Acquisition de Donnees

7/30/2019 Acquisition de Donnees

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6chapitreAcquisition dedonnes : dtectionPrsentation :

Fonctions et des technologies de dtection Tableau de choix6chapitreAcquisition dedonnes : dtectionPrsentation :

Fonctions et technologies de dtection Tableau de choix


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Sommaire6 - Acquisitionde donnes :dtection

6.1 Introduction Page

6.2 Les interrupteurs de position lectromcaniques Page

6.3 Les dtecteurs de proximit inductifs Page

6.4 Les dtecteurs de proximit capacitifs Page

6.5 Les dtecteurs photolectriques Page

6.6 Les dtecteurs ultrasons Page

6.7 La dtection RFID -Radio Frequency IDentification- Page

6.8 La vision Page

6.9 Les codeurs optiques Page

6.10 Les pressostats et vacuostats Page

6.11 Conclusion Page

6.12 Guide de choix des diffrentes technologies Page

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6.1 Introduction6 - Acquisitionde donnes :dtection

Le domaine de lacquisition de donnes comporte deux grandes familles.

La premire qui englobe sous le terme de dtection les produits capables de dtecter

un seuil, une limite ou destimer une grandeur physique. La deuxime sous le terme

de mesure ou dinstrumentation permet de mesurer avec une prcision donne unegrandeur physique.

Les capteurs ddis la scurit des machines sont voqus au chapitre Scurit.

Le lecteur intress trouvera un grand nombre douvrages sur la scurit des

machines dans lesquels tous les dispositifs disponibles sur le march sont abords.

Ces produits comportent trois fonctions essentielles qui sont rsumes

dans lafigure 1.

6.1 Introduction

b La dtection : une fonction essentielle

La fonction dtection est essentielle, car elle est le premier maillon dansla chane dinformation (CFig.2 ) dun processus industriel.

En effet, dans un systme automatique, des dtecteurs assurent lacollecte des informations :

- de tous les vnements ncessaires la conduite, pour tre pris encompte par les systmes de commande, selon un programme tabli,

- du droulement des diffrentes phases du processus lors delexcution de ce programme.

b Les diverses fonctionnalits de la dtection

Les besoins de dtections sont trs varis.

Les besoins les plus lmentaires sont :

- le contrle de la prsence, de labsence ou du positionnement dunobjet,

- la vrification du passage, dun dfilement ou dun bourrage dobjetset du comptage.

Ils sont gnralement satisfaits par des dispositifs tout ou rien , cest lecas dans des applications typiques de dtection de pices dans deschanes de fabrication ou des activits de manutention, ainsi que dans ladtection de personnes et de vhicules.

Il y a dautres besoins plus spcifiques, tels que la dtection :- de prsence (ou de niveau) de gaz ou de liquide,- de forme,- de position (angulaire, linaire),

- dtiquette, avec lecture et criture dinformations codes.A ces besoins sajoutent de nombreuses exigences, particulirement ence qui concerne lenvironnement. Des dtecteurs doivent selon leursituation pouvoir rsister :

- lhumidit, voire limmersion (ex. tanchit renforce),- la corrosion (industries chimiques ou mme installations agricoles,

etc.),- des variations fortes de temprature (ex. rgions tropicales),- des salissures de tous ordres (en extrieur ou dans des machines),- et mme au vandalisme, etc.

Pour rpondre tous ces besoins, les constructeurs ont cr toutessortes de dtecteurs avec des technologies diffrentes.

b Les diffrentes technologies de dtecteursLes constructeurs de dtecteurs font appel des principes de mesurephysique varis, les principaux principes sont :

- mcanique (pression, force) pour les interrupteurs lectromcaniquesde position,

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AFig. 1 La chane dinformation dun processusindustriel

AFig. 2 La chane dinformation dun processusindustriel


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6.1 Introduction6.2 Les interrupteurs de position lectromcaniques

6 - Acquisitionde donnes :dtection

- lectromagntisme (champ, force) pour les capteurs magntiques,dtecteurs de proximit inductifs,

- lumire (puissance ou dviation lumineuse) pour les cellules

photolectriques,- capacit pour les dtecteurs de proximit capacitifs,- acoustique (temps de parcours dune onde) pour les dtecteurs ultra

sons,- fluide (pression) pour les pressostats,- optique (analyse dimage) pour la vision.

Ces principes induisent des avantages et des limites pour chaque type decapteurs, ainsi certains sont robustes mais ncessitent un contact avec lapice dtecter, dautres peuvent tre placs dans des ambiancesagressives, mais ne sont exploitables quavec des pices mtalliques.

La prsentation, dans les paragraphes suivants, des diffrentestechnologies mises en uvre, a pour objectif de faciliter la

comprhension des impratifs dinstallation et dexploitation des capteursdisponibles sur le march des automatismes et quipements industriels.

b Les fonctions annexes des dtecteurs

Diffrentes fonctions sont dveloppes pour faciliter lemploi desdtecteurs, lauto apprentissage en est une.

Cette fonction dapprentissage permet par un simple appui sur un boutonde dfinir le domaine de dtection effectif du dispositif, par exemplelapprentissage de la porte minimale et maximale (effacement davantplan et darrire plan trs prcis 6 mm pour les dtecteurs ultra sons)et la prise en compte de lenvironnement pour les dtecteursphotolectriques.

6.2 Les interrupteurs de position lectromcaniques

La dtection se ralise par un contact physique (palpeur ou organe decommande) avec un objet ou un mobile. Linformation est transmise ausystme de traitement par le biais dun contact lectrique (tout ou rien).

Ces dispositifs (organe de commande et contact lectrique) sont appelsinterrupteurs de position. Ils sont prsents dans toutes les installationsautomatises ainsi que dans des applications varies en raison denombreux avantages inhrents leur technologie.

b Mouvements de dtection

Le palpeur, ou organe de commande, peut avoir diffrents mouvements(CFig.3 ), afin de permettre la dtection dans de multiples positions, etsadapter ainsi aisment aux objets dtecter :

- rectiligne,- angulaire,- multi-directions.

b Mode de fonctionnement des contacts

Loffre des fabricants est caractrise par la technologie utilise pour lamanuvre des contacts.

v Contact action brusque, dit aussi rupture brusque

La manuvre des contacts est caractrise par un phnomnedhystrsis, cest dire par des points daction et de relchement

distincts (CFig.4 ).La vitesse de dplacement des contacts mobiles est indpendante de lavitesse de lorgane de commande. Cette particularit permet dobtenirdes performances lectriques satisfaisantes mme en cas de faiblesvitesses de dplacement de lorgane de commande.

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AFig. 3 Illustration des diffrents mouvementsde capteurs couramment utilis

AFig. 4 Les diffrentes positions dun contact action brusques


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6.2 Les interrupteurs de position lectromcaniques6.3 Les dtecteurs de proximit inductifs


De plus en plus, les interrupteurs de position avec contacts actionbrusque possdent des contacts avec manuvre positive douverture :ceci concerne le contact ouverture, et se dfinit de la manire suivante :

Un appareil satisfait cette prescription quand tous ses lments descontacts douverture peuvent tre amens avec certitude leur positiondouverture, donc sans aucune liaison lastique entre les contactsmobiles et lorgane de commande auquel leffort dactionnement estappliqu.

Ceci concerne le contact lectrique de linterrupteur de position, maisaussi lorgane de commande qui doit transmettre le mouvement sansdformation.

Lutilisation dans le cadre dapplications de scurit impose dutiliser desappareils manuvre positive douverture.

v Contact action dpendante aussi dit rupture lente (CFig.5)

Ce mode de fonctionnement est caractris par :

- des points daction et de relchement confondus,- une vitesse de dplacement des contacts mobiles gale ou

proportionnelle la vitesse de lorgane de commande (qui ne doit pastre infrieure 0.1 m/s = 6 m/mn). En dessous de ces valeurs,louverture des contacts se fait trop lentement, ce qui est dfavorableau bon fonctionnement lectrique du contact (risque darc maintenutrop longtemps),

- la distance douverture est galement dpendante de la course delorgane de commande.

Ces contacts sont naturellement manuvre positive douverture de parleur construction : le poussoir agit directement sur les contacts mobiles.

6.3 Les dtecteurs de proximit inductifsDe par leur principe physique, ces dtecteurs ne fonctionnent que sur desmatriaux mtalliques.

b Principe

Un circuit inductif (bobine dinductance L) constitue llment sensible.Ce circuit est associ un condensateur de capacit C pour formerun circuit rsonnant une frquence Fo gnralement comprise entre100 KHz et 1 MHz.

Un circuit lectronique permet dentretenir les oscillations du systme enaccord avec la formule :

Ces oscillations crent un champ magntique alternatif devant la bobine.

Un cran mtallique plac dans le champ est le sige de courants deFoucault qui induisent une charge additionnelle modifiant ainsi lesconditions doscillation (CFig.6).

La prsence dun objet mtallique devant le dtecteur diminue lecoefficient de qualit du circuit rsonnant.

1er cas, absence dcran mtallique :

Rappel :

2e cas, prsence dun cran mtallique :

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AFig. 5 Exemple dun contact actiondpendante

AFig. 6 Principe de fonctionnement dundtecteur inductif


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6.3 Les dtecteurs de proximit inductifs6 - Acquisitionde donnes :dtection

La dtection se fait par la mesure de la variation du coefficient de qualit(de 3% 20% environ au seuil de dtection).

