Caractéristiques et Technologie des Inclinomètres

Les inclinomètres, parfois appelés clinomètres, ont pour objectif de mesurer l'angle entre l'axe d'un objet et l'axe de la gravité terrestre. Un des exemples le plus classique et le niveau à bulle. Les inclinomètres électroniques mesurent ces angles de manière extrêmement précise et transmettent ces valeurs via l'interface approprié.

Les inclinomètres mesurent l'angle en question grâce à un accéléromètre, qui mesure les effets de la gravité sur une faible masse mise en suspension dans une structure élastique la supportant. Lorsqu'il y a inclinaison du capteur, cette masse se déplace légèrement entraînant un changement de la capacité électrique entre la masse et la structure la supportant. L'angle d'inclinaison est calculé par rapport à ce changement de capacité.

Note : MEMS signifie Micro-Electro-Mechanical Systems

Figure 1: Principe du capteur MEMS

Masse en suspension
Électrodes mobiles
Ressorts
Électrodes fixes

Le fonctionnement peut être illustré avec un modèle simplifié comportant deux électrodes : une fixe par rapport au référentiel, l'autre solidaire de la masse mobile, supportée par les ressorts (voir Figure 1).

• Lorsque l'inclinomètre est en position horizontale (Figure 2.1), la capacité entre les électrodes est mesurée et prise comme référence.
• Lorsque l'inclinomètre s'incline (Figure 2.2), la masse mobile et ses électrodes changent alors de position relativement aux électrodes fixes. Il en résulte un changement dans la valeur de la capacité entre les deux électrodes, dont la mesure permet de calculer l'angle d'inclinaison.

Figure 2 : Position du capteur MEMS

Capteur MEMS en position horizontale
Capteur MEMS incliné

Cette technologie a fait ses preuves dans bien des industries et applications. On la retrouve par exemple dans les téléphones et les airbags automobiles. Mais ces applications ne nécessitent en général pas des capteurs de haute précision (de l'ordre du degré °). À la différence des capteurs grand public, les capteurs MEMS utilisés par POSITAL pour sa gamme d'inclinomètres TILTIX intègrent des électrodes de précision afin d'améliorer la résolution et la précision de mesure.

Pour la gamme d'inclinomètres TILTIX destinée aux applications statiques ou quasi-statiques, la masse mobile utilisée dans le capteur MEMS est amortie de manière à d'amener la sensibilité du capteur au-dessus de 29 Hz.

Lorsqu'il y a présence de vibrations et chocs importants, l'amortissement employé dans les inclinomètres statiques ne suffit plus à éliminer les perturbations du signal. Les filtres électroniques disponibles sur la gamme TILTIX, peuvent aider mais seulement dans une certaine mesure, à lisser le signal. Il faut ajouter à cela que leur utilisation augmente sensiblement le temps de réponse du capteur.

Dans le cas de mouvements dynamiques présentant des périodes d'accélérations intenses, POSITAL a développé une gamme d'inclinomètre TILTIX Dynamique. Ils utilisent une technologie différente, sans amortissement afin de ne pas avoir à sacrifier la stabilité pour le temps de réponse.

Dès lors qu'une application présente des mouvements rapides et brusques, il devient important d'avoir en sa possession un capteur avec un faible temps de réponse et un signal de sortie propore et lisible.

Les inclinomètres dynamiques de POSITAL combinent deux principes de mesure différents utilisant deux capteurs MEMS distincts : un capteur d'accélération 3D et un gyroscope 3D. Comme déjà expliqué, le capteur d'accélération 3D n'est pas amorti, à la différence de la technologie statique, ce qui lui permet de suivre les mouvements rapides. Dans le même temps, le gyroscope 3D mesure la vitesse de rotation grâce au principe d'inertie. Les deux mesures sont associées afin d'obtenir une mesure de l'inclinaison qui compense parfaitement les effets de l'accélération.

En conséquence, nos inclinomètres dynamiques TILTIX peuvent être utilisés de manière fiable sur les équipements mobiles tels que machines de construction, de forage, les grues ou les bras articulés des robots.

La graphique ci-dessous montre une comparaison entre un inclinomètre dynamique et un statique plus standard, soumis au même mouvement incluant chocs et vibrations :

L'accéléromètre mesure l'angle d'inclinaison tandis que le gyroscope détermine le niveau de rotation. Les accélérations ont un immense impact sur les capteurs mais un beaucoup plus faible sur les mesures de rotation du gyroscope. Un algorithme innovant combine les deux mesures afin d'obtenir le meilleur de chacun des capteurs. De cette manière l'appareil est capable de différentier la valeur de position réelle des erreurs induites par les effets de l'accélération.

