FR2461270A1 - Detecteur de vibrations - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE L'INDUSTRIE DES INSTRUMENTS DE MESURE. DETECTEUR COMPRENANT UN POIDS, UN BATI DE SUPPORT, AU MOINS UN ELEMENT DE SUPPORT FIXE AU POIDS PAR UNE EXTREMITE ET PAR L'AUTRE A UNE PORTION DU BATI PAR DES MOYENS DE FIXATION. LE POIDS EST SUPPORTE VIBRATIVEMENT EN TENSION PAR LES ELEMENTS DE SUPPORT ET AU MOINS UNE PARTIE D'UN ELEMENT DE SUPPORT EST CONSTITUEE PAR UNE SUBSTANCE PIEZO-ELECTRIQUE POLYMERE PORTANT UNE PAIRE D'ELECTRODES DE DETECTION DES VIBRATIONS, DISPOSEE ENTRE L'EXTREMITE FIXE ET UNE PORTION FIXE DE L'ELEMENT DE SUPPORT. APPLICATION NOTAMMENT A LA DETECTION DES SEISMES ET DES VIBRATIONS DES MACHINES, DU SOL, DES BATIMENTS.

Description

l 2461270

Détecteur de vibrations.

L'invention concerne un détecteur de vibrations de sys-

tème séismique et se rapporte particulièrement à un détecteur

de vibrations pour la détection des vibrations du sol, des bâ-

timents et des machines par l'utilisation d'une substance piézoélectrique.

Les détecteurs de vibrations piézoélectriques classi-

ques sont des détecteurs piézoélectriques de système séismique dans lesquels une substance piézoélectrique est utilisée comme

moyen élastique principal et un poids est raccordé à un boî-

tier au moyen du ressort piézoélectrique. La plupart des détec-

teurs de vibrations piézoélectriques classiques utilisent des matières piézoélectriques inorganiques, telles que le quartz, le titanate de baryum et le zirconate de titane au plomb,

comme substance piézoélectrique.

Les détecteurs de vibrations classiques utilisant une matière piézoélectrique inorganique comme élément sensible

piézoélectrique sont généralement classés en trois types sui-

vant leur structure. Dans le premier type de détecteurs, un élément sensible piézoélectrique plan est fixé sur un substrat

et un poids est lié à l'élément. On utilise la piézoélectrici-

té par un effort de compression ou de traction principalement le long de l'épaisseur de l'élément. Dans le second type de détecteurs, un élément piézoélectrique cylindrique est lié à la périphérie du substrat en colonne et un poids cylindrique

est lié sur la périphérie de l'élément. On utilise principa-

lement l'effort de cisaillement exercé sur l'élément piézo-

électrique. Dans le troisième type de détecteurs, un type bi-

morphe d'élément piézoélectrique est supporté à une extrémité

ou au centre decelui-ci et un poids est lié à l'autre extrémi-

té et le point d'appui est placé au centre, ce type utilise l'effort de flexion exercé sur l'élément par les vibrations

du substrat.

Cependant, puisque la fréquence naturelle ou la fré-

quence de vibration propre de la substance céramique piézo-

électrique est extrêmement élevée, les détecteurs piézoélec-

triques qui utilisent cette matière piézoélectrique inorgani-

que ne conviennent pas, par nature, comme détecteurs de

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déplacement vibrationnel ou comme détecteurs de vitesse vibra-

tionnelle pour une gamme de fréquences inférieures à 10 kHz et, en fait, ils sont généralement utilisés comme détecteurs

d'accélération vibrationnelle. Dans la présente description,

un détecteur de déplacement vibrationnel signifie un détecteur de vibrations destiné à détecter le déplacement suivant la vibration, un détecteur de vitesse vibrationnelle signifie un détecteur de vibrations destiné à détecter la dérivée temps du

déplacement suivant la vibration et un détecteur d'accéléra-

tion vibrationnelle signifie un détecteur de vibrations desti-

né à détecter la dérivée temps du second ordre suivant la vi-

bration. Bien qu'on ait essayé d'appliquer ces céramiques piézoélectriques à un détecteur de déplacement vibrationnel,

le détecteur de déplacement utilisant ces céramiques piézo-

électriques n'a qu'une faible sensibilité.

Lorsqu'on envisage de remplacer la matière piézoélec-

trique inorganique par une matière piézoélectrique polymère dans le détecteur de vibrations, il est difficile d'obtenir les

avantages de la substance piézoélectrique simplement en substi-

tuant la substance piézoélectrique à la substance piézoélectri-

que inorganique en laissant la structure des détecteurs de

vibrations inchangée.

Les structures des premier et second types de détec-

teurs de vibrations classiques conviennent à la mesure des

vibrations haute fréquence, mais la sensibilité de ces détec-

teurs diminue à mesure que la fréquence de vibration s'abais-

se. La structure classique du troisième type de détecteurs

peut être appliquée au détecteur de vibrations basse fréquen-

ce, mais sa sensibilité deviendra extrêmement faible spéciale-

ment à une haute fréquence de vibration parce que la masse du

poids serait très petite.

Parmi les détecteurs de vibrations utilisés à une fré-

quence de vibration aussi basse que 1-10 Hz, on connaît, par exemple, un séismographe dans lequel le mouvement relatif d'un

poids raccordé par l'intermédiaire de l'élément élastique fili-

forme à un bâti de support est enregistré directement sur une feuille d'enregistrement fixée sur le bâti de support par une

plume fixée sur le poids.

