WO2009103419A1 - Procédé d'étalonnage d'un capteur de mesure - Google Patents

Procédé d'étalonnage d'un capteur de mesure Download PDF

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sensor
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Michel Bonato
Luc Buron
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Continental Automotive France
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Definitions

  • the invention relates to a method for calibrating a sensor for measuring a physical quantity within a global range of variations, the method comprising:
  • a first measuring step for determining a first series of measured values associated with a first series of known values of the physical quantity distributed over the overall range of variation and at least two values of an external condition
  • a calibration method is widely known for any type of sensor available commercially. It makes it possible to correct drifts of a sensor sensitive to an external measurement condition, for example temperature, atmospheric pressure, humidity level, etc.
  • a first series of known values of the quantity to be measured (here an angle) is chosen, preferably values distributed over the entire range of possible variations of the quantity to be measured, by example 0-180 °.
  • known angle values for example equal to 30 °, 90 ° and 150 °.
  • at least two different measurement conditions are selected, for example the ambient temperature first, and then the maximum operating temperature of the sensor, as recommended by the sensor manufacturer.
  • a first set of measured values associated with the known angle values and the selected temperature values is then determined.
  • a set of corrective parameters is determined according to the relations recommended by the manufacturer. In the example, the measurements made for three different angles and two different temperatures make it possible to determine up to six correction parameters.
  • the senor After calibration, the sensor is adapted to measure the physical quantity over the entire range of possible variation of the physical quantity and over the entire range of possible variation of the external condition, with an overall accuracy specified by the manufacturer.
  • the accuracy of the sensor can be generally increased over a restricted range of variations of the physical quantity by calibration over the restricted range. But such calibration over a restricted range causes a decrease in sensor accuracy outside the restricted range.
  • an increase in the performance of the sensor over a restricted measuring range decreases the performance of the sensor over the total range of possible variations of the physical quantity to be measured.
  • the subject of the invention is a method of calibrating a sensor that does not have the drawback of the known calibration method.
  • a method according to the invention is characterized in that it also comprises: a second measurement step, for determining an additional measured value associated with a known additional value of the physical quantity selected within a restricted range of variations included in the overall range of variations, and at least two values of the external condition, and
  • the method according to the invention provides for adjusting one of the correction parameters of the sensor from an additional measurement. on a restricted range of possible variations of the quantity to be measured.
  • the accuracy of the sensor is increased locally over the restricted range of variation.
  • a limited number of correction parameters for example one or two, the accuracy of the sensor outside the restricted range is not or is poorly degraded.
  • the choice of the additional value (s) used for the calibration and the choice of the parameter (s) to be adjusted depends on the sensor technology, the influence the one or more parameters on the accuracy of the sensor, and the restricted range on which it is desirable to increase the accuracy of the sensor.
  • a sensor for converting an actual value of the physical quantity ⁇ into an electrical signal VS1 according to a first predefined function f1 comprising a coefficient OB1 capable of deriving according to the external condition
  • f1 a coefficient of the physical quantity
  • a known additional value of the physical quantity such that a small variation of the physical quantity around said known additional value results in a significant variation of the associated electrical signal supplied by the transducer.
  • a sensor comprising a transducer as described above and a calculation means for determining (as a function of the electrical signal VS1 produced by the transducer and of the predefined function) the measured value of the physical quantity from of the electric signal reduced by a corrective coefficient OBP1 (said corrective coefficient OBP1 varying with the external condition according to a second function f2 predefined comprising at least one corrective parameter) the corrective parameter to be adjusted is by example a corrective parameter of the second predefined function associated, in the second function, with the external condition T.
  • the sensor comprises in particular:
  • a first transducer for converting an angle to be measured ⁇ into a first electrical signal VS1 according to:
  • a second transducer for converting the angle to be measured ⁇ into a second electrical signal VS2 according to:
  • VS2 sin (2 ⁇ ) + OB2
  • the coefficients OB1, OB2 correspond to offsets generated by the transducers and it is necessary to subtract from VS1 and VS2 the estimated values of the coefficients OB1, OB2.
  • the senor also comprises a calculation means for determining a measured value of the angle ⁇ to be measured according to the relation:
  • TCO1, SO1, TCO2, SO2 are corrective parameters of the temperature drift of the first transducer and the second transducer.
