LES CAPTEURS. Energie. Acquérir et coder une information. Capteur

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1 CPG / ciences Indusrielles pour l Ingénieur C83 Les capeurs L CAPTUR Le domaine indusriel a besoin de conrôler de rès nombreux paramères physiques (longueur, force, poids, pression, déplacemen, posiion, viesse, empéraure, luminosié, ). A chacune de ces grandeurs à mesurer peuven correspondre un ou plusieurs ypes de capeurs foncionnan selon un phénomène physique : variaion de résisance, variaion d inducion magnéique, variaion capaciive, de fréquence, de flux lumineux 1. Définiion Les capeurs recueillen une informaion physique sur le comporemen de la parie opéraive (P.O) ou sur l éa de son environnemen e la ransformen en une informaion exploiable par la parie commande (P.C). nergie Grandeur physique sur la P.O ou sur l environnemen - Posiion - Viesse - Tempéraure - Force, Acquérir e coder une informaion Capeur Informaion codée vers la P.C - ignal logique - ignal analogique - ignal numérique 2. rucure e foncions principales d un capeur De façon simple, un capeur peu êre défini comme un ransduceur converissan une grandeur physique en un signal élecrique. Cee ransformaion peu êre direce dans quelques cas simples (exemple : hermocouple). Mais en réalié, la echnologie des capeurs fai souven appel à plusieurs conversions de phénomène physique avan d arriver au signal de sorie. Ainsi, la srucure d un capeur répond de manière générale au schéma ci-dessous : grandeur physique à mesurer () (ex : effor) Corps d épreuve CAPTUR INTÉGRÉ CAPTUR Transduceur Alimenaion en énergie Condiionneur de signal sorie () grandeur physique INTRMÉDIAIR (ex : allongemen) grandeur physique MURABL (ex : résisance) Consiuion Le capeur propremen di es formé du corps d épreuve e du ransduceur : Corps d épreuve : C es l élémen mécanique réagissan à la grandeur physique à mesurer. xemple : uppor méallique pour une jauge de déformaion M alee- Lycée Brizeux- Quimper Transduceur : Condiionneur : C es l élémen lié au corps d épreuve raduisan la réacion reçue en un signal élecrique, une variaion de résisance, de capacié, d inducance. xemple : Fil résisan disposé en zigzag pour une jauge. Circui élecronique raian la grandeur mesurable pour délivrer un signal de sorie ayan des caracérisiques spécifiées (V, I, f, ). xemple : Pon de Wheasone suivi d un amplificaeur d insrumenaion La loi obenue = f() n es pas oujours linéaire. : C83 capeurs.doc- Page 1 sur 5

2 CPG / ciences Indusrielles pour l Ingénieur On inègre de plus en plus le condiionneur dans le même boîier que le capeur : l ensemble forme alors un capeur inégré. Les foncions assurées par ce condiionneur von de la simple mise en forme e adapaion du signal, jusqu aux raiemens élaborés de correcion de grandeurs d influence, forman ce qu on appelle aujourd hui les capeurs inelligens à microprocesseurs. 3. Classificaion par la naure du signal de sorie On peu effecuer une première classificaion des capeurs par la naure des signaux ransmis : Capeurs logiques Ils délivren une sorie logique de ype TOR (ou ou rien). Ils son en général appelés déeceurs car ils serven surou à prélever l informaion "présence" ou "proximié" d un obje. euil 1 0 Capeurs analogiques Ils délivren un signal de sorie sous la forme d une ension ou d un couran varian coninûmen. ur les capeurs indusriels, les plages de variaion couranes son ± 50 mv, ± 1 V, ± 5 V, ± 10 V pour les ensions e 0-20 ma, 4-20 ma pour les courans. De els signaux nécessien un raiemen pariculier (conversion analogique - numérique) pour êre exploiables par les API ou micro-ordinaeurs. 0 Capeurs numériques Ils délivren un signal de sorie sous la forme, soi d un rain d impulsions don le nombre ou la fréquence es l image de la grandeur d enrée, soi d un code numérique binaire. On rouve parmi les principaux capeurs numériques indusriels, les capeurs de posiions angulaires incrémenaux, les codeurs absolus, les leceurs de code à barres e les leceurs de pises magnéiques. euils Principales caracérisiques d un capeur endue de mesures : Valeurs exrêmes pouvan êre prises par la grandeur à mesurer. Résoluion : Plus peie variaion de la grandeur d enrée que le capeur peu déceler. ensibilié : Variaion du signal de sorie pour une variaion de la grandeur d enrée. C es donc la dérivée de la foncion de ransfer = f(). Précision : Caracérise l apiude d un capeur à donner des indicaions proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée. lle comprend l erreur de jusesse (indicaion valable) e de fidélié (répéiivié). Rapidié : Caracérisée par le emps de réponse de la grandeur de sorie suie à une variaion de la grandeur d enrée. Liée à la bande passane du capeur. : C83 capeurs.doc- Page 2 sur 5

