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Lintrt des capteurs magntiquesnest plus dmontrer LeffetHall, la magntostriction ou encorela magntorsistance sont couram-

ment utiliss dans des applications de mesuresde position angulaire ou linaire,pour lesquellesils prsentent de nombreux avantages.Commeil ny a pas de contact entre le corps du capteuret llment en mouvement,il ny a pas de frot-tements et pas dusure.Par rapport aux capteurspotentiomtriques classiques,leur dure de vieest donc largement suprieure, et la mainte-nance quasi inexistante. Dautre part, ils sontpeu coteux et trs robustes. Peu sensibles auxpoussires,aux projections dhuile ou de liqui-de de coupe,ils sadaptent aux environnementsles plus difficilesEn revanche, les matriaux magntiques sontsensibles au champ magntique externe, latemprature (le champ gnr par un aimantpermanent varie de 0,2 %/C) et auxcontraintes mcaniques quils subissent.Maisce qui apparat comme une limitation peutaussi savrer utile : Puisque laimantation deces matriaux varie en fonction de la temp-rature,pourquoi ne pas les utiliser dans le dve-

loppement de capteurs de temprature sanscontact? De mme, si les proprits magn-tiques dun arbre varient en fonction de la tor-sion quil subit, pourquoi ne pas utiliser ceteffet pour concevoir des capteurs de couple?Au Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble (UMRCNRS 5529), cela fait de nombreuses annesque lon a compris lintrt de ces mthodeset que lon joueavec les proprits magn-tiques des matriauxParmi les derniers sujets de recherche,la concep-tion dun capteur de position angulaire en col-laboration avec la socit Sagem.Le dbut du pro-jet dmarre il y a six ans.A lpoque,Sagem travaillealors sur le dveloppement dun capteur per-mettant de mesurer la position des papillons decarburateurs dans les moteurs automobiles. Ilpropose un cahier des charges au laboratoire,qui explore alors les diffrentes techniques uti-lisables. En raison de son faible cot et de sarobustesse, la solution magntique simpose.Il faut dire que la mthode avait dj desantcdents dans le domaine de lautomo-bile. Elle est par exemple utilise dans lescapteurs de position des volants (notammentpour dtecter les brusques changements de

direction et viter que le vhicule ne parte entte queue), ou dans les systmes de frei-nage de type ABS.Pour dvelopper son capteur, le laboratoirepart sur une ide bien prcise : utiliser unprincipe diffrentiel poursaffranchir des para-mtres qui perturbent lamesure. Il ralise alorsplusieurs essais, puischoisit une conceptionmcanique originale luipermettant datteindre cetobjectif.

Un flux qui se spare en deuxLe principe est relative-ment simple maisencore fallait-il y penser.Le capteur est schmati-quement constitu dedeux anneaux enserrantun aimant permanentmobile (en ralit, il y aun lger entrefer entre

Codeurs absolus ou incrmentaux, potentiomtres, capteurs capacitifs, inductifs pour mesurer une position angulaire, ilny a que lembarras du choix. Mais lorsquon recherche des capteurs sans usure (donc sans contact), robustes et peu co-teux, le principe magntique simpose. Si leffet Hall, la magntostriction et la magntorsistance ont fait leurs preuvesdepuis de nombreuses annes, il apparat rgulirement de nouveaux capteurs qui en combinent les avantages. Cest ainsique le Laboratoire dElectrotechnique de Grenoble a dvelopp un capteur angulaire bas sur des cellules effet Hall et uneconception mcanique originale permettant de saffranchir de toutes sortes de paramtres

Lessentiel

Grce leur robustesse et leur faible cot, les cap-teurs magntiques sontcouramment employsdans le domaine industriel,notamment pour desapplications de mesure deposition angulaire oulinaire.

Le Laboratoire dElectro-technique de Grenoble aconu un nouveau type decapteur de position angu-laire aimant permanent

Bas sur un principe diff-rentiel et un aimant tour-nant, il permet de saffran-chir des effets de latemprature et dventuelsjeux mcaniques.