  • a known calibration comprising a first measurement step and a determination step as described in the prior art of the present patent application makes it possible to calibrate the sensor, that is to say to determine an optimum value of the parameters. patches TCO1, SO1, TCO2 and SO2 over the overall range of possible variation of an angle ⁇ to be measured and for temperatures likely to vary within a predefined range, so as to obtain the overall accuracy given by the manufacturer.
  • the known method is completed by:
  • a second measurement step for determining an additional measured value associated with a known additional value of the selected physical quantity within a restricted range of variations narrower than the overall range of variations, and at least two values of the external condition and
  • the second measurement step and the adjustment step make it possible to adjust the value of one of the corrective parameters TCO1, SO1, TCO2 or SO2 so as to increase the accuracy of the sensor on the sensor. limited range of variations.
  • an additional angle value of ⁇ .45 ° is chosen, ⁇ being a constant, ie a value close to 0, 45 °, 90 °, 135 °, etc.
  • ⁇ being a constant, ie a value close to 0, 45 °, 90 °, 135 °, etc.
  • ⁇ a small variation of the physical quantity to be measured, here the angle ⁇ , around said known additional value causes a large variation in the associated electrical signal supplied by the first transducer or the second transducer.
  • This 45 ° interval is due to the fact that the sine and cosine functions cancel out one or the other every 45 ° (since they are expressed in sin (2 ⁇ ) or in cos (2 ⁇ )).
  • the offsets OB1 and OB2 being relatively constant over the entire angular range of measurement for this type of sensor, the electrical signal then undergoes significant relative variations.

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Abstract

Procédé d'étalonnage d'un capteur angulaire comprenant un transducteur, pour convertir une valeur réelle de la d'une grandeur physique (Φ) comprise dans une plage globale de variations, en un signal électrique (VS1) selon une première fonction f1 prédéfinie ( VSl = cos(2Φ)+ OBl ) comprenant un coefficient (OB1) susceptible de dériver en fonction de la d'une condition externe, le procédé comprenant : - une première étape de mesure de valeurs connues de la grandeur physique dans la plage globale de variations et à au moins deux valeurs d'une condition externe, - une étape de détermination, d'un ensemble de paramètres correctifs permettant de prendre en compte une dérive du capteur en fonction de la condition externe, - une deuxième étape de mesure d'une valeur additionnelle connue de la grandeur physique choisie dans une plage restreinte de variations, et à au moins deux valeurs de la condition externe, le procédé comprenant : une étape d'ajustement d'un paramètre correctif en fonction des résultats de mesure de la deuxième étape de mesure, pour déterminer, en fonction du signal produit par le transducteur et de la fonction prédéfinie, la valeur mesurée de la grandeur physique à partir du signal diminué d'un coefficient correctif (OBP1), le coefficient correctif variant avec la condition externe selon une deuxième fonction f2 prédéfinie (OBP1 = TCO1.T + SO1) comprenant au moins un paramètre correctif, dans lequel, pour réaliser l'étape d'ajustement, le paramètre correctif à ajuster est un paramètre correctif de la deuxième fonction prédéfinie associé, dans la deuxième fonction, à la condition externe (T).

Description

Procédé d'étalonnage d'un capteur de mesure
L'invention concerne un procédé d'étalonnage d'un capteur de mesure d'une grandeur physique comprise dans une plage globale de variations, le procédé comprenant :
- une première étape de mesure, pour déterminer une première série de valeurs mesurées associées à une première série de valeurs connues de la grandeur physique réparties dans la plage globale de variation et à au moins deux valeurs d'une condition externe,
- une étape de détermination, à partir de la première série de valeurs mesurées, d'un ensemble de paramètres correctifs permettant de prendre en compte une dérive du capteur en fonction de la condition externe. Un tel procédé d'étalonnage est largement connu pour tout type de capteur disponible dans le commerce. Il permet de corriger des dérives d'un capteur sensible à une condition de mesure externe, par exemple la température, la pression atmosphérique, le taux d'humidité, etc.
