Produits et technologies de capteurs de vibrations

Qu’est-ce qu’un capteur de vibrations ?

Un capteur de vibrations est un appareil qui mesure les vibrations sur les machines telles que les moteurs et les pompes. En analysant ces vibrations, les ingénieurs de maintenance peuvent détecter si l’équipement fonctionne normalement. Si des vibrations inhabituelles se produisent, cela peut indiquer un défaut, qui peut nécessiter une maintenance préventive pour éviter une panne. Il existe de nombreux types de capteurs de vibrations, chacun adapté à des applications particulières.

Où les capteurs de vibrations sont-ils utilisés ?

Les capteurs de vibrations sont le plus souvent utilisés sur les équipements rotatifs tels que les moteurs, les pompes, les compresseurs, les boîtes de vitesses et les turbines à gaz.

Un large éventail d’industries, notamment l’automobile et l’aérospatiale, l’agroalimentaire, les pâtes et papiers, le pétrole et le gaz, l’exploitation minière et la métallurgie, s’appuient sur des équipements rotatifs pour rendre possibles des applications telles que les systèmes de convoyage, les fours, les éoliennes, les séchoirs et les laminoirs.

Un nombre croissant d’industries utilisent la surveillance des vibrations des machines rotatives pour garantir le bon état de leur usine de production et de traitement. Il est normal que des systèmes tels que des moteurs et des pompes vibrent, mais tout comportement inhabituel peut indiquer des défauts provoqués par des problèmes tels que des roulements usés ou des arbres de transmission mal alignés.

Par exemple, les ventilateurs et les compresseurs sont essentiels au bon fonctionnement des systèmes CVC. La surveillance des vibrations dans ces systèmes garantit que l’air circule correctement et maintient la pièce ou les machines à la température requise. Dans l’industrie chimique, de nombreuses substances sont corrosives pour les tuyauteries et autres récipients et doivent être maintenues en mouvement. Cela nécessite des pompes et des moteurs fiables et offrant un fonctionnement ininterrompu. La surveillance des vibrations garantit une détection proactive des problèmes et que des mesures peuvent être prises pour maintenir leur disponibilité, en évitant d’endommager les cuves de l’usine et éventuellement des processus de nettoyage coûteux et risqués.

Comment fonctionne un capteur de vibrations ?

Les capteurs de vibrations convertissent le mouvement en énergie électrique à l’aide d’un transducteur. Plusieurs phénomènes physiques peuvent être utilisés pour réaliser cette conversion. L’une des méthodes les plus courantes est l’effet piézoélectrique, où la pression mécanique sur un matériau cristallin provoque une sortie électrique correspondante qui peut être analysée et utilisée pour représenter les valeurs des vibrations d’origine.

D’autres méthodes incluent les appareils MEMS (système microélectromécanique), qui est une technologie à base de puces. Les appareils MEMS capacitifs mesurent les vibrations en modifiant leur capacité en réponse à une accélération. Une autre technique utilise des courants de Foucault induits dans l’objet mesuré par une bobine. Le changement de distance entre la bobine et l’objet cible produit un signal de sortie proportionnel.

Des capteurs à microphone sont également utilisés. Ceux-ci convertissent le bruit généré par les vibrations en signaux électriques.

Qu’est-ce qu’un capteur de choc ?

Un capteur de choc est similaire à un capteur de vibrations, mais il réagit à des surcharges d’impact soudaines, plutôt que de mesurer des vibrations continues. Certains capteurs de choc sont basés sur le principe piézoélectrique, générant une sortie en réponse à une contrainte de flexion.

Une autre méthode consiste à utiliser des capteurs de chocs magnétodynamiques. Ceux-ci utilisent un aimant monté sur un ressort pour induire un courant dans une bobine lorsqu’un impact déplace l’aimant.

Les capteurs de choc produisent peu de sortie lorsqu’ils subissent une accélération lente, comme lorsqu’ils sont déplacés d’un site à un autre. Cependant, lorsqu’ils sont soumis à un impact rapide, comme une chute, ils produiront une sortie correspondant à la vitesse et à la taille de la force subie. Ils peuvent également être utilisés pour indiquer la direction de la force de l’impact en produisant une sortie positive ou négative.

Parmi les applications des capteurs de choc, on trouve la prévention des erreurs de lecture et d’écriture dans les disques durs qui pourraient être causées par une chute. Ils peuvent également être utilisés pour mesurer la vitesse de rotation des pneus, réveillant les systèmes de surveillance de la pression des pneus pour préserver la durée de vie de la batterie.

Types de capteur de vibrations

• Jauges de contrainte

Un type courant de capteur de vibrations est la jauge de contrainte. Celles-ci peuvent fonctionner soit par l’effet piézorésistif, soit par l’effet piézoélectrique.

