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Analyse vibratoire des machines sur un banc d'essai - cas d'un disque tournant


par S. Kouidri & G. Kouider
Université de Laghouat - Master en électrotechnique 2021
  

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CHAPITRE II

l'Analyse Vibratoire, Captures et

Identification des Défauts

II.1. Chapitre II l'Analyse Vibratoire, Captures et Identification des Défauts

Analyse Vibratoire des Machines sur un Banc d'Essai - Cas d'un Disque Tournant - 28

Chapitre II l'Analyse Vibratoire, Captures et Identification des Défauts

Introduction

Dans ce chapitre nous aborderons à l'analyse vibratoire des machines électriques pour éliminer les causes de vibrations ou bien de développer la robustesse de ces machines. D'autre part, il est bien connu que la correcte maintenance réside dans un bon diagnostic, donc nous allons discuter les différents capteurs de vibrations qui nous aider d'obtenu bien estimation l'état de la machine et découvre l'étendue des dommages au moteur.

II.2. Analyse vibratoire

l'Analyse vibratoire était la boule de cristal de la maintenance dans laquelle un « initié » pourrait identifier tous les futurs dysfonctionnements d'une machine, cela se saurait et les unités de production se disputeraient à prix d'or les faveurs des meilleurs « médiums ». Néanmoins, cette technique, extrêmement puissante lorsqu'elle est utilisée avec des moyens appropriés à chaque problème, en fonction de sa complexité et de son enjeu économique, est un outil devenu aujourd'hui indispensable à tout service Maintenance pour assurer la surveillance efficace de machines dont les pannes ou les marches en dégradé présentent un risque majeur pour la sécurité du personnel, la production ou la qualité du produit fini.[29]

Une machine se compose d'un ensemble de mécanismes et d'organes combinés destinés à transformer une énergie ou à transmettre un mouvement. Ces mécanismes, mobiles entre eux, ne peuvent fonctionner sans jeux, contraintes, efforts dynamiques et chocs dont les effets se manifestent principalement sous forme de vibrations et de bruits. Tout changement dans l'importance de ces jeux, de ces contraintes, efforts ou chocs, se traduit immanquablement par une modification de l'intensité ou des fréquences de ces vibrations. Or, cette modification de comportement vibratoire constitue souvent la première manifestation physique d'une anomalie affectant la machine, cause potentielle à terme de dégradations, voire de pannes.

Cette particularité fait de l'analyse des vibrations un outil d'investigation indispensable à l'assise d'une maintenance moderne. Cet outil occupe une place privilégiée parmi les techniques de surveillance. Il permet, par la génération d'alarmes plus ou moins précoces, de signaler la présence d'un dysfonctionnement, de dépister l'apparition d'une dégradation et d'en suivre la progression, d'éviter une casse ou une dérive de la qualité du produit fabriqué, tout en permettant une action corrective programmée à bon escient au regard des impératifs de production.

La surveillance vibratoire des machines tournantes a sans doute toujours existé avec des moyens empiriques tels le toucher de la main ou l'utilisation de la pièce de monnaie dont l'équilibre sur la tranche garantissait le bon fonctionnement de la machine ou encore avec des

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moyens un peu plus techniques tels le vibromètre à lamelles qui permettaient, dans les cas simples, d'identifier la fréquence de la vibration d'amplitude prépondérante.

Aujourd'hui, la nécessité de communiquer, non plus avec des impressions ou des sensations subjectives, mais avec des données objectives, reproductibles et fiables, a rendu indispensable de quantifier globalement les vibrations d'une machine par une mesure d'amplitude. Le besoin est ensuite rapidement apparu de fixer des seuils à ces valeurs et de connaître les amplitudes et les fréquences des composantes prépondérantes. Enfin, la possibilité de relier les fréquences de chaque composante vibratoire aux différentes forces dynamiques engendrées par le fonctionnement normal ou anormal de la machine et d'en interpréter les évolutions est devenue une réalité avec l'intégration à faible coût, dans les appareils de mesures de vibrations, de convertisseurs analogiques numériques et de coprocesseurs dédiés aux calculs de transformées de Fourier. [29]

Source de vibration

Dispositif de mesure de vibration

Carte d'acquisition

Traitement de signal

Affichage

Fig.II.1. Composants de l'architecture de système de détection de défaut. [30] II.2.1. Définition d'une vibration (selon la norme NFE 90-001)

Une vibration est une variation avec le temps d'une grandeur caractéristique du mouvement ou de la position d'un système mécanique lorsque la grandeur est alternativement plus grande et plus petite qu'une certaine valeur moyenne ou de référence.

