Résolution du capteur de position de déplacement – Comprendre cette spécification importante

Intro
En tant que concepteur ou ingénieur de machines, vous devez toujours spécifier des capteurs à utiliser dans vos modèles. Au cours de votre recherche, vous êtes confronté à un éventail de spécifications de produits dont vous devez compter pour sélectionner le capteur avec le bon rapport coût-performance. Malheureusement, toutes les spécifications des capteurs de déplacement ne sont pas présentées de manière à permettre une comparaison directe. La résolution représente l’une des descriptions de performance les plus fréquemment mal comprises et mal définies. La résolution est une spécification importante car, sans résolution suffisante, vous ne pourrez peut-être pas effectuer de manière fiable la mesure nécessaire, et un capteur performant surchargera votre budget. La résolution n’a de sens que dans le contexte de la bande passante du système, de l’application et de la méthode de mesure et de l’unité de mesure utilisée par le fabricant du capteur. Une simple “spécification de résolution” dans une fiche technique fournit rarement suffisamment d’informations pour une sélection de capteur entièrement informée. La compréhension de cette spécification importante vous permettra de faire en sorte que le choix du capteur de déplacement droit soit plus sûr.

Les bases
Essentiellement, la résolution est la plus petite mesure qu’un capteur peut indiquer de manière fiable. Avant de discuter de cela en détail, il est important de comprendre quelle résolution n’est pas . Ce n’est pas une précision. Un capteur très inexact pourrait avoir une résolution très élevée, et un capteur basse résolution peut être très précis dans certaines applications. La résolution n’est pas le chiffre le moins significatif dans un affichage ou le bit le moins important dans une conversion entre les mondes numérique et analogique. Les appareils numériques ont une spécification de résolution basée sur le chiffre / bit le moins significatif et, si elles sont insuffisantes, peuvent encore dégrader la résolution globale du capteur, mais la limite fondamentale de la résolution d’un capteur est déterminée dans le monde analogique; la bataille pour des résolutions plus élevées dans la conception des capteurs est avant tout une lutte contre le bruit électrique.

Le bruit électrique dans la sortie d’un capteur est le facteur principal limitant sa plus petite mesure possible. Tous les composants électroniques produisent de petits changements aléatoires dans les potentiels de tension qui se combinent tout au long du circuit et apparaissent comme une bande de bruit lorsqu’ils sont vus avec un oscilloscope. Le bruit électrique est un facteur dans tout système électronique essayant de détecter de très petits changements de tension. Par exemple, le bruit électrique provoque la granulation de l’image dans les télescopes à l’aide de détecteurs CCD. Les utilisateurs ne peuvent pas voir de petits objets distants si les objets ont la même taille que les grains induits par le bruit. Certains télescopes de haute technologie utilisent des CCD super refroidis, car des températures extrêmement basses éliminent presque toujours le mouvement aléatoire des charges dans le CCD, ce qui réduit le bruit électrique à près de zéro. Avec très peu de bruit, les petits objets sont maintenant visibles [1]. Pour vous, l’ingénieur spécifiant un capteur de déplacement / position, le problème essentiel est le suivant: votre mesure d’un déplacement de 1 μm sera perdue si le capteur possède 10μm de bruit dans la sortie. Il est essentiel que la résolution de votre capteur sélectionné soit considérablement inférieure à la mesure la plus petite que vous essayez d’atteindre, mais les spécifications de résolution des capteurs peuvent être trompeuses. La bande passante, l’unité de mesure et d’autres informations doivent être incluses dans la spécification de résolution afin de prédire la plus petite mesure que vous pourrez effectuer dans votre application spécifique.

