ÉLECTRONIQUE DE CAPTEURS

JERIDI – FRASCA – GOY – GODEFROYHEI Campus centre

Capteurs de position

Fonction

Signal physique(vent, T°,…)

ACQUERIR LES INFORMATIONS

Signal exploitable(tension, courant)

On distingue les capteurs par le type de signal qu’ils transmettent:

• Signal tout ou rien => Détecteurs

• Signal analogique => Capteurs

• Signal numérique => Codeurs

StructureINTRODUCTION

Les capteurs sont souvent utilisés dans les automatismes et sont associés à des transmetteurs qui convertissent leur signal de sortie en signal de mesure standard.

Le transmetteur possède en général deux paramètres de réglage:

le décalage du zéro et l’étendue de mesure.

Il suffit de: 1/ Régler le 0 pour la grandeur min du capteur2/ Régler le gain pour être à 100% pour le max du capteur

PROCESS CAPTEUR TRANSMETTEUR

SYSTEME DE CONTRÔLE COMMANDE

Grandeur à mesurer

Signal standar

d

StructureINTRODUCTION

4

CAPTEURS DE POSITION

Photoélectrique

PHOTOÉLECTRIQUEPrincipe de fonctionnement

La lumière

5

La lumière éjecte les électrons du matériaux sur laquelle elle est émise, et crée un courant

proportionnel à l’intensité lumineuse

Principe de fonctionnement Traitement

6

a. Un photoémetteur convertit un signal électrique en énergie lumineuseb. Un système optique dirige et concentre le faisceau émis

c. Un photorécepteur convertit le faisceau en signal électrique

d. Un démodulateur-amplificateur extrait et amplifie le signal convertite. Un comparateur effectue une comparaison entre le signal émis et le seuil de commutationf. Une sortie de puissance est actionné

a b b

c

d

e

f

PHOTOÉLECTRIQUE

7

Réflexion (ρ), Absorption (α) et Transmission (τ)Un émetteur envois un signal (lumineux,

infrarouge…)

Détecteurs

Un capteur réceptionne et analyse celui-ci et le compare au faisceau envoyéUne sortie binaire ou analogique du capteur est alors enclenché ou non

OK

NOK

NOK

Barrière Reflex, polarisé Barrage Proximité A seuil(s)

PHOTOÉLECTRIQUE

8

Détecteur de contraste

Détecteur de luminescence (UV)

Détecteur de couleur

DétecteursPHOTOÉLECTRIQUE

9

AvantagesPHOTOÉLECTRIQUE

10

Choix Critères de choix

Nature/Taille/Surface du solide Distance Environnement ambiant Implantation/raccordement Alimentation Signal de Sortie Fonctions complémentaires

(logiques, temporisé, sorties…)

PHOTOÉLECTRIQUE

11

Inductif

CAPTEURS DE POSITION

Les capteurs inductifs à réluctance variable

Constitués d'un aimant permanent mis à l'intérieur d'une bobine.

A proximité d’un matériaux métallique, la réluctance magnétique du circuit varie et permet la création d'un courant dans la bobine.

Les capteurs inductifs à courants de Foucault

Produit un champ magnétique oscillant lorsqu'un objet métallique passe a proximité, celui-ci est soit atténué, soit perturbé, selon la nature du métal.

INDUCTIFTypes

Leurs usages : Automatisme des chaînes de

fabrication

La sécurité sur les avions

Détection de la plaque de métal

Ils permettent la détection de :

INDUCTIFTypes

INDUCTIFFonctionnement

Bobine Grandeur

mesurée :

Variation du courant

Analogique TOR

DETECTER

M éta l

D ensité

S igna l é lectrique TO R ou s igna l ana logique

C apteur inductif

C ham p m agnétique

INDUCTIFDiagramme d’activité

Type de fixation : Tête du détecteur intégrée dans le support de

fixation métallique,...

Type de boîtier : Place disponible restreinte Ambiance IP67 maxi,...

Nature du boîtier : Applications en environnement sain, Environnement

difficile,...

Type de raccordement : Raccordement sur un bornier distant, Maintenance

facilitée,...

La portée : elle doit être supérieure à la distance de l'objet à

détecter.

Le raccordement : 2 fils (continu ou alternatif) ou 3 fils (continu PNP ou

NPN) pour des vitesses de commutation élevées.

INDUCTIFChoix

Les avantages :

Pas de contact physique avec l'objet (pas d'usure).

Cadences de fonctionnement élevées Grandes vitesses d'attaque pour la prise en

compte d'informations de courte durée. Très bonne tenue aux environnements

industriels agressifs. Contact statique.

