Les cap­teurs de vi­bra­tions

Plu­sieurs tech­no­lo­gies se cô­toient par­mi les cap­teurs de vi­bra­tions. Le choix doit prendre en compte de nom­breux pa­ra­mètres, comme la fré­quence des vi­bra­tions à me­su­rer, l’en­vi­ron­ne­ment ou en­core l’ana­lyse des don­nées à ef­fec­tuer. Les prin­cipes phy­siques

Mesures - - Front Page - An­toine Cap­pelle (*) Yo­ko­ga­wa Elec­tric a, lui, lan­cé fin 2016 un cap­teur de vi­bra­tions sans fil ba­sé sur le pro­to­cole ISA100.11A.

Le monde de la me­sure de vi­bra­tions est très vaste, com­mence Oli­vier Bla­zère, di­ri­geant de Viaxys, qui dis­tri­bue des ins­tru­ments de me­sure de vi­bra­tions. Les cap­teurs sont uti­li­sés dans tous les do­maines, de l’aé­ro­nau­tique au gé­nie ci­vil, en pas­sant par l’agroa­li­men­taire et l’au­to­mo­bile. » Bien que les ap­pli­ca­tions évo­luent peu, « beau­coup de fa­bri­cants de ma­té­riel se voient im­po­ser de plus en plus de tests, note Oli­vier Bla­zère. Le mar­ché s’étend. Il y a 20 ans, il n’y avait pas en­core d’éo­liennes, par exemple. » La di­ver­si­té des cap­teurs est à l’image du mar­ché. Di­verses tech­no­lo­gies sont uti­li­sées, ain­si que dif­fé­rents sys­tèmes de mon­tage et de com­mu­ni­ca­tion, et de l’élec­tro­nique peut être in­té­grée. Les cap­teurs évo­luent avec l’en­semble de l’en­vi­ron­ne­ment in­dus­triel, tou­jours plus connec­té. Mais les tech­no­lo­gies de base, en re­vanche, sont stables.

L’im­por­tance du mon­tage

Plu­sieurs prin­cipes phy­siques peuvent être mis à contri­bu­tion pour me­su­rer des vi­bra­tions. « On peut dé­tec­ter le mou­ve­ment, la vi­tesse ou l’ac­cé­lé­ra­tion », dé­taille Edil Al­va­rez, res­pon­sable pro­duit chez ifm elec­tro­nic. Les cap­teurs les plus cou­rants sont les ac­cé­lé­ro­mètres. « Ils re­pré­sentent en­vi­ron 90 % du mar­ché in­dus­triel », es­time Joël Bai­chere, res­pon­sable pro­duit chez SKF. Au sein de cette grande fa­mille, dif­fé­rents sys­tèmes phy­siques sont ex­ploi­tés pour me­su­rer une ac­cé­lé­ra­tion. D’une part, les cap­teurs pié­zo­élec­triques: « Il s’agit d’un quartz qui gé­nère une ten­sion quand on le com­prime », ex­plique Edil Al­va­rez (ifm elec­tro­nic). Lors­qu’il est sou­mis aux vi­bra­tions de la ma­chine, le quartz su­bit une contrainte. Quand il ne contient pas d’élec­tro­nique in­té­grée, le cap­teur est pas­sif : il doit alors être re­lié à un sys­tème de condi­tion­ne­ment et de trai­te­ment du si­gnal. En sor­tie, on ob­tient une charge en fonc­tion de l’ac­cé­lé­ra­tion. Les ac­cé­lé­ro­mètres pié­zo­élec­triques pas­sifs pré­sentent plu­sieurs avan­tages. Les cap­teurs sont lé­gers : on peut en trou­ver dont la masse est in­fé­rieure au gramme. Ils sont éga­le­ment ré­sis­tants aux très hautes tem­pé­ra­tures. « Ils fonc­tionnent jus­qu’à plus de + 700 °C, et la te­nue en tem­pé­ra­ture conti­nue d’aug­men­ter, pré­cise Phi­lippe Po­te­reau, res­pon­sable pro­duit chez Brüel & Kjær. Les tests sur les tur­bines à gaz, pour les mo­teurs d’avion, contri­buent à pous­ser la tech­no­lo­gie en ce sens. » Pour Joël Bai­chere (SKF), ces cap­teurs re­pré­sentent « le meilleur rap­port qua­li­té/prix. Cette tech­no­lo­gie est fiable, elle pré­sente une bonne te­nue dans le temps ». Il existe éga­le­ment des ac­cé­lé­ro­mètres pié­zo­élec­triques avec élec­tro­nique in­té­grée: on les dé­signe gé­né­ra­le­ment par