Les phénomènes vibratoires sont des phénomènes périodiques ou apériodiques plus ou moins complexes.

II.2.2. Vibration Caractéristiques

Une vibration se caractérise principalement par sa fréquence, son amplitude et sa phase.

a)

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Amplitude : Aide à détecter la sévérité du problème ou du défaut.

b) Fréquence : Aide à indiquer la cause du défaut.

c) Phase : Aide à déterminer la cause du défaut.

On appelle amplitude d'une onde vibratoire la valeur de ses écarts par rapport au point d'équilibre. On peut définir :

? L'amplitude maximale par rapport au point d'équilibre appelée également amplitude crête (Ac).

? L'amplitude double, aussi appelée amplitude crête à crête (Acc) ou « peak to peak » en anglais.

? L'amplitude efficace (Aeff), aussi appelée RMS (Root Mean Square en anglais).

L'amplitude des vibrations peut être mesurée en termes de déplacement, de vitesse et d'accélération. Le déplacement est mesuré de crête à crête et généralement en mils ou microns. La vitesse peut être mesurée en crête ou en valeur efficace et généralement en pouces (inch)/seconde ou en mm/seconde. L'accélération est exprimée en crête et généralement mesurée en g. La phase indique comment une machine se déplace par rapport à une référence de sa partie. La relation entre le mouvement d'une partie d'une machine et une référence - par exemple la position des deux extrémités de l'arbre lorsqu'il tourne.[31]

Fig.II.2. Caractéristiques d'un signal vibratoire. [31]

1 Hz = 1 cycle par seconde, Exemple pour un moteur tournant à 1500 tr/mn, la fréquence de rotation est égale à 1500/60=25 Hz

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??

 
 
 
 
 

Sur les machines tournantes industrielles, on utilise souvent le tour par minute pour exprimer une vitesse de rotation, parfois noté CPM (cycle par minute) ou RPM (rotation par minute).

II.2.3. Intérêt du mesurage des vibrations

Le but est évidemment de préserver et prolonger la durée de vie des machines stratégiques.

Pratiquement ces dernières peuvent être affectées par les facteurs suivants :

? Les machines elles-mêmes ne sont pas parfaites :

- Finition insuffisante,

- Jeux de fonctionnement trop importants,

- Mauvais équilibrages qui provoquent des balourds.

? Un mauvais montage :

- Mauvais alignements fréquents,

- Des serrages mal faits, des boulons déforment les pièces,

- Les fondations ne sont pas suffisamment résistantes.

? En marche :

- Les variations de température provoquent des dilatations,

- Les charges conduisent à des torsions, des flexions,

- L'usure accroît les jeux.

II.2.4. Techniques de mesurage

Trois paramètres (reliés entre eux) sont caractéristiques des vibrations : II.2.4.1. Le déplacement

Le Déplacement quantifie l'amplitude maximale du signal vibratoire. Historiquement, c'est la grandeur qui fut utilisée en premier car cette mesure était la seule possible avec les moyens de l'époque. Le Déplacement est inversement proportionnel au carré de la fréquence : Plus la

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fréquence augmente, plus le Déplacement diminue : Son utilisation est réservée aux très basses fréquences : F < 100 Hz

Un signal vibratoire sinusoïdal généré par un balourd simple s'exprimera par la relation :

d(t) = D.sin (2. F. t + (p) (II.2)

Fig.II.3. Signal sinusoïdal de déplacement [32] L'unité utilisée pour la mesure des déplacements est le micron (um). II.2.4.2. La vitesse

La Vitesse d'un mobile correspond à la variation de sa position par unité de temps. Mathématiquement, la vitesse s'exprime comme la dérivée du déplacement par rapport au temps :

d[d(t)]

d

La Vitesse est inversement proportionnelle à la fréquence : Plus la fréquence augmente, plus la Vitesse diminue : Son utilisation est réservée aux basses fréquences F < 1000 Hz.