Lapproche de lcran mtallique se traduit par une diminution du coefficientde qualit et donc dune diminution de lamplitude des oscillations.

La distance de dtection dpend de la nature du mtal dtecter (de sarsistivit et de sa permabilit relative r ).

b Description dun dtecteur inductif (CFig.7)

Transducteur : Il est constitu dune bobine en fil de cuivre multibrins (filde Litz) place lintrieur dun demi-pot en ferrite qui dirige les lignes dechamp vers lavant du dtecteur.

Oscillateur : De nombreux types doscillateurs existent, par exempleoscillateur rsistance ngative fixe -R est gale en valeur absolue la rsistance parallle Rp du circuit oscillant la porte.

- Si lobjet dtecter est au-del de la porte nominale, lRpl > l-Rl,alors les oscillations sont entretenues,

- Inversement, si lobjet dtecter est en de de la porte nominale,

lRpl < l-Rl, alors les oscillations ne sont plus entretenues, loscillateurest bloqu.

Etage de mise en forme : Constitu dun dtecteur de crte suivi duncomparateur deux seuils (Trigger) pour viter les commutationsintempestives lorsque lobjet dtecter est proche de la porte nominale.Il cre ce que lon appelle lhystrsis du dtecteur (CFig.7bis).

Etage dalimentation et de sortie : Il permet dalimenter le dtecteur sur desgrandes plages de tension dalimentation (de 10 VCC jusqu 264 V AC).Ltage de sortie permet de commander des charges de 0.2 A en CC 0.5 A en AC, avec ou sans protection contre les courts-circuits.

b Performances de la dtection inductive

La distance de dtection :- elle est fonction de limportance de la surface de dtection.- Sn : porte nominale (sur acier doux) varie de 0.8 mm (dtecteur 4)

60 mm (dtecteur 80 x 80).- hystrsis : course diffrentielle (de 2 10 % de Sn) qui vite les

rebonds la commutation.- frquence de dtection de passage des objets devant le dtecteur,

dite de commutation (maximum pratique 5 kHz).

b Fonctions particulires

Dtecteurs protgs contre les champs magntiques des soudeuses. Dtecteurs sortie analogique.

Dtecteurs facteur de correction de 1* avec lesquels la distance dedtection est indpendante du mtal dtect (ferreux ou non ferreux).

Dtecteurs slectifs matriaux ferreux et non ferreux.

Dtecteurs pour contrle de rotation : ces dtecteurs de sous vitessesont sensibles la frquence de passage dobjets mtalliques.

Dtecteurs pour atmosphres explosibles (normes NAMUR).*Lorsque lobjet dtecter nest pas de lacier, la distance de dtection du dtecteurenvisag est proportionnelle au facteur de correction du matriau constituant cet objet.

DMatX = DAcierx KMatX

Les valeurs typiques du facteur de correction (KMat X ) sont :- Acier = 1- Inox = 0.7- Laiton = 0.4- Aluminium = 0.3- Cuivre = 0.2Exemple : DInox= DAcierx 0.7

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AFig. 7 Schma dun dtecteur inductif

AFig. 7bis Hystrsis du dtecteur


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6.4 Les dtecteurs de proximit capacitifs6 - Acquisitionde donnes :dtection

6.4 Les dtecteurs de proximit capacitifs

Cette technologie permet la dtection de tous les types de matriauxconducteurs et isolants tels que verre, huile, bois, plastique, etc.

b Principe

La face sensible du dtecteur constitue larmature dun condensateur.

Une tension sinusodale est applique sur cette face, crant ainsi unchamp lectrique alternatif devant le dtecteur.

En considrant que cette tension sinusodale est rfrence par rapport un potentiel de rfrence (terre ou masse par exemple), la deuximearmature est constitue par une lectrode relie ce potentiel de masse(bti de machine par exemple).

Ces deux lectrodes face face constituent un condensateur dont la

capacit est :

avec 0 = 8,854187.10-12 F/m permittivit du vide et r permittivitrelative du matriau prsent entre les 2 lectrodes.

1er cas :Absence dobjet entre les 2 lectrodes (CFig.8)

2e cas : Prsence dun objet isolant entre les 2 lectrodes (CFig.9)

=> (r = 4)

Llectrode de masse peut tre dans ce cas le tapis mtallique dunconvoyeur.

Lorsque r moyen devient suprieur 1 en prsence dun objet,C augmente.

La mesure de laugmentation de la valeur de C permet de dtecter laprsence de lobjet isolant.

3e cas : Prsence dun objet conducteur entre les 2 lectrodes (CFig.10)

avec r 1 (air) =>

La prsence dun objet mtallique se traduit donc galement par uneaugmentation de la valeur de C.

b Les diffrents types de dtecteurs capacitifs

v Dtecteurs capacitifs sans lectrode de masse

Ils utilisent directement le principe dcrit prcdemment.

Un chemin vers la masse (potentiel de rfrence) est ncessaire pourdtecter des matriaux conducteurs (mtal, eau) des distancesimportantes.

Application type : Dtection de matriaux conducteurs au travers dunmatriau isolant (CFig.11).

v Dtecteurs capacitifs avec lectrode de masse

Il nest pas toujours possible de trouver un chemin la masse. Cest lecas si lon veut dtecter la prsence du matriau isolant (exemple lercipient vide en verre de lexemple prcdent).

La solution est lincorporation de llectrode de masse sur la face dedtection.

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AFig. 8 Absence dobjet entre les 2 lectrodes

AFig. 9 Prsence dun objet isolant entre les2 lectrodes

AFig. 10 Prsence dun objet conducteur entreles 2 lectrodes

AFig. 11 Dtection de la prsence deau dans unrcipient en verre ou plastique


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6.4 Les dtecteurs de proximit capacitifs6 - Acquisitionde donnes :dtection

Il y a cration dun champ lectrique indpendant dun chemin la masse(CFig.12).

Application : Dtection de tous matriaux.

Possibilit de dtecter des matriaux isolants ou conducteurs derrire uneparoi isolante, ex : crales dans une bote en carton.

b Performances dun dtecteur capacitif

La sensibilit des dtecteurs capacitifs, selon lquation de base citeprcdemment, dpend tout la fois de la distance objet - capteur et dela matire de lobjet.

v Distance de dtection

Elle est lie la constante dilectrique ou permittivit relative r propre aumatriau de lobjet vis.

Pour pouvoir dtecter une grande varit de matriaux, les capteurs

capacitifs sont gnralement munis dun potentiomtre permettant dergler leur sensibilit.

v Matire

Le tableau de lafigure 13 donne des constantes dilectriques de quelquesmatriaux.

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matriau rActone 19.5

Air 1.000264

Ammoniac 15-25

Ethanol 24

Farine 2.5-3

Verre 3.7-10

Glycrine 47

Mica 5.7-6.7Papier 1.6-2.6

Nylon 4-5

Ptrole 2.0-2.2

Vernis silicone 2.8-3.3

Polypropylne 2.0-2.2

Porcelaine 5-7

Lait en poudre 3.5-4

Sel 6

Sucre 3.0

Eau 80

Bois sec 2-6

Bois vert 10-30

AFig. 13 Constantes dilectriques de quelquesmatriaux

AFig. 12 Principe dun dtecteur capacitif avec

lectrode de masse


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6.5 Les dtecteurs photolectriques6 - Acquisitionde donnes :dtection

6.5 Les dtecteurs photolectriques

Le principe des dtecteurs photolectriques les rend aptes dtectertous types dobjets, quils soient opaques, rflchissants ou mme quasi-transparents. Ils sont aussi exploits pour la dtection de personnes(ouvertures de portes, barrires de scurit).

b Principe (CFig.14)

Une diode lectroluminescente (LED) met des impulsions lumineuses,gnralement dans linfrarouge proche (850 950 nm).

Cette lumire est reue ou non par une photodiode ou un phototransistoren fonction de la prsence ou de labsence dun objet dtecter.

Le courant photolectrique cr est amplifi et compar un seuil derfrence pour donner une information tout ou rien.

b Diffrents systmes de dtectionv Barrage (CFig.14bis)

Emetteur et rcepteur sont placs dans deux botiers spars.

Lmetteur, une LED place au foyer dune lentille convergente, cre unfaisceau lumineux parallle.

Le rcepteur, une photodiode (ou phototransistor) place au foyer dunelentille convergente, fournit un courant proportionnel lnergie reue.

Le systme dlivre une information tout ou rien en fonction de laprsence ou de labsence de lobjet dans le faisceau.

Point fort : La distance de dtection (porte) peut tre longue (jusqu 50 met plus). Elle dpend de la dimension des lentilles et donc du dtecteur.

Points faibles : La ncessite de 2 botiers et donc de 2 alimentationsspares.

Lalignement pour des distances de dtection suprieures 10 m peutprsenter une certaine difficult.

v Systmes rflex

Il y a deux systmes dits Rflex : simple et lumire polarise.

Rflex simple (CFig.15)

Le faisceau lumineux est gnralement dans la gamme de lInfra Rougeproche (850 950 nm).

Points forts : Lmetteur et le rcepteur sont dans un mme botier(un seul cble dalimentation). La distance de dtection (porte) estimportante, bien quinfrieure au barrage (jusqu 20 m ).

Point faible : Un objet rflchissant (vitre, carrosserie de voiture, etc.)peut tre vu comme un rflecteur et ne pas tre dtect.

