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Moteurs pas à pas dans les sismomètres à large bande détectent les nanomouvements

L'homme va sur la lune, il envoie des sondes jusqu'aux confins du système solaire et plus loin encore. Mais il ne sait pénétrer la croûte terrestre que de quelques milliers de mètres au plus. C'est pourquoi, pour explorer l'intérieur de la planète, nous avons besoin de procédures indirectes. La sismologie – du grec seismós signifiant secousse sismique – étudie les secousses qui sont provoquées par les mouvements des plaques continentales. Elle tire de leur propagation des conclusions sur ce qui se passe à l'intérieur de la terre, de la même manière qu'on regarde le bébé à l'échographie. Un « vrai » tremblement de terre, que l'on perçoit même sans instruments, est relativement facile à mesurer. La secousse est violente, et le signal est d'autant plus net, de sorte que même des capteurs peu sensibles peuvent l'enregistrer.

Moteurs pas à pas dans les sismomètres à large bande détectent les nanomouvements
Moteurs pas à pas dans les sismomètres à large bande détectent les nanomouvements
Le pendule reste en position d'équilibre

Les choses se compliquent lorsque les mouvements sont très faibles, comme le sont ceux des vagues de l'océan par exemple, forme microsismique présente dans le monde entier. Le sismographe simple traditionnel n'a alors guère de chance de réagir. Il est composé dans le principe d'un poids – le pendule – qui est accroché à un ressort. Un crayon fixé au poids reproduit les secousses éventuelles en courbes sur un rouleau de papier continu. L'amplitude de cette courbe indique l'intensité de la secousse – mais seulement jusqu'aux bords du rouleau de papier. D'un autre côté, la sensibilité est limitée par l'épaisseur du crayon : les amplitudes minimales au-dessous de la largeur du trait ne sont pas clairement identifiables. Ceci correspond à une dynamique d'environ 60 dB.

Une feuille de 18 kilomètres de large

Pour surmonter de telles restrictions, il y a environ 35 ans, l'étudiant en géophysique Gunar Streckeisen a développé, dans le cadre de son projet de fin d'études, sous la direction de Erhard Wielandt à l'École polytechnique fédérale (EPF) de Zurich, ce qu'on appelle le sismographe à large bande STS-1. Plus tard, il fonda à Winterthour la société Streckeisen AG afin de fabriquer ces appareils et de les distribuer dans le monde entier. Depuis lors, les sismographes classiques n'existent plus. Erhard Wielandt était à l'époque la force motrice du développement de la métrologie sismique moderne.

Moteurs pas à pas dans les sismomètres à large bande détectent les nanomouvements
À la fin de l'opération de centering, la dent de la masse de réglage reste immobile entre les flancs de dents de la vis sans fin.
Moteurs pas à pas dans les sismomètres à large bande détectent les nanomouvements

Le pendule reste en position d'équilibre

Le seul point commun entre le sismographe à large bande et son prédécesseur classique, c'est le pendule mobile qui réagit sous l'action d'une force extérieure. Plus besoin d'un crayon d'autant plus qu'il ne tracerait qu'une ligne droite. Car la prouesse grâce à laquelle les sismographes de Streckeisen atteignent leur dynamique extrêmement élevée, c'est le retour de force : un système à rétroaction électromagnétique veille à ce que le pendule demeure toujours dans la même position d'équilibre, une fois celle-ci calibrée. « Cela fonctionne comme une balance électronique », explique Robert Freudenmann, président- directeur général de Streckeisen. « Le signal de correction nécessaire pour la poursuite est en même temps le signal de sortie. Plus le mouvement détecté est grand, plus le signal est important, ce qui amène le pendule à rester au centre. » Avec un tel principe de mesure, on atteint 145 dB, ce qui correspond à un rouleau de papier large de 18 km. Afin que les mouvements de la croûte terrestre soient enregistrés en trois dimensions, chaque sismographe comprend trois pendules. Ils ont une position légèrement inclinée et sont agencés de façon circulaire, décalés de 120°. Selon la direction de la force appliquée, ils réagissent différemment. Ces différences permettent de calculer le tableau tridimensionnel de la modification spatial