Un signal vibratoire sinusoïdal généré par un balourd simple s'exprimera par la relation :

(II.4)

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Fig.II.4. Signal sinusoïdal de vitesse [32] L'unité utilisée est le mm/s.

II.2.4.3. L'accélération

L'Accélération d'un mobile correspond à la variation de sa vitesse par unité de temps. Mathématiquement, l'accélération s'exprime comme la dérivée de la vitesse par rapport au temps.

d[ v(t)]

d

L'Accélération représentative des forces dynamiques, ne dépend pas de la fréquence : C'est le paramètre privilégié en analyse vibratoire sur un large domaine de fréquences.

0 = F = 20000 Hz

Un signal vibratoire sinusoïdal généré par un balourd simple s'exprimera par la relation :

Fig.II.5. Signal sinusoïdal d'accélération [32] L'unité utilisée est le g , 1g = 9.80665 m/s2.

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II.2.4.4. Relations entre les grandeurs

Il existe une relation mathématique entre les grandeurs comme suit :

D'au :

??

II.3. Captures de vibrations

La première étape conduisant à l'obtention d'une lecture de vibrations consiste à convertir la vibration mécanique produite par une machine en un signal électrique équivalent. Cette opération est réalisée au moyen des capteurs de vibrations. On retrouve parmi les capteurs les plus couramment utilisés le capteur de déplacement, le capteur de vitesse et l'accéléromètre.

II.3.1. Capteur de déplacement

Le capteur de déplacement est un instrument qui produit un signal électrique directement proportionnel au déplacement relatif de la vibration d'un arbre ou d'un rotor. Il est monté en permanence à l'intérieur du palier. Il s'agit d'un capteur "non-contact", c'est-à-dire que le capteur n'entre jamais en contact avec la surface en vibration. Les capteurs de vibrations se divisent en deux catégories caractérisées par le type de mesure à effectuer, mesure de vibration absolue ou bien d'une mesure de vibration relative. Dans le premier cas, le capteur de vibrations est monté en un point quelconque sur la machine (figure II.6 ).[33]

Accéléromètre

Capteur de déplacement

Fig.II.6. Capteurs de vibrations et les types de mesures. [33][34][35][36]

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La mesure effectuée tient alors compte de tous les phénomènes vibratoires transmis par la structure de la machine au point de montage du capteur. Dans le deuxième cas, seule la vibration produite par le mouvement de l'arbre ou du rotor par rapport à une position de référence est mesurée. (figure II.7)

Fig.II.7. Capteur de déplacement pour les paliers lisses. [37] [34]

Le capteur de déplacement est utilisé pour toutes les applications où la surveillance des jeux entre les arbres et les paliers s'avère essentielle. C'est pourquoi l'on retrouve des capteurs de déplacement installés sur la plupart des turbines hydroélectriques et des turbomachines.

II.3.1.1. Principe de fonctionnement

Un oscillateur (appareil qui génère un signal oscillatoire) envoie un signal d'amplitude constante à très haute fréquence au capteur. Le signal, appelé signal porteur, produit un champ magnétique en passant au travers de la petite bobine située à l'extrémité du capteur.

L'arbre situé à proximité absorbe une partie de l'énergie du champ magnétique qui, à son tour, produit une réduction proportionnelle de l'amplitude du signal porteur (modulation).

Fig.II.8. Schéma de fonctionnement d'un capteur de déplacement. [33]

Plus l'arbre se rapproche du capteur, plus l'amplitude du signal s'en trouve affectée. La modulation du signal porteur traduit donc l'importance du déplacement relatif de l'arbre par

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rapport au palier. Le signal est ensuite démodulé et la vibration, déplacement de crête- à-crête, est mesurée.

L'unité utilisée est le um (10-6 m) ou le mils (10-3 pouce) : 1 mils = 25,4 um.

