Fondamentaux du Signal Vibratoire
Module 1 / 5
1.2 Capteurs et Chaine de Mesure
L'accelerometre piezoelectrique, le velocimetre et le proximetre a courants de Foucault sont les trois families de capteurs vibratoires industriels. Leur choix, leur montage et le conditionnement du signal conditionnent directement la qualite du diagnostic.
Les trois familles de capteurs vibratoires industriels
Le choix du capteur conditionne la qualite de la mesure vibratoire. Chaque technologie a ses plages de frequences optimales, ses avantages et ses contraintes de montage. En maintenance industrielle, l'accelerometre piezoelectrique est de loin le plus repandu.
| Capteur | Grandeur mesuree | Plage de frequences | Application principale | Type de mesure |
|---|---|---|---|---|
| Accelerometre piezoelectrique | Acceleration (g ou m/s²) | 1 Hz - 20 kHz | Roulements, engrenages, maintenance predictive generale | Contact (visse ou colle) |
| Velocimetre (geophone) | Vitesse (mm/s) | 2 Hz - 1 000 Hz | Surveillance continue des machines sur paliers a roulements, structures civiles | Contact (visse) |
| Proximetre (eddy-current) | Deplacement (µm crete-a-crete) | 0 - 2 000 Hz | Arbres sur paliers lisses : turbines, compresseurs, pompes haute puissance | Sans contact (mesure l'arbre directement) |
Pourquoi l'accelerometre domine en maintenance ?
L'accelerometre piezoelectrique est robuste, compact, peu couteux et couvre une plage de frequences tres etendue (1 Hz a 20 kHz). Il permet a la fois de surveiller les niveaux globaux en vitesse (par integration numerique) et de detecter les defauts hautes frequences des roulements (en acceleration brute ou en envelopping). C'est le couteau suisse du diagnostic vibratoire industriel.
L'accelerometre piezoelectrique : principe et caracteristiques cles
Principe piezoelectrique
L'accelerometre piezoelectrique exploite l'effet piezoelectrique : certains cristaux (quartz, ceramiques PZT) generates une charge electrique proportionnelle a la contrainte mecanique qui leur est appliquee. Dans un accelerometre, une masse sismique (seismic mass) est montee sur un element piezoelectrique. Quand la machine vibre, l'inertie de la masse exerce une force sur le cristal, qui delivre une charge electrique proportionnelle a l'acceleration.
Avantages
- Tres large plage de frequences (1 Hz - 20 kHz)
- Pas de partie mobile interne → longue duree de vie
- Robuste aux environnements industriels (poussiere, huile, chocs)
- Disponible en versions ICP/IEPE (alimentation integree)
- Sensibilite : de 1 a 1000 mV/g selon le modele
- Plage de temperature : -55°C a +120°C (versions standard)
Limites et precautions
- Frequence de resonance du capteur (typiquement 30-80 kHz) : ne pas depasser 1/3 de cette valeur en mesure utile
- Sensible a la qualite du montage (voir section suivante)
- La sensibilite varie avec la temperature (correction necessaire au-dela de 80°C)
- Mesure unidirectionnelle : capteur triaxial necessaire pour les 3 axes
- Drift en basse frequence (< 1 Hz) pour les modeles ICP
Sensibilite et gamme de mesure
| Type d'accelerometre | Sensibilite | Gamme de mesure | Application type |
|---|---|---|---|
| Haute sensibilite | 500 - 1000 mV/g | ± 5 g | Machines lentes, faibles niveaux vibratoires, recherche |
| Usage general (le plus courant) | 100 mV/g | ± 50 g | Maintenance industrielle courante : pompes, moteurs, ventilateurs |
| Basse sensibilite | 10 mV/g | ± 500 g | Engrenages rapides, presses, environnements tres vibrants |
| Mini accelerometre | 1 - 10 mV/g | ± 1000 g | Mesure sur composants legers, turbines haute vitesse |
"Un accelerometre 100 mV/g est le cheval de bataille de la maintenance industrielle. Il couvre 99% des cas courants : surveillance de roulements, moteurs electriques, pompes centrifuges et ventilateurs."
