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Chapitre 2

La detection deposition/proximite

2.1 Introduction

Un detecteur de position est un element de mesure ayant un contactavec lobjet dont on doit verifier sil occupe une position donnee. Une seuletechnologie est utilisee, ce sont les interrupteurs de fin de course.

Un detecteur de proximite est un element de mesure detectant si un ob-jet est present a` proximite sans avoir de contact avec lobjet. La detectionsope`re par des effets physiques que lobjet peut produire sur le detecteur,sans contact. Il existe 4 technologies :

Detecteur de proximite inductif : lobjet est detecte par ses effets surun champ magnetique emis par le detecteur. Detecteur de proximite capacitif : lobjet est detecte par ses effets sur

un champ electrique emis par le detecteur. Detecteur de proximite photoelectrique : lobjet est detecte par ses

effets sur un faisceau de rayonnement optique. Detecteur de proximite ultrasonique : lobjet est detecte par ses effets

sur une onde ultrasonique emise par le detecteur.

Ces quatre technologies doivent etre envisagees dans lordre dans lequelelles ont ete enumerees. Ainsi, il faut en premier lieu envisager lutilisationdun detecteur de proximite inductif. Si lobjet a` detecter est non-metalliqueou trop loin, il faut utiliser une autre technologie. En second lieu, il faut envi-sager lutilisation dun detecteur capacitif. Si lobjet est trop loin, ou na pas

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50 CHAPITRE 2. LA DETECTION DE POSITION/PROXIMITE

assez deffet sur un champ electrique, il faut passer a` la technologie suivante.Celle-ci sera la technologie optique pour la detection. Si lenvironnement oulobjet fait en sorte que cette technologie ne fonctionne pas, il reste le der-nier et ultime choix, la detection de proximite ultrasonique. Et, si memecette technologie ne fonctionne pas, il faut se demander sil est absolumentnecessaire de faire la detection sans contact.

Lutilisation dun detecteur de proximite save`re une bien meilleure solu-tion dans les cas ou la vitesse de lobjet a` detecter est rapide. Lusage duninterrupteur de fin de course dans ces conditions est difficile, car limpactde lobjet risque dendommager linterrupteur de fin de course (et lobjetlui-meme).

Dans les cas ou lobjet a` detecter est petit et/ou fragile, le detecteur deproximite save`re la seule solution exploitable. La commutation dun inter-rupteur de fin de course exige de la part de lobjet une force minimale quunobjet de petite masse ne peut atteindre. De plus, le contact entre linter-rupteur de fin de course et un objet fragile risque de rayer la surface de cedernier.

Les detecteurs de proximite posse`dent des portees qui varient de lordre de25 microme`tres a` un bout de lechelle jusqua` 200 me`tres pour lautre bout.Les signaux generes sont des signaux logiques tout-ou-rien. Ces detecteursnont aucune pie`ce mecanique mobile contrairement aux interrupteurs de finde course. Ils sont utilises dans une foule dapplications industrielles : controlede presence ou dabsence de pie`ces, controle de fin de course, detection depassage de pie`ces, positionnement de pie`ces, comptage de pie`ces, barrages deprotection, etc...

2.2 Interrupteur de fin de course

Un detecteur de position (Figure 2.1) est un capteur mieux connu sous lenom dinterrupteur de fin de course. Puisque cest un detecteur, par definitionil fournit en sortie un signal logique evoluant entre deux etats (tout ou rien).Linterrupteur de fin de course exige un contact avec lobjet a` detecter. Cecontact a` lieu au niveau de lorgane de commande. Divers types dorganes decommande sont disponibles sur le marche (Figure 2.2), pour sadapter auxdivers objets que le detecteur doit pouvoir detecter. Ce choix est important,

1. Source de limage de la Figure 2.1 en page 51 : www.inotek.com

2.2. INTERRUPTEUR DE FIN DE COURSE 51

Figure 2.1 Interrupteur de fin de course 1

car un mauvais choix dorgane de commande peut entraner des dommagessur lobjet a` detecter et/ou linterrupteur de fin de course.

De lorgane de commande, un mecanisme mecanique transmet les deplace-ments de lorgane de commande vers lelement de contact. Cet element decontact est un contact sec (relais) commande mecaniquement. Ce contact a`une duree de vie limitee, car les cycles douverture et fermeture du contactprovoquent a` long terme une fatigue mecanique. Selon les mode`les, la dureede vie est variable, mais generalement cest autour de 30 millions doperations(ou de cycles).

Le type de contact peut prendre diverses formes au niveau electrique(voir Figure 2.3). Le contact peut etre a` simple action ou a` double action.Un contact a` simple action ne fait quouvrir ou fermer un circuit electriquealors quun contact a` double action fait une selection entre deux circuitsdifferents, ouvrant un circuit en fermant lautre et vice versa.

Le contact peut etre a` simple ou a` double rupture. Un contact a` simplerupture ne comprend quun seul point du circuit qui souvre. Un contact a`double rupture comprend deux points du circuit qui souvre, permettant unplus grand pouvoir de coupure.

Le contact peut etre unipolaire, bipolaire et meme quadripolaire. Celacorrespond simplement au nombre de contacts qui sont actionnes lors de lacommutation de linterrupteur de fin de course.

Une caracteristique importante des interrupteurs de fin de course, cest le

2. Source de limage de la Figure 2.2 en page 52 : product-image.tradeindia.com


Figure 2.2 Organes de commande 2

pouvoir de coupure des contacts. Il sexprime de deux facons. Cest la tensioncontinue ou alternative maximale qui peut etre coupe sans risque de claquage(varie de 1 a` 380 volts, selon le relais utilise). Cest aussi le courant maximalqui peut etre coupe (variant de 1 milliampe`re a` plusieurs ampe`res).

Linterrupteur de fin de course est utilise pour detecter quun objet est a` la... fin de course dun actionneur. On lutilise comme securite pour sassurerque certaines composantes de machines restent a` linterieur de zones bienprecises.

Un interrupteur de fin de course etant un detecteur electromecanique, ilfaut sassurer de deplacer les organes de commande a` linterieur certaineslimites pour eviter les dommages a` linterrupteur (et a` lobjet a` detecter).

En Figure 2.4 sont montres deux types dorganes de commande. En hautcest lorgane de type poussoir et en bas cest un levier.

A sa position de repos, le poussoir est a` sa pleine extension, qui estrepresente par la distance FP (Figure 2.4). Lorsque le poussoir est enfonce,la distance minimale est representee par TTP. La difference entre FP et TTPest appele la course totale (TT total travel) et il faut sassurer de ne jamaisexceder cette course.

Dans le cas du levier, a` sa position de repos, il est en FP et il peut tournerdun angle maximal represente par TT jusqua` la position TTP quil ne fautjamais depasser (Figure 2.4).

2.2. INTERRUPTEUR DE FIN DE COURSE 53

Figure 2.3 Types de contact dun interrupteur de fin de course

Pour eviter les commutations intempestives qui pourraient reduire laduree de vie du relais, les commutations ouvert-ferme (representes par OP)et ferme-ouvert (represente par RP) ne se produisent pas au meme endroit(Figure 2.4). Par exemple, dans le cas du levier, lorsque lobjet a` detecterentre en contact avec celui-ci, il faut le tourner dun angle superieur a` PTpour que le contact electrique se ferme. Puis, lorsque lobjet seloigne, le levierretourne a` sa position de repos (grace a` un ressort de rappel dans le relais)et lorsque langle du levier est inferieur a` RP, le contact souvre. Langle MDrepresente le angle de decalage entre louverture et la fermeture du relais. Lememe principe sapplique au poussoir.

La Figure 2.5 montre un exemple graphique des points de commutationde relais ayant un organe de commande de type poussoir et un autre ayantun organe de commande de type levier. Les deux relais ont deux contacts,lun normalement ouvert (11-12) et lautre normalement ferme (13-14).

Lorsque que lobjet a` detecter sapproche et entre en contact avec le relaisa` poussoir il doit enfoncer le poussoir de plus de 2.5 mm pour avoir unecommutation indiquant la detection de lobjet (Figure 2.5). En seloignant,lobjet doit permettre au poussoir detre enfonce de moins de 1.3 mm pourque le relais commute et indique la non-detection, La course totale du relaisest de 6 mm. De meme, pour le relais a` levier, lobjet est detecte lorsque lelevier tourne de 25 et nest plus detecte lorsque langle retombe sous les 10,la course mecanique totale du levier etant de 90.


Figure 2.4 Limites mecaniques et points de commutation des organes decommande

Figure 2.5 Points de commutation des relais

2.3. DETECTEUR DE PROXIMITE INDUCTIF 55

2.3 Detecteur de proximite inductif

Figure 2.6 Detecteur de proximite inductif 3

Un detecteur de proximite inductif (Figure 2.6) detecte tout objet qui aun effet sur un champ magnetique. Donc, le detecteur de proximite inductifdetectera uniquement des objets metalliques. Tout objet non-metallique nesera pas detecte.

Ce detecteur comporte un circuit oscillateur qui envoie une tension alter-native dans une bobine localisee au bout du capteur (Figure 2.7). Un champmagnetique alternatif est emis au bout du capteur. Si un objet metallique sepresente dans ce champ magnetique, il y aura apparition dun courant induit,dit courant de Foucault (les anglophones le designent sous le nom de courantdEddy). Le courant de Foucault qui apparat dans lobjet metallique prele`vede lenergie au circuit oscillateur. Lamplitude et la frequence de loscillateurchange lorsquun objet est present. Plus lobjet est pre`s, plus lamplitudediminue (Figure 2.8).

Figure 2.7 Schema de principe du detecteur de proximite inductif 4

A` partir de la reponse de loscillateur, une tension de sortie est obtenue vialelectronique de detection (Figure 2.8). Tout comme pour les interrupteurs

3. Source de limage de la Figure 2.6 : www.festo.com4. Dessin de la Figure 2.7 inspire dun schema trouve chez : Turk Inc.


Figure 2.8 Fonctionnement dun capteur de proximite inductif

de fin de course, les niveaux de commutation (on-off et off-on) sont decalespour eviter une oscillation intempestive de la sortie lorsque le signal est pre`sdes seuils de commutation.

La distance a` laquelle la presence dun objet provoque la commutationest nommee portee nominale. Mais, la portee depend de la taille de lobjetmetallique. Un objet plus volumineux sera le sie`ge dun courant de Foucaultdont lintensite totale sera plus grande que dans un objet moins volumineux.Donc, plus denergie sera prelevee de loscillateur et il sera detecte plus loinquun objet plus petit.

Pour que le manufacturier puisse donner des specifications standards, ilutilise une cible standard (un objet metallique) dont lepaisseur est egale a`un millime`tre. Les autres dimensions de la cible (longueur et largeur) sontdefinies, par exemple, en prenant la plus grande des deux valeurs suivantes : le


Figure 2.9 Portee nominale dun capteur

diame`tre du detecteur et le triple de la portee nominale (3). Cette methode,utilisee pour determiner la dimension de la cible standard, peut varier dunmanufacturier a` lautre. Il faut donc verifier lapproche utilisee par le manu-facturier pour etablir la taille de la cible qui a` servi a` determiner la porteedu capteur.

