Spécifications de résolution et effets sur les performances

NOTE TECHNIQUE LT05-0010

TechNote générale du capteur LT05-0010

This article est également publié dans Machine Design Magazine.

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Récapitulatif

La TechNote décrit en détail les facteurs importants dans l'interprétation des spécifications de résolution de déplacement trouvées dans la plupart des fiches techniques des capteurs - un nombre souvent mal interprété.

Introduction

En tant que concepteur de machines ou ingénieur, vous devez continuellement 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 est l’une des descriptions de performance les plus souvent mal comprises et mal définies.

La résolution est une spécification importante car sans résolution suffisante, il est possible que vous ne puissiez pas effectuer la mesure nécessaire de manière fiable, et un capteur trop performant alourdira votre budget. La résolution n'a de sens que dans le contexte de la bande passante du système, de l'application, de la méthode de mesure et de l'unité de mesure utilisées par le fabricant du capteur. Une simple “spécification de résolution” dans une fiche technique fournit rarement suffisamment d'informations pour une sélection de capteur parfaitement informée. La compréhension de cette spécification importante vous permettra de choisir en toute confiance le bon capteur de déplacement.

La résolution du capteur ne concerne pas les «bits»

La résolution est essentiellement la plus petite mesure qu'un capteur puisse indiquer de manière fiable. Avant d’aborder cette question en détail, il est important de comprendre ce que la résolution n’est pas; ce n'est pas le chiffre le moins significatif d'un affichage ni le bit le moins significatif d'une conversion entre le monde numérique et le monde analogique. Les appareils numériques ont une spécification de résolution basée sur le bit le moins significatif et, s’ils sont insuffisants, peut dégrader davantage la résolution globale du capteur. 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 principalement une lutte contre le bruit électrique.

La résolution n'est pas non plus la précision. Un capteur imprécis peut avoir une résolution élevée et un capteur basse résolution peut être précis dans certaines applications.

Graphique

Figure 1.
Bruit électrique dans la tension de sortie du capteur

Le bruit électrique dans la sortie d'un capteur est le principal facteur limitant la mesure la plus petite possible. Tous les composants électroniques produisent de faibles variations aléatoires des potentiels de tension qui se combinent dans tout le circuit et apparaissent comme une bande de bruit lorsqu'elles sont visualisées avec un oscilloscope (Fig. 1). Le bruit électrique est un facteur dans tout système électronique essayant de détecter de petites variations de tension. Par exemple, le bruit électrique provoque une granulation de l'image dans les télescopes utilisant des détecteurs CCD. Les utilisateurs ne peuvent pas voir de petits objets distants s'ils ont la même taille que les grains induits par le bruit. Certains télescopes de haute technologie utilisent des capteurs CCD en surfusion, car les températures extrêmement basses éliminent presque le mouvement aléatoire des charges dans le capteur CCD, réduisant ainsi le bruit électrique à près de zéro. Avec peu de bruit, les petits objets sont maintenant visibles. Pour vous, ingénieur qui spécifie un capteur de déplacement / de position, le problème essentiel est le suivant: votre mesure d’un déplacement 1µm sera perdue si le capteur a 10µm de bruit en sortie. Il est essentiel que la résolution du capteur que vous avez sélectionné soit considérablement inférieure à la plus petite mesure que vous essayez d’atteindre, 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 prévoir la plus petite mesure que vous pourrez effectuer dans votre application spécifique.

