Cours Capteurs

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Les capteurs- Page 1 sur 16 Date : GENIE AUTOMATIQUE Classe : MEI CSI 1 ere PARTIE : GENERALITES 1) Rle d’un capteur : DEFINITION : Le CAPTEUR est le composant qui permet d’informer la partie commande d’un tat de la partie oprative ou du milieu extrieur. Il prlve une information sur la grandeur physique de la partie oprative et la convertit en une information exploitable par la partie commande 2) Analyse fonctionnelle de niveau A-0 : 3) La chane d’acquisition : les capteurs en sont les constituants principaux. CHAINE D’ACQUISITION Matire d’œuvre tat entrant Energie ACQUERIR ET CODER W Capteurs Phnomne physique Image informationnelle vers la partie commande Variation d’une grandeur Changement d’tat Ce compte-rendu est support en gnral par un signal lectrique trs basse tension Configuration Rglage Exploitation Partie commande TRAITER LES INFORMATIONS Practionneurs DISTRIBUER L’ENERGIE Actionneurs CONVERTIR L’ENERGIE EN ACTION Capteurs ACQUERIR ET CODER LES INFORMATIONS Matire d’œuvre tat sortant Effecteurs TRAITER LE PRODUIT

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Date :

GENIE AUTOMATIQUE Classe : MEI CSI

1ere PARTIE : GENERALITES

1) R�le d’un capteur : DEFINITION : Le CAPTEUR est le composant qui permet d’informer la partie commande d’un �tat de la partie op�rative ou du milieu ext�rieur.Il pr�l�ve une information sur la grandeur physique de la partie op�rative et la convertit en une information exploitable par la partie commande

2) Analyse fonctionnelle de niveau A-0 :

3) La cha�ne d’acquisition : les capteurs en sont les constituants principaux.

CHAINE D’ACQUISITION

Mati�re d’œuvre�tat entrantEnergie

ACQUERIRET

CODER

W

Capteurs

Ph�nom�ne physiqueImage informationnelle vers la partie commande

Variation d’une grandeur Changement d’�tat

Ce compte-rendu est support� en g�n�ral par un signal �lectrique tr�s basse tension

Configuration R�glage Exploitation

Partie commande

TRAITERLES

INFORMATIONS

Pr�actionneurs

DISTRIBUERL’ENERGIE

Actionneurs

CONVERTIRL’ENERGIE

ENACTION

Capteurs

ACQUERIR ETCODER LES

INFORMATIONSMati�re d’œuvre

�tat sortant

Effecteurs

TRAITERLE

PRODUIT

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4) Les caract�ristiques de forme du signal : (on distingue 3 signaux )

Conditionnement de cosses :le convoyeur alimente les bacs en cosses.Le capteur est utilis� pour conna�tre le nombre de pi�ces tombant dans chaque bac.

Pont roulant automatis� : le chariot du pont roulant est entra�n� par un moteur �lectrique.Le capteur est utilis� pour conna�tre la position du chariot � chaque instant sur le profil� en I .Un des galets de roulement est li� � un potentiom�tre multi-tours.

Le capteur est utilis� pour d�tecter l’absence ou la pr�sence du mobile.

Signal analogique : variant contin�ment

Signal num�rique : pouvant �tre repr�sent�e par un nombre entier.

Signal logique : vrai ou faux ( 0 ou 1 )

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Nous �tudierons les capteurs logiques appel�s TOUT ou RIEN. Ce sont les plus utilis�s.

