Les capteurs optoélectroniques Optel Thevon et les matériels de comptage de National Instruments

Date de publication: Jun 28, 2012 | 2 Ratings | 5.00 out of 5 |  PDF

Table des matières

  1. Introduction
  2. Principe et applications
  3. Les matériels de National instruments pour la mesure du comptage
  4. Principe de fonctionnement des capteurs optoélectroniques Optel Thevon
  5. Mise en œuvre d’un capteur Optel Thevon analogique et numérique avec un système NI CompactDAQ

 

1. Introduction

Ce tutorial a pour but de présenter la compatibilité entre les capteurs optoélectroniques à fibre optique de la société Optel Thevon et les produits National Instruments ainsi que les applications possibles. Il abordera le fonctionnement des capteurs optoélectroniques, les connexions à réaliser, les matériels National Instruments compatibles et des programmes d’exemples d’applications sous LabVIEW.

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2. Principe et applications

Les capteurs optoélectroniques Optel Thevon sont des sondes à fibre optique délivrant des impulsions numériques et analogiques afin de mesurer les vitesses de rotation ou d’analyser des acyclismes dans des systèmes comme les turbines, éoliennes, moteurs, boîtes de vitesses ou engrenages.

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3. Les matériels de National instruments pour la mesure du comptage

La plupart des matériels d’acquisition de données possèdent des compteurs intégrés, au nombre de deux à huit, voire beaucoup plus en utilisant un matériel reconfigurable FPGA comme le NI CompactRIO. Ces matériels permettent de nombreuses fonctions programmables par l’utilisateur comme le comptage de fronts, la mesure de largeur d’impulsions, la mesure de fréquence, de durée entre deux fronts, la position angulaire, tout ceci pouvant être acquis en continu et enregistré sur disque.
Dans le cas particulier des systèmes basés FPGA, les fonctions sont complètement personnalisables matériellement et il est possible de définir un matériel sur mesure en fonction des besoins. Par exemple, il est possible de déclencher une mesure analogique synchrone entre deux valeurs de nombre d’impulsions prédéfinies, ou de réaliser un asservissement de vitesse de manière déterministe à partir de l’acquisition de la largeur d’impulsions d’un codeur et donc la vitesse de rotation angulaire d’un axe.
De nombreux matériels NI possèdent des compteurs compatibles avec les capteurs qui génèrent des impulsions numériques. C’est le cas des cartes d’acquisition multifonctions, au format PCI ou PXI, comme les cartes de série X , les cartes multifonction au format USB comme les USB-62XX, les systèmes d’acquisition modulaires de type NI CompactDAQ, ou des cartes spécialisées qui sont composées essentiellement de compteurs, comme les cartes de la famille  NI 66xx (Figure n°1). La plupart des matériels fonctionnent avec des entrées 5 VDC de type TTL, mais il existe des matériels qui incluent du conditionnement de signal intégré en entrée pour des mesures isolées jusqu’à 24 VDC.

      


Figure 1 : une carte multifonction série M, une carte USB de série X, un système CompactRIO, tous compatibles avec les capteurs numériques


 


Figure 2 : un châssis CompactDAQ NI 9174, composé d’un module de la série C NI 9411 d’entrée numérique 24 VDC et d’un module NI 9215 d’entrée analogique en BNC sont utilisés dans ce tutorial.


Dans nos essais décrits ici et réalisés avec les capteurs optoélectroniques, nous allons vous présenter les liaisons à effectuer avec des modules d’un système NI CompactDAQ (Figure n°2).

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4. Principe de fonctionnement des capteurs optoélectroniques Optel Thevon

Tout d’abord, la fonction principale d’un capteur optoélectronique est de mesurer les déplacements de pièces, le plus souvent en rotation, mais pas exclusivement. Les informations physiques que l’on peut extraire sont par exemple : le déplacement en distance ou position angulaire, l’accélération, l’amortissement sur un changement de vitesse, la torsion d’axes soumis à des accélérations par l’intermédiaire de la comparaison entre deux mesures synchrones à plusieurs endroits de l’axe, le couple ou d’autres mesures liées aux déplacements.
Le principe de fonctionnement de tels capteurs est de produire des impulsions en tension en fonction d’un assombrissement et d’un éclairement d’une surface réfléchissante. Cette surface peut être constituée d’une mire composée d’un matériau plastifié collant ou d’un disque en métal percé de trous laissant passer la lumière.(Figure n°3). Ces mires sont ainsi placées par collage ou fixation sur un axe en rotation par exemple.

