Capteur inductif. A réluctance variable A courant de Foucault

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1 Capteur inductif A réluctance variable A courant de Foucault

2 Capteurs à réluctance variable La réluctance permet de quantifier une propriété physique : l'aptitude d'un circuit magnétique à s'opposer à sa pénétration par un champ magnétique. Cette grandeur à été créée par analogie avec la notion de résistance. Pour un circuit magnétique homogène, c est-à-dire constitué d'un seul matériau et de section homogène, il existe une relation permettant de calculer sa réluctance en fonction du matériau qui le constitue et de ses dimensions : en H-1 l la longueur en mètres, s la section en m2. Réluctance équivalente d'un entrefer La réluctance d'un entrefer de faible épaisseur est donnée par : Avec : e épaisseur de l'entrefer, µ 0 perméabilité du vide, s section de l'entrefer. L=n 2 /R avec L en H et n nb de spire

3 Capteur de proximité inductif à réluctance variable Il s agit d un transformateur dont le circuit magnétique inclut l objet en déplacement. Celui-ci doit donc être de nature ferromagnétique. L intervalle entre la cible et la tête du capteur jouant le rôle d un entrefer détermine la réluctance du circuit magnétique et par suite le flux traversant le secondaire et la tension à ses bornes, lorsque le primaire est alimenté. La tension aux bornes du secondaire, qui est le signal de mesure Vm, varie de façon non linéaire, selon la loi qui est sensiblement de la forme : Vmo = Vm.1 / ( ax)1 Où x est la distance du capteur à la cible Vmo dépend particulièrement de la perméabilité magnétique de la cible, de sa forme et de ses dimensions. Dans la plupart des cas le primaire et le secondaire sont constitués par une seule et même bobine. La grandeur qui varie avec la distance à la cible est alors l'inductance. Un circuit électronique permet de transformer cette inductance en grandeur électrique simple comme une tension électrique, image de la distance. Montage simple Montage double

4 Courant de Foucault On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu (le flux du champ à travers le milieu), soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. Ils sont une conséquence de l'induction magnétique. Ce phénomène a été découvert par le physicien français Léon Foucault en 1851 Principe Le champ magnétique variable au cours du temps est responsable de l'apparition d'une force électromotrice à l'intérieur du milieu conducteur. Cette force électromotrice induit des courants dans la masse. Ces courants ont deux effets : ils provoquent un échauffement par effet Joule de la masse conductrice ; ils créent un champ magnétique qui s'oppose à la cause de la variation du champ extérieur (loi de Lenz). Lorsque la variation de flux est due à un déplacement du milieu devant un champ magnétique constant, les courants de Foucault sont responsables de l'apparition de forces de Laplace qui s'opposent au déplacement, d'où l'effet de freinage observé.

5 On utilise les propriétés des courants de Foucault dans le contrôle non destructif ou dans les plaques de cuisson à induction, et même en métallurgie avec les fours à induction qui chauffent la masse métallique jusqu'à la faire fondre. On utilise les propriétés des courants de Foucault pour réaliser des capteurs de distance sans contact. Ils sont généralement constitués d'une bobine excitée à haute fréquence (200 khz à 2MHz), la proximité d'une pièce conductrice en modifie l'inductance, la mesure de cette inductance permet de déterminer la distance de la pièce mesurée. Le moteur à champ tournant est aussi basé sur ces courants.

6 Domaines d application des capteurs inductifs L'automatisme des lignes de fabrication (détection sans contact des pièces et machines en mouvement) La sécurité sur les avions (vérification de bon fonctionnement du train, fermeture des portes,...) La mesure et l asservissement de position Le contrôle dimensionnel L étude, sans perturbation, du mouvement de dispositifs à faible inertie L automobile : capteur ABS etc.

7 Avantage Inconvénients Large bande passante Grande finesse due aux forces très faibles exercées sur la cible par le dispositif de mesure Fiabilité accrue puisqu il n y a pas de pièces mobiles susceptibles d usure ou de jeu Étendue de mesure faible, de l ordre de la dizaine de mm Fonctionnement non linéaire Dépendance de leur réponse à la forme, les dimensions et la nature du matériau de la cible On en déduit que l étalonnage doit s effectuer dans les conditions particulières de leur emploi. Ces capteurs procurent un isolement galvanique entre le circuit de mesure et la cible

8 Présentation Capteur de proximité Capteur PMH allumage électronique voiture Contrôle tuyaux métalliques Mesure vitesse essieux train

9 Capteur capacitif Un capteur capacitif est un capteurs utilisant l'effet capacitif. Il est très généralement réalisé avec une électrode, en forme de disque, plane entourée d'un anneau de garde isolé de l'électrode centrale. L'électrode forme avec la pièce à mesurer conductrice un condensateur plan. La détermination de la distance d est réalisée en mesurant la capacité C du condensateur, ils sont liés par l'équation : Avec ε est la permittivité du diélectrique existant entre le capteur et la pièce à mesurer S est la surface de l'électrode du capteur d est la distance à mesurer

10 Réalisation d un capteur capacitif CAPTEUR CAPACITIF "QT110" Ce circuit intégré "révolutionnaire" permet la réalisation ultrasimple de détecteurs de type capacitif. Basé sur un principe de détection par transfert de charge, il est capable de projeter un champs de détection pouvant traverser la plupart des matériaux diélectriques tels que le verre, le plastique, la pierre, la céramique, l'époxy et la plupart des matériaux en bois. Sa capacité à s'auto calibrer en permanence vous permettra ainsi de transformer n'importe quel petit objet métallique en capteur capable de détecter une approche (sur une très faible portée) ou un "touché".