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Le séismographe ne peut cependant convertir les vibra-

tions directement en signaux électriques. De plus, puisque les directions de la vibration, qui peut être détectée, sont en fait limitées, une pluralité de séismographes doit être prévue pour la détection des vibrations dans de nombreuses directions.

La présente invention a pour but un détecteur de vibra-

tions utilisant une substance piézoélectrique polymère qui puisse être utilisé comme détecteur de déplacement vibrationnel et détecteur de vitesse vibrationnelle, aussi bien que comme

détecteur d'accélération vibrationnelle.

L'invention vise également un détecteur de vibrations

qui ait une sensibilité plus élevée que les détecteurs de vibra-

tions classiques utilisant la céramique piézoélectrique.

L'invention a pour objet un détecteur de vibrations de système séismique qui comprend - un poids; - un bâti de support - au moins deux éléments de support du poids, chaque élément de support étant fixé par une extrémité au poids et sur une portion du bâti de support pour détecter la vibration; et - des moyens pour fixer cette portion au bâti de support

en détectant la vibration.

Dans un tel détecteur, le poids est vibrativement ou

vibrationnellement supporté en tension par les éléments de sup-

port et au moins une partie de l'un des éléments de support est formée par une substance piézoélectrique polymère ayant

une paire d'électrodes de détection des vibrations, cette par-

tie étant située entre l'extrémité fixe et la portion précitée

du bâti.

L'invention concerne également un détecteur de vibra-' tions de système séismique qui comprend - un bâti de support; - au moins un élément de support du poids, cet élément étant fixé à deux portions du bâti de support pour détecter la vibration; - un poids fixé à cet élément de support en un point central entre les deux portions d'élément de support; et - des moyens pour fixer les deux portions au bâti

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de support pour détecter la vibration.; Dans un tel détecteur le poids est vibrativement ou vibrationnellement supporté en tension par l'élément de support et au moins une partie de cet élément de support est formée par une substance piézoélectrique polymère ayant une paire d'élec- trodes de détection des vibrations, cette partie étant située

entre lesdites deux portions.

Un détecteur de vibrations suivant l'invention est sen-

sible même à une très petite force vibrationnelle en maintenant

une substance piézoélectrique polymère sous un effort de trac-

tion préférentiel ou en empêchant la substance piézoélectrique

polymère de se relâcher du fait de sa plasticité mécanique.

Dans ce cas le bâti de support d'un détecteur de vibra-

tions comporte des moyens pour maintenir l'élément de support

sous un effort de traction, de façon à supporter le poids vi-

brativement ou vibrationnellement, et des moyens pour suppor-

ter ces moyens de maintien de l'effort de traction.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la

description détaillée qui va suivre et à l'examen des dessins

annexés qui représentent, à titre d'exemples non limitatifs,

plusieurs modes de réalisation de l'invention.

La figure i est une vue en élévation et partiellement en coupe d'un premier mode de réalisation préféré du détecteur

de vibrations qui fait l'objet de l'invention.

La figure 2 est une vue en plan et partiellement en

coupe du détecteur de vibrations de la figure 1.

La figure 3 est un schéma de circuit de détection pour

le détecteur de la figure 1.

La figure 4 est une vue de face d'un second mode de

réalisation.

La figure 5 est une vue de face et partiellement en

coupe d'un troisième mode de réalisation.

La figure 6 est une vue en perspective d'un quatrième

mode de réalisation.

La figure 7 est uneevue en perspective d'un cinquième

mode de réalisation.

La figure 8 est une vue-en perspective agrandie d'un

détail du détecteur de la figure 7.

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La figure 9 est une vue en perspective d'un sixième

mode de réalisation.

La figure 10 est une vue en perspective d'un septième

mode de réalisation.

La figure 11 est une vue en perspective d'un huitième

mode de réalisation.

La figure 12 est une vue en perspective d'un neuvième

mode de réalisation.

La figure 13 est une vue de face et partiellement en

coupe d'un dixième mode de réalisation.

La figure 14 est un graphique comparatif montrant les

sensibilités aux basses fréquences des détecteurs de vibra-

tions de l'invention et d'un détecteur de vibrations céramique

sur le marché.

Dans le détecteur de vibrations du premier mode de

réalisation de la figure 1, deux électrodes pelliculaires min-

ces 2, 3 sont déposées des deux côtés d'une pellicule piézo-

électrique polymère 1. La pellicule piézoélectrique 1 est fixée à ses deux extrémités 7, 8 par des éléments 9, 10 aux parois latérales (ou poteaux de support) 5, 6 d'un substrat 4, et un poids 12 est fixé par un élément de fixation 13 au centre 11 de la pellicule piézoélectrique 1. La figure 1 montre une feuille de pellicule piézoélectrique polymère du type bande, mais la pellicule piézoélectrique polymère 1 peut comprendre

deux feuilles de pellicule piézoélectrique polymère, l'extré-

mité d'une pellicule étant fixée à la paroi latérale (ou poteau de support) 5, l'extrémité de l'autre pellicule étant fixée à la paroi latérale (ou poteau de support) 6, l'autre extrémité de chaque pellicule étant fixée au poids 12. Sur les figures 2 à 6, la pellicule piézoélectrique polymère 1 comprend soit une soit deux feuilles, mais le nombre des feuilles peut aussi

être modifié de un à deux ou de deux à un. Les parois latéra-

les 5, 6 et le substrat 4 constituent un bâti de support. L'une des électrodes, par exemple l'électrode 2, est raccordée, par exemple, au moyen d'un transistor à effet de champ en tant que circuit de conversion d'impédance 14, à un circuit de mesure

approprié 15, tel qu'un ampèremètre, un voltmètre, un oscillo-

scope ou instrument analogue. L'autre électrode 3 est raccordée

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à la terre du circuit de mesure 15. Le circuit de mesure 15 peut comprendre un filtre passe-bande, ne transmettant que les signaux ayant la gamme de fréquences désirée. Le circuit de conversion d'impédance 14 peut être remplacé, comme le montre la figure 3, par un amplificateur 19 comprenant un amplifica- teur fonctionnel 16, un condensateur 17, une résistance 18 ou

organes analogues pour détecter le courant.

