Partie A : Accéléromètre
Accéléromètre – Sismographe (approche documentaire) La notion de filtrage concerne tout type de système : électrique, mécanique Les sismomètres, les amortisseurs, les accéléromètres sont des filtres mécaniques
Approche documentaire : Laccéléromètre
Approche documentaire : L'accéléromètre Objectif : Expliquer la nature du filtrage introduit par un dispositif mécanique Le filtrage d’un signal n’est pas réservé à l’électronique Il est également présent dans de nombreux systèmes mécaniques : la suspension d’une automobile, les sismomètres, ou encore les accéléromètres
SP6-Approchedocumentaire:lesaccéléromètres
desPhysiciens"Modélisation d’un accéléromètre MEMS Applications : déclenchement d’un airbag et autres",puisl’extrait
Approche documentaire : accéléromètre et sismomètre
AD02 : accéléromètre PCSI2 2013 – 2014 Approche documentaire : accéléromètre et sismomètre Consignes : L’Approche Documentaire doit rester un travail personnel pour prolonger et approfondir le cours Un soin particulier doit être apporté à la rédaction Tous les résultats seront encadrés Essayer d’exploiter
Activité : Accéléromètre et sismographe
1 L’accéléromètre est sensible sur les trois axes de l’espace 2 Les bandes passantes indiquées sur la notice constructeur sont de [0,5???? ;1600???? ] pour les axes et et de [0,5???? ;550???? ] pour l’axe des 3 Les signaux situés en dehors de cette bande passante sont coupés, ils ne sont donc pas
Accéléromètre et Sismomètre
Accéléromètre et Sismomètre La notion de filtrage se retrouve dans divers domaines de la physique, notament en électricité, en mécanique Lessismomètres
Physique-chimie 2 TSI
2015-03-0410:46:40 Page6/12 IIIFonctionnementettechnologiedel’accéléromètre Laminiaturisation,lafiabilitéetlefaiblecoûtdescapteursàMEMS(Micro-Electro
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Approche documentaire : L'accéléromètre
Objectif :
Expliquer la nature du filtrage introduit par un dispositif mécanique.Le filtrage d'un signal n'est pas réservé à l'électronique. Il est également présent dans de nombreux systèmes
mécaniques : la suspension d'une automobile, les sismomètres, ou encore les accéléromètres.
Les accéléromètres permettent de mesurer l'accélération d'un système mécanique. Ils sont omniprésents dans
les appareils actuels : mesure de la décélération d'une automobile pour déclencher un Airbag, mesure de
l'accélération de la pesanteur pour modifier l'orientation de l'affichage d'un smartphone, stabilisation d'un appareil
photo, mesure des mouvements d'un sportif ou d'un joueur de jeu vidéo (manette de Wii, PS3, etc)...
Doc.1 Modélisation d'un accéléromètre un axe (D'après BUP n°920. Auteur : Bruno VELAY)
Un accéléromètre contient un simple mobile de masse m posé sur un support horizontal et pouvant se déplacer le long de
l'axe des x. Le mobile est relié au support (bâti de l'accéléromètre) par des systèmes ressorts/amortisseurs (raideur k,
coefficient de frottement f).On note xC la position du centre de masse du mobile en mouvement et xB la position du centre du support, susceptible de se
déplacer lorsque l'accéléromètre se déplace. Lorsque l'accéléromètre est au repos ou lorsqu'il se déplace à vitesse constante
par rapport au référentiel terrestre, on a x C = xB. En revanche, lorsqu'il accélère xC ≠ xB.Le mobile subit donc les effets de l'accélération a(t) du support (bâti de l'accéléromètre) : le rôle de ce système est de
permettre la mesure de cette accélération a(t).Le mobile est soumis :
• Aux forces de rappel des ressorts. Quand le ressort 2 est en compression, le ressort 1 est en extension et
réciproquement : xBC21e).xx.(k2TTT--=+= (1)• Aux forces de freinage et qui sont similaires dans les deux cas et proportionnelles à la vitesse relative du mobile par
rapport au bâti : ()xBC21e.xx.f2FFF&&--=+= (2) • Au poids et à la réaction du support qui se compensent dans ce cas. En introduisant l'élongation L = xC - xB , on obtient l'équation du mouvement : aL.m k2L. m f2L-=++&&& (3)où a représente l'accélération du bâti de l'accéléromètre par rapport au sol : ²dt