Il faut etre conscient que si la dimension de lobjet diffe`re de celui de lacible standard, cela peut avoir un effet sur la portee. Pour assurer de faireune detection a` la portee nominale, il est recommande que la cible a` detectersoit plus grande ou egale a` la cible standard.

Dans lexemple donne dans la Figure 2.9, il faut choisir la plus grandevaleur entre : 18 mm et 3 5 mm = 15 mm. Ainsi la cible devra avoir commedimension minimale 18 mm 18 mm 1 mm.

Figure 2.10 Effet des tolerances de fabrication

La portee nominale dun detecteur de proximite inductif est generalemententachee dune tolerance de 10 % en raison des composantes electroniques


Figure 2.11 Effet cumule des tolerances de fabrication et de la temperature

utilisees (Figure 2.10). Pour un detecteur ayant une portee nominale de 5millime`tres, cela implique que certains capteurs ne detecteront la cible qua`4.5 millime`tres alors que dautres la detecteront a` 5.5 millime`tres. Le cas leplus pessimiste pour la portee cest la distance de 4.5 millime`tres. A` cettedistance, les detecteurs fonctionnent a` coup sur.

Mais, il faut aussi prendre en compte leffet de la temperature sur la porteedu detecteur (Figure 2.11). Cet effet provoque un 10 % supplementaire devariation sur la portee du detecteur et il se cumule avec le10 % de tolerance.Cela donne donc au total une portee resultante pouvant varier de 0.81 a` 1.21fois la portee nominale. Donc, dans notre exemple, cela donne une plage de4.05 a` 6.05 millime`tres de portee. Le pire cas, cest la portee minimale de4.05 millime`tres. On ne peut pas garantir la detection de la cible si elle est a`plus de 4.05 millime`tres de distance.

Donc, la portee nominale donnee par le manufacturier ne doit etre conside-ree qua` titre indicatif, car la portee reelle peut etre inferieure.

Un autre effet a` prendre en compte, cest le type de metal de la cible quia un impact sur la portee du detecteur de proximite inductif (voir la Table2.1). Ceci est cause par le fait que les metaux ne sont pas tous egaux dansleur reaction a` un champ magnetique variable. Ainsi, le courant de Foucaultgenere dans une cible en acier doux (Mild Steel) sera plus grand que dansune cible en cuivre, ce qui fait que lacier doux sera plus facile a` detecter quele cuivre.

Pour etablir la portee nominale, les manufacturiers utilisent habituelle-ment une cible en fonte (cast iron). Si la cible est dun autre metal, il fautcorriger la portee pour en tenir compte. Ainsi, une cible en cuivre exige de


multiplier la portee par 0.3 (Table 2.1), ce qui me`nerait la portee de detectiongarantie de notre exemple de 4.05 millime`tres a` 1.215 millime`tres.

Table 2.1 Facteur de correction de la portee en fonction du metal de lacible

Metal de la cible Facteur de correction de la porteeAcier inoxydable serie 400 1.15

Fonte 1.10Acier doux (DIN 1623) 1.00

Feuille daluminium (0.05 mm) 0.90Acier inoxydable serie 300 0.70

Laiton MS63F38 0.40Aluminium ALMG3F23 0.35

Cuivre CCUF30 0.30

Il faut faire attention a` la facon dont la cible sapproche du detecteurde proximite inductif (Figure 2.12). Dans le cas ou la cible sapproche dudetecteur de facon laterale, elle devrait passer a` une distance de 0.5 fois (a`0.75 fois selon les divers manufacturiers) la portee nominale, ceci pourassurer que la detection de produise a` un endroit donne avec un maximumde repetabilite. Ce qui peut etre important dans certaines applications ou` ledetecteur est utilise pour verifier que la cible a` atteint une certaine position.

La (Figure 2.12) met aussi en evidence une hysteresis entre le point dedetection et le point de non detection. Cet hysteresis represente generalementmoins de 15 % de la portee et permet deviter la commutation intempestivelorsque la cible est a` une distance de lordre de la distance de detection/nondetection.

Re`gles de montage

Les detecteurs de proximite inductif existent en deux versions : blinde(shielded en Figure 2.13), ou non-blinde (nonshielded en Figure 2.14). Undetecteur non-blinde a` une portee plus grande quun detecteur blinde. Tou-tefois, un detecteur non-blinde ne peut etre noye dans le metal, alors quundetecteur blinde permet ce genre dinstallation (Figure 2.15).

6. Source de la Figure 2.12 en page 60 : Turk Inc.7. Source de la Figure 2.13 en page 60 : Turk Inc.8. Source de la Figure 2.14 en page 61 : Turk Inc.


Figure 2.12 Les diverses approches de la cible par rapport au detecteur 6

Figure 2.13 Detecteur de proximite inductive blinde 7


Figure 2.14 Detecteur de proximite inductive non-blinde 8

Dans le cas ou un capteur non-blinde doive etre noye dans le metal, ilfaut faire un lamage dun diame`tre egal a` 3 fois le diame`tre du detecteur etdune profondeur de 2 fois la portee nominale (Figure 2.15, dessin de droite).Dans tous les cas, il faut sassurer quune surface metallique, faisant face audetecteur, soit a` au moins 3 fois la portee nominale pour sassurer quelleninterfe`re pas avec le detecteur.

Un detecteur blinde ne doit pas etre monte a` proximite dun autre detecteurblinde (Figure 2.16). Il faut sassurer que les deux detecteurs soient a` au moinsdeux fois leur diame`tre, sils sont montes cote a` cote. Sils se font face, il fautalors prevoir une distance de 4 fois la portee nominale entre les deux facesde detection des capteurs.

Le meme genre de re`gle sapplique pour un detecteur non-blinde (Figure2.17), mais sils sont montes cote a` cote, il faut alors prevoir une distanceegale a` au moins 3 fois le diame`tre. Si des detecteurs blindes et non-blindeescohabitent, les distance recommandees par le detecteur non-blinde doiventprimer.

Bilan et resume

Ces detecteurs sont robustes et fiables. Ils ne detectent que les metaux.Les portees disponibles sur le marche vont de 25 microme`tres a` 6 centime`tres.Enfin, puisque ces detecteurs utilisent des principes bases sur le magnetisme,

9. Source de limage de la Figure 2.15 en page 62 : www.electronicdesign.com


Figure 2.15 Re`gles de montage dun capteur de proximite inductif 9

Figure 2.16 Re`gles de montage de plusieurs capteurs de proximite inductifsblindes

2.4. DETECTEUR DE PROXIMITE CAPACITIF 63

Figure 2.17 Re`gles de montage de plusieurs capteurs de proximite inductifsnon-blindes

ils sont sensibles aux champs magnetiques. Il faut donc eviter de les utiliserdans un environnement ou` des champs magnetiques sont presents.

2.4 Detecteur de proximite capacitif

Un detecteur de proximite capacitif (Figure 2.18) detecte tout objet quia un effet sur un champ electrique. Donc, le detecteur de proximite capacitifdetectera les objets dont la constante dielectrique relative est suffisammentdifferente de celle de lair et les objets metalliques qui viennent modifier lageometrie du champ electrique.

Figure 2.18 Detecteurs de proximite capacitifs 10

10. Source de limage de la Figure 2.18 en page 63 : http ://webxel5.co.uk


Tout comme les detecteurs de proximite inductifs, les detecteurs de proxi-mite capacitifs ont aussi un circuit oscillateur. Mais, cette fois-ci, cest unchamp electrique qui est emis par la face sensible du capteur. Lorsquunecible sapproche de la face sensible, sa presence affecte lintensite du champelectrique et la capacitance du condensateur forme par les plaques du detec-teur (Figure 2.19).

Figure 2.19 Schema de principe dun detecteur de proximite capacitif 11

Loscillation generee par loscillateur sattenue lorsque la cible est presente,et lamplitude de loscillation est utilisee pour generer un signal logique ensortie, selon quelle soit inferieure ou superieure a` certains seuils, ce qui in-dique quil y a detection ou non-detection dun objet.

Dans le cas dun objet non-metallique, la principale voie de detectionest via le changement de la constante dielectrique du milieu present dansle champ electrique du condensateur. Par exemple, pour un condensateurconstitue de deux plaques conductrices, la capacitance est :

C = r0A

d(2.1)

avec A, la surface des plaques ; d la distance entre les plaques, 0 = 8.8541012 F/m la constante dielectrique du vide et r la constante dielectrique re-lative du materiaux entre les deux plaques. En variant la constante dielectriquerelative r, cela change la capacitance (voir Table 2.2).

Dans le cas dun objet metallique, cest le changement de geometrie de lacapacitance qui est detectee.

La portee nominale dun detecteur de proximite capacitif depend de lataille de la cible a` detecter. Lepaisseur de la cible est de un millime`tre au

11. Source de limage de la Figure 2.19 en page 64 : Turk Inc.

2.4. DETECTEUR DE PROXIMITE CAPACITIF 65

Table 2.2 Constantes dielectriques relatives de divers materiaux

Materiau Constante dielectrique relativeAir 1.000264

Acetone 19.5Farine De 2.5 a` 3.0Verre De 3.7 a` 10.0

Marbre 8.5Glycerine 47

Polypropyle`ne De 2.0 a` 2.2Sel 6Eau 80

Bois sec De 2 a` 6Bois humide De 10 a` 30

minimum. La largeur et longueur de la cible doit etre trois fois la porteenominale du capteur. Par exemple, un detecteur de proximite capacitif ayantune portee nominale de 20 millime`tres exige une cible dau moins 60 mm 60 mm 1 mm.

La portee est entachee dune tolerance de fabrication de 10 %. Donc,un detecteur ayant une portee nominale de 20 millime`tres aura une porteevariant de 18 a` 22 millime`tres. La detection de la cible est assuree si sadistance au detecteur est de 18 millime`tres ou moins. La portee est aussientachee par les variations de temperature qui vient ajouter un 20 %. Cequi me`ne a` une fourchette de portee de 0.72 a` 1.32 fois la portee nominale.Ce qui pour le detecteur pris en exemple, me`ne a` une valeur minimale de14.4 millime`tres. A` cette distance, la detection est assuree.

Limportance de leffet de la cible sur le champ electrique depend de saconstante dielectrique (si la cible est non-metallique). La portee nominale estetablie pour une cible ayant une constante dielectrique de lordre de 80. Si laconstante dielectrique est differente, alors il faut corriger la portee comme lemontre la Figure 2.20. Ainsi, si la constante dielectrique de la cible etait de 10,la portee serait 60 % de la portee nominale et ainsi, si on reprend lexemple dudetecteur avec une portee nominale de 20 millime`tres, on trouve finalementune portee de 8.64 millime`tres pour cette cible.

Il nest pas evident detablir la constante dielectrique dun objet a` detecter.