Les jauges de contrainte piézorésistives se présentent sous la forme d’une feuille. Celle-ci contient une grille électriquement conductrice qui subit une déformation lorsque le composant testé, tel qu’un moteur, subit des vibrations. Ces déformations modifient la résistance électrique de la grille et, en lisant le temps mis par un courant électrique pour la traverser, la vibration de l’objet peut être évaluée.

Dans une disposition typique, un capteur à film piézo, qui se compose d’une section rectangulaire de film piézoélectrique, adhère directement à la surface du composant.

L’autre type principal de jauge de contrainte est un capteur piézoélectrique dans lequel une force mécanique appliquée à certains matériaux produit une charge à travers le matériau. Cette force peut être mesurée comme une tension proportionnelle à la pression.

La charge à travers le capteur fuira avec le temps en raison de facteurs tels qu’une isolation imparfaite et la résistance interne du capteur. Cela rend les jauges de contrainte inadaptées à la mesure de la pression statique. Cependant, elles sont sensibles aux changements dynamiques de pression sur une large gamme de fréquences et de pressions, ce qui les rend idéaux pour une utilisation en tant que capteurs de vibrations.

Les jauges de contrainte peuvent souvent être montées dans un espace libre. Lorsque l’ensemble est dévié par contact direct, le dispositif agit comme un « interrupteur » flexible qui génère une sortie. Si l’ensemble est soutenu par ses contacts et les vibrations sont laissées dans l’espace libre, le composant se comportera comme un accéléromètre ou un capteur de vibrations.

• Accéléromètres

Les capteurs de vibrations les plus couramment utilisés sont de loin les accéléromètres. Ils fonctionnent en mesurant les changements de vitesse du composant. Ces changements de vitesse sont indiqués par des vibrations qui amènent l’accéléromètre à produire un signal électrique. Ces signaux peuvent être traités pour produire des données sur les vibrations utilisables.

Un accéléromètre fonctionne à l’aide d’un capteur électromécanique conçu pour mesurer l’accélération statique ou dynamique. L’accélération statique est la force constante agissant sur un corps, telle que la gravité ou la friction. Les forces d’accélération dynamique ne sont pas uniformes, les meilleurs exemples étant les vibrations ou les chocs.

Les accéléromètres piézoélectriques sont le type le plus largement utilisé. Ils produisent un signal fort et clair à la plupart des fréquences, bien que les accéléromètres piézorésistifs deviennent également de plus en plus courants. Ceux-ci sont aptes à détecter les hautes et basses fréquences, bien qu’ils soient nettement plus chers que le type piézoélectrique.

Les accéléromètres à axe unique et multi-axes peuvent détecter à la fois l’amplitude et la direction de l’accélération qu’ils subissent. Exprimée sous forme de grandeur vectorielle, elle peut être utilisée pour détecter les vibrations, l’orientation du capteur, coordonner l’accélération, le choc et la chute dans un milieu résistif.

Les accéléromètres à axe unique possèdent un seul cristal et réagissent ainsi aux vibrations dans un seul plan. Les accéléromètres à trois axes mesurent la vibration sur trois axes, X, Y et Z, à l’aide de trois cristaux, chacun positionné pour répondre aux forces agissant dans un plan différent. La sortie de l’accéléromètre possède trois signaux, chacun représentant la vibration ressentie sur l’un des axes.

Les accéléromètres MEMS sont également disponibles et se déclinent en deux types principaux : les accéléromètres piézoélectriques et capacitifs. Un accéléromètre piézoélectrique MEMS combine un corps rigide et une masse physique attachée à un cristal piézoélectrique. Lorsqu’un mouvement se produit, la masse produit une contrainte, étirant le matériau piézoélectrique et générant une charge proportionnelle à l’accélération. Ils sont principalement utilisés pour mesurer les vibrations et les chocs.

Dans un accéléromètre capacitif MEMS, le changement d’accélération entraîne le mouvement de la masse d’essai, réduisant la distance entre deux pôles du condensateur à plaques parallèles. L’accélération est ensuite calculée en mesurant le changement de capacité. Connu pour sa précision, c’est le type d’accéléromètre le plus couramment utilisé.

Par rapport aux accéléromètres piézoélectriques standards, les accéléromètres MEMS présentent de nombreux avantages. En plus d’une taille relativement compacte par rapport aux appareils standard, les accéléromètres MEMS peuvent même mesurer le courant continu, ce qui les rend très utiles pour évaluer les machines à mouvement lent. Ce trait trouve une application dans la mesure des vibrations dans les éoliennes et les types d’équipements à rotation lente utilisés dans des industries telles que la transformation des métaux et l’agroalimentaire, où des vitesses de rotation inférieures à 60 tr/min sont courantes.

Les capteurs MEMS peuvent également récupérer des surcharges d’impact plus rapidement que les accéléromètres piézoélectriques standard, ce qui leur permet de détecter à la fois les événements d’impact et les mesures de vibration ultérieures de manière fiable.

