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Les géophysiciens utilisent des sismomètres pour surveiller les tremblements de terre, causés par le déplacement des plaques tectoniques dans l’écorce terrestre. Pour que les instruments fonctionnent efficacement, ils doivent être mis à niveau avant utilisa­tion. Si l’appareil est mis en œuvre sur terre, au sec, cette tâche est relativement simple. Mais pour les sismomètres, qui sont utilisés au fond des océans, à des milliers de mètres sous le niveau de la mer, la tâche est beaucoup plus compliquée. Pour simplifier la procédure, l’entreprise Nanometrics Inc. (siége social à Kanata, dans l’Ontario, au Canada) a associé des suspensions à cardan très perfectionnés et des microprocesseurs sophis­tiqués à des moteurs pas à pas extrêmement fiables et performants de l’entreprise FAULHABER.

Dans la construction la plus simple, un sismomètre se compose d’un cadre, qui bouge avec la roche sur laquelle il se trouve, d’un pendule, qui agit pour l’essentiel comme une masse inerte, et d’un système électronique qui enregistre le déplacement entre ces deux composants. Les sismomètres de Nanometrics sont équipés de trois masses inertes placées le long d’axes orthogonaux, qui permettent à l’instrument d’effectuer des mesures tridimensionnelles.

Les sismomètres large bande utilisent en règle générale une sorte de pendule inversé, où un ressort exerce la force de rappel à la place de la gravitation. Les pendules inversés ne se centrent pas tout seuls. Ils doivent être équilibrés. Les sismomètres de fond de mer sont utilisés à plusieurs kilomètres sous le niveau de la mer. À une telle profondeur, il est pratiquement impossible d’employer des câbles. Les instruments alimentés par batterie fonctionnent donc en isolement total pendant la durée de l’expérience, parfois jusqu'à un an. Ensuite, ils sont ramenés en laboratoire pour analyse – et c’est là seulement que les utilisateurs découvrent si les instruments ont eu les performances souhaitées.

Les navires qui larguent puis récupèrent les sismomètres de fond de mer sont très coûteux. Il faut donc pouvoir être absolument sûr que le capteur fonctionne parfaitement, à chaque utilisation. Mais la fiabilité n’est qu’une des exigences à respecter. Pour mettre en place un sismomètre, les chercheurs le fixent à un largueur lesté et le font descendre au fond de la mer. Ce processus peut durer des heures. Arrivé au fond de la mer, le sismomètre atterrit souvent sur un sol boueux, dans une topographie inconnue. C’est là que débute son orientation. Dans les grands fonds marins, les conditions thermiques sont généralement stables, mais l’inclinaison mécanique peut être à la fois extrême et dynamique. Le système de nivellement mécanique doit donc être en mesure d’orienter les capteurs même si l’instrument a atterri la tête en bas au fond de la mer.

Les trois axes du Trillium Compact OBS (instrument pour fonds marins) et du Compact All-Terrain (instrument pour sol sec) sont fixés les uns aux autres de manière rig­ide, de sorte que le système oriente la plateforme comme un seul élément. Pour assurer une multitude de réglages, Nanometrics a installé les sismomètres dans une suspension à cadran motorisée. Le cadre intérieur fait pivoter l’instrument autour de son propre axe. Le cadre extérieur le fait pivoter par rapport au boîtier. Des accéléromètres placés sur le sismomètre et sur le boîtier déterminent le degré d’inclinaison. Le microprocesseur donne ensuite au moteur les ordres nécessaires pour adopter la position requise. En 20 minutes, le système est parfaitement orienté.

Le mécanisme de positionnement a besoin de couple pour équilibrer la masse utile de l’instrument. La manière la plus simple de produire du couple est de choisir un moteur plus gros, ou alors une combinaison avec un réducteur de rapport de réduction approprié. L’équipe d’ingénieurs était toutefois confrontée à des contraintes d’encombrement due à la conception de l’instrument. Il n’était cependant pas ques­tion d’utiliser un moteur plus gros. Un plus gros instrument nécessiterait un plus gros largueur pour son transport au fond de la mer, ce qui aurait généré un poids supérieur et des coûts plus élevés. L’équipe avait besoin de moteurs robustes, fiables et compacts, ayant une densité de couplée élevée : FAULHABER a pu lui fournir la solution parfaite. L’instrument comporte deux moteurs pas à pas commandés par un microprocesseur. L’algorithme d’orientation utilise les données de l’accéléromètre pour calculer les mouvements du moteur nécessaires pour le positionnement. Toutefois, le résultat final de l’orientation est contrôlé par le sismomètre lui-même. Utiliser un moteur pas à pas pour exécuter les mouvements présente un avantage décisif : la fiabilité.

Moteurs à courant continu FAULHABER pour la surveillance du sismomètre du plancher océanique
Les sismomètres de fond de mer tels que le Trillium OBS doivent être à la fois robustes et fiables.
Moteurs à courant continu FAULHABER pour la surveillance du sismomètre du plancher océanique
Le mécanisme d’orientation permettant de positionner l’instrument comprend un moteur pas à pas ayant une grande densité de couple et un réducteur.

Le transfert du mouvement du moteur au sismomètre sur cardan s’effectue à l’aide d’un réducteur à vis sans fin, d’une construction compacte et robuste. De plus, celui-ci assure la stabilité même en cas de chocs et de vibrations. Le réducteur à vis sans fin n’a par exemple qu’un seul sens de rotation, ce qui protège la charge de transmission. L’équipe de concepteurs devait raccorder le réducteur à vis sans fin et la tête motrice. Elle a envisagé de visser les deux éléments au moyen d’une vis de réglage, mais l’arbre du moteur a un diamètre de seulement 2 mm. Pour cette raison fixation du réducteur à l’arbre n’était pas assez fiable pour les chercheurs. Avec le spécialiste d'applications MICROMO, nous avons conçu un moyen de souder un étage de boîte directement sur l’arbre de sortie du réducteur. L’utilisation de moteurs avec un étage de boîte directement intégré accélère et simplifie le processus d’assemblage pour Nanometrics.

Produits

Moteurs pas à pas
Entraînement de positionnement économique sans codeur
Densité de puissance élevée
Très forte accélération
Possibilité de changement de direction extrêmement rapide
Durable
Large plage de températures de fonctionnement
Fonctionnement possible en mode pas entier, demi-pas ou micro-pas
Inertie du rotor très faible
Détails
Informations complémentaires

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