5) Acquisition des donn�es : L’acquisition des donn�es n�cessite un interfa�age d’entr�e pour permettre le dialogue entre la partie op�rative et la partie commande. Sur un A.P.I., cette fonction est concr�tis�e par des cartes ou modules d’entr�e qui peuvent �tre logiques (T.O.R.) ou analogiques.Sur une entr�e TOUT OU RIEN deux �tats binaires peuvent �tre lus :

Absence de tension >> �tat 0 Pr�sence de tension >> �tat 1

6) Transmission des informations entre la partie op�rative et la partie commande :

1

0

24V

0V

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Les principaux capteurs ou d�tecteurs TOUT ou RIENDans les syst�mes automatis�s, il existe donc une grande vari�t� d’informations � d�tecter : pr�sence, position, temp�rature, mouvement de fluide, couleur, pression...La d�tection de position et la d�tection de pr�sence repr�sentent l’essentiel des acquisitions de donn�es � r�aliser.

2i�me PARTIE : Les d�tecteurs T.O.R de position � contact (rappels)1) Les d�tecteurs �lectro-m�caniques

2) Les d�tecteurs pneumatiques

3i�me PARTIE : Les d�tecteurs T.O.R sans contact physique 1) Les interrupteurs � lame souple

2) Les d�tecteurs de proximit� inductifs et capacitifs

TRAVAUX DIRIGES – TRAVAUX PRATIQUES

4i�me PARTIE : Les d�tecteurs photo-�lectriquesa. Le montage de type � barrage �

b. Le montage de type � reflex �

Reflex

Reflex polaris�

c. Le montage de type � proximit� �

R�flexion directe

R�flexion directe focalis�e

Suppression d’arri�re plan

d. Application particuli�re : Capteur � fibres optiques

5i�me PARTIE : Applications particuli�res1) Capteur � ultrasons

2) D�tecteurs de pression, d�pression

TRAVAUX DIRIGES – TRAVAUX PRATIQUES

REMARQUE (nous rencontrerons souvent le mot d�tecteur ) :D�finition d’un d�tecteur : c’est un constituant d’interface entre l’environnement d’un syst�me automatis� et sa partie commande. Un d�tecteur d�livre un signal TOUT OU RIEN : image du niveau de la grandeur physique � surveiller.

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2i�me PARTIE : Les d�tecteurs T.O.R de position � contact (rappels)1) Les d�tecteurs �lectro-m�caniques

Ils sont appel�s : D�tecteur de position Interrupteur de position Interrupteur de fin de course

Ces d�tecteurs peuvent �tre � sortie �lectrique ou pneumatique.

Diff�rentes t�tes de commande

Sch�matisation du d�tecteur �lectrique

2) Les d�tecteurs pneumatiques

Plusieurs t�tes de commande permettent de s’adapter au mobile � d�tecter.

Pour les d�tecteurs � sortie �lectrique, la t�te de commande provoque le basculement d’un contact �lectrique qui d�livre le signal de sortie.

Pour les d�tecteurs � sortie pneumatique, la commande ouvre un clapet et cr�e le signal de sortie.La repr�sentation d’un capteur TOR est celle d’un distributeur 3/2 monostable.

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3i�me PARTIE : Les d�tecteurs T.O.R sans contact physique 3) Les interrupteurs � lame souple

Caract�ristiques : - Montage tr�s simple sur les v�rins pr�vus � cet effet ;

- C�blage identique � un contact �lectrique.

2) Les d�tecteurs de proximit� inductifs et capacitifs

ILS = interrupteur � lame souple ou d�tecteurs de proximit� magn�tiques.Dans une ampoule de gaz neutre, deux lames m�talliques se touchent quand elles sont soumises � un champ magn�tique.Ils sont surtout utilis�s pour d�tecter la position d’un v�rin dont le piston comporte un aimant permanent.

inductif capacitif

donc conducteur � l’�tat solide.

ou conducteurs, solide, liquide, poudre.

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Fonctionnement :

Caract�ristiques : - grande dur�e de vie ( pas de pi�ce mobile ) ;

1. pas d’effort de commande ;

2. supporte bien les ambiances humides et poussi�reuses.

Pour raccorder :

Attention : ces d�tecteurs peuvent �tre de types diff�rents : PNP ou NPN (polarit�s diff�rentes