• Capteur de vibrations à microphone

Une autre option est les capteurs à microphone. Les vibrations créent des sons, dont certains sont constitués de hautes fréquences indétectables par l’homme. Les capteurs à microphone peuvent détecter les changements dans ces sons à haute fréquence et constituent une méthode rentable pour fournir des informations de base.

Grâce à leur large gamme de fréquences, les microphones peuvent fournir une représentation claire et précise des fréquences présentes dans le modèle de vibration d’une machine. Cependant, bien qu’ils puissent détecter les changements de fréquences, ils ne peuvent pas fournir de valeurs absolues.

Pour cette raison, ils sont souvent utilisés avec des accéléromètres.
Un produit typique est le microphone de contact CM-01B de TE Connectivity. Celui-ci utilise un film piézo PVDF sensible, mais robuste, en le combinant avec un préamplificateur électronique à faible bruit. La conception minimise le bruit acoustique externe tout en offrant une sensibilité extrêmement élevée aux vibrations. Parmi ses caractéristiques, on trouve une large bande passante, une sensibilité élevée, une résistance élevée aux chocs, un poids léger et un faible coût.

• Autres types de capteurs de vibrations

Plusieurs autres types de capteurs de vibrations sont disponibles.

Un capteur à courants de Foucault est un type de capteur sans contact. Il fonctionne en induisant des courants de Foucault dans l’objet mesuré au moyen d’une bobine. Si le capteur est fixé en place et que l’objet subit des vibrations, ce mouvement sera enregistré dans le champ magnétique. Le changement de distance entre la bobine et l’objet cible produit un signal de sortie proportionnel.

Étant donné que les capteurs à courants de Foucault mesurent le mouvement par rapport à la position du capteur, ils doivent être fixés en place. Le fait qu’ils n’ont pas besoin d’entrer en contact avec l’actif les rend idéaux pour les actifs ou les configurations délicates.

Une autre technique sans contact, le déplacement laser, utilise un faisceau laser dirigé vers l’actif. Le faisceau est renvoyé vers un détecteur. Les changements de position de l’objet amèneront le faisceau à frapper une partie différente du détecteur, ce qui est interprété comme une mesure du mouvement de l’objet.

Les gyroscopes sont une technique de contact qui mesure la vitesse angulaire, soit à quelle vitesse quelque chose tourne ou pivote. Ils utilisent la technologie MEMS pour obtenir une mesure précise du nombre de degrés de rotation d’un objet par seconde. Les gyroscopes ne sont généralement pas utilisés seuls, mais complètent les données d’un accéléromètre avec des données d’orientation.

Sélection d’un capteur de vibrations

Il y a plusieurs considérations à prendre en compte lors de la sélection des bons capteurs de vibrations pour une application.

L’une d’elles est la technologie à utiliser. Vous pouvez avoir besoin d’une technologie avec ou sans contact, vouloir mesurer des vibrations à très basse ou très haute fréquence, avoir besoin de mesurer des vibrations dans plusieurs plans ou avoir besoin d’un appareil très compact. Ces exigences peuvent limiter les technologies de détection des vibrations pouvant être utilisées.

La sensibilité est une autre considération. Par exemple, la sensibilité des accéléromètres industriels est comprise entre 10 et 100 mV/g. Le choix de la sensibilité correcte pour une application implique de connaître la plage des niveaux d’amplitude de vibration auxquels le capteur sera exposé pendant les mesures.

Si la machine produit des vibrations de forte amplitude (supérieure à 10 g rms) au point de mesure, un capteur de faible sensibilité (10 mV/g) est préférable. À l’inverse, si la vibration est inférieure à 10 g rms, il faut choisir un capteur de 100 mV/g. En aucun cas, le niveau maximal de g ne doit dépasser la plage d’accélération du capteur.

Pour sélectionner la gamme de fréquences, nous devons déterminer les exigences de fréquence de l’application. La plage de hautes fréquences du capteur est limitée par la sensibilité lorsqu’il s’approche de la résonance. De nombreux amplificateurs de capteur filtrent également l’extrémité supérieure de la plage de fréquences pour atténuer l’amplitude de la résonance.

La plupart des vibrations des machines industrielles contiennent des fréquences inférieures à 1 000 Hz, mais il peut y avoir des composants d’intérêt à des fréquences plus élevées. Par exemple, avec un arbre, la fréquence d’intérêt la plus élevée pourrait être une harmonique qui sera un produit de la vitesse de fonctionnement et du nombre de roulements sur l’arbre.

Un autre facteur est la température, les capteurs devant survivre aux plages de température rencontrées dans l’application proposée. Ceci est important, car la dilatation thermique du boîtier métallique du capteur ou d’autres composants métalliques pourrait provoquer des sorties erronées.

Il existe de nombreux capteurs différents et il est important de trouver le bon capteur de vibrations pour chaque application. Il est essentiel d’obtenir une mesure précise des vibrations si l’on veut que la surveillance conditionnelle des machines rotatives atteigne tous ses avantages potentiels.