Introduction aux inclinomètres MEMS statiques et dynamiques

Qu’est-ce qu’un inclinomètre ?

Par définition, un inclinomètre (ou clinomètre) est un capteur servant à mesurer des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale). Là où le niveau à bulle (ou niveau) permet de détecter précisément où se situe l'horizontale, l'inclinomètre détermine en plus l'angle d'inclinaison par rapport à cette horizontale. Il vous permet de mesurer avec précision et exactitude des éléments précis en rapport avec vos installations ou vos projets. Il possède également d’autres particularités non négligeables qui vous feront gagner beaucoup de temps dans vos opérations quotidiennes. 

Voici quelques exemples d’utilisation selon le type d’inclinomètre: 

• Comme instrument de mesure avec une sensibilité transverse et type de sortie proportionnelle à l’angle / au sinus de l’angle
• En pendule simple ou le capteur est passif. L'aiguille est solidaire du pendule et indique l'inclinaison en coulissant sur un cadran.
• Sous forme de galvanomètre où il devient un appareil à système mécatronique -Inclinomètre silicium ou MEMS. Le capteur est formé d'un élément sensible et d'un autre élément électronique de conditionnement du signal. L'élément sensible est un système micro-usiné sur silicium, généralement constitué d'un peigne capacitif se déformant en fonction de l'action de la gravité.
• Sous forme de boussole ou géomètre avec inclinomètre (l'ergot rabattable définit une droite tangente au boîtier en regard du point zéro). Il peut servir pour la surveillance de structures, la construction de routes (inclinaison dans les courbes...), le géomètre s'en sert comme indicateur de pente pour mesurer la déclivité d'un terrain ou pour déduire par la trigonométrie la hauteur approximative de bâtiments ou d'arbres distants, ou permet de refuser des fonctions à un véhicule de BTP qui serait sur une pente trop inclinée. 

Si vous envisagez de vous prémunir d’un inclinomètre, plusieurs facteurs devront être pris en considération ainsi que le choix de votre produit. Voici les critères à ne pas négliger.

• La précision 
• L’exactitude
• Le gain
• Le décalage
• Le bruit 
• La sensibilité à l’axe transversal des dispositifs de systèmes micro électromécaniques (MEMS) 

En plus de ces critères et selon les applications auxquels l’inclinomètre sera dédié, plusieurs critères de performance seront à considérer lors de votre choix. 

Le nombre d'axes de l'appareil est le premier indicateur important à prendre en compte. Selon l'application et les exigences du système, on peut choisir un appareil à un, deux ou trois axes. Le décalage/biais et le gain du capteur ainsi que leur dérive dans le temps et la température sont d'une grande importance. 

La résolution du capteur est une autre mesure de performance importante. Elle dépend du bruit, de la bande passante, du filtrage et de la résolution ADC (conversion analogique numérique) du dispositif. Les capteurs à bruit élevé peuvent nécessiter un étalonnage supplémentaire, en fonction des exigences de précision de l'application. 

La stabilité de l'offset et de la sensibilité en fonction de la température détermine la précision du capteur. La précision dépend également de l'erreur de rectification des vibrations (VRE). La rectification en courant continu des vibrations en courant alternatif à large bande peut décaler le décalage de l'inclinomètre, ce qui peut entraîner des erreurs importantes. 

La plage de température de fonctionnement et le fait que l'interface soit analogique ou numérique peuvent également être importants dans certaines applications. Les autres spécifications de performance comprennent l'erreur d'étalonnage du décalage/de la sensibilité, la dérive après soudure, la sensibilité transversale et la non-linéarité. Ces caractéristiques peuvent être moins pertinentes, car elles peuvent être mesurées et traitées par un étalonnage post-assemblage à température ambiante. Cet étalonnage est souvent nécessaire pour un inclinomètre de haute précision. 

Pour de nombreuses applications, le coût d'un capteur ira souvent de pair avec ces paramètres clés. Étant donné que l'étalonnage et l'ajustage complets nécessitent du temps et des équipements supplémentaires pendant la fabrication, les dispositifs plus performants coûtent généralement plus cher. 

La précision est la proximité de la sortie de l'appareil par rapport à la valeur réelle. Plus la sortie est proche de la valeur réelle, plus la précision est élevée.