Rflex lumire polarise (CFig.16)

Le faisceau lumineux utilis est gnralement dans la gamme du rouge(660 nm).

Le rayonnement mis est polaris verticalement par un filtre polarisantlinaire. Le rflecteur a la proprit de changer ltat de polarisation de lalumire. Une partie du rayonnement renvoy a donc une composantehorizontale. Le filtre polarisant linaire en rception laisse passer cettecomposante et la lumire atteint le composant de rception.

Un objet rflchissant (miroir, tle, vitre) contrairement au rflecteur nechange pas ltat de polarisation. La lumire renvoye par lobjet nepourra donc franchir le polariseur en rception (CFig.17).

Point fort : Ce type de dtecteur rsout le point faible du Rflex simple.

Points faibles : En contrepartie ce dtecteur est dun cot suprieur etses distances de dtection sont plus faibles :Rflex IR -->15mRflex polaris ---> 8m

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AFig. 14 Principe dun dtecteur photolectrique

AFig. 15 Dtection rflex simple

AFig. 16 Dtection reflex lumire polarise

AFig. 17 Principe de la non dtection dematriaux rflchissants

AFig. 14bis Le dtection de barrage


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6.5 Les dtecteurs photolectriques6 - Acquisitionde donnes :dtection

v Systme rflexion directe (sur lobjet)

Rflexion directe simple (CFig.18)

On utilise la rflexion directe (diffuse) de lobjet dtecter.Point fort : Le rflecteur nest plus ncessaire.

Points faibles : La distance de dtection de ce systme est faible (jusqu2 m). De plus, elle varie avec la couleur de lobjet voir et du fonddevant lequel il se trouve (pour un rglage donn, la distance de dtectionest plus grande pour un objet blanc que pour un objet gris ou noir) et unarrire plan plus clair que lobjet dtecter peut rendre le systmeinoprant.

Rflexion directe avec suppression de larrire plan (CFig.19)

Avec ce systme, la dtection se fait par triangulation.

La distance de dtection (jusqu 2 m) ne dpend pas du pouvoir derflexion de lobjet, mais uniquement de sa position : un objet clair est

dtect la mme distance quun objet fonc. Enfin, un arrire plan situau del de la zone de dtection sera ignor.

v Fibres optiques

Principe

Le principe de la propagation des ondes lumineuses dans la fibre optiqueest la rflexion totale interne.

Il y a rflexion totale interne lorsquun rayon lumineux passe dun milieu un autre, ce dernier ayant un indice de rfraction plus faible. De plus, lalumire est rflchie en totalit (CFig.20) et il ny a aucune perte delumire lorsque langle dincidence du rayon lumineux est plus grand quelangle critique [c].

La rflexion totale interne est rgie par deux facteurs : les indices de

rfraction des deux milieux et langle critique.Ces facteurs sont relis par lquation suivante :

En connaissant les indices de rfraction des deux matriaux delinterface, langle critique peut facilement tre calcul.

Physiquement, lindice de rfraction dune substance est le rapport entrela vitesse de la lumire dans le vide (c) et sa vitesse dans le matriau (v).

Lindice de lair est considr gal celui du vide, puisque la vitesse de lalumire dans lair est peu prs gale celle dans le vide.

Diffrents types de fibres optiques

Il y a donc plusieurs types de fibres optiques : les multimodes et lesmonomodes (CFig.21).

- Multimode

Ce sont des fibres dont la partie centrale, qui conduit la lumire, a undiamtre grand devant la longueur donde utilise( 9 125 m, Lo = 0.5 1 mm). Dans ces fibres, deux types depropagation sont utiliss : saut dindice ou gradient dindice.

- Monomodes

Celles-ci ont par contre le diamtre du conduit de lumire trs petit devantla longueur donde utilise (


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6.5 Les dtecteurs photolectriques6.6 Les dtecteurs ultrasons


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Les fibres optiques les plus employes dans lindustrie sont lesmultimodes qui prsentent comme avantage leur robustesselectromagntique (CEM -Compatibilit ElectroMagntique- ), et la

simplicit de mise en uvre.

Technologie des dtecteurs

Les fibres optiques sont places devant la DEL dmission et devant laphotodiode ou le phototransistor de rception (CFig.22).

Ce principe permet :- dloigner llectronique du point de contrle,- datteindre des endroits exigus ou de temprature leve,- de dtecter de trs petits objets (de lordre du mm),- et, suivant la disposition de lextrmit des fibres, de fonctionner en

mode barrage ou proximit.

A noter que les jonctions entre la DEL dmission ou le phototransistor derception et la fibre optique doivent tre ralises avec le plus grand soin,

afin de minimiser les pertes de transmissions.

b Performances des dtecteurs photolectriques

Plusieurs facteurs sont mme dinfluencer les performances de cessystmes de dtection comme :

- la distance (dtecteur-objet),- le type dobjet dtecter (sa matire diffusante, rflchissante ou

transparente, sa couleur et ses dimensions),- lenvironnement (lumire ambiante, prsence darrire plan, etc.).

6.6 Les dtecteurs ultrasons

b Principe

Les ultrasons sont produits lectriquement laide dun transducteurlectroacoustique (effet pizolectrique) (CFig.23) qui convertit lnergielectrique qui lui est fourni en vibrations mcaniques grce auxphnomnes de pizolectricit ou de magntostriction (CFig.23).

Le principe consiste mesurer le temps de propagation de londeacoustique entre le capteur et la cible.

La vitesse de propagation est de 340 m/s dans lair 20 C, par ex. pour1 m le temps mesurer est de lordre de 3 ms.

Ce temps est mesur par le compteur dun microcontrleur.

Lavantage des capteurs ultrasons est de pouvoir fonctionner grandedistance (jusqu 10 m), mais surtout dtre capable de dtecter tout objetrflchissant le son indpendamment de la forme et de la couleur.

b Application (CFig.24)

Excit par le gnrateur haute tension le transducteur (metteur-rcepteur) gnre une onde ultrasonique pulse (de 100 500 kHzsuivant le produit) qui se dplace dans lair ambiant la vitesse du son.

Ds que londe rencontre un objet, une onde rflchie (cho) revient versle transducteur. Un microprocesseur analyse le signal reu et mesurelintervalle de temps entre le signal mis et lcho.

Par comparaison avec les temps prdfinis ou appris, il dtermine et

contrle ltat des sorties. En connaissant la vitesse de propagation duson, une distance peut tre dduite selon la formule :D = T.Vs/2 avecD : distance du dtecteur lobjet,T : temps coul entre lmission de londe et sa rception,Vs : vitesse du son (300 m/s).

AFig. 22 Principe dun dtecteur fibresoptiques

AFig. 23 Principe dun transducteurlectroacoustique

AFig. 24 Principe dun dtecteur ultrasons


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6.6 Les dtecteurs ultrasons6 - Acquisitionde donnes :dtection

Ltage de sortie [5] contrle un commutateur statique (transistor PNP ouNPN) correspondant un contact fermeture ou ouverture, ou met disposition un signal analogique (courant ou tension) directement ou

inversement proportionnel la distance de lobjet mesure.

b Particularits des dtecteurs ultrasons

v Dfinitions (CFig.25)

Zone aveugle : Zone comprise entre la face sensible du dtecteur et laporte minimale dans laquelle aucun objet ne peut tre dtect de faonfiable. Il est impossible de dtecter correctement les objets dans cettezone.

Eviter tout passage dobjet dans cette zone aveugle pendant lefonctionnement du dtecteur. Cela pourrait provoquer un tat instable dessorties.

Zone de dtection : domaine dans lequel le dtecteur est sensible. Selon

les modles de dtecteurs, cette zone peut-tre ajustable ou fixe aumoyen dun simple bouton poussoir.

Facteurs dinfluence : Les dtecteurs ultrasons sont particulirementadapts la dtection dobjet dur et prsentant une surface planeperpendiculaire laxe de dtection.

Cependant le fonctionnement du dtecteur ultrasons peut tre perturbpar diffrents facteurs :

- Les courants dair brusques et de forte intensit peuvent acclrer oudvier londe acoustique mise par le produit (jection de pice par jetdair).

- Les gradients de temprature importants dans le domaine dedtection. Une forte chaleur dgage par un objet cre des zones detempratures diffrentes qui modifient le temps de propagation de

londe et empchent une dtection fiable.- Les isolants phoniques. Les matriaux tels le coton, les tissus, le

caoutchouc absorbent le son ; pour ces produits le mode dedtection reflex est conseill.

- Langle entre la face de lobjet dtecter et laxe de rfrence dudtecteur. Lorsque cet angle diffre de 90, londe nest plus rflchiedans laxe du dtecteur et la porte de travail diminue. Cet effet estdautant plus accentu que la distance entre lobjet et le dtecteur estplus grande. Au-del de 10, la dtection est rendue impossible.

- La forme de lobjet dtecter. En consquence du cas prcit, unobjet trs anguleux est plus difficile dtecter.

v Mode de fonctionnement (CFig.26)

Mode rflexion directe. Un seul et mme dtecteur met londe sonorepuis la capte aprs rflexion sur un objet.

Dans ce cas, cest lobjet qui assure la rflexion.

