November 25, 2016 by Jonathan Lance

Retour à l'essentiel : Capteurs et signaux (1ère partie)

Capteurs et signaux : par où commencer ? Un capteur est un dispositif qui répond à un stimulus d'entrée et fournit une sortie relative à l'entrée. Le stimulus est tout ce qui doit être mesuré, qu'il s'agisse de détecter les simples pressions sur les touches qui vous ont permis de trouver cet article sur Internet ou de détecter le mouvement précis de votre souris pour que vous puissiez cliquer sur le lien de l'article. Les capteurs fournissent généralement une sortie analogique, telle qu'une tension, un courant ou une résistance, qui est ensuite convertie par des circuits électroniques supplémentaires en une valeur numérique, qui peut être interprétée et manipulée par un processeur ou un microcontrôleur.

Une carrière entière pourrait être consacrée à la compréhension d'un type spécifique de capteur. C'est pourquoi la première partie de cette série en deux parties couvrira les bases des capteurs dans lesquels Fredericks s'est spécialisé depuis 80 ans : les capteurs d'inclinaison et de vide, qui se présentent sous différentes formes et utilisent des technologies actives et passives pour mesurer l'inclinaison ou le vide.

  • Ce que vous devez savoir sur les capteurs passifs
    Les capteurs passifs répondent à un stimulus externe généré par une autre source. Prenons l'exemple d'un thermomètre : lorsque la température augmente dans un thermomètre à liquide en verre, le liquide dans le tube se dilate (monte) et lorsque la température diminue, il se contracte (descend). En fonction de la position du fluide, des marques sur le tube indiquent la température. Il s'agit d'un exemple de base qui ne nécessite rien de plus que la vision humaine pour prendre une mesure approximative. Un autre exemple est celui des antennes satellites qui utilisent souvent un capteur d'inclinaison ou un inclinomètre pour pointer dans une direction spécifique et optimiser la puissance du signal émis par un satellite dans l'espace.
  • Ce que vous devez savoir sur les capteurs actifs
    À l'inverse, les capteurs actifs fournissent un stimulus qui interagit avec le monde extérieur et qui est ensuite détecté par le capteur. Un excellent exemple de capteur actif est un servo-inclinomètre/accéléromètre à force équilibrée. Ce dispositif génère une force correspondant à la force gravitationnelle qui agit sur lui - qui varie lorsque le dispositif se déplace ou s'incline - puis mesure la quantité de force utilisée pour contrer la gravité et la convertit en un angle ou une accélération. Un autre exemple plus courant de capteur actif est celui d'un appareil photo de nuit. Un appareil photo génère un flash ; le capteur de l'appareil photo capte la lumière réfléchie et, enfin, la convertit en une image.
  • Comprendre les quatre propriétés clés des signaux
    En termes simples, un signal est ce qui est généré par un capteur. Il contient des informations sur ce qui est mesuré, qui peuvent ensuite être converties en une valeur utilisable par la personne ou le système qui lit le capteur. Les signaux émis par un capteur peuvent être mesurés ou échantillonnés et ces mesures présentent de nombreuses caractéristiques. Parmi les plus importantes, citons :

    • Résolution : La résolution est la plus petite variation du stimulus d'entrée qui peut être détectée par votre capteur. La description la plus simple est celle d'un convertisseur analogique-numérique : disons que vous avez un capteur d'inclinaison linéaire idéal de ±10° (plage de 20°) avec une sortie de 0 à 5 V CC, qui est lue par un CAN de 10 bits (1024 comptes) référencé à 5 V CC. Cela signifie que votre lecture a une résolution de 1024/5 = ~205 comptes/V et une sensibilité maximale de 5/20 = 0,25 V/° qui, combinées, donnent à votre mesure une résolution maximale de ~51 comptes/°. Cette valeur peut ensuite être inversée, en la convertissant en degrés, ce qui donne au capteur une résolution de 0,02°/compte.
    • Sensibilité : Il s'agit de la quantité de changement dans la sortie d'un capteur en réponse à un changement dans le stimulus d'entrée - en termes simples, c'est la pente ou le gain de la sortie du capteur. Pour reprendre le même exemple que ci-dessus, vous avez un capteur d'inclinaison linéaire idéal de ±10° (plage de 20°) avec une sortie de 0 à 5 V CC. Cela signifie que la sensibilité (pente) de la sortie est de 5/20 = 0,25 V/°. Le suréchantillonnage est une technique importante couramment utilisée pour améliorer la résolution et la sensibilité. Un exemple courant concerne l'utilisation d'un microcontrôleur pour échantillonner un capteur. De nombreux microcontrôleurs à bas prix contiennent un CAN de 10 bits, qui n'a pas une résolution suffisante (seulement 1024 bits) pour de nombreuses applications - cependant, il est possible de prendre des échantillons supplémentaires et d'en faire la moyenne pour créer un échantillon de plus haute résolution. Pour tout échantillon, afin d'augmenter le nombre de bits de X à Y, un total de 4 Y-X doitêtre échantillonné et moyenné. Ainsi, pour un CAN 10 bits, si vous voulez suréchantillonner pour générer un échantillon 16 bits précis, vous devez prendre 4 16-10 =46 = 4096 échantillons et en faire la moyenne (les additionner et les diviser par le nombre total d'échantillons).
    • Précision, répétabilité et reproductibilité : Lorsque le même stimulus d'entrée d'un capteur est échantillonné de nombreuses fois, un capteur idéal devrait émettre la même valeur pour chaque échantillon. Aucun capteur n'est idéal dans la mesure où chaque échantillon présente une certaine variation par rapport à la valeur réelle. Prenons l'exemple d'un capteur d'inclinaison rempli de fluide électrolytique : disons que vous effectuez une lecture du capteur et qu'il indique que la position angulaire est de 0,00° ; le capteur subit ensuite un mouvement dynamique et revient à sa position initiale de 0,00°, mais cette fois, lorsque nous effectuons une lecture, il indique une position angulaire de 0,01° d'inclinaison. Cela s'explique par l'interaction mécanique et physique entre le fluide et les électrodes de mesure, qui entraîne une légère variation du signal de sortie à la même position. Si nous faisions cela plusieurs fois, nous pourrions constater que la sortie varie entre -0,01° et 0,01°, ce qui rend la précision du capteur d'inclinaison de ±0,01°.
    • Précision : La précision indique dans quelle mesure un échantillon donné d'un capteur sera proche de la valeur réelle du stimulus d'entrée. Elle combine les erreurs liées à la résolution, la sensibilité, la précision et d'autres caractéristiques de la sortie d'un capteur. Notez qu'il est possible pour un capteur d'être très précis, tout en étant très imprécis en raison, par exemple, d'une non-linéarité importante de sa sortie.

Restez à l'écoute pour la deuxième partie de cette série, où nous nous plongerons davantage dans les capteurs et les signaux, y compris les caractéristiques de sortie, la linéarité, la compensation et le filtrage logiciel !

 

Pour plus d'informations sur les capteurs et les signaux, contactez-nous dès aujourd'hui.

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