Principes de base du conditionnement du signal pour les capteurs ^ICP® et les capteurs à sortie de charge

Les développements récents de la technologie des circuits intégrés de pointe ont permis de grandes avancées dans l'instrumentation des capteurs piézoélectriques. L'objectif de ce guide est d'améliorer l'utilité des concepts de capteurs avancés d'aujourd'hui en familiarisant l'utilisateur avec les avantages, les limites et la théorie de base du conditionnement du signal des capteurs.

Ce guide pédagogique traitera des types suivants d'instruments de capteurs de base :

1.) Capteurs à sortie de charge - capteurs piézoélectriques à haute impédance de sortie (sans électronique intégrée) qui nécessitent généralement des amplificateurs de charge ou de tension externes pour le conditionnement du signal. 2.) Capteurs à amplification interne - capteurs piézoélectriques à haute impédance de sortie (sans électronique intégrée). Capteurs à amplification interne - capteurs piézoélectriques de force, d'accélération et de pression à faible impédance avec circuits intégrés. (ICP^® est une marque déposée du groupe PCB qui identifie de manière unique les capteurs PCB qui intègrent des circuits électroniques).

Historiquement, presque toutes les applications de mesure dynamique utilisent des capteurs piézoélectriques à sortie de charge. Ces capteurs ne contiennent qu'un élément de détection piézoélectrique (sans électronique intégrée) et ont un signal de sortie à haute impédance. Le principal avantage des capteurs à sortie de charge est leur capacité à fonctionner dans des environnements à haute température. Certains capteurs sont capables de résister à des températures supérieures à +1000 ºF (+538 ºC). Cependant, la sortie générée par les cristaux de détection piézoélectriques est extrêmement sensible à l'altération due à divers facteurs environnementaux. Un câblage à faible bruit doit être utilisé pour réduire les interférences radioélectriques (RFI) et électromagnétiques (EMI). L'utilisation d'attaches ou de ruban adhésif réduit le bruit triboélectrique (induit par le mouvement). Une résistance d'isolation élevée du capteur et du câblage doit être maintenue pour éviter toute dérive et garantir des résultats reproductibles.

Pour analyser correctement le signal des capteurs à sortie de charge, la sortie à haute impédance doit normalement être convertie en un signal de tension à basse impédance. Cette conversion peut être effectuée directement par l'entrée du dispositif de lecture ou par des amplificateurs de tension et de charge en ligne. Chaque cas sera examiné séparément.

Systèmes en mode tension (et à amplification de tension)

Certains capteurs piézoélectriques présentent des valeurs exceptionnellement élevées de capacité de source interne et peuvent être branchés directement sur des dispositifs de lecture à haute impédance (>1 mégohm) tels que des oscilloscopes et des analyseurs. D'autres, dont la capacité de source interne est faible, peuvent nécessiter un conditionnement du signal en ligne, tel qu'un amplificateur de tension. Voir la figure 1.

Figure 1 : Systèmes typiques en mode tension

Une représentation schématique de ces systèmes en mode tension comprenant le capteur, le câble et la capacité d'entrée de l'amplificateur de tension ou de l'appareil de lecture est illustrée ci-dessous dans la figure 2. La résistance d'isolement (résistance entre le signal et la masse) est supposée être importante (^>1012 ohms) et n'est donc pas représentée sur le schéma.

Figure 2 : Schéma du système en mode tension

La sensibilité à la tension en circuit ouvert (par exemple, câble débranché) V1 (Volts par psi, lb ou g) du capteur de sortie de charge peut être représentée mathématiquement par l'équation 1.

_V1 = q /_C1 (équation 1)
où : q = sensibilité de base à la charge en pC par psi, lb ou g
_C1 = capacité interne du capteur (cristal) en pF
(p = pico = 1 x ^10-12; F = farad)

La sensibilité à la tension du système global mesurée à l'instrument de lecture (ou à l'étage d'entrée de l'amplificateur de tension) est la valeur réduite indiquée dans l'équation 2.