Équilibrage nécessaire une fois tous les dix ans

Une fois installée, l'électromécanique de haute précision fonctionne automatiquement et sans intervention humaine pendant une longue période. Ce qui est décisif, c'est l'alignement exact du sismographe et l'équilibrage des pendules avant la mise en service. « Traditionnellement, les sismographes sont toujours orientés vers l'est », explique Robert Freudenmann. « Afin d'équilibrer les pendules, une masse mobile est déplacée sur leur balancier jusqu'à ce qu'ils soient parfaitement équilibrés. La masse est un engrenage qui coulisse par rotation sur un axe. Elle est entraînée par une vis sans fin qui lui est perpendiculaire. L'engrenage et la vis sans fin n'ont que peu de jeu. Lorsque l'équilibre parfait est atteint, la dent de la masse de réglage s'arrête sans contact entre les flancs des dents de la vis sans fin, le pendule reste donc mobile. »

Moteurs pas à pas dans les sismomètres à large bande détectent les nanomouvements
Station sismique du GSN QSPA au pôle sud (Antarctique). La construction de cette station aoblige à effectuer des forages dans la glace jusqu'à une profondeur de près de 300 mètres. La photo montre les foreurs engagés par la NSF au travail avec le carottier de glace sur le site de la QSPA (à ~8 kilomètres du pôle sud).

Fiabilité durable

Cette opération, appelée « centering » dans les milieux spécialisés, est exécutée par un moteur pas à-pas de type AM0820 avec un réducteur planétaire 16:1 de FAULHABER. Elle doit satisfaire à toute une série d'exigences afin de répondre à l'application de haut niveau : dimensions et consommation de courant réduites ; mouvement précis ; insensibilité aux basses températures, puisque les appareils de Streckeisen sont aussi utilisés même dans le nord de l'Alaska et aux abords du pôle sud. L'essentiel, c'est la fiabilité durable : « Pour les mesures à long terme, on opte pour des sites où les conditions environnantes sont très stables », explique Robert Freudenmann. « Dans les cas extrêmes, les pendules sont équilibrés la première fois avant la première mise en service, et la deuxième fois seulement dix ans plus tard. Le moteur doit alors faire son travail de nouveau précisément après un arrêt prolongé. Nous savons que les moteurs de FAULHABER en sont capables. »

Blindage en béton

Tous les appareils ne sont pas utilisés pour la mesure à long terme. Dans ce qu'on appelle les mesures en réseau, un grand nombre de sismographes est agencé sous forme de grilles, dans une zone déterminée, afin d'enregistrer les spécificités du sous-sol à cet endroit. Si les mesures sont terminées au bout de quelques mois, on déplace la grille, les appareils rejoignent la mission suivante. Ainsi par exemple, les états des États-Unis sont arpentés de cette manière l'un après l'autre. Mais le mouvement inévitable lors du transport est un poison pour les capteurs sensibles. Pour qu'elles ne subissent pas de préjudice, les pièces mobiles sont donc bloquées par une fixation de transport, ce dont se charge le quatrième moteur du sismographe de Streckeisen, un micromoteur C.C. 0816P006S. « Dans la pratique, FAULHABER peut nous livrer aussi bien des moteurs pas-à-pas que des micromoteurs affichant la spécification qui convient et un haut niveau qualitatif », souligne Robert Freudenmann. Les sismographes actuels de Streckeisen sont bien plus petits et encore plus faciles à installer que ceux de la première génération. Une nouvelle variante à boîtier tubulaire s'enfonce dans les trous de forage. Mais le montage demeure le fruit d'un travail manuel. Ce n'est qu'à la fin que l'on peut constater si les composants coopèrent bien avec l'exactitude attendue. C'est pourquoi chaque capteur fabriqué fait l'objet d'une batterie de tests dans un abri antiaérien, notamment afin de vérifier l'insensibilité aux fluctuations de la pression atmosphérique. Un ventilateur insuffle de l'air dans la chambre entourée de béton épais et la « gonfle ». « On a peine à le croire, mais l'accroissement de la pression atmosphérique modifie effectivement la pièce, ne serait-ce que de quelques nanomètres », explique Robert Freudenmann. « Nos appareils sont en mesure d'enregistrer cette modification. Si un appareil présentait une fuite, nous recevrions un signal différent. Avec de tels tests, nous faisons en sorte que seuls des sismographes fonctionnant parfaitement, qui enregistrent avec précision les séquences à l'intérieur de la croûte terrestre, soient livrés. »

Moteurs pas à pas
AM0820
Biphasé, 20 pas par tour
Fiche technique (PDF)
Particularités clés
Diamètre:
6 ... 66 mm
Longueur:
9.5 ... 42 mm
Pas angulaire:
18 °
Couple statique:
0.25 ... 307 mNm
Détails sur le produit

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