Mode Rflex. Un seul et mme dtecteur met londe sonore, puis larceptionne aprs rflexion sur un rflecteur, de fait le dtecteur est enpermanence activ. Le rflecteur, dans ce cas, est une partie plane etrigide. Ce peut tre une partie de la machine. La dtection de lobjet sefait alors par coupure de londe. Ce mode est particulirement adaptpour la dtection de matriaux amortissant ou dobjet anguleux.

Mode barrage. Le systme barrage est compos de deux produitsindpendants quil faut placer en vis vis : un metteur dultrasons et unrcepteur.

b Performances de la dtection ultrasonsPas de contact physique avec lobjet, donc pas dusure et possibilit dedtecter des objets fragiles ou frachement peints.

Dtection possible de tout matriau, quelle que soit sa couleur, la mmeporte, sans rglage ou facteur de correction.

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AFig. 25 Limites demploi dun dtecteur ultrasons

AFig. 26 Utilisations des dtecteurs ultrasonsa/ En mode proximit ou rflexion directe,b/ En mode reflex


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6.6 Les dtecteurs ultrasons6.7 La dtection RFID -Radio Frequency

IDentification-


Appareils statiques : pas de pices en mouvement au sein du dtecteur,donc dure de vie indpendante du nombre de cycles de manuvres.

Bonne tenue aux environnements industriels : rsistant aux vibrations etaux chocs, rsistants aux ambiances.

Fonction dapprentissage par simple appui sur un bouton pour dfinir ledomaine de dtection effectif. Apprentissage de la porte minimale etmaximale (effacement davant plan et darrire plan trs prcis 6 mm).

6.7 La dtection RFID -Radio Frequency IDentification-

Dans ce chapitre, sont abords les dispositifs destins au stockage et lexploitation de donnes mmorises dans des tiquettes lectroniques, partir dun signal radiofrquence.

bGnralits

Lidentification radiofrquence (RFID) est une technologie didentificationautomatique relativement rcente, adapte aux applications ncessitant lesuivi dobjet ou de personnes (traabilit, contrle daccs, tri, stockage).

Le principe est dassocier chaque objet une capacit de mmorisationaccessible sans contact, en lecture et en criture.

Les donnes sont stockes dans une mmoire accessible par simpleliaison radio frquence, sans contact ni champ de vision, une distanceallant de quelques centimtres plusieurs mtres. Cette mmoire prendla forme dune tiquette lectronique, appele galement transpondeur(TRANSmetteur + rPONDEUR), lintrieur de laquelle se trouve uncircuit lectronique et une antenne.

b Principes de fonctionnement

Un systme RFID est compos des lments suivants (CFig.27 et 28) :- Une tiquette lectronique,- Une station de lecture/criture (ou lecteur rfid).

v Le lecteur

Il module lamplitude du champ rayonn par son antenne pourtransmettre des ordres de lecture ou dcriture la logique de traitementde ltiquette. Simultanment, le champ lectromagntique gnr parson antenne alimente le circuit lectronique de ltiquette.

v Ltiquette

Elle transmet ses informations en retour vers lantenne du lecteur en modulantsa consommation propre. Cette modulation est dtecte par le circuit derception du lecteur qui la convertit en signaux numriques (CFig.29).

b Description des lments

v Les tiquettes lectroniques (CFig.30)

Les tiquettes lectroniques sont composes de trois lmentsprincipaux runis dans un botier.

Une antenne

Elle doit tre adapte la frquence de la porteuse aussi elle peut seprsenter sous diffrentes formes :

- Bobine en fil de cuivre, avec ou sans noyau ferrite (canalisation des

lignes de champ), ou encore grave sur circuit imprim souple ourigide, ou imprime (encre conductrice) pour les frquences infrieures 20 MHz.

- Diple grave sur circuit imprim, ou imprime (encre conductrice)pour les trs hautes frquences (>800 MHz).

146

AFig. 28 Prsentation des lments dunsystme RFID (Systme Inductel deTelemecanique)

AFig. 30 Photographie interne dune tiquetteRFID

AFig. 29 Fonctionnement dun systme RFID

AFig. 27 Organisation dun systme RFID


14/30

6.7 La dtection RFID -Radio FrequencyIDentification-


Un circuit logique de traitement

Son rle est dassurer linterface entre les ordres capts par lantenne etla mmoire.

Sa complexit est fonction des applications, de la simple mise en formejusqu lutilisation dun microcontrleur (ex. cartes de paiementscurises avec algorithmes de cryptage).

Une mmoire

Plusieurs types de mmoires sont utilises pour stocker les informationsdans les tiquettes lectroniques (CFig.31).

Les capacits de ces mmoires vont de quelques octets jusqu plusieursdizaines de k octets.

Certaines tiquettes dites actives embarquent une pile destine alimenter

leur lectronique. Cette configuration permet daugmenter la distance de dialogue

entre ltiquette et lantenne, mais exige de remplacer rgulirement la pile.

v Un botier

Des botiers adapts chaque type dapplication ont t crs pourrunir et protger ces trois lments actifs dune ltiquette, par exemple :(CFig.32a)

- Badge format carte de crdit, pour contrle daccs des personnes,- Support adhsif, pour identification des livres dans les bibliothques,- Tube verre, pour identification des animaux domestiques (injection

sous la peau laide dune seringue),- Boutons en plastique, pour identification des vtements et linges,- Plaquette pour le suivi des courriers.

Il existe beaucoup dautres prsentations : porte-cl, clou en plastiquepour identification de palettes en bois, ou encore des botiers rsistantsaux chocs et aux produits chimiques (CFig.32b), pour des applicationsindustrielles (traitement de surface, fours, etc.).

v Les stations :

Une station (CFig.33a)joue le rle dinterface entre le systme degestion (automate programmable, ordinateur, etc.) et ltiquettelectronique, via un port de communication adapt (RS232, RS485,Ethernet, etc.).

Elle peut galement intgrer un certain nombre de fonctionscomplmentaires, adaptes en fonction des applications :

- entres/sorties tout ou rien,- traitement local pour fonctionnement en autonome,- pilotage de plusieurs antennes,- dtection avec une antenne intgre pour obtenir un systme

compact (CFig.33b).

147

6AFig. 31 Diffrents types de mmoires utilises pour stocker les informations dans les tiquettes lectroniques

AFig. 32 a et b Diffrentes formes dtiquettesRFID adaptes leur usage

AFig. 33a Station dinterface RFID

AFig. 33b Photographie dun lecteur RFID (StationTelemecanique Inductel)

Type Avantages Inconvnients

ROM Bonne rsistance aux tempratures leves Lecture seule

Prix faible

EEPROM Pas de pile ou batterie de sauvegarde Temps daccs relativement long en lecture ou criture

Nombre dcritures limit 100 000 cycles par octet

RAM Rapidit daccs aux donnes Ncessite dembarquer une pile de sauvegarde

Capacit leve dans ltiquette

Nombre illimit de lectures ou dcritures

FeRAM Rapidit daccs aux donnes Nombre de lectures et dcritures limit 10 12

(ferrolectrique) Pas de pile ou batterie de sauvegarde

Capacit leve

a b


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v Antennes

Les antennes sont caractrises par leurs dimensions (qui dterminentla forme de la zone dans laquelle elles vont pouvoir changer lesinformations avec les tiquettes) et la frquence du champ rayonn.Lutilisation de ferrites permet de concentrer les lignes de champlectromagntique de faon augmenter la distance de lecture (CFig.34)et diminuer linfluence de masses mtalliques qui pourraient tre proximit de lantenne.

Les frquences utilises par les antennes sont rparties sur plusieursbandes distinctes, chaque bande prsentant des avantages et desinconvnients (CFig.35).

148

AFig. 34 Influence dune antenne en ferrite surles lignes de champ lectromagntique

Les puissances et les frquences utilises sont variables en fonction desapplications des pays. Trois grandes zones ont t dfinies : Amrique duNord, Europe, et reste du monde. A chaque zone et chaque frquencecorrespond un gabarit autoris de spectre dmission (norme CISPR300330) dans lequel chaque station/antenne RFID doit sinscrire.

v Codage et protocole

Des normes internationales dfinissent les protocoles dchange entre lesstations et les tiquettes (ISO 15693 - ISO 14443 A/B).

Il y a aussi des standards en cours de dfinition qui sont plus spcialisstels que ceux destins au domaine de la grande distribution(EPC -Electronic Product Code-) ou pour lidentification des animaux

(ISO 11784).

b Performances de lidentification RFID

Compare aux dispositifs code barres (tiquettes ou marquages etlecteurs), lidentification RFID prsente les avantages suivants :

- modification des informations contenues dans ltiquette,- lecture/criture travers la plupart des matriaux non mtalliques,- insensibilit aux poussires, salissures, etc.- enregistrement possible de plusieurs milliers de caractres dans une

tiquette,- confidentialit des informations (verrouillage de laccs aux donnes

contenues dans ltiquette).

Tous ces avantages concourent son dveloppement dans le domaine

dactivits des services (ex. contrle daccs sur les pistes de ski) et dansla distribution.