Il existe 2 types d’inclinomètre; statiques et dynamiques

Mesure de l'inclinaison statique 

L'inclinaison statique est l'effet de la gravité terrestre (g = 9,81 m/sec² ou 32,2 pieds/sec²) sur les axes d'intérêt du capteur. Un accéléromètre mesure la projection de l'accélération due à la gravité sur les axes du capteur. Cependant, dans un scénario réel, un inclinomètre peut également mesurer l'accélération externe, le bruit et le décalage du dispositif. L'impact de ces composants sur la mesure des effets de la gravité doit être négligeable pour obtenir un calcul d'inclinaison précis. Si ces événements externes sont importants, les données mesurées doivent être compensées en conséquence. 

Un accéléromètre ou un inclinomètre à base de MEMS peut être utilisé pour mesurer l'inclinaison d'un objet par rapport à un plan horizontal. La somme des forces mesurées sur les trois axes est égale à la force due à la gravité (1g). Une fois ces projections obtenues, on peut utiliser des équations trigonométriques de base pour calculer l'angle d'inclinaison par rapport à chaque axe. La rotation de l'objet modifie l'amplitude de l'accélération détectée en fonction du sinus de l'angle d'inclinaison (α) entre l'axe de détection et le plan horizontal. 

Mesure de l'inclinaison dynamique 

L'inclinaison dynamique est l'inclinaison et la pente de la position d'un objet lorsqu'il subit une rotation, une vibration, un mouvement et un choc, en plus de la gravité terrestre.

La mesure de l'inclinaison dynamique est plus complexe que la mesure de l'inclinaison statique. La solution doit inclure un accéléromètre pour déterminer le vecteur gravité et un gyroscope pour mesurer la rotation de l'objet en même temps.

Un inclinomètre dynamique basé sur les MEMS intègre à la fois un gyroscope à trois axes et un accéléromètre à trois axes pour une mesure de l'inclinaison en temps réel. Dans les scénarios où les données de l'accéléromètre sont affectées par des interférences d'accélération externes, un gyroscope à trois axes offre des vitesses angulaires autour des trois axes x, y et z. Cela compense les interférences. Cependant, les gyroscopes souffrent intrinsèquement d'une légère dérive des données de sortie au fil du temps.

Applications des inclinomètres

Les inclinomètres MEMS sont utilisés dans de nombreuses applications en raison de leur grande stabilité dans le temps et en température, de leur rentabilité, de leur faible consommation d'énergie et de leur petite taille. Les inclinomètres statiques MEMS sont également faciles à intégrer, et ils offrent une fiabilité à long terme en plus de leurs avantages techniques et financiers. 

Les inclinomètres sont utilisés pour surveiller l'état des structures, prévenir le renversement des véhicules, en robotique ou pour le positionnement précis des antennes et des plates-formes. 

Ils sont également utilisés pour la surveillance prédictive dans le domaine de la santé structurelle (SHM). L'objectif étant d'identifier les problèmes potentiels avant que la structure ne s'effondre. Les capteurs de la surveillance de l'état des structures collectent des données sur de longues périodes afin de fournir des informations sur l'état général de la structure. 

Domaine d’applications : 

 Industrie 

• Mise à l'horizontale de bâtis de machines
• Dimensionnement de capteurs solaires actifs ou passifs: sers à mesurer les masques qui font de l'ombre. Le masque est ensuite reporté sur la course apparente du soleil. 

Bâtiment et travaux publics 

Boussole ancienne de géomètre avec inclinomètre (l'ergot rabattable définit une droite tangente au boîtier en regard du point zéro). 

• Surveillance de structures
• Construction de routes (inclinaison dans les courbes...) 
• L'inclinomètre permet de refuser des fonctions à un engin de chantier qui serait sur une pente trop inclinée 

 Recherche scientifique et industrielle 

• Positionnement de dispositifs à l'horizontale
• Mesure d'inclinaisons des systèmes étudiés 

 Militaire          

• Mesure de l'inclinaison de la tourelle d'un char avant le tir 

 Marine 

• Inclinomètre extérieur sur un navire 
• En mer, il sert à mesurer l'inclinaison transversale (la gîte) d'un bateau.