  


Figure n° 3 : à gauche une mire collante, au milieu un disque percé et à droite une application de montage sur un alternateur


Un petit boîtier électronique (Figure n°4) envoie un spectre lumineux d’une fréquence déterminée dans la zone des infrarouges jusqu’au bout de la fibre optique, détecte en retour, par un seuil réglable, le signal réfléchi et le remet en forme en une tension lisible pour des systèmes de mesures ou de comptage. En général, il s’agit un signal de sortie carré de 5 VDC (TTL), 12 VDC ou 24 VDC.


 

Figure n° 4 : boîtier électronique et capteur sur fibre optique


Certains capteurs optoélectroniques possèdent également une sortie analogique du signal en complément de la sortie TTL, sous forme de créneaux, ce qui permet de mesurer les différences de distances entre le capteur et la mire grâce à l’amplitude des pics. Cela permet par exemple de repérer un voilage éventuel de la pièce mécanique (Figure n°5).


 

Figure n°5 : schéma de principe du signal émis et réfléchi ainsi que des sorties numériques et analogiques


Certains capteurs optoélectroniques comme le 152 M et le G7 proposent également une émission dans le spectre visible au bout du capteur, afin d’aider l’utilisateur à installer correctement la mire Figure n° 6).


 

Figure n° 6 : capteur émettant de la lumière visible en fonction du seuil pour faciliter la mise en place


L’utilisation d’une mire de 60 à 240 incréments permet d’extraire des informations complexes comme la torsion d’un axe ou les variations de vitesse sur un tour. Cependant, dans le cas où l’on place un seul repère sombre par tour, ce système peut servir de simple capteur tachymétrique. Optionnellement un système optique peut même être placé au bout du capteur afin d’amplifier la lumière pour augmenter la distance avec la cible.
Au même titre qu’un codeur incrémental ou qu’un capteur inductif, ce type de capteur peut se placer dans un système en rotation mais il présente de nombreux avantages comme par exemple le fait que le  système ne soit pas invasif. En effet, des mires collantes peuvent êtres choisies car leur légèreté n’ajoute pas d’inertie au système et leur mise en place ne nécessite pas de démontage de l’axe en rotation puisqu’elles n’impliquent pas de système mécanique supplémentaire. La distance entre le capteur et le système de mesure peut être très longue sans perte de signal ni de bruits inductifs ou capacitifs, sachant qu’il s’agit une fibre optique. Un gain quand il faut réaliser des mesures proches d’un moteur électrique ou thermique à la proximité du système d’allumage haute tension. Un autre avantage de la fibre optique est sa flexibilité qui lui permet d’être placée dans des endroits exigus, et il existe plusieurs options pour l’extrémité de la sonde, comme par exemple coudée afin de s’adapter au mieux à l’environnement de la mesure.
Enfin, il est possible de placer une mire linéaire à plat (comme une règle) pour mesurer une vitesse et une accélération transversale, pour une mesure d’impact ou de crash par exemple. Le capteur se déplace alors longitudinalement avec le système en accélération.

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5. Mise en œuvre d’un capteur Optel Thevon analogique et numérique avec un système NI CompactDAQ

 

Objectif des essais et mesure attendue :

Les essais présentés ici ont été effectués avec un capteur Optel Thevon 152 G7 connecté sur une mire codeuse de 60 TOPS placée sur un disque dur en rotation dont la vitesse est de 7200 tours/min (Figure n° 7 et 8). On s’attend à pouvoir visualiser la très faible variation de vitesse de rotation sur un tour ainsi que la variation de la distance entre le capteur et la surface du disque.



Figure n° 7 : disque dur modifié avec la mire et l’extrémité du capteur optique Optel Thevon

 


Figure n° 8 : matériel connecté pour les essais. Capteur 152 G7 et NI CompactDAQ


Compatibilité :

Afin de confirmer la compatibilité, il faut vérifier certains points techniques comme les niveaux de tension, les modes de connexion (différentiel ou référencé), la gamme de fréquences de la génération et de l’acquisition ainsi que le type de connectique en commun.

Tensions :

Du coté des matériels d’acquisition, il est possible de s’adapter à plusieurs types de tension allant de 5 VDC (TTL) jusqu’à 250 VDC avec, pour une majorité des systèmes une valeur inférieure à ±24 VDC.  Cependant, la vitesse des entrées isolées se réduit en fonction de l’isolation (de 55 ns à 250 µs) alors que les entrées de comptage des cartes TTL non isolées peuvent aller jusqu’à plus de 100 Mhz en 32 bits.