l’acro­nyme IEPE ( In­te­gra­ted Elec­tro­nics Pie­zoe­lec­tric). Ils per­mettent d’ob­te­nir une sor­tie en ten­sion, en mil­li­volts par g. « Ces cap­teurs sont ali­men­tés par le fil qui trans­porte le si­gnal de sor­tie », in­dique Pierre De­lu­bac, di­rec­teur des ventes pour la France chez Meg­gitt Sen­sing Sys­tems. Leur te­nue en tem­pé­ra­ture est plus li­mi­tée que celle des sys­tèmes pas­sifs, mais elle s’amé­liore pro­gres­si­ve­ment. Cer­tains peuvent au­jourd’hui mon­ter jusque +180°C, ce qui élar­git leur champ d’ap­pli­ca­tions, avec no­tam­ment des tests sur les mo­teurs. D’autres ac­cé­lé­ro­mètres uti­lisent la tech­no­lo­gie ca­pa­ci­tive. Il s’agit gé­né­ra­le­ment de cap­teurs Mems (mi­cro­sys­tèmes élec­tro­mé­ca­niques). « Ce sont des com­po­sants mi­cro-usi­nés sur si­li­cium », ex­plique Edil Al­va­rez (ifm elec­tro­nic). Ils sont com­po­sés de pièces en forme de peignes, se fai­sant face. L’une est mo­bile, mon­tée sur res­sort, et l’autre, fixe. L’ac­cé­lé­ra­tion fait va­rier la dis­tance entre les deux, qui en­traîne une va­ria­tion de ca­pa­ci­té. On ob­tient ain­si une me­sure en conti­nu. « Cette tech­no­lo­gie est très ro­buste, c’est pour ce­la qu’elle est très sou­vent uti­li­sée no­tam­ment dans les vé­hi­cules, pour dé­tec­ter les im­pacts », pré­cise Edil Al­va­rez. En ef­fet, un même cap­teur peut ser­vir à sur­veiller les chocs ou les vi­bra­tions, se­lon le trai­te­ment ma­thé­ma­tique ap­pli­qué en­suite au si­gnal. Ain­si, les ac­cé­lé­ro­mètres in­duc­tifs sont in­té­res­sants en termes de dy­na­mique : ils peuvent en ef­fet per­mettre l’ar­rêt ra­pide d’une ma­chine en cas de pro­blème. Les do­maines d’ap­pli­ca­tions des cap­teurs pié­zo­élec­triques et ré­sis­tifs peuvent se re­joindre, et en faire deux tech­no­lo­gies concur­rentes. Les cap­teurs ré­sis­tifs sont moins oné­reux. Ce­la re­pré- sente un avan­tage pour les ap­pli­ca­tions telles que les pompes ou les ven­ti­la­teurs. Ils sont aus­si per­for­mants pour les ma­chines-ou­tils, de par leur temps de ré­ac­tion ra­pide. De plus, ils dé­rivent peu en fonc­tion de la tem­pé­ra­ture: « Ils sont donc bien adap­tés au sec­teur éo­lien, par

exemple, où l’on peut avoir des va­ria­tions de - 20 à + 60 °C », pré­cise Edil Al­va­rez (ifm elec­tro­nic). Mais leur bande pas­sante, c’est-à-dire la plage de fré­quences me­su­rables, est plus ré­duite com­pa­rée à celle des cap­teurs pié­zo­élec­triques. Ces der­niers « ont une gamme de fré­quence très large. Ce sont les ac­cé­lé­ro­mètres passe-par­tout, qui conviennent à la ma­jo­ri­té des cas », es­time Pierre De­lu­bac (Meg­gitt Sen­sing Sys­tems).

