Capteurs de vitesse et de longueur

Le principe de la mesure de vitesse sans contact est assez simple. L'« outil » le plus primitif est votre œil. Chaque individu peut évaluer la vitesse de déplacement d'un simple coup d'œil à travers la fenêtre d'une voiture de chemin de fer ou d'une automobile. Le cerveau traite le signal en évaluant la distance à un certain objet et sa vitesse angulaire, ou simplement par l'expérience acquise. Les capteurs servent à évaluer les mêmes paramètres mais avec une exactitude supérieure.

Considérons d'abord le capteur laser en raison de sa conception plus simple. Pour ce faire, il faut disposer d'un objet en mouvement, d'une source lumineuse (sinon rien ne peut être vu) et d'un système optique constitué d'un objectif et d'un photodétecteur pour enregistrer le signal réfléchi. La surface de l'objet est irrégulière en termes de couleur et de finition ; ainsi, lorsqu'elle se déplace, le photodétecteur enregistre une fréquence de signal proportionnelle à la vitesse. La valeur typique de cette fréquence est définie par la dimension linéaire de la zone d'enregistrement du photodétecteur et la durée nécessaire à un objet pour traverser cette zone. La tâche peut donc être considérée comme résolue ; toutefois, l'exactitude laisse beaucoup à désirer. Le système optique enregistre un signal dit basse fréquence. Pour accroître l'exactitude de mesure, il est nécessaire de réduire le spectre de fréquences généré par un objet en mouvement. Cela peut être mis en œuvre au moyen d'un filtre spatial (terme lié aux capteurs optiques à trame). Le capteur laser sert toutefois à créer une figure de franges (interférence), c'est-à-dire une modulation périodique de l'éclairement de l'objet à l'intérieur du faisceau laser (zone de détection). Cela est réalisable grâce à la propriété de cohérence du rayonnement laser, car tous les photons sont en phase dans un faisceau. Le faisceau initial doit être divisé en deux, puis recombiné sous un certain angle. Dans ce cas, il forme un filtre spatial.

Désormais, toute variation du profil ou de la couleur de l'objet traversant ce filtre de structure génère un signal réfléchi dont l'intensité est modulée à la fréquence suivante : période d'éclairement — vitesse de traversée. Le spectre du signal se rétrécit en fonction du nombre de périodes générées (plus il y a de périodes, plus le spectre est étroit). Une altération singulière du profil ou de la couleur génère non pas une seule impulsion mais une multitude d'impulsions (groupe d'impulsions) dont le nombre est défini par le nombre de périodes du motif de franges. Par exemple, en pratique, un diamètre de faisceau de 5 mm et une période de frange de 0,05 mm génèrent 100 faisceaux, et donc autant de groupes d'impulsions. Étant donné que le spectre est rétréci environ 100 fois par rapport au signal basse fréquence mentionné ci-dessus, ce signal est désormais déficient, intermittent et est appelé faux signal. Il convient de noter que 20 à 30 faisceaux suffisent généralement pour obtenir une exactitude de mesure de l'ordre de 0,1 % ou supérieure.

Dans le cas des capteurs optiques, l'objet est éclairé par une source de lumière uniforme (une ampoule ou une LED) et une texture périodique (motif) est située à l'intérieur du capteur. Cela offre une protection supplémentaire au motif (un exemple parlant étant la luge par rapport au bobsleigh), tout en entraînant cependant de nombreux problèmes, notamment la dépendance de la réponse en fréquence (facteur de proportion entre la fréquence du signal enregistré et la vitesse de l'objet, en Hz/m(m/s)) vis-à-vis de la distance à l'objet. Signalons d'emblée que ce problème a déjà été résolu de manière efficace.

Une analyse détaillée du fonctionnement des capteurs de vitesse laser et optiques (méthodes de génération de filtres spatiaux, méthodes de traitement des signaux, etc.) figure dans la monographie*. La partie théorique est exposée sur deux cents pages. Néanmoins, il n'existe pas de guide pratique pour la fabrication du capteur censé fonctionner dans des conditions réelles et défavorables (telles que des écarts de température importants, des surfaces variées ou des variations de distance pendant le processus de mesure).

Il existe dans le monde peu de véritables fabricants de capteurs sans contact. On compte environ 10 fabricants de capteurs laser et moins de dix fabricants de capteurs optiques. Dans cet article, nous examinerons les capteurs des deux types.

Principales caractéristiques de conception des capteurs. Une unité monobloc optique originale basée sur le principe de division du faisceau par front d'onde a été utilisée dans le capteur laser. Elle fournit un motif de franges stable, résistant aux écarts de température et présentant une différence nulle de trajet du faisceau, ce qui se traduit par une plage de décalage des faisceaux maximale sur une large gamme de distances à l'objet. De plus, aucun réglage du bloc optique n'est requis. Le schéma optique du système de réception du capteur élimine totalement la dépendance de la vitesse mesurée par rapport à la distance à l'objet, préservant ainsi une puissance d'éclairage optique élevée.