Résolution du capteur et largeur de bande

Résolution du capteur et largeur de bande

Figure 2
Bruit d'un capteur avec une largeur de bande 15kHz

La largeur de bande (réponse en fréquence) indique comment les capteurs répondent à différentes fréquences. Les capteurs à bande passante plus élevée peuvent mesurer les mouvements et les vibrations à des fréquences plus élevées. Le bruit électrique est généralement large bande, ce qui signifie qu'il contient un large spectre 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.La figure 2 montre le bruit d'un capteur avec une largeur de bande 15kHz et la figure 3 montre la même sortie de capteur avec un filtre passe-bas 100Hz. En raison du niveau de bruit plus bas, vous pourriez voir des déplacements plus petits avec le filtrage passe-bas, mais vous ne pourriez pas détecter avec précision les déplacements se produisant à des fréquences égales ou supérieures à 100Hz. C'est pourquoi une spécification de résolution autre qu'une spécification de bande passante n'est pas entièrement utile. Vous devez savoir si la spécification de résolution sera conforme à la fréquence à laquelle vous devez effectuer votre mesure. Même si un capteur peut avoir une spécification de bande passante générale de 1kHz ou supérieure, la résolution peut avoir été spécifiée à 100Hz ou inférieure, mais la fiche technique ne l'indique peut-être pas clairement. Ne présumez pas que la spécification de bande passante générale et la spécification de résolution d'un capteur peuvent être atteintes simultanément.

Résolution du capteur et largeur de bande

Figure3
Bruit d'un capteur avec une largeur de bande 100Hz

Certains fabricants fournissent deux spécifications de résolution: statique et dynamique. La spécification Statique ne s'applique que lorsque la sortie du capteur est filtrée par un filtre passe-bas pour une bande passante réduite, pouvant atteindre parfois 1-10Hz. Cela n’est utile que si vous utilisez le capteur avec un filtre de bande passante équivalent pour mesurer les systèmes à déplacement lent. La spécification dynamique concerne généralement 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 haute vitesse. Si la feuille de données utilise des termes statiques et dynamiques, recherchez une note qui définit exactement les fréquences représentées par statique et dynamique. Tant que vous n’avez pas les fréquences réelles, vous ne saurez pas si le capteur est un bon choix pour votre application.. Lion Precision répertorie la résolution à des largeurs de bande spécifiques, éliminant ainsi toute tâche aléatoire.

Où est le filtre pour la résolution de bande passante faible?

Certains fabricants répertorient les spécifications de bande passante faible pour leurs capteurs, mais ceux-ci ne possèdent pas de filtre intégré pour produire une sortie à bande passante réduite. Souvent, ces spécifications de faible bande passante sont des calculs théoriques. Si vous souhaitez une performance faible bande passante, vous devrez fournir votre propre filtrage.

Lorsque la résolution du capteur est signalée pour des largeurs de bande inférieures, il est essentiel de savoir si le périphérique dispose réellement d'un tel filtre. Si le filtre de bande passante fait partie intégrante du capteur, vous pouvez être sûr d'obtenir la résolution spécifiée. Si le fabricant a utilisé un filtre externe pour générer la spécification ou a simplement calculé un nombre, vous devez connaître tous les paramètres du filtre, pas seulement la fréquence de coupure. Les capteurs Lion Precision comprennent des filtres de bande passante intégrés garantissant que les performances réelles correspondront aux spécifications.

Unités de mesure du capteur

Une spécification de résolution peut être donnée en volts, en pourcentage de la pleine échelle ou en unités dimensionnelles. Les unités dimensionnelles sont peut-être les plus significatives pour l'ingénieur qui tente de mesurer la position / le déplacement. Une spécification d'unité dimensionnelle, telle que des nanomètres, indiquera clairement la plus petite mesure de déplacement que vous pouvez effectuer de manière fiable 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 sous forme de tension, la valeur devra être multipliée par la sensibilité du capteur (unités de déplacement / variation 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 appelé du même nom Peak-to-Valley) est d'une importance cruciale pour comprendre la performance absolue du capteur. Les méthodes analogiques de mesure de ces valeurs comprennent des compteurs spéciaux et une 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 de manière statistique. 
Les mesures efficaces des signaux électriques dynamiques indiquent la puissance équivalente d'une source CC. Cela ressemble à une valeur moyenne, mais pas la même chose. Les valeurs efficaces peuvent être déterminées par des compteurs analogiques qui mesurent la puissance du signal et l’équilibrent à une tension continue produisant la même puissance. Lorsqu'elle est numérisée et analysée statistiquement, la valeur RMS est égale à l'écart type des échantillons capturés. Le RMS est la spécification la plus pertinente pour mesurer les vibrations à large bande.

