C83 capteurs

8/2/2019 C83 capteurs

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CPGE /Sciences Industriellespour lIngnieur C83 Les capteurs

: C83 capteurs.doc- Page 1 sur 5Cr le 31/03/2012

MS

alette-LyceBrizeux-

Quimpe

LES CAPTEURS

Le domaine industriel a besoin de contrler de trs nombreux paramtres physiques (longueur, force,poids, pression, dplacement, position, vitesse, temprature, luminosit, ). A chacune de cesgrandeurs mesurer peuvent correspondre un ou plusieurs types de capteurs fonctionnant selon unphnomne physique : variation de rsistance, variation dinduction magntique, variation capacitive,de frquence, de flux lumineux

1. DfinitionLes capteurs recueillent une information physique sur le comportement de la partie oprative (P.O) ou sur

ltat de son environnement et la transforment en une information exploitable par la partie commande (P.C).

Acqurir et coderune information

Grandeur physiquesur la P.O ou surlenvironnement

Information codevers la P.C

- Position

- Vitesse- Temprature- Force,

- Signal logique- Signal analogique

- Signal numrique

Energie

Capteur

2. Structure et fonctions principales dun capteurDe faon simple, un capteur peut tre dfini comme un transducteur convertissant une grandeurphysique en un signal lectrique. Cette transformation peut tre directe dans quelques cas simples(exemple : thermocouple). Mais en ralit, la technologie des capteurs fait souvent appel plusieursconversions de phnomne physique avant darriver au signal de sortie.Ainsi, la structure dun capteur rpond de manire gnrale au schma ci-dessous :

grandeurphysique

mesurer (E)

(ex : effort)

Corpsdpreuve

Transducteur Conditionneurde signal

CAPTEUR

grandeur physiqueINTERMDIAIRE(ex : allongement)

grandeur physiqueMESURABLE

(ex : rsistance)

sortie (S)

Alimentationen nergie

CAPTEUR INTGR

ConstitutionLe capteur proprement dit est form du corps dpreuve et du transducteur : Corps dpreuve : Cest llment mcanique ragissant la grandeur physique mesurer.

Exemple : Support mtallique pour une jauge de dformation

Transducteur : Cest llment li au corps dpreuve traduisant la raction reue en unsignal lectrique, une variation de rsistance, de capacit, dinductance.

Exemple : Fil rsistant dispos en zigzag pour une jauge.

Conditionneur : Circuit lectronique traitant la grandeur mesurable pour dlivrer un signal desortie ayant des caractristiques spcifies (V, I, f, ).

Exemple : Pont de Wheatstone suivi dun amplificateur dinstrumentation

La loi obtenue S = f(E) nest pas toujours linaire.


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On intgre de plus en plus le conditionneur dans le mme botier que le capteur : lensemble formealors un capteur intgr. Les fonctions assures par ce conditionneur vont de la simple mise enforme et adaptation du signal, jusquaux traitements labors de correction de grandeurs dinfluence,formant ce quon appelle aujourdhui les capteurs intelligents microprocesseurs.

3. Classification par la nature du signal de sortie

On peut effectuer une premire classification des capteurs par la nature des signaux transmis :

Capteurs logiques

Ils dlivrent une sortie logique de type TOR (tout ourien). Ils sont en gnral appels dtecteurs car ilsservent surtout prlever linformation "prsence" ou"proximit" dun objet.

Capteurs analogiques

Ils dlivrent un signal de sortie sous la forme dunetension ou dun courant variant continment.

Sur les capteurs industriels, les plages de variationcourantes sont 50 mV, 1 V, 5 V, 10 V pour lestensions et 0 - 20 mA, 4 - 20 mA pour les courants. Detels signaux ncessitent un traitement particulier(conversion analogique - numrique) pour treexploitables par les API ou micro-ordinateurs.

