Deux sources vibratoires sont utilisées pour les essais expérimentaux. Elles permettent d’appliquer un déplacement contrôlé sur un échantillon.
L’actionneur piézo-électrique
L’actionneur piézo-électrique a été fabriqué par Physik Instrumente. Le modèle utilisé est le PI-216. Il est composé d’un matériau en céramique déposé en multi-couches. De cette manière, l’application d’une énergie électrique à ses bornes est convertie en énergie mécanique. Dans notre cas, l’actionneur utilisé nécessite une différence de potentiel de 1000V pour un déplacement maximal égal à 30 µm. Un système d’asservissement relie l’actionneur et l’amplificateur de tension afin d’assurer le mouvement demandé.
Le dispositif expérimental doit être isolé de toute vibration extérieure. Pour cela, il est disposé sur une table pneumatique anti-vibrations à air comprimé. Cette dernière est composée de trois capteurs qui ajustent la pression nécessaire en fonction du poids à supporter, voir figure 2.6.
Figure 2.6 – Schéma de principe de l’actionneur piézo-électrique
Le pot vibrant
Le pot vibrant LDS 455 a été fabriqué par Brüel and Kjaer [65]. Ses caractéristiques permettent, suivant la masse de l’échantillon et la fréquence de vibration, un déplacement maximal de 19 mm et une accélération maximale de 117 g (1148 m.s−2). Sa plage fréquentielle est comprise entre 5 et 7500 Hz. Par conséquent, le pot vibrant est utilisé pour déplacer une masse conséquente suivant une amplitude de déplacement importante.
Cette source vibratoire est composée d’une bobine dans laquelle se trouve un socle. Ce dernier est maintenu par un système de ressort. Un courant électrique passe dans la bobine pour créer un champ magnétique qui régit le mouvement du socle par une force de Laplace. Un accéléromètre est disposé sur le socle pour asservir le mouvement, voir figure 2.7 de la page 60.
Le dispositif repose sur une table anti-vibration composée d’une table de fixation et d’un établi. L’inertie et la masse de l’ensemble du dispositif expérimental empêchent les vibrations extérieures d’influencer le mouvement du socle du pot vibrant.
Figure 2.7 – Schéma de principe du pot vibrant.
2.2.2 Appareils de mesure
L’échantillon est fixé à la source vibratoire. Le déplacement et la vitesse sont mesurés à différents points de mesure grâce à un capteur de déplacement et des vibromètres de type 1D et 3D.
Capteur de déplacement
Les capteurs de déplacement utilisés sont les modèles Keyence LK-G32. Ils permettent de mesurer des déplacements suivant l’axe du laser avec une résolution de l’ordre du 0,1 µm. Pour cela, ils doivent être situés à 30 mm de la cible avec une plage de mesure située à plus ou moins 5 mm, voir figure 2.8.
Figure 2.8 – Schéma de principe de la mesure de l’amplitude de déplacement grâce à un capteur de
déplacement de type laser.
Les capteurs de déplacement seront uniquement utilisés sur le banc d’essai de l’actionneur piézo-électrique. En effet, les échantillons sont disposés en hauteur tel qu’il nécessite des poteaux pour accrocher les capteurs de déplacement. Or, les vibrations du pot vibrant sur le poteau induisent des vibrations sur le capteur de déplacement. Les mesures de déplacements des composants du connecteur seront donc erronées. De plus, la direction de leurs mouvements est orthogonale à l’axe du laser. Il ne sera donc pas possible de mesurer les déplacements relatifs entre le clip et la languette avec cet appareil de mesure.
Vibromètre
Le vibromètre de type 1D est fabriqué par Polytech. La mesure de la vitesse est basée sur l’effet Doppler. Cet effet se traduit par une différence de fréquence ∆f entre l’onde émise et l’onde réfléchie sur une cible en mouvement à une vitesse v. Cette différence fréquentielle correspond en premier lieu au mouvement de la cible par rapport à l’appareil de mesure et en second lieu à la position fixe de l’appareil de mesure par rapport au mouvement de la cible. De ce fait, la différence fréquentielle correspond à 2 fois la vitessev sur la longueur d’onde λ, voir équation 2.1.
