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

Intro
En tant que concepteur de machines ou ingénieur, vous devez constamment spécifier des capteurs à utiliser dans vos conceptions. Au cours de votre recherche, vous êtes confronté à un éventail de spécifications de produits sur lesquelles vous devez compter pour sélectionner le capteur avec le bon rapport qualité-prix. 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 souvent mal comprises et mal définies. La résolution est une spécification importante, car sans une résolution suffisante, il se peut que vous ne soyez pas en mesure d’effectuer de manière fiable la mesure nécessaire, et un capteur trop performant va grever 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 utilisées par le fabricant du capteur. Une “spécification de résolution” simple dans une fiche technique fournit rarement suffisamment d’informations pour une sélection de capteur entièrement informée. Comprendre cette spécification importante vous permettra de choisir avec plus de confiance le bon capteur de déplacement.

Les bases
Essentiellement, la résolution est la plus petite mesure qu’un capteur peut indiquer de manière fiable. Avant d’en discuter en détail, il est important de comprendre ce que la résolution n’est pas . Ce n’est pas la précision. Un capteur très imprécis peut avoir une très haute résolution, et un capteur à 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 significatif dans une conversion entre les mondes numérique et analogique. Les dispositifs numériques ont une spécification de résolution basée sur le chiffre / bit le moins significatif, et s’ils sont insuffisants, peuvent dégrader davantage 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 de capteurs est avant tout une lutte contre le bruit électrique.

Le bruit électrique dans la sortie d’un capteur est le principal facteur limitant sa plus petite mesure possible. Tous les composants électroniques produisent de petits changements aléatoires dans les potentiels de tension qui se combinent à travers le 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 qui essaie de détecter de très petits changements de tension. Par exemple, le bruit électrique provoque le grain de l’image dans les télescopes utilisant des détecteurs CCD. Les utilisateurs ne peuvent pas voir de petits objets éloignés si les objets ont la même taille que les grains induits par le bruit. Certains télescopes de haute technologie utilisent des CCD surfondus parce que des températures extrêmement basses éliminent presque complètement le mouvement aléatoire des charges dans le CCD, réduisant ainsi le bruit électrique à presque 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 celui-ci: votre mesure d’un déplacement de 1μm sera perdue si le capteur a 10μm de bruit dans la sortie. Il est essentiel que la résolution de votre capteur sélectionné soit considérablement inférieure à la plus petite mesure que vous essayez d’obtenir, mais les spécifications de résolution du capteur 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 faire dans votre application spécifique.

Résolution et bande passante

La bande passante (réponse en fréquence) indique comment les capteurs répondent à différentes fréquences. Des capteurs à bande passante plus élevée peuvent mesurer des mouvements et des vibrations à haute fréquence. Le bruit électrique est généralement à large bande, ce qui signifie qu’il contient un large spectre de fréquences. Un filtre passe-bas réduit ou élimine 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 faible, vous pourriez voir des déplacements plus petits avec un filtrage passe-bas, mais vous ne seriez pas capable de détecter précisément 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 de bande passante générale de 1 kHz ou plus, la résolution peut avoir été spécifiée à 100 Hz ou moins, mais la fiche technique peut ne pas l’indiquer clairement. Ne supposez pas que la spécification de bande passante générale et la spécification de résolution 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 passe-bas pour une bande passante très faible, parfois aussi basse que 10Hz. Ceci est utile si vous utilisez le capteur avec un filtre de bande passante équivalente pour mesurer les systèmes lents. La spécification dynamique est généralement pour un capteur non filtré; C’est la résolution à laquelle vous pouvez vous attendre lorsque vous utilisez le capteur à pleine bande passante dans des applications dynamiques à grande vitesse. Si la feuille de données utilise des termes statiques et dynamiques, recherchez une note définissant exactement les fréquences représentées par Statique et Dynamique. Jusqu’à ce que vous ayez des fréquences réelles, vous ne saurez pas si le capteur est un bon choix pour votre application. D’autres fabricants listent la résolution à des largeurs de bande spécifiques, supprimant tout travail de conjecture.