3 CPG / ciences Indusrielles pour l Ingénieur 5- Capeurs logiques 5-1deeceur de posiion On disingue : les deeceurs de présence à acion mécanique les deeceurs de proximié. Déeceurs de présence à acion mécanique ncore appelés inerrupeurs de fin de course, inerrupeurs de posiion, déeceurs de posiion ou, impropremen, capeurs de fin de course, ce son des commuaeurs commandés par le déplacemen d'un organe de commande (corps d'épreuve). Lorsqu'ils son acionnés, ils ouvren ou fermen un ou plusieurs circuis élecriques ou pneumaiques. Ce son des déeceurs Tou Ou Rien (TOR. exemples: le capeur se représene par: gale Fig 7 Rappel par ressor Deeceurs de proximié Un deeceur de proximié délivre une informaion logique de présence sans conac physique avec l elemen à deecer. On disingue comme principales echnologies: deeceurs elecriques inducifs e capaciifs. deeceurs elecriques opoelecriques deeceurs magnéiques deeceurs pneumaiques Domaines d'emploi. Les déeceurs de proximié son plus adapés que les conacs mécaniques en cas : d'ambiances agressives ou poussiéreuses (inducifs e capaciif,-,); de force de manoeuvre insuffisane ou inerdie (pièces fragiles, peines de frais, ec.); de fréquence de foncionnemen élevée; de vibraions ou chocs; de nécessié d 'une grande durée de vie. porée: varie de quelques dixièmes de millimères, pour les déeceurs inducifs, à plusieurs mères pour les déeceurs opoélecroniques. Fréquence de commuaion. C'es le nombre maximum de commuaions par seconde : de quelques herz à plusieurs kherz selon le déeceur. Le nb maxi de commuaion correspond à la durée de vie. : C83 capeurs.doc- Page 3 sur 5

