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Métrologie pour les Systèmes de
Nanopositionnement
Il existe deux techniques de base pour
déterminer la position des systèmes de déplacement piézoélectrique: Métrologie directe et métrologie indirecte.
Métrologie Indirecte
(Déduite)
La métrologie indirecte déduit la position de la plate-forme de la mesure de la position ou de la déformation de l'actuateur
et des autres
composants dans la chaîne de transmission. Les imprécisions de
déplacement survenant entre la commande et la
plate-forme ne peuvent pas être pris en compte.
Métrologie Directe
Avec la métrologie directe, le
déplacement est mesuré au point d'intérêt; ceci
peut être effectué, par exemple, avec un interféromètre ou un capteur capacitif. La métrologie directe est plus précise et donc mieux adaptée aux
applications nécessitant des mesures de position absolue. La
métrologie directe élimine aussi les déphasages entre le point de
mesure et le point d'intérêt. Cette différence est apparente dans les applications dynamiques multiaxiales à charge très élevée.
Métrologie Parallèle et
Séquentielle
Dans les systèmes de positionnement multiaxials on doit
distinguer la métrologie parallèle et
séquentielle.
Avec la métrologie parallèle, tous les capteurs mesurent la
position de la même plate-forme en mouvement par rapport à la même référence stationnaire.
Ceci signifie que tous les déplacements sont inclus à l'intérieur de
la boucle d'asservissement quel que soit l'actuateur qui le
produit (voir Contrôle Actif de Trajectoire). On peut intégrer facilement une
métrologie parallèle et une cinématique parallèle.
Avec la métrologie séquentielle le plan de référence d'un
ou de plusieurs capteurs est déplacé par un ou plusieurs actuateurs. Comme le mouvement multiaxial d'un plan de référence quelconque
n'est jamais mesuré, il ne peut pas être compensé.
'voir aussi
voir lien
).
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Capteurs Haute Résolution
Capteurs à Jauges de Déformation (Strain Gauge
Sensors)
Les capteurs SGS correspondent à la
mise en pratique de la métrologie déduite et sont choisis
typiquement pour des applications à prix de revient réduit. Un capteur SGS consiste
en un film résistant lié à l'empilement piézo ou à un
élément de guidage; la résistance du film varie quand se
produit une déformation. Jusqu'à quatre jauges de déformation (la configuration
réelle varie
selon la construction de l'actuateur) forment un pont de Wheatstone alimenté par une tension DC (5 à 10 V). Quand
la résistance du pont varie, l'électronique du capteur
convertit la variation de tension résultante en un signal proportionnel au déplacement.
Un modèle spécial de SGS est connu sous le nom de capteur
piézorésistif. Il possède une bonne sensibilité, mais une
linéarité et une stabilité en température médiocres. (Voir
aussi .
voir lien
).
Résolution:
meilleure que 1 nm (pour des déplacements
courts, jusqu'à 15 µm environ)
Bande Passante:
jusqu'à 5 kHz
Avantages
Bande passante élevée
Compatible au vide
Très
Compact
Autres Caractéristiques:
Faible pouvoir calorifique (puissance
d'alimentation du capteur: 0,01 à
0,05 W)
Stabilité de position à long terme dépendant de la qualité d'adhésion.
Métrologie Indirecte
Exemples
La plupart des actuateurs
LVPZT et HVPZT de PI sont disponibles avec des jauges de déformation pour
une commande en boucle fermée (voir le chap. “Actuateurs Piézos” p.voir
lien ).
Note
La bande
passante du capteur décrite ici ne doit pas être
confondue avec la bande passante de la boucle d'asservissement de la
mécanique piézo, qui est limitée en plus par les propriétés électroniques et mécaniques du système.
Transformateurs Différentiels
à Variation Linéaire (LVDT)
Les LVDT sont bien adaptés pour
la métrologie directe. Un noyau magnétique, attaché à la
pièce en mouvement, détermine la quantité d'énergie magnétique induite des bobinages primaires dans les deux bobinages secondaires différentiels. (Fig. 15). La fréquence
porteuse est typiquement de 10 kHz.
Résolution: jusqu'à 5 nm
Bande Passante :
jusqu'à 1 kHz
Répétabilité:
jusqu'à 5 nm
Avantages:
Bonne
stabilité en température
Très bonne stabilité à long terme
Le système sans contact contrôle la position de la pièce en mouvement
plutôt que la position de l'empilement piézo
Économique
Autres Caractéristiques:
Un dégazage
des matériaux d'isolation risque de limiter les
applications sous vide très poussé
Génère un champ magnétique
Exemples
P-780, p.
voir lien;
P-721.LLQ, p. 2-20.
Capteurs Capacitifs de Position
Les capteurs capacitifs sont le système de métrologie de choix
pour la plupart des applications exigeantes.
Les capteurs capacitifs à deux plaques consistent en deux plaques excitées à haute fréquence partie intégrante d'un pont capacitif (Fig. 17).
Une des plaques est fixe, l'autre plaque est connectée à
l'objet à positionner (ex. la plate-forme d'une
platine). La distance entre les plaques est inversement
proportionnelle à la capacitance, à partir de laquelle est
calculé le déplacement. Des capteurs à deux plaques, peuvent atteindre
sur de courtes distances une résolution de
l'ordre du picomètres. Voir les “Capteurs Capacitifs de Déplacement” pour plus de détails voir section pp.voir lien.
Résolution:
Meilleure que 0,1 nm possible
Répétabilité:
Meilleure que 0,1 nm possible
Bande Passante :
Jusqu'à 10 kHz
Avantages:
La résolution la plus
élevée de tous les capteurs disponibles
Idéalement adapté pour une
métrologie parallèle
Sans-contact
Excellente stabilité à long terme
Excellente réponse en
fréquence
Pas de champ magnétique
Excellente linéarité
Autres Caractéristiques:
Idéalement
adapté pour une intégration dans les systèmes de guidage à flexion, qui maintiennent le parallélisme nécessaire aux platines.
Les erreurs résiduelles d'inclinaison sont
considérablement réduites par le système de linéarisation
ILS (voir p.
see link) développé
par PI.
Exemples
P-733:
Système de
nanopositionnement cinématique parallèle avec
métrologie parallèle, voir p.
see link.
P-753: Actuateurs LISA NanoAutomation®
, voir p.
see link;
Autres exemples dans le chap. “Système de
Nanopositionnement & de Balayage” .
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Fig. 13. Capteurs à jauge de déformation.
Trombone pour un aperçu des dimensions.
Fig. 14. Capteur LVDT, (bobine et noyau) .Trombone pour
un aperçu des dimensions.
Fig. 16. Les capteurs capacitifs peuvent
atteindre une résolution 10.000 fois meilleures que les pieds à
coulisse.
Fig. 15. Principe de fonctionnement d'un
capteur LVDT
Fig. 17. Principe de fonctionnement des
capteurs de position capacitifs à deux plaques.
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