Où est le filtre?
Les conceptions de filtre passe-bas disponibles dans le commerce dépendent elles-mêmes de nombreux paramètres en plus de la fréquence de coupure. Le résultat est que deux filtres 1kHz différents peuvent produire des résultats différents lorsqu’ils sont utilisés avec votre capteur. Lorsque la résolutiondu capteur est signalée pour des bandes passantes plus faibles, il est essentiel que vous sachiez si le filtre utilisé dans la mesure de la résolution fait partie intégrante du capteur. Si le filtre de bande passante fait partie intégrante du capteur, vous pouvez être sûr que vous atteindrez la résolution spécifiée. Si le fabricant utilisait 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, alors vous auriez à 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 pleine échelle ou en unités dimensionnelles. Le plus significatif pour l’ingénieur qui essaie de mesurer la position / le déplacement est peut-être celui des unités dimensionnelles. Une spécification d’unité dimensionnelle, telle que des nanomètres, indiquera clairement la plus petite mesure de déplacement que vous pouvez espérer réaliser avec le capteur. Si la spécification est donnée en pourcentage, cette valeur doit être multipliée par la plage du capteur pour déterminer la mesure de déplacement la plus petite possible. Si la spécification est donnée en tant que tension, alors la valeur devra être multipliée par la sensibilité du capteur (unités de déplacement / changement de tension) pour déterminer la mesure de déplacement la plus petite possible. Une fois que vous connaissez la résolution du capteur en unités dimensionnelles, il est essentiel de déterminer si la spécification représente une valeur RMS ou Peak-to-Peak.

La distinction entre RMS (Root Mean Square) et Peak-to-Peak (parfois appelée par le nom équivalent Peak-to-Valley) est d’une importance critique pour comprendre la performance absolue du capteur. Les méthodes analogiques de mesure de ces valeurs comprennent 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 les données statistiquement.

Les mesures RMS des signaux électriques dynamiques indiquent la puissance équivalente d’une source CC. Il est similaire à, mais pas identique, à une valeur moyenne. Les valeurs efficaces peuvent être déterminées par des compteurs analogiques qui mesurent la puissance du signal et l’assimilent à une tension continue qui produirait la même puissance. Lorsqu’elle est numérisée et analysée statistiquement, la valeur RMS est égale à l’écart-type des échantillons capturés.

RMS est la spécification la plus pertinente pour mesurer les vibrations 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 si bien comportés et contiennent généralement des pics parasites qui créent une valeur réelle de PP beaucoup plus élevée que 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 plus élevées.

La valeur PP est la spécification la plus appropriée si vous essayez de déterminer en continu la position instantanée de votre cible. A tout moment, la sortie du capteur peut varier d’une quantité égale à la spécification de résolution PP; par conséquent, votre mesure de position peut varier du même montant.

Lecture de fiches techniques
Pour bien comprendre la résolution du capteur que vous envisagez, vous devez impérativement identifier ces paramètres dans la spécification:

Une spécification de résolution (s)
Bande passante à laquelle la résolution indiquée est obtenue
Si des filtres de bande passante sont intégrés au capteur
Unité et type (PP ou RMS) de mesure de la spécification de résolution
La plupart des fiches de données de capteurs répertorient une spécification de résolution, mais elles ne fournissent pas nécessairement toutes les informations requises pour bien comprendre la résolution réelle que vous aurez dans votre application. La résolution peut être répertoriée en tant que spécification unique s’appliquant à toutes les plages pour un modèle particulier, ou il peut exister des spécifications de résolution distinctes pour chaque combinaison sonde / plage. 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 devoir être recherchée dans des notes de bas de page ou d’autres petits caractères. 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 complète 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 étant 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 aucune mention n’est faite de la capacité du capteur à être configuré à différentes largeurs de bande, vous devrez demander au fabricant comment les autres bandes passantes ont été obtenues lorsque la résolution a été spécifiée.

Étant donné que les spécifications de résolution RMS sont toujours significativement inférieures à celles de PP, la plupart des fiches signalétiques répertorient la résolution en tant que valeur RMS. Si vous mesurez une position instantanée continue, vous devez connaître la résolution PP. La fiche technique peut énumérer à la fois 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 proche de dix fois plus élevée.

En tant qu’ingénieur, vous avez éprouvé la douleur de découvrir en cours de processus qu’un composant de votre système ne fonctionne pas comme 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 en toute confiance concernant vos capteurs de déplacement.

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