CHAPITRE 5. Capteurs de position et de déplacement

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1 CHAPITRE 5 Capteurs de position et de déplacement

2 PLAN INTRODUCTION POTENTIOMETRES RESISTIFS CAPTEURS INDUCTIFS CAPTEURS CAPACITIFS CAPTEURS ULTRASONORE CAPTEURS OPTIQUES CAPTEURS DIGITAUX CONCLUSION

3 INTRODUCTION (1) Mesure de position et déplacement : - machines outils - robotique - pour mesurer d autres grandeurs physiques (corps d épreuve) mesurande primaire : ex : force, pression, accélération, mesurande secondaire : déplacement ou position

4 INTRODUCTION (2) Principes de mesure : 1. Capteurs absolus : le capteur fournit un signal qui est fonction de la position de l une de ses parties liée à l objet mobile ex : potentiomètre résistif, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile, codeurs digitaux absolus,

5 INTRODUCTION (3) 2. Capteurs incrémentaux : le capteur délivre une impulsion à chaque déplacement élémentaire. La position et les déplacements sont déterminés par comptage des impulsions émises, ou décomptage selon le sens du déplacement 3. Capteurs de proximité : Ils sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique avec l'objet dont ils mesurent la distance ou le déplacement.

6 POTENTIOMETRE RESISTIF (1) Réalisation : - une résistance fixe R n (fil bobiné ou piste conductrice) - un curseur : - assure le contact électrique - est lié mécaniquement à la pièce dont on veut traduire le déplacement - isolé électriquement de cette pièce

7 POTENTIOMETRE RESISTIF (2) Selon la forme géométrique de la résistance fixe et donc du mouvement du curseur, on distingue : 1. le potentiomètre de déplacement rectiligne E D d V curseur V = R d R D d R d E= R d R D E= d S D S E= d D E 2. le potentiomètre de déplacement circulaire V = M E

8 POTENTIOMETRE RESISTIF (3) Avantages : - simplicité - peu coûteux - angle de mesure 10 à la sortie est indépendant R => stable par rapport à la température Inconvénients : - charge mécanique - usure par frottements - influence de la source - influence de l'appareil de mesure. solution : amplificateur suiveur pour garantir la validité de l'utilisation du diviseur de tension

9 CAPTEURS INDUCTIFS (1) Principe Le déplacement que l'on veut mesurer est imposé à un des éléments d'un circuit magnétique entraînant une variation de flux. a. Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Capteur de déplacement inductif utilisant le principe de variation de flux dus au mouvement du noyau. V ref primaire.. V s secondaire noyau Le primaire est attaqué par un signal sinusoïdal. Un signal sinusoïdal est induit dans les 2 bobines du secondaire. Quand le noyau est au milieu du transformateur, on a V s =0, car les tensions induites dans les deux bobines sont d'amplitudes égales mais de sens opposé.

10 CAPTEURS INDUCTIFS (2) Fonction de Transfert du LVDT V m = 2 j a E Z 1 x C'est un capteur linéaire Z 1 impédance dans le primaire x déplacement du noyau E amplitude de la tension d'excitation A : 1 coefficient de mutuelle induction RVDT Même principe que le LVDT sauf que c'est un capteur rotatif Caractéristiques métrologiques Étendue de mesure : ± 1 mm à ± 500 mm, ± 45 Erreur de linéarité : 0.05 % à 1% de l'e.m Précision : 0.05 % à 1% de l'e.m

11 CAPTEURS INDUCTIFS (3) b. Circuit magnétique à entrefer variable Objet ferromagnétique noyau Principe : mesure du coefficient d'autoinduction dans un circuit magnétique. Fonction de Transfert typique Grandeur de sortie 100% Inductancemètre x 2 12 cm Distance x Lorsque le noyau bobiné se déplace à proximité d'un matériau ferromagnétique, le champ magnétique engendré varie, modifiant ainsi le coefficient d'auto induction dans la bobine. Avantages - mesure sans contact - simple Inconvénients - non linéaire, sauf en petite variation - mesure de déplacement d'objets ferromagnétiques

