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PRINCIPAUX CAPTEURS Un capteur est un objet technique de prélèvement de l’information qui réalise une mesure du contenu informationnel d’une grandeur physique. Sa fonction globale est de convertir une grandeur physique à mesurer en une autre grandeur physique, ac- cessible aux sens humains ou adaptée pour être transmise par un réseau à un sys- tème de traitement de l’information (grandeur électrique). La tendance actuelle est d’associer directement au niveau du capteur des éléments assurant l’adaptation de la grandeur physique de sortie (image de l’information me- surée). On parle alors d’intégration ou de « capteur intelligent ». I- Structure d’un capteur Corps d’épreuve Elément sensible Grandeur physique à mesurer Conditionnement du signal Communication Grandeur physique intermédiaire Grandeur physique mesurable Capteur Acquisition Alimentation en énergie Réseau ou bus de terrain Echange des données selon un protocole Le corps d'épreuve est l'élément influencé par la grandeur physique à mesurer. Il convertit cette grandeur en une autre grandeur physique intermédiaire, très souvent un déplacement. L’élément sensible convertit cette grandeur en une grandeur mesurable, le plus sou- vent une grandeur électrique. Le circuit qui assure le conditionnement du signal, sert à traiter la grandeur mesu- rable pour délivrer un signal de sortie ayant des caractéristiques spécifiées. Les fonc- tions assurées peuvent être multiples de la simple mise en forme et adaptation du signal à un traitement élaboré de corrections des grandeurs d’influence. Les fonctions principales d’un capteur se déduisent de sa structure : FS1 : recevoir la grandeur source FS2 : convertir la grandeur source en une grandeur mesurable

Capteur - Cahier de Prépa · Codeur de position Optique magnétique Incrémental Absolu Capteur tachymétrique Electromagnétique À impulsion Dynamo à courant continu Réluctance

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PRINCIPAUX CAPTEURS Un capteur est un objet technique de prélèvement de l’information qui réalise une mesure du contenu informationnel d’une grandeur physique. Sa fonction globale est de convertir une grandeur physique à mesurer en une autre grandeur physique, ac-cessible aux sens humains ou adaptée pour être transmise par un réseau à un sys-tème de traitement de l’information (grandeur électrique). La tendance actuelle est d’associer directement au niveau du capteur des éléments assurant l’adaptation de la grandeur physique de sortie (image de l’information me-surée). On parle alors d’intégration ou de « capteur intelligent ».

I- Structure d’un capteur

Corps

d’épreuve

Elément

sensible

Grandeur

physique

à mesurer

Conditionnement

du signalCommunication

Grandeur

physique

intermédiaire

Grandeur

physique

mesurable

Capteur

Acquisition

Alimentation

en énergieRéseau ou bus

de terrain

Echange

des données

selon un protocole

Le corps d'épreuve est l'élément influencé par la grandeur physique à mesurer. Il convertit cette grandeur en une autre grandeur physique intermédiaire, très souvent un déplacement. L’élément sensible convertit cette grandeur en une grandeur mesurable, le plus sou-vent une grandeur électrique. Le circuit qui assure le conditionnement du signal, sert à traiter la grandeur mesu-rable pour délivrer un signal de sortie ayant des caractéristiques spécifiées. Les fonc-tions assurées peuvent être multiples de la simple mise en forme et adaptation du signal à un traitement élaboré de corrections des grandeurs d’influence. Les fonctions principales d’un capteur se déduisent de sa structure : FS1 : recevoir la grandeur source FS2 : convertir la grandeur source en une grandeur mesurable

Principaux capteurs 2

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FS3 : être alimenté en énergie FS4 : être lié à un support Exemple : Etude fonctionnelle d’un anémomètre.

Saisir Convertir

Energie électrique

Contact électriqueTurbine à godets

Vitesse

du ventSignal

électrique

Rotation des

aimants

Trois aimants permanents solidaires de la girouette provoquent, par tour, trois fer-metures successives du contact électrique.

II- Classification Plusieurs classifications sont possibles. On peut citer :

II-1 Classification par la nature du signal de sortie Capteurs logiques ou capteurs TOR : Le signal de sortie ne présente que deux ni-veaux Capteurs analogiques : le signal délivré est la traduction de la loi de variation de la grandeur physique mesurée Capteurs numériques : le signal est codé au sein du capteur.

II-2 Classification par la grandeur physique mesurée Parmi les capteurs les plus courants, on distingue : les détecteurs TOR ou de proximité, pour la commande séquentielle les capteurs de déplacements et de vitesse pour la commande d’axe les capteurs de température, de débit et de pression pour la commande de proces-sus continus.