_V2 = q / (_C1 +_C2 +_C3) (Équation 2)
où :_C2 = capacité du câble en pF
_C3 = capacité d'entrée de l'amplificateur de tension ou de l'instrument de lecture en pF

Selon la loi de l'électrostatique (équations 1 et 2), les éléments de détection à faible capacité ont une sensibilité élevée à la tension. Cela explique pourquoi les capteurs à quartz à faible capacité sont principalement utilisés dans les systèmes de tension.

Cette dépendance de la sensibilité à la tension du système par rapport à la capacité totale du système limite fortement la longueur du câble de sortie du capteur. Cela explique pourquoi la sensibilité en mode tension des capteurs piézoélectriques à haute impédance est mesurée et spécifiée pour une capacité de câble donnée. Si la longueur et/ou le type de câble sont modifiés, le système doit être réétalonné. Ces formules montrent également l'importance de maintenir le câble/connecteur d'entrée du capteur sec et propre. Toute modification de la capacité totale ou perte de résistance d'isolation due à la contamination peut modifier radicalement les caractéristiques du système. En outre, le signal de sortie à haute impédance rend obligatoire l'utilisation d'un câble coaxial à faible bruit et exclut l'utilisation de ces systèmes dans des environnements humides ou sales, à moins que des mesures importantes ne soient prises pour sceller les câbles et les connecteurs.

Du point de vue des performances, les systèmes en mode tension sont capables de fonctionner de manière linéaire à des fréquences élevées. Certains capteurs ont des limites de fréquence supérieures à 1 MHz, ce qui les rend utiles pour détecter des ondes de choc avec un temps de montée d'une fraction de microseconde. Il convient toutefois d'être prudent, car d'importantes charges capacitives dans les câbles peuvent agir comme un filtre et réduire cette plage de fréquence de fonctionnement supérieure.

Malheureusement, de nombreux systèmes à amplificateur de tension ont un plancher de bruit (résolution) qui peut être supérieur d'un ordre de grandeur à celui des systèmes à amplificateur de charge équivalents. C'est pourquoi les capteurs ^ICP® à haute résolution et/ou les capteurs à amplification de charge sont généralement utilisés pour les mesures dynamiques à faible amplitude.

Un système de mesure à amplification de charge typique est illustré ci-dessous à la figure 3.

Figure 3 : Système typique à amplificateur de charge

La figure 4 présente une représentation schématique d'un système à amplification de charge, comprenant un capteur, un câble et un amplificateur de charge. Une fois encore, la résistance d'isolement (résistance entre le signal et la masse) est supposée importante (>1012 ohms) et n'est donc pas représentée sur le schéma.

Figure 4 : Schéma du système à amplificateur de charge

Dans ce système, la tension de sortie dépend uniquement du rapport entre la charge d'entrée, q, et le condensateur de rétroaction, Cf , comme le montre l'équation 3. Pour cette raison, les céramiques polycristallines polarisées artificiellement, qui présentent une sortie de charge élevée, sont utilisées dans ces systèmes.

_Vout = q /_Cf (équation 3)

L'utilisation des systèmes conventionnels à amplificateur de charge présente de sérieuses limitations, en particulier dans les environnements de terrain ou lors de l'utilisation de longs câbles entre le capteur et l'amplificateur. Tout d'abord, le bruit électrique à la sortie d'un amplificateur de charge est directement lié au rapport entre la capacité totale du système (C1 + C2 + C3) et la capacité de rétroaction (Cf). Pour cette raison, la longueur du câble doit être limitée, comme c'était le cas dans le système en mode tension. Deuxièmement, le signal de sortie du capteur étant de type à haute impédance, un câblage spécial à faible bruit doit être utilisé pour réduire la charge générée par le mouvement du câble (effet triboélectrique) et le bruit causé par un excès de RFI et d'EMI.

