Les détecteurs au banc d’essai

En Suisse, environ 13% des besoins totaux en énergie servent à des fins d’éclairage. Or, si la lumière était utilisée conformément aux besoins, près de la moitié de cette consommation d’énergie pourrait être économisée.[1] On trouve désormais de plus en plus de capteurs de présence et de mouvement faisant en sorte que les luminaires ne s’allument ou ne s’éteignent qu’au bon moment et au bon endroit. Ces appareils d’éclairage qui réagissent en fonction des modifi­cations de l’environnement ou des souhaits des utilisateurs sont regroupés sous le concept de «smart lighting» (éclairage intelligent).

Grâce aux données-clés de qualité issues des capteurs, les planificateurs éclairagistes peuvent planifier de nouveaux concepts d’éclairage intérieur ou extérieur intelligent via un logiciel, et ce, avec une meilleure fiabilité. Malheureusement, il est aujour­d’hui difficile de comparer les paramètres de performance des divers détecteurs de présence et de mouvement: chaque fabricant utilise une méthode de mesure différente – et aucune approche uniforme n’existe dans ce secteur.

La naissance du projet SensLab

Afin de pouvoir mesurer et évaluer ces capteurs de manière fiable, des fabricants renommés de Suisse et d’Europe se sont regroupés au sein de l’association SensNorm [2] et ont élaboré une proposition de normalisation avec le Comité européen des constructeurs d’appareillage électrique d’installation (Cecapi). Cette demande de normalisation a été soumise à la Commission électro­technique internationale (CEI) et est désormais publiée sous le numéro de norme IEC 63180:2020 [3]. Celle-ci décrit et définit les conditions de mesure et les paramètres à déterminer pour pouvoir effectuer une mesure automatisée des détecteurs infrarouges passifs (capteurs PIR), tels que ceux présentés dans la figure de titre.

Afin de mettre la norme en pratique, l’Institut fédéral de métrologie Metas a décidé en 2020 de lancer le projet SensLab. En collaboration avec l’association SensNorm, le premier laboratoire de mesure indépendant des fabricants au monde a vu le jour. Il est capable de mesurer avec précision et de manière entièrement automatisée tous les détecteurs infrarouges de présence et de mouvement disponibles dans le commerce, et ce, conformément aux exigences de la norme IEC 63180:2020.

Comment fonctionne un capteur PIR?

Un capteur PIR est un capteur à semi-­conducteur passif capable de détecter les changements de température. À l’inverse, les technologies de capteurs à haute fréquence (HF) et à ultrasons (US) reposent sur des éléments actifs qui émettent un rayonnement dans la pièce, puis détectent et analysent le rayonnement réfléchi. La technologie PIR exploite l’effet pyro­électrique, selon lequel un changement de température dans un solide polarisé (cristal semi-conducteur) produit une tension électrique (piézo­électricité).

Paramètres de l’installation de mesure

Des mannequins montés sur des entraînements linéaires sont utilisés pour la mesure automatisée de la détection tangentielle et radiale, tandis que le capteur est monté au plafond sur un entraînement linéaire parallèle à l’axe radial. Ces mannequins simulent le corps humain et sont équipés d’éléments permettant de chauffer indépendamment leur tête, leur corps et leurs jambes. Pour la tête, une température de (14 ± 1)°C au-dessus de la température ambiante est prescrite, alors qu’une différence de température de (7 ± 1)°C est nécessaire pour le corps et les jambes (figure 1).

Une température ambiante stable est indispensable pour garantir des différences de température constantes. Elle est définie par Metas à (21,2 ± 0,2)°C. Afin de simuler des hauteurs de montage de capteur comprises entre 3,7 m et 18,5 m, des mannequins ont été construits à différentes échelles. Ainsi, pour un mannequin grandeur nature mesurant 175 cm, des mannequins réduits proportionnellement aux rapports 1:2 et 1:5 sont également utilisés.

La zone de présence (figure 2) est déterminée à l’aide d’un bras de test automatisé et également chauffé à (14 ± 1)°C au-­dessus de la température ambiante, qui reproduit l’avant-bras d’une personne. Ce bras de test simule un mouvement de l’avant-bras de 90° en une seconde et permet un mouvement horizontal et, avec une configuration supplémentaire, vertical.