III- Détecteurs de proximité Ces capteurs sont principalement utilisés dans les systèmes séquentiels. Ils délivrent une information sur la présence ou l’absence d’un élément. Ces capteurs sont appe-lés également « capteurs TOR ». Ce ne sont ni des capteurs de déplacement, ni des capteurs de position, ni des capteurs tachymétriques.

III-1 Détecteurs mécaniques à contact Une action mécanique directe permet de fermer ou d’ouvrir un ou plusieurs contacts électriques.

Principaux capteurs 3

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La gamme des interrupteurs de position est très étendue.

III-2 Détecteurs de proximité capacitifs

III-2-1 Principe de fonctionnement Un détecteur de proximité capacitif est principalement constitué d’un oscillateur dont le condensateur est formé par deux électrodes placées à l’avant de l’appareil.

Oscillateur Mise en forme

Etage de sortie

Champ électrique

Air r = 1

C = C0

Electrode

Oscillateur Mise en forme

Etage de sortie

Air r > 2

C = C1

Electrode

Objet

CLICK!

Dans l’air )1( r , la capacité du condensateur est Co. r est la constante diélec-

trique, elle dépend de la nature du matériau. Tout matériau dont 2r sera détecté.

Principaux capteurs 4

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Lorsqu’un objet de nature quelconque )2( r se trouve en regard de la face sen-

sible du détecteur, ceci produit une augmentation de la capacité et l’arrêt des oscilla-tions.

III-2-2 Avantages Pas de contact avec l’objet à détecter Cadences de fonctionnement élevées Pas de pièce en mouvement Détection d’objets de toutes natures, conducteurs ou non conducteurs tels que : métaux, minerais, bois, plastique, verre, carton, cuir, ….

III-2-3 Types de détecteurs a-Détecteurs noyables dans leur support Ces capteurs sont utilisés pour la détection de matériaux isolants (bois, plastique, carton, verre, ….) Les distances de détection sont relativement faibles. On peut ef-fectuer la détection d’un matériau non conducteur à travers une paroi elle-même non conductrice (détection de verre à travers un emballage en carton). b- Détecteurs non noyables dans leur support

Ces capteurs sont utilisés pour la détection de matériaux conducteurs (métal, eau, li-quides,….). La détection peut s’effectuer à grande distance du matériau conducteur, à travers une paroi isolante. On peut également détecter un matériau non conducteur placé sur ou devant une pièce reliée à la masse.

a : champ de compensation (élimination de la contamination

extérieure)

b : champ électrique principal

Principaux capteurs 5

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III-3 Détecteurs de proximité inductifs

III-3-1 Principe de fonctionnement Un détecteur inductif détecte uniquement les objets métalliques. Il est essentiellement composé d’un oscillateur dont les bobi-nages constituent la face sensible. A l’avant de la face sensible est créé un champ magnétique alternatif.

La bobine parcourue par un courant de haute fréquence produit dans l’espace envi-ronnant ses extrémités un champ électromagnétique variable. Un objet métallique placé dans cette zone est le siége de courants induits appelés courants de Foucault. D’après la loi de Lenz, ces courants s’opposent à la cause qui leur a donné nais-sance. Il créent une induction dans le sens contraire à l’induction de la bobine ce qui entraîne une réduction du coefficient d’auto-induction de la bobine excitatrice. Dans le cas de métaux ferromagnétiques, une perte additionnelle est due à l’effet d’hystérésis lors de la magnétisation du métal par le champ de la bobine excitatrice. Dans les deux cas, cela se traduit par un signal d’amplitude réduite au niveau de la bobine excitatrice. C’est cette baisse d’amplitude qui est détectée par l’analyseur de signal. Exemple d’utilisation : capsuleuse de bocaux

Principaux capteurs 6

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Cames

Capteurs inductifs

Deux cames métalliques sont rapportées sur le vérin rotatif. Deux capteurs inductifs permettent de connaître les positions extrêmes du vérin.

III-3-2 Avantages Pas de contact physique, donc pas d’usure et possibilité de détecter des objets fra-giles Cadences de fonctionnement élevées Très bonne tenue aux environnement industriels

III-4 Interrupteur magnétique à lame souple Ce capteur est constitué par un boîtier à l’intérieur duquel est placé un contact électrique métallique souple sensible au champ magné-tique. Lorsque le champ magnétique est dirigé vers la face sensible du capteur, le contact se ferme.

Ce type de capteur est souvent utilisé pour contrôler la position d’un vérin, un aimant per-manent est alors monté sur le piston.