Prêts pour l’in­dus­trie 4.0

Ces dif­fé­rents cap­teurs de vi­bra­tions existent sous des formes va­riées : « Cer­tains sont plu­tôt en lon­gueur, d’autres en lar­geur, pré­cise Edil Al­va­rez (ifm elec­tro­nic). Les tech­no­lo­gies res­tent les mêmes, le choix dé­pend des contraintes de l’en­com­bre­ment. » La masse est éga­le­ment un pa­ra­mètre im­por­tant. Le cap­teur ne doit pas être trop lourd, pour ne pas mo­di­fier la struc­ture : « Il ne faut pas dé­pas­ser un dixième de la masse du sys­tème à sur­veiller, ce qui est dé­jà énorme, pré­vient Phi­lippe Po­te­reau (Brüel & Kjær). Les autres ca­rac­té­ris­tiques du cap­teur dé­coulent de sa masse. » Pour me­su­rer les vi­bra­tions d’un sys­tème, un ac­cé­lé­ro­mètre doit être en contact avec la struc­ture à sur­veiller. Plu­sieurs sys­tèmes de mon­tage existent. « Ce­la peut pa­raître ano­din, mais c’est un point es­sen­tiel car ce­la condi­tionne la me­sure », in­siste Phi­lippe Po­te­reau. « La fixa­tion la plus stan­dard est le sys­tème vis­sé en M8. Ce­la né­ces­site un simple ta­rau­dage », in­dique Edil Al­va­rez (ifm elec­tro­nic). « Ce mon­tage avec gou­jon est très so­li­daire de la struc­ture et per­met de mon­ter as­sez haut en fré­quence », ajoute Pierre De­lu­bac (Meg­gitt Sen­sing Sys­tems). En gé­né­ral, la connec­tique M12 est ac­ces­sible à l’ar­rière du cap­teur. « Mais, avec un gou­jon, le couple dé­ter­mine l’orien­ta­tion de la sor­tie, ajoute Phi­lippe Po­te­reau (Brüel & Kjær). C’est pour­quoi cer­tains cap­teurs ont un trou de mon­tage cen­tral, per­met­tant d’orien­ter la sor­tie comme on le sou­haite. » Pour les en­droits dif­fi­ci­le­ment ac­ces­sibles, il existe éga­le­ment des pointes de touche, c’est-à-dire des em­bases mu­nies d’une ai­guille. En­fin, il est éga­le­ment pos­sible de col­ler une em­base, un fi­le­tage ou le cap­teur lui-même : cette tech­nique évite ain­si d’en­dom­ma­ger la struc­ture. Lors­qu’il n’est pas pos­sible que le cap­teur soit en contact avec la struc­ture, ou pour des ap­pli­ca­tions plus spé­ci­fiques, d’autres tech­no­lo­gies de me­sure entrent en jeu. Ain­si, « les cap­teurs de proxi­mi­té in­duc­tifs per­mettent de me­su­rer les dé­pla­ce­ments d’un arbre dans son lo­ge­ment, in­dique