Résolution et bande passante

La bande passante (réponse en fréquence) indique comment les capteurs répondent à différentes fréquences. Des capteurs de largeur de bande plus élevés peuvent mesurer un mouvement et une vibration de fréquence plus élevés. Le bruit électrique est généralement à large bande, ce qui signifie qu’il contient un large éventail de fréquences. Un filtre passe-bas réduira ou éliminera le bruit haute fréquence tout en réduisant la bande passante du capteur. Les signaux filtrés passe-bas ont moins de bruit et donc une meilleure résolution, mais au détriment de la bande passante utilisable. En raison du niveau de bruit plus bas, vous pourrez voir des déplacements plus petits avec un filtrage passe-bas, mais vous ne pourrez pas détecter avec précision les déplacements se produisant à des fréquences de 100 Hz ou plus. C’est pourquoi une spécification de résolution en dehors d’une spécification de bande passante n’est pas entièrement utile. Vous devez savoir si la spécification de résolution se maintient à la fréquence à laquelle vous devez effectuer votre mesure. Même si un capteur peut avoir une spécification générale de largeur de bande de 1 kHz ou plus, la résolution peut avoir été spécifiée à 100 Hz ou moins, mais la fiche technique peut ne pas indiquer clairement cela. Ne présumez pas que la spécification de largeur de bande et la spécification de résolution de largeur d’un capteur peuvent être obtenues simultanément.

Certains fabricants fournissent deux spécifications de résolution: Statique et Dynamique. La spécification statique s’applique uniquement lorsque la sortie du capteur est filtrée par passe-bas pour une bande passante très faible, parfois aussi faible que 10 Hz. Ceci est utile si vous utilisez le capteur avec un filtre de bande passante équivalent pour mesurer les systèmes à déplacement lent. La spécification dynamique est habituellement pour un capteur non filtré; C’est la résolution que vous pouvez attendre lors de l’utilisation du capteur à la bande passante totale dans les applications dynamiques à grande vitesse. Si la fiche technique utilise les termes Statique et Dynamique, recherchez une note qui définit exactement quelles sont les fréquences représentées par Static et Dynamic. Jusqu’à ce que vous ayez des fréquences réelles, vous ne saurez pas si le capteur est un bon choix pour votre application. Les autres fabricants listent la résolution à des largeurs de bande spécifiques, en supprimant tout travail de devinette.

Où se trouve le filtre?
Les modèles de filtre passe-bas commercialement disponibles dépendent eux-mêmes de nombreux paramètres en plus de la fréquence de coupure. Les résultats sont que deux filtres de 1kHz différents peuvent produire des résultats différentslorsqu’ils sont utilisés avec votre capteur. Lorsque la résolution du capteur est signalée pour les bandes passantes inférieures, il est essentiel que vous sachiez si le filtre utilisé dans la mesure de la résolution fait partie intégrante du capteur. Si le filtre à bande passante fait partie intégrante du capteur, vous pouvez être sûr que vous obtiendrez la résolution spécifiée. Si le fabricant a utilisé un filtre externe pour générer la spécification, comme une option de limite de bande passante sur un système d’acquisition de données ou un oscilloscope, vous devriez acquérir un filtre identique pour être assuré des mêmes résultats.

Unités de mesure
Une spécification de résolution peut être donnée en volts, en pourcentage de l’échelle complète ou en unités dimensionnelles. Peut-être le plus significatif pour l’ingénieur essayant de mesurer la position / le déplacement est des unités dimensionnelles. Une spécification d’unité dimensionnelle, telle que des nanomètres, indiquera clairement la plus petite mesure de déplacement que vous pouvez espérer avec fiabilité avec le capteur. Si la spécification est donnée en pourcentage, cette valeur doit être multipliée par la plage du capteur pour déterminer la plus petite mesure de déplacement possible. Si la spécification est donnée en tant que tension, la valeur devra être multipliée par la sensibilité du capteur (unités de déplacement / changement de tension) pour déterminer la plus petite mesure de déplacement possible. Une fois que vous connaissez la résolution du capteur dans les unités dimensionnelles, il est essentiel que vous déterminez si la spécification représente une valeur RMS ou Peak-to-Peak.

La distinction entre RMS (carré de la racine) et Peak-to-Peak (parfois appelée par le nom équivalent Peak-to-Valley) est d’une importance cruciale pour comprendre la performance absolue du capteur. Les méthodes analogiques de mesure de ces valeurs incluent des compteurs spéciaux et l’interprétation visuelle d’un affichage d’oscilloscope. Dans le monde numérisé, ces valeurs sont calculées en capturant un grand nombre d’échantillons de la tension de sortie et en analysant statistiquement les données.

