Tout savoir sur les accéléromètres et comment les choisir

Tout savoir sur les accéléromètres et comment les choisir

Omniprésent dans la vie de tous les jours, sans pour autant s'en rendre compte, l'accéléromètre est un dispositif qui mesure les forces d'accélération. Il peut faire objet de différents usages : on le trouve dans les stations spatiales, mais également très proche de nous, à savoir dans les smartphones. 

Dans cet article, nous allons nous intéresser à cet appareil pour mieux comprendre son utilité et son mode de fonctionnement à travers quatre questions basiques. 

Qu'est-ce qu'un accéléromètre ?

Un accéléromètre est un dispositif électromécanique qui mesure la vibration ou l'accélération du mouvement d'une structure. La force causée par une vibration ou un changement de mouvement (accélération) amène la masse à "presser" le matériau piézoélectrique qui produit une charge électrique proportionnelle à la force exercée sur lui. Comme la charge est proportionnelle à la force et que la masse est une constante, la charge est également proportionnelle à l'accélération. 

On la retrouve par exemple dans pratiquement tous les nouveaux modèles de smartphones pour indiquer au téléphone s'il a subit une accélération et dans quelle direction : c'est pourquoi l'écran de votre téléphone s'allume lorsque vous le retournez. Dans un contexte industriel, les accéléromètres aident les ingénieurs à comprendre la stabilité d'une machine et leur permettent de surveiller toute force ou vibration indésirable.

À quoi sert un accéléromètre ?

En mesurant la quantité d'accélération statique due à la gravité, vous pouvez déterminer l'angle d'inclinaison de l'appareil par rapport à la terre. En détectant la quantité d'accélération dynamique, vous pouvez analyser la façon dont l'appareil se déplace. Au départ, mesurer l'inclinaison et l'accélération ne semble pas très intéressant. Mais, au fil du temps, les ingénieurs ont compris l'utilité de ces données et ont commencé à les appliquer dans leur processus de fabrication de plusieurs nouveaux produits utiles au quotidien. A titre d'exemple, un accéléromètre peut aider à analyser les problèmes d'un moteur de voiture à l'aide de tests de vibration ou pour fabriquer un instrument de musique.

Dans le monde de l'informatique, IBM et Apple ont récemment commencé à utiliser des accéléromètres dans leurs ordinateurs portables pour protéger les disques durs des dommages. Si vous laissez tomber accidentellement votre ordinateur portable, l'accéléromètre détecte la chute libre soudaine et éteint le disque dur.. De la même manière, les accéléromètres à haute accélération sont la norme industrielle pour détecter les accidents de voiture et déployer les airbags au bon moment.

Comment fonctionnent les accéléromètres ?

Il existe de nombreuses façons de fabriquer un accéléromètre, et donc de les faire fonctionner. On distingue en premier lieu Les capteurs accéléromètres piézoélectrique qui contiennent des structures cristallines microscopiques qui sont sollicitées par des forces d'accélération, ce qui génère une tension. 

Une autre façon de procéder consiste à détecter les changements de capacité. Si vous avez deux microstructures l'une à côté de l'autre, elles ont une certaine capacité entre elles. Si une force d'accélération déplace l'une des structures, la capacité change. Ajoutez des circuits pour convertir la capacité en tension et vous obtiendrez ainsi un accéléromètre. Il existe encore d'autres méthodes, notamment l'utilisation de l'effet piézorésistif, des bulles d'air chaud et de la lumière.

Quels sont les éléments à prendre en compte lors de l'achat d'un accéléromètre ?

Avant toute chose, vous devez choisir entre un accéléromètre à sorties analogiques et un accéléromètre à sorties numériques. Ce choix sera déterminé par le matériel avec lequel vous allez interfacer l'accéléromètre. 

  • Les accéléromètres de type analogique émettent une tension continue qui est proportionnelle à l'accélération. Par exemple, 2,5V pour 0g, 2,6V pour 0,5g, 2,7V pour 1g. 

  • Les accéléromètres numériques utilisent généralement la modulation de largeur d'impulsion (PWM) pour leur sortie. Cela signifie qu'il y aura une onde carrée d'une certaine fréquence, et que la durée pendant laquelle la tension est élevée sera proportionnelle à la quantité d'accélération.

Si vous utilisez un microcontrôleur avec des entrées purement numériques (le BASIC Stamp par exemple), vous devrez très probablement opter pour un accéléromètre à sortie numérique. L'inconvénient est que vous devez synchroniser le microcontrôleur pour mesurer le rapport cyclique, et effectuer une opération de division exigeante en termes de calcul.

Si vous utilisez un microcontrôleur avec des entrées analogiques (type PIC/AVR/OOPIC/Javelin), ou un circuit entièrement analogique, la mesure de l'accélération peut être plus simple et peut être effectuée en quelques microsecondes.

Autres paramètres de prise de décision 

Autre que le choix entre l'analogique ou le numérique, il y a d'autres paramètres à prendre en considération lors de l'achat d'un accéléromètre : 

  • Le nombre d'axes : Pour la plupart des projets, deux axes sont suffisants. Cependant, si vous voulez tenter un positionnement 3d, vous aurez besoin d'un accéléromètre multi axes, ou de deux 2 axes montés à angle droit.

  • L'oscillation maximale : Si vous souhaitez uniquement mesurer l'inclinaison en utilisant la gravité terrestre, un accéléromètre de ±1,5g sera plus que suffisant. Si vous comptez utiliser l'accéléromètre pour mesurer le mouvement d'une voiture, d'un avion ou d'un robot, un appareil de ±2g devrait vous donner suffisamment de marge de manœuvre. Pour un projet qui connaît des démarrages ou des arrêts très soudains, vous aurez besoin d'un accéléromètre capable de gérer ±5g ou plus.

  • La sensibilité : En règle générale, plus la sensibilité est grande, mieux c'est. Cela signifie que pour un changement donné de l'accélération, il y aura un changement plus important du signal. Comme les changements de signal plus importants sont plus faciles à mesurer, vous obtiendrez des relevés plus précis.

  • La largeur de bande : Il s'agit du nombre de fois par seconde où vous pouvez effectuer une mesure d'accélération fiable. Pour les applications de détection d'inclinaison à mouvement lent, une largeur de bande de 50 Hz sera probablement suffisante. Si vous avez l'intention de mesurer les vibrations ou de contrôler une machine en mouvement rapide, vous aurez besoin d'une bande passante de plusieurs centaines de Hz.

  • Les problèmes d'impédance/tampon : C'est de loin la source de problèmes la plus courante dans les projets impliquant des accéléromètres analogiques, car peu de gens lisent attentivement la documentation requise. Les fiches techniques des PIC et des AVR précisent que pour que la conversion analogique-numérique fonctionne correctement, le dispositif connecté doit avoir une impédance de sortie inférieure à 10kΩ. La solution à ce problème consiste à utiliser un amplificateur opérationnel rail à rail à faible décalage d'entrée comme tampon pour abaisser l'impédance de sortie. Pour autant que nous le sachions, le DE-ACCM est la seule solution d'accéléromètre qui prend en charge ce problème pour vous.

Publié le : 16-10-2021

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