13. Source de limage de la Figure 2.20 en page 66 : Turk Inc.


Figure 2.20 Portee du detecteur en fonction de la constante dielectrique 13

Pour faciliter la tache, un potentiome`tre est accessible pour ajuster la sen-sibilite du capteur. Cela permet dajuster la sensibilite du detecteur poursassurer de detecter la cible.

Dans certaines applications, lenvironnement peut etre poussiereux et/ouhumide ce qui peut entrainer des depots de matie`re ou de condensation sur laface sensible du detecteur. Cette contamination de la face sensible peut causerune fausse detection de cible par le detecteur. Dans un tel environnement,il est recommande dutiliser un detecteur ayant un champ de compensation(Figure 2.21).

Le champ de compensation est un champ electrique qui na lieu qua` unetre`s courte distance de la face sensible. Lorsquune contamination de la facesensible a` lieu, cela influence a` la fois le champ de compensation et le champelectrique principal. Alors que lobjet a` detecter ninfluence que le champelectrique principal.

Cela permet donc de distinguer entre lobjet a` detecter et la contamina-tion, ce qui elimine les fausses detections.

Tout comme le detecteur de proximite inductif, le detecteur de proximitecapacitif vient en deux versions : blinde et non-blinde. Pour ce qui est delinstallation de ces detecteurs, des re`gles similaires a` celle des detecteursde proximite inductifs sappliquent. Toutefois, verifiez les distances avec lemanufacturier.

2.5. DETECTEUR DE PROXIMITE PHOTOELECTRIQUE 67

Figure 2.21 Champ de compensation

Bilan et resume

Le detecteur de proximite capacitif detecte tous les materiaux. Ces cap-teurs peuvent etre tre`s sensibles pour detecter une cible. Toutefois, ils sontaussi sensibles aux variations de lenvironnement, i.e., les variations de tempe-rature et dhumidite. Ces deux parame`tres changent sensiblement la constantedielectrique. La portee de ces capteurs est de lordre de quelques centime`tres.

2.5 Detecteur de proximite photoelectrique

Les detecteurs de proximite photoelectriques (Figure 2.22) permettent ladetection dune cible qui affecte la trajectoire dun faisceau lumineux.

Un detecteur de proximite photoelectrique exige un emetteur et un recep-teur rayonnement lumineux. Lemetteur assure davoir un signal lumineuxque le recepteur pourra distinguer de lensemble des signaux lumineux (eclai-rage, soleil, ...) quil recoit.

Lemetteur (Figure 2.23) comprend un oscillateur dont le but est den-voyer un train donde carree a` la diode electroluminescente (DEL). La DEL

14. Source de limage de la Figure 2.22 en page 68 : hellopro.fr


Figure 2.22 Detecteur de proximite photoelectrique 14

emet un signal lumineux oscillant dont la frequence est de quelques kilohertz.Cest grace a` cette frequence particulie`re que le recepteur (Figure 2.24) seraen mesure de distinguer ce signal lumineux dans lensemble du rayonnementlumineux recu par le recepteur.

Figure 2.23 Circuit de lemetteur du faisceau lumineux

Le phototransistor du recepteur capte la lumie`re et elle est amplifieepour pouvoir detecter plus facilement le signal lumineux en provenance delemetteur. Le demodulateur extrait le signal du lemetteur, si celui-ci estdetecte. Il peut ne pas etre detecte, soit parce quun obstacle bloque le pas-sage du signal lumineux, soit parce que le signal lumineux est noye danslensemble des signaux lumineux recus par le recepteur.

Les diodes electroluminescentes (DEL) utilisees dans lemetteur emettentdans la bande de 600 a` 700 nanome`tres pour les DEL rouges et dans la bandede 850 a` 950 nanome`tres pour les DEL infrarouges (Figure 2.25).

La Figure 2.26 montre la reponse spectrale dun phototransistor compareeaux spectres demission des DEL rouges et infrarouges et le spectre demissiondu soleil.


Figure 2.24 Circuit du recepteur detectant le faisceau lumineux

Figure 2.25 Spectre electromagnetique

Cette Figure montre bien que les DEL infrarouges sont les mieux adapteespour un detecteur de proximite optique, car le spectre demission posse`deune plus grande amplitude que les DEL infrarouges. De plus, la reponse duphototransistor est meilleure dans la plage de frequence de la DEL infrarouge.Le soleil et les autres formes declairage sont des sources de perturbations deces detecteurs.

Dans certaines applications, lencombrement des emetteurs recepteurspeut forcer lusage de fibre optique pour transporter le signal lumineux.

Il existe plusieurs configurations (ou methodes) possibles pour les detecteursde proximite photoelectriques :

La methode de la barrie`re ; La methode retro-reflective ; La methode diffuse ; La methode convergente ; La methode du champ fixe ; La methode speculaire.Chacune des methodes sera abordee dans les sous-sections qui suivent.


Figure 2.26 Reponse spectrale dun phototransistor et spectres demissiondes DEL

2.5.1 La methode de la barrie`re

Figure 2.27 Methode de la barrie`re

La methode de la barrie`re consiste a` mettre lemetteur et le recepteurface a` face, comme montre en Figure 2.27. En labsence dobjet, le faisceauenvoye par lemetteur est recu par le recepteur. Lorsquun objet se presente,il coupe le faisceau et le recepteur ne recoit plus de lumie`re. La coupure dufaisceau lumineux par lobjet provoque donc sa detection.


Figure 2.28 Le faisceau efficace et les obturateurs

Toutefois, lobjet doit etre dune part opaque et dune dimension plusgrande que le faisceau efficace du detecteur. Le faisceau efficace est definipar la dimension des lentilles de lemetteur et du recepteur qui definissentrespectivement le faisceau demission et le champ visuel du recepteur (Figure2.28).

Pour augmenter la precision de ce syste`me et ainsi detecter des objetsplus petits, on peut ajouter des collimateurs pour reduire la taille du faisceauefficace (Figure 2.29). Toutefois, lusage de ces collimateurs peut avoir commeconsequence de reduire la portee. Par exemple, si la lentille de 2 centime`tresde diame`tre, dun emetteur, est equipee dun collimateur ayant une ouverturede 1/2 centime`tres, lintensite lumineuse est reduite a` (1/2 cm)2/(2 cm)2 =1/16 soit le un seizie`me de lintensite lumineuse initiale. Et, cette reductiondouble si le recepteur est equipe identiquement.

Figure 2.29 Le faisceau efficace ajuste par des collimateurs

Sans collimateurs, ce syste`me permet des portees (distance emetteur/recepteur) jusqua` 200 me`tres (700 pieds).


2.5.2 Methode retro-reflective

Figure 2.30 Methode retro-reflective

La methode de la barrie`re implique davoir un recepteur et un emetteurlocalises a` deux emplacements differents, avec le cablage necessaire allanta` ces deux endroits. Une approche qui evite ce proble`me, cest la methoderetro-reflective (Figure 2.30). Lemetteur et le recepteur sont montes dansle meme boitier et un reflecteur est utilise pour retourner le faisceau vers lerecepteur. Comme la methode de la barrie`re, si le faisceau nest pas obstruepar un objet alors le faisceau lumineux reflechit est detecte par le recepteur.Lorsque lobjet coupe le faisceau le recepteur ne le recoit plus et lobjet estdetecte.

Toutefois, si lobjet posse`de un grand pouvoir reflechissant, il peut nepas etre detecte car le recepteur continue a` recevoir le signal lumineux emispuisque lobjet le reflechit vers le recepteur. Si cest le cas, on peut profiterdes lois de loptique et faire en sorte que le faisceau reflechit par lobjet passea` cote du recepteur. Il suffit de faire en sorte que la normale de la surface(droite perpendiculaire a` la surface) de lobjet soit orientee dun angle deplus de 10 par rapport a` la direction ou est situe le capteur. Si cela nestpas possible, il faut alors recourir a` la methode de la barrie`re.

Autre solution possible, cest dutiliser un detecteur de proximite photo-electrique dote de filtres polarisants (Figure 2.31). Le faisceau lumineux emispar le capteur est passe au travers dun filtre polarisant. Lorsque de la lumie`repolarisee frappe le reflecteur prismatique, la polarisation subit une rotationde 90. Un autre filtre insere avant le recepteur laissera passer cette lumie`re,assurant une detection en labsence dobstacle.

Si un objet reflechissant vient sinterposer devant le reflecteur, la lumie`re


Figure 2.31 Detection avec lumie`re polarisee

polarisee quil reflechit ne subit pas cette rotation de 90. Le filtre au niveaudu recepteur stoppe cette lumie`re qui nest pas polarisee correctement etainsi, labsence de signal lumineux implique la detection de lobjet, meme siil est tre`s reflechissant. Toutefois, la portee du capteur sera reduite.

La taille du faisceau efficace est determinee par la taille du miroir pris-matique utilise. Plus le miroir est grand plus le diame`tre du faisceau effectifest large. Donc, pour augmenter la precision pour pouvoir detecter de pe-tits objets, le diame`tre du miroir doit etre inferieur a` la taille de lobjet a`detecter.

La portee de detecteurs utilisant la methode retro-reflective peut allerjusqua` environ 23 me`tres. Si lemetteur est un LASER, alors la portee peutaller jusqua` 70 me`tres.

2.5.3 Methode diffuse

Lorsque lobjet est tre`s reflechissant, cela provoque des proble`mes avecla methode retro-reflective. Toutefois, si lobjet est reflechissant, on peutlutiliser comme miroir pour reflechir le faisceau lumineux de lemetteurvers le recepteur (Figure 2.32). Cela correspond a` une methode dite methodediffuse.

La portee est beaucoup plus faible quavec les deux methodes abordeesdans les deux sous-sections precedentes, elle est denviron 1.8 me`tre maxi-mum. La portee depend du niveau de reflectivite de la surface de lobjet.Idealement, il faudrait que la normale de la surface de lobjet pointe vers le


Figure 2.32 Methode diffuse

capteur pour maximiser la portee et faciliter la detection.

La portee sera affectee par le niveau de reflectivite de lobjet. Plus lareflectivite de lobjet est faible, moins il reflechira de lumie`re vers le detecteuret plus lobjet sera difficile a` detecter. Ce point sera aborde dans la Sous-section 2.5.7 qui porte sur la marge de fonctionnement.

2.5.4 La methode convergente

Figure 2.33 Methode convergente

La methode convergente sapplique bien aux objets translucides. Le cap-teur detecte lobjet lorsquil est aux environs du point focal, i.e., dans la zonede detection correspondant a` la profondeur de champ du capteur. La porteede ce type de detecteur est de 150 millime`tres (6 pouces) maximum.


