CPGE / Sciences Indusrielles pour l Ingénieur CI9 Capeurs LES CAPTEURS 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- Définiions Le capeur es un organe charge de prélever une grandeur physique e de la ransformer en grandeur exploiable. La grandeur physique à mesurer (ou mesurande) n'es généralemen pas exploiable direcemen, elle consiue le signal d'enrée du capeur. La grandeur exploiable es souven de naure élecrique. Elle consiue le signal de mesure (ou sorie ou réponse) du capeur. Elle es une image de la grandeur à mesurer e doi êre indépendane des aures grandeurs perurbarices. Grandeur physique à mesurer - Posiion - Viesse - Tempéraure - Force, Energie Acquérir e coder une informaion Capeur Perurbaions Signal exploiable - Signal logique - Signal analogique - Signal numérique La manche à air perme de d indiquer la direcion du ven e d esimer sa viesse Les grandeurs d'influence son des grandeurs érangères qui peuven provoquer des perurbaions sur le capeur. C'es donc une cause d'erreurs agissan sur le signal de sorie. 2- Mode de foncionnemen des capeurs Les capeurs foncionnen selon deux principes de base suivan la naure du signal élecrique de sorie. On disingue les capeurs acifs foncionnan en généraeur, les capeurs passifs foncionnan en modulaeur. Dans les capeurs acifs, une parie de l'énergie physique prélevée sur le mesurande es ransformée direcemen en une énergie élecrique qui consiue le signal de sorie. Ex: générarice achymerique permean de mesurer une viesse de roaion Pour les capeurs passifs, c'es l'impédance du capeur qui es sensible aux variaions du mesurande. Ces variaions d'impédance ne son mesurables que par l'inermédiaire d'un circui élecronique de pré condiionnemen. Ex: Capeur d effor. M Salee- Lycée Brizeux- Quimper 3- Capeurs logiques, analogiques, numériques On peu effecuer une première classificaion des capeurs par la naure des signaux ransmis : capeurs logiques. Ils délivren une sorie logique de ype TOR (Tou Ou Rien). Ils son en général appelés déeceurs car ils serven surou à prélever l informaion "présence" ou "proximié" d un obje. E Seuil 1 0 S déeceur pneumaique : CI9_3_ capeurs.doc- Page 1 sur 6
CPGE / Sciences Indusrielles pour l Ingénieur Capeurs analogiques Ils délivren un signal de sorie sous la forme d une ension ou d un couran varian coninûmen. E CI9 Capeurs S Sur les capeurs indusriels, les plages de variaion couranes son de l ordre du Vol (0,5 à 10V) pour les ensions, e du cenième d Ampère (0 à 20 ma) pour les courans. De els signaux nécessien un raiemen pariculier (conversion analogique - numérique) pour êre exploiables par les Auomaes Programmables ou les micro-ordinaeurs. 0 Générarice achymérique 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. E Seuils 1 0 0 000 S codeur incrémenal e son disque codeur 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. 4- Composans des capeurs analogiques Principes de ransducion des capeurs analogiques. Le corps d épreuve es l élémen mécanique qui réagi sélecivemen aux variaions de la grandeur à mesurer. Il a pour rôle de ransformer cee grandeur en une aure grandeur physique die mesurable. exemple de corps d'épreuve Bilame δt δy=f(δt ) Jauge de déformaions L elemen de ransducion es l élémen lié au corps d épreuve qui radui ses réacions en une grandeur élecrique consiuan le signal de sorie du capeur. F 2 maeriaux ayan des coefficiens de dilaaion differens : CI9_3_ capeurs.doc- Page 2 sur 6 δl exemple de ransduceur: jauge d'exensomerie : F=f(δR) δr F Corps d épreuve
CPGE / Sciences Indusrielles pour l Ingénieur CI9 Capeurs la plupar des corps d épreuve uilisés ransformen la grandeur physique en déplacemen ou déformaion. Cee image informaionnelle es à son our ransformée en image élecrique par l élémen de ransducion. 5- Caracérisiques des capeurs : La sensibilié d'un capeur es définie d'une façon générale par le rappor de la variaion du signal de sorie à la variaion correspondane de la grandeur à mesurer Dans le cas des capeurs linéaires, la sensibilié correspond à la pene de la courbe de réponse du capeur. La sensibilié es rapporée à l'unié de la grandeur à mesurer Résoluion : (capeurs numériques) plus peie variaion de la grandeur d enrée que le capeur peu déceler. Précision : Caracérise l apiude d un capeur à donner des indicaions proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée. Elle 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. 6- Capeurs logiques 6-1 Déeceurs de présence à acion mécanique Encore 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 circui élecrique ou pneumaique. exemples: Schémaisaion Déeceurs de proximié Un déeceur de proximié délivre une informaion logique de présence sans conac physique avec l élémen à déecer. Domaines d'emploi. : ambiances agressives ou poussiéreuses conac inerdi (pièces fragiles, peines de frais, ec.); porée: varie de quelques dixièmes de millimères, pour les déeceurs inducifs, à plusieurs mères pour les déeceurs opoélecroniques. Déeceurs inducifs e capaciifs. Un oscillaeur génère 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). déeceurs inducifs : ne réagissen qu'aux pièces méalliques. déeceurs capaciifs uilisés pour déecer des élémens non conduceurs (bois, caron, verre, ec.). déeceur inducif : CI9_3_ capeurs.doc- Page 3 sur 6
