibilité de l’accéléromètre à tester, pC/g
G t = accélération de l’accéléromètre « test » indiquée, g
G s = accélération appliquée (lecture de l’étalon), g
A s = correction de linéarité d’amplitude pour l’accéléromètre étalon
Analyse d’erreurs effectuée pour ce système
*déterminé comme la racine carrée de la somme des carrés de chaque erreur
L’analyse d’erreurs doit inclure les erreurs estimées pour les caractéristiques de tous les
équipements utilisés pour conduire l’étalonnage par comparaison e choc d’accéléromètres.
L’instrumentation du système ci-dessus utilisé comprend l’accéléromètre étalon modèle 2270,
les amplificateurs de charge avec leur filtre passe bas et les appareils de lecture d’amplitude et
de forme.
L’analyse d’erreurs doit inclure les caractéristiques de l’accéléromètre à étalonner qui pourrait
produire une erreur de signal ou un changement de la sensibilité de l’accéléromètre étalon
pendant l’étalonnage.
L’erreur estimée sur la sensibilité d’un accéléromètre à étalonner est déterminée en prenant la
racine carrée de la somme des carrés des erreurs individuelles.
Le résultat de l’analyse d’erreurs ci-dessous est de 4,8% quand on utilise un oscilloscope à
mémoire et environ 3,5% quand on utilise un enregistreur numérique de transitoire.
Exemples de certificats d’étalonnage en vibration
1°) Etalonnage en vibration (par comparaison) d’un accéléromètre piézoélectrique
.Il s’agit d’une réétalonnage d’un accéléromètre piézoélectrique « classique » ayant une
étendue de mesure pleine échelle de +/-5000g et une réponse en fréquence « spécifiée »
de 2 à 10000Hz
.la sensibilité en fonction de la fréquence est indiquée sous deux formes
.une courbe de 20 à 10000Hz.
.la valeur basse fréquence est limitée à 20Hz, cette limitation est due à la technologie
du vibrateur utilisé qui en général, présente une distorsion trop importante aux
fréquences inférieures. Il existe des vibrateurs spécifiques pour les fréquences
inférieures à 20 Hz et supérieures à 10000 Hz.
.la fréquence indiquée en haute fréquence correspond en général au quart ou tiers de
la fréquence de résonnance de l’accéléromètre.
.la sensibilité mesurée pour des points de fréquence
2°) Etalonnage en vibration (par comparaison) d’un accéléromètre capacitif
.il s’agit du premier étalonnage d’un accéléromètre capacitif ayant une réponse en
fréquence spécifiée, de 0 à 400Hz pour une étendue de mesure pleine échelle de +/-2g
.à la différence de l’accéléromètre piézoélectrique la sensibilité est mesurée différemment
à une fréquence de 50 Hz (étalonnage) complétée par des points (dB) entre 10 et 600Hz
.ce type d’accéléromètre étant amorti, le déphasage est également indiqué par une courbe
.voir courbe « frequency response » et tableau points entre 10 et 2500 Hz
.la sensibilité et le décalage du zéro sont également mesurés par la méthode du +/- 1g
Sur ces deux exemples de certificat sont également indiquées les conditions
d’environnements, dates, ainsi que les références opérateur, procédure, équipements…
TERMES ET ABREVIATIONS DE BASE
Etalonnage
Il s’agit d’une définition très proche de celle utilisée par l’institut national allemand de la
métrologie.
L’étalonnage est un ensemble d’activités qui, sous des conditions données, déterminent la
relation mutuelle entre les valeurs lues par un appareil ou système de mesure et les valeurs
connues.
Dans ce cas d’étalonnage par comparaison (dit étalonnage secondaire), les valeurs connues
pour la mesure sont les coefficients de transfert (sensibilité) de la référence utilisée,
déterminée et reportée par le bureau national de métrologie.
Dans le cas d’étalonnage primaire, la valeur connue est l’une des quantités physiques liées à
une mesure de vibration confirmée (accélération, vitesse, déplacement) par le biais d’une
valeur physique mathématique.
Etalonnage appareil
Etalonnage (calibration) est le terme générique pour tous les appareils qui doivent être
étalonnés.
Remonter la hiérarchie de l’étalonnage
La mise en correspondance des mesures à la norme nationale s’effectue par le biais d’une
chaîne ininterrompue d’étalonnages.
Cette chaîne est souvent représentée sous la forme d’une pyramide, le haut étant l’institut
national de métrologie de chaque pays, les degrés inférieurs représentant le classement des
laboratoires et sociétés accrédités et non accrédités.
Norme nationale
Standard (étalon), la référence reconnue dans un pays par un accord national, la base pour
identifier les valeurs de tout autre niveau de la quantité considérée.
Norme de référence
Standard : en général, la plus haute qualité de précision disponible dans un lieu, pour lequel
toutes les mesures prises à cet endroit sont enregistrées.
Norme de travail
Standard : en général celui qui a été étalonné au moyen d’un étalon de référence, et qui est
utilisé en routine pour l’étalonnage et le contrôle du matériel d’essais et des appareils de
mesure.
Référence d’étalonnage (capteur de transfert)
Standard : en général celui qui a été étalonné au moyen d’un étalon de référence, et qui est
utilisé pour vérifier et tester les fonctionnalités d’étalonnage des instruments de mesure et des
systèmes.
L’incertitude de mesure
Estimation, par l’identification des imprécisions des quantités mesurées.
09/02/2016
Marc Chambroux
Consultant Mesure et Système
Références : Endevco, Spektra, Polytec, Dytran, Silicon Design