3.2 Constituants d un système. Capteur à ultrasons Capteur de présence

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1 - Société & développement durable - Technologie - Communication Acquisition et codage de l information 1 Introduction Anémomètre Capteur solaire Capteur à ultrasons Capteur de présence Capteur de gaz Mesure de la vitesse du vent, du taux de CO2, de l ensoleillement Détection de la présence d obstacles Détection de la présence d une personne Détection de différents états de la machine Dans les systèmes techniques, de nombreuses grandeurs physiques (température, pression, intensité lumineuse, position, déplacement,...) sont à mesurer et à prendre. Il a fallu développer des organes techniques permettant l acquisition de ces grandeurs physiques, la transformation et la transmission d informations exploitables Aux unités de traitement. Cet organe technique qui est à l origine de cette chaîne d acquisition est défini par un terme générique : CAPTEUR. 2 Le capteur 2.1 Définition Un capteur est un constituant ou un organe capable d acquérir une grandeur physique à mesurer, et de la transformer en une grandeur exploitable par une unité de traitement. Le signal de sortie d un capteur est très souvent électrique (Courant ou tension). Process Grandeur A mesurer (m) Pression T Niveau Présence déplacement Etc CAPTEUR Signal de sortie (S) Courant Tension Etc TOR Système de contrôle / Commande Analogique Numérique Le capteur est caractérisé par sa fonction : s = f(m) où s est la grandeur de sortie ou la réponse du capteur et m la grandeur physique à mesurer (Mesurande). 1 /12

2 2.2 Situation des capteurs dans un système Les capteurs font partie de la chaîne d information d un système. Une chaîne d information est une association structurée de composants qui à partir d une information source permet, de l acquérir (capteur), de la traiter (par programme) et de restituer une information ou une consigne qui peut être utilisable directement par l utilisateur ou qui permet d actionner une chaîne d énergie. Toute chaîne d information est composée des groupes fonctionnels : - Acquérir l information - Traiter l information - Communiquer l information Etats du système Comptes-rendus Chaîne d information Le but recherché en utilisant un capteur est de détecter ou mesurer, convertir une grandeur pour la rendre exploitable et transmettre des comptes-rendus vers le constituant de traitement ce qui permet ensuite d informer l utilisateur ou déclencher une action. La grandeur physique à mesurer peut être très variée : déplacement, température, pression, vitesse, position, couleur, radioactivité, dimension, Exemple : PORTAIL AUTOMATIQUE (voir schéma plus bas) Les cellules photoélectriques (B) permettent de détecter une présence (véhicule, personne, animal, objet, ) dans la zone de déplacement du portail. Pendant la phase de fermeture, si une présence est détectée, l ordre d inversion du sens de rotation du moteur est donné par l armoire de commande (A) afin de provoquer l entraînement du portail en sens inverse et éviter ainsi tout accident ou détérioration du matériel. La représentation schématique suivante met en évidence les constituants de la chaîne d information (et d énergie) permettant d assurer cette fonction liée à la sécurité anti-coincement. 2 /12

3 Chaîne d information Position de l obstacle ACQUERIR Cellules photo (B) TRAITER Unité de traitement (dans A) COMMUNIQUER Interface de com (dans A), gyrophare Allumage gyrophare (C) Consigne de rotation sens AR W ALIMENTER Tableau de distribution DISTRIBUER Contacteur (dans A) CONVERTIR Moteur électrique TRANSMETTRE Réducteur + Pignon crémaillère OUVRIR le PORTAIL Chaîne d énergie L information source (position obstacle) est détectée par les cellules photo. Cette information est convertie en signal électrique et transmise à l unité de traitement. En fonction de son programme interne, l unité de traitement décide alors d envoyer une consigne de rotation en sens AR au contacteur par l intermédiaire de l interface de communication ainsi que la signalisation de la mise en mouvement par allumage du flash. 3 Classification des capteurs 3.1 Classification en fonction du signal délivré L information transmise par un capteur peut être : TOR (logique) Analogique Numérique 3 /12

4 3.1.1 Capteur TOR Un capteur TOR (Tout Ou Rien) est un capteur dont la sortie ne peut prendre que deux états généralement représenté par 0 et 1. - Ce sont les capteurs les plus répandus en automatisation (interrupteurs de position, détecteurs de proximité...) Les capteurs TOR ne délivrant que deux états 0 et 1 sont généralement appelés des DETECTEURS. Domaine d utilisation des capteurs TOR : Détection de la présence, d un passage Détection d un seuil de T (Thermostat), d un seuil de pression (Pressostat), Détecteur de présence Détecteur magnétique monté sur un vérin Détecteur inductifs, capacitifs, photoélectriques, à galet, à tige souple, Capteur ANALOGIQUE Signal ANALOGIQUE : Signal qui évolue dans le temps de façon continue. Un capteur analogique délivre une information (électrique, visuelle, ) qui évolue de façon continue entre deux bornes. T en degrés 150 Allure de la température T en degrés 150 Allure du signal délivré par la sonde 20 Sonde de températur e 20 0 Temps 0 20 Intensité en ma Sonde de T Mesure de la T Signal 0-20mA 4 /12