II.3.1.2. Avantages

Les principaux avantages associés à l'emploi du capteur de déplacement sont :

· la mesure directe du mouvement de l'arbre ;

· l'absence d'usure (aucun élément mobile) ;

· la mesure faite directement en unités de déplacement ;

· le fonctionnement jusqu'à des fréquences extrêmement faibles.

II.3.1.3. Inconvénients

Les principaux désavantages associés à l'emploi du capteur de déplacement sont :

· la mauvaise qualité du signal occasionnée par la présence d'irrégularités à la surface des arbres ;

· l'installation minutieuse requise ;

· la très faible gamme dynamique du capteur (la gamme dynamique est le rapport de l'amplitude la plus élevée à l'amplitude la plus faible qui puisse être mesurée) qui est de l'ordre de 100/1 ;

· la gamme de fréquences limitée du capteur qui n'excède pas en pratique 200 Hz. II.3.2. Capteur de vitesse (Vélocité)

Le capteur de vitesse produit un signal électrique directement proportionnel à la vitesse de la vibration absolue mesurée. On l'utilise pour la surveillance générale des vibrations sur les machines industrielles. Il existe plusieurs types de capteurs de vitesse, par exemple capture à bobine mobile, capture à une sonde photo-électrique et capture à une lumière stroboscopique.

II.3.2.1. Capteur à bobine mobile (Classique)

Pendant de nombreuses années, les seuls types de capteurs de vitesse disponibles pour la surveillance des machines étaient ceux utilisant une conception à bobine mobile.

II.3.2.1.1. Principe de fonctionnement d'un capteur de vitesse à bobine mobile

Ce capteur compose essentiellement d'une bobine supportée par des ressorts et d'un aimant permanent fixé au boîtier du capteur (figure II.9). L'aimant fournit un puissant champ

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magnétique autour de la bobine suspendue. Lorsque le capteur est fixé sur une machine qui vibre, l'aimant permanent suit le mouvement de la vibration pendant que la bobine demeure stationnaire. Dans ces conditions, le mouvement du champ magnétique qui traverse la bobine génère une tension dont l'amplitude est proportionnelle à la vitesse de la vibration. Le signal est ensuite transmis du capteur au mesureur de vibrations.[33]

Connecteur

Broches de connecteur

Masse inertielle suspendue (cadre de la bobine)

Boîtier du capteur Bobine

Ressorts de suspension Aimant

Boulon de

Fig.II.9. Capteur de vitesse à bobine mobile [33][38] L'unité utilisée est le mm/s ou pouce/s.

1 po/s = 25,4 mm/s.

II.3.2.1.2. Avantages

Les principaux avantages associés à l'emploi du capteur de vitesse sont :

· un signal électrique de sortie généré sans avoir recours à une source d'alimentation externe ;

· la simplicité de l'instrumentation requise pour la mesure du signal.

II.3.2.1.3. Inconvénients

Les principaux désavantages associés à l'emploi du capteur de vitesse sont :

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- l'usure des éléments mobiles,

- la grande dimension du capteur,

- une faible gamme dynamique de l'ordre de 1000/1,

- la sensibilité du capteur aux champs magnétiques,

- la sensibilité du capteur à son orientation,

- la limite élevée dans les basses fréquences (> 10 Hz).

II.3.2.2. Capteur photoélectrique (Moderne)

Les capteurs photoélectriques sont constitués d'un émetteur ou source lumineuse, dont les rayons lumineux sont détectés par un récepteur. La différence de signal lumineux, acquise lors de l'interruption de ce rayon, est transformée en un signal électrique, et est mesurée et utilisée par un circuit électrique. La lumière utilisée est soit infrarouge, soit rouge. En utilisant cette lumière, on peut créer différents types de capteurs photoélectriques. Il existe des modèles de capteurs à réflexion avec réflecteur ou réflexe. Ce type est également équipé d'un émetteur et d'un récepteur proches l'un de l'autre. La réflexion de la lumière émise est acquise à l'aide d'un ou plusieurs réflecteurs.