Ainsi, par exemple pour étalonner un capteur angulaire de type magnétostatique, on choisit une première série de valeurs connues de la grandeur à mesurer (ici un angle), valeurs de préférence réparties sur toute la plage de variations possibles de la grandeur à mesurer, par exemple 0-180°. Pour étalonner le capteur sur la plage 0-180°, on choisit des valeurs d'angle connues, par exemple égales à 30°, 90° et 150°. Puis on choisit au moins deux conditions de mesure différentes, par exemple la température ambiante tout d'abord, et ensuite la température maximale de fonctionnement du capteur, telle que recommandée par le fabricant du capteur. On détermine ensuite une première série de valeurs mesurées associées aux valeurs d'angle connues et aux valeurs de température choisies. Enfin, on détermine un ensemble de paramètres correctifs selon les relations recommandées par le fabricant. Dans l'exemple, les mesures effectuées pour trois angles différents et deux températures différentes permettent de déterminer jusqu'à six paramètres correctifs.
Après étalonnage, le capteur est adapté pour mesurer la grandeur physique sur toute la plage de variation possible de la grandeur physique et sur toute la plage de variation possible de la condition externe, avec une précision globale précisée par le fabricant. La précision du capteur peut être généralement augmentée sur une plage restreinte de variations de la grandeur physique, par un étalonnage sur la plage restreinte. Mais un tel étalonnage sur une plage restreinte entraîne une diminution de la précision du capteur en dehors de la plage restreinte. En d'autres termes, selon le procédé d'étalonnage connu, une augmentation des performances du capteur sur une plage de mesure restreinte diminue les performances du capteur sur la plage totale de variations possibles de la grandeur physique à mesurer. L'invention a pour objet un procédé d'étalonnage d'un capteur ne présentant pas l'inconvénient du procédé d'étalonnage connu.
Pour cela, un procédé selon l'invention, par ailleurs conforme à un procédé antérieur tel que décrit ci-dessus, est caractérisé en ce qu'il comprend également : - une deuxième étape de mesure, pour déterminer une valeur mesurée additionnelle associée à une valeur additionnelle connue de la grandeur physique choisie dans une plage restreinte de variations incluse dans la plage globale de variations, et à au moins deux valeurs de la condition externe, et
- une étape d'ajustement d'un paramètre correctif précédemment déterminé en fonction des résultats de mesure de la deuxième étape de mesure.
Ainsi, après avoir étalonné le capteur, comme dans les procédés antérieurs, sur toute la plage de variations possibles de la grandeur à mesurer, le procédé selon l'invention prévoit d'ajuster un des paramètres correctifs du capteur à partir d'une mesure additionnelle sur une plage restreinte de variations possibles de la grandeur à mesurer. Ainsi, selon l'invention, on augmente localement la précision du capteur sur la plage restreinte de variation. De plus, en ajustant un nombre limité de paramètres correctifs, par exemple un ou deux, la précision du capteur en dehors de la plage restreinte n'est pas ou est peu dégradée.
Le choix de la (ou des) valeur(s) additionnelle(s) utilisée(s) pour l'étalonnage, et le choix du (ou des) paramètre(s) à ajuster dépendent de la technologie du capteur, de l'influence du ou des dits paramètres sur la précision du capteur, et de la plage restreinte sur laquelle il est souhaitable d'augmenter la précision du capteur.
Dans l'exemple d'un capteur comprenant un transducteur, pour convertir une valeur réelle de la grandeur physique φ en un signal électrique VS1 selon une première fonction f1 prédéfinie comprenant un coefficient OB1 susceptible de dériver en fonction de la condition externe, on peut choisir par exemple une valeur additionnelle connue de la grandeur physique telle qu'une petite variation de la grandeur physique autour de la dite valeur additionnelle connue entraîne une variation importante du signal électrique associé fourni par le transducteur. VSl = cos(2φ) + OBl (f1 )
Dans l'exemple d'un capteur comprenant un transducteur tel que décrit ci-dessus et un moyen de calcul pour déterminer (en fonction du signal électrique VS1 produit par le transducteur et de la fonction prédéfinie) la valeur mesurée de la grandeur physique à partir du signal électrique diminué d'un coefficient correctif OBP1 (ledit coefficient correctif OBP1 variant avec la condition externe selon une deuxième fonction f2 prédéfinie comprenant au moins un paramètre correctif) le paramètre correctif à ajuster est par exemple un paramètre correctif de la deuxième fonction prédéfinie associé, dans la deuxième fonction, à la condition externe T.
OBPl = TCOIxT + SOl (f2)
L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, d'un exemple de mise en œuvre d'un procédé selon l'invention, pour l'étalonnage d'un capteur angulaire du type magnétostatique, tel que le capteur KMA 200 ® commercialisé par la Société NXP.