∆f = 2×λv (2.1)
L’appareil de mesure utilisé comprend un laser qui émet un rayonnement source de fréquence F0. Cette onde est modulée à travers une cellule de Bragg qui induit un changement fréquentiel tel que
Fonde =F0+Fbragg. Le rayonnement réfléchi (F0+Fbragg+ ∆f) est capté puis comparé à la source sur un capteur optique via un système de miroir (interféromètre de Mach-Zendher). La mesure est basée sur l’interférence entre ces deux ondes autour de Fbragg et non F0. De ce fait, il est permis d’en déduire le sens de la vitesse, voir figure 2.9.
Figure 2.9 – Schéma de principe de la vibrométrie pour une mesure orthogonale au déplacement.
La mesure d’une vitesse orthogonale à la visée est possible en orientant la source laser vers deux points de sortie. En effet, les deux ondes sont orientées pour se rencontrer à une distance de 30 cm. L’onde réfléchie subit un changement en fréquence qui dépend de la vitesse de la cible. La direction de l’onde réfléchie est orthogonale à l’axe de la visée.
Un vibromètre de type 3D sera également utilisé. Son fonctionnement repose sur le même principe que le vibromètre 1D. Il est cependant composé de trois sources laser au lieu de deux. Il est donc possible de mesurer les composantes de la vitesse suivant trois axes. Sa puissance de fonctionnement est néanmoins moins importante que le vibromètre 1D. Suivant le type de surface où se situe le point de visée, il est nécessaire d’utiliser un revêtement réfléchissant pour améliorer la puissance de l’onde réfléchie et donc la qualité de la mesure.
Les mesures de vibrations pourraient être réalisées avec un accéléromètre. Or, la masse de ce dernier n’est pas négligeable avec la masse d’un connecteur. De ce fait, les résultats seraient faussés. De plus, il ne serait pas possible de mesurer à l’intérieur du connecteur.
La figure 2.10 représente la résolution de l’appareil en fonction de la fréquence de la vibration. Sa valeur augmente en fonction de la fréquence pour atteindre 316 µm/s à 1000 Hz. Dans le cadre d’un signal de type sinusoïdal, il est possible d’en déduire une correspondance avec l’amplitude de déplacement. Elle est de l’ordre de 1 µmdans les basses fréquences et de 0,1 µmdans les hautes fréquences.
Figure2.10 – Résolution de vibromètre 1D dont la valeur dépend de la fréquence. La correspondance en
amplitude de déplacement est valide si la vibration est de type sinusoïdal.
Mesure de la tension de contact
L’application de la méthode 4 fils permet de mesurer la tension de contact. Pour cela, les points de mesure de la différence de potentiel ne correspondent au chemin emprunté par la courant. De ce fait, la mesure ne prend ni en compte les résistances de soudure, ni les résistances internes des matériaux mais uniquement la résistance au point de contact entre le clip et la languette, voir figure (a) 2.11.
Figure2.11 – schéma de la méthode de la mesure par 4 fils et la méthode de la mesure par 4 fils approché
L’intérieur du clip n’est pas accessible pour réaliser une mesure de tension. C’est pourquoi les mesures sont réalisées au plus proche de la zone de contact pour minimiser les résistances supplémentaires, voir figure (b) 2.11. Par exemple, la résistivité du cuivre est de 17.10−9Ω.m, soit une résistance de 50 µΩ à travers une surface de 10mm2 sur une longueur de 3 cm. Cette résistance est donc faible soit négligeable comparé à une résistances de contact qui est de l’ordre du mΩ au début d’une perturbation électrique.