2.5.5 La methode du champ-fixe

Figure 2.34 Methode du champ-fixe

La methode du champ fixe sapplique bien aux objets minces, ou encorelorsque larrie`re plan peut perturber la detection de lobjet parce que proche.Le recepteur est equipe de deux detecteurs, lun detectant les objets pre`s ducapteur, lautre detectant les objets loin du capteur. Il y a donc une distance(cutoff distance) a` partir de laquelle on conside`re lobjet trop loin. Il nestdonc pas detecte au-dela` de cette distance. A` une distance moindre, si lobjetest dans la zone de detection, il sera detecte puisque le detecteur R1 est celuiqui recevra la majorite de la lumie`re reflechie.

La portee est de 400 millime`tres.

2.5.6 La methode speculaire

La methode speculaire permet de detecter un objet mat (comme du tissu)sur une surface reflechissante. La portee est de 400 millime`tres maximum. Elleutilise simplement un emetteur et un recepteur, comme pour la methode dela barrie`re, mais ils sont places pour tirer profit des lois de loptique (Figure2.35).

En labsence dobjet, le signal de lemetteur est reflechit par la surfacevers le recepteur. Lorsquun objet est present, la quantite de lumie`re reflechieest beaucoup moindre et la detection a` lieu.


Figure 2.35 Methode speculaire

2.5.7 Marge de fonctionnement, contraste et patrons

Marge de fonctionnement

Pour permettre un choix eclaire, les detecteurs de proximite photoelectri-ques ont un parame`tre important, la marge de fonctionnement (en anglais :excess gain). La marge de fonctionnement est une mesure indiquant quellepuissance de detection est disponible pour le capteur photoelectrique, au-dela`de la puissance requise pour detecter un objet.

La marge de fonctionnement MF sexprime par le rapport suivant :

MF =Energie recue au detecteur

Seuil du comparateur(2.2)

Pour une portee donnee, lorsque la marge de fonctionnement est egale a`1.0, cest lenergie lumineuse recue est tout juste suffisante pour etre detecteedans des conditions parfaites. Pour quun detecteur de proximite photoelectri-que puisse fonctionner correctement, la marge de gain doit etre superieurea` 1.0.

En pratique, comme le milieu industriel nest pas ideal, les conditionsideales sont loin detre remplies. Les cibles minimums de marge de fonctionne-ment requises (ou recommandees) sont enumerees en fonction des conditionsdoperation dans la Table 2.3.

Chaque detecteur photoelectrique posse`de une courbe de la marge defonctionnement en fonction de la distance de la cible. La forme de la courbe


Table 2.3 Guide des cibles minimums des marges de fonctionnement enfonction de lenvironnement

Marge de Environnement auquelfonctionnement le capteur est soumis

minimale requise1.5 Environnement propre : aucune poussie`re

ne se depose sur les lentilles et reflecteurs.5 Environnement lege`rement sale :

leger depot de poussie`re, de saletes, dhuile,de moisissures, etc. sur les lentilles ou

les reflecteurs ; les lentilles sontnettoyees sur une base regulie`re.

10 Environnement moderement sale :Contamination evidente des lentilles ou desreflecteurs, mais pas totale ; les lentilles sontnettoyees de facon occasionnelle ou quand

cest necessaire.50 Environnement tre`s sale :

Contamination importante des lentilles ou desreflecteurs ; Brouillard, poussie`re, fumee ou

film dhuile ; nettoyage minimal des lentilles.

varie selon la methode de detection. Les axes des graphiques de marges defonctionnement sont logarithmiques.

Dans le cas dun detecteur utilisant la methode de la barrie`re, cette courbeest montree en Figure 2.36. Cest une droite et celle qui est en Figure 2.36croise la marge de fonctionnement de 1.0 a` la portee nominale du capteur cequi correspond ici a` 60 me`tres. Dans un environnement tre`s sale (MF = 50),la portee se reduit a` environ 8.5 me`tres.

Si le detecteur utilise la methode retro-reflective, la courbe ressemble a`celle qui apparait en Figure 2.37. La courbe sapparente a` une parabole etpresente un sommet. Elle croise la ligne de marge de fonctionnement de 1.0a` 0.08 me`tre et 9 me`tres. Cest la plage de distance ou le reflecteur doit etrelocalise. Pour un environnement moderement sale (MF = 10), la plage dedistance se reduit a` la zone de 0.2 a` environ 4.2 me`tres.

Si le detecteur utilise la methode diffuse, la courbe ressemble a` celle quiapparait en Figure 2.38. Laxe horizontal identifie la plage de distance dans


Figure 2.36 Marge de fonctionnement methode de la barrie`re (exemple)

Figure 2.37 Marge de fonctionnement methode retro-reflective (exemple)


Figure 2.38 Marge de fonctionnement methode diffuse (exemple)

laquelle la face de lobjet a` detecter doit etre localisee. La portee nominale estdenviron 430 millime`tres. La courbe en Figure 2.38 montre que le capteurnest pas apte a` fonctionner dans un environnement tre`s sale, car la margede fonctionnement maximale de ce capteur est environ de 30.

Patrons de detection

Un autre element a` prendre en compte, cest le patron de detection dudetecteur (exemple : Figure 2.39). La forme de ce patron depend de lamethode de detection tout comme les courbes des marges de fonctionnement.

Dans le cas de la methode de la barrie`re, la courbe (Figure 2.39) representela position ou devrait etre localise le recepteur par rapport a` lemetteur.

Lemetteur est localise a` la coordonnee (0,0) et le recepteur doit etrelocalise a` linterieur de la zone montree. Par exemple, si le recepteur estlocalise a` 36 me`tres de lemetteur, il ne devra pas etre decale de plus denviron0.8 me`tres de laxe de lemetteur. Avec ce graphique, le manufacturier doitfournir une information supplementaire : la largeur du faisceau effectif qui,pour le capteur utilise dans lexemple de la Figure 2.39, est de 13 millime`tres.Le faisceau effectif est beaucoup plus etroit que la largeur du lobe du patronde detection qui est denviron 1.6 me`tres.


Figure 2.39 Patron de detection methode de la barrie`re (exemple)

Dans le cas de la methode retro-reflective, le patron de detection identifiela localisation du reflecteur par rapport au detecteur (Figure 2.40). Le lobede detection ne passe pas par la coordonnee (0,0) du detecteur. Il y a doncun angle mort ou le reflecteur ne peut etre localise, car la lumie`re est reflechieprincipalement vers lemetteur lorsque le reflecteur est trop proche. Leffet decet angle mort a` faible distance du miroir apparait clairement sur la courbede la marge de fonctionnement en Figure 2.37.

Dans le cas de la methode diffuse, le patron de detection identifie la zoneou lobjet doit etre localise pour etre detecte (Figure 2.41). Si lobjet est a`lexterieur de cette zone, il ne sera pas detecte. Si lobjet pene`tre a` linterieurde cette zone, il ne sera pas forcement detecte. Pour quil le soit, il faudraquil puisse retourner une certaine quantite de lumie`re.

La marge de fonctionnement et le patron de detection sont etablis enfonction de lenvironnement du detecteur de proximite optique. Il faut aussiprendre en compte la taille de lobjet a` detecter, sa couleur, la texture de sasurface et sa faculte de bloquer le faisceau lumineux. Il faut aussi prendre encompte larrie`re plan derrie`re lobjet.

Les courbes de marge de fonctionnement et du patron de detection dundetecteur base sur la methode diffuse sont etablies pour une cible de test enpapier Kodak ayant une reflexion lumineuse de 90 %. La Table 2.4 montreque la reflectivite depend du materiel de la cible a` detecter. Auquel cas, ilfaut le prendre en compte pour la portee du capteur et le positionnement decette cible.


Figure 2.40 Patron de detection methode retro-reflective (exemple)

Table 2.4 Tableau des reflectivites relativesMateriel Reflectivite (%) Marge de

fonctionnement requisePapier test Kodak blanc 90 % 1

Papier blanc 80 % 1.1Ruban-cache (masking tape) 75 % 1.2

Plastique transparent 40 % 2.3Palette en bois (propre) 20 % 4.5

Neopre`ne noir 4 % 22.5Aluminium brut 140 % 0.6Acier inoxydable 400 % 0.2

Aluminium anodise noir 50 % 1.8


Figure 2.41 Patron de detection methode diffuse (exemple)

Le contraste

Le contraste est un autre element a` considerer. Le contraste permetdevaluer si la detection sera aisee ou non. On conside`re deux conditions :

1. la quantite de lumie`re recue en condition eclairee Lumeclairee (Cettelumie`re recue provient de lemetteur, du reflecteur ou de la cible selon la methode de detection) ;

2. la quantite de lumie`re recue en condition non-eclairee Lumsombre (Cettelumie`re provient de lenvironnement et devrait etre de plus faible in-tensite, parce que lobjet bloque le faisceau lumineux ou en raison delarrie`re plan selon la methode de detection).

Il est exprime par le rapport suivant :

Contraste =LumeclaireeLumsombre

(2.3)

Si le contraste est trop faible, il y a un grand risque de fausse detectionou de non detection de la cible. Il faut donc sassurer davoir le contrastele plus eleve que possible pour assurer que le detecteur fonctionne de faconfiable. La Table 2.5 enume`re diverses recommandations et commentaires, enfonction du contraste. Idealement, il faudrait donc rechercher un contrastede 3 ou plus.

A` titre dexemple, supposez quun detecteur de proximite optique utilisantla methode diffuse ait a` distinguer une cible ayant une reflectivite de 60 %


Table 2.5 Recommandations a` suivre en fonction du contrasteContraste Recommandations

Inferieur a` 1.2 On doit obligatoirement considererune autre approche de detection.

De 1.2 a` 2 Contraste tre`s mauvais : Utiliser des detecteursayant loption AC-coupled qui

amplifient les variations brusques de luminosite.Toutefois, leur sensibilite peut etre source

de proble`mes.De 2 a` 3 Contraste pauvre : lenvironnement

devrait etre propre et sassurerquaucune variation des parame`tres

de detection (couleur, distance,. . . ) ne vienneperturber la mesure.

De 3 a` 10 Bon contraste : de petites variations peuventetre tolerees sans risque daffecter

la fiabilite de detection.Superieur a` 10 Excellent contraste : La detection reste

fiable tant que la marge de fonctionnementest suffisamment elevee.


dun arrie`re plan ayant une reflectivite de 25 % (qui est malencontreusementdans le champ de detection du capteur). Cela donne un contraste egal a` 60/25,soit 2.4. Ce contraste nest pas tre`s eleve, mais le detecteur pourrait quandmeme fonctionner, en autant que la cible passe toujours a` la meme distance,conserve son orientation et que sa couleur ne change pas. Et, en autantque lenvironnement soit tre`s propre (avec une maintenance minutieuse dudetecteur).

Parmi les solutions possibles, on pourrait deplacer le lieu de detectionde la cible plus loin du mur (qui sera alors hors du champ de detection) oupeinturer le mur avec une couleur mate ayant une reflectivite plus faible.

Dans le cas ou le contraste est faible, on peut utiliser la variation deluminosite plutot que la luminosite elle meme pour indiquer la detection dunobjet. Cette option identifiee AC-coupled rend le capteur plus sensible,mais cela peut causer des proble`mes sil y a trop de variations de luminositea` lendroit ou est le detecteur de proximite photoelectrique.