M E S U R E S D E P O S I T I O N

Quand leffet Hall et un aimant tournantmesurent une position angulaire

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laimant et les deux anneaux). Laimant, enforme de demi-anneau, est solidaire delarbre dont on mesure la position angulai-re (voir schma). Lensemble forme une sor-te de bague constitue de trois anneaux,deux fixes et un mobile.Imaginons alors que larbre est en rotation.Dans son mouvement, il met laimant enrotation entre les deux anneaux fixes, autourde laxe du capteur.Le flux magntique,qui traverse laimant sui-vant la direction axiale du capteur, arrive danslanneau suprieur puis se referme via lan-

neau infrieur.Mais lanneau suprieur nest pas tout faitcomplet : son milieu, il est coup par unentrefer. Lorsque le flux magntique y par-vient, il doit donc se sparer de part et dautrede cette coupure Et cest l quintervient laposition angulaire de laimant. Cest elle, eneffet, qui va dterminer la rpartition du flux.Si la position angulaire de larbre est telle quelaimant est centr par rapport lentrefer, leflux sera galement rparti entre les deuxbranches de lanneau suprieur. Si au contrai-re laimant est dcentr par rapport len-

trefer, deux flux diffrents B1 et B2 vont tregnrs dans chacune des branches...Langle de dplacement de laimant (et doncla position angulaire de larbre en rotation)dtermine donc la valeur des champs B1 etB2.Ensuite, il ny a que des relations logiques.Quelle que soit la position de laimant, lasomme des flux est constante (puisquelleest gale au flux total gnr par laimant), etils varient tous deux linairement, en sensoppos : si lun augmente, lautre diminuedautant, et rciproquement Les courbesreprsentant les variations des deux flux enfonction de la position angulaire de laimantsont donc deux droites se croisant au pointdquilibre o B1 et B2 ont la mme valeur(position o laimant est centr par rapport lentrefer).Reste mesurer ces champs magntiques.Pourcela, deux cellules effet Hall sont places auniveau de lentrefer principal (celui par opasse le champ magntique pour rejoindrelanneau infrieur).Leur tension de sortie,quiest proportionnelle au courant dalimentationet au champ magntique qui les traverse,per-met alors de mesurer B1 et B2.Mais pas directement Si ctait le cas, lamesure serait aussitt affecte par tous lesparamtres (la temprature, par exemple)dont on cherche justement saffranchir.Cest alors que se justifie le principe diff-rentiel. Au lieu de mesurer les champsmagntiques B1 et B2, les cellules effet Hallmesurent le rapport :

S = (B2-B1) / (B1+B2)Pour cela, le courant dalimentation des cel-lules effet Hall est asservi sur la somme desflux B1 et B2. Le signal de sortie est alorsdirectement proportionnel au rapport S.Lintrt dune telle mesure diffrentielle, cestquelle rend le capteur insensible toutessortes deffets parasites. La temprature,notamment. Lorsquelle varie, B1 et B2 aug-mentent ou diminuent mais le rapport S, lui,reste toujours constant. Il en est de mme desventuels jeux mcaniques ou des dfautsdalignement du capteur. Si laimant se dca-le lgrement entre les deux anneaux qui len-tourent, le flux sera moins important sur lunedes deux branches, alors quil augmenteradans lautre. En calculant B1 et B2 spar-ment,on ne peut pas compenser cette erreur.En revanche, mme si laimant se dcale, lasomme des flux est toujours constante. Lerapport S nest donc pas affectCe capteur (et notamment sa conceptiongomtrique et son principe de mesure dif-frentiel) fait dsormais lobjet dun brevet.Ses autres caractristiques sont plus classiques.Comme la plupart des capteurs bass sur un

Type de capteur Principe Principales caractristiques

Rsistif Variation de rsistance lectrique Simple, peu onreux et compact,

par dplacement dun curseur mcanique mais dure de vie relativement faible (usure)

Magntorsistif Variation de rsistance par action Sans contact, sans usure. Risques de perturbations

dun champ magntique externe par des champs magntiques externes

Capacitif Variation de capacit par dplacement Ne fonctionne que pour de trs faibles entrefersrelatif de deux armatures