Les substances piézoélectriques polymères utilisables

dans la présente invention sont des substances du type fluoru-

re de polyvinylidène, par exemple fluorure de vinylidène homo-

polymère, un copolymère de fluorure de vinylidène et au moins un comonomère copolymérisable avec celui-ci, par exemple un halogénoalcène, tel que fluorure de vinyle, tétrafluoroéthylène ou chlorotrifluoroéthylène, le copolymère contenant plus de 50 moles % d'unités de fluorure de vinylidène dans la chaîne

polymère principale, ou une composition consistant d'une ma-

nière prédominante en un homopolymère et/ou copolymère de ce type et contenant aussi une résine compatible, par exemple polyméthylméthacrylate ou polyméthylacrylate. D'autres matières

peuvent entrer dans la composition.

Le détecteur de vibrations représenté sur la figure 1 est un détecteur de vibrations de système séismique utilisant

la pellicule piézoélectrique polymère 1 comme ressort. La ma-

tière piézoélectrique polymère a une haute constante de cou-

plage électromécanique g et peut être plus longue que la ma-

tière céramique piézoélectrique, de ce fait une excellente

sensibilité peut être obtenue.

Dans ce système, la fréquence naturelle ou fréquence de vibration propre du détecteur peut facultativement être modifiée par changement de la masse du poids, ainsi que par modification de la tension et de la longueur de la substance piézoélectrique polymère. De plus, dans le cas o la matière piézoélectrique polymère a la configuration de la pellicule 1, puisque les vibrations de la pellicule étirée sont fortement

amorties par la résistance pneumatique, le facteur d'amortis-

sement peut être modifié aisément, par exemple en disposant une enveloppe 21 autour du détecteur de vibrations 20 et en modifiant l'interstice ou l'espace entre l'enveloppe 21 et la

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pellicule 1, la dimension de l'évent 22 ménagé dans l'enve-

loppe 21, qui fait communiquer la chambre à l'intérieur de

l'enveloppe 21 avec l'environnement.

On sait que la.. caractéristique d'un détecteur de vibrations 20 de système séismique est définie par la fréquen- ce naturelle ou fréquence de vibration propre fn et le facteur d'amortissement h. La fréquence fn du système vibrationnel dans lequel la pellicule étirée 1 et le poids 12 sont couplés

peut facultativement être modifiée par adaptation de la ten-

sion de la pellicule, la masse du poids 12, la position du centre de gravité du poids 12 dans le sens longitudinal de la pellicule 1 (c'est-àdire la distance A du poteau de support au centre de gravité du poids 12). La fréquence fn peut

aussi être modifiée par adaptation des dimensions de la pelli-

cule 1, telles que sa largeur B et sa longueur C. Dans le détecteur de vibrations 20, la tension de la

pellicule peut être modifiée aisément par utilisation de po-

teaux de support 5 ou 6 déplaçables par rapport au substrat 4 dans le sens longitudinal et la pellicule 1. La longueur de la pellicule 1 peut être modifiée aisément à l'aide d'un élément rigide qui saisit la pellicule 1, et la relie aux poteaux de

support 5, 6. Le détecteur de vibrations 20 peut, par conse-

quent, être ajusté à la fréquence de vibration propre désirée quelles que soient la dimension et la configuration du bâti de support. La dimension du bâti de support peut donc aussi être choisie arbitrairement. En conséquence, en fixant le substrat

4 aux portions désirées des murs ou des planchers d'un bâti-

ment ou du bâti d'une machine à examiner, on peut détecter

les vibrations des bâtiments et des machines. En outre, le fac-

teur d'amortissement B peut être réglé aisément de façon à obtenir un amortissement approprié, par exemple en rendant la paroi supérieure 23 de l'enveloppe déplaçable verticalement ou

en modifiant le diamètre de l'ouverture 22.

Par conséquent, le détecteur de vibrations 20 est

utilisable non seulement comme détecteur d'accélération vibra-

tionnelle, mais on peut aussi l'adapter à volonté comme détec-

teur de déplacement vibrationnel ou comme détecteur de vitesse vibrationnelle.