2.5.8 Detecteur ultrasonique

Les detecteurs de proximite ultrasoniques (Figure 2.42) permettent ladetection dun objet, independamment de la matie`re qui le compose, sa cou-leur, et sa transparence. Ce detecteur est relativement robuste et fiable dansun environnement industriel.

Figure 2.42 Detecteur ultrasonique 15

Le principe de fonctionnement est semblable aux detecteurs de proximitephotoelectrique. Un signal ultrasonique est emit par un emetteur et detectepar un recepteur.

15. Source de limage de la Figure 2.42 : www.bannerengineering.com16. Source de limage de la Figure 2.43 : Osiprox


Figure 2.43 Schema de principe dun detecteur ultrasonique 16

La Figure 2.43 est utilisee pour expliquer le principe de fonctionnement.Un oscillateur (1) envoie un signal a` un transducteur piezoelectrique (2). Cesignal (de 200 a` 500 kHz) est envoye pendant quelques millisecondes et faitvibrer le transducteur qui emet alors un ultrason. Lultrason se propage danslair et ira frapper un objet si celui-ci est present dans le champ demissiondu detecteur. Lecho revient vers le detecteur.

Apre`s lemission dun signal, le transducteur passe par un etat de reposet ensuite, il est utilise comme recepteur pour detecter lecho revenant delobjet. Cet echo fait vibrer le transducteur et le signal piezoelectrique generepar ces vibrations passe par une unite de traitement de signal (3) qui sassureque la frequence de lultrason recu en echo est bel et bien la meme que cellede lultrason emit. Cela permet de distinguer lecho du signal emit par ledetecteur des bruits ambiants qui sont recus par le detecteur.

Etant donne que cest le meme cristal piezoelectrique qui emet et recoitles signaux ultrasoniques, il faut laisser un temps au cristal de retourner aurepos. Ainsi, si lecho reflechit par lobjet arrive trop tot, il ne sera pas detectecar le detecteur exige un certain temps pour passer en mode recepteur. Cettedistance est appele langle mort du capteur (Blind zone a` la Figure 2.44).Si lobjet est trop pre`s, il sera dans langle mort du detecteur et ne sera pasdetecte.

On retrouve dans les specifications la portee nominale du detecteur (Sn)qui est la distance maximale ou la detection de lobjet est possible. Une fois lestolerances de fabrication et de la temperature prises en compte, la longueurde la zone de detection theorique Sd se reduit a` une zone de taille inferieure(Sa) ou` la detection est assuree. La normale de la surface dun objet ayant uneface plane devrait etre paralle`le a` laxe demission du detecteur. Toutefois, lesdetecteurs permettent une certaine tolerance sur cet angle, comme le montrela Figure 2.45 (detecteur serie S18-U de Banner Engineering).


Figure 2.44 Detecteur ultrasonique, patron demission 17

On retrouve ici aussi des patrons demission comme dans le cas desdetecteurs de proximite photoelectriques. La Figure 2.46 montre un exemplede patron de detection ou sont tracees les limites de detection pour 3 ciblesde forme et de tailles differentes (2 tiges et une plaque rectangulaire).

Comme les detecteurs de proximite inductifs, il faut eviter davoir deuxdetecteurs ultrasoniques a` une distance moindre que 2 fois leur portee nomi-nale lorsquils sont installes cote a` cote (Figure 2.47). Cette distance passe a`10 fois la portee nominale lorsquils sont face a` face. Il faut sassurer devitertoute interference entre les capteurs.

Lajustement de ces capteurs est relativement facile, le detecteur peutetre ajuste pour assurer une detection de la cible dans une zone donnee.Cela permet de choisir facilement la zone de detection et certains fabricantsajoutent des interfaces via des DEL avec le technicien qui a` la charge dajusterle detecteur (Figure 2.48).

Ce meme genre dinterface peut se retrouver chez dautres types de detecteurs

17. Source de limage de la Figure 2.44 : Osiprox18. Source de limage de la Figure 2.45 : www.bannerengineering.com20. Source de limage de la Figure 2.46 : www.bannerengineering.com21. Source de limage de la Figure 2.47 : Osiprox23. Source de limage de la Figure 2.48 : www.bannerengineering.com


Figure 2.45 Detecteur ultrasonique, orientation dune cible plane 18

Figure 2.46 Patrons de detection dun detecteur ultrasonique, pour diverstypes de cibles 20


Figure 2.47 Re`gles de montage de detecteurs ultrasoniques 21

Figure 2.48 Exemple dinterface permettant lajustement de la zone dedetection 23

de proximite.

Chapitre 3

La mesure de deplacement

3.1 Introduction

Le deplacement est une grandeur physique importante, puisque plusieursgrandeurs physiques entrainent la deformation de corps depreuve. Un defor-mation de grande amplitude peut etre mesuree avec un capteur de deplace-ment. Ce chapitre conside`re les mesures de deplacement lineaire et angulaire.

Differentes technologies sont disponibles. Parmi les technologies dispo-nibles, nous retrouvons :

Les potentiome`tres ; Les LVDT (Linear Variable Displacement Transformer) ; Les synchromachines : Les resolvers ; Les synchromachines ; Les Inductosyn. Les codeurs de deplacements (ou encodeurs) : Les encodeurs absolus ; Les encodeurs relatifs ; Les capteurs de deplacement au LASER.Les capteurs de deplacement inductifs, capacitifs et ultrasoniques etant

les versions analogiques des detecteurs correspondants abordes au chapitreprecedent, ils ne seront pas couverts dans ce chapitre. La seule differenceetant quune sortie analogique remplace la sortie logique, les principes defonctionnement etant similaires.

89

90 CHAPITRE 3. LA MESURE DE DEPLACEMENT

3.2 Potentiome`tre

Figure 3.1 Mesure de deplacement par potentiome`tre 1

Les capteurs de deplacement a` potentiome`tre (Figure 3.1) permettentdobtenir une mesure analogique de la distance. La distance est proportion-nelle a` la valeur de la resistance du potentiome`tre. Les potentiome`tres per-mettent des mesures de distances angulaires ou lineaires. Dans ce dernier cas,la mesure est faire par un potentiome`tre de precision monte sur un syste`mede poulies et un ressort de rappel (Figure 3.2), ce qui donne acce`s a` uneetendue de mesure pouvant aller jusqua` 20 pieds (environ 6 me`tres). Cepeut etre aussi un potentiome`tre lineaire (Figure 3.3), mais dans ce cas, lesportees sont beaucoup plus limitees.

Figure 3.2 Schema de principe dun capteur de deplacement a` poten-tiome`tre 3

1. Source de limage de la Figure 3.1 : news.thomasnet.com/3. Source de limage de la Figure 3.2 : www.pc-control.co.uk4. Source de limage de la Figure 3.3 en page 91 : www.msel.co.nz

3.2. POTENTIOME`TRE 91

Figure 3.3 Mesure de deplacement par potentiome`tre lineaire 4

Figure 3.4 Circuit interne dun capteur de deplacement a` potentiome`tre

Le capteur de distance a` potentiome`tre etant un capteur passif, il fautappliquer une tension dexcitation, au capteur. Dans le cas du montage le plussimple, constitue seulement dun potentiome`tre, tel que montre en Figure 3.4,la tension dexcitation VCC est appliquee entre les entrees +In et Com. Ladistance mesuree x est deduite par la mesure de la tension de sortie Vs entreles sorties +Out et Com.

Le potentiome`tre agit comme un diviseur de tension et la tension de sortieVs sera :

Vs = VCCRxRPot

(3.1)

avec RPot la resistance totale du potentiome`tre et Rx la resistance correspon-dant a` la distance x :

Rx = RPotx

EMx(3.2)

ou` EMx est letendue de mesure du capteur.


Le module electronique de conditionnement (MEC), qui recoit cette ten-sion Vs, doit etre de bonne qualite. Sinon, une non-linearite peut etre en-gendree si le MEC na pas une impedance dentree suffisamment grande.Pour montrer cet effet, supposons que limpedance dentree du MEC estrepresentee par la variable RL. La connexion du MEC au capteur modifie lecircuit diviseur de tension et on obtient alors :

Vs = VCC

(RxRL/(Rx +RL)

RPot Rx +RxRL/(Rx +RL))

= VCC

(RxRL

RPot(Rx +RL)R2x

) (3.3)

Figure 3.5 Relation position/tension de sortie pour diverses valeurs durapport RL/RPot

Si RL >> Rx, alors, on retrouve la relation (3.1) qui est lineaire avec Rxet aussi avec x. Sinon, la caracteristique entre la tension Vs et la position xdevient non-lineaire comme montre en Figure 3.5.

Le montage dun autre mode`le disponible de capteur de distance a` poten-tiome`tre, montre en Figure 3.6 comprend un pont de Wheatstone qui permet

3.2. POTENTIOME`TRE 93

Figure 3.6 Variante en pont du circuit interne du capteur de deplacementa` potentiome`tre

un ajustement de la position 0 (potentiome`tre identifie par Zero) qui corres-pond a` Vs = 0 volt et de la sensibilite de la sortie (potentiome`tre identifiepar Span) vs la distance x.

Parmi les caracteristiques de ce capteur, il y a la resolution du poten-tiome`tre. La presence dune resolution finie dans les potentiome`tres est duea` deux raisons (Figure 3.7). Dune part parce que le curseur en se deplacantcourt-circuite une spire de fil de temps en temps. Dautre part, parce quele passage dun fil a` lautre ajoute une spire comple`te de resistance R.Ces deux effets apparaissent dans la caracteristique, position du curseur vstension en sortie du potentiome`tre, montree en Figure 3.8.

Figure 3.7 Causes de la resolution finie dun potentiome`tre a` fil

Dans le cas dun potentiome`tre a` fil bobine, la resolution peut etre evalueepar le diame`tre du conducteur electrique. Si le diame`tre du conducteur nest


Figure 3.8 Resolution dun potentiome`tre

pas connu, on peut faire une evaluation en % de la facon suivante :

r(%) =100 %

nb de tours de fils(3.4)

Pour les potentiome`tres lineaires, puisque ces derniers sont fabriques a`partir dun film conducteur leur resolution est infinie.

Lorsque lon utilise le potentiome`tre pour mesurer une distance lineaire,il faut savoir que le ressort de rappel exerce une certaine force quil fautprendre en compte dans certaines applications.

