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Instrumentation et Métrologies P a g e 1 | 9 2ème année Réseaux IoT (RIoT) Chap

Instrumentation et Métrologies P a g e 1 | 9 2ème année Réseaux IoT (RIoT) Chapitre 4- Capteurs de position Table de matières 1. Introduction ..................................................................................................................................... 2 2. Potentiomètre résistif ..................................................................................................................... 2 3. Capteurs de position capacitifs ....................................................................................................... 3 3.1 Principe de variation des paramètres géométrique ........................................................... 3 3.2 Capteur capacitif de proximité ............................................................................................. 5 3.3 Méthodes de mesure des variations de capacité ................................................................. 5 4. Capteurs de position inductifs ......................................................................................................... 6 4.1 Capteur inductif à entrefer variable ..................................................................................... 6 4.2 Capteur inductif à noyau plongeur ....................................................................................... 7 5. Capteurs digitaux ............................................................................................................................. 7 4.3 Les codeurs ............................................................................................................................. 7 6. Bibliographie .................................................................................................................................... 9 Instrumentation et Métrologies P a g e 2 | 9 1. Introduction Ces capteurs sont d'un emploi très général, parce que le contrôle des positions et déplacements est un élément important pour le fonctionnement correct de beaucoup de machines, machines outils par exemple. Il y a deux méthodes fondamentales utilisées pour le repérage des positions et la mesure des déplacements. 1/ Dans la première méthode, la plus fréquemment utilisée, le capteur fournit un signal qui est fonction de la position de l'une de ses parties liée à l'objet mobile et les variations de ce signal traduisent le déplacement ; le groupe le plus important de ce type est constitué à partir d'impédances électriques dont l'une des caractéristiques géométriques ou dimensionnelles est variable avec la position de l'élément mobile: potentiomètre, inductance à noyau mobile, condensateur à armature mobile, transformateur à couplage variable. A cette catégorie de capteurs, appartiennent aussi les codeurs digitaux absolus à l'aide desquels la position et le déplacement sont déterminés par lecture optique ou magnétique d'une graduation codée en binaire qui est portée par une règle ou un disque solidaire de l'élément mobile. 2/ Dans la seconde méthode, d'emploi moins fréquent, 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. Il s'agit dans ce cas de capteurs incrémentaux. Les capteurs dits de proximité sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique avec l'objet dont ils mesurent la distance ou le déplacement : ils ont donc une grande finesse. Le couplage entre l'objet en déplacement et le capteur est établi par l'intermédiaire d'un champ magnétique, électromagnétique ou électrostatique et c'est l'intensité de ce couplage, fonction de la position relative de l'objet et du capteur, qui détermine 1a réponse électrique du capteur. 2. Potentiomètre résistif La résistance est fonction de la position du curseur lié à l’élément mobile. Figure 1 : Principe de variation d’une longueur Elle peut être construite par un file bobine soit par une piste conductrice. Le curseur doit assurer un bon contact électrique ce qui implique ; l'absence de f.é.m. de contact, une résistance de contact faible et stable, d'une part dans le temps (usure), d'autre part en présence de vibrations ou de vitesse élevée de déplacement du curseur. Instrumentation et Métrologies P a g e 3 | 9 Figure 2 : Principe de variation d’une longueur (schémas) La résistance de contact dépend de 1a pression du curseur, de la nature et de l'état des surfaces en contact; elle est nettement plus élevée pour les potentiomètres à piste conductrice: elle peut atteindre quelques  de la résistance de la piste. En outre les variations aléatoires de cette résistance au cours du déplacement sont une source de bruit : c'est l'un des inconvénients des potentiomètres à piste conductrice mais il n'est apparent que si le courant dérivé par le curseur est relativement important (utilisation du potentiomètre en rhéostat). Figure 3 : Résolution d’un potentiomètre à fils bobinés Avantage Potentiomètres à fils bobinés - Capteur très économique et simple; - Course relativement étendue; Le problème majeur est celui de l'usure; - Un potentiomètre n'est pas étanche; - La vitesse de l'objet est limitée. 