Capteur d'accélération

Accéléromètre

Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile ou tout autre objet, permet de 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

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, donc 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 fondamental de la dynamique pour un système 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 (par rapport à un référentiel galiléen).

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

Principe

Le principe de tous les accéléromètres est basé sur la loi fondamentale de la dynamique F = m·a (F : force (N), m : masse (kg), a : accélération (m/s²) aussi notée γ). 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.

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 que l'on trouve directement sur le marché :

• à détection piézoélectrique
• à détection piézorésistive
• à jauge de contrainte/extensométrie (proche du type piézorésistif, dans son principe)
• à détection capacitive
• à détection inductive (ou réluctance variable)
• à détection optique
• à poutre vibrante
• à ondes de surface

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

• à détection à effet Hall
• à détection à potentiomètre
• à détection électromagnétique
• à détection piézo-optique
• à lecture directe
• à pendule tournant

Accéléromètres piézoélectriques

Principe de fonctionnement

Certains cristaux (quartz, sel de Seignette) et certaines céramiques ont la propriété de se charger électriquement lorsqu'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 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.

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 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.

Il existe plusieurs types de ces capteurs à asservissement :

• à détection capacitive
• à détection inductive
• à détection optique

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 :

• son étendue de mesure est exprimée en g = 9,806 65 m/s²
• sa masse du capteur, la finesse (terme technique correct correspondant)
• sa sensibilité transversale
• son nombre d'axe (1 à 3 axes)
• sa construction mécanique
• la présence d'une électronique intégrée
• son prix (en 2007, de 6 € pour un capteur capacitif non asservi jusqu'à 3 000 € pour un capteur asservi haut de gamme)

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

Ses applications

Les applications de ce capteur sont très diverses :

• la mesure de vitesse (par intégration)
• la mesure de déplacement (par double intégration)
• le diagnostic de machine (par analyse vibratoire)
• la détection de défaut dans les matériaux (en mesurant la propagation d'une vibration à travers les matériaux)

Néanmoins, elles sont généralement classées en trois grandes catégories :

• Les chocs
• L'accélération vibratoire
• L'accélération de mobiles

Les chocs

Les chocs sont des accélérations de très forte amplitude. Par 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 très rapides et donc qui nécessitent un capteur de bande de passante allant généralement 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 couramment associés à ce genre d'application sont des accéléromètres à déplacement non asservis, et plus précisément :

• à détection piézoélectrique
• à détection piézorésistive
• à détection capacitive (seulement pour les coussins gonflable de sécurité)

Exemples :

• déclenchement des coussins de sécurité dans les voitures
• crash-tests
• pyrotechnie

L'accélération vibratoire

Les accélérations vibratoires sont considérées 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 :

• à détection piézoélectrique
• à détection piézorésistive ou jauge d'extensiomètrie
• à détection inductive (ou réluctance variable)

Exemples :

• le contrôle vibratoire pour la R&D
• le contrôle industriel

L'accélération de mobiles

Les accélérations de mobiles sont de faible niveau. Par exemple, l'accélération maximum retenue pour le "Rafale" est de 9 g. 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 :

• des capteurs d'accélération non asservis (jauges, capacités, induction, optique, potentiomètre) ;
• des capteurs d'accélération asservis.

Exemple :

• les stations inertielles des avions
• l'aide à détermination dynamique de la position d'un train sur une ligne

Applications isolées et produits particuliers

Mesure d'inclinaison (grâce à la force de gravité de la Terre et 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 possible 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 :

• Nike, Polar et d'autres, utilisent les accéléromètres pour déterminer vitesse et distance de déplacement.

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

• Myotest utilise un accélèromètre pour mesurer le niveau de performance musculaire. Il calcule la puissance, la force et la vitesse d'un geste, mais aussi la hauteur du saut, le temps de contact ou encore la résistance à la fatigue. Appareil portatif qui améliore la qualité de l'entraînement.

En appareils photos et caméras :

• les accéléromètres sont utilisés pour la stabilisation de l'image, l'anti-flou, ...

En ultra-portables, PDA, ... :

• les accéléromètres sont utilisés pour l'orientation de l'écran.

En portable :

• les accéléromètres sont utilisés pour détecter une chute (forte accélération) et arrêter le disque dur. Ce fut la première utilisation récente d'un accéléromètre (Apple dans ses MacBook Pro), application qui fut rapidement détournée et devint célèbre, ce qui amena à l'inclusion d'un accéléromètre dans l'iPhone du même Apple, puis la généralisation de ce composant.

En jeux vidéo :

• Nintendo a décidé d'innover en lançant une manette nouvelle génération pour sa console Wii. Celle-ci détecte directement les mouvements du joueur grâce à des accéléromètres, placés dans les 2 parties dont se compose sa manette : la Wiimote et le Nunchuck^[1].
• Sony utilise par contre une technologie différente dans la manette Sixaxis de sa PlayStation 3.

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

• Sony Ericsson utilise un accéléromètre dans les W710, W580i, W910i, w980i, K850i, C510, C905 et le c902.
• HTC utilise l'accéléromètre dans le Touch Diamond, le Touch HD ainsi que dans le Touch pro2.
• Apple utilise l'accéléromètre dans les iPhone, les iPod touch et les iPod nano, ainsi que dans toute sa gamme d'ordinateurs portables depuis 2005.
• Nokia utilise l'accéléromètre dans les N95, N82, N70, 6600,5530 Xpressmusic, 5800 Xpressmusic et le N97.
• Samsung utilise l'accéléromètre dans le Samsung Player Addict.
• Le Neo FreeRunner a deux accéléromètres.

Sources utiles

Ouvrages

• Georges Asch, Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod (ISBN 2100057774)
• Techniques de l'Ingénieur (l'encyclopédie technique)

Revue

• Mesures, n°746, guide d'achat, article de Marie-Line Zani, juin 2002.

Références

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

Ce document provient de « Acc%C3%A9l%C3%A9rom%C3%A8tre ».