De plus, la baisse constante des prix des tiquettes RFID devrait conduireces dispositifs RFID remplacer les traditionnels codes barres sur lescontenants (cartons, containers, bagages) dans diffrents domaines tels

Frquence Avantages Inconvnients Application typique

125-134 khz (BF) Immunit lenvironnement Faible capacit mmoire Identification des animaux(mtal, eau, etc.) Temps daccs long domestiques

13.56 Mhz (HF) Protocoles de dialogue Sensibilit aux environnements Suivi des livres dans les bibliothquesantenne/tiquette normalises mtalliques Contrle daccs(ISO 15693 - ISO 14443 A/B) Paiements

850 - 950 Mhz (UHF) Cot trs faible des tiquettes Plages de frquences non Gestion des produits dans la Distance de dialogue importante homognes dun pays lautre distribution

(plusieurs mtres) Perturbation des zones de dialoguepar les obstacles (mtal, eau, etc.)

2.45 Ghz ) Trs grande vitesse de transfert Trous dans la zone de dialogue Suivi des vhicules(micro-ondes entre antenne et tiquette difficiles matriser (pages dautoroutes)

Distance de dialogue importante Cot des systmes de lecture(plusieurs mtres)

AFig. 35 Description des bandes de frquences utilises en RFID


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6.8 La vision


que la logistique et les transports, mais aussi sur les produits en cours defabrication dans lindustrie.

A noter cependant que lide attrayante de lidentification automatique ducontenu des chariots devant les caisses des hypermarchs, sans aucunemanipulation des marchandises, nest pas encore envisageable avec cessystmes pour des raisons physiques et techniques.

6.8 La vision

b Principe

Cest lil de la machine qui donne la vue un automatisme.

Sur une photographie prise par une camra, les caractristiquesphysiques de lobjet sont numrises. Il est ainsi possible de connatre(CFig.36) :

- ses dimensions,- sa position,- son aspect (tat de surface, couleur, brillance, prsence de dfaut),- son marquage (logos, caractres , etc.).

Lutilisateur peut aussi automatiser des fonctions complexes :- de mesure,- de guidage,- et didentification.

b Les points cls de la vision

La vision industrielle se compose dun systme optique (clairage,camra et optique), associ une unit de traitement et une commande

dactionneurs. Eclairage

Il est essentiel davoir un clairage spcifique et bien adapt de faon crer un contraste suffisant et stable, pour mettre en valeur les lments contrler.

Camra et Optique

Du choix de loptique et de la camra dpend la qualit de limagecapture (contraste, nettet) et cela avec une distance dfiniecamra/objet et un objet examiner bien dtermin (dimension, tat desurface, et dtail saisir).

Unit de traitement

Limage provenant de la camra est transmise lunit de traitement quicontient les algorithmes de mise en forme et danalyse dimage

ncessaires la ralisation des contrles.Ses rsultats sont ensuite transmis lautomatisme ou commandentdirectement un actionneur.

v Eclairage

Les technologies dclairages

- Eclairage DEL (Diode Electro Luminescente)

Cest lclairage privilgi aujourdhui : cest un clairage homognedune dure de vie trs longue (30 000 heures).

Il existe en couleurs, mais le champ couvert est limit 50 cm environ.

- Eclairage tube fluorescent haute frquence

Dune lumire blanche il a une dure de vie longue (5 000 heures), et levolume clair ou champ est important ; il dpend videmment de lapuissance lumineuse mise en uvre.

- Eclairage halogne

De lumire galement blanche, sa dure de vie est faible (500 heures) etncessite une puissance trs importante, il peut couvrir un champsimportant.

149

6

AFig. 36 Contrle dune pice mcanique.Les repres indiquent les zonesvrifies par le systme


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Systmes Caractristiques Applications type

Annulaire

Ensemble de DEL disposes en anneau Conseil l pour un contrle de prcision,

Systme dclairage trs puissant de type marquage

Permet dclairer lobjet dans son axe, par-dessus

Rtro

clairage clairage plac derrire lobjet et face la camra Conseill pour mesurer les cotes dun objet

Permet de mettre en vidence la silhouette ou analyser des lments opaquesde lobjet (ombre chinoise)

Linaire direct

Utilis pour mettre en vidence une petite surface Conseill pour la recherche de dfauts prcis,

de lobjet contrler et crer une ombre porte le contrle de taraudage, etc.

Rasant

Permet de faire la dtect ion de bord Conseil l pour contrler les caractres imprims,

Contrler un marquage ltat dune surface, dtecter les rayures, etc.

Dtecter les dfauts sur des surfaces vitresou mtalliques

Coaxial

Permet de mettre en vidence des surfaces lisses Conseill pour contrler, analyser et mesurerperpendiculaires laxe optique en orientant des surfaces mtalliques planes ou autresla lumire vers un miroir semi-rflchissant surfaces rflchissantes

6.8 La vision6 - Acquisitionde donnes :dtection

Ces clairages peuvent tre appliqus de diffrentes manires. Cinqsystmes sont principalement utiliss (CFig.37) pour faire ressortir lacaractristique contrler :

- Annulaire,- Rtro clairage,- Linaire direct,- Rasant,- Coaxial.

150

AFig. 37 Tableaux des diffrents clairages pour la vision industrielle


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v Les camras et optiques

Les technologies de camras

- Camra CCD (Charged Coupled Device)Aujourdhui, ces camras sont privilgies pour leur bonne dfinition.

Pour les process continus, on utilise des camras linaires (CCD arrangement linaire).

Dans tous les autres cas, on utilise des camras arrangementmatriciel (CCD matriciel).

Les camras industrielles utilisent plusieurs formats de capteur(CFig.38) dfinis en pouces : 1/3, 1/2 et 2/3 (1/3 et 1/2 : camescope,2/3 et plus : haute rsolution industrielle, tlvision, etc.).

Les optiques sont ddies chaque format de capteur afin dutiliser latotalit des pixels.

- Camra CMOS

Progressivement supplant par CCDCot attractif >utilisation applications basiques

- Camra Vidicon (tube)Maintenant obsolte.

Le balayage

Les camras sont soit image entrelace soit Progressive scan = fullframe.

Dans le cas o les vibrations et la prise dimage au vol sont frquentes,il est conseill dutiliser un capteur Balayage progressif (dit ProgressiveScan) (lecture la vole) ou Full Frame.

Les capteurs CCD permettent lexposition de tous les pixels au mmeinstant.

Le balayage entrelac

Le systme entrelac est un issu de la vido. Son principe consiste analyser limage par balayage successif dune ligne sur deux (CFig.39).

Son objectif est dconomiser la moiti de la bande passante au prixde quelques dfauts peu visibles sur un petit cran, notamment duscintillement. Une premire trame, reprsente avec des traits noirs,analyse les lignes impaires, la seconde en vert, analyse les lignespaires.

Le balayage progressif

Cest le type danalyse dimage exploit en informatique. Son principe estde dcrire au mme instant toutes les lignes de limage (CFig.40).Son intrt est dans la suppression du scintillement et lobtention dune

image stable (CFig.41). Loptique

- Les montures visser C et CS qui ont un 25.4 mm sont lesplus souvent utilises dans le milieu industriel.

- La distance focale (f en mm) sexprime directement partir de la taillede lobjet cadrer (H en m), de la distance D entre lobjet et lobjectif(D en m), et de la dimension de limage (h en mm) : f= D x h/H(CFig.42). On aura aussi angle de champ = 2 x arctg (h/(2xf)). Ainsi,plus la distance focale est faible, plus le champ couvert est grand.

- Le choix du type dobjectif seffectue donc en fonction de la distanceD et de la taille du champ visualis H.

v Unit de traitement

Son lectronique a deux missions : mettre en forme limage puis analysercette image amliore.

Algorithmes de mise en forme dimage

Les pr-traitements changent la valeur de niveau de gris des pixels.Le but de ces pr-traitements est damliorer limage, afin de pouvoir

151

6

AFig. 38 Les formats de capteurs utiliss danslindustrie

AFig. 39 Balayage entrelac

AFig. 40 Balayage progressif

AFig. 41 Comparaison des balayages

AFig. 42 La distance focale


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lanalyser avec plus defficacit et de robustesse. Parmi ces pr-traitements possibles, les plus employs sont :

- la binarisation,

- la projection,- lrosion / dilatation,- louverture / fermeture.

Algorithmes danalyse dimage.

Dans le tableau de lafigure 43 sont prsents diffrents algorithmesdanalyse dimage.

A noter que dans la colonne Pr-requis sont indiqus les traitementsdimages qui prcdent cette analyse.

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AlgorithmePrincipe de fonctionnement

danalyseet utilisation privilgie (en gras)

Pr-requis Avantage(s) Limitesdimage

Comptage de pixel, dobjet Binarisation et Attention la stabilitLignePrsence/Absence, comptage

ventuellement Trs rapide (


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6.9 Les codeurs optiques6 - Acquisitionde donnes :dtection

6.9 Les codeurs optiques

b Prsentation dun codeur optiquev Constitution

Un codeur optique rotatif est un capteur angulaire de position qui comporteun metteur de lumire (LED), un rcepteur photosensible, et un disque limcaniquement par son axe lorgane contrler de la machine, disquequi comporte une succession de zones opaques et transparentes.

La lumire mise par des LED arrive sur des photodiodes chaque foisquelle traverse les zones transparentes du disque. Les photodiodesgnrent alors un signal lectrique qui est amplifi puis converti en signalcarr, avant dtre transmis vers un systme de traitement. Lorsque ledisque tourne, le signal de sortie du codeur est alors constitu dune suitede signaux carrs. Lafigure 44 montre un tel dispositif.

v PrincipesLa rotation dun disque gradu, fonction du dplacement de lobjet contrler, gnrent des impulsions toutes semblables en sortie duncapteur optique.