N

S

Face sensible

N

S

Aimant

permanent

Lignes de

champ

Principaux capteurs 7

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Capteur Capteur

III-5 Détecteurs photoélectriques Ces capteurs réagissent lorsque le faisceau lumineux est coupé

Système barrage

Système de proximité

Principaux capteurs 8

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Système reflex

On utilise : les détecteurs barrage pour la détection des matériaux opaques les détecteurs reflex pour la détection d’objets non réfléchissants les détecteurs de proximité pour les objets réfléchissants lisses ou translucides.

IV- Capteurs de position et de déplacement

Capteur de

déplacement

Résistif Potentiomètre

Inductif

Capacitif

Transformateur différentiel

Synchro-résolver

Surface variable

Epaisseur variable

Codeur de

position

Optique

magnétique

Incrémental

Absolu

Capteur

tachymétrique

Electromagnétique

À impulsion

Dynamo à courant continu

Réluctance variable

Effet Hall

Optique

IV-1 Potentiomètres Ce sont des composants de faible coût et faciles à mettre en œuvre, mais le principe de captage de la tension de mesure par un curseur mécanique en limite l’emploi.

Principaux capteurs 9

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Les potentiomètres sont exécutés selon deux technologies : bobiné et à piste conti-nue en plastique conducteur. Les déplacements en rotation sont possibles sur un tour ou plusieurs tours, des versions rectilignes sont également disponibles. Le curseur du potentiomètre est solidaire de la pièce en mouvement dont il est isolé électriquement. Il frotte sur la piste bobinée ou continue. La piste du potentiomètre est caractérisée par sa résistance Rn. La tension de me-sure vm est acquise entre le curseur C et la borne 0, c’est à dire aux bornes de la

résistance Rx ou R . Pour un potentiomètre alimenté par une source idéale de ten-sion E le résultat suivant est obtenu :

RouRxRn

EVm soit utilouLE

Vmoux

Exemple d’utilisation : Orientation de la roue sur le chariot filoguidé

Potentiomètre

de recopieMoteur à

courant

continu

On remarque que l’alimentation du moteur à courant continu s’effectue avec deux fils. Par contre trois fils entrent dans le boîtier du potentiomètre de recopie.

IV-2 Transformateur différentiel

IV-2-a Capteur à entrefer variable

Principaux capteurs 10

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L’inductance L de ce capteur vaut :

0

20 ..

x

ANL

avec

0 : perméabilité magnétique dans le vide N : nombre de spires A : l’aire de l’entrefer x0 :distance de départ de l’entrefer La variation de l’inductance est donnée

par le relation : ....1...2

..2

0002

20

x

dx

x

dxdxx

ANdL

La sensibilité dx

dl est d’autant plus élevée que x0 est faible. Elle ne peut être consi-

dérée constante que pour de très petits déplacements, limités en général à 1 mm. On peut accroître la sensibilité et réduire la non-linéarité en disposant un noyau et un bobinage placés symétriquement par rapport à l’armature mobile.

IV-2-b Capteur à noyau plongeur Ce capteur est un transformateur qui délivre une tension proportionnelle au dépla-cement d’un noyau ferromagnétique prolongé d’une tige amagnétique dont l’extrémité est en contact avec l’objet en mouvement. Le bobinage primaire est alimenté par une tension sinusoïdale dont l’amplitude et la fréquence sont stabilisées. Deux bobinages secondaires identiques lui sont couplés, et l’amplitude des tensions induites V1 et V2 varie en fonction de la position du noyau. C’est la différence 21 VVVm qui est captée. Elle s’annule pour la position

centrale du noyau Quand le noyau s’éloigne vers une extrémité, l’amplitude de Vm croît. Au passage par zéro, Vm subit une discontinuité de phase de 180°, sa détec-tion est utilisée pour caractériser algébriquement le déplacement.

Entr

efe

r v

aria

ble

x

Principaux capteurs 11

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Le noyau et les bobinages, enrobés de résine époxy, n’ont pas de contact physique entre eux. La quasi-absence de frottement confère à ce capteur une durée de vie pratiquement illimitée. Le transformateur peut être rendu étanche et résistant à la corrosion chimique, sup-porter des pressions élevées (200 bars) ainsi que des températures extrêmes (-200°C, 600°C). Exemple d’application : mesure du déplacement de la membrane de pompe

Pompe

à membrane

Mécanisme de

transformation

de mouvements

Capteur de position

IV-3 Synchro-résolveur Ce sont des transformateurs à couplage angulaire variable possédant un ou plu-sieurs enroulements bobinés au primaire et au secondaire. Le rotor modifie en tour-nant le couplage entre les enroulements statoriques et rotoriques suivant une loi tri-gonométrique (sinus/cosinus) de sa position. Les bobines du rotor sont accessibles électriquement soit par un système de collecteur-balais, soit sans contact par l’intermédiaire d’un transformateur à secondaire rotatif. Conçus initialement pour des applications aéronautiques civiles et militaires, leur uti-lisation s’est étendue aux machines outils et aux robots en raison de leur robustesse, de leur grande précision et de leur fiabilité.