3.3 LVDT

Le capteur de deplacement a` LVDT (Figure 3.9 : LVDT = Linear VariableDisplacement Transformer) utilise le principe du transformateur pour faire lamesure. Dans un transformateur, il y a un couplage magnetique entre deuxbobines, la bobine primaire et la bobine secondaire. Une tension alternativeV1 appliquee au primaire du transformateur est transformee en une tensionalternative V2 au secondaire (Figure 3.10). Le rapport entre les amplitudesde ces deux tensions depend du rapport entre le nombre de tours de filsau primaire N1 et le nombre de tours de fils au secondaire N2. Pour un

5. Source de limage de la Figure 3.9 en page 95 : www.etamic.com

3.3. LVDT 95

Figure 3.9 Capteurs de deplacement a` LVDT 5

montage comme celui en Figure 3.10, ce rapport depend aussi du couplagemagnetique entre le primaire et le secondaire ainsi que de la distance entreles deux bobines. Dans un transformateur, pour permettre un bon couplagemagnetique (pour que le transformateur ait un bon rendement), le noyaumetallique doit faire un circuit ferme.

Figure 3.10 Principe du couplage entre 2 bobines (transformateur)

Dans le cas ou la tige metallique peut etre deplacee (Figure 3.11), le cou-plage entre les deux circuits magnetiques sera modifie et cela modifiera latension au secondaire. Cette tension sera maximale lorsque la tige metalliqueest presente sur toute la longueur des enroulements du primaire et du secon-daire. Elle diminuera au fur et a` mesure que la tige est retiree de la zone ousont localises les enroulements. Elle sera minimale en labsence de tige.

Le LVDT est base sur ce principe. Toutefois, il est necessaire de pou-voir determiner dans quelle direction la tige est deplacee. Pour ce faire, le


Figure 3.11 Couplage reduit avec tige metallique deplacee

Figure 3.12 Principe de fonctionnement du LVDT

LVDT est constitue dun transformateur comportant un primaire et deuxsecondaires (Figure 3.12). Et, les deux bobinages secondaires sont places dechaque cote du bobinage primaire. Une tige metallique se deplace au centrede ces bobinages pour permettre de modifier les couplages magnetiques entrele primaire et les deux secondaires.

Lorsque la tige metallique est centree, les couplages magnetiques sontidentiques et les tensions de sortie aux deux secondaires ont la meme ampli-tude. Si la tige est deplacee vers la gauche, le couplage magnetique avec lesecondaire localise a` gauche (Secondary 2 sur la Figure 3.12) augmente etle couplage magnetique avec le secondaire de droite diminue (Secondary 1sur la Figure 3.12). La tension a` la sortie du secondaire de gauche augmentealors que celle du secondaire de droite diminue. La relation est lineaire avecla position de la tige. On peut donc deduire en observant les tensions dessecondaires en fonction de la position x de la tige, en posant x = 0 lorsque latige est centree et que les deux tensions electriques des sorties sont equilibrees(de meme amplitude et de meme phase).

Au niveau electrique, le circuit equivalent dun LVDT est montre en Fi-gure 3.13. En appliquant la loi des mailles sur les deux circuits, on obtient

3.3. LVDT 97

Figure 3.13 Circuit equivalent dun LVDT

pour le primaire :

E1 = (L1s+R1)I1 + (M1 +M2)sI2 (3.5)Pour le secondaire, on peut ecrire :

0 = (M1 +M2)sI1 + {(L2 + L2 2M3)s+Rc2 +R

c2 +RL)} I2

(3.6)

La tension de sortie E0 est obtenue avec :

E0 = RLI2 (3.7)

Les variables utilisees dans les equations (3.5), (3.6) et (3.7) sont definiessur la Figure 3.13. Lorsque le noyau se deplace, toutes les inductances changentpuisque la valeur dune inductance depend de la permeabilite magnetique dumateriau present dans la bobine de linductance. En se deplacant, le noyauchange la proportion metal vs air present dans le volume a` linterieur de labobine, ce qui change linductance. Toutefois, le changement dinductancenest pas egal pour toutes les bobines. Il est relativement faible pour linduc-tance du primaire (L1) et linductance mutuelle entre les bobines des deuxsecondaires (M3). Les inductances aux secondaires (L2 et L

2) changent de

facon plus appreciable, mais la somme L2 + L2 est a` peu pre`s constante. On

peut ainsi definir, pour simplifier lecriture, que L2 + L2 2M3 = LII .

Les inductances mutuelles M1 et M2 subiront de grands changementsdamplitude, en fonction du couplage entre le primaire et les deux secondaires.


Mais, la difference M2 M1 change lineairement par rapport a` la positioncentrale du noyau, definie par x0. Lorsque le noyau ferromagnetique est centredans le LVDT, le couplage est de meme amplitude entre le primaire et chacundes secondaires, ce qui implique que les deux inductances mutuelles M1 et M2ont exactement la meme amplitude. Quand M1 = M2, la valeur du courantI2 devient egale a` 0 et la tension de sortie E0 sera aussi nulle.

En labsence de charge (i.e., RL = ), on peut reecrire lequation ducircuit secondaire comme suit :

0 = (M1 +M2)sI1 + E0 (3.8)Et, (3.5) peut etre combinee avec (3.8) (avec I2 = 0) pour obtenir la

relation entre les tensions E0 et E1 :

E0 =(M1 M2)sE1L1s+R1

(3.9)

Il est a` noter que dans (3.9), le courant circulant dans la bobine du primaireI1 est approxime par :

I1 E1L1s+R1

(3.10)

Sil y a une charge RL connecte au LVDT, alors :

E0 =RL(M1 M2)sE1Z2s2 + Z1s+ Z0

(3.11)

avec Z2 = LIIL1 + (M1 M2)2, Z1 = Rc2L1 + Rc2L1 + RLL1 + R1LII etZ0 = (Rc2 +R

c2 +RL)R1.

Cette equation peut etre simplifiee puisque lon peut supposer que LIIL1 >>(M1 M2)2 ce qui permet de simplifier le terme Z2 de lequation (3.11) quelon peut reecrire : Z2 = LIIL1.

Il existe une frequence angulaire n du signal dentree sinusodal E1, pourlaquelle les tensions E0 et E1 sont en phase. A` cette frequence, LIIL12n +Z0 = 0. Donc, la frequence est calculee comme suit :

n =

(Rc2 +Rc2 +RL)R1

LIIL1(3.12)

Comme fn = n/(2pi), la frequence en Hertz correspondante est :

fn =1

2pi

(Rc2 +Rc2 +RL)R1

LIIL1(3.13)

3.3. LVDT 99

Si, pour lequation (2.17), M1 > M2 les tensions E0 et E1 sont en phase,sinon, les tension E0 et E1 sont dephases de -180

. Ainsi, lamplitude dela tension E0 indique lamplitude du deplacement par rapport au point x0(ligne rouge sur la Figure 3.15) et la phase de la tension E0 par rapport a` E1indique le sens du deplacement (ligne bleue sur la Figure 3.15), ce qui donnele signe de x.

Figure 3.14 Circuit equivalent dun LVDT

Figure 3.15 Sortie et phase du signal de sortie du LVDT

Comme le montre la Figure 3.15, a` la position x0, il y a une petite tensionplutot quune tension nulle. Lelectronique de conditionnement du LVDT doitprendre ce phenome`ne en compte pour donner une information de distanceexacte.

Bilan et resume

Les LVDT sont disponibles pour des etendues de mesure allant de 1 a`1000 mm. Leur linearite est de lordre de 0.05 % E.M. La resolution est


excellente, mieux que 0.1 microme`tre. Ils sont reconnus pour leur fiabiliteet leur robustesse, certains manufacturiers ayant declare une MTBF de 228ans ! Les LVDT sont sensibles aux champs magnetiques.

Un LVDT-AC exige un module electronique de conditionnement pouralimenter son primaire avec une tension alternative et pour convertir lestensions alternatives des secondaires en un signal standard (par exemple 4a` 20 mA). Il est important de sassurer que la frequence de la tension soitcelle definie par le manufacturier, car la mesure du dephasage sera renduedifficile si la frequence utilisee pour alimenter le capteur nest pas correcte.Le LVDT-DC inte`gre le module de conditionnement dans le capteur qui estpar consequent plus volumineux.

3.4 Synchromachines

Les capteurs de deplacement a` synchromachines existent en trois versions :les resolvers, les synchromachines, les Inductosyns. Ils fonctionnent sur desprincipes similaires au LVDT, i.e., des principes dinduction magnetiques.

3.4.1 Le resolver

Un resolver est un appareil de mesure de distance angulaire constituedun rotor et dun stator bobine (Figure 3.16). Le rotor comporte un seulbobinage recevant une tension dexcitation (Figure 3.17) :

VExc = V cos(t) (3.14)

Le stator comporte deux bobinages installes de telle facon que leurs axessoient orientes a` 90 lun par rapport a` lautre. Ainsi, la tension induite danschacun des bobinages du stator sont :

VO1 = aVExc sin() (3.15)

pour la bobine S1-S3 et :

VO2 = aVExc cos() (3.16)

pour la bobine S2-S4. Les tensions de sorties dependent du rapport de trans-formation a, entre le rotor (qui est le bobinage primaire) et les bobinages du

3.4. SYNCHROMACHINES 101

Figure 3.16 Schema simplifie dun resolver

Figure 3.17 Bobinages primaire et secondaires dans un resolver

stator (qui sont les secondaires). Elles dependent aussi de langle entre lerotor et le stator.

Les resolvers etaient utilises pour calculer le sinus et le cosinus dun anglede facon totalement mecanique.

3.4.2 La synchomachine

Le mot synchromachine designe de facon generique les equipements pre-sentes dans cette section. Il designe aussi un appareil de mesure de distanceangulaire constitue dun rotor et dun stator bobine comme le resolver, maisavec trois bobinages en etoile (Figure 3.18). Et comme le resolver, le ro-tor comporte un seul bobinage recevant une tension dexcitation VExc =V cos(t).


Figure 3.18 Bobinages primaire et secondaires dans une synchromachineresolver

Cest au niveau du stator quune difference apparait au niveau du bobi-nage. Trois bobines sont montees en Y, comme pour un moteur a` courantalternatif (CA) asynchrone. Les axes des bobines sont decalees de 120 lunepar rapport a` lautre. La tension induite entre S1 et S3 est :

VO1 = aVExc sin() (3.17)

celle entre S3 et S2 :

VO1 = aVExc sin( + 2pi/3) (3.18)

et enfin, celle entre S2 et S1 :

VO1 = aVExc sin( + 4pi/3) (3.19)

Les significations de a et sont les memes que pour le resolver.

3.4.3 LInductosyn

LInductosyn est un autre syste`me de mesure lineaire ou angulaire per-mettant la mesure de deplacement (Inductosyn lineaire en Figure 3.20). Unetension dexcitation est appliquee sur une base fixe fait avec une bobine telleque montree en Figure 3.20.

Le pas de la bobine dans la base fixe et des bobines dans la glissie`re estxp (Figure 3.20). Dans le cas de lInductosyn lineaire, une glissie`re se deplace

6. Source de limage de la Figure 3.19 en page 103 : www.ruhle.com7. Source de limage de la Figure 3.20 en page 103 : www.ibiblio.org

3.4. SYNCHROMACHINES 103

Figure 3.19 Photo dun Inductosyn 6

Figure 3.20 Schema de principe de lInductosyn 7

sur la base et la tension de sortie generee par chaque bobinage de la glissie`reest (pour la sortie sin()) :

Vsin = aVExc sin

(2pix

xp

)(3.20)

et (pour la sortie cos()) :

Vsin = aVExc cos

(2pix

xp

)(3.21)

Le dephase du signal est obtenu en decalant la bobine du sinus du 1/4du pas xp par rapport a` la bobine du cosinus (ce qui equivaut a` 90

).