Capteurs numriques

Ils dlivrent un signal de sortie sous la forme, soit duntrain dimpulsions dont le nombre ou la frquence estlimage de la grandeur dentre, soit dun codenumriquebinaire.

On trouve parmi les principaux capteurs numriquesindustriels, les capteurs de positions angulairesincrmentaux, les codeurs absolus, les lecteurs decode barres et les lecteurs de pistes magntiques.

4. Principales caractristiques dun capteur

Etendue de mesures : Valeurs extrmes pouvant tre prises par la grandeur mesurer.

Rsolution : Plus petite variation de la grandeur dentre que le capteur peut dceler. Sensibilit : Variation du signal de sortie pour une variation de la grandeur dentre.

Cest donc la drive de la fonction de transfert S = f(E). Prcision : Caractrise laptitude dun capteur donner des indications proches de la valeur

vraie de la grandeur mesure. Elle comprend lerreur de justesse (indication valable)et de fidlit (rptitivit).

Rapidit : Caractrise par le temps de rponse de la grandeur de sortie suite une variationde la grandeur dentre. Lie la bande passante du capteur.

t

E

t

S

Seuil

1

0

t

E

t

S

0

t

E

t

SSeuils

000

001

010011


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5- Capteurs logiques

5-1detecteur de positionOn distingue :

les detecteurs de prsence action mcanique

les detecteurs de proximit.

Dtecteurs de prsence action mcaniqueEncore appels interrupteurs de fin de course, interrupteurs de position, dtecteurs de position ou,improprement, capteurs de fin de course, ce sont des commutateurs commands par le dplacementd'un organe de commande (corps d'preuve). Lorsqu'ils sont actionns, ils ouvrent ou ferment un ouplusieurs circuits lectriques ou pneumatiques. Ce sont des dtecteurs Tout Ou Rien (TOR.exemples:

le capteur se reprsente par:

Detecteurs de proximitUn detecteur de proximit dlivre une information logique de prsence sans contact physique aveclelement detecter.On distingue comme principales technologies:

detecteurs electriques inductifs et capacitifs. detecteurs electriques optoelectriques

detecteurs magntiques

detecteurs pneumatiques

Domaines d'emploi. Les dtecteurs de proximit sont plus adapts que les contacts mcaniques encas :

d'ambiances agressives ou poussireuses (inductifs et capacitif,-,);

de force de manoeuvre insuffisante ou interdite (pices fragiles, peintes de frais, etc.); de frquence de fonctionnement leve;

de vibrations ou chocs; de ncessit d 'une grande dure de vie.

porte: varie de quelques diximes de millimtres, pour les dtecteurs inductifs, plusieurs mtrespour les dtecteurs optolectroniques.

Frquence de commutation. C'est le nombre maximum de commutations par seconde : dequelques hertz plusieurs khertz selon le dtecteur. Le nb maxi de commutation correspond ladure de vie.

Rappel par

ressortgalet

Fig 7


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5-2 Dtecteurs lectriquesDtecteurs inductifs et capacitifs.Leur constituant principal est un oscillateur gnrant un champlectromagntique de haute frquence l'avant de sa face sensible (100 600kHz). L' entre d'une pice dans le champ rayonn entrane un dsquilibre del'oscillateur, qui, aprs amplification, commande l'tage de sortie (thyristor outransistor).

Les dtecteurs inductifs ne ragissent qu'aux pices mtalliques. Les dtecteurscapacitifs sont plus spcialement utiliss pour dtecter des lments nonconducteurs (bois, carton, verre, etc.).

detecteurs inductifs:Dtecteurs photolectriques.Un dtecteur de proximit photolectrique est constitu d'un metteur qui est gnralement unediode lectroluminescente et d'un rcepteur de lumire (gnralement un phototransistor), quipeuvent tre intgrs ou non dans le mme constituant

Procds de dtection. Les dtecteurs

photolectriques peuvent dtecter la prsence deleur cible de deux manires

par blocage du faisceau par l cible passantdans le trajet de la lumire (dispositifbarrage)

par rflexion directe du faisceau vers lercepteur par la cible lorsqu'elle passe

(dispositif reflex ). lfig 9

fig10

Porte nominale Sn.C'est la distance maximale conseille entre l'metteur et le rcepteur, ou le rflecteur. Elle varie de:

2 30 mtres environ pour les dispositifs barrage 0,2 1,5 mtre pour les dispositifs rflexion directe sur la cible.