4 CPG / ciences Indusrielles pour l Ingénieur 5-2 Déeceurs élecriques Déeceurs inducifs e capaciifs. Leur consiuan principal es un oscillaeur généran un champ élecromagnéique de haue fréquence à l'avan de sa face sensible (100 à 600 khz). L' enrée d'une pièce dans le champ rayonné enraîne un déséquilibre de l'oscillaeur, qui, après amplificaion, commande l'éage de sorie (hyrisor ou ransisor). Les déeceurs inducifs ne réagissen qu'aux pièces méalliques. Les déeceurs capaciifs son plus spécialemen uilisés pour déecer des élémens non conduceurs (bois, caron, verre, ec.). deeceurs inducifs: Déeceurs phooélecriques. Un déeceur de proximié phooélecrique es consiué d'un émeeur qui es généralemen une diode élecroluminescene e d'un récepeur de lumière (généralemen un phooransisor), qui peuven êre inégrés ou non dans le même consiuan Procédés de déecion. Les déeceurs phooélecriques peuven déecer la présence de leur cible de deux manières par blocage du faisceau par là cible passan dans le raje de la lumière (disposiif barrage) par réflexion direce du faisceau vers le récepeur par la cible lorsqu'elle passe (disposiif «reflex»). l fig 9 fig10 Porée nominale n. C'es la disance maximale conseillée enre l'émeeur e le récepeur, ou le réfleceur. lle varie de: 2 à 30 mères environ pour les disposiifs barrage 0,2 à 1,5 mère pour les disposiifs à réflexion direce sur la cible. Les déeceurs à fibres opiques on des porées beaucoup plus réduies (de 3 à 250 mm environ). Porée de ravail recommandée a. lle doi êre choisie inférieure à la porée nominale afin de se garanir une fiabilié de déecion. Fréquence maximale de commuaion. lle es courammen de 15 à 500 Hz environ. Déeceurs magnéiques sans conac. L'applicaion la plus courane concerne la déecion des fins de courses des vérins (voir TP de disribuion de pellicules phoos). Ils son alors fixés direcemen sur le corps d'un vérin spécial à pison magnéique, un déeceur magnéique sans conac es conçu pour déecer la fin de course, ou le passage, du pison. pison avec anneau magnéiquer capeurs de fin de course corps de vérin amagneique Déeceurs de proximié pneumaiques Il exise deux moyens de déecer sans conac la présence d'un mobile en uilisan l'air comprimé comme suppor d'informaion. Fig 14 : C83 capeurs.doc- Page 4 sur 5

5 CPG / ciences Indusrielles pour l Ingénieur Déeceurs fluidiques. Un je d'air à basse pression s'écoule normalemen à l'air libre à parir d'un orifice annulaire disposé sur la face acive du déeceur. Lors qu'une cible se présene suffisammen près, le je es déourné en parie vers le cenre de la face acive où débouche un condui. On y recueille un signal pneumaique de 0,001 à 0,003 bar qui es augmené par un amplificaeur de pression. Il exise égalemen un déeceur fluidique de ype barrage. Capeurs numériques Les capeurs de déplacemen digiaux ou codeurs son des capeurs délivran, sous forme numérique, un signal de mesure de déplacemen linéaire ou angulaire. Plusieurs echnologies son disponibles les capeurs opiques, les capeurs synchro-machines, les capeurs à conac. Un capeurs incrémenal compore une pise linéaire ou circulaire présenan de façon régulière des divisions noires e claires (ou ransparenes) (0 ou 1) pour des sysèmes opiques. La sorie numérique d'un el codeur indique un changemen de posiion relaive sous la forme d'une série d'impulsions. Fig 16 Ce capeur dispose généralemen de deux pises décalées (déphasées) d'un quar de période, afin de permere la déecion du sens de roaion. La disposiion de deux signaux déphasés d'un quar de période perme de muliplier par quare la résoluion d'un el codeur. Capeur R1 Capeur R2 ens 1 Le capeur incrémenal de la figure 17 dispose de 32 encoches par our, avec les deux fourches phooélecriques 1 e 2 il peu discriminer 128 Fig17 posiions. n effe, dans le sens 1 par exemple, pour une période, la combinaison RI, R2 passe par 1 0, 1 1, 0 1, 00. La résoluion de ce capeur es de 360/128=2,81 Un el capeur perme de mesurer une posiion, une viesse, une accéléraion par un raiemen logique approprié (uilisaion d une pulsaion base de emps). ens 2 R1 R2 ¼ de période Fig18 ens de roaion 1 ens de roaion 2 La mesure du déplacemen se ramène à un compage des impulsions. La résoluion des codeurs incrémenaux es foncion du nombre de poins (ou graduaions). Pour les codeurs angulaires classiques, le nombre de poins peu varier selon les modèles de 40 à par our.. Les codeurs linéaires son beaucoup moins uilisés. Cerains consruceurs proposen des règles de plusieurs mères. La résoluion aein dans cerains cas le micromère (10-6 m) pour les appareils hau de gamme. : C83 capeurs.doc- Page 5 sur 5

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