Conditionner un capteur : jauges, thermocouples, IEPE et LVDT

Le plafond se fixe avant le convertisseur

Il est tentant de juger un système d'acquisition sur son convertisseur : le nombre de bits, la cadence, les chiffres de la fiche technique. Mais quand un signal atteint un convertisseur, sa qualité est déjà décidée — par le capteur, son excitation, le câble, l'amplification et le filtrage. Tout ce qui vient après ne peut que préserver ou dégrader ce qu'on lui a remis.

Un calcul suffit à trancher le débat. Une jauge de contrainte en quart de pont, de facteur de jauge deux, à mille microdéformations, produit environ cinq cents microvolts par volt d'excitation — soit quelque 2,5 mV sous une alimentation de cinq volts. Un convertisseur 16 bits sur une entrée ±10 V a un pas d'environ 305 microvolts. Tout le signal, à pleine échelle de la mesure qui vous intéressait, tient dans huit pas de convertisseur.

Rien, dans la moitié numérique de la chaîne, ne peut corriger cela. Seul le gain, appliqué proprement et tôt, le peut — et c'est précisément ce qu'est le conditionnement.

Le chemin du signal, étape par étape

Lisez ce chemin comme une liste de questions plutôt que comme un schéma-bloc. L'excitation est-elle assez stable, et échauffe-t-elle le capteur ? Le pont est-il complété là où il faut, et la résistance de ligne entre-t-elle dans la mesure ? Le gain est-il réglé pour l'étendue que le signal utilise vraiment ? Le filtre correspond-il à la cadence réellement attribuée à cette voie ? L'entrée est-elle isolée, ou la cellule a-t-elle son mot à dire ?

Jauges de contrainte : le pont, l'excitation et la ligne

Une jauge résistive varie d'une fraction de pour cent, donc elle se mesure toujours en pont : quart, demi ou complet, les bras manquants étant complétés par des résistances de précision dans le conditionneur. L'excitation doit être stable, car la sortie lui est proportionnelle — un affaissement de un pour cent de l'alimentation est une erreur de un pour cent sur chaque lecture, et partager une même alimentation entre trop de jauges est la façon dont cet affaissement apparaît.

La ligne est le piège classique. Dans un quart de pont à deux fils, la résistance du câble est en série avec la jauge et indiscernable d'une déformation : la lecture change donc quand le câble chauffe au soleil. Les raccordements à trois et quatre fils existent précisément pour supprimer ce terme, et les utiliser n'est pas optionnel sur un aéronef où le cheminement est long et l'écart de température large.

Reste la température agissant sur la jauge elle-même. Les jauges autocompensées, appariées au coefficient du matériau, en retirent l'essentiel ; une jauge muette dans un bras adjacent en retire davantage. Ni l'une ni l'autre ne dispense de savoir laquelle vous avez utilisée le jour où l'analyse contredit le modèle.

Thermocouples : la référence est le vrai sujet

Un thermocouple ne mesure pas une température. Il produit une tension qui dépend de l'écart entre sa soudure de mesure et sa soudure de référence — environ quarante-et-un microvolts par degré pour un type K, ce qui sur la même entrée ±10 V représente un septième de pas de convertisseur par degré. Les thermocouples ont donc besoin de gain, et ils en ont besoin près de l'entrée.

C'est dans la soudure de référence que réside l'exactitude. Toute erreur sur la connaissance de la température de cette soudure passe directement dans chaque lecture, et elle dépasse généralement tout le reste de la voie réuni. Un conditionneur dont le capteur de soudure froide est mal placé ou mal caractérisé produit des lectures magnifiquement répétables et toutes fausses de la même quantité.

Trois points pratiques de plus. La relation n'est pas linéaire : la conversion est un polynôme ou une table, et sa place est dans les données d'étalonnage, pas dans un tableur en fin de chaîne. La soudure est souvent liée électriquement à la structure, ce qui fait de l'isolation une exigence et non un raffinement. Et une coupure doit être détectée et signalée, car un thermocouple cassé ne lit pas zéro — il lit ce vers quoi l'amplificateur dérive, ce qui peut être une température parfaitement plausible.