Le capteur comprend notamment :
- un premier transducteur pour convertir un angle à mesurer φ en un premier signal électrique VS1 selon :
VSl = cos(2φ) + OBl 1
- un deuxième transducteur pour convertir l'angle à mesurer φ en un deuxième signal électrique VS2 selon :
VS2 = sin(2φ) + OB2 Les coefficients OB1 , OB2 correspondent à des offsets générés par les transducteurs et il est nécessaire de retrancher à VS1 et VS2 des valeurs estimées des coefficients OB1 , OB2.
Pour cela, le capteur comprend également un moyen de calcul, pour déterminer une valeur mesurée de l'angle φ à mesurer selon la relation :
Figure imgf000005_0001
avec OBP1 = TCO1 T + SO1 et OBP2 = TCO2.T + SO2, soit :
φ
Figure imgf000005_0002
où TCO1 , SO1 , TCO2, SO2 sont des paramètres correctifs de la dérive en température du premier transducteur et du deuxième transducteur. Un étalonnage connu, comprenant une première étape de mesure et une étape de détermination telles que décrite dans l'art antérieur de la présente demande de brevet permet d'étalonner le capteur, c'est-à-dire de déterminer une valeur optimale des paramètres correctifs TCO1 , SO1 , TCO2 et SO2 sur la plage globale de variation possible d'un angle φ à mesurer et pour des températures susceptibles de varier dans une plage prédéfinie, de sorte à obtenir la précision globale donnée par le fabricant. Dans le cadre de l'invention, le procédé connu est complété par :
- une deuxième étape de mesure, pour déterminer une valeur mesurée additionnelle associée à une valeur additionnelle connue de la grandeur physique choisie à l'intérieur d'une plage restreinte de variations plus étroite que la plage globale de variations, et à au moins deux valeurs de la condition externe et
- une étape d'ajustement d'un paramètre correctif précédemment déterminé en fonction des résultats de mesure de la deuxième étape de mesure.
Dans l'exemple du capteur angulaire, la deuxième étape de mesure et l'étape d'ajustement permettent d'ajuster la valeur de l'un des paramètres correctifs TCO1 , SO1 , TCO2 ou SO2 de sorte à augmenter la précision du capteur sur la plage de variations restreinte.
Pour réaliser la deuxième étape de mesure, on choisit par exemple une valeur d'angle additionnelle proche de Φ.45°, Φ étant une constante, soit une valeur proche de 0, 45°, 90°, 135°, etc. Ainsi, une petite variation de la grandeur physique à mesurer, ici l'angle φ, autour de la dite valeur additionnelle connue entraîne une variation importante du signal électrique associé fourni par le premier transducteur ou le deuxième transducteur. Cet intervalle de 45° est dû au fait que les fonctions en sinus et en cosinus s'annulent l'une ou l'autre tous les 45° (puisqu'elles sont exprimées en sin(2φ) ou en cos(2φ)). Les offsets OB1 et OB2 étant relativement constants sur toute la plage angulaire de mesure pour ce type de capteurs, le signal électrique subit alors des variations relatives importantes.
Puis, selon la valeur additionnelle choisie et pour réaliser l'étape d'ajustement, on choisira comme paramètre correctif à ajuster soit TCO1 si Φ est impair ou soit TCO2 si Φ est pair. En d'autres termes, on choisit d'ajuster le paramètre dont la contribution dans le résultat final est la plus importante, selon la valeur d'angle additionnelle choisie. Dans la pratique, une mise en œuvre du procédé selon l'invention avec un capteur KMA 200 ® a permis d'obtenir les résultats suivants :
- un étalonnage connu sur la plage angulaire 0-180° pour deux températures 25°C et 130°C permet d'obtenir un capteur de précision globale égale à 0,87° sur toute la plage 0-180° - le procédé selon l'invention, par des mesures additionnelles pour un angle de 10° et deux températures 25°C et 130°, permet d'ajuster le paramètre TCO2 (associé à la fonction sinus) de sorte à obtenir une précision de l'ordre de 0,48° sur la plage 0- 45°C, tout en conservant une précision de 1° sur la plage 45-180°.