Montage et fixation : l'etape critique de la mesure
La qualite du montage de l'accelerometre est aussi importante que le capteur lui-meme. Un mauvais montage reduit drastiquement la frequence utilisable, introduit des resonances parasites et rend le diagnostic impossible en haute frequence. Voici les methodes de fixation, de la meilleure a la moins bonne :
| Methode | Frequence utile | Avantages | Inconvenients |
|---|---|---|---|
| Vis (stud mount) | Jusqu'a la resonance du capteur (30-80 kHz) | Transmission maximale du signal, reproductibilite parfaite | Necessite un taraudage sur la machine, montage permanent |
| Colle epoxy | Jusqu'a 15-30 kHz | Tres bonne transmission, pas de taraudage | Nettoyage difficile, risque de casser le capteur au demontage |
| Cire d'abeille (beeswax) | Jusqu'a 5-10 kHz | Rapide, portable, sans outil | Limite en temperature (< 40°C), peu reproductible |
| Aimant (magnet base) | Jusqu'a 2-5 kHz | Tres rapide, portable, reproductible sur acier | Resonance de l'aimant limite la frequence utile. Ne fonctionne pas sur aluminium. |
| Sonde a main | < 1 kHz | Tres rapide, aucun montage | Tres peu reproductible, influence de la force d'appui. Utile uniquement pour le tri grossier. |
Emplacement du capteur : les regles d'or
- Placer le capteur au plus pres du roulement dans le chemin de force (load path). Plus on s'eloigne, plus le signal est attenue et deforme.
- Mesurer dans les trois directions : radiale horizontale, radiale verticale et axiale. Certains defauts (desalignement) se manifestent surtout en axial.
- Eviter les surfaces peintes, huileuses ou rugueuses sans couplant (graisse ou cire). Un mauvais contact acoustique cree une interface qui filtre les hautes frequences.
- Marquer les emplacements de mesure (peinture, goupille) pour garantir la reproductibilite d'une campagne a l'autre.
La chaine de mesure complete : du capteur au diagnostic
La chaine de mesure vibratoire comprend plusieurs maillons. Chaque maillon peut introduire des erreurs ou des limitations s'il est mal choisi ou mal configure. Comprendre cette chaine permet d'eviter les pieges classiques.
Convertit le mouvement mecanique en signal electrique (charge ou tension). Le conditionnement ICP (Integrated Circuit Piezoelectric) integre un amplificateur dans le capteur et se connecte par un simple cable coaxial.
Cable coaxial blindé. Longueur standard : 1 a 10 m. Eviter les boucles de masse (relier le blindage d'un seul cote). Verifier l'absence de connecteurs defectueux (cause frequente de mesures erratiques).
Alimente le capteur (source de courant constante 2-20 mA pour ICP), amplifie le signal, applique les filtres (filtre anti-repliement) et effectue la conversion analogique-numerique (ADC). C'est ici que se configure la frequence d'echantillonnage (Fe) et la plage de frequences d'analyse.
Calcul de la FFT, integration vers la vitesse ou le deplacement, filtrage numerique, calcul du RMS, extraction d'enveloppe (demodulation), calcul du kurtosis. Effectue par le processeur de l'analyseur ou par un logiciel PC (vibXpert, Emonitor, SpectraQuest...).
Les donnees sont exportees vers une base de donnees ou une GMAO (Maximo, SAP PM, Coswin...) pour le suivi de tendance, la comparaison avec les seuils d'alarme et la generation des ordres de travail preventifs.
Theoreme de Shannon / Nyquist : la regle fondamentale d'echantillonnage
Pour mesurer correctement une frequence fmax, la frequence d'echantillonnage doit etre d'au moins 2 × fmax (theoreme de Nyquist). En pratique, on prend 2,56 × fmax ou plus. Si cette regle n'est pas respectee, des frequences parasites apparaissent dans le spectre (repliement spectral ou aliasing) qui faussent completement le diagnostic.
Exemple : pour analyser jusqu'a 10 kHz, il faut une frequence d'echantillonnage d'au moins 25,6 kHz.
Dans le prochain chapitre, nous apprendrons a interpreter les niveaux globaux vibratoires et a utiliser les normes ISO 10816 et ISO 20816 pour evaluer rapidement l'etat d'une machine a partir d'une simple mesure de vitesse RMS.