Il faut également veiller à éviter la dégradation de la résistance d'isolement à l'entrée de l'amplificateur de charge afin d'éviter toute dérive potentielle du signal. Cela exclut souvent l'utilisation de ces systèmes dans des environnements difficiles ou sales, à moins que des mesures importantes ne soient prises pour sceller tous les câbles et connecteurs.

Bien que de nombreuses caractéristiques de performance soient avantageuses par rapport aux systèmes en mode tension, le coût par canal de l'instrumentation à amplificateur de charge est généralement très élevé. Il n'est pas non plus pratique d'utiliser des systèmes à amplificateur de charge au-dessus de 50 ou 100 kHz, car le condensateur de contre-réaction présente des caractéristiques de filtrage au-delà de cette plage.

^ICP® est un terme qui identifie de manière unique les capteurs piézoélectriques de PCB avec amplificateurs microélectroniques intégrés (ICP® est une marque déposée du groupe PCB Inc.). (^ICP® est une marque déposée de PCB Group, Inc.) Alimentés par des conditionneurs de signaux à courant constant, ils constituent un système bifilaire facile à utiliser et à faible impédance, comme le montre la figure 5.

Figure 5 : Systèmes de capteurs ^ICP® typiques

Outre la facilité d'utilisation et la simplicité de fonctionnement, les capteurs ^ICP® offrent de nombreux avantages par rapport aux capteurs traditionnels à sortie de charge, notamment :

1.) Sensibilité à tension fixe indépendante de la longueur du câble ou de la capacité.
2.) La faible impédance de sortie (<100 Ohms) permet de transmettre les signaux sur de longs câbles dans des environnements difficiles, pratiquement sans perte de qualité du signal.
3.) Le système à deux fils s'adapte aux câbles coaxiaux standard à faible coût ou à d'autres câbles à deux conducteurs.
4.) La sortie en tension de haute qualité est compatible avec les instruments de lecture, d'enregistrement ou d'acquisition standard.
5.) Fonction d'autotest intrinsèque du capteur par surveillance de la tension de polarisation de la sortie du capteur.
6.) Faible coût par canal car les capteurs ne nécessitent que des conditionneurs de signaux à courant constant de faible coût.
7.) Maintenance réduite du système.
8.) Fonctionnement en direction des instruments de lecture et d'acquisition de données qui intègrent l'alimentation pour l'utilisation des capteurs ^ICP® de PCB.

La figure 6 montre schématiquement les principes électriques fondamentaux des capteurs ^ICP® à quartz et à céramique typiques. Ces capteurs sont constitués d'un mécanisme de transduction piézoélectrique de base (dont la sortie est proportionnelle à la force, à la pression, à l'accélération ou à la déformation, selon le type de capteur) couplé à un circuit intégré très fiable.

Figure 6 : Capteurs ^ICP® de base à quartz et en céramique

Deux types de circuits intégrés sont généralement utilisés dans les capteurs ^ICP®: les amplificateurs de tension et les amplificateurs de charge. Les éléments sensibles en quartz à faible capacité présentent une sortie de tension très élevée (selon V = q/C) et sont généralement utilisés avec des amplificateurs de tension MOSFET. Les éléments de détection en céramique qui présentent une sortie de charge très élevée sont normalement couplés à des amplificateurs de charge.

La théorie qui sous-tend la technologie de détection à quartz ^ICP® sera d'abord expliquée. Le processus commence lorsqu'un mesurande, agissant sur l'élément de détection piézoélectrique, produit une quantité de charge appelée ∆q. Cette charge s'accumule dans la capacité du cristal, C, et forme une tension selon la loi de l'électrostatique : ∆V = ∆q/C. Comme le quartz présente une très faible capacité, il en résulte une sortie à haute tension, adaptée à l'utilisation d'amplificateurs de tension. Le gain de l'amplificateur détermine alors la sensibilité du capteur.