Les dtecteurs fibres optiques ont des portes beaucoup plus rduites (de 3 250 mm environ).

Porte de travail recommande Sa.Elle doit tre choisie infrieure la porte nominale afin de se garantir une fiabilit de dtection.

Frquence maximale de commutation.Elle est couramment de 15 500 Hz environ.

Dtecteurs magntiques sans contact.L'application la plus courante concerne la dtectiondes fins de courses des vrins (voir TP dedistribution de pellicules photos). Ils sont alors fixs

directement sur le corps d'un vrin spcial pistonmagntique, un dtecteur magntique sans contactest conu pour dtecter la fin de course, ou lepassage, du piston.

Dtecteurs de proximit pneumatiquesIl existe deux moyens de dtecter sans contact la prsence d'un mobile en utilisant l'air comprimcomme support d'information.

capteurs de fin

de course

corps de vrin

amagnetique

piston avec anneau

magntiquer

Fig 14


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Dtecteurs fluidiques. Un jet d'air basse pression s'coule normalement l'air libre partir d'unorifice annulaire dispos sur la face active du dtecteur. Lors qu'une cible se prsente suffisammentprs, le jet est dtourn en partie vers le centre de la face active odbouche un conduit. On y recueille un signal pneumatique de 0,001 0,003 bar qui est augment par un amplificateur de pression.

Il existe galement un dtecteur fluidique de type barrage.

Capteurs numriquesLes capteurs de dplacement digitaux ou codeurs sont des capteursdlivrant, sous forme numrique, un signal de mesure dedplacement linaire ou angulaire.

Plusieurs technologies sont disponibles

les capteurs optiques, les capteurs synchro-machines,

les capteurs contact.

Un capteurs incrmental comporte une piste linaire ou circulaireprsentant de faon rgulire des divisions noires et claires (outransparentes) (0 ou 1) pour des systmes optiques. La sortie numriqued'un tel codeur indique un changement de position relative sous la formed'une srie d'impulsions.

Fig 16

Ce capteur dispose gnralement de deux pistes dcales (dphases)d'un quart de priode, afin de permettre la dtection du sens derotation. La disposition de deux signaux dphass d'un quart de priodepermet de multiplier par quatre la rsolution d'un tel codeur.

Le capteur incrmental de la figure 17 dispose de 32 encoches par tour,

avec les deux fourches photolectriques 1 et 2 il peut discriminer 128positions. En effet, dans le sens 1 par exemple, pour une priode, lacombinaison RI, R2 passe par 1 0, 1 1, 0 1, 00.La rsolution de ce capteur est de 360/128=2,81Un tel capteur permet de mesurer une position, une vitesse, une acclration par un traitementlogique appropri (utilisation dune pulsation base de temps).

R1

R2 de priode

Sens de rotation 1 Sens de rotation 2Fig18

La mesure du dplacement se ramne un comptage des impulsions.La rsolution des codeurs incrmentaux est fonction du nombre de points (ou graduations). Pour lescodeurs angulaires classiques, le nombre de points peut varier selon les modles de 40 5 000 partour..

Les codeurs linaires sont beaucoup moins utiliss. Certains constructeurs proposent des rgles deplusieurs mtres. La rsolution atteint dans certains cas le micromtre (10-6 m) pour les appareilshaut de gamme.

Ca teur R1Ca teur R2

Sens 1

Sens 2

Fig17

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