Pic à pic (PP) est la différence entre les pics maximum et minimum du bruit sur une période donnée. La figure 3 montre le niveau de bruit PP de 2.4mV sur une seconde. 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 de 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 aussi bien comportés et contiennent généralement des pics parasites qui créent une valeur de PP réelle bien supérieure à six fois l’écart type. Cela signifie queles valeurs de résolution spécifiées par leur plage PP doivent être au moins six fois supérieures aux valeurs RMS et sont généralement considérablement plus élevées que cela. La valeur PP 2.4mV de la figure 3 se traduit par 0.29mV RMS; la valeur PP est plus de huit fois supérieure à la valeur RMS dans ce cas.
La valeur PP est la spécification la plus appropriée si vous essayez de déterminer en permanence la position instantanée de votre cible. A tout moment, la sortie du capteur peut varier d'une valeur 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 identifier de manière concluante ces paramètres dans la spécification:
• une spécification de résolution
• Bande passante à laquelle la résolution indiquée est obtenue
• Si des filtres de 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 de capteurs contiennent une spécification de résolution, mais elles peuvent ne pas fournir toutes les informations nécessaires pour comprendre parfaitement la résolution réelle de votre application. La résolution peut être répertoriée comme une seule spécification qui s'applique à toutes les gammes d'un modèle particulier, ou il peut y avoir 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 indiquer ou non clairement la bande passante à laquelle la résolution a été spécifiée. la largeur de bande de résolution devra peut-être être recherchée dans les notes de bas de page ou autres petits caractères. Si la bande passante ne figure pas dans la liste, vous devrez vérifier auprès du fabricant que la spécification de résolution s'applique à toute la bande passante du système. Si les informations de résolution sont disponibles sur plusieurs largeurs de bande, il peut être difficile de déterminer si les filtres de largeur de bande font partie intégrante du capteur. Si le capteur est répertorié comme étant disponible dans plusieurs configurations de bande passante, les filtres sont susceptibles de faire partie intégrante et la spécification de résolution s'appliquera au capteur que vous recevrez. S'il n'est pas fait mention de la capacité du capteur à être configuré pour différentes largeurs de bande, vous devrez demander au fabricant comment les autres largeurs de bande ont été atteintes lorsque la résolution a été spécifiée.

Les spécifications de résolution RMS étant toujours nettement inférieures à celles de PP, la plupart des feuilles de données indiquent 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 les valeurs RMS et PP, ou un multiplicateur pour convertir la valeur RMS en PP. Si aucune valeur ou multiplicateur PP n'est répertorié, vous devrez contacter le fabricant; pendant ce temps, vous pouvez supposer que la valeur PP est au moins six fois supérieure et généralement plus proche de dix fois supérieure.

S'agit-il d'une «spécification» garantie ou simplement «typique»?

Lisez attentivement les fiches techniques. Certaines «spécifications» ne sont pas garanties et ne sont donc pas du tout des spécifications. Au lieu de cela, ces valeurs seront répertoriées comme «typiques». Cela signifie que le système que vous recevez sera à quelques écarts-types de l'appareil «typique»; il y a de fortes chances que votre résolution ne soit pas aussi bonne que la liste dans la fiche technique.

Les vraies «spécifications» sont des valeurs garanties. Cela signifie que le système que vous recevez aura probablement une résolution légèrement meilleure que la spécification. Les spécifications de résolution LIon Precision sont garanties.

Sauvez-vous un mal de tête

En tant qu’ingénieur, vous avez éprouvé la douleur de découvrir que certains composants de votre système ne fonctionnaient pas comme prévu. En comprenant la résolution des capteurs, ses relations avec la bande passante, les différentes unités de mesure et leur classification dans les feuilles de données, vous pouvez désormais prendre des décisions plus sûres concernant vos capteurs de déplacement.

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