Ils peuvent également être utilisés dans les domaines de l’astronomie,  l’ophtalmologie, l’alpinisme, la géologie, la météorologie, la spéléologie ainsi que la sylviculture.

Pamis les produits qu’ils vous sont offerts sur le marché, en voici quelques-uns qui exploite la technologie MEMS et qui ont retenu notre attention

Le capteur d’inclinaison TMS/TMM22 de Sick

Les capteurs d’inclinaison TMS22 (à un axe) et TMM22 (à deux axes) permettent de réaliser des mesures d’inclinaison économiques et de haute précision (± 0,25° ). Les valeurs mesurées sont transmises par un signal analogique linéarisé. Ils offrent des plages de mesure pouvant aller jusqu’à 360° (1 axe) ou jusqu’à ± 90° (2 axes). Leur technologie MEMS sans usure permet une précision et une qualité de signal durablement élevée. Ils sont inusables, particulièrement durables, sans entretien et insensibles aux vibrations et aux chocs. Ils sont muni de fonctions de préréglage pour la réinitialisation lors de l’installation et leurs interfaces analogiques sont personnalisables. 

Ils peuvent être utilisés dans les domaines d’applications suivantes; photovoltaïque et énergie solaire thermique, les machines agricoles et forestières mobiles, les systèmes de paliers verticaux, la technologie des grues et des équipements de levage, les systèmes de transport sans conducteur, les engins de chantier et véhicules spéciaux ainsi que les centrales éoliennes.

Inclinomètres à haute dynamique pour les circuits de commande à grande vitesse de Turck 

Avec sa nouvelle génération d'inclinomètres, Turck a combiné la technologie de l'accéléromètre (MEMS) avec celle du gyroscope, de sorte que les chocs et les vibrations peuvent être masqués beaucoup plus efficacement qu'avec des filtres de signaux conventionnels. Son montage est facilité grâce à sa fonction de niveau de bulle et le signal d'inclinaison dynamique permet une amélioration de la productivité des vitesses de cycle plus rapides sur des machines en mouvement ou vibrantes. De plus, il est très avantageux en termes de coûts, car IO-Link lui fournit un signal de sortie rapide rendant les câbles analogiques blindés inutiles.

 Ils peuvent être utilisés pour des applications de positionnement et d'équilibrage ou encore pour la surveillance du bras du danseur dans les industries du textile, de l'impression ou de l'emballage. Ils peuvent également être utiles dans l’industrie automobile, la construction de machines et la logistique.

Les Capteurs de vibrations / d'accélération de Baumer 

Les capteurs de vibrations / d'accélération de Baumer sont une acquisition sûre pour votre entreprise. Ils sont parfaits pour la détection précise des niveaux d'accélération, de vibration et de choc sur les machines ou de vos installations. Ils permettent une transmission des valeurs d'accélération mesurées au contrôleur principal via CANopen ou une interface analogique. Son intégration est facile à l’aide d'une sortie relais de sécurité redondante incluse dans le système de sécurité. Celle-ci se déclenche lorsque la limite par défaut est dépassée. Il permet une réduction des vibrations excessives avant d'atteindre des amplitudes critiques. Ces capteurs MEMS sont d'une précision optimale pour les déflexions mineures et une diaphonie minimale entre les axes. De plus, les filtres configurables par l'utilisateur éliminent les interférences pour encore plus de précision. 

 Ils conviennent parfaitement pour la surveillance précise des vibrations, comme par exemple sur les tours d'éoliennes.

En conclusion, peu importe sur lequel votre choix s’arrêtera, les inclinomètres MEMS offrent des performances et une précision élevées, une grande stabilité dans le temps et en température ainsi qu’une faible consommation d'énergie, tout en étant très compétitifs en termes de coûts. Ils sont très petits et consomment peu d’énergie, ce qui en fait un choix idéal pour de nombreuses applications.

Pour obtenir plus de renseignements sur l'un de ces produits ou pour nous parler de l'un de vos projets d'optimisation, communiquer avec l'un.e de nos représentants, ils seront en mesure de vous conseiller sur les applications possibles pour votre entreprise ou votre projet.

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* Source

An Introduction to Static and Dynamic MEMS Inclinometers

By Jay Esfandyari & Tom Bocchinno, Related to : STMicroelectronics