Fréquences 

Pour la gamme de fréquence du capteur, plusieurs choix sont possibles. Certains délivrent une gamme de 0 à 100 Khz, 0 à 500 Khz et de 0 à >1 Mhz. Les entrées des matériels d’acquisition classiques avec compteurs vont de 2 Mhz à 80 Mhz (voir 125 Mhz avec prédiviseur). Notre choix pour les essais présentés dans ce tutorial s’est fait sur un module de série C NI 9411 dont l’entrée isolée jusqu’à 24 VDC va jusqu’à 2 Mhz. Il sera suffisant pour tous les types de capteurs Optel Thevon. Par ailleurs, il est possible de connecter un capteur Optel Thevon au format TTL 5 VDC sur n’importe quelle carte compteur NI non isolée.

Connexion :

En ce qui concerne la connectique de sortie du capteur, elle est soit filaire avec un code de couleur, soit au format BNC ou personnalisé par Optel Thevon (Figure n° 9).


Figure n° 9 : schéma de câblage coté capteur


Étant donné que le capteur est proche du système de mesure et que la tension d’alimentation sera commune avec la masse du système de mesure, une connexion en mode référencé (ou masse commune) est retenue. Coté matériel de mesure, le module NI 9411 recevra le signal numérique TTL sur l’une des entrées DIa et le fil de masse du capteur sur le COM (Figure n° 10). Il faut ensuite savoir quelle entrée sera utilisée par rapport à la fonction de comptage mise en œuvre.


Figure n° 10 : schéma de câblage mode référencé et connectique du module NI 9411


Le capteur choisi pour notre démonstration dans ce tutorial est le 152M au format de sortie TTL et analogique. Sa connectique se résume à l’alimenter en tension 12 VDC de manière externe et de relier la masse en commun avec le boitier NI 9411. Cette opération a été réalisée au moyen d’un boîtier additionnel fourni par Optel Thevon qui permet d’obtenir directement l’alimentation et fournir des fiches BNC.
Afin de connaître le câblage du côté des produits de National Instruments, une méthode simple est de déclarer une tâche d’acquisition avec le driver NI DAQmx (Figure n° 11). La tâche nous indiquera alors quel branchement est nécessaire et le nombre de compteurs à utiliser. Pour cela un petit programme LabVIEW est nécessaire. Sachant que nous voulons mesurer les variations de vitesse de rotation sur un tour et donc les durées entre deux fronts (passage de la bande sombre à claire sur la figure n° 12) sur une rotation entière, il nous faut sélectionner une tâche de mesure de période bufférisée en continu. Nous aurons alors en résultat un tableau rempli en continu des valeurs des périodes.


Figure n° 11 : tâche de mesure de période par un assistant DAQ Express

 


 

Figure n° 12 : la passage des bandes sombres aux bandes claires génère des fronts dont la durée fournit la vitesse de rotation

