GEII S3 - P3Physique des capteurs

Position

F. Morain-Nicolierhttp://pixel-shaker.fr

frederic.nicolier@univ-reims.fr

CRESTIC - URCA/IUT Troyes

20 octobre 2009

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Table des matieres

1 Introduction

2 Capteurs resistifs

3 Capteurs capacitifs

4 Capteurs inductifs

5 Capteur a sortie binaire (optique)

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Introduction

1 Introduction

2 Capteurs resistifs

3 Capteurs capacitifs

4 Capteurs inductifs

5 Capteur a sortie binaire (optique)

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Introduction

Capteurs de position - Introduction

De nombreuses grandeurs physiques sont mesurables par les deplacementsqu’elles imposent a des corps d’epreuve :

forcepressionaccelerationtemperature

Mesure de position : essentiel dans certaines applications (ex. machines outils)

Tres frequemment des capteurs passifs.

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Capteurs resistifs

1 Introduction

2 Capteurs resistifs

3 Capteurs capacitifs

4 Capteurs inductifs

5 Capteur a sortie binaire (optique)

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Capteurs resistifs

Capteurs resistifs

Une resistance fixe RM sur laquelle vient se deplacer un contact electrique(curseur).

Lors du deplacement du curseur, la resistance varie.

Rappel (Resistance d’un conducteur)

R = ρL

s(1)

avec ρ : resistivite du conducteur, L sa longueur, s sa section.

La resistance de sortie est dependante de :

la position du curseur,la realisation de la resistance, si uniforme ⇒ variation lineaire.

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Capteurs resistifs

Deplacement rectiligne

R(l) =l

LRn (2)

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Capteurs resistifs

Deplacement angulaire

R(α) =α

αMRn (3)

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Capteurs resistifs

Formes principales

a Piste resistive.Plastique +poudre resistive.La resolutiondepend de lagranulometrie dela poudre.

b Piste bobinee.Resolution liee aupas du bobinage.

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Capteurs resistifs

Resolution (piste bobinee)

Augmenter la resolution⇒ augmenter le nb despires⇒ reduire le � du fil⇒ usure par frottement.

Limite de resolution' 10µm

En realite, le passage d’unespire a l’autre est plusgraduel.

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Capteurs resistifs

Bilan

Duree de vie ' 106 manoeuvres (109 pour une piste resistive).

Limite a la vitesse de deplacement (' 1 m/s)

Tres economique.

Mise en oeuvre aisee.

Tres utilise couramment (ex. position des bras d’un robot).

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Capteurs resistifs

Quelques exemples

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Capteurs capacitifs

1 Introduction

2 Capteurs resistifs

3 Capteurs capacitifs

4 Capteurs inductifs

5 Capteur a sortie binaire (optique)

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Capteurs capacitifs

Principe physique

Condensateur plan :

La valeur de C est donnee par

C =ε0S

x. (4)

Si x varie de ∆x , alors :

C + ∆C =ε0S

x + ∆x. (5)

⇒ Capteur non lineaire.

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Capteurs capacitifs

Variation de surface

C + ∆C =ε0(S + ∆S)

x. (6)

Variation lineaire de la capacite en fonctiondu deplacement x :

C (x) = Kx (7)

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Capteurs inductifs

1 Introduction

2 Capteurs resistifs

3 Capteurs capacitifs

4 Capteurs inductifs

5 Capteur a sortie binaire (optique)

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Capteurs inductifs

Principe physique

Le deplacement a mesurer est impose a l’un des elements d’un circuitmagnetique⇒ variation du flux.

Les capteurs sont alimentes par une source de tension sinusoıdale (freq.limitee a qques dizaines de kHz en general)

De par leur principe, ces capteurs sont sensibles aux champs magnetiquesparasites⇒ Blindage.

Deux formes principales :

entrefer variablenoyau plongeur

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Capteurs inductifs

Circuit a entrefer variable

L =µ0N2s

l0(8)

l0 distance entrefer

µ0 permeabilitemagnetique

s section du circuit

N Nb de spires

Deplacement ∆x ⇒ variation ∆l0 = 2∆x

L + ∆L =µ0N2s

l0 + 2∆x(9)

⇒ ∆L

L= −2

∆x

x(10)

Sensibilite :

S =∆L

∆x= −2

L

l0= −2

µ0N2s

l20

(11)

La sensibilite depend de l0 (position aurepos de l’entrefer)⇒ l0 petit → grande sensibilite

Sensibilite = Cte si ∆x � l0(limitation a des deplacements faibles -qques mm)18

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Capteurs inductifs

Noyau plongeur

L’inductance est maximale pour x = 0.

Mais la sensibilite est nulle pour cetteposition ;

Cette zone doit donc etre exclue del’etendue de mesure xu.19

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Capteurs inductifs

Capteur a diviseur inductif

Deux bobines analogues a la precedente.

Lorsque le noyau magnetique occupe uneposition centrale (x = 0), les deuxinductances sont egales et forment avec undiviseur resistif (R1 = R2) un pont equilibre.

Tout deplacement du noyau a partir de cetteposition entraıne l’augmentation d’uneinductance et la diminution de l’autre et faitapparaıtre un desequilibre dont le signeindique le sens du deplacement.

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Capteurs inductifs

Transformateur differentiel

Capteur inductif de deplacement lineaire leplus utilise

En anglais : LVDT (Linear VariableDifferential Transformer).

Un primaire et deux secondaires symetriques.

Le couplage magnetique entre primaire etsecondaires est assure notamment par lenoyau ferromagnetique mobile dont onmesure la position.

L’enroulement primaire est alimente par unetension sinusoıdale et les enroulementssecondaires sont relies en opposition defacon a ce que les forces electromotrices quiy sont induites se soustraient.

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Capteurs inductifs

Transformateur

M12a coefficientd’inductionmutuelle entre lesenroulements 1 et2

M12′ coefficientd’inductionmutuelle entre lesenroulements 1 et2´

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Capteur a sortie binaire (optique)

1 Introduction

2 Capteurs resistifs

3 Capteurs capacitifs

4 Capteurs inductifs

5 Capteur a sortie binaire (optique)

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Capteur a sortie binaire (optique)

Introduction

Les capteurs photoelectriques sont souvent utilises comme capteurs deposition a sortie binaire.Ils comprennent generalement un emetteur de lumiere (diode photoemissiveou diode laser) et un recepteur (photodiode ou phototransistor).

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Capteur a sortie binaire (optique)

Rideau optique

Ensemble de capteursphotoelectriques

Permet de detecter lapresence d’un objet, maisaussi de mesurer unedimension avec uneresolution ∆x (distanceentre deux capteurs)

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Capteur a sortie binaire (optique)

Rideau optique : realisation pratique

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Capteur a sortie binaire (optique)

Codeur incremental

Capteur de deplacement relatif.

Bases sur le deplacement de structures periodiques

Indetermination sur le sens de deplacement :

utilisation de deux structures decalesou de deux photodetecteur decales.

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Capteur a sortie binaire (optique)

Codeur incremental diphase

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Capteur a sortie binaire (optique)

Codeur absolu

La premiere piste est composee d’une moitieopaque et d’une moitie transparente. C’estle MSB

La piste suivante est divisee en quatre quarts

...

La derniere piste LSB, donne la precisionfinale du codeur. Pour n piste, cette dernierepiste comporte 2n points.

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Capteur a sortie binaire (optique)

Code binaire pur ou code de Gray

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