Les mesures RMS des signaux électriques dynamiques indiquent la puissance équivalente d’une source DC. Il est similaire à, mais pas le même, une valeur moyenne. Les valeurs RMS peuvent être déterminées par des compteurs analogiques qui mesurent la puissance du signal et l’associent à une tension continue produisant la même puissance. Lorsqu’il est numérisé et analysé statistiquement, la valeur RMS est égale à l’écart type des échantillons capturés.

RMS est la spécification la plus pertinente lors de la mesure de la vibration à large bande.

Peak-to-Peak (PP) est la différence entre les pics maximum et minimum du bruit sur une certaine période de temps. Si le signal est capturé numériquement, les échantillons peuvent être analysés pour trouver les pics maximum et minimum. Si les échantillons créent une distribution parfaitement normale (Gaussienne), la valeur PP peut être estimée à six fois l’écart-type, mais dans la pratique, c’est rarement le cas. Les signaux de bruit sont rarement très bien comportés et contiennent généralement des pics parasites qui créent une valeur réelle de PP bien supérieure à six fois l’écart-type. Cela signifie que les valeurs de résolution spécifiées par leur plage PP doivent être au moins six fois supérieures aux valeurs RMS et sont généralement considérablement supérieures à celles-ci.

La valeur PP est la spécification la plus appropriée si vous essayez de déterminer en permanence la position instantanée de votre cible. À tout moment, la sortie du capteur peut varier d’un montant égal à la spécification de résolution PP; Par conséquent, votre mesure de position peut varier de ce même montant.

Fiches de données de lecture
Pour bien comprendre la résolution du capteur que vous envisagez, vous devez identifier de manière définitive ces paramètres dans la spécification:

Une (des) spécification (s) de résolution
Bande passante à laquelle la résolution indiquée est obtenue
Si des filtres à bande passante font partie intégrante du capteur
Unité et type (PP ou RMS) de mesure de la spécification de résolution
La plupart des fiches de données des capteurs énumèrent une spécification de résolution, mais ils peuvent ne pas fournir toutes les informations nécessaires pour bien comprendre la résolution réelle que vous aurez dans votre application. La résolution peut être listée comme une spécification unique qui s’applique à toutes les plages d’un modèle particulier, ou il peut y avoir des spécifications de résolution distinctes pour chaque combinaison sonde / gamme. La fiche technique inclura probablement une spécification de bande passante pour le capteur, mais elle peut ou non indiquer clairement la bande passante à laquelle la résolution a été spécifiée; la bande passante de résolution peut être recherchée dans des notes de bas de page ou d’autres imprimés minuscules. Si la bande passante n’est pas répertoriée, vous devrez vérifier auprès du fabricant que la spécification de résolution s’applique à la bande passante totale du système. Si les informations de résolution sont disponibles sur plusieurs bandes passantes, il peut être difficile de déterminer si les filtres de bande passante font partie intégrante du capteur. Si le capteur est répertorié comme disponible dans plusieurs configurations de bande passante, les filtres sont susceptibles d’être intégrés et la spécification de résolution s’appliquera au capteur que vous recevrez. Si l’on ne mentionne pas la capacité du capteur à configurer à différentes largeurs de bande, vous devrez demander au fabricant comment les autres largeurs de bande ont été réalisées lorsque la résolution a été spécifiée.

Étant donné que les spécifications de résolution RMS sont toujours nettement inférieures à celles du PP, la plupart des fiches techniques énuméreront la résolution en tant que valeur RMS. Si vous mesurez la position instantanée continue, vous devrez connaître la résolution PP. La fiche technique peut énumérer les valeurs RMS et PP, ou un multiplicateur pour convertir la valeur RMS en PP. Si aucune valeur PP ou multiplicateur n’est répertorié, vous devrez contacter le fabricant; En attendant, vous pouvez supposer que la valeur PP est au moins six fois plus élevée et souvent plus près de dix fois plus élevée.

En tant qu’ingénieur, vous avez éprouvé la douleur de découvrir à mi-processus qu’un composant de votre système ne fonctionne pas comme vous l’aviez prévu. En comprenant la résolution du capteur, sa relation avec la bande passante et les différentes unités de mesure, vous pouvez maintenant prendre des décisions sûres sur vos capteurs de déplacement.