Accéléromètres IEPE : courant constant, et une limite basse

Un accéléromètre IEPE contient son propre amplificateur, alimenté par un courant constant — typiquement quelques milliampères — envoyé dans le même câble coaxial qui ramène le signal. Le signal se superpose à une tension de polarisation de plusieurs volts, et vérifier cette polarisation est le moyen le plus rapide de savoir si le capteur est vivant, en court-circuit ou coupé : trois valeurs distinctes et faciles à reconnaître.

La conséquence qu'on oublie concerne les basses fréquences. Le couplage qui sépare le signal de la polarisation est un filtre passe-haut, généralement autour du hertz, et il est à l'intérieur du chemin de mesure. Une voie IEPE ne peut pas rapporter une accélération constante, et elle atténue les phénomènes lents avant même que vous les voyiez. Si le phénomène que vous traquez vit sous quelques hertz, l'IEPE est le mauvais capteur, et aucun traitement ultérieur ne ramènera la partie manquante.

Du côté haut, la longueur des câbles et leur capacité limitent la bande utile pour un courant d'alimentation donné, ce qui est une contrainte réelle sur un aéronef où l'accéléromètre est à trente mètres de l'unité d'acquisition.

LVDT, sondes résistives et les autres

Un LVDT mesure un déplacement par couplage de transformateur : il exige donc une excitation alternative — quelques kilohertz — et une démodulation synchrone pour retrouver à la fois l'amplitude et le sens. La porteuse doit se situer confortablement au-dessus de la bande mécanique d'intérêt, un ordre de grandeur est la règle usuelle, et la démodulation doit être ratiométrique pour qu'une dérive de l'excitation se compense au lieu d'apparaître comme un mouvement.

Les sondes résistives de température veulent un courant d'excitation faible et connu et un raccordement quatre fils, et elles punissent un courant élevé : celui-ci échauffe l'élément, et la lecture vous renseigne sur l'auto-échauffement plutôt que sur l'air. Les capteurs potentiométriques sont ratiométriques par nature et doivent être mesurés comme tels. Les capteurs piézoélectriques en mode charge exigent un amplificateur de charge et, contrairement à l'IEPE, tolèrent les hautes températures — ce qui est exactement pourquoi ils existent encore.

Les erreurs qui survivent jusque dans le rapport

• Les boucles de masse. La cellule est un conducteur aux bornes duquel il y a des volts, et une entrée non isolée mesure cela en plus de votre capteur. Isolez, ou acceptez un signal de mode commun que vous ne retirerez pas après coup.
• Les blindages repris aux deux extrémités, ce qui transforme l'écran en boucle et injecte exactement ce qu'il devait tenir dehors.
• Les forces électromotrices thermiques aux connecteurs. Des métaux différents dans un circuit bas niveau produisent des microvolts avec la température : négligeable sur un signal ±10 V, dominant sur un thermocouple.
• Un gain réglé pour l'étendue théorique et non pour l'étendue mesurée, ce qui jette des bits avant le premier échantillon.
• Un filtre laissé à sa valeur d'usine alors que la cadence de cette voie a été changée sur le parking.
• Et la plus fréquente : un certificat d'étalonnage de capteur au dossier, et aucun contrôle de bout en bout de la chaîne installée.

Le remède est le même dans tous les cas et ce n'est pas un document : injecter une valeur connue côté capteur, en configuration de vol, et lire ce qui arrive dans le fichier. Étalonnage par shunt pour les ponts, bain de référence ou calibrateur pour les thermocouples, pot vibrant ou inclinaison connue pour les accéléromètres, cale mécanique pour les déplacements. Quelle que soit la méthode, le nombre que vous comparez est celui qui figurera dans le rapport.