Ce ∆V apparaît instantanément à la sortie de l'amplificateur de tension, ajouté à un niveau de polarisation d'environ +10 VDC. Ce niveau de polarisation est constant et résulte des propriétés électriques de l'amplificateur lui-même. (Normalement, le niveau de polarisation est supprimé par un conditionneur de signal externe avant d'analyser les données. Ce concept sera expliqué plus loin). De plus, le niveau d'impédance à la sortie du capteur est inférieur à 100 ohms. Il est donc facile de faire passer de longs câbles dans des environnements difficiles sans pratiquement aucune perte de qualité du signal.

Les capteurs ^ICP® qui utilisent des éléments sensibles en céramique fonctionnent généralement d'une manière différente. Au lieu d'utiliser la tension générée par le cristal, les capteurs ^ICP® en céramique fonctionnent avec des amplificateurs de charge. Dans ce cas, la sortie de charge élevée du cristal céramique est la caractéristique souhaitée.

Les caractéristiques électriques du capteur sont analogues à celles décrites précédemment dans les systèmes à mode de charge, où la tension de sortie est simplement la charge générée par le cristal divisée par la valeur du condensateur de rétroaction. (Le gain de l'amplificateur (mV/pC) détermine en fin de compte la sensibilité finale du capteur). Dans ce cas, de nombreuses limitations ont été éliminées. En effet, tous les circuits à haute impédance sont protégés par un boîtier robuste et hermétique. Les problèmes de contamination et de câblage à faible bruit sont éliminés.

Une comparaison rapide des amplificateurs de tension et de charge à circuit intégré est présentée ci-dessous :

Notez que les schémas de la figure 6 contiennent également une résistance supplémentaire. Dans les deux cas, la résistance est utilisée pour régler la constante de temps de décharge du circuit RC (résistance-condensateur). Ce point sera expliqué plus en détail dans la section intitulée "Constante de temps de décharge du transducteur".

Amplificateurs de charge et de tension en ligne

Certaines applications (telles que les tests à haute température) peuvent nécessiter que les circuits intégrés soient retirés du capteur. C'est pourquoi divers amplificateurs de charge et de tension en ligne sont disponibles. Le fonctionnement est identique à celui d'un capteur ^ICP®, sauf que le câble reliant le capteur à l'amplificateur transporte un signal à haute impédance. Des précautions particulières, comme celles discutées précédemment dans les sections sur les modes de charge et de tension, doivent être prises pour garantir des données fiables et reproductibles.

Alimentation des systèmes ^ICP

Un système de détection typique comprenant un capteur ^ICP® à quartz, un câble ordinaire à deux conducteurs et un conditionneur de signal à courant constant de base est illustré à la figure 7. Tous les capteurs ^ICP® ont besoin d'une source d'alimentation à courant constant pour fonctionner correctement. La simplicité et le principe du fonctionnement à deux fils sont clairement visibles.

Figure 7 : Système de détection typique

Le conditionneur de signal se compose d'une source bien régulée de 18 à 30 VDC (alimentée par une batterie ou une ligne), d'une diode de régulation du courant (ou d'un circuit équivalent à courant constant) et d'un condensateur pour le découplage (suppression de la tension de polarisation) du signal. Le voltmètre (VM) contrôle la tension de polarisation du capteur (normalement 8 à 14 VDC) et est utile pour vérifier le fonctionnement du capteur et détecter les câbles et les connexions ouverts ou court-circuités.

La diode de régulation du courant est utilisée à la place d'une résistance pour plusieurs raisons. La résistance dynamique très élevée de la diode permet d'obtenir un gain de suiveur de source extrêmement proche de l'unité et indépendant de la tension d'entrée. De plus, la diode peut être modifiée pour fournir des courants plus élevés afin de piloter de grandes longueurs de câble. Les diodes à courant constant, comme le montre la figure 8, sont utilisées dans tous les conditionneurs de signaux alimentés par batterie de PCB. (L'orientation correcte de la diode dans le circuit est essentielle pour un bon fonctionnement). Sauf pour les modèles spéciaux, les capteurs ^ICP® standard nécessitent un minimum de 2 mA pour fonctionner correctement.