L'expérience montre également que : - le choix d'une valeur d'angle additionnelle égale à Φ.45°, ou trop proche de Φ.45° n'est pas judicieux : ce choix permet d'augmenter fortement la précision du capteur au voisinage de la valeur Φ.45°, mais au détriment de la précision du capteur sur la plage restreinte 0-45° et au détriment de la précision sur la plage globale 0-180°, - le choix d'une valeur d'angle additionnelle au voisinage de 22.5°+ Φ.45", soit le milieu de la plage [Φ.45° ; (Φ+1 ).45°], n'est pas non plus judicieux car la précision sur la plage [Φ.45° ; (Φ+1 ).45°] peut ne pas être suffisante.
Ainsi, pour obtenir une amélioration importante de la précision sur la plage restreinte [Φ.45° ; (Φ+1).45°], sans dégrader la précision sur la plage globale Φ.180° ; (Φ+1 ).180°], on choisira de préférence la valeur additionnelle connue de la grandeur physique dans la plage [Φ.45° + 5° ; Φ.45° + 10°] ou dans la plage [(Φ+1).45° - 10° ; (Φ+1).45° - 5°].

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'étalonnage d'un capteur angulaire comprenant un transducteur, pour convertir une valeur réelle de la d'une grandeur physique (φ) comprise dans une plage globale de variations, en un signal électrique (VS1 ) selon une première fonction f1 prédéfinie (VSl = cos(2φ)+OBl ) comprenant un coefficient (OB1 ) susceptible de dériver en fonction de la d'une condition externe, le procédé comprenant :
- une première étape de mesure de valeurs connues de la grandeur physique réparties dans la plage globale de variations et à au moins deux valeurs d'une condition externe, - une étape de détermination, à partir de la première série de valeurs mesurées, d'un ensemble de paramètres correctifs permettant de prendre en compte une dérive du capteur en fonction de la condition externe,
- une deuxième étape de mesure d'une valeur additionnelle connue de la grandeur physique choisie dans une plage restreinte de variations incluse dans la plage globale de variations, et à au moins deux valeurs de la condition externe, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend également : une étape d'ajustement d'un paramètre correctif précédemment déterminé en fonction des résultats de mesure de la deuxième étape de mesure, comprenant un moyen de calcul pour déterminer, en fonction du signal électrique (VS1 ) produit par le transducteur et de la fonction prédéfinie, la valeur mesurée de la grandeur physique à partir du signal électrique diminué d'un coefficient correctif (OBP1 ), le dit coefficient correctif (OBP1 ) variant avec la condition externe selon une deuxième fonction f2 prédéfinie (OBP1 = TCO1.T + SO1) comprenant au moins un paramètre correctif, dans lequel, pour réaliser l'étape d'ajustement, le paramètre correctif à ajuster est un paramètre correctif de la deuxième fonction prédéfinie associé, dans la deuxième fonction, à la condition externe (T).
2. Procédé d'étalonnage selon la revendication 1 , pour un capteur angulaire de type magnétostatique susceptible de dériver en fonction d'une température externe, le dit capteur comprenant : - un premier transducteur pour convertir un angle à mesurer en un premier signal électrique, VSl = cos(2φ)+ OBl
- un deuxième transducteur pour convertir l'angle à mesurer en un deuxième signal électrique VS2 = sin(2φ)+OB2 _ et
- un moyen de calcul, pour déterminer une valeur mesurée de l'angle φ à mesurer selon la relation :
. 1 4 ( VSl - (TCOI xT + SOl) "\ φ = — arctan } ^-
2 1VVS2 - (TCO2 XT + SO2)J où TCO1 , SO1 , TCO2, SO2 sont des paramètres correctifs de la dérive en température du premier transducteur et du deuxième transducteur, dans lequel, pour réaliser la deuxième étape de mesure, la valeur additionnelle connue de la grandeur physique est choisie proche de Φ.45°, mais différente de Φ.45°, Φ étant une constante, et dans lequel, pour réaliser l'étape d'ajustement, le paramètre correctif à ajuster est le paramètre TCO1 si Φ est impair ou le paramètre TCO2 si Φ est pair.
3. Procédé selon la revendication 2, dans lequel la valeur additionnelle connue de la grandeur physique est choisie est choisie dans la plage [Φ.45° - 10° ; Φ.45° - 5°] ou dans la plage [Φ.45° + 5° ; Φ.450 + 10°].
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, pour réaliser la deuxième étape de mesure, la valeur additionnelle connue de la grandeur physique est choisie telle qu'une petite variation de la grandeur physique autour de la dite valeur additionnelle connue entraîne une variation importante du signal électrique associé fourni par le transducteur.
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