Les inconvénients :

Ne détecte que les métaux. Faible étendue de mesure, de l’ordre du

centimètre.

INDUCTIFAvantages & inconvénients

18

CAPTEURS DE POSITION

Electromécanique

DETECTEUR DE PROXIMITE ELECTROMECANIQUE La détection se réalise par un contact

physique (palpeur ou organe de commande) avec un objet ou un mobile

Utilisations : la détection de pièces machines

(cames, butées, pignons...) la détection de balancelles, chariots,

Wagons… la détection directe d'objets, etc…

ÉLECTROMÉCANIQUEFonctionnement

ÉLECTROMÉCANIQUEDifférents types

• Sécurité de fonctionnement élevée : fiabilité des Contacts

• Séparation galvanique des circuits

• Bonne aptitude à commuter les courants faibles combinés à une grande endurance électrique

• Gamme d’alimentation élevée

• Mise en œuvre simple

• Grande résistance aux ambiances industrielles

ÉLECTROMÉCANIQUEAvantages

22

Ultrason

CAPTEURS DE POSITION

Emetteur : il envoie des ondes, qui

vont se réfléchir sur l’objet à détecter

Calcul de la distance en fonction du temps et de la vitesse des ondes

Vitesse des ondes dans l’air = 340 m/s

ULTRASONFonctionnement

Mode réflexion directe : un seul boitier

Mode barrage : deux boitiers

indépendants

Mode réflex : un boitier, et un

réflecteur

ULTRASONModes de fonctionnements

Grandeur mesurée : Distance

Étendue de mesure : de quelques centimètres

jusqu’à quelques mètres

Précision : distance précise, mais

angle pas fiable

ULTRASONCaractéristiques

Mauvais fonctionnement si :

Échos parasites (produits par d’autres appareils émettant des ondes)

Zone « morte » : distance minimum que doit avoir l’objet à détecter pour que le capteur fonctionne correctement

Matériaux tels que : les tissus, les caoutchoucs… qui absorbent les sons

Forme de l’objet (objet anguleux difficile à détecter)

Aucune influence de la couleur, de la transparence ou de la brillance de l’objet

ULTRASONConditions d’environnements

Détecteurs de bancs de poissons

ULTRASONUtilisations

Robotique : détection d’obstacles (radar

de recul sur les voitures)

Sonar

Lidar : Lumière laser

Radar :Ondes radio

Fonctionnement identique au sonar

ULTRASONSimilitude – Radar/Lidar

29

Caméra

CAPTEURS DE POSITION

30

Vision industriel consiste à prendre une ou plusieurs images de l’objet à

contrôler ou visualiser

Vision 2D

CAMERADéfinitions

31

Vision 3D

Vision Thermique

DéfinitionsCAMERA

32

Vision à Rayon X

DéfinitionsCAMERA

33

Utilisation

Fin de production

Emballage

CAMERA

34

ok

UtilisationCAMERA

35

Exemple d’installation

Bouteille remplie

Mise en place bouchon/capsu

le

Etiquetage Emballage

CAMERA

36

Codeurs

CAPTEURS DE POSITION

C’est un codeur angulaire qui comporte un émetteur de lumière (DEL), un récepteur photosensible et un

disque qui comporte une succession de zones opaques et transparentes

CODEURSFonctionnement

Le disque gradué est lié mécaniquement à l’objet à contrôler (arbre d’un moteur par exemple).Þ Il suffit d’installer le capteur au bout de l’élément

en rotation

CODEURSFonctionnement

Il existe deux types de codeur de position rotatif:

Le codeur incrémental qui permet de connaître la position de l’objet par comptage/décomptage des impulsions délivrées par le codeur

Le codeur absolu qui donne la position exacte sur un ou plusieurs tours

CODEURSDifférents types

Deux types de disques:Codes Binaire Naturel Code GRAY (Binaire

Réfléchi)

CODEURSAbsolu - Fonctionnement

code décimal

code binaire naturel

code binaire réfléchi

0 000 000

1 001 001

2 010 011

3 011 010

4 100 110

5 101 111

6 110 101

7 111 100

Exploitations des signaux

Le code binaire naturel présente:

- l’inconvénient d’avoir plusieurs bits qui changent d’état entre deux positions (risque d’erreurs)

MAIS- l’avantage d’avoir un code qui peut

être directement exploité par un automate.

Le code GRAY présente:

- l’avantage d’avoir un seul bit qui change d’état entre deux positions

MAIS- l’inconvénient d’avoir un code plus

dur à exploiter.