Considérons le cas simple de deux enroulements disposés au stator et au rotor (fi-gure a). L’un, alimenté par une source de tension sinusoïdale, constitue le primaire du transformateur (indice p). L’autre (secondaire d’indice s) délivre une tension de sortie aux bornes d’une charge.

Principaux capteurs 12

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La figure b indique la source de tension équivalente vue des bornes de sortie.

ssZ est l’impédance du secondaire lorsque le primaire est en court-circuit (Vp = 0) et

la tension au secondaire a pour valeur efficace sin..00 VpKVs .

Une synchro-machine est caractérisée par trois bobinages identiques. Un résolveur comporte deux enroulements identiques mais séparés, en quadrature spatiale.

IV-4 Capteurs capacitifs à surface variable La position angulaire est mesurée par la variation de capacité d’un condensateur différentiel constitué par exemple de trois secteurs, deux fixes (S1, S2) et un mobile

Sn couplé mécaniquement au rotor dont on souhaite connaître l’angle de rotation .

La variation des capacités C1 et C2 est détectée par une structure en pont alimentée par une tension sinusoïdale V.

La tension Ud est égale à la différence des tensions V1 et V2 donc VM

Ud

avec M l’angle d’ouverture.

Principaux capteurs 13

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IV-5- Codeurs rotatifs opto-électroniques

LED infrarougeDisque

Phototransistor

On distingue deux grandes familles de capteurs : les codeurs incrémentaux dont le principe, basé sur le comptage ou le décomptage de bits, ne permet pas de connaître la position dans l’absolu mais la situe par rapport à une position de référence. les codeurs absolus qui fournissent une information codée sur la position réelle sans avoir recours à une référence ; un système complémentaire, comportant un train d’engrenages et un autre disque, indique le nombre de tours de rotation et on obtient ainsi un codeur absolu.

IV-5-1 Codeur incrémental

Le disque d’un codeur incrémental comporte 2 types de piste une ou plusieurs pistes exté-rieures (voies A et B) comportant n intervalles égaux alternativement opaques et transparents. Le nombre d’intervalles n définit la ré-solution ou le nombre de périodes du codeur une piste intérieure comportant une seule fente, servant de position de référence et permettant une réi-

nitialisation à chaque tour.

Principaux capteurs 14

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Signal en sortie du codeur incrémental

Principaux capteurs 15

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Ie2

Ie1

Ua2

Ua1

Pas de mesure

La deuxième piste permet d’augmenter la résolution du capteur et de déterminer le sens de rotation du disque :

Rotation horaire

Rotation trigonométrique

Dans le sens horaire, le front montant de A intervient lorsque B = 1 Dans le sens trigonométrique, le front montant de A intervient lorsque B = 0

Principaux capteurs 16

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L’utilisation d’un codeur incrémental nécessite la mise à zéro du compteur à sa mise sous tension. Pour connaître le déplacement angulaire , on compte le nombre d’impulsions et on le multiplie par le pas. Pour connaître la vitesse angulaire, on compte pendant un temps imparti le nombre d’impulsions que l’on multiple par le pas et que l’on divise par le temps. Lors d’une panne électrique, l’information de position est perdue. Il faut effectuer une initialisation du système.

IV-5-2 Codeur absolu Le disque d’un codeur absolu comporte n pistes concentriques divisées en segments égaux alter-nativement opaques et transparents. A chaque piste est associé un couple émetteur-récepteur. La piste intérieure est composée d’une moitié opaque et d’une moitié transparente. La lecture de cette piste donne le bit le plus fort et détermine dans quel demi-tour on se trouve. La piste suivante est divisée en quatre quarts alternativement opaques et transpa-rents. La lecture de cette piste, combinée avec celle de la piste précédente, permet de déterminer dans quel quart de tour on se situe. Les pistes suivantes permettent de déterminer dans quel huitième de tour, seizième de tour, etc. , on se situe. Au bout d’un tour complet, le codeur délivre les mêmes valeurs. Le codeur absolu multitours, outre la position numérique dans un tour, délivre le nombre de tours effectués Exemple d’utilisation : robot