5 Domaines d utilisation des capteurs ANALOGIQUES : Mesure de grandeurs physiques (T, Pression, Niveau, Tension, Force, Luminosité, Couleur, ) Potentiomètre Manomètre analogique Capteur de pesage Capteur NUMERIQUE Signal NUMERIQUE : Signal composé d un nombre fini de valeurs numériques. Les informations délivrées par le capteur numérique peuvent être sous la forme d un code binaire (avec un nombre de bits définis), d un train d impulsions (avec un nombre précis d'impulsions ou avec une fréquence précise) Echantillonnage Un signal numérisé est un signal analogique qui a été échantillonné. Cela signifie que l on a à intervalles réguliers lu la valeur du signal. Le nombre d évènements lus par secondes correspond à la fréquence d échantillonnage. Cette fréquence doit être suffisamment grande si l on veut préserver la forme originale du signal. Elément sensible Mise en forme Grandeur physique (m) CAPTEUR NUMERIQUE Signal Numérique (S) Le théorème de Nyquist-Shannon dit que la fréquence d échantillonnage doit être égale ou supérieure à 2 fois la fréquence maximale contenue dans le signal. La qualité du signal numérique dépend également directement du nombre de bits utilisés pour coder le signal source. Le nombre de valeurs différentes pouvant être discrétisées est égal à 2 n (n = nb de bits utilisés). Valeurs numériques Valeurs numériques 111 Signal analogique Signal analogique Signal numérisé Signal numérisé T T Codage sur 3 bits soit 2 3 = 8 valeurs possibles Codage sur 4 bits soit 2 4 = 16 valeurs possibles 5 /12

6 Ex : Echantillonnage de la musique Notre oreille perçoit les sons jusqu environ Hz. La fréquence d échantillonnage doit être au moins de l ordre de Hz. Dans le cas d un CD audio cette fréquence est d environ Hz. Le signal est codé sur 16 bits soit 2 16 = valeurs différentes pour chaque échantillon. Entre deux échantillons, le signal a été «gommé». C est la raison pour laquelle les mélomanes préfèrent écouter la musique à partir d un disque vinyle plutôt qu un CD Transmission du signal Les capteurs numériques vont être capables de transmettre des valeurs déterminant des positions, des pressions, des températures, etc Les informations qui sont des combinaisons de signaux 0-1, sont transmises à l unité de traitement et peuvent être lues soit en parallèle, soit en série. Transmission parallèle Transmission série Domaines d utilisation des capteurs NUMERIQUES : Détection en continu d une grandeur (T, Pression, Niveau, Tension, Force, Luminosité, Couleur, ) Traitement numérique de l information. Codeur incrémental Codeur absolu Manomètre numérique (résolution=0.1bar) 3.2 Classification en fonction du mode de détection Les capteurs sont également classés suivant qu ils agissent AVEC CONTACT ou SANS CONTACT pour prélever l information source. 6 /12

7 3.2.1 Détection par CONTACT d une position Phénomène à détecter CAPTEUR Grandeur de sortie Caractéristiques - L'objet à détecter entre en contact avec le dispositif d'attaque - Le mouvement engendré provoque le basculement du contact électrique - Signal de sortie électrique de type TOR - Indice de protection du corps - Dispositif d'attaque de la tête - Type de contact "O.F." Commande directe Commande par levier Commande par poussoir Commande par galet Commande par levier à galet Commande par levier à rouleau Commande par tige souple De nombreuses versions existent, elles sont fonction des problèmes posés par leur utilisation (encombrement, nature des mouvements à prendre en compte, ), ainsi que de leur exploitation (sévérité de l environnement, atmosphère corrosive ou explosive ) Principe de fonctionnement Les interrupteurs de position sont constitués de trois éléments de base : - un contact électrique (1) - un corps (2) - une tête de commande avec son dispositif d attaque (3) 7 /12