12 CAPTEURS CAPACITIFS (1) Principe : Il s'agit de condensateurs plans ou de condensateurs cylindriques dont l'une des armatures subie le déplacement => variation de la capacité Plan : C= S r 0 Cylindrique : e C= 2 r 0 l ln r 2 r 1 L

13 CAPTEURS CAPACITIFS (2) Gauging capacitive sensor : Mesure de déplacement et de position sans contact. L'objet dont le déplacement est à étudier forme une des armatures du condensateur Caractéristiques métrologiques - E.M = jusqu'à 5 cm - linéarité correcte Applications - usure des freins en F1

14 CAPTEURS ULTRASONORES (1) Principe : Émission et réception d'une onde acoustique. La distance entre l'émetteur et l'obstacle est donnée par le temps de vol de l'onde acoustique. Circuit de contrôle émetteur récepteur d Objet d = T v cos 2 v : vitesse de l'onde dans le milieu T : temps entre l'émission et la réception de l'onde Avantages Inconvénients - ne dépend pas du matériau en déplacement - E.M à partir du cm - E.M jusqu'à une dizaine de m - dépend de l'angle de réflexion

15 CAPTEURS ULTRASONORES (2) Émetteur-recepteur Obstacle Horloge 1 2 Comptage des impulsions d'horloge écoulé N=7 La mesure dépend de : - l'amplitude de l'écho - de l'angle d'incidence du faisceau sur l'objet La précision de la mesure dépend de : - l'horloge utilisé pour le comptage - la capacité du système électronique à détecter l'écho La précision peut être meilleure que 0.1 mm

16 CAPTEURS OPTIQUES (1) Principe Émission et réception d'un faisceau optique et mesure de distance suivant un principe de triangulation optique f x I b Position sensitive detector L b Lentilles I a L o Led La lumière réfléchie est focalisée sur la surface du capteur PSD. Le capteur délivre alors un courant I a et I b proportionnel à la distance x du point d'impact du faisceau au milieu du capteur. L 0 = f L b x

17 CAPTEURS OPTIQUES (2) Application Positionnement de bras de robot Mesure d'épaisseur Caractéristiques métrologiques - Étendue de mesure : jusqu'à 50 cm - résolution : jusqu'à 0.01 um Avantages - très bonne résolution Inconvénients - dépend de la réflectivité du matériau ciblé.

18 CAPTEURS DIGITAUX (1) a. Codeurs absolus Capteur fournissant une sortie numérique (sous forme de mot binaire ou d'impulsions d'horloge) Principe Une règle ou un disque est divisée en N bandes chacune contenant l'information binaire sur la position Résolution du capteur Linéaire : L /N où L longueur de la règle Angulaire : 360 / N Matérialisation des états binaires - surface magnétique ou ferromagnétique - surface opaque ou translucide

19 CAPTEURS DIGITAUX (2) b. Codeurs optiques absolus Principe Émission et réception de faisceaux lumineux traversant un disque ou une règle qui contient le code binaire correspondant à la position Une diode électroluminescente et un récepteur pour chaque piste et le rôle du disque est d'agir comme un interrupteur de faisceau. Avantages - mesure absolue ( pas besoin de référence) - mise en œuvre aisé avec un PC inconvénients - coûteux - nécessite la mise en place sur l'élément mobile

20 CAPTEURS DIGITAUX (3) c. Codeurs incrémentaux Principe : Délivre une impulsion pour chaque déplacement élémentaire + Faisceau de lumière = Information de direction - 2 voies en quadrature de phase permet de connaître la direction de déplacement.

21 CAPTEURS DIGITAUX (4) Plus commun que le codeur absolu, car plus simple et moins coûteux. Avantages - simple - peu coûteux - interfaçage PC simple Inconvénients - nécessite un comptage - besoin de référence pour une mesure absolue

22 CONCLUSION Mode de transduction Résistif Type Potentiomètre résistif Inductif Capacitif Émission/reception Inductance variable Transformateur différentiel Surface variable Écartement variable Gauging capacitive sensor Capteur ultrasonore Capteur optique Avec contact Sans contact