11 Capteur LVDT Un LVDT (de l'anglais Linear Variable Differential Transformer) est un capteur électrique actif (inductif) de déplacements linéaires Il permet de mesurer les déplacements linéaires de l axe par rapport au stator Le LVDT étant un capteur actif, il a besoin d'une électronique (appelée aussi conditionneur) pour fonctionner. L'utilisateur applique une tension (sinusoïdale le plus souvent, carrée exceptionnellement) sur le primaire et mesure les tensions des secondaires. Plusieurs méthodes existent pour conditionner le signal issu des secondaires. Fonctionnement en «différentiel» La sortie signal du conditionneur est proportionnelle à la différence de la tension des deux secondaires. Fonctionnement en «différentiel sur somme» La sortie signal du conditionneur est proportionnelle à la différence de la tension des deux secondaires, rapportée à leur somme.

12 Principe de fonctionnement

13 Formes commerciales Avantages/inconvénients Le mieux excellente fiabilité : c'est le capteur de déplacement de choix de l'aviation civile résiste à des environnements très sévères (températures extrêmes, vide, hautes pressions) capteur sans contacts encombrement réduit coût relativement faible excellente résolution (de l'ordre de 0.1µm) le moins bien complexité du conditionnement plusieurs capteurs l'un à côté de l'autre peuvent se perturber mutuellement s'ils sont alimentés à la même fréquence précision «moyenne» fabrication délicate 2007 HOMMEL-ETAMIC GmbH. Tous droits réservés.

14 Les résolvers Les resolvers permettent la mesure de position angulaire d un axe rotatif Lorsque les mesures sont réalisées à intervalles réguliers il est possible de déduire la vitesse de rotation de l axe Un transformateur, dont le primaire P0 est sur le stator et le secondaire S0 sur le rotor, est alimenté par une tension alternative de fréquence proche de 10 khz, appelée porteuse. Un autre enroulement rotorique P1 reçoit son alimentation par le secondaire S0 du transformateur précédent. Il produit un champ tournant qui induit dans deux enroulements secondaires S1 et S2 placés au stator et décalés de 90, deux tensions dont la combinaison permet de déterminer la position du rotor. L'intérêt de ce capteur réside dans sa robustesse et sa grande fiabilité, du fait qu'il n'y a pas de contacts glissants. Sa précision est de l'ordre de 15 minutes d'angle. VP0, VS0 et VP1 ont la même allure : K. sin t VS1 = K. sin t. cos VS2 = K. sin t. sin

15 Format des signaux de sortie

16 Système INDUCTOSYN Le principe de fonctionnement est le même que pour un résolver. Le pas est défini par la dimension du circuit imprimé (un tour pour le résolver) Permet la mesure de déplacement linéaire ou rotatif Le capteur est constitué d'une part la règle (scale) et d'autre part le curseur (slider). La règle est attachée sur la partie fixe de l'axe de mesure (bâti d'une machine-outil par exemple). Elle est constituée d'une bande métallique en acier ou aluminium comme support standard, couvert d'une couche de matériau isolant sur laquelle sont imprimées des spires de forme rectangulaire. Le pas est en général de 0.1 inch, 0.2 inch ou 2 mm. La longueur de la règle est de 10 inch ou 200 mm. En juxtaposant plusieurs règles, on peut aboutir des longueurs de mesure jusqu'à 2m voire 3m. Le curseur se déplace le long de la règle et est monté sur la partie mobile de l'axe de mesure (table ou porte-broche d'une machine outil par exemple). Il possède une longueur de 4 inch ou 80 mm. Il y a deux circuits de spires rectangulaires séparées. Ces spires sont également imprimées sur un support de matériau isolant. Dans ces spires sont induites des tensions par couplage inductif. L'espace entre la règle et le curseur est en général de 0.25±0.05mm.

17 Le fonctionnement de ce capteur peut être décrit à l'aide de la figure cidessous. Les spires de la règle possèdent le pas xp. L'enroulement est parcouru par un signal alternatif de fréquence constante situé entre 5kHz et 10kHz. Les deux enroulements placés sur le curseur possèdent le même pas xp mais sont décalés d'un quart de pas xp/4.

18 Capteur optique Principe de fonctionnement Un faisceau lumineux visible ou invisible est envoyé vers un phototransitor. La zone sensible du phototransitor reçois un éclairement de 100% la tension au bornes du phototransistor est nulle. Le zone sensible phototransitor est masqué par un corps opaque la tension au borne de celui-ci est de Up Si la zone sensible est partiellement éclairée, la tension sera proportionnelle au niveau de l éclairement. Suivant la fonction du capteur le niveau de sortie sera du type tout ou rien (dans ce cas un trigger de Smith assurera la bascule) ou de type analogique.

19 Les codeur optiques Ils permettent de mesurer la position angulaire d un axe. Dans un système à vis écrou la position Dans un système à vis écrou la position linéaire de l écrou peut être calculée si l on connaît le pas de la vis

20 Principe de fonctionnement Les codeurs absolus Les codeurs incrémentaux Lecture directe de la position Code binaire Code réfléchi (Gray) Précision fonction du nombre de bits de sortie Initialisation obligatoire Sortie sur 3 ou 6 fils Précision fonction du nombre de fentes sur le disque

21 Les codeurs absolus La construction du code Gray pour les nombres de 0 à 15 est représentée par le tableau suivant :

22 Les codeurs incrémentaux Un codeur incrémental possède généralement plusieurs voies: - voie Z donnant une impulsion par tour, - voie A donnant n impulsions par tour, - voie B identique à voie A, mais dont les signaux sont déphasés de + ou - 90, suivant le sens de rotation.