Principaux capteurs 17

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Moteur à

courant continu

Réducteur

Codeur incrémental

IV-5-3 Codages utilisés

Code binaire Code Gray

Le code binaire est directement exploi-table pour effectuer des calculs mais il présente l’inconvénient d’avoir plu-sieurs bits qui changent d’état entre deux positions. Exemple :

3 4

B1 1 0

B2 1 0

B3 0 1

B4 0 0

Principaux capteurs 18

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Le code Gray présente l’avantage de ne changer qu’un seul bit entre deux nombres consécutifs Exemple :

3 4

B1 0 0

B2 1 1

B3 0 1

B4 0 0

La représentation ci-dessous montre les 24 premières valeurs décimales correspon-dant à la lecture des cinq premières pistes

Un codeur absolu délivre en permanence un code qui est l’image de la position réelle du mobile à contrôler. Dès la première mise sous tension ou dès le retour de tension après une coupure, le codeur délivre une information directement exploitable.

Principaux capteurs 19

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IV-6 Génératrice tachymétrique La force électromotrice E induite dans une machine à courant continu est proportion-nelle à la vitesse de rotation.

E

U

i

R

L

Schéma électrique équivalent

de l’induit

Pour un flux réglé constant par l’usage d’aimants permanents, à haute stabilité ther-mique, la tension recueillie entre les deux balais de la machine, fonctionnant en gé-

nératrice est directement proportionnelle à la vitesse de rotation. dt

diLiREU .

Ces machines, de petite taille, sont de conception soignée souvent avec un rotor sans fer associé à un système balai collecteur en graphite-cuivre. Le circuit magné-tique est constitué par un aimant en deux parties, creux, traversé par l’axe rotorique, associé à un tube ferromagnétique permettant la fermeture des lignes de champ dans la machine. Exemple d’utilisation : Mesure de la vitesse du câble support d’un télésiège

Poulie motrice

entraînant le câble

Poulie en contact

avec le câble

Génératrice

tachymètrique

Transmission du

mouvement par un

système poulies

courroie

(multiplicateur)

Principaux capteurs 20

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IV-7 Capteur tachymètrique à impulsions ou codeurs magnétiques Ces appareils comportent : Un codeur incrémental, optique ou magnétique, délivrant deux trains de signaux rectangulaires en quadrature Une unité de conversion fréquence tension fournissant une tension continue algé-brique de valeur absolue proportionnelle à la fréquence des signaux, le signe de la tension définissant le sens de rotation.

IV-7-1 Capteur utilisant la réluctance variable La réluctance des circuits magnétique suivants

varie en fonction de x ou .

On montre que la réluctance dans le cas a s’exprime par xf

l

SR .2

.

1

0

avec

0 perméabilité dans le vide , f la perméabilité relative, l la longueur moyenne des

lignes de champ dans la partie ferromagnétique et S la section constante du tube de

flux. L’inductance de ce circuit vaut donc x

f

l

SnxL

.2

..)(

02

Exemple : capteur pour système de freinage ABS

1 : câble blindé 2 : aimant permanent 3 : corps du capteur 4 : support 5 : noyau en fer doux 6 : bobine 7 : entrefer 8 : roue dentée munie de marque de référence

Principaux capteurs 21

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IV-7-2 Capteur utilisant l’effet Hall Une plaquette semi-conductrice à électrons majoritaires est alimentée par une source de courant continu qui la traverse dans le sens de la longueur. Perpendiculai-rement aux lignes de courant est appliqué un champ d’induction magnétique crée par un aimant ou une bobine inductrice.

Les électrons, de charge –q, animés de la vitesse nV

subissent la force de Lorentz

BnVqF

. qui dévie leur trajectoire vers l’un des faces. La face (ABCD) se charge

négativement et, en raison de la neutralité, la face opposée (EFGH) devient positive.

La tension de Hall est donnée par la relation : d

BIRV HH. avec HR la constante de

Hall Application : Maquette d’étude de l’équilibre d’un arbre en rotation

Capteur à effet HallAimant

V- Capteurs de déformation

Principaux capteurs 22

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Jauge de déformation La résistance ohmique d'un fil conducteur est donné par la relation suivante : R =

.l / s

: résistivité du métal en Ω.m-1 l : longueur du fil en m, s : section du fils en m². Si on tire sur ce fil, il va s'allonger (l augmente) et sa section va se réduire, sa ré-sistance va donc augmenter (l/s augmente). L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du double.

La variation de résistance est mesurée à l’aide d’un pont de Wheatstone.