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Le détecteur de vibrations 20 peut détecter la vibra-

tion non seulement dans le sens perpendiculaire au plan de la pellicule du type bande 1, mais aussi dans le sens latéral de la pellicule 1, le sens latéral étant perpendiculaire au sens longitudinal. Dans le cas de la pellicule du type bande 1 fixée aux deux extrémités 7, 8, quand la largeur B de la pellicule piézoélectrique 1 est extrêmement courte comparée à la longueur C de celle-ci, les charges induites sur la moitié de gauche de la pellicule 1 et les charges induites sur la moitié de droite des électrodes 2, 3 suivant la contraction-expansion de la

moitié de droite de la pellicule 1 sont neutralisées sur cha-

cune des électrodes 2, 3 pour la vibration transversale, vibra-

tion le long de l'axe des X, puisque toutes les parties de la pellicule 1 sont expansées et contractées alternativement dans la vibration transversale perpendiculaire à la longueur de la pellicule 1 (vibration le long de l'axe des Y). Les charges

induites sur les électrodes 2, 3 suivant l'expansion et la con-

traction de la pellicule piézoélectrique polymère 1 peuvent être détectées. Ainsi, le détecteur de vibrations 20 a aussi

une haute sensibilité transversale et peut détecter la vibra-

tion transversale perpendiculaire au sens longitudinal de la pellicule aussi bien que la vibration verticale. Mais même dans

ce détecteur de vibrations 20, la sensibilité transversale di-

minue à mesure que la largeur B augmente.

La figure 4 montre un détecteur de vibrations 24 d'un

second mode de réalisation dans lequel une pellicule piézoélec-

trique polymère 1 déposée avec des électrodes 2, 3 et fixée à un poids 12 est assujettie par ses deux extrémités 7, 8 à des éléments de fixation 29, 30, tels que des éléments filetés,

aux extrémités 27, 28 respectivement d'un ressort à lames cam-

bré 26 qui à son tour est fixé par sa portion centrale 25 à un substrat 4 par un organe de fixation 25a. Le ressort à lames 26 maintient l'élément de support (pellicule 1) sous un effort de traction, de façon à supporter le poids 12 vibrativement ou vibrationnellement. La pellicule 1 est étirée par l'élasticité

du ressort 26. Le substrat 4 est fixé aux corps dont les vi-

brations sont à détecter, tels que sol, bâtiments, machines, etc. La tension de la pellicule 1 peut être ajustée par

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modification de la courbure du ressort 26. On peut modifier la courbure du ressort 26, par exemple en maintenant le ressort 26 avec des éléments de maintien 31 et en modifiant la position du ressort 26 dans ces éléments de maintien 31, verticalement sur la figure 4, ou bien en modifiant les positions de fixation aux extrémités 27, 28 avec les éléments de fixation 29, 30. Le ressort 26 est fait d'un élément métallique élastique, tel que de la tôle de bronze phosphoreux. Le module d'élasticité du ressort 26 peut être choisi suffisamment plus élevé que celui

de la pellicule 1.

La figure 5 montre un troisième mode de réalisation dans lequel le détecteur de vibrations 80 a deux pellicules piézoélectriques 1, 1', chacune des pellicules 1, 1' ayant deux électrodes 2, 3 ou 2', 3'. La pellicule 1 est fixée par

son extrémité 7 à la paroi latérale 5 par un élément de fixa-

tion 9, au poids 12 à son autre extrémité 81 par l'élément de fixation 13. La pellicule 1' est fixée par son extrémité 81' au poids 12 par un élément de fixation 13' et est pincée dans sa portion intermédiaire 86, o aucune électrode n'est déposée, par une paire de galets ponceurs 82. Les axes de rotation des cylindres 82 sont supportés par un bâti, non représenté, fixé sur le substrat 4. L'extrémité 87 de la pellicule 1' est fixée à une extrémité du substrat 4 par l'élément de fixation 85. Le ressort 83 maintient l'élément de support (pellicule 1, 1') sous un effort de traction, de façon à supporter le poids 13

vibrativement ou vibrationnellement.

Les galets ponceurs 82 empêchent pratiquement la vibra-

tion relative du poids 12 par rapport au système vibrationnel sauf l'atténuation du poids 12 par le ressort 83 en cas de

vibration, c'est-à-dire que les cylindres 82 fixent pratique-

ment la portion intermédiaire 86 de la pellicule 14 en cas de

vibration (la portion 86 pouvant être considérée comme l'extré-

mité fixe). De plus, les galets 82 transmettent la force de

traction du ressort 83 aux pellicules piézoélectriques polymè-

res 1, 1' afin de maintenir les pellicules 1, 1' sous l'effort

de traction désiré quand une vibration n'est pas détectée.

La figure 6 montre un quatrième mode de réalisation

dans lequel un détecteur de vibrations 34 comporte des pellicu-

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les piézoélectriques polymères la, lb, lc, ld, un poids 12, deux ressorts à lames cambrés 26a, 26b et un substrat 4. La pellicule la équipée d'une paire d'électrodes 2a, 3a est fixée par son extrémité 32a à une extrémité d'un ressort 26a par un élément de fixation 33a, la pellicule lb équipée d'une paire l'électrodes 2b, 3b, est fixée par une extrémité 32b à une

extrémité du ressort 26b par l'élément de fixation 33b, la pel-

licule lc équipée d'une paire d'électrodes 2c, 3c est fixée par une extrémité 32c à une autre extrémité du ressort 26a par un élément de fixation 33c et la pellicule ld équipée d'une paire d'électrodes 2d, 3d est fixée par son extrémité 32d à une autre extrémité du ressort 26b par l'élément de fixation

33d. Les pellicules la, lb, lc, ld sont intégralement raccor-

dées l'une à l'autre pour former une croix et un poids 12 est fixé aux pellicules la, lb, lc, ld au centre de la croix. Deux ressorts à lames cambrés 26a, 26b sont croisés et assemblés au centre, le centre des ressorts 26a, 26b étant fixé au substrat 4. Le substrat 4 est fixé à un corps tel qu'un bâtiment ou une machine, dont la vibration doit être détectée. Les ressorts à lames 26a, 26b maintiennent les tensions dans les pellicules piézoélectriques polymères la, lb, lc, ld qui supportent le

poids, vibrativement ou vibrationnellement.