3.4.4 Bilan et resume

Les capteurs a` synchromachine ont une course tre`s etendue. Ils sont re-connus pour leur fiabilite et leur robustesse. La mesure angulaire est exces-sivement precise, allant jusqua` 1.5 seconde darc (1 = 60 minutes darc =3600 secondes darc). Comme le LVDT, il faut faire attention aux champsmagnetiques et en raison de leur grande precision, ces capteurs sont couteux.

3.5 Les codeurs de deplacement (encodeurs)

Figure 3.21 Codeur de deplacement 8

La mesure de distance angulaire peut utiliser des capteurs ayant des sor-ties numeriques : ce sont les codeurs (Figure 3.21). Le codeur existe en deuxversions, selon que la sortie est un signal numerique paralle`le (encodeur ab-solu) ou serie (compteur ou encodeur incremental).

Le principe dun codeur repose sur lusage dun materiau ayant une pro-priete binaire (opaque vs transparent dans le cas dun codeur optique). A`partir cette information binaire on peut deduire la position.

3.5.1 Encodeur absolu

Lencodeur absolu comprend plusieurs bandes paralle`les de zones de pro-priete binaire permettant de construire linformation de position (Figure 3.22et Figure 3.23). Chaque position angulaire posse`de un code unique. En Figure

8. Source de limage de la Figure 3.21 : http ://www.baumer.ca/

3.5. LES CODEURS DE DEPLACEMENT (ENCODEURS) 105

3.22, lencodeur ayant 4 bandes permet de coder 16 positions differentes. EnFigure 3.23, lencodeur (fait maison) est constitue de 10 bandes permettantde coder 210 = 1024 positions.

Figure 3.22 Principe de lencodeur absolu

Figure 3.23 Encodeur absolu fait maison 9

La resolution dun encodeur est determinee par le nombre de code differentspour couvrir les 360 du codeur. La resolution se calcule comme etant R =360/(2N) avec N le nombre de bandes paralle`les, 2N exprimant le nombrede codes differents.

Donc, un encodeur ayant 4 bandes, donc 24 = 16 codes posse`de uneresolution R = 360/(24) = 22.5. Et, un encodeur avec 10 bandes posse`deune resolution R = 360/(210) = 0.35. Plus le nombre de bits est eleve, plusla resolution est petite et plus la mesure angulaire est precise. Les encodeursabsolus disponibles comportent de 4 a` 24 bits.

Pour coder la position, plusieurs approches sont possibles (Figure 3.24).La position peut etre codee en binaire naturel, en decimal code en binaire(BCD) et en code Gray.

Le codage en BCD est exclu car lensemble des codes binaires possibles nesont pas utilises, ce qui pour un nombre de bits donnes deteriore la resolution.

9. Source de limage de la Figure 3.23 : www.qsl.net/oe5jfl


Figure 3.24 Differents codages de position en binaire

Reste le code Gray et la numerotation en binaire naturel. Le code Grayposse`de lavantage quun seul bit a` la fois change detat dune position a`lautre.

Il faut voir que lorsque la valeur du code passe de 7 a` 8 en binaire naturel,4 bits doivent changer simultanement car 7 en binaire secrit 0111 et 8 secrit1000. Bien quen theorie, il ne semble pas y avoir de proble`me pour passerde 0111 a` 1000, mecaniquement cest une toute autre histoire.

Dans le cas dun encodeur optique, il faut que tous les LED et les photo-transistors soient parfaitement alignes et que les transitions des 4 bandes surle disque se produisent exactement au meme endroit. Comme en mecanique,tout est fabrique avec une certaine tolerance, on ne peut reussir ce tour deforce. Et ce qui peut se produire, cest quen passant de 0111 a` 1000 il vaapparatre une serie de valeurs intermediaires, par exemple : 0111 00111011 1010 1000. Ce qui peut etre source de proble`me pour un controleurqui recoit cette information et qui essaye dinterpreter la position angulaire

3.5. LES CODEURS DE DEPLACEMENT (ENCODEURS) 107

de lencodeur.Ce proble`me est absent avec le code Gray, car puisquun seul bit a` la fois

change, aucune valeur intermediaire ne peut apparaitre et aucun doute nestpossible pour interpreter la position angulaire du codeur.

3.5.2 Encodeur incremental (ou relatif)

A` cause du codage sur plusieurs bits, lencodeur absolu exige beaucoupde cablage. Par exemple, un encodeur absolu de 10 bits exige 2 fils pourlalimentation et 10 fils pour transmettre la position (la masse des sortieetant assumee commune avec lalimentation).

Lencodeur incremental exige moins de cablage, car linformation est en-voyee en serie plutot quen paralle`le. Lencodeur nexige quune seule bandeayant des proprietes binaires (Figure 3.25). Il ny a donc pas de codage commeavec lencodeur absolu. Lencodeur incremental exige un compteur pour en-registrer le nombre de transitions generees par lencodeur.

Figure 3.25 Principe de lencodeur incremental

La resolution depend du nombre de transitions qui se produisent sur untour (360). Le compteur doit etre remis a` 0 lorsque lobjet dont il fautmesurer la position est a` sa position de reference.

Pour determiner le sens de rotation de lencodeur, deux capteurs optiquesdoivent etre utilises. Lun est decale par rapport a` lautre pour generer deuxsignaux dit signaux en quadrature. Grace aux deux signaux en quadrature, lesens de rotation est determine facilement (Figure 3.25). Lorsque la rotationse fait dans un sens, le front montant du capteur optique 2 se produit quandle capteur optique 1 est au niveau logique haut et le front descendant du


capteur 2 a` lieu quand le capteur 1 est au niveau logique bas. En inversantle sens de rotation, la sequence des signaux sinverse. Ainsi, le front montantdu capteur 2 se produit quand le capteur 1 est au niveau logique bas et lefront descendant du capteur 2 a` lieu quand le capteur 1 est au niveau logiquehaut. Au niveau electronique, une simple bascule D permet de determinerle sens de rotation avec le signal du capteur 2 dans lentree horloge de labascule D et celui du capteur 1 dans lentree D de la bascule. La valeur dela sortie Q de la bascule determine le sens de rotation. Ce signal envoye aucompteur permet de decider si celui-ci incremente ou decremente.

3.6 Capteur de deplacement au LASER

La mesure de deplacement peut etre faite en utilisant un syste`me optiqueavec un LASER (Figure 3.26).

Figure 3.26 Capteur de deplacement au laser 10

Un faisceau laser est envoye sur une surface qui reflechit ce faisceau danstoutes les directions. Tout comme un pointeur LASER que quelquun dirigevers un mur et tout le monde dans la pie`ce voit le point rouge du LASERsur le mur quelque soit sa position dans cette pie`ce. En installant une seriede cellules photoelectriques la position de lobjet peut etre determiner enverifiant quelles cellules recoivent le plus de luminosite. Les Figures 3.27,3.28 et 3.29 permettent de bien saisir le principe de fonctionnement.

Dans les specifications de des capteurs, il y a la distance de reference quicorrespond a` la distance ou` le maximum de luminosite est localise au milieude la bande de cellules photoelectrique (Figure 3.27).

10. Source de limage de la Figure 3.26 : www.acuityresearch.com/12. Source de limage de la Figure 3.27 en page 109 : officeengineer.net/14. Source de limage de la Figure 3.28 en page 110 : officeengineer.net/

3.6. CAPTEUR DE DEPLACEMENT AU LASER 109

Figure 3.27 Capteur de deplacement au laser avec objet a` la distance dereference 12

Une autre specification est letendue de mesure, i.e. la distance entre leminimum et le maximum mesurable, centre a` la difference de reference.

Si la surface dont on mesure la distance posse`de un etat de surface de tre`sgrande qualite (on parle dune surface speculaire), elle se comportera commeun miroir et il faut installer le capteur oriente de telle facon que lon profitedes lois de loptique pour assurer un fonctionnement adequat.

Faire de meme si la surface dont on mesure la distance est noire, dans lebut daugmenter la quantite de lumie`re reflechie vers le capteur.

Faire attention a` ce que des surfaces a` proximite du capteur ne viennentpas interferer en reflechissant le faisceau vers le capteur. Prendre aussi desprecautions si lobjet dont on mesure la distance presente des discontinuitesbrusques de sa surface.

16. Source de limage de la Figure 3.29 en page 110 : officeengineer.net/


Figure 3.28 Capteur de deplacement au laser avec objet a` une distanceinferieure a` la distance de reference 14

Figure 3.29 Capteur de deplacement au laser avec objet a` une distancesuperieure a` la distance de reference 16

Chapitre 4

La mesure de vitesse

La mesure de vitesse est necessaire dans les asservissements de vitesse demachines tournantes.

Elle peut etre obtenue via un capteur de deplacement, puisque la deriveede la position correspond a` la vitesse :

v = limt

x

t=dx

dt. (4.1)

Donc, si un capteur de position est disponible, on peut y avoir recours pourevaluer la vitesse.

4.1 Introduction

Pour la mesure de vitesse angulaire, il existe trois grandes approches :

Les tachyme`tres a` impulsion (bases sur les detecteurs de proximite) ; Les generatrices tachymetriques (en CA ou CC) ; Les gyrome`tres (capteur embarque ex : application en avionique

sera non couvert ici).

Pour la mesure de vitesse lineaire, il existe deux approches :

Les tachyme`tres lineaires (si parcours limites - bases sur les generatricestachymetriques) ; Les tachyme`tres lineaires a` onde (si parcours illimite ex : radar de

police).

111

112 CHAPITRE 4. LA MESURE DE VITESSE

4.2 Generatrices a` courant alternatif

La generatrice tachymetrique a` courant alternatif (CA) permet de mesu-rer la vitesse dun mobile tournant. Le principe est montre en Figure 4.1. Lestator est un aimant permanent qui la source dun champ magnetique. Lerotor est soumis a` ce champ magnetique dintensite B (en Tesla).

Figure 4.1 Generatrice tachymetrique a` CA

Lorsque le rotor est en rotation, le cadre metallique coupera des lignesde champ magnetique et une force electromotrice (FEM) induite apparait.Lintensite de cette FEM est obtenue par cette equation :

FEM = N B S sin(t) (4.2)

ou` S est la surface du cadre metallique (m2), N est le nombre de tours defils du rotor, est la vitesse de rotation angulaire (rad/s). B est lintensitedu champ magnetique en Tesla et 1 Tesla est egale a` 1 Volt-s/m2.