Fig.II.10. Capteur de vitesse photoélectrique [39] [40] [41] II.3.3. Accéléromètre

L'accéléromètre produit un signal électrique directement proportionnel à l'accélération de la vibration absolue mesurée. L'accéléromètre est le type de capteur le plus répandu aujourd'hui pour les mesures de vibrations des machines. Sa conception permet de mesurer efficacement non seulement l'accélération, mais aussi la vitesse et le déplacement (absolue).

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En effet, les instruments de mesure qui utilisent un accéléromètre comportent des circuits électroniques (intégrateurs) permettant de sélectionner le paramètre de vibration requis.

II.3.3.1. Principe de fonctionnement

Le coeur de l'accéléromètre est constitué de petits éléments d'un matériau piézoélectrique. On qualifie un matériau de piézoélectrique quand une déformation du matériau, par compression ou par cisaillement, produit un signal électrique.

La figure suivante vous montre le schéma d'un accéléromètre où une masse est rattachée à chacun des éléments piézoélectriques. Le mouvement vibratoire de la base de l'accéléromètre est transmis à la masse qui agit à son tour sur chaque élément piézoélectrique avec une force égale au produit de la masse par sa propre accélération.

Ceux-ci produisent alors une charge électrique proportionnelle à la force appliquée. Les masses étant constantes, la charge produite par les éléments est également proportionnelle à l'accélération des masses.

Fil conducteur

Connecteur électrique

Circuit du capteur ICP ®

Couverture

Matériau piézoélectrique Masse séismique

Bague de précharge

Base avec trou de montage taraudé

Fig.II.11. Schéma d'un accéléromètre. [33][35]

Le signal fourni par un accéléromètre possède un niveau si faible qu'il doit passer par un préamplificateur de charge dans le but d'en faciliter la mesure et l'analyse. Le rôle du préamplificateur consiste essentiellement à convertir la charge produite par la déformation des éléments piézoélectriques en un signal de tension équivalente.

L'unité utilisée est le m s-2 ou le g :

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1 g = 9,81 m/s2.

II.3.3.2. Avantages

Les principaux avantages associés à l'emploi d'un accéléromètre sont :

· Une gamme dynamique très grande,

· Une gamme de fréquences très large,

· Un signal électrique de sortie généré sans avoir recours à une source d'alimentation externe,

· L'absence d'éléments mobiles,

· Un montage possible dans n'importe quelle direction,

· Une excellente performance dans les conditions environnementales les plus sévères,

· La faible dimension des capteurs.

II.3.3.3. Inconvénients

Les principaux désavantages associés à l'emploi de l'accéléromètre sont :


· l'impossibilité d'effectuer des mesures à des fréquences extrêmement faibles (< 0,1 Hz),

· le traitement du signal provenant de l'accéléromètre qui requiert une technologie plus sophistiquée, et donc plus dispendieuse, que celles utilisées par les deux autres types de capteurs.

II.3.3.4. Accéléromètre à préamplificateur intégré

Un nombre croissant d'accéléromètres sont équipés aujourd'hui d'un préamplificateur intégré (figure II.12). Ils nécessitent une source d'alimentation externe à courant constant qui est beaucoup plus facile à construire qu'un préamplificateur de charge conventionnel.

Néanmoins, l'électronique intégrée aux accéléromètres restreint les gammes dynamiques et thermiques de ceux-ci. Par exemple, la gamme des températures typiques d'un accéléromètre est de - 70 à 250°C, alors qu'elle est limitée à une plage allant de - 50 à 125°C pour un accéléromètre à préamplificateur intégré.[33]

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Fig.II.12. Schéma d'un accéléromètre à préamplificateur intégré. [33] II.3.3.5. Montage de l'accéléromètre

Dans toutes les mesures de vibration, la qualité et la fiabilité du signal d'entrée ont une importance cruciale. En effet, l'instrument de mesure le plus sophistiqué ne peut pas produire des résultats fiables à partir de données qui ne le sont pas. Aussi, comme la nature des vibrations varie selon le type de défauts rencontrés sur les machines, le capteur de vibrations doit fonctionner dans une gamme très étendue et de façon sûre.

En ce sens, le montage même de l'accéléromètre aura un effet significatif sur le résultat des mesures et c'est pourquoi vous devez y accorder une attention toute particulière.