La rsolution cest dire le nombre dimpulsions par tour correspond aunombre de graduations sur le disque ou un multiple de celui-ci. Plus lenombre de points est important plus le nombre de mesures par tourpermettra une division plus fine du dplacement ou de la vitesse dumobile reli au codeur.

Exemple dapplication : la coupe longueur.

La rsolution sexprime par la fractiondistance parcourue pour 1 tour

nombre de points

Ainsi, si le produit couper mesure 200 mm et que la prcision de coupeest 1 mm, le codeur devra avoir une rsolution de 200 points. Pour uneprcision de 0.5 mm la rsolution du codeur devra tre gale 400 points.

v Ralisation pratique (CFig.45)

La partie mission est ralise par une source lumineuse triple troisphotodiodes ou DEL (pour la redondance), dune dure de vie 10 12 ans.

Un ASIC associ lensemble capteur optique permet dobtenir dessignaux carrs aprs amplification.

Le disque est en POLYFASS (Mylarmica) incassable pour des rsolutionsatteignant :

- 2 048 points pour un diamtre 40 mm,- 5 000 points pour un diamtre 58 mm,

- 10 000 points pour un diamtre 90 mm,ou VERRE pour des rsolutions suprieures et des frquences leves delecture, jusqu 300 KHz.

b Familles de codeurs optiques

Loffre des constructeurs permet de couvrir lensemble des applicationsindustrielles. Cette offre comporte plusieurs familles principales (CFig.46) :

- les codeurs incrmentaux qui permettent de connatre la position dunmobile et de contrler son dplacement par comptage/dcomptagedes impulsions quils dlivrent,

- les codeurs absolus de position qui donnent la position exacte sur untour ou sur plusieurs tours.

Ces deux familles peuvent avoir des variantes comme :- les codeurs absolus multi-tours,- les tachy codeurs qui fournissent en complment une information de

vitesse,- les tachymtres dans lesquels linformation est traite pour donner

une information de vitesse.

153

6

AFig. 44 Exemple dun capteur optique

AFig. 45 Principe dun codeur incrmental

AFig. 46 Vue dun disque gradu dun codeurincrmental


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Tous ces dispositifs utilisent des techniques similaires. Ils se distinguent par lefentrage des disques et la manire dont le signal optique est cod ou trait.

v Codeurs incrmentauxLes codeurs incrmentaux sont destins des applications depositionnement et de contrle de dplacement dun mobile parcomptage/dcomptage des impulsions quils dlivrent.

Le disque dun codeur incrmental comporte deux types de pistes :

- une piste extrieure (voies A et B) divise en n intervalles danglesgaux et alternativement opaques et transparents, n tant larsolution ou le nombre de priodes. Deux photodiodes dcalesinstalles derrire cette piste dlivrent des signaux carrs A et Bchaque fois que le faisceau lumineux traverse une zone transparente.Le dphasage de 90 lectriques (1/4 de priode) des signaux A et Bdfinit le sens de rotation (CFig.47). Dans un sens, le signal B est 1pendant le front montant de A, alors que dans lautre sens, il est 0,

- une piste intrieure (piste Z) qui comporte une seule fentretransparente. Le signal Z, appel top zro , de dure 90lectriques, est synchrone avec les signaux A et B. Il dfinit uneposition de rfrence et permet la rinitialisation chaque tour.

Exploitation des voies A et B

Les codeurs incrmentaux autorisent trois niveaux de prcisiondexploitation :

- utilisation des fronts montants de la voie A seule : exploitation simple,correspondant la rsolution du codeur,

- utilisation des fronts montants et descendants de la voie A seule :la prcision dexploitation est double,

- utilisation des fronts montants et descendants des voies A et B :la prcision dexploitation est quadruple (CFig.48).

Elimination des parasitesTout systme de comptage peut tre perturb par lapparition deparasites en ligne qui sont comptabiliss au mme titre que lesimpulsions dlivres par le codeur.

Pour liminer ce risque, la plupart des codeurs incrmentaux dlivrent en plusdes signaux A, B et Z, les signaux complments . Si le systme detraitement est conu pour pouvoir les exploiter (commandes numriquesNUM par exemple), ces signaux complments permettent de diffrencier lesimpulsions codeur des impulsions parasites (CFig.49), vitant ainsi la priseen compte de ces dernires, voire de reconstruire le signal mis (CFig.50).

v Codeurs absolus

Principe de ralisation

Les codeurs absolus sont destins des applications de contrle de

dplacement et de positionnement dun mobile.Rotatifs, ils fonctionnent de manire similaire aux capteurs incrmentaux,mais sen distinguent par la nature du disque. En effet, celui-ci comporteplusieurs pistes concentriques divises en segments gaux alternativementopaques et transparents. Un codeur absolu dlivre en permanence uncode qui est limage de la position relle du mobile contrler.

A, B et Z

154

AFig. 47 Principe de dtection du sens derotation et du top zro

AFig. 48 Augmentation du nombre de points

AFig. 50 Reconstitution dun signal perturb avec et sans signal complmentaire

AFig. 49 Elimination des impulions parasites


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La premire piste intrieure (CFig.51) est compose dune moiti opaqueet dune moiti transparente. La lecture de cette piste permet de dterminer un demi-tour prs o se situe lobjet (MSB : Most Significant Bit).

Les pistes suivantes, du centre vers lextrieur du disque, sont divises en4 quarts alternativement opaques et transparents. Ainsi, la lecture de laseconde piste combine avec la lecture de celle qui la prcde (lapremire) permet de dterminer dans quel quart (1/4 ou 1/22) de tour sesitue lobjet. Les pistes suivantes permettent successivement dedterminer dans quel huitime (1/8 ou 1/23) de tour, dans quel seizime(1/16) de tour, etc., on se situe.

La piste extrieure correspond au bit de poids le plus faible (LSB : LeastSignificant Bit).

Le nombre de sorties parallles est le mme que le nombre de bits ou depistes sur le disque. Limage du dplacement ncessite autant de couplediode/phototransistor que de bits mis ou de piste sur le disque. La

combinaison de tous les signaux un instant donn, donne la position dumobile.

Les codeurs absolus se caractrisent par lmission dun codenumrique, image du positionnement physique du disque. Un seul codecorrespond une seule position, ce code dlivr par un codeur rotatifabsolu peut tre, soit du binaire naturel (binaire pur), soit du binairerflchi, aussi dnomm code Gray (CFig.52).

Avantages des codeurs absolus

Le codeur absolu prsente deux avantages importants par rapport aucodeur incrmental :

- insensibilit aux coupures du rseau, car la mise sous tension ouaprs coupure, le codeur dlivre une information immdiatementexploitable par le systme de traitement, correspondant la positionangulaire relle du mobile. Le codeur incrmental, quant lui,ncessite une rinitialisation avant de pouvoir exploiter utilement lessignaux.

- insensibilit avec les parasites en ligne. Un parasite peut modifier lecode dlivr par un codeur absolu, mais ce code redevientautomatiquement correct ds la disparition du parasite. Avec uncodeur incrmental, linformation parasite est prise en compte, saufdans le cas ou les signaux complments sont exploits.

Exploitation des signaux

Pour chaque position angulaire de laxe, le disque fournit un code, quipeut-tre, soit un code binaire, soit un code Gray :

- Le code binaire pur. Il permet deffectuer les 4 oprations

arithmtiques sur des nombres exprims dans ce code. Il est doncdirectement exploitable par les systmes de traitement (API) poureffectuer des calculs.Mais, il prsente linconvnient davoir plusieurs bits qui changentdtat entre deux positions, do une possible ambigut de lecture.Pour lever cette ambigut, les codeurs absolus gnrent un signaldinhibition qui bloque les sorties chaque changement dtat.

- Le code Gray dans lequel un seul bit la fois change dtat viteaussi cette ambigut. Mais, pour son exploitation par unautomatisme, ce code doit tre pralablement transcod en binaire(CFig.53).

Utilisation dun codeur absolu

Dans la plupart des applications, la recherche dune meilleure productivit

impose des dplacements rapides, grande vitesse, puis desralentissements pour avoir des positionnements prcis.

Pour atteindre cet objectif avec des cartes E/S standard, il faut surveillerles MSB lorsque la vitesse est leve, de faon dclencher leralentissement un demi tour prs (CFig.54).

155

6

AFig. 51 Disques gravs dun codeur absolu

AFig. 52 Signal dlivr en code Gray par un

codeur rotatif absolu

AFig. 53 Principe de transcodage de Gray enbinaire

AFig. 54 Positionnement dun mobile sur un axe


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vVariantes des codeursDe nombreuses variantes ont t imagines et plusieurs prsentationssont disponibles pour satisfaire aux diffrentes exigences demploi, parexemple :

- Codeurs absolus multi-tours,- Tachycodeurs et tachymtres,- Codeurs axe plein,- Codeurs axe creux,- Codeurs axe traversant.

v Association codeur - unit de traitement

Les circuits dentre des units de traitement doivent tre compatiblesaux flux dinformations dlivrs par les codeurs (CFig.55).

b Les capteurs de vitesse

Les codeurs voqus ci-dessus possdent la possibilit de fournir uneinformation de vitesse par un traitement appropri du signal de sortie.