CODEURSAbsolu - Fonctionnement

Avantages

Insensibilité aux coupures du réseau Pas de besoin de réinitialisation en cas

d'arrêt d'alimentation désirée ou non. Insensibilité aux parasites en ligne

Inconvénients

Généralement plus coûteux, encombrants que les codeurs incrémentaux

Nécessitent plus d'entrées sur l'API (au minimum une par bit pour des capteurs 10 ou 12 bits par exemple).

CODEURSAbsolu - Avantages

Le disque comporte au maximum 3 pistes.

Une ou deux pistes extérieures divisées en (n) intervalles d'angles égaux alternativement opaques et transparents.

Pour un tour complet du codeur, le faisceau lumineux est interrompu (n) fois et délivre (n) signaux carrés (A et B) en quadrature.

CODEURSIncrémental - Fonctionnement

Le déphasage de 90° électrique des signaux A et B permet de déterminer le sens de rotation :

La piste intérieure (Z : top zéro) comporte une seule fenêtre transparente et délivre un seul signal par tour. Ce signal Z d'une durée de 90° électrique, détermine une position de référence et permet la réinitialisation à chaque tour.

Le comptage-décomptage des impulsions par l'unité de traitement permet de définir la position du mobile.

CODEURSIncrémental - Avantages

Inconvénients Sensibilité aux coupures du réseau :

▪ Fait perdre la position du moteur Sensibilité aux parasites en ligne :

▪ Un parasite peut être perçu comme un incrément

Avantages Généralement moins coûteux,

encombrants que les codeurs absolus

Nécessitent moins d'entrées sur l'API (6 entrées au maximum)

CODEURSIncrémental - Avantages

46

Capacitif

CAPTEURS DE POSITION

Les capteurs capacitifs s‘utilisent pour la reconnaissance de tout type d‘objets :

Bois, papier… en raison de leur grande insensibilité aux interférences

Pour les liquides, l‘application standard des capteurs capacitifs est le contrôle de niveau.

CAPACITIFUtilisations

Fonctionne sans contact physique avec l‘objet à détecter

Le fonctionnement repose sur la modification du champ électrique.

Le capteur comprend un oscillateur RC, un démodulateur et un étage de sortie.

Le fait d‘approcher des métaux ou non-métaux en regard de la face sensible du capteur capacitif provoque une transformation de la capacité, entraînant elle-même le démarrage de l‘oscillateur RC.

CAPACITIFFonctionnement

Détecter

M atériaux

Densité

Cham p é lectrique

S ignal é lectrique TO R/signal analogique

Capteur capacitif

CAPACITIFDiagramme d’activité

Caractéristiques de l'application : Détection à faible distance, à travers

d'une paroi isolante Détection à plus forte distance (<= 1

cm) d'un matériau conducteur directement ou au travers d'une paroi isolante.

En fonction du matériaux à détecter : Matériaux isolants (bois, carton,

papier, verre,...) ou matériaux conducteurs : métaux et liquides

Technologies conseillées : Versions noyables // versions non

noyables.

CAPACITIFChoix

Avantages :

Pas de contact physique avec l'objet (pas d'usure),

Cadences de fonctionnement élevées Très bonne tenue aux

environnements industriels agressifs Contact statiques

CAPACITIFAvantages & inconvénients

Inconvénients :

Portée faible (50mm) Le matériau doit être dense

52

Conclusion

CAPTEURS DE POSITION

L’objet est il solide?

Le contact avec l’objet est il possible?

Masse objet > 500 g

Vitesse passage < 1,5 m/s

Fréquence passage < 1,5 Hz

L’objet est il métallique?

Distance objet/détecte Ur > 1,5 cm?

Distance objet/détecteur < 5 cm?

DETECTEUR ELECTROMECANIQUE

DETECTEUR

INDUCTIF

DETECTEUR

ULTRASON

DETECEUR

CAPACITIF

PHOTOELECTRIQUE

OUI

OUI

OUI

OUI

OUI

OUI

OUI OUI

NON

NON

NON

NON

NON

NON

NON

L’environnement n’est pas pris en compte ici

CONCLUSIONChoix d’un capteur de

position

Cette deuxième phase tient compte de paramètres liés à :

l'environnement : température, humidité, poussières, projections diverses...

la source d'alimentation : alternative ou continue

le signal de sortie : électromécanique, statique

le type de raccordement : câble, bornier, connecteur

CONCLUSIONEnvironnement

55

Merci de votre attention !

FINCAPTEURS

DE POSITION