8 3.2.2 Détection SANS CONTACT de la présence d un objet Avantages : - Pas de contact avec l objet à détecter - Pas d usure - Possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints, - Détecteur statiques (pas de pièces en mouvement) - Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres - Très bonne tenue à l environnement industriel Ce symbole signifie que la détection se fait SANS CONTACT. 4 Constitution d un capteur Un détecteur est constitué principalement de 3 parties : un corps d épreuve, un élément de transduction et d un boitier. Selon les cas, il peut être complété par un module électronique de conditionnement. Selon les cas Grandeur Physique à mesurer CORPS D EPREUVE Grandeur mesurable TRANSDUCTEUR Module Electronique de Conditionnement Signal de mesure transmissible Boîtier Signal de sortie - Le corps d épreuve (tête ou dispositif de commande) est élément qui réagit sélectivement à la grandeur qu il faut mesurer. Il transforme la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable, cette grandeur constitue la réaction du corps d épreuve. - L élément de transduction est une partie sensible lié au corps d épreuve. Il traduit les réactions du corps d épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie. - Le boîtier (ou corps) est un élément mécanique de protection, de maintien et de fixation du capteur. - Le module électronique de conditionnement encore appelé "transmetteur" permet d alimenter électriquement le capteur (le cas échéant), de mettre en forme et d amplifier le signal de sortie, de filtrer, corriger et mettre à niveau le signal pour la transmission. 8 /12

9 5 Schématisation Les détecteurs électriques TOR sont schématisés par le contact électrique équivalent à leur sortie auquel on ajoute un symbole représentant la technologie du détecteur. Représentation HORIZONTALE Contact à fermeture F ou NO (Normalement Ouvert) Contact à ouverture O ou NF (Normalement Fermé) VERTICALE Important : NO NF Sur un schéma, les contacts sont toujours représentés dans leur état REPOS. Convention CONTACT ETAT Etat PHYSIQUE Etat ELECTRIQUE Repos 0 0 Travail 1 1 Repos 0 1 Travail 1 0 Quelques exemples de commande de contact électriques Bouton poussoir Coup poing de Contact d horloge Pressostat Thermostat Contact à clé Détecteur de proximité Le schéma d un détecteur de proximité se décompose de la façon suivante : Détection de proximité Contact équivalent Principe de la détection 9 /12

10 Détecteur inductif Détecteur capacitif Détecteur magnétique Détecteur photoélectrique 6 Caractéristiques d un capteur Un capteur peut être caractérisé selon de nombreux critères dont les plus courants sont les suivants : - la grandeur physique observée, - son temps de réponse, - son étendue ou plage de mesure : variation possible de la grandeur à mesurer définie par une valeur minimale (portée minimale) et une valeur maximale (portée maximale). - sa sensibilité : paramètre qui exprime la variation du signal de sortie en fonction de la variation du signal d'entrée. - sa précision : le capteur est d'autant plus exact que les résultats de mesure qu'il indique coïncident avec la valeur vraie (par définition théorique) que l'on cherche à mesurer. - sa fidélité : c est tenter d obtenir toujours les mêmes résultats, pour les mêmes détections, - sa linéarité : surtout en analogique, les valeurs de sortie sont toujours proportionnelles aux valeurs d entrée dans toute l étendue de la mesure. - sa bande passante : intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un minimum. Elle est généralement confondue avec la largeur de bande passante qui mesure cet intervalle. - sa résolution : plus petite variation de la grandeur mesurée qui produit une variation perceptible par le capteur. - son hystérésis : retard de l'effet sur la cause, la propriété d'un système qui tend à demeurer dans un certain état quand la cause extérieure qui a produit le changement d'état a cessé, - sa gamme de température d'utilisation. 10 /12

11 7 SYNTHESE Les CAPTEURS sont des constituants que l on retrouve dans la Chaîne d information des systèmes techniques. La fonction d un capteur est de convertir une grandeur physique (T, Déplacement, Position ) en une grandeur utilisable par unité de traitement ou à destination de l opérateur. TOR (logique) Le signal délivré par un capteur peut être Analogique Un DETECTEUR est un capteur TOR. Numérique Schéma de principe d un capteur Selon les cas Grandeur Physique à mesurer CORPS D EPREUVE Grandeur mesurable TRANSDUCTEUR Module Electronique de Conditionnement Boîtier Signal de sortie Certains capteurs agissent par CONTACT d autres SANS CONTACT Caractéristiques principales d un capteur : Grandeur observée, étendue, sensibilité, précision, fidélité, linéarité, bande passante, résolution, hystérésis, T d utilisation. 11 /12

12 Table des matières 1 Introduction Le capteur Définition Situation des capteurs dans un système Classification des capteurs Classification en fonction du signal délivré Capteur TOR Capteur ANALOGIQUE Capteur NUMERIQUE Classification en fonction du mode de détection Détection par CONTACT d une position Détection SANS CONTACT de la présence d un objet Constitution d un capteur Schématisation Caractéristiques d un capteur SYNTHESE /12

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