La gamme d'inclinaison TILTIX propose des produits selon deux variantes :

1. Un capteur double-axe destiné au montage horizontal. Cette version possède deux sorties : une pour l'axe X et une pour l'axe Y. Chacune des sorties donne l'angle d'inclinaison de l'axe par rapport à la gravité.

2. Un capteur monoaxe qui mesure l'angle d'inclinaison destiné au montage vertical, avec une seule sortie.

Le but principal des inclinomètres dynamiques est de fournir des données stables et lisses sans besoin de configuration en amont. Néanmoins, dans le cas d'un interface CANopen, il est aussi possible de configurer en sortie les forces d'accélération et de rotation qui s'appliquent au capteur de manières séparées pour chacun des trois axes. Ces mesures sont stockées dans les objets CANopen.

Le contrôle des forces d'accélaration selon un ou plusieurs axes peut permettre d'implémenter des fonctionnalités additionnelles ou fonctions de sécurité du point de vue contrôleur. Il pourrait alors arrêter la machine lorsqu'un certain niveau d'accélération est atteint. Si l'on ajoute à cela l'information sur la rotation de l'axe X, il devient alors possible de mesurer et contrôler la machine en rotation horizontale. Bien évidemment, ces fonctionnalités restent à l'initiative du constructeur.

Un micro-contrôleur hautes performances est utilisé pour calculer le signal en sortie du capteur en temps réel et corriger l'angle d'inclinaison. Des capteurs s'attachent aussi à surveiller la température afin de fournir les algorithmes de compensation en données et de produire une valeur précise. Des algorithmes de réduction du bruit atténuent l'effet de l'environnement et de ses vibrations dans le but de fournir une courbe de données lisse et stable.

Les facteurs pouvant aboutir à une perte de la linéarité des capteurs MEMS sont identifiés grâce à une série de mesures de référence durant la production. Ces facteurs sont gardés en mémoire en tant que données de calibration, dans le capteur. En fonctionnement, elles sont utilisées afin de corriger les données brutes et affiner la linéarisation de l'angle.

D'autres paramètres de customisation peuvent être ajouté par l'utilisateur, tels qu'une origine décalée ou un facteur d'agrandissement sur le signal (dans le cas d'un signal analogique).

Grâce aux avancées dans les techniques de fabrication de MEMS, ces capteurs font maintenant partie du marché de production de masse et présentent maintenant un rapport qualité/prix très intéressant. Le composant de base des inclinomètres TILTIX est la puce MEMS.

Temps de cycle du capteur : Il s'agit du temps de cycle interne du capteur. Une période de 5 ms signifie que la position est évaluée toutes les 5 ms.

Temps de cycle de l'interface : Il s'agit de la fréquence de transmission des données via l'interface de communication. À la différence du cycle capteur, cette valeur de la période peut être ajustée par l'utilisateur.

Précision absolue : Il s'agit de la différence entre la mesure et la position réelle, dans le pire des cas de figure.

Erreur à l'origine : Lorsque le capteur se situe au zéro physique, il transmettra néanmoins une information indiquant un léger angle. On le nomme offset error en anglais.

Précision dynamique : Cette valeur est déterminée de la même manière que la précision absolue, à la différence que le système est soumis à des vibrations et forces externes. La précision dynamiqu est déterminée en laboratoire grâce à des équipements simulant les conditions environnementales des machines mobiles. Cette valeur sert de référence. Il est cependant recommandé d'en évaluer le comportement dynamique sur votre propre machine car les contraintes y attenant peuvent varier. Les tests en laboratoire ont été effectués des manières suivantes :

• Accélérations linéaires : le capteur est soumis à une accélération selon un axe, de 10 m/s² pendant 1s.
• Vibrations : Différentes fréquences de vibration allant de 1 à 1000 Hz avec une force de 1g.

Résolution : Il s'agit de la plus petite subdivision perceptible par le capteur.

Hystérésis : La définition de l'hystérésis (mémoire en grec) dit que la valeur en sortie ne dépend pas uniquement de la position réelle mais aussi des valeurs précédentes. Dans le cas d'un inclinomètre, cela signifie que la mesure de l'inclinaison est influencée par les positions passées. On remarquera donc une légère différence selon que l'inclinomètre se déplace de 0° à 10° ou de 20° à 10°.

Gradient de température : Cette valeur représente la différence de mesure de l'angle lorsqu'il y a changement de température. Même si le capteur se trouve au repos, s'il y a modification de la température, il y aura modification de la mesure de l'angle.

Temps d'ajustement : Il s'agit d'une valeur décrivant le comportement dynamique du système. Il définit le temps nécessaire au capteur pour fournir une valeur se situant dans une marge d'erreur de 5%.