CPGE / Sciences Indusrielles pour l Ingénieur CI9 Capeurs 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. 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»). Porée nominale Sn. 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). Déeceurs magnéiques sans conac. capeur de fin de course Uilisés pour la déecion des fins de courses des vérins. 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. 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. Lorsqu'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 0,0 à 0,003 bar) augmené ensuie par un amplificaeur de pression. 7- Codeurs incrémenaux Un codeur 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. Ce capeur dispose généralemen de deux capeurs décalées 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. Le capeur incrémenal ci conre dispose de 32 encoches par our, avec les deux fourches phooélecriques, il peu discriminer 128 posiions. La résoluion de ce capeur es de 360/128=2,81 Capeur R1 Capeur R2 Sens 1 Sens 2 : CI9_3_ capeurs.doc- Page 4 sur 6
CPGE / Sciences Indusrielles pour l Ingénieur CI9 Capeurs R1 R2 ¼ de période Equaion logique de S 1 : S 1 = Equaion logique de S 2 : S 2 = Sens de roaion 1 Sens de roaion 2 La mesure du déplacemen se ramène à un compage des impulsions. A parir de la mesure de la posiion, on peu raier l informaion pour obenir la viesse, l accéléraion, 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 5 000 par our.. Les codeurs linéaires son beaucoup moins uilisés. La résoluion peu aeindre le micromère (10-6 m) 8- Capeurs piezo élecriques Cerains crisaux (quarz) e ceraines céramiques on la propriéé de se charger élecriquemen lorsqu'ils son soumis à une déformaion. Inversemen, ils se déformen si on les charge élecriquemen, le phénomène es réversible. Le crisal se charge sur deux faces en regard avec des charges opposées lorsqu'on le soume à une force exercée enre ces deux faces. Une méallisaion des faces perme de recueillir une ension élecrique qui pourra êre uilisée dans un circui Cela perme de faire des capeurs de force, mais surou des capeurs d accéléraion en mesuran la force créée par une masse mobile Masse mobile Capeur Accéléromère piezoélecrique Vue en coupe 9- conversion analogique-numérique Les données issues de capeurs analogiques son le plus souven raiées par des programmes sur micro conrôleur ou des logiciels sur PC. Il es donc nécessaire de converir ce signal analogique en signal numérique, puis de le reconverir évenuellemen en signal analogique C.A.N Traiemen C.N.A. du signal Signal analogique Signal numérique Signal analogique : CI9_3_ capeurs.doc- Page 5 sur 6
CPGE / Sciences Indusrielles pour l Ingénieur CI9 Capeurs Un converisseur analogiquenumérique (CAN) es un disposiif élecronique permean la conversion d un signal analogique en un signal numérique. La conversion analogiquenumérique peu êre divisée en rois éapes : l échanillonnage emporel la quanificaion le codage q[k] s() v() 10 11 11 10 00 10 00 10 11 k Période d échanillonnage Un signal analogique, s() coninu en emps e en ampliude es échanillonné à une période d échanillonnage consane T ech. On obien alors un signal échanillonné v() discre en emps e coninu en ampliude. Ce dernier es ensuie quanifié, on obien alors un signal numérique q[k] discre en emps e en ampliude. La quanificaion es liée à la résoluion du CAN (son nombre de bis). Dans l exemple précéden q[k] peu prendre 4 ampliudes différenes (soi 2 2, avec 2 le nombre de bis du CAN) s() b 1 b CAN 2 b n héorème de Shannon: "Un signal x() peu êre représené de manière univoque par une suie de valeurs échanillonnées si la fréquence d échanillonnage, f ech, es au moins deux fois plus élevée que la plus grande des fréquences, f max, conenues dans le specre." A ire d exemple, la plage de fréquences audio que nous percevons s éend de 20 Hz à 20 khz : la fréquence d échanillonnage des CD qui a éé fixée à 44,1 khz la quanificaion se fai sur 16 bis (soi 65536 niveaux) En éléphonie, l échanillonnage se fai à 8000 Hz, la quanificaion sur 8 bis (soi 256 niveaux) Illusraion : On considère un disque blanc comporan un seceur noir; le disque ourne dans le sens horaire à la fréquence f. On sroboscope ce disque à la fréquence F o F o = 8.f F o = 2.f F o = 3 4.f Sens de roaion correcemen perçu Sens indéerminé correcemen Erreur sur le sens de roaion perçu : CI9_3_ capeurs.doc- Page 6 sur 6