Les dimensions de la salle de mesure doivent également être suffisantes pour accueillir l’installation de mesure. La salle utilisée à Metas présente une longueur de 15 m ainsi qu’une hauteur et une largeur de 5 m. Cela permet de réaliser une course de déplacement radial de 12,4 m sur l’axe longitudinal au centre de la salle et, perpendi­culairement à celui-ci, à l’extrémité de la salle, une amplitude de mouvement tangentielle de ± 1,7 m sur toute la largeur de la pièce. L’utilisation d’un mannequin au rapport 1:5 permet donc de couvrir une amplitude de mouvement de 62 m radialement et de ± 8,5 m tangentiellement. En outre, le capteur monté sur l’entraînement au plafond peut être déplacé sur une longueur de 13,6 m sur l’axe radial (figure 3). Tous les entraînements linéaires des trois axes sont conçus de manière à pouvoir déplacer une masse de 60 kg à une vitesse de 2 m/s, avec une précision de positionnement < 2 mm.

Méthode de mesure selon la norme IEC 63180:2020

La mesure radiale consiste à déterminer la zone de détection lorsqu’une personne se déplace en ligne droite de l’extrémité de la zone de détection directement vers le capteur (voir les données de mesure en vert de la figure 4a). La totalité de la plage angulaire du capteur est testée en déplaçant le mannequin vers le capteur à une vitesse définie, et ce, pour chaque angle (habituellement avec des pas de 10°). L’enregistrement de la position du mannequin par rapport au capteur au moment du déclenchement permet de représenter la zone de détection radiale dans un diagramme polaire (figure 4a).

Lors de la mesure de mouvement tangentiel, le capteur est réglé selon un angle et une position définis. Le mannequin se déplace transversalement à l’axe sur lequel est monté le capteur (habituellement de ± 0,5 m dans chaque direction, depuis l’origine correspondant à l’axe de déplacement du capteur). La plage de sensibilité mesurée du capteur est représentée dans un dia­gramme. Pour définir la zone de détection tangentielle maximale (voir les données de mesure en orange de la figure 4b), on détermine la position du capteur à laquelle un déplacement tangentiel du mannequin provoque un déclenchement. La course de déplacement tangentiel dépend de la position du capteur et correspond toujours à ± 5° (course de déplacement tangentiel totale jamais < 1 m). Cette mesure est effectuée à des positions angulaires définies du capteur sur 360° (habituellement avec des pas angulaires de 10°) et est également représentée dans un diagramme polaire.

Pour la mesure de présence, le bras de test est d’abord déplacé sur l’axe radial de sorte que le point de rotation du bras soit centré sur l’axe du capteur à la position 0 m de celui-ci. En effectuant le mouvement de 90° dans le plan horizontal aux divers angles et positions de capteur définis, on obtient une grille représentant la zone de présence (figure 4c). La mesure de présence est ensuite répétée pour le mouvement vertical, et les deux résultats sont représentés dans une grille combinée. Celle-ci indique si le capteur a détecté un mouvement pour la position de mesure correspondante.

Pour terminer, une forme géométrique idéalisée, par exemple un cercle, est superposée aux données de mesure et, conformément à la norme, on détermine les paramètres pour lesquels (le rayon dans le cas d’un cercle) un maximum de 15% des points de mesure à l’intérieur du cercle n’ont pas pu être détectés (voir les cercles bleus de la figure 4).

Tous les résultats de mesure sont résumés dans un rapport numérique. Ceci permet de proposer les données disponibles dans des formats courants, pour un traitement ultérieur lisible par machine dans des programmes de planification et de conception.

Des capteurs passifs aux capteurs actifs

L’infrastructure de mesure est actuellement axée sur la mesure de détecteurs infrarouges passifs selon les exigences des normes disponibles aujourd’hui.

Le développement des capteurs pour la commande de l’éclairage s’oriente actuellement vers des capteurs actifs, qui émettent un rayonnement ultrasons ou haute fréquence, puis détectent et analysent le rayonnement réfléchi par l’environnement. L’installation sera encore perfectionnée afin d’être prête pour les évolutions futures de ces derniers.

Références

[1] Association suisse pour l’éclairage SLG et SensNorm, «Guide pour l’utilisation de capteurs dans les applications d’éclairage», 2019, révision 5.
[2] sensnorm.com/de/, dernière consultation: 04.10.2021.
[3] IEC 63180:2020 Méthodes de mesure et qualification de la plage de détection des détecteurs – Détecteurs infrarouges passifs pour la détection de mouvements de forte et de faible amplitude, CEI, Genève, 2020.