Le détecteur de vibrations 34 peut détecter la vibra-

tion dans toutes les directions spatiales. La pellicule unique piézoélectrique polymère du détecteur de vibrations montré sur

les figures 1, 2, 4, 5 ou 6 peut être remplacée par un bimor-

phe classique qui comprend plusieurs pellicules piézoélectri-

ques polymères stratifiées l'une avec l'autre.

Les détecteurs de vibrations précédents suivant l'in-

vention utilisent une mince pellicule piézoélectrique polymère.

Les détecteurs de vibrations suivant l'invention utilisent une

substance piézoélectrique polymère tubulaire.

La figure 7 montre un cinquième mode de réalisation dans lequel le détecteur de vibrations 40 comprend un bâti de

support 41, des éléments de détection des vibrations filifor-

mes 42, 43 supportant un poids en forme de disque 44. L'élément de détection 42 est fixé par son extrémité 45 à une extrémité 41a du bâti de support 41 et par son autre extrémité 46 au il 2461270 centre du poids 44. L'élément de détection 43 est fixé par son extrémité 47 à l'autre extrémité 41b du bâti de support 41 et par son autre extrémité 48 au centre du poids 44. Le poids 44 est maintenu en traction par les éléments de détection des vibrations linéaires 42, 43 qui sont sous tension. Le bâti de

support 41 est fixé à des objets tels que sol, bâtiments ou ma-

chines, dont les vibrations doivent être détectées.

Chacun des éléments de détection des vibrations fili-

formes 42, 43 est constitué de la même manière. Par exemple,

l'élément de détection 42 comprend un tube 49 de section trans-

versale circulaire en matière piézoélectrique polymère, une électrode intérieure 50 en matière conductrice remplit l'espace intérieur du tube 49 et une électrode extérieure 51 est déposée sur la périphérie extérieure du tube 49. Le tube 49 est fait de

la même matière piézoélectrique polymère que celle de la pelli-

cule 1 et le tube 49 en matière piézoélectrique est polarisé

dans le sens radial (intérieurement et extérieurement).

L'électrode intérieure 50 de l'élément de détection

filiforme 42 est en matière conductrice fluide à une températu-

re inférieure au point de fusion de la matière piézoélectrique polymère du tube 49. La matière conductrice désirée comprend des alliages métalliques à bas point de fusion, des solutions

électrolytiques, des résines et des caoutchoucs conducteurs.

* L'électrode extérieure 51 peut être faite d'une pellicule dépo-

sée sous forme de vapeur, d'aluminium par exemple.

L'expansion et la contraction dans l'élément de détec-

tion des vibrations filiforme 42 peuvent être détectées sous la forme de modification de la tension entre les électrodes 50,

51 ou de modification de la quantité des charges sur les élec-

trodes 50, 51 et peuvent être indiquées par le circuit sur les figures 1 ou 3. Le circuit de détection peut comprendre, par exemple, un préamplificateur, un filtre passe-bande pour une fréquence prédéterminée de signaux, un amplificateur, etc., et

peut comprendre aussi un avertisseur et un circuit pour empê-

cher une calamité secondaire du fait de la vibration.

Lorsque le détecteur de vibrations 40 est utilisé pour

détecter un tremblement de terre, on utilise un filtre passe-

bande qui permet de ne passer que les signaux ayant les fré-

quences correspondant aux fréquences séismiques, c'est-à-dire les fréquences dans la gamme de 1-10 Hz, en particulier 3-7 Hz. Le circuit pour empêcher la calamité secondaire peut être utilisé pour fermer des soupapes principales des conduites de gaz ou d'huile ou pour couper le secteur d'alimentation en électricité.

Lorsque le tube 49 a une section transversale circu-

laire et le poids 44 a une configuration en forme de disque, les éléments de détection linéaires 42, 43 peuvent produire la

même quantité de charges piézoélectriques pour l'effort appli-

qué dans toute direction perpendiculaire à la direction axiale (direction longitudinale) des éléments de détection filiformes 42, 43 et le détecteur 40 peut percevoir les vibrations dans le plan vertical à la direction axiale sans aucune dépendance

directionnelle. De plus, la quantité de charges piézoélectri-

ques engendrées par la vibration y compris la vibration séismi-

que est suffisamment importante pour être appliquée comme signal pour la détection de diverses vibrations et le détecteur peut être utilisé commedétecteur de vibrations pratique à

haute sensibilité.

Les éléments de détection filiformes 42, 43 peuvent

être intégrés sous la forme d'un élément piézoélectrique fili-

forme passant à travers le centre du poids 44 et fixé à celui-

ci en 46, 48. Chacun des éléments de support 42, 43 peut être

un élément filiforme élastique en matière non piézoélectrique.

L'explication qui suit se rapporte au fonctionnement du détecteur 40 ayant la constitution indiquée ci-dessus. Quand un tremblement de terre se produit, le bâti de support 41 fixé

au sol est mis en vibration par les ondes séismiques transver-

sales, par exemple, et est déplacé par rapport au poids 44.

