Capteurs de position et de déplacement

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1 Chapitre 5 Capteurs de position et de déplacement I] Introduction : La mesure de la position et du déplacement est indispensable dans des nombreux domaines : Machine à outils Robotique.. Et la mesure de la position et du déplacement permet aussi la mesure d autres grandeurs physiques (corps d épreuve) : Mesurande primaire : force, pression, accélération.. Mesurande secondaire :déplacement ou position 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 exemple : potentiomètre résistif, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile, codeurs digitaux absolus, 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. II] Potentiomètre résistif : 1 ) Réalisation : une résistance fixe Rn (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 Selon la forme géométrique de la résistance fixe et donc du mouvement du curseur, on distingue : le potentiomètre de déplacement rectiligne le potentiomètre de déplacement circulaire Département génie électrique : Troudi Fathi Page 1/9

2 2 ) Le potentiomètre de déplacement rectiligne :. d Rd Rd d V E E s E E RD d R d R D. D D s 3 ) le potentiomètre de déplacement circulaire : V M E 4 ) Avantage et inconvénient des Potentiomètre résistif de déplacement: a- Avantages : Simplicité peu coûteux angle de mesure 10 à 3600 la sortie est indépendant R => stable par rapport à la température b- 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). Département génie électrique : Troudi Fathi Page 2/9

3 III] 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. 2 ) Capteur inductif linéaire à variation de flux : Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Capteur de déplacement inductif utilisant le principe de variation de flux dus au mouvement du 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 Vs =0, car les tensions induites dans les deux bobines sont d'amplitudes égales mais de sens opposé. 3 ) Capteur inductif à circuit magnétique à entrefer variable : a- Principe : mesure du coefficient d'auto-induction dans un circuit magnétique. Objet ferromagnétique Noyau 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. Inductance mètre Avantages mesure sans contact simple Inconvénients non linéaire, sauf en petite variation mesure de déplacement d'objets ferromagnétiques Département génie électrique : Troudi Fathi Page 3/9

4 IV] Capteurs capacitifs : 1 ) Capteurs capacitifs avec contact : a- Principe : Il s'agit de condensateurs plans ou de condensateurs cylindriques dont l'une des armatures subie le déplacement ce qui provoque la variation de la capacité b- Capteur capacitif plan : C r. 0. e S c- Capteur capacitif cylindrique : C 2. r. 0. ln r r 2 1 L. 2 ) Capteurs capacitifs sans contact : (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 Département génie électrique : Troudi Fathi Page 4/9

5 a - Caractéristiques métrologiques E.M : jusqu'à 5 cm Linéarité : correcte b- Exemple d application usure de frein : V] 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. d d Tv..cos 2 v : Vitesse dans le milieu T : temps d émission et de réception de l onde Département génie électrique : Troudi Fathi Page 5/9

6 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 Avantages ne dépend pas du matériau en déplacement Inconvénients E.M à partir du cm E.M jusqu'à une dizaine de m - dépend de l'angle de réflexion VI] Capteurs optiques : 1 ) Principe Émission et réception d'un faisceau optique et mesure de distance suivant un principe de triangulation optique La lumière réfléchie est focalisée sur la surface du capteur. Le capteur délivre alors un courant Ia et Ib proportionnel à la distance x du point d'impact du faisceau au milieu du capteur. L 0 f Lb x 2 ) Caractéristiques métrologiques : Etendue de mesure : jusqu'à 50 cm Résolution jusqu'à 0.1mm Département génie électrique : Troudi Fathi Page 6/9

7 Avantage : Bonne résolution Inconvénients : La réflectivité dépend du matériaux cibles Applications : Positionnement de bras de robot Mesure d'épaisseur VII] Capteurs digitaux : 1 ) Codeurs absolus : Capteur fournissant une sortie numérique (sous forme de mot binaire ou d'impulsions d'horloge) a- Principe : Une règle ou un disque est divisée en N bandes chacune contenant l'information binaire sur la position b- Résolution : Linéaire : L /N où L longueur de la règle Angulaire : 360 / N c- Matérialisation des états binaires : surface magnétique ou ferromagnétique surface opaque ou translucide Département génie électrique : Troudi Fathi Page 7/9

8 2 ) Codeurs optiques absolus : a- 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 3 ) Codeurs incrémentaux : a- Principe : Délivre une impulsion pour chaque déplacement élémentaire Faisceau de + = lumière Département génie électrique : Troudi Fathi Page 8/9

9 b- Information de direction Deux voies en quadrature de phase permettent de connaître la direction de déplacement. Plus commun que le codeur absolu, car plus simple et moins coûteux c- Avantages et inconvénients : Avantage : Simple Peu couteux Interfaçage PC simple Inconvénients : Nécessite un comptage Besoin de référence pour une mesure absolue VIII] Conclusion : Mode de transduction Résistif Inductif Capacitif Emission/Réception Type Potentiomètre résistif Inductance variable Transformateur différentiel Surface variable Ecartement variable Capteur capacitif sans contact Capteur ultrasonore Capteur optique Avec contact Sans contact Département génie électrique : Troudi Fathi Page 9/9