Capteur/Capteur de position

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Capteur de position
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Chapitre no4
Leçon : Capteur
Chap. préc. : Détection et mesure d'éléments ou de molécules
Chap. suiv. : Capteur d'accélération - Accéléromètres
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Capteur/Capteur de position
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Les capteurs de position et de déplacement sont employés partout : leur emploi est très général. En effet, d'une part, le contrôle des positions et déplacement est indispensable pour le fonctionnement correct d'un grand nombre de machines, telles que les machines outils,...

D'une autre part, un grand nombre de grandeurs physiques (telles que les forces, pressions, accélérations, températures,...) sont mesurables par le déplacement qu'elles imposent à des corps d'épreuves.

Il existe trois grandes méthodes de repérage des positions et mesure des déplacements :

  • Une partie du capteur est directement liée à l'objet : le capteur fournit un signal fonction de la position. Les variations de ce signal traduisent le déplacement. (ex : potentiomètres, inductance à noyau mobile, condensateur à armature mobile, transformateur à couplage variable, codeurs digitaux absolus,...)


  • Le capteur délivre une impulsion à chaque déplacement élémentaire. La position et le déplacement sont déterminés par comptage des impulsions émises. (ex : capteurs incrémentaux,...)


  • Les capteurs de proximité, caractérisés par l'absence totale de liaison mécanique entre le capteur et l'objet.


Les capteurs délivrant un signal fonction de la position[modifier | modifier le wikicode]


Potentiomètres résistifs[modifier | modifier le wikicode]


Principe[modifier | modifier le wikicode]


Un potentiomètre est toujours constitué d'une résistance fixe et d'un curseur mobile.

La résistance fixe ( 1kΩ < R < 100kΩ ) peut être :

  • une piste conductrice, c'est-à-dire de la matière plastique chargée par de la poudre de métal ou de carbone. Les grains de cette piste conductrice ne doivent pas excéder 10 -2 µm. À l'échelle microscopique, la piste est en réalité électriquement discontinue. La résolution en est donc limitée.
  • Un fil émaillé bobiné sur un mandrin isolant. Le fil doit présenter les caractéristiques suivantes : coefficient de température de la résistivité et fem thermoélectrique faibles ; bonne stabilité cristallographique et résistance à la corrosion.


Le curseur mobile, solidaire mécaniquement de l'objet dont on veut connaître le déplacement, se déplace sur la résistance fixe R_n.

La valeur de la résistance va dépendre de la position du curseur (et donc du mesurande) et de la réalisation de la résistance fixe : si celle-ci est uniforme, le potentiomètre est linéaire.


Il existe deux géométries différentes pour les potentiomètres :

  • Potentiomètre de déplacement linéaire
Potentiometrelineaire.jpg

Dans ce cas, R(l) = \frac{l}{L} R_n


  • Potentiomètre de déplacement angulaire
Potentiometreangulaire.jpg

Dans ce cas, R(\alpha) = \frac{\alpha}{\alpha_M} R_n

Caractéristiques[modifier | modifier le wikicode]


  • Le signal de sortie est perturbé aux deux extrémités de la résistance par les butées de fin de course et les connexions au circuit d'alimentation.
  • Le potentiomètre a une durée de vie limitée ( = 106 à 108 cycle de manœuvre)
  • Le curseur a une vitesse de déplacement limitée à quelques m/s
  • La résolution du potentiomètre dépend de la granulométrie de la poudre conductrice ou du pas du bobinage
  • Le coût des potentiomètres est modéré.


Applications[modifier | modifier le wikicode]


On retrouve des potentiomètres dans le domaine médical, par exemple, dans les pousse-seringues, qui permettent de distribuer aux patients des quantités de médicaments nécessitant un débit constant. On peut également retrouver des potentiomètres lors du contrôle de niveau de liquide (mesure par flotteur). Il existe bien évidemment un nombre infini d'applications.

Codeurs digitaux absolus[modifier | modifier le wikicode]


L'utilisation de CAN (Codeur Analogique Numérique) permet l'exploitation rapide et précise des signaux analogiques délivrés par les capteurs.

Il est également possible de concevoir des capteurs qui délivrent directement une information binaire.

Principe[modifier | modifier le wikicode]


Pour des déplacements linéaires, les codeurs digitaux absolus se présentent sous forme de règle. Pour des déplacements angulaires, ce sont des disques.

Règles et disques sont divisés en N surfaces égales (N bandes pour les règles, N secteurs pour les disques). Dans ces surfaces sont matérialisés les mots binaires correspondants aux positions à traduire.

La résolution est déterminée telle que :

  • Pour les déplacements linéaires : Résolution = L/N avec L, longueur de la règle (cm)
  • Pour les déplacements angulaires : Résolution = 360° / N.
Disque de codage d'un capteur digital absolu
Règle de codage d'un capteur digital absolu

Plusieurs états physiques différents peuvent être utilisés pour matérialiser les bits :

  • surface amagnétique ou ferromagnétique (lecture magnétique)
  • Surface isolante ou conductrice (lecture par courant)
  • Surface opaque ou translucide (lecture optique).