Comme conséquence, les éléments de détection filiformes 42, 43 fixés par leurs extrémités 46, 48 au poids 44 respective-

ment sont expansés et contractés du fait des modifications de

leur tension, ceci produit de la piézoélectricité entre l'élec-

trode intérieure 50 et l'électrode extérieure 51. Les charges piézoélectriques ainsi produites sont détectées par un circuit de détection des signaux électriques et amplifiées pour être enregistrées ou pour actionner le circuit afin d'empêcher une

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calamité secondaire.

La figure 9 montre un sixième mode de réalisation dans lequel le détecteur 52 comprend un élément de détection de vibrations filiforme 43 et un fil métalliqpe 53 supportant un de orme spn rique, poids. Alors que le poids 54 est représenté/ il peut avoir la forme d'un disque. Puisque l'élément de support 53, qui est toujours soumis à une tension sous la charge du poids 54, est fait d'un fil métallique dans le détecteur 52, il est moins sujet à déformation sous charge pendant une longue période de temps. De plus, l'élément de support 53 peut supporter le

poids 54 à l'intérieur de la limite élastique d'une charge re-

lativement lourde. La quantité de charges piézoélectriques pro-

duites sur chacune des électrodes, intérieure 50 et extérieure 51, par l'expansion et la contraction d'un élément de détection des vibrations filiforme fixé au poids 54 étant modifiée d'après la vibration, on peut détecter une vibration comprenant la vibration séismique. La matière constitutive de l'élément de support 53 n'est pas limitée seulement au fil métallique, tout autre élément élastique filiforme, y compris les fibres, peut être utilisé du moment qu'il peut supporter la charge du poids 54 et qu'il s'expanse ou se contracte beaucoup moins que

l'élément de détection 43. Par ailleurs, une partie de l'élé-

ment élastique filiforme, telle que le fil métallique, peut

être remplacée par l'élément de détection des vibrations.

La figure 10 montre un septième mode de réalisation dans lequel le détecteur de vibrations 55 comprend un élément de détection des vibrations filiforme 56, un poids 57 fixé au centre de cet élément 56 et un bâti de support 58. Le bâti de support 58 comprend un élément cambré 58a, une base 58b et des éléments de fixation 58c, 58d, 58e. La base 58b supporte

l'élément cambré 58a par l'intermédiaire des éléments de fixa-

tion 58c, 58d, 58e. L'élément cambré 58a maintient l'élément de détection des vibrations filiforme 56(supportant lepoids) sous un effort de traction, de façon à supporter le poids 57 vibrativement. Dans le détecteur 55 comme dans les détecteurs 34 et 80, la tension de l'élément de support du poids et la fréquence naturelle ou fréquence de vibration propre peuvent être réglées à la valeur désirée par modification de la

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distance F entre la base 58b et le ceptre de l'élément cambré

58a. Dans ce cas, la base 58b est légèrement déformée.

On peut modifier la distance F en ajustant la position

fixe de l'élément de fixation 58c par rapport à la base 58b.

Dans le huitième mode de réalisation, représenté sur la figure 11, le détecteur de vibrations 60 comprend quatre éléments de détection des vibrations filiformes 61a, 61b, 61c,

61d, un poids sphérique 62 et un bâti de support 63.

Le bâti de support 63 a deux éléments cambrés 64a, 64b et supportés par une plaque de base 65 par l'intermédiaire d'une tige de raccordement 59. Chacun des éléments de détection 6 lc filiformes 61a, 61b,/61d est fixé par une extrémité au poids à une

62 et par l'autre/extrémité de l'élément cambré 64a ou 64b.

Deux des éléments de détection sont disposés horizontalement et les deux autres verticalement. Les éléments cambrés 64a,

64b maintiennent les éléments de détection des vibrations fili-

formes 61a, 61b, 61c, 61d (en tant qu'éléments de support du poids) sous un effort de traction, de façon à supporter le

poids 62 vibrativement ou vibrationnellement.

La vibration peut être détectée dans n'importe quelle direction et indiquée par l'application des signaux de sortie des éléments de détection 61a, 61b, 61c, 61d à un circuit

électrique désiré ou autre organe.

La figure 12 montre un neuvième mode de réalisation dans lequel le détecteur 64 comprend six éléments de détection des vibrations filiformes 65a, 65b, 65c, 65d, 65e, 65f, un

poids sphérique 66 et un bâti de support 67. Les deux extrémi-

tés des éléments de détection 65a, 65b, 65c, 65d, 65e, 65f sont fixées respectivement au poids 66 et au bâti de support

67, de façon à supporter le poids 66.

Trois éléments de détection 65a, 65b, 65c parmi les six éléments sont fixés à l'extrémité 67a du bâti de support 67 et les trois éléments de détection restants 65d, 65e, 65f

sont fixés à l'autre extrémité 67b du bâti de support 67.

Le détecteur 64 peut détecter aisément, par exemple, la direction de propagation des ondes séismiques transversales par les amplitudes de la piézoélectricité produite dans les éléments de détection 65a, 65b, 65c, 65d, 65e, 65f quand la

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direction vibrationnelle relative du poids 66 par rapport au

bâti de support 67 est sensiblement horizontale.

Dans un dixième mode de réalisation, représenté sur la figure 13, le détecteur de vibrations 68 comprend un poids sphérique 69, un élément de détection de vibrations filiforme , un ressort hélicoïdal 71, une fibre 72, deux paires de galets pinceurs 73a, 73b et un bâti 74. Le poids 69 est fixé à

la portion centrale de l'élément de détection filiforme 70.