Magntostrictif Variation des proprits magntiques Permet dexploiter la magntostriction en torsion

dun barreau en fonction des contraintes (effet Wiedemann) pour raliser par exemple

appliques des capteurs de couple

Effet Hall Variation du flux magntique en fonction Sans contact, sans usure. Risques de perturbations

de la gomtrie du circuit associ par des champs magntiques externes

Inductif Variation dinductance suite lapplication Trs simple et peu onreux

dune contrainte extrieure

Optique Principe photolectrique Trs rpandu, prcis, mais demande

un environnement propre

La mesure de position, une question de principes

Mesure des flux B1 et B2Entrefers

Parties fixes

Aimant en rotation

Champs magntiques

Position angulaire

par des capteurs effet Hall

Principe du capteur angulaire aimant tournant

Le capteur angulaire est constitu de deux anneaux fixes enserrant un aimant mobile.Le flux traversant laimant se spare au niveau de lentrefer, gnrant deuxchamps B1 et B2 qui varient, en sens oppos, suivant la position angulaire de laimant.

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Solutionsprincipe magntique,sa rsolution est leve etsa prcision nest limite que par les effetsdhystrsis prsents dans les pices du circuitmagntique.Le prototype a par ailleurs t tes-t avec succs jusqu des vitesses de rotation delordre de 6 000 t/min. En termes de temp-rature, il ny a pas de limite thorique (saufcelle de laimant permanent, qui est utilisablejusqu plus de 400 C). Quant au cot, il estde lordre de quelques eurosGrce ces avantages, le capteur est dj utili-s dans certaines applications industrielles. Il anotamment t homologu pour la mesurede position des gouvernes davions dans ledomaine aronautique.Ses limites sont celles de tout capteur de posi-tion magntique :la ncessit dutiliser un arbremagntique et des matriaux dots dun faiblechamp coercitif,et la sensibilit du capteur auxchamps magntiques externesDepuis la construction de ce capteur, le Labo-ratoire dElectrotechnique de Grenoble a exploit lemme principe pour raliser un capteur deposition linaire. Il travaille galement surdes capteurs de position sans contact fonc-tionnant cette fois-ci par saturation locale de

matriaux magntiques : la mesure de posi-tion est donne par la variation dinductan-ce lie la saturation partielle dun circuitmagntique par un aimant en dplace-ment Ce capteur nest pas encore indus-trialis mais une chose est sre en tout cas :

les capteurs magntiques nont pas encorefini de faire parler deux.

MLZ*

*Article rdig partir de documents de Jean-Paul Yonnet,directeur de recherche au Laboratoire dElectrotechniquede Grenoble (UMR CNRS 5529).

Le capteur angulaire du LaboratoiredElectrotechnique de Grenoble a t prsentlors du colloque annuel de lAratem (AgenceRhne-Alpes pour la Matrise des Technologiesde Mesure), qui sest tenu le 14 octobre der-nier Champagne au Mont-dOr (69). Prs de120 industriels et chercheurs sy sont rassem-bls autour dun thme fdrateur : la mesu-re sans contact.Parmi les sujets abords, la mesure de tem-prature sans contact, les dernires technolo-gies de capteurs sans fil, ou encore limageriedans le domaine des mesures dimension-nelles et du contrle non destructif.

Cette anne, lAratem a aussi profit de cettejourne technique pour annoncer la cration,par le Ple Traabilit (quelle a fond en2001) du Centre de dmonstration des nou-velles technologies de la traabilit Valence. Un espace de 300 mtres carrsconu notamment pour promouvoir lidenti-fication par radiofrquences (RFID) auprsdes industriels.Rens. : Aratem26, rue Barthlmy de Laffemas - 26000 ValenceTl. : 04 75 78 41 80 - Fax : 04 75 78 41 81http://www.aratem.orghttp://www.tracabilite-rfid.com

Aratem 2004 : une journe pour la mesure sans contact

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