x²daB=Ainsi, lorsque l'accéléromètre subit une accélération constante ou "lentement variable" l'équation (3) prend la forme
approximative : )t(a.k2 m)t(L-≈ (4) et la mesure du déplacement L du mobile permet d'obtenir la valeur de a !Bâti de l'accéléromètre
dont on veut mesurer l'accélération " a » par rapport au référentiel terrestre Pièce mobile à l'intérieur de l'accéléromètre Doc.2 Réalisation d'un accéléromètre de type MEMS (D'après BUP n°920. Auteur BrunoVELAY)
Miniaturisation des capteurs :
Les accéléromètres, d'abord mécaniques et encombrants, ont progressivement été miniaturisés. On trouve maintenant sur le
marché des capteurs MEMS (pour Micro Electro Mechanical System). Les accéléromètres sont souvent estampillés iMEMS
pour " inertial MEMS ». Les premiers accéléromètres (1980) occupaient une carte d'environ 50
cm2. Dès 1995, la partie active d'un accéléromètre était réduite à un carré de 16 mm2. Les composants les plus récents peuvent occuper seulement 3 mm2.On dispose maintenant de capteurs capables de mesurer une, deux ou trois composantes de l'accélération linéaire, mais aussi
une, deux ou trois composantes de l'accélération angulaire (série ADXL). Selon leur étendue de mesures, ils sont qualifiés de
Low-g pour des accélérations inférieures à vingt fois l'accélération de la pesanteur et de High-g au delà.
Dans la série ADXL, le capteur MEMS proprement dit et son électronique de conditionnement sont intégrés dans le même
composant.Réalisation du capteur :
Le capteur est réalisé à la surface d'une tranche de silicium (" wafer ») à l'aide de techniques spécifiques, tels la
photolithographie et le micro-usinage de couches minces. Après réalisation, on observe par microscopie électronique que la
surface du composant présente des microstructures en silicium telles des micro-poutres, des micro-lamelles,....
Les dimensions typiques des éléments de ces structures sont de 1 à 100 μm. Ces photographies montrent la " masse sismique
» (la partie centrale ajourée ou " beam » dont on étudie le mouvement et qui subit les effets de l'accélération. Celle-ci est
reliée, par des microstructures flexibles, à des points d'ancrage au bâti (" anchor »).Le suivi du déplacement est assuré par un capteur capacitif organisé autour de séries de lamelles en regard, solidaires pour
moitié du bâti et pour moitié de la masse mobile. De façon générale, on qualifie d'IDT (pour Inter Digital Transducer) cette
structure particulière en forme de " peignes » digités interpénétrés (allusion aux doigts de la main).
Lorsque la masse se déplace, l'écart entre les peignes varie et la capacité C du condensateur ainsi obtenu varie. La mesure de
C permet d'accéder à l'écart et donc à l'accélération. L'accéléromètre est donc un capteur différentiel à paires de
condensateurs. note : "bandwidth" est le mot anglais pour "bande passante"Doc.3 Extrait de la fiche technique d'un ADXL330
La société Analog Devices a vendu plus de 500 millions d'accéléromètres à l'industrie automobile en 15 ans. On donne ci-
dessous la fiche technique d'un des modèles qu'elle commercialise : l'accéléromètre ADXL 330, dont le prix de vente est
d'environ 3 $. (La fiche technique originale comporte 16 pages. On donne ici un extrait)Répondre aux questions suivantes :
I- Filtrage
1°) On admet à ce stade la relation (3) : aL.m
k2L. m f2L-=++&&&Si l'on considère l'accélération comme signal d'entrée et le déplacement comme signal de sortie, montrer que
l'accéléromètre se comporte comme un filtre dont on précisera un maximum de caractéristiques.
2°) Retrouver les expressions littérales de la pulsation propre ω0 et du facteur de qualité du filtre Q à exprimer en
fonction des constantes du problème.3°) Ce modèle conduit à la formule (4) qui décrit comment l'accélération a est convertie en un déplacement L...
L'auteur précise que celle-ci n'est valable qu'en cas d'accélération "lentement variable", expliquer ce point.