Les extrémités de l'élément de détection filiforme 70

sont fixées aux extrémités d'une fibre 72. La fibre 72 est pin-

cée par deux paires de galets pinceurs 73a, 73b au voisinage de ses extrémités et est raccordée à l'une des extrémités du ressort 71 dans l'axe de celui-ci, l'autre extrémité du ressort 71 étant fixée au bâti 74. La fibre 71 a dans son ensemble la forme d'un Y. Les axes de rotation des galets pinceurs sont fixés au bâti 74. Le ressort 71 est un moyen pour maintenir l'élément de détection des vibrations filiforme 70 sous un effort de

traction, de façon à supporter le poids 69 vibrativement ou vi-

brationnellement. Les galets pinceurs 73a, 73b empêchent la

vibration relative du poids 69 par rapport au système de vibra-

tion séismique, sauf l'atténuation du poids 69 par le ressort 71 en cas de vibration, c'est-à-dire que les galets 73a, 73b

fixent les portions pincées de la fibre 72 en cas de vibration.

Dans ce cas, l'élément de support du poids comprend l'élément de détection des vibrations filiforme 70 et la fibre 72, ainsi

l'élément de support du poids peut être formé par la combinai-

son de l'élément de détection de vibrations filiforme avec

d'autres éléments filiformes.

EXEMPLE 1

Un détecteur de vibrations D3, comme celui représenté sur les figures 1 et 2, est réalisé avec une pellicule de fluorure de polyvinylidène piézoélectrique d'une épaisseur de

p, d'une largeur de 10 mm et d'une constante piézoélectri-

que d31 de 7 x 107 ues CGS, avec des pellicules d'aluminium déposées en vapeur sur les deux surfaces (si la disposition est telle que la direction longitudinale C de la pellicule 1 est parallèle avec l'axe des X et la surface de la pellicule

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1 parallèle avec la surface XY, la constante piézoélectrique d est définie comme: d = D/F, o F = effort exercé sur la

31 31

pellicule dans la direction X et D = densité du flux électrique dans la direction Z). La longueur de vibration libre de la pellicule 1 est réglée à 60 mm et la masse du poids à 3,16 g. On fixe le détecteur de vibrations D3 sur un lit de vibration sous la forme du substrat 4. Les vibrations sont

appliquées en variant la fréquence et en maintenant l'amplitu-

de de la constante du lit de vibration (10 P) et on mesure la tension de sortie entre les électrodes 2, 3. Un oscillographe

est utilisé comme circuit de mesure 15.

D'après les résultats mesurés on constate que le détec-

teur de vibrations D3 a une fréquence de résonance de 28 Hz et fonctionne comme un détecteur de déplacement vibrationnel dans des fréquences audessus de la fréquence de résonance

avec une sensibilité de 1,8 V de tension de sortie par amplitu-

de de vibration de 1 mm.

EXEMPLE 2

Un détecteur de vibrations Dl, semblable à celui repré-

senté sur la figure 4, est réalisé avec la même pellicule de fluorure de polyvinylidène piézoélectrique que celle utilisée dans l'exemple 1. Cette pellicule est étirée entre les deux

extrémités d'un ressort à lames 26 fait de tôle de bronze phos-

phoreux (épaisseur 0,25 mm, largeur 10 mm, ayant des petites

encoches des deux côtés près des positions maintenant la pelli-

cule aux deux extrémités) et-fixé au substrat 4, et on fixe un poids 12 de 3,16 g au centre de la pellicule 1. La longueur de vibration libre C et de la pellicule piézoélectrique la est de

mm. Puisque la fréquence naturelle des vibrations vertica-

les du ressort à lames en bronze phosphoreux 26 du détecteur de vibrations Dl est choisie suffisamment plus grande que celle *de la pellicule piézoélectrique 1, de façon que les effets des

vibrations élastiques du ressort 26 soient négligeables lors-

qu'on mesure les vibrations de la gamme des fréquences de vi-

bration proches de la fréquence naturelle ou fréquence de vi-

bration propre de la pellicule piézoélectrique 1, le ressort

26 peut être considéré comme une partie du substrat 4.

Les données de corrélation entre la fréquence et la

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tension de sortie sont recueillies en utilisant le détecteur de vibrations Dl dans les mêmes conditions que dans l'exemple 1. D'après le résultat obtenu, on constate que le détecteur de vibrations Dl est un détecteur de déplacement vibrationnel de vibrations ayant des fréquences bien au-dessus de 25 Hz (la fréquence de résonance de la pellicule 1 est de 25 Hz) avec une sensibilité de 10 V de tension de sortie par amplitude de

vibration de 1 mm.

EXEMPLE 3

Un détecteur de vibrations 24 semblable à celui de

l'exemple 2 a été réalisé avec des modifications dans la cons-

titution du ressort à lames en bronze phosphoreux 26. Le détec-

teur de vibrations 24 de l'exemple 3 est le même que celui de l'exemple 2, à l'exception de l'utilisation d'un ressort en bronze phosphoreux 26 d'une largeur de 10 mm et d'une épaisseur de 0,3 mm sans encoches. La fréquence de résonance est de

51 Hz et la sensibilité de sortie est de 1,8 V/mm.

Lorsque l'on porte la masse du poids 13 du détecteur de vibrations 24 à 7, 16 g, la fréquence de résonance passe à

39 Hz et la sensibilité de sortie est portée à 2,5 V/mm.

Lorsque le poids 12 est porté à 11,96 g, la fréquence de réso-

nance passe à 28 Hz et la sensibilité de sortie est portée à

3,2 V/mm.