3. Capteurs de position capacitifs 3.1 Principe de variation des paramètres géométrique Le capteur capacitif fonctionne sans contact physique avec l’objet à détecter : il transforme une donnée intéressante pour la technique de production (par ex. distance ou niveau de remplissage) Instrumentation et Métrologies P a g e 4 | 9 en un signal pouvant être exploité à son tour. Le fonctionnement repose sur la modification du champ électrique dans l’environnement de la zone active. Ce type de détecteur est recommandé quand :  Les distances de détection sont relativement faibles.  Les conditions de montage nécessitent la noyabilité du détecteur.  On doit effectuer la détection d'un matériau non conducteur à travers une paroi elle-même non conductrice (exemple : détection de verre à travers un emballage en carton). Le capteur, dans sa forme de base, comprend un oscillateur(Oscillator) , un démodulateur (trigger circuit) et un étage de sortie (output switching device). Le fait d’approcher des métaux ou non- métaux en regard de la face sensible du capteur capacitif provoque une transformation de la capacité, entraînant elle-même le démarrage de l’oscillateur rc. Après mise en forme, un signal de sortie correspondant, selon l’appareil, à un contact à fermeture, à ouverture ou complémentaire est délivré. L’une des armatures est fixe alors que l’autre peut se déplacer avec le dispositif dont on veut suivre le mouvement. Pour le cas d’une capacité à condensateur plan : 0 r S C d   C : Capacité en F ε0 : Constante diélectrique absolue = 8,85.10-12 F.m-1 εr : la permittivité relative du milieu entre les armatures S : Surface des électrodes en m² d : Distance entre les électrodes en m Instrumentation et Métrologies P a g e 5 | 9 Figure 4 : Modes de variation d’une capacité unique La capacité varie linéairement en fonction du déplacement x. C(x)=k.x avec x= en degrés et 2 0 360   r r k d Capacité d’un condensateur cylindrique : 0 2 1 2 ln( / ) r L C r r   3.2 Capteur capacitif de proximité La tête de mesure est forme d’un condensateur cylindrique et d’une enveloppe métallique coaxiale réalisent un condensateur de capacité fixe C1 lorsqu’une cible métallique s’approche de l’extrémité des condensateurs précédents, ils constituent avec elle deux autres condensateurs. - l’un ayant pour armatures la surface extrême du conducteur central et la cible distante de x, sa capacité C(x) est simplement liée à x, C(x)=K/x ; K étant une constante - l’autre est un condensateur parasite forme par l’enveloppe extérieure et la cible. Figure 5 : Principe d’un capteur de proximité 3.3 Méthodes de mesure des variations de capacité Il y a d'abord les méthodes générales de mesure d'impédances (potentiomètre, transformateur de rapport, pont) qui lorsqu’elles sont appliquées au condensateur double différentiel permettent d'obtenir un signal de mesure d’amplitude proportionnelle au déplacement; elles nécessitent évidemment une détection sensible à la phase si l'on veut connaître le sens du déplacement. Il y a aussi un certain nombre de méthodes spécifiques, applicables à des condensateurs uniques Instrumentation et Métrologies P a g e 6 | 9 et basées sur les propriétés de l‘amplificateur opérationnel, des oscillateurs sinusoïdaux ou de relaxation. Pont de Sauty et condensateur différentiel Mesure de courant de déséquilibre, cette méthode de mesure permet de réduire l’influence des capacités parasites. Figure 6 : Pont de Sauty 4. Capteurs de position inductifs Le déplacement à mesurer est imposé à l’un des éléments du circuit magnétique entraînant une variation du flux du champ magnétique dans un enroulement de mesure. - Soit l’élément mobile est un noyau ferromagnétique, en translation ou en rotation, son déplacement peut être mis en évidence. - Soit par le changement du couplage entre les enroulements primaire et secondaire d’un transformateur provoquent une variation de tension secondaire. 4.1 Capteur inductif à entrefer variable Lorsque le noyau bobine se déplace à proximité d’un matériau ferromagnétique, le champ magnétique engendre varie, modifiant ainsi le coefficient d’auto-induction dans la bobine. Figure 7 : Principe capteur inductif Instrumentation et Métrologies P a g e 7 | 9 Un déplacement de l’armature entrainant une variation de l’entrefer x, l’inductance prend une nouvelle valeur. Avantages : Mesure sans contact, simple Inconvénients : non linéaire, mesure de déplacement d’objets ferromagnétiques. 4.2 Capteur inductif à noyau plongeur Le déplacement du noyau magnétique lié à l’élément mobile dont on veut mesurer le déplacement entraîne une modification de l’inductance, le coefficient d’auto-induction L du bobinage dépend de l’enfoncement du noyau. Figure 8 : Principe capteur inductif à noyau Avantages: Etendue de mesure importante, Inconvénients: Non linéarité de L en fonction de lf , Sensible aux champs magnétiques. 5. Capteurs digitaux Les informations, acquises par les capteurs et délivrées sous forme analogique, doivent très fréquemment être traitées par des calculateurs digitaux qui en assurent l'exploitation rapide et précise. Ceci est rendu possible par l'utilisation de convertisseurs analogique-numérique qui, recevant le signal du capteur, délivrent au calculateur l'information digitalisée. Dans le cas des déplacements, il est cependant possible de concevoir des capteurs qui assurent de façon immédiate la traduction d'une position linéaire ou angulaire, en un mot binaire qui la définit. 4.3 Les codeurs Les codeurs sont des capteurs rotatifs, placés sur uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-4-im-riot2.pdf