Nous constatons que l’assistant DAQ nous propose de relier l’entrée PFI1 comme terminal d’entrée. Le câblage consistera donc à connecter DI1a (broche 2) sur la sortie TTL du fil jaune du capteur, et la masse de l’alimentation du capteur (fil vert) sur le connecteur COM (broche 12). Pour les paramètres de cadencement, ‘‘le nombre d’échantillon à lire’’ sera, pour plus de lisibilité sur un graphe, égal au nombre de secteurs sur la mire, ici 60 par exemple. Quand à la ‘’méthode de mesure’’, le choix s’est porté à la mesure sur ‘’1 compteur’’, ce qui permet d’utiliser la base de temps interne de 20 Mhz comme référence de comptage. C’est cette fréquence qui va permettre d’incrémenter le compteur pendant chaque période.
Il est important de noter qu’en utilisant cette méthode simple, plus la fréquence de base interne est élevée et meilleure sera la résolution sur la mesure de période. Si le signal d’entrée contient le maximum de 240 TOPS par tour à 7200 tours par minute, alors cela nous donne 120 tours par seconde et implique une fréquence de TOPS maximale de 28800 Hz. Soit bien inférieure à la fréquence de base de 20 Mhz ou 80 Mhz.
Pour ceux qui veulent aller plus loin dans les comptes, avec une référence de 20 Mhz on obtient une résolution de 694 pas par période (passage de sombre à clair) et avec 80 Mhz, 2777 pas. Retranscrit en variation angulaire cela correspond à une variation de 360 deg/240 TOPS  = 1,5 deg par TOP divisé par 2777 pas, soit une variation de 540 microdegrés.
La connectique de la sortie analogique est simple car il suffit de connecter une entrée analogique AI en mode référencé directement au fil blanc du capteur (ou à une entrée de module de série C en BNC), et l’entrée de référence AIGND au fil vert du capteur. Pour exploiter au mieux les mesures, il faut que la conversion analogique/numérique soit  suffisamment rapide pour détecter les amplitudes maximales des tensions issues des TOPS. Par exemple pour 60 TOPS par tour à 120 tours/s cela donne 7200 Hz. Comme il est préférable d’avoir au moins 10 points de mesure par période, soit une acquisition analogique de 72 Kéch./s, et que les cartes d’acquisition multifonctions peuvent mesurer à plus d’1,25 Méch./s, nous aurons une mesure précise.
Programme LabVIEW de test :
Le but sera d’afficher sur un graphe la variation des durées entre chaque TOP de la mire placée sur un disque dur ouvert de 7200 tours/min, en rotation. Sur un autre graphe, on affichera le signal analogique des TOPS afin de zoomer sur les variations d’amplitudes sur 1 tour. La mire choisie est une mire à 60 TOPS.
Le programme se résume à placer deux boucles ‘’tant que’’ contenant des assistants d’acquisition, l’un avec la mesure de durées des périodes en continu et l’autre avec une mesure continue sur l’entrée analogique. Afin d’afficher, une fois par tour, la valeur en clair de la vitesse de rotation, une simple division et multiplication a été ajoutée pour tenir compte du nombre de dents. (Figure n°13)

 


Figure n° 13 : programme d’exemple de la mesure de périodes et d’amplitudes sur un tour


Analyse des résultats :

Sur le graphe du haut de la figure n° 14, nous voyons après un fort zoom sur le signal analogique que la distance entre le capteur et la surface du disque varie très légèrement. Sur le graphe du dessous, nous voyons que la vitesse sur un tour oscille légèrement autour de 138,8 µs soit environ 7200 t/min.
Dans le programme il n’y a pas réellement de synchronisation entre les deux boucles : il faudrait utiliser un programme basé sur le driver NI DAQmx et partager les horloges matérielles. Il est possible également d’enregistrer les mesures directement sur disque pour un dépouillement ultérieur, par exemple avec des données d’accélération, sur une durée de quelques minutes à plusieurs heures s’il le faut.


Figure n° 14 : courbes des variations de vitesse de rotation et de distance au capteur


Possibilités complémentaires :

Tout d’abord, nous pouvons envisager d’utiliser plus de compteurs afin de prendre des mesures sur plusieurs mires placées à divers endroits d’axes ou de démultiplications. Ainsi, de manière synchrone, nous pouvons partager les horloges et comparer les déphasages et donc en déduire sur un graphe directement les torsions, donc les forces et couples engendrés.
Une autre possibilité est l’utilisation d’une mire avec un TOP noirci afin que sa durée soit le double de la valeur classique. Sur le graphe figure n° 15, nous voyons alors le signal de durée passer de 140 µs à 280 µs, la valeur de vitesse sur un tour étant très petite, le signal semble alors plat sans le zoom. Un dépouillement des valeurs du tableau des durées permet alors de repérer la position angulaire correspondante.


Figure n° 15 : le signal avec un top tour (un TOP noirci)

 

Cas de l’utilisation d’un système basé FPGA :

Un système CompactRIO est très bien adapté à ce genre de mesure car il est possible de programmer simplement grâce à LabVIEW FPGA une grande variété de solutions, matériellement, par la programmation d’un circuit logique FPGA embarqué. Ce type de système permettrait par exemple mettre en relation les mesures de vitesses angulaires, les couples et forces, comprendre un module de mesure de vibrations par des capteurs accéléromètres et gérer une régulation de la vitesse d’un moteur si besoin.

Conclusion :

Les capteurs Optel Thevon peuvent être interfacés sans difficultés aux produits de National Instruments afin de réaliser des applications de mesure d’acyclismes et de vitesse pour de nombreuses applications industrielles.

Pour plus d’informations :

Emmanuel ROSET
Ingénieur Marketing National Instruments France
emmanuel.roset@ni.com         www.ni.com/fr
Pierre-Jean Thévon
CEO de OPTEL THEVON advanced Sensing Systems
www.optel-thevon.fr

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