Cette dernière méthode est la plus employée.

Pour chacune des pistes, il y a une source ( diode électroluminescente) et un récepteur (phototransistor).

Codeur absolu

Le codage peut être réalisé en :

  • binaire naturel.
    • avantages : directement utilisable par un dispositif de traitement et demande un nombre minimal de bits pour la représentation d'un nombre donné.
    • inconvénients : le changement simultané de plusieurs bits peut entraîner des erreurs de lecture.
  • Code Gray (ou code réfléchi) : ce codage a l'avantage de ne changer que d'un bit à chaque fois.


Caractéristiques[modifier | modifier le wikicode]


  • Le coût de ces capteurs est élevé.
  • La grandeur est quantifiée par un nombre défini de positions, donc la résolution est toujours finie.


Applications[modifier | modifier le wikicode]


Ces capteurs sont par exemple utilisés pour :

  • la mesure de la position de girouettes
  • le positionnement de vannes
  • dès que la position doit impérativement être connue quelques soient les conditions ( coupures de courant,...)
Photographie d'un capteur absolu

Capteurs délivrant une impulsion à chaque déplacement élémentaire[modifier | modifier le wikicode]

Capteurs incrémentaux[modifier | modifier le wikicode]

Principe[modifier | modifier le wikicode]

Les capteurs incrémentaux sont des disques ou des règles composés de 2 ou 3 pistes concentriques ou parallèles.

Ce type de capteur délivre une impulsion à chaque déplacement élémentaire : en connaissant l'origine, on détermine la position par comptage des impulsions.

La lecture est assurée pour chacune des pistes par un émetteur (souvent une DEL (Diode Électroluminescente) et un récepteur de lumière (souvent un phototransistor) placés de part et d'autre de la règle ou du disque.

Caractéristiques[modifier | modifier le wikicode]

  • L'erreur de mesure est faible (elle est proportionnelle à la résolution)
  • Ces capteurs ont un coût faible.
  • L'inconvénient majeur des capteurs incrémentaux est que la position absolus de l'objet est inconnue. En effet, l'information transmise ne concerne que le déplacement de l'objet.

Applications[modifier | modifier le wikicode]

Le codeur incrémental est utilisé quotidiennement : en effet, les anciennes souris d'ordinateur fonctionnent avec des capteurs incrémentaux.

Souris d'ordinateur
zoom sur le capteur incrémental

Les souris sont constituées de deux capteurs incrémentaux : un sur l'axe x et l'autre sur l'axe y, ce qui permet de déterminer la distance parcourue en deux dimensions.

Le comptage des impulsions permet de déterminer la distance parcourue par la souris.

Or, la position exacte de la souris est inconnue : lorsqu'on allume l'ordinateur, le pointeur est toujours centré au niveau de l'écran, preuve que la position de la souris est inconnue et que son déplacement est toujours initialisé au démarrage.

Capteurs de proximité[modifier | modifier le wikicode]

Principe[modifier | modifier le wikicode]

Les capteurs de proximités sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique entre le capteur et l'objet en mouvement.

C'est par l'intermédiaire d'un champ que va s'établir entre eux une interaction fonction de leur position relative.

Ce champ peut être :

  • un champ d'induction magnétique : c'est le cas des capteurs à variation de réluctance, effet Hall ou magnétorésistance.
  • un champ électromagnétique : c'est le cas des capteurs à courant de Foucault.
  • un champ électrostatique : c'est le cas des capteurs capacitifs.

Avantages[modifier | modifier le wikicode]

Les capteurs de proximités ont :

  • une bande passante étendue.
  • une grande finesse due aux forces très faibles exercées sur l'objet par le capteur.
  • une fiabilité accrue car il n'y a pas d'usure ni de jeu
  • une isolation galvanique entre le circuit de mesure et l'objet qui se déplace.

Inconvénients[modifier | modifier le wikicode]

  • L'étendue de mesure est faible ( de l'ordre du mm)
  • Le fonctionnement est non-linéaire
  • La réponse dépend des géométrie, dimensions et matériau de la cible, d'où la nécessité d'étalonner dans les conditions particulières de leur emploi.

Applications[modifier | modifier le wikicode]

Les capteurs de proximité sont utilisés pour la mesure et l'asservissement de position, le contrôle dimensionnel, l'étude du mouvement de dispositifs à faible inertie,...

Bibliographie et webographie[modifier | modifier le wikicode]

Livres[modifier | modifier le wikicode]

  • "Les capteurs en instrumentation industrielle" de Georges Asch et collaborateurs aux Éditions DUNOD.

Sites web[modifier | modifier le wikicode]


Capteur
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