Cependant, le tour dhorizon des capteurs ne pourrait tre complet sansvoquer les capteurs analogiques de vitesse. Ils sont principalementutiliss pour les asservissements de vitesse et en particulier associsaux variateurs pour moteur courant continu. Pour le fonctionnement enboucle ferm des convertisseurs de frquence, les variateurs modernesutilisent un capteur de vitesse virtuel, qui partir de grandeurslectriques mesurs dans le variateur reconstituent la vitesse relle dela machine.

v Alternateur tachymtrique

Ce capteur de vitesse (CFig.56) est constitu dun stator comportantplusieurs enroulements et dun rotor incorporant des aimants.

Cette machine est similaire un alternateur.

La mise en rotation induit des tensions alternatives dans les enroulementsstatoriques.

Lamplitude du signal gnr et sa frquence sont en relation directe avecla vitesse de rotation.

Lutilisateur peut exploiter, soit la tension (efficace ou redresse), soit lafrquence, pour raliser un asservissement ou une indication de lavitesse.

En utilisant le dphasage des enroulements, le sens de rotation peut trefacilement dtect.

v Dynamo tachymtrique

Ce capteur de vitesse est constitu dun stator comportant unenroulement fixe et dun rotor incorporant des aimants (CFig.57).Le rotor est quip dun collecteur et de balais.

AFig. 57 Reprsentation schmatique dunedynamo tachymtrique et duneralisation industrielle

Units de traitement Codeurs

Incrmental Absolu

Frquence du signal (kHz)Liaison parallle

=< 0,2 =< 40 > 40

Automates Entres TOR X Xprogrammables

Comptage rapide X XCartes daxes

CommandesX X X

Numriques

Micro-ordinateurs Entres parallles X

Cartes spcifiques X X X X

AFig. 55 Principaux types dunits de traitement utiliss dans lindustrie

AFig. 56 Reprsentation schmatique dunalternateur tachymtrique

N

N

S

S

a

-c

b-a

c

-b

a'

-c'

b'

-a'

c'

-b'


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Cette machine est similaire une gnratrice courant continu.Le collecteur et la nature des balais sont choisis pour limiter les tensionsde seuil et les discontinuits de la tension au passage des balais.

Le fonctionnement est possible dans une trs large gamme de vitesse.La mise en rotation induit une tension continue dont la polarit dpend dusens de rotation et dont lamplitude est proportionnelle la vitesse.

Lutilisateur peut exploiter cette information : amplitude et polarit pourraliser un asservissement ou une indication de la vitesse.

La tension dlivre par ce type de capteur est comprise entre 10 et60 volts/1000 tours par minute et pour certaines dynamo, programmablepar lutilisateur.

v Les capteurs rluctance variable

Le schma de lafigure 58reprsente un type de capteur.

La bobine dtectrice a son noyau magntique soumis aux flux dinductiondun aimant permanent. Elle est place en regard dun disque (rouepolaire) ou dune pice tournante ferromagntique.

Le dfilement des discontinuits magntiques (dents, fentes, trous)portes par le disque ou la pice en rotation provoque une variationpriodique de la rluctance du circuit magntique de la bobine qui induitdans celle-ci une tension de frquence et damplitude proportionnelles la vitesse de rotation.

Lamplitude de cette tension dpend :- de la distance bobine/pice,- de la vitesse de rotation : elle est en principe proportionnelle cette

vitesse. A faible vitesse, lamplitude peut tre trop petite pour tredtecte, en dessous de cette vitesse limite, le capteur devientinutilisable.

Ltendue de mesure dpend du nombre de discontinuits magntiquesportes par la pice tournante. La vitesse minimale mesurable estdautant plus basse que le nombre de pas est lev. En contrepartie, lavitesse maximale mesurable est dautant plus leve que le nombre depas est faible, en raison de la difficult de traiter des signaux defrquence leve. Les possibilits de mesure varient dune plage de50 tr/mn 500 tr/mn avec une roue polaire de 60 dents une plage de500 tr/mn 10 000 tr/mn avec une roue polaire de 15 dents.

Le tachymtre courant de Foucault est constitu de manire similaire etest utilisable en regard dune pice tournante mtallique nonferromagntique.

Lensemble bobine aimant permanent est remplac par un circuitoscillant. La bobine, qui est la tte de mesure, constitue linductance L du

circuit daccord dun oscillateur sinusodal. Lapproche dun conducteurmtallique modifie les caractristiques L et R de la bobine.

La rotation dune roue dente devant la bobine produit au passage dechaque dent linterruption de loscillateur qui est dtecte, par exemple,par la modification du courant dalimentation de loscillateur.

Le signal correspondant a une frquence proportionnelle la vitesse derotation et son amplitude, ntant pas ici dtermine par la vitesse derotation est indpendante de cette vitesse. Il en rsulte que ce type decapteur est utilisable aux faibles vitesses.

Ce type de capteur peut galement tre utilis pour des mesures de sousou sur vitesse par exemple Dtecteur applicatif inductif pour contrle derotation de Telemecanique XSAV. ou XS9.

157

6AFig. 58 Reprsentation schmatique dun

capteur rluctance variable


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6.10 Les pressostats et vacuostats6 - Acquisitionde donnes :dtection

6.10 Les pressostats et vacuostats

b Quest ce que la pression ?La pression est le rsultat dune force applique sur une surface. Si P estla pression, F la force et S la surface, on a la relation P=F/S.

La terre est entoure dune couche dair qui a une certaine masse et doncexerce une certaine pression appele Pression atmosphrique .

La pression atmosphrique est donne en hpa (hectopascal) oumbar. 1hPa = 1mbar.

Lunit internationale de pression est le pascal (Pa) : 1 Pa= 1N/1m2

Une unit plus pratique est le bar : 1bar = 10 5Pa = 105N/m2 = 10N/cm2

Pressostats, vacuostats et transmetteurs de pression ont pour fonction decontrler, rguler ou mesurer une pression ou une dpression dans un

circuit hydraulique ou pneumatique.Les pressostats ou vacuostats transforment un changement de pressionen signal lectrique Tout ou Rien lorsque les points de consigne affichssont atteints. Ils peuvent tre de technologie lectromcanique oulectronique (CFig.59).

Les transmetteurs de pression (galement appels capteurs analogiques)transforment la pression en un signal lectrique proportionnel et sont detechnologie lectronique.

b Les dtecteurs pour le contrle de pression

v Principe

Les appareils lectromcaniques utilisent le dplacement dune

membrane, dun piston ou dun soufflet pour actionner mcaniquementdes contacts lectriques (CFig.60).

Les dtecteurs de pression lectroniques de marque Telemecaniquesont quips dune cellule cramique piezo-rsistive (CFig.61). Ladformation due la pression est transmise aux rsistances couchepaisse du pont de Wheaston srigraphi sur la membrane cramique.La variation de rsistance est ensuite traite par llectronique intgrepour donner un signal tout ou rien ou proportionnel la pression(ex. 4-20mA , 0-10v).

Le contrle ou la mesure de pression rsultent de la diffrence entre lespressions rgnant des deux cts de llment soumis la pression.Selon la pression de rfrence, on utilise la terminologie suivante :

Pression absolue : mesure par rapport un volume scell, gnralement

sous vide.Pression relative : mesure par rapport la pression atmosphrique.

Pression diffrentielle : mesure la diffrence entre deux pressions.

A noter que les contacts lectriques de sortie peuvent tre :- de puissance, bipolaires ou tripolaires, pour commander directement

des moteurs monophass ou triphass (pompes, compresseurs, etc.),- ou standard, pour commander des bobines de contacteurs, relais,

lectrovannes, entre dautomates, etc.

v Terminologie (CFig.62)

Terminologie gnrale

- Plage de fonctionnement

Cest lintervalle dfini par la valeur minimale de rglage du point bas(PB) et la valeur maximale de rglage du point haut (PH) pour lespressostats et vacuostats. Elle correspond ltendue de mesurepour les transmetteurs de pression (appels aussi capteursanalogiques). A noter que les pressions affiches sur les appareils ontpour base la pression atmosphrique.

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AFig. 59 Exemple de dtecteurs de pression(marque Telemecanique)a : Pressostat lectromcanique type

XML-B

b : Pressostat lectronique type XML-Fc :Transmetteur de pression type XML-G

AFig. 60 Principe d'un dtecteur de pressionlectromcanique (marque Telemecanique)

AFig. 61 Coupe d'un dtecteur de pression(marque Telemecanique)

AFig. 62 Reprsentation graphique des termescouramment employs

a b c


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- Calibre

Valeur maximale de la plage de fonctionnement pour les pressostatsValeur minimale de la plage de fonctionnement pour les vacuostats.

- Point de consigne haut (PH)

Cest la valeur de la pression maximale choisie et rgle sur lepressostat ou vacuostat laquelle la sortie changera dtat lorsque lapression sera ascendante.

- Point de consigne bas (PB)

Cest la valeur de la pression minimale choisie ou rgle sur lepressostat ou vacuostat laquelle la sortie du produit changeradtat lorsque la pression sera descendante.

- Ecart

Cest la diffrence entre le point de consigne haut (PH) et le point deconsigne bas (PB).

- Appareils cart fixe

Le point bas (PB) est directement li au point haut (PH) traverslcart.

-Appareils cart rglableLe rglage de lcart permet de fixer le point bas (PB).

