Cinq compétences de conception et indicateurs techniques du capteur

Le nombre de capteurs prolifère à la surface de la Terre et dans l'espace qui nous entoure, fournissant au monde des données. Ces capteurs abordables sont le moteur du développement de l'Internet des objets et de la révolution numérique que connaît notre société. Cependant, la connexion et l'accès aux données issues de ces capteurs ne sont pas toujours simples. Cet article présentera l'indice technique des capteurs, cinq compétences de conception et les entreprises OEM.

Tout d'abord, les indicateurs techniques constituent la base objective pour caractériser les performances d'un produit. Comprendre ces indicateurs facilite le choix et l'utilisation appropriés du produit. Les indicateurs techniques d'un capteur se divisent en indicateurs statiques et dynamiques. Les indicateurs statiques évaluent principalement les performances du capteur en conditions statiques constantes, notamment la résolution, la répétabilité, la sensibilité, la linéarité, l'erreur de retour, le seuil, le fluage et la stabilité. Les indicateurs dynamiques évaluent principalement les performances du capteur en conditions de variation rapide, notamment la réponse en fréquence et la réponse indicielle.

En raison des nombreuses caractéristiques techniques du capteur, les données et la documentation sont présentées sous différents angles, ce qui peut engendrer des interprétations diverses, voire des malentendus et des ambiguïtés. C’est pourquoi nous interprétons ci-dessous les principales caractéristiques techniques du capteur :

1, résolution et résolution :

Définition : La résolution désigne la plus petite variation mesurable qu’un capteur peut détecter. La résolution fait référence au rapport entre la résolution et la valeur de pleine échelle.

Interprétation 1 : La résolution est l’indicateur le plus fondamental d’un capteur. Elle représente sa capacité à distinguer les objets mesurés. Les autres spécifications techniques du capteur sont exprimées en termes de résolution, cette dernière étant l’unité minimale.

Pour les capteurs et instruments à affichage numérique, la résolution détermine le nombre minimal de chiffres à afficher. Par exemple, la résolution d'un pied à coulisse numérique électronique est de 0,01 mm et l'erreur d'affichage est de ±0,02 mm.

Interprétation 2 : La résolution est un nombre absolu avec des unités. Par exemple, la résolution d’un capteur de température est de 0,1 °C, la résolution d’un capteur d’accélération est de 0,1 g, etc.

Interprétation 3 : La résolution est un concept apparenté et très similaire à la résolution, les deux représentant la résolution d'un capteur par rapport à une mesure.

La principale différence réside dans le fait que la résolution est exprimée en pourcentage de la résolution du capteur. Elle est relative et sans dimension. Par exemple, si la résolution d'un capteur de température est de 0,1 °C et sa plage de mesure de 500 °C, sa résolution est de 0,1/500 = 0,02 %.

2. Répétabilité :

Définition : La répétabilité du capteur désigne le degré de différence entre les résultats de mesure lorsque la mesure est répétée plusieurs fois dans la même direction et dans les mêmes conditions. Également appelée erreur de répétition, erreur de reproduction, etc.

Interprétation 1 : La répétabilité d’un capteur correspond au degré de différence entre plusieurs mesures obtenues dans les mêmes conditions. Si les conditions de mesure changent, la comparabilité entre les résultats de mesure disparaît, ce qui ne permet pas d’évaluer la répétabilité.

Interprétation 2 : La répétabilité du capteur représente la dispersion et le caractère aléatoire des résultats de mesure du capteur. Cette dispersion et ce caractère aléatoire sont dus à l’existence inévitable de diverses perturbations aléatoires à l’intérieur et à l’extérieur du capteur, ce qui fait que les résultats de mesure finaux du capteur présentent les caractéristiques de variables aléatoires.

Interprétation 3 : L'écart type de la variable aléatoire peut être utilisé comme une expression quantitative reproductible.

Interprétation 4 : Pour plusieurs mesures répétées, une précision de mesure plus élevée peut être obtenue si la moyenne de toutes les mesures est prise comme résultat final. En effet, l’écart type de la moyenne est significativement inférieur à l’écart type de chaque mesure.

3. Linéarité :

Définition : La linéarité fait référence à l'écart entre la courbe d'entrée et de sortie du capteur et la ligne droite idéale.

Interprétation 1 : La relation idéale entre l'entrée et la sortie du capteur doit être linéaire, et sa courbe d'entrée/sortie doit être une ligne droite (ligne rouge dans la figure ci-dessous).

Cependant, le capteur lui-même présente plus ou moins diverses erreurs, ce qui fait que la courbe d'entrée et de sortie réelle n'est pas une ligne droite idéale, mais une courbe (la courbe verte dans la figure ci-dessous).

La linéarité est le degré de différence entre la courbe caractéristique réelle du capteur et la ligne hors ligne, également appelée non-linéarité ou erreur non linéaire.

Interprétation 2 : Étant donné que la différence entre la courbe caractéristique réelle du capteur et la ligne idéale varie selon les tailles de mesure, on utilise souvent le rapport entre la valeur maximale de cette différence et la valeur sur toute la plage de mesure. De toute évidence, la linéarité est également une grandeur relative.

Interprétation 3 : La courbe idéale du capteur étant inconnue dans la plupart des situations de mesure, il est impossible de l’obtenir. C’est pourquoi on recourt souvent à une méthode de compromis : calculer directement, à partir des résultats de mesure du capteur, la courbe d’ajustement la plus proche de la courbe idéale. Parmi les méthodes de calcul spécifiques, on peut citer la méthode de la courbe aux extrémités, la méthode de la meilleure courbe, la méthode des moindres carrés, etc.

4. Stabilité :

Définition : La stabilité est la capacité d'un capteur à maintenir ses performances sur une période donnée.

Interprétation 1 : La stabilité est le principal indicateur permettant de déterminer si le capteur fonctionne de manière stable dans un intervalle de temps donné. Les facteurs à l’origine de l’instabilité du capteur sont principalement la dérive thermique et la relaxation des contraintes internes. Par conséquent, il est utile d’augmenter la compensation de température et d’appliquer un traitement de vieillissement pour améliorer la stabilité.

Interprétation 2 : La stabilité peut être divisée en stabilité à court terme et stabilité à long terme selon la durée de la période d’observation. Lorsque la durée d’observation est trop courte, la stabilité et la répétabilité sont proches. Par conséquent, l’indice de stabilité examine principalement la stabilité à long terme. La durée précise est déterminée en fonction de l’environnement d’utilisation et des exigences.

Interprétation 3 : L’erreur absolue et l’erreur relative peuvent toutes deux être utilisées pour l’expression quantitative de l’indice de stabilité. Par exemple, un capteur de force de type déformation a une stabilité de 0,02 %/12 h.

5. Fréquence d'échantillonnage :

Définition : La fréquence d'échantillonnage fait référence au nombre de résultats de mesure pouvant être échantillonnés par le capteur par unité de temps.

Interprétation 1 : La fréquence d’échantillonnage est l’indicateur le plus important des caractéristiques dynamiques du capteur, reflétant sa capacité de réponse rapide. Elle fait partie des paramètres techniques à prendre pleinement en compte en cas de variation rapide de la mesure. Selon la loi d’échantillonnage de Shannon, la fréquence d’échantillonnage du capteur ne doit pas être inférieure à deux fois la fréquence de variation de la grandeur mesurée.

Interprétation 2 : La précision du capteur varie en fonction de la fréquence utilisée. De manière générale, plus la fréquence d’échantillonnage est élevée, plus la précision de la mesure est faible.

La plus grande précision du capteur est souvent obtenue à la vitesse d'échantillonnage la plus faible, voire dans des conditions statiques. Par conséquent, la précision et la vitesse doivent être prises en compte lors du choix du capteur.

Cinq conseils de conception pour les capteurs

1. Commencez par l'outil de bus

Dans un premier temps, l'ingénieur devrait connecter le capteur via un outil de bus afin de limiter les incertitudes. Cet outil permet de connecter un ordinateur au capteur via son interface I2C, SPI ou tout autre protocole de communication. Une application PC associée à l'outil de bus fournit une source de données fonctionnelle et connue, contrairement à un pilote de microcontrôleur embarqué non authentifié. Grâce à cet utilitaire de bus, le développeur peut envoyer et recevoir des messages pour comprendre le fonctionnement du système avant d'intervenir au niveau embarqué.

2. Écrivez le code de l'interface de transmission en Python.

Une fois que le développeur a testé les capteurs de l'outil de bus, l'étape suivante consiste à écrire le code d'application correspondant. Au lieu de passer directement au code du microcontrôleur, il est recommandé d'écrire ce code en Python. De nombreux utilitaires de bus proposent des plugins et des exemples de code pour la configuration lors de l'écriture de scripts, ce que Python suit généralement. Le développement d'applications en Python est rapide et simple, et permet de tester les capteurs dans des applications moins complexes que les tests en environnement embarqué. Un code de haut niveau facilitera l'analyse des scripts et des tests des capteurs par des ingénieurs non spécialisés en systèmes embarqués, sans l'intervention d'un ingénieur logiciel embarqué.

3. Testez le capteur avec Micro Python.

L'un des avantages de développer le code applicatif initial en Python est la facilité avec laquelle les appels à l'API Bus-utility peuvent être remplacés par MicroPython. Ce dernier s'exécute dans des systèmes embarqués temps réel, dotés de nombreux capteurs permettant aux ingénieurs d'en comprendre les spécificités. Fonctionnant sur un processeur Cortex-M4, MicroPython offre un environnement idéal pour le débogage. De plus, sa simplicité d'utilisation dispense du développement de pilotes I2C ou SPI, ceux-ci étant déjà intégrés à la bibliothèque de fonctions de MicroPython.

4. Utilisez le code du fournisseur du capteur

Tout exemple de code récupérable auprès d'un fabricant de capteurs nécessitera un long travail d'analyse pour que les ingénieurs comprennent le fonctionnement du capteur. Malheureusement, de nombreux fournisseurs de capteurs ne sont pas experts en conception de logiciels embarqués ; il ne faut donc pas s'attendre à trouver un exemple prêt à l'emploi, alliant architecture élégante et performante. Il faudra se contenter d'utiliser le code du fournisseur, d'en comprendre le fonctionnement, et s'attendre à des refactorisations fastidieuses jusqu'à l'intégration correcte dans le logiciel embarqué. Le code risque d'être complexe au départ, mais exploiter la connaissance du fonctionnement des capteurs fournie par les fabricants permettra d'éviter de nombreux week-ends gâchés avant le lancement du produit.

5. Utiliser une bibliothèque de fonctions de fusion de capteurs

Il est probable que l'interface de transmission du capteur ne soit pas nouvelle et n'ait jamais été utilisée auparavant. Les bibliothèques de fonctions connues, telles que la « Bibliothèque de fonctions de fusion de capteurs » fournie par de nombreux fabricants de puces, permettent aux développeurs d'apprendre rapidement, voire efficacement, et d'éviter ainsi de devoir redévelopper ou modifier en profondeur l'architecture du produit. De nombreux capteurs peuvent être regroupés en types ou catégories générales, ce qui facilite le développement de pilotes qui, s'ils sont correctement gérés, sont quasi universels ou peu réutilisables. Identifiez ces bibliothèques de fonctions de fusion de capteurs et familiarisez-vous avec leurs avantages et leurs inconvénients.

L'intégration de capteurs dans les systèmes embarqués offre de nombreuses possibilités pour optimiser le temps de conception et la facilité d'utilisation. Les développeurs ne peuvent se tromper en comprenant le fonctionnement des capteurs à un niveau d'abstraction élevé dès le début de la conception, avant leur intégration dans un système de bas niveau. De nombreuses ressources disponibles aujourd'hui permettent aux développeurs de démarrer rapidement sans avoir à partir de zéro.