Figure 8 : Diode à courant constant

La technologie actuelle limite ce type de diode à 4 mA maximum ; cependant, plusieurs diodes peuvent être placées en parallèle pour obtenir des niveaux de courant plus élevés. Tous les conditionneurs de signaux alimentés par la ligne PCB utilisent des circuits à courant constant de plus grande capacité (jusqu'à 20 mA) à la place des diodes, mais le principe de fonctionnement est identique.

Le découplage du signal de données a lieu à l'étage de sortie du conditionneur de signaux. Le condensateur de 10 à 30 µF décale le niveau du signal pour éliminer essentiellement la tension de polarisation du capteur. Il en résulte un mode de fonctionnement en courant alternatif sans dérive. Les modèles optionnels à couplage DC éliminent la tension de polarisation par l'utilisation d'un décalage de niveau de tension DC.

Effet de la tension d'excitation sur la gamme dynamique des capteurs ^ICP®.

La tension d'excitation spécifiée pour tous les capteurs et amplificateurs ^ICP® standard est généralement comprise entre 18 et 30 volts. L'effet de cette plage est illustré à la figure 9.

Figure 9 : Systèmes en mode tension typique

Pour expliquer le graphique, les valeurs suivantes seront prises en compte :

_VB = tension de polarisation du capteur = 10 VDC
_VS1 = tension d'alimentation 1 = 24 VDC
_VE1 = tension d'excitation 1 =_VS1 -1 = 23 VDC
_VS2 = tension d'alimentation 2 = 18 VDC
_VE2 = tension d'excitation 2 =_VS2 -1 = 17 VDC
Plage maximale de l'amplificateur du capteur = ±10 volts

Notez qu'une chute d'environ 1 volt dans la diode de limitation de courant (ou circuit équivalent) doit être maintenue pour une régulation correcte du courant. Ceci est important, car deux batteries de 12 VDC en série auront une tension d'alimentation de 24 VDC, mais n'auront qu'un niveau d'excitation du capteur utilisable de 23 VDC.

La courbe pleine représente l'entrée de l'électronique interne d'un capteur ^ICP® typique, tandis que les courbes ombrées représentent les signaux de sortie pour deux tensions d'alimentation différentes.

Dans le sens négatif, l'oscillation de la tension est généralement limitée par une limite inférieure de 2 VDC. En dessous de ce niveau, la sortie devient non linéaire (partie non linéaire 1 sur le graphique). La plage de sortie dans le sens négatif peut être calculée comme suit :

Plage négative = _VB-2(équation 4)

Cela montre que l'oscillation de la tension négative n'est affectée que par la tension de polarisation du capteur. Dans ce cas, la plage de tension négative est de 8 volts.

Dans le sens positif, la variation de tension est limitée par la tension d'excitation. La plage de sortie dans le sens positif peut être calculée comme suit :

Plage positive = (_Vs - 1) - _VB =_VE - _VB (équation 5)

Pour une tension d'alimentation de 18 VDC, cela donne une plage de sortie dynamique dans le sens positif de 7 volts. Les tensions d'entrée au-delà de ce point se traduisent simplement par une forme d'onde écrêtée, comme illustré.

Pour une tension d'alimentation de 24 VDC, la plage de sortie théorique dans le sens positif est de 13 volts. Cependant, la microélectronique des capteurs ^ICP® est rarement capable de fournir des résultats précis à ce niveau. (La plupart sont spécifiés à ±3, ±5 ou ±10 volts. Au-dessus du niveau spécifié, l'amplificateur est non linéaire (partie non linéaire 2 sur le graphique). Pour cet exemple, la tension d'alimentation de 24 VDC a étendu la plage de sortie utilisable du capteur à +10/-8 volts.