Terminologie spcifique llectromcanique (CFig.63) :

- Prcision de laffichage du point de consigne (CFig.63a)

Cest la tolrance entre la valeur de consigne affiche et la valeurrelle dactivation du contact. Pour un point de consigne prcis (1reinstallation du produit), utiliser la rfrence dun dispositifdtalonnage (manomtre, etc).

- Rptabilit (R) (CFig.63b)

Cest la variation du point de fonctionnement entre deux manuvres

successives.- Drive (F) (CFig.63c)

Cest la variation du point de fonctionnement sur toute la dure devie de lappareil.

Terminologie spcifique llectronique :

- Ltendue de mesure (EM) ou plage de mesure dun transmetteur depression, elle correspond lintervalle des pressions mesures par letransmetteur. Elle est comprise entre 0 bar et la pressioncorrespondant au calibre du transmetteur.

- La Prcision est compose de la linarit, de lhystrsis, de larptabilit et des tolrances de rglage. Elle sexprime en % de laplage de mesure du transmetteur de pression (% EM).

- La linarit est la diffrence la plus importante entre la courbe relledu transmetteur et la courbe nominale (CFig.64a).

- Lhystrsis est la diffrence la plus importante entre la courbe pression montante et la courbe pression descendante (CFig.64b).

- La rptabilit est la bande de dispersion maximale obtenue enfaisant varier la pression dans des conditions donnes (CFig.64c).

- Les tolrances de rglage sont les tolrances de rglage du pointzro et de la sensibilit donnes par le constructeur (pente de lacourbe du signal de sortie du transmetteur).

- Drives en temprature

La prcision dun dtecteur de pression est toujours sensible latemprature de fonctionnement. Elle est proportionnelle latemprature et sexprime en % EM / C.

- Drive de la sensibilit et du point zro (CFig.65a et b)

Le point zro corespond la valeur du signal en l'absence depression. La sensibilit donne le rapport entre le signal de sortie et lapression.

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6

AFig. 63 Reprsentation graphique des termesspcifiques l'lectromcanique

AFig. 64 Reprsentation graphique :a/ la linarit.b/ l'hystrsis.

c/ la rptabilit.

AFig. 65 Reprsentation graphique des drives :a/ de la sensibilit.b/ du point zro.

a

b

c


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- Pression maximale admissible chaque cycle (Ps)Il sagit de la pression que peut supporter le dtecteur de pression chaque cycle sans incidence sur sa dure de vie. Elle est gale au

minimum 1.25 fois le calibre de lappareil.- Pression maximale admissible accidentellement

Il sagit de la pression maximale, hors chocs de pression, laquelle ledtecteur de pression peut tre soumis occasionnellement sans quecela cause des dommages lappareil.

- Pression de rupture

Il sagit de la pression au-del de laquelle le dtecteur de pressionrisque de prsenter une fuite, voire un clatement de sa mcanique.

Toutes ces dfinitions relatives aux pressions sont essentielles en termede choix pour une parfaite adquation des capteurs aux besoins etnotamment pour sassurer de leur capacit tre utiliss dans descircuits hydrauliques o des phnomnes transitoires svres peuvent

apparatre tels que des Coups de blier .v Autres caractristiques des dtecteurs de prsence

Les diffrentes technologies de dtection ont t prsentes dans cedocument.

Chacune apporte des avantages particuliers et des limites demploi.

Pour choisir une technologie plutt quune autre, dautres critres sontaussi prendre en compte et font lobjet de tableaux de choix inclus dansles catalogues des constructeurs. Parmi ceux-la, et selon les dtecteurs,il faut notamment prendre en compte :

- les caractristiques lectriques,- les contraintes denvironnement,- les possibilits/facilits de mise en uvre.

b Critres de choix

Les paragraphes suivants donnent quelques exemples de critres qui,sans tre centrs sur la fonction de base, apportent des avantages dansla mise en uvre et lexploitation. Toutes ces informations figurent dansles catalogues des constructeurs et permettent la slection la plusapproprie du dispositif.

v Les caractristiques lectriques

La tension dalimentation qui peut tre AC ou DC en tenant compte

de la plage de variation.

Les techniques de commutation de la charge, 2 fils ou 3 fils

(CFig.66).

Technique 2 fils : le dtecteur est aliment en srie avec la charge, doncsujet un courant rsiduel ltat ouvert et une tension de dchet ltatferm. La sortie peut tre normalement ouverte ou normalement ferme(NO/NC) et, la plus part du temps, tre protge contre les courts circuits.

Technique 3 fils : Le dtecteur possde deux fils dalimentation et un filpour la transmission du signal de sortie (ou plus dans le cas des produits plusieurs sorties). La sortie peut tre de type transistoris PNP ou NPN.

Ces deux techniques, sont communes de nombreux constructeurs,mais il est important de porter une attention particulire aux courantsrsiduels et aux chutes de tension aux bornes des dtecteurs : leursfaibles valeurs garantissent une meilleure compatibilit avec tous lestypes de charge.

v Contraintes denvironnement

Electriques :

- immunit aux parasites de lignes,- immunit aux radios frquences,- immunit aux chocs lectriques,- immunit aux dcharges lectrostatiques.

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AFig. 66 Raccordement 2 fils et 3 fils


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6.10 Les pressostats et vacuostats6.11 Conclusion


Thermiques

Gnralement de -25 +70 jusqu -40 +120C.

Humidit/poussires

Degr de protection de lenveloppe (tanchit) : IP 68 par exemple pourun travail sous huile de coupe dans machines outils.

v Les possibilits/facilits de mise en uvre

- Forme gomtrique (cylindrique ou paralllpipdique),- Botier mtal/plastique,- Noyable/non noyable dans un bti mtallique,- Dispositifs de fixation,- Raccordement, par cble ou connecteur,- Fonctions dauto apprentissage.

6.11 Conclusion

b Et lavenir ?

Les performances des capteurs lectroniques vont encore augmentergrce lvolution de llectronique, tant en ce qui concerne lescaractristiques lectriques des composants que de leurs dimensions.

Ainsi avec le boom des tlcommunications (Internet, tlphonesportables), les frquences de travail de llectronique ont augment, dequelques centaines de MHz aux Ghz. De ce fait, il est par exemplepossible de mesurer plus facilement les vitesses de propagation desondes et ainsi de saffranchir de phnomnes physiques locaux. De plus,les technologies de type Bluetooth ou Wi FI donnent la possibilit deraliser des capteurs sans fils, avec des liaisons radio des frquencesde lordre de 2.4 Ghz.

Un autre intrt de llectronique moderne est dans le traitementnumrique du signal : la baisse du cot des micro-contrleurs permetdajouter des fonctions volues des capteurs simples (auto rglage lenvironnement avec la prise en compte de la prsence dhumidit, defume ou dlments mtalliques proches, capteur intelligent mmede sauto-contrler).

En fait, les capteurs lectroniques, grce cette volution technique,seront mieux adapts aux besoins initiaux et plus facilement adaptableslors des changements de process et tout cela pour un cot quasimentstable. Mais cette dmarche dinnovation ncessite des investissementsimportants que seuls, maintenant, les grands fabricants de capteurs sont mme dengager.

b De limportance des capteurs

Tous les concepteurs et exploitants de systmes automatiques, de lasimple porte de garage la chane de production, savent bien que labonne marche dun automatisme dpend du choix des dtecteurs quiconcourent :

- scuriser les personnes et les biens,- fiabiliser lautomatisme dun processus industriel,- optimiser la conduite des quipements industriels,- contrler les cots dexploitation.

Mais ces dtecteurs ont des exigences quant leur mise en uvre et leurexploitation, exigences inhrentes leurs technologies.

Le tableau de lafigure 67liste les caractristiques compares des

diffrentes technologies.Cette prsentation doit vous permettre de mieux apprhender les limitesdemploi et les rglages ncessaires de tous ces capteurs.

En cas de doute ou de difficult pour le choix du capteur, il pourra trencessaire de consulter les spcialistes des fabricants.

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6


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6.12 Guide de choix des diffrentes technologies6 - Acquisitionde donnes :dtection

6.12 Guide de choix des diffrentes technologies

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Objet dtect

Pices

indformables

Pices mtalliques

Aimants

Toutes pices

Etiquette lectronique,

livres, pices,

paquets

Objets simples

complexes

Distance de dtection

Par contact0 400mm(par levier)

--> 60mm

--> 100mm

--> 300m

--> 60 mm

--> 15m

Quelques mtres

--> 1m

Environnement

Tous types

Sans poussireSans prsencede fluides

Sec

Sans bruit important(ondes de choc)Sans vapeur

Sensible aux mtaux

Ncessite un clairagespcifique

Technologie

Mcanique

Inductive

Magntique

Photolectrique

Capacitive

Ultrasonique

Radio-frquences

Optique

Transfert et mise

en forme

Contactlectromcanique

Statique tout ou rienou analogique

Contact reed

Statiquetout ou rien ouanalogique

Donnes numriques

Algorithme dereconnaissanceDonnes numriques

ou analogiques

Avantages

Intuitif, contact secde forte puissanceContact positif

Robuste, tancheDifficilement perturbable

Dtecte travers tousles mtaux non ferreux

Grande porteDtection de toustypes d'objets

Dtection traverstous les matriaux nonconducteurs

RobusteDtecte les matriauxtransparents et lespoudres

Etiquette lecturecriture, traabilit

Contrle de prsence,de forme, de couleurs

AFig. 67 Guide de choix des capteurs


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