Géométries de détection pour les accéléromètres piézoélectriques
Il existe trois méthodes prédominantes pour induire une contrainte sur un cristal piézoélectrique afin de générer une sortie électrique.
- la compression
- le cisaillement
- Flexion
Pour un accéléromètre, chaque technique offre certaines caractéristiques de performance, ce qui peut rendre une conception plus appropriée pour certaines applications que pour d'autres.
L'effet piézoélectrique est une propriété inhérente au quartz et une propriété induite de certains cristaux céramiques manufacturés. Les accéléromètres piézoélectriques sont construits avec de tels cristaux comme élément de détection. Lorsque le cristal subit une contrainte due à une force appliquée, des ions négatifs et positifs s'accumulent sur les surfaces opposées du cristal dans une proportion directement proportionnelle à la force appliquée. Dans le cas d'un accéléromètre, une masse sismique est couplée au cristal. Lorsqu'elle est soumise à une accélération, la masse exerce une force sur le cristal, générant ainsi une sortie électrique proportionnelle. Cette relation de cause à effet est définie par la loi du mouvement de Newton F=ma.
La conception par compression (ou mode de compression) offre l'avantage d'un nombre réduit de pièces et d'une grande rigidité, ce qui permet d'obtenir une gamme de fréquences élevée. Cette conception tend à être plus sensible à la déformation de la base et aux effets transitoires thermiques car le cristal est en contact étroit avec la base du boîtier. Toute contrainte ou influence de dilatation/contraction sur la base est facilement transmise au cristal, qui peut alors répondre par une sortie qui n'est pas due à l'accélération et qui est donc une erreur. Par conséquent, les modèles à compression ne sont pas recommandés pour une utilisation sur des panneaux métalliques, qui peuvent se déformer, ou dans des environnements thermiquement instables.
La conception en cisaillement (ou mode cisaillement) offre les meilleures performances globales pour un accéléromètre.
Les modèles à cisaillement planaire (utilisant des plaques de cristal) et à cisaillement annulaire (utilisant un cristal en forme d'anneau) sont courants.
Dans chaque cas, le cristal est serré entre un poteau central et une masse extérieure. Plus la masse est importante, plus la force de cisaillement appliquée au cristal est élevée pour une accélération donnée. La structure de l'accéléromètre est rigide, ce qui permet d'obtenir une gamme de fréquences élevée. Comme le cristal n'est pas en contact étroit avec la base, les effets de déformation et de transitoires thermiques sont minimisés.
Les modèles flexibles permettent de générer des signaux de sortie exceptionnellement élevés, car le cristal est soumis à des niveaux de contrainte élevés.
Ces modèles utilisent des plaques de cristal rectangulaires ou en forme de disque. La flexion du cristal peut résulter de la masse propre du cristal qui s'oppose à l'accélération ou, pour renforcer la flexion, un poids supplémentaire peut être serré ou collé au cristal. Les accéléromètres à mode de flexion sont moins rigides que les accéléromètres à mode de compression ou de cisaillement, ce qui leur confère une gamme de fréquences limitée. En outre, comme le cristal est soumis à des niveaux de contrainte élevés, ils sont plus facilement endommagés que les autres types d'accéléromètres s'ils sont exposés à des chocs ou à des vibrations excessifs.