Le choix de l'emplacement de montage de l'accéléromètre doit être fait en considérant une position qui reflète la direction du phénomène vibratoire visé par la mesure. De plus, l'accéléromètre doit toujours être monté, chaque fois que cela est possible, dans une position qui assure un chemin de transmission court et rigide vers la source des vibrations.

Comme les forces internes d'une machine sont transmises à l'ensemble de la structure par l'entremise des paliers, ceux-ci sont considérés comme de bons emplacements pour le montage d'un accéléromètre.

La figure II.13 montre le schéma d'un palier sur lequel les accéléromètres ont été placés en vue d'assurer un trajet direct aux vibrations provenant du roulement.

L'accéléromètre (A) mesure directement les vibrations radiales du roulement, tandis que l'accéléromètre (B) mesure des vibrations qui sont modifiées par leur transmission à travers un joint superposé aux vibrations des autres composants de la machine. De façon similaire, l'accéléromètre (C) est placé sur un trajet de vibration plus direct que l'accéléromètre (D).

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Fig.II.13. Positionnement des accéléromètres sur un palier. [34]

Vous aurez compris que les positions B et D ne sont pas recommandées et que le choix entre les positions A et C dépend uniquement de l'objectif visé par la mesure.

Il existe 3 plans de mesure :

1) Radial

- V vertical

- H horizontal - O oblique

2) Axial A

 

O

Fig.II.14. Plans de mesure [42]

L'accéléromètre : doit être situé au-dessus du palier d'intérêt. Évitez autant que possible les espaces d'air dans les boîtiers. Les espaces d'air fausseronts les mesures des vibrations.

Roulements 3 et 4 interne de moteur

Accéléromètre

Fig.II.15. Les positions de placement d'un accéléromètre [43] II.3.4. Choix du capteur de vibrations

Si les capteurs de déplacement relatif sont tout indiqués pour certaines applications spécifiques de surveillance d'arbres, les capteurs sismiques, sensibles aux vibrations absolues, sont mieux adaptés à la surveillance générale des machines.

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Bien que les capteurs de déplacement relatif aient une gamme de fréquences pouvant aller (théoriquement) jusqu'à 10 000 Hz, ils ne peuvent détecter efficacement que les composantes fréquentielles en basses fréquences. Leur gamme dynamique ne peut habituellement pas couvrir les harmoniques supérieurs de la vitesse de rotation de l'arbre ou du rotor.

Les capteurs sismiques les plus courants sont le capteur de vitesse et l'accéléromètre piézoélectrique. L'accéléromètre est de loin le plus utilisé en raison de sa grande gamme dynamique, de l'étendue de sa gamme fréquentielle, de ses dimensions réduites, de sa fiabilité et de sa robustesse.

En effet, comme beaucoup de situations de surveillance nécessitent un gamme de mesures en fréquences bien supérieures à 1000 Hz et une détection d'amplitudes dans un rapport dépassant largement 1000/1, le choix de l'accéléromètre piézoélectrique s'impose de lui-même.

Une comparaison visuelle de la gamme dynamique et de la gamme de fréquences des capteurs de vibrations vous est montrée à la figure II.16. [33]

Fig.II.16. Gamme dynamique et gamme de fréquences des capteurs. [33] II.3.5. Influence de la grandeur utilisée

Les capteurs associés transforment la vibration mécanique en un signal électrique : capteur de proximité, capteur de vitesse, accéléromètres. La mesure de déplacement s'effectue à l'aide de capteur de proximité (champs magnétiques) , la mesure de vitesse s'effectue à l'aide de capteur de vitesse (courant induit dans une bobine ; Cette technique est peu utilisée).

Les capteurs de mesure de l'accélération les plus utilisés sont les accéléromètres piézoélectriques. A partir de l'accélération, on peut calculer par intégration successive la vitesse et le déplacement.

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Chapitre II l'Analyse Vibratoire, Captures et Identification des Défauts

Fig.II.17. Influence de la grandeur utilisée. [32]

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"En amour, en art, en politique, il faut nous arranger pour que notre légèreté pèse lourd dans la balance."   Sacha Guitry