La FEM est donc une onde sinusodale de frequence angulaire et dontlintensite est proportionnelle a` la vitesse de rotation angulaire qui est aussi. Puisque la FEM est sinusodale, cela entraine que ce capteur ne donnepas le sens de rotation du mobile tournant. Lorsque la vitesse est faible,la FEM devient difficile a` mesurer, dautant plus que sa frequence angulaireest aussi faible. Donc, les mesures a` tre`s basses vitesses sont tre`s difficiles.

Pour generer une tension alternative, la generatrice tachymetrique a` CAdoit prelever de lenergie de lobjet dont on mesure la vitesse. Ce qui se traduita` un couple de resistance lorsque lon essaye de faire tourner la generatrice.Ce couple resistant doit etre pris en compte, surtout si les couples en jeupour entraner lobjet sont de faibles amplitudes.

4.3. GENERATRICES A` COURANT CONTINU 113

4.3 Generatrices a` courant continu

La generatrice tachymetrique a` courant continu (CC) permet de mesurerla vitesse dun mobile tournant de facon similaire a` la generatrice a` CA (Fi-gure 4.2). La difference entre les deux, cest au niveau du dispositif pour allermesurer la FEM generee par le cadre en rotation dans un champ magnetique.

Figure 4.2 Generatrice tachymetrique a` CC

Dans la generatrice a` CA, il y a un collecteur distinct a` chaque extremitedu cadre et la FEM est mesuree via deux balais en graphite (Figure 4.1). Lageneratrice a` CC posse`de un seul collecteur separe en deux parties que lonnomme commutateur (Figure 4.2). Deux balais en graphite places face a` facemesurent la tension au commutateur.

Le but du commutateur, cest de faire en sorte que la FEM mesuree ensortie soit toujours avec la meme polarite. La Figure 4.3 montre la rotationdu cadre sur 360 avec la FEM obtenue en sortie du commutateur. Le com-mutateur agit comme un redresseur de tension. Toutefois, il est important denoter que si la direction du mobile tournant est inversee, la FEM est aussiinversee.

Le sens de rotation peut donc etre obtenu avec la generatrice a` CC. Pourlimiter lamplitude de londulation de la FEM, on peut avoir une generatricea` CC avec plusieurs poles. Par exemple, la Figure 4.4 montre la FEM genereepar une generatrice a` CC ayant 2 paires de poles. Le signal de sortie est lemaximum de chaque paire de poles. Il est facile dimaginer que le signalondulera de moins en moins avec lorsque le nombre de poles est augmente.

Tout comme la generatrice a` CA, la generatrice a` CC tire de lenergie dumobile et il faut prendre en compte son couple resistant.


Figure 4.3 Principe de fonctionnement du commutateur

Figure 4.4 FEM dune generatrice a` CC a` 2 paires de poles

4.4 Tachyme`tres lineaires a` fil

Les generatrices presentees aux deux sections precedentes mesurent desvitesses angulaires. On peut, via un syste`me de poulies et de ressorts (commele potentiome`tre lineaire) les transformer en capteurs de vitesse lineaire (Fi-gure 4.5). En pratique, cest une generatrice a` CC qui est utilisee sur ce genredequipement.

Ce genre de tachyme`tre permet des deplacements de lordre de 12 me`tresmaximum. La limite est la longueur du fil qui relie lobjet au tachyme`trelineaire. Pour que tout fonctionne pour le mieux au niveau du mecanisme,on limite lacceleration a` moins de 100 g (g = 9.81 m/s2 est lacceleration dela pesanteur). Il faut aussi respecter les limites de vitesse de ce capteur. Laprecision de ces capteurs est de lordre de 0.25 % E.M.

4.5. TACHYME`TRES A` IMPULSIONS 115

Figure 4.5 Tachyme`tre lineaire a` fil

4.5 Tachyme`tres a` impulsions

On peut mesurer la vitesse dun mobile tournant avec un capteur de proxi-mite optique detectant le passage des dents dun engrenage associe au mobiletournant (Figure 4.6). La vitesse angulaire proportionnelle a` la frequence dusignal logique en sortie du detecteur de proximite.

Figure 4.6 Tachyme`tre a` impulsions avec capteur de proximite inductif

Ce peut aussi etre un disque troue associe a` un emetteur/recepteur op-tique qui peut etre utilise (Figure 4.7).

Supposons que nous avons sous la main une roue dentee que lon utiliseraavec un detecteur de proximite pour mesurer la vitesse. Avec une largeurde dent definie par xd et un intervalle entre deux dents definie par xt, la


Figure 4.7 Tachyme`tre a` impulsions avec capteur de proximite optique

circonference C dune roue dentee comportant N dents est :

C = N(xd + xt) (4.3)

Un tel syste`me en rotation une vitesse de rotation de VRPS (exprimee enrotations par secondes) generera un signal ayant une frequence (en Hertz)de :

f = VRPSN =VRPM

60N (4.4)

avec VRPM la vitesse de rotation exprimee en rotations par minutes. Donc,de la frequence f on calcule la vitesse de rotation en RPM comme suit :

VRPM =60f

N(4.5)

En pratique, les temps de commutation et la frequence de commutationmaximale du detecteur de proximite limitera la vitesse de rotation maximalemesurable.

Il faut sassurer que la frequence f calculee en (4.4) soit toujours inferieurea` la frequence maximale du detecteur de proximite.

A` la vitesse de rotation VRPS, la vitesse tangentielle de la roue dentee seraVtan = C VRPS. La duree de passage dune dent est :

td =xdVtan

(4.6)

et celle de lintervalle entre deux dents successives est :

tt =xtVtan

(4.7)

4.6. TACHYME`TRES LINEAIRES A` ONDES 117

Ces deux temps doivent etre inferieurs aux temps de commutation cor-respondants (i.e. TOFF/ON et TON/OFF).

Si les temps de commutation et la frequence du detecteur sont respectes,cette solution est envisageable. Sinon, il faut changer la roue dentee et/ou ledetecteur pour obtenir un capteur fonctionnel.

4.6 Tachyme`tres lineaires a` ondes

Le tachyme`tre lineaire a` ondes et un capteur relativement connu parceque cest un outil utilise par les policiers (Figure 4.8). Ce capteur permet demesurer la vitesse dun objet sans contact. La mesure est basee sur leffetDoppler dune onde electromagnetique.

On retrouve dans cette categorie de capteurs : Le RADAR : RAdio Detection And Ranging ; Le LIDAR : LIght Detection And Ranging ; Le LADAR : LAser Detection And Ranging.

Figure 4.8 Tachyme`tre lineaire a` onde Version radar de police 1

Le radar emet une onde electromagnetique en continu pour detecter unobjet par lecho provoque par ce dernier lorsque londe le frappe. Les lidaret ladar emettent un faisceau lumineux pulse (dans le cas du ladar, cest unfaisceau de lumie`re coherente ou LASER) qui est envoye vers lobjet etdont on detecte lecho. Les ladars travaillent generalement avec des LEDsemettant a` 904 nm pour assurer une bonne portee.

Londe electromagnetique et la lumie`re (qui est aussi une onde electroma-gnetique) subissent leffet Doppler lorsque lobjet qui recoit ces ondes est

1. Source de limage de la Figure 4.8 : www.copradar.com


en mouvement. Cela fait en sorte que londe de lecho aura une frequencelege`rement differente de londe de lemetteur.

Un signal est emis, par une source fixe, a` une certaine frequence f0 vafrapper un objet se deplacant a` une vitesse v et revient vers le radar (lidarou ladar) avec une frequence differente f1. Cette frequence est :

f1 = f0 +2vf0c

(4.8)

avec c = 300000 km/s la vitesse de la lumie`re. Par convention, la vitesse vest positive si lobjet dapproche du radar et negative si lobjet seloigne.

Par exemple, en supposant que la frequence f0 est de 50 MHz et que lavitesse a` mesurer est de 120 kilome`tres a` lheure, le signal recu aura dunefrequence decalee de +5.56 Hz si lobjet sapproche et de -5.56 Hz si lobjetseloigne.

Si, le vecteur de vitesse de lobjet qui se deplace ne pointe pas directementvers le radar, il se produit une erreur de mesure qui depend de langle entrele vecteur de vitesse et le vecteur reliant lobjet et le radar. La vitesse mesureepar le radar sera :

vmes = v cos() (4.9)

et le v de lequation calculant f1 est remplace par vmes.Lerreur de mesure augmente avec langle et lorsque = 90, lerreur

devient tre`s grande puisque le radar mesurera une vitesse nulle, meme silobjet se deplace a` une vitesse v, car le cosinus de 90 est 0.

Les radars ne peuvent pas etre utilises pour mesurer une vitesse inferieurea` 15 km/h (radar de police), bien que certains manufacturiers mentionnentdescendre a` 5 km/h et dautres a` 2 km/h.

Un ladar a` une portee de 600 me`tres lorsque lenvironnement est de tre`sbonne qualite (rappelez-vous la Table des Marges de fonctionnement desdetecteurs photoelectriques MF = 1.5).

Chapitre 5

La mesure dacceleration

Lacceleration est une mesure utile en industrie pour verifier lamplitudeet la frequence de vibrations sur des machines. Entre autres, un accelerome`trepeut etre utilise pour faire de la maintenance preventive de roulement a` bille.En mesurant les vibrations il detectera une deterioration des roulements,avant que ceux-ci aient un bris majeur.

Lacceleration peut etre deduite des mesures dun capteur de vitesse.Lacceleration est la derivee de la vitesse :

a = limt

v

t=dv

dt. (5.1)

Toutefois, les capteurs de vitesse ayant souvent des signaux bruites, celarend cette approche relativement risquee. Et, pas question de faite une doublederivee de la position, la mesure resultante serait inexploitable.

5.1 Introduction

La mesure dacceleration utilise trois technologies de capteurs differentes : Accelerome`tres piezoelectriques ; Accelerome`tres piezoresistifs ; Accelerome`tres asservis.Ces trois technologies peuvent couvrir les trois principaux champs dap-

plication pour ces capteurs : Mesure dacceleration : En regime continu, amplitudes dacceleration faibles, de frequences

inferieures a` 100 Hertz ;

119

120 CHAPITRE 5. LA MESURE DACCELERATION

Figure 5.1 Accelerome`tres piezoelectriques

Mesure de vibration : En regime pseudo-continu, amplitudes dacceleration moyennes, fre-

quence jusqua` 10 kiloHertz ; Mesure de choc : Phenome`nes transitoires, amplitudes dacceleration elevees, frequen-

ce jusqua` 100 kiloHertz.

Le corps depreuve est le meme dans tous les capteurs daccelerationet on le nomme une masse sismique. Lorsque le capteur est soumis a` uneacceleration a (en me`tres par seconde), linertie de la masse sismique m (engrammes) resiste a` son mouvement avec une force F = ma (en Newton). Ilfaut donc mesurer lamplitude de cette force F pour deduire lacceleration.Cela sera fait par lelement de transduction.

Certains accelerome`tres permettent une mesure triaxiale, i.e., une mesuredacceleration sel

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Cours_GPA668_E13_02_03_04_05.pdf