EXEMPLE 4

On mesure la sensibilité S (picocoulombs/gallon

S = Q/Ac, o Q est la quantité maximale de charges superficiel-

les du fait de la piézoélectricité et Ac l'amplitude de l'accé-

lération de la vibration à mesurer) de cinq détecteurs de vi-

brations Dl, D2, D3, D4, D5 par rapport à une vibration basse fréquence. Le détecteur D2 est le même que le détecteur Dl

(de l'exemple 2), sauf que la masse du poids est de 12,23 g.

Le détecteur D3 est le détecteur de l'exemple 1.

Le détecteur D4 est réalisé comme le montre la figure 10. Dans le détecteur D4, la masse du poids est de 3,16 g et la longueur de vibration libre entre les deux extrémités fixes

de l'élément de détection des vibrations filiforme de 50 mm.

La constante piézoélectrique de la substance piézoélectrique polymère de l'élément de détection des vibrations filiforme

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est de 7,0 x 10 ues CGS.

Le détecteur D5 est le détecteur d'accélération vibra-

tionnelle classique connu sur le marché sous le nom de "VT-5331"

construit par ECG.

L'élément de détection des vibrations filiforme du dé- tecteur D4 est réalisé de la manière suivante: en premier lieu, le fluorure de polyvinylidène fondu est extrudé pour former un tube ayant 500 vin de diamètre intérieur et 800 vm de diamètre extérieur. En second lieu, une soudure basse température "62"

(marque déposée), ayant un point de fusion de 620C, est injec-

tée dans la cavité du tube. En troisième lieu, après avoir fermé les deux extrémités du tube, celui-ci est étiré à 3,5 fois sa longueur à 80'C et formé en tube capillaire ayant 250 pm de diamètre intérieur et 450 pm de diamètre extérieur, la surface intérieure du tube capillaire étant recouverte par la soudure de l'électrode intérieure. Puis l'aluminium est déposé

sous vide sur la périphérie du tube capillaire.

La figure 14 montre les données de sensibilité mesurées, qui indiquent nettement que les détecteurs de vibrations Dl, D2, D3, D4 de la présente invention ont une sensibilité plus

élevée que le détecteur de vibrations classique'D5.

Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux

modes de réalisation décrits et représentés, elle est suscepti-

ble de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art, suivant les applications envisagées et sans s'écarter pour cela

du cadre de l'invention.

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Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Détecteur de vibrations de système séismique, carac-

térisé en ce qu'il comprend un bâti de support, au moins un élément de support du poids, ledit élément de support étant fixé à deux portions du bâti de support pour détecter la vibra- tion, un poids fixé audit élément de support en une position centrale entre les deux dites portions dudit élément de support et des moyens pour fixer les deux dites portions audit élément

de support pour détecter la vibration, ledit poids étant sup-

porté vibrativement sous tension par ledit élément de support et au moins une partie dudit élément de support étant formée par une substance piézoélectrique polymère ayant une paire d'électrodes de détection des vibrations, ladite partie étant

disposée entre lesdites deux portions.

2. Détecteur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de maintien en traction comprennent un

élément élastique cambré dont chaque extrémité est fixée à cha-

cune des deux portions de l'élément de support.

3. Détecteur de vibrations de système séismique suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux éléments de support du poids, chacun desdits éléments de support étant fixé par une extrémité audit poids et par l'autre extrémité à une portion dudit bâti de support en détection de

vibration, ledit poids étant supporté vibrativement sous ten-

sion par lesdits éléments de support et en ce qu'au moins une partie de l'un desdits éléments de support est constituée par une substance piézoélectrique polymère portant une paire

d'électrodes de détection des vibrations, ladite partie piézo-

électrique étant disposée entre l'extrémité fixe et ladite por-

tion de l'élément de support.

4. Détecteur suivant la revendication 3, caractérisé

en ce que ledit bâti de support comprend des moyens pour main-

tenir l'élément de support sous un effort de traction, de façon à supporter le poids vibrativement et vibrationnellement, et des moyens pour supporter lesdits moyens de maintien en traction.

5. Détecteur suivant l'une des revendications 1 à 4,

caractérisé en ce que les moyens de maintien en traction

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comprennent un élément élastique cambré, fixé par une extrémi-

té à une portion de l'un des éléments de support et par l'autre

extrémité à une portion d'un autre desdits éléments de support.

6. Détecteur suivant l'une des revendications 1 à 5,

caractérisé en ce que les moyens de maintien en traction com- prennent un ressort, ledit ressort étant fixé par une extrémité à un élément de support et par l'autre extrémité aux moyens de support desdits moyens de maintien en traction, les moyens de

fixation au bâti comprenant une paire de galets pinceurs, les-

dits galets étant fixés à rotation audit bâti de support et

pinçant une portion dudit élément de support.

7. Détecteur suivant l'une des revendications 1 à 6,

caractérisé en ce que la substance piézoélectrique polymère a

la forme d'une pellicule du type bande.

8. Détecteur suivant l'une des revendications 1 à 6,

caractérisé en ce que la substance piézoélectrique polymère a

la forme d'un élément filiforme.

9. Détecteur suivant l'une des revendications 1 à 8,

caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'élément de sup-

port est disposée en forme de croix, le poids étant disposé au

centre de la croix.