Joël Bai­chere (SKF). Les ac­cé­lé­ro­mètres ne sont pas adap­tés pour ce­la. » De même, ces der­niers ne conviennent pas pour la sur­veillance de ma­chines lentes : « Les dé­tec­teurs in­duc­tifs, eux, sont ca­pables de me­su­rer les vi­bra­tions à des fré­quences in­fé­rieures à une cen­taine de tours par mi­nute », ajoute Edil Al­va­rez (ifm elec­tro­nic). Il existe éga­le­ment des vi­bro­mètres la­ser, ca­pables de faire des me­sures à dis­tance, jus­qu’à une di­zaine de mètres. « Ces ou­tils per­mettent de s’af­fran­chir de tem­pé­ra­tures éle­vées ou des in­ter­fé­rences élec­triques, ex­plique Oli­vier Bla­zère (Viaxys). Ils sont éga­le­ment ca­pables d’ef­fec­tuer des me­sures à tra­vers une sur­face trans­pa- rente. » Ces so­lu­tions, plus oné­reuses que les autres tech­no­lo­gies, existent sous forme de pro­duits sur éta­gère, mais sont aus­si par­fois réa­li­sées sur me­sure, en fonc­tion des ap­pli­ca­tions. Les tech­no­lo­gies à l’oeuvre dans la plu­part des cap­teurs de vi­bra­tions sont ma­tures : « Il s’agit de mettre en oeuvre sim­ple­ment les lois phy­siques, il y a donc peu d’évo­lu­tions sur la tech­no­lo­gie de base », ex­plique Pierre De­lu­bac (Meg­gitt Sen­sing Sys­tems). Mais le mi­lieu in­dus­triel pousse vers cer­taines amé­lio­ra­tions. Les normes, par exemple, évo­luent. « Pour cer­tains types de tests en aé­ro­nau­tique, il faut être conforme aux nou­velles normes DO-160, conti­nue Pierre De­lu­bac. Ce­la im­plique no­tam­ment une meilleure iso­la­tion vis-à-vis des pro­blèmes de boucles élec­triques ». L’élec­tro­nique in­té­grée est un axe d’amé­lio­ra­tion im­por­tant des cap­teurs de vi­bra­tions. En plus d’in­té­grer le condi­tion­ne­ment du si­gnal, il est pos­sible d’ajou­ter une puce nu­mé­rique TEDS ( Trans­du­cer Elec­tro­nic Da­ta Sheets). Le prin­cipe: « On note dans cette puce les pa­ra­mètres du cap­teur, comme sa sen­si­bi­li­té, l’uni­té phy­sique me­su­rée, le nu­mé­ro de sé­rie, la date d’éta­lon­nage ou en­core le type d’ali­men­ta­tion », dé­taille Phi­lippe Po­te­reau (Brüel & Kjær). Les cap­teurs sont in­ter­ro­gés et re­con­nus di­rec­te­ment par le sys­tème d’ac­qui­si­tion. La table de confi­gu­ra­tion est rem­plie de fa­çon au­to­ma­tique. « Ce sys­tème de­vient cri­tique lorsque l’on ef­fec­tue une me­sure avec de nom­breux cap­teurs, mais même un consul­tant qui n’en uti­lise que trois ou quatre pour­ra ga­gner du temps avec cette mé­thode, es­time Phi­lippe Po­te­reau. Les puces TEDS ont dé­jà une quin­zaine d’an­nées. Il reste des in­com­pa­ti­bi­li­tés entre fa­bri­cants, mais glo­ba­le­ment le sys­tème fonc­tionne de mieux en mieux ».

Les sys­tèmes de com­mu­ni­ca­tion sans fil se dé­ve­loppent

En com­plé­ment de ce sys­tème d’iden­ti­fi­ca­tion, Brüel & Kjær ajoute un nou­veau pa­ra­mètre à ses cap­teurs, avec un code Da­ta­ma­trix gra­vé. « Le code peut être lu par un smart­phone, ce qui per­met de lire l’iden­ti­fiant du cap­teur, de trou­ver les in­for­ma­tions mé­tro­lo­giques cor­res­pon­dantes dans une base de don­nées, et de les as­so­cier à sa po­si­tion phy­sique », ex­plique Phi­lippe Po­te­reau. Ce sys­tème per­met d’avoir ac­cès aux in­for­ma­tions que l’on sou­haite, comme l’his­to­rique du ca­li­brage du cap­teur. « Ce­la passe par une ap­pli­ca­tion gra­tuite et un sys­tème que nous hé­ber­geons

dans le cloud », pré­cise-t-il. Cette dé­marche de fa­ci­li­ta­tion des me­sures est par­ta­gée par de nom­breux fa­bri­cants, avec dif­fé­rentes ini­tia­tives. Ce­la peut pas­ser par des ac­cé­lé­ro­mètres « conçus pour une grande po­ly­va­lence de confi­gu­ra­tion, de mon­tage et de sen­si­bi­li­té », in­dique Pierre De­lu­bac (Meg­gitt Sen­sing Sys­tems), à pro­pos du sys­tème POD lan­cé l’an­née der­nière. ifm elec­tro­nic pro­pose, avec sa gamme VN (Vi­bra­tion Nu­mé­rique), des cap­teurs avec un af­fi­chage nu­mé­rique et le trai­te­ment des don­nées in­té­gré : « Ce sys­tème s’adresse à des ap­pli­ca­tions iso­lées ou aux fa­bri­cants de ma­chines », ex­plique Edil Al­va­rez. Le cap­teur peut se voir as­si­gner des seuils d’alarme, per­met­tant par exemple d’ar­rê­ter une ma­chine. Et une mé­moire in­té­grée peut sto­cker l’his­to­rique sur plu­sieurs an­nées. Cer­tains cap­teurs sont dé­sor­mais ca­pables de com­mu­ni­quer de fa­çon au­to­nome. C’est le cas du mo­dèle CMWA 8800 de SKF (*) : « Il com­mu­nique avec le pro­to­cole Wi­re­les­shart, peu gour­mand en éner­gie », ex­plique Joël Bai­chere (SKF). Fonc­tion­nant sur une bat­te­rie de 3,6 V, le cap­teur de SKF af­fiche une au­to­no­mie de 5 ans. Les ap­pli­ca­tions ci­blées ne sont pas les mêmes que celles des cap­teurs clas­siques: « Les ap­pli­ca­tions cri­tiques ont pour le mo­ment vo­ca­tion à res­ter câ­blées, pré­cise Fran­çois Niair­fex, res­pon­sable dé­ve­lop­pe­ment pro­duits chez SKF. Mais la com­mu­ni­ca­tion sans fil per­met la sur­veillance de la san­té des ma­chines, avec de nom­breux points de me­sure. » Pour Edil Al­va­rez (ifm elec­tro­nic), les cap­teurs sans fil pré­sen­te­raient un in­té­rêt pour les me­sures en am­bu­la­toire : « L’ab­sence de câbles peut fa­ci­li­ter l’ins­tal­la­tion, et l’au­to­no­mie li­mi­tée n’est pas gê­nante pour ce mode d’uti­li­sa­tion ». « À l’ave­nir, les cap­teurs sans fil pour­raient éven­tuel­le­ment s’ap­puyer sur un sys­tème de pro­duc­tion d’éner­gie au­to­nome, via le mou­ve­ment », ima­gine Fran­çois Niair­fex (SKF). Le dé­ve­lop­pe­ment de ce mar­ché se­ra aus­si condi­tion­né par l’évo­lu­tion des stan­dards de com­mu­ni­ca­tion: « Le Blue­tooth et le­wi-fi ne suf­fi­ront pas aux exi­gences du mi­lieu in­dus­triel, conti­nue Fran­çois Niair­fex. Il y a trop de per­tur­ba­tions élec­tro­ma­gné­tiques et beau­coup de mé­tal que les com­mu­ni­ca­tions doivent fran­chir. » Les pro­to­coles sans fil in­dus­triels comme Sig­fox ou Lo­ra pour­raient donc prendre le re­lais. Mais d’autres pro­to­coles sont en cours de ma­tu­ra­tion, et rien ne per­met au­jourd’hui de sa­voir les­quels s’im­po­se­ront avec le temps, no­tam­ment à l’échelle in­ter­na­tio­nale, grâce aux sou­tiens des grands in­dus­triels. Le che­min n’est donc pas tout tra­cé, mais les cap­teurs de vi­bra­tions ont bel et bien leur place dans l’in­dus­trie 4.0.

La plu­part des cap­teurs de vi­bra­tions doivent être en contact avec la struc­ture à sur­veiller. Mais il existe dif­fé­rents sys­tèmes de mon­tage plus ou moins in­va­sifs.

Les ac­cé­lé­ro­mètres re­pré­sentent la tech­no­lo­gie la plus em­ployée par­mi les cap­teurs de vi­bra­tions. Cer­tains mo­dèles fonc­tionnent à très haute tem­pé­ra­ture, per­met­tant d’ef­fec­tuer des tests sur des mo­teurs.

Dif­fé­rentes fonc­tions peuvent être em­bar­quées dans les cap­teurs, telles que le condi­tion­ne­ment du si­gnal, le trai­te­ment des don­nées. Une puce peut éga­le­ment conte­nir des in­for­ma­tions sur les ca­rac­té­ris­tiques du cap­teur.

Cer­tains cap­teurs in­tègrent des sys­tèmes de com­mu­ni­ca­tion sans fil. Pour des rai­sons d’au­to­no­mie, ils ne per­mettent pas d’ef­fec­tuer de la sur­veillance en conti­nu.

Un cap­teur trop lourd peut per­tur­ber la me­sure de vi­bra­tions. La masse ac­cep­table du cap­teur dé­ter­mine en par­tie ses autres ca­rac­té­ris­tiques, comme la pos­si­bi­li­té d’em­bar­quer de l’élec­tro­nique.

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