Des microcircuits et microcontrôleurs de pointe dotés de processeurs de signaux sont également utilisés pour le traitement matériel du signal dans l'électronique analogique de réception, permettant une mesure précise de la vitesse à haute fréquence et la mise en œuvre de divers signaux de sortie analogiques, fréquentiels et numériques. Une large gamme de capteurs des deux types, avec une distance nominale à l'objet de 15 à 130 cm et une plage de vitesse mesurée de 0,01 à 100 m/s, est fabriquée pour une application industrielle sur les véhicules (voir ISD-3 et ISD-5 pour une description détaillée).

Notez que les deux capteurs mesurent le kilométrage (la longueur dont on a pratiquement besoin) à partir de la vitesse mesurée (intégrale de la vitesse dans le temps). Cela dit, l'exactitude de mesure atteignable (c'est-à-dire la capacité du capteur en termes de fréquence de mesure) a atteint sa limite pratique et dépasse en réalité les besoins requis. Ainsi, les données techniques spécifient une exactitude de mesure de longueur inférieure à 0,1%. Cependant, ce paramètre dépend de la longueur elle-même et de la possibilité de vérifier cette exactitude de manière indépendante (comme le montrent les exemples ci-dessous, mais les mesures réelles peuvent être bien plus exactes). Par conséquent, l'accent principal doit être mis sur la fiabilité des mesures, c'est-à-dire que l'équipement doit être exempt de défaut dans différentes conditions et sur différents types de surface.

Et quelques remarques supplémentaires concernant la mesure de distance dans le cadre de tâches industrielles standard. Supposons qu'il y ait un objet en mouvement de grande longueur (bande métallique, plaque de verre, tissu, etc.) qui doit être coupé en morceaux d'une certaine longueur. Le capteur doit transmettre un signal à un actionneur lorsque cette valeur est atteinte. Supposons qu'il existe une sortie numérique (Ethernet, USB) pouvant être utilisée pour la lecture de la longueur de mesure courante. Par exemple, l'incrément de la donnée de longueur courante (1 m/s)/(0,02 s) = 2 cm pour une fréquence de mesure égale à 50 Hz et une vitesse d'objet de 1 m/s. Mais cela peut ne pas suffire. Il existe toutefois une sortie d'impulsions de longueur avec un rapport de 1000 Hz pour 1 m/s ou 1000 impulsions par mètre. Cette fréquence de sortie est actualisée 50 fois par seconde, c'est-à-dire que l'incrément de distance mesurée est égal à 1 mm quelle que soit la vitesse. Ce paramètre peut évidemment être réglé sur 10 mille impulsions par mètre ; en d'autres termes, l'exactitude de mesure de longueur réalisée par ces capteurs est considérée comme parfaite, l'exactitude finale n'étant limitée que par les spécifications de l'outil de coupe.

Vous trouverez ci-dessous quelques exemples d'application des capteurs avec évaluation de l'exactitude et de la fréquence de mesure.

Essai d'application du capteur laser ISD-5 sur la route.

La hauteur approximative d'installation du capteur est de 50 cm (limite admissible de 35 à 65 cm). La fréquence de mesure est de 54,2 Hz, la plage de mesure de la vitesse est de 0,02–110 km/h. Le véhicule équipé des capteurs se déplaçait sur un circuit de 1 km de long (sur route urbaine, par une journée ensoleillée, à une température ambiante de -7 °C). Le véhicule se déplaçait à vitesse variable (0–50 km/h) avec plusieurs arrêts. Les résultats de mesure ont été définis sur trois tours — 1055,740 m, 1056,244 m et 1055,33 m, c'est-à-dire que l'écart de mesure était inférieur à 0,05 % compte tenu du fait que l'itinéraire n'était pas parfaitement reproduit.

Fig. 1. Capteur optique ISD-3 et capteur laser ISD-5 fixés à un véhicule pour un essai.

Deux capteurs, optique et laser, ont été utilisés conjointement. Ils ont été fixés à un véhicule comme indiqué sur la Figure 1. La hauteur nominale d'installation du capteur ISD-3 est de 50 cm au-dessus du sol et celle du capteur laser ISD-5 de 130 cm au-dessus du sol, mais il a été installé à une hauteur de 100 cm. Quatre tours ont été effectués sur une section droite de chaussée en asphalte (2 tours dans chaque direction) de longueur approximativement égale. Après l'essai, la différence relative de mesure entre les capteurs a été évaluée. Les résultats sont présentés dans le Tableau 1.

Tableau 1. Résultats de mesure en parallèle obtenus sur le même trajet par l'ISD-3 optique et l'ISD-5 laser.

Ainsi, la qualité de mesure réelle des deux capteurs utilisés sur le véhicule est équivalente et la fréquence de mesure relative constitue le point de référence. Il convient également de noter que le capteur optique est préférable pour ce type d'application, car il est plus résistant aux influences externes négatives (température, neige, pluie) ; en particulier, il est nettement plus tolérant à l'encrassement de l'optique de réception. On peut comparer cela à un appareil photo : même si l'objectif est sale, on peut toujours prendre une photo. En revanche, une goutte d'eau sur l'optique d'un capteur laser peut entraîner une forte altération de la figure de franges sur l'objet.

Afin d'évaluer la qualité globale de la mesure, un graphique de la vitesse d'accélération/freinage d'une locomotive avec train de marchandises est présenté sur la Figure 2 (terrain d'essai ferroviaire de Chtcherbinka, capteur ISD-3, distance nominale de 80 cm. Le capteur a été installé sous la locomotive et dirigé vers les rails). Le graphique permet d'évaluer l'exactitude de la mesure de vitesse instantanée, car le mouvement des wagons constitue un exemple de vitesse parfaitement régulière. À titre d'exemple également, quelques graphiques utiles sont fournis pour des essais de freinage de pneus de voiture sur glace (réalisés sur la piste de glace Arena, à Mytichtchi, région de Moscou, avec un capteur optique).

Fig. 2. Diagramme de vitesse d'accélération et de freinage d'une locomotive avec train de marchandises.

La figure 3a montre cinq essais d'accélération/freinage sur des pneus neige sans clous. La figure 3b montre les mêmes essais mais sur des pneus à clous. Veuillez noter que les petits pics de vitesse sur un graphique ne sont pas du bruit de mesure ; ils sont réels car c'est ainsi qu'un véhicule se déplace sur une route verglacée.

Ces capteurs sont également largement utilisés dans l'industrie. Voici un autre exemple illustratif : la mesure de la longueur du verre. L'objet est un disque rotatif en verre poli à surface propre. Un capteur laser avec une distance de travail nominale de 130 cm doit être utilisé dans ce cas (en réalité, la surface du verre est chaude, la mesure doit donc être effectuée à grande distance). Le disque comporte un repère identifiant un point pour démarrer et arrêter la mesure circulaire, lu par le capteur. Le périmètre mesuré est de 2,173 m. Deux séries de 7 et 11 mesures ont été réalisées. La longueur moyenne mesurée était de 2,1732 et 2,1733 m, avec un écart régulier de 0,034 et 0,036% respectivement.

Fig. 3. Exactitude de la mesure de la vitesse d'accélération et de freinage d'une voiture sur glace obtenue par le capteur optique ISD-3 : a — un véhicule équipé de pneus neige non cloutés ; b — un véhicule équipé de pneus cloutés.

Parmi nos développements récents dignes d'intérêt figurent les capteurs laser bidimensionnels permettant notamment de mesurer la vitesse de déplacement d'un tuyau se déplaçant sur une surface de roulement. Cela peut être appliqué concrètement dans les ateliers d'isolation des tuberies. Parmi la majorité des produits uniques, l'un des plus exclusifs est un capteur capable de mesurer la vitesse des navires sous-marins par rapport à leur environnement. Il existe une longue liste d'autres éléments mais, en raison de la portée limitée de cet article, le seul moyen d'obtenir plus de détails est de consulter le site web du fabricant. En conclusion, nos capteurs sans contact de distance/vitesse sont inégalés en performance et parfois même supérieurs aux équivalents mondiaux, mais à un prix bien inférieur.

Test du capteur de vitesse optique ISD-3 pour application ferroviaire.

Le capteur a été monté à l'avant d'une locomotive électrique (voir photos) afin de mesurer ses paramètres dynamiques. Lieu : circuit d'essai de Shcherbinsky, région de Moscou. Météo : -12 °C, venteux, sans neige / chute de neige.

Raccordement d'un câble au capteur ISD-3.

Installation du capteur.

Le capteur optique ISD-3 est installé sur la locomotive.

Capteur : la distance au sol env. 60 cm (tolérance ± 20 – 25 cm), fréquence de mesure 24,6 Hz.

Dans une cabine de locomotive.

Mesures en cours. Pas de chute de neige durant la première moitié de la journée.

Graphique de vitesse typique. Sans neige.

Plus de détails.

Essai à accélération constante.

Freinage avec différentes forces.

Seconde moitié de la journée. Chute de neige assez forte. À l'arrêt, en raison de la neige soulevée par le vent, certains flocons traversent la zone de vision du capteur et génèrent des signaux. Mais en mouvement, le signal provenant de la surface principale est bien plus important et il n'y a plus d'influence des flocons de neige.

Test de vitesse maximale. À haute vitesse, beaucoup de neige poudreuse se soulève du sol et génère du bruit supplémentaire, mais la vitesse moyenne réelle peut tout de même être mesurée.

Conduite à vitesse constante, tempête de neige.

Application des capteurs de vitesse et longueur ISD-3 et ISD-5 lors de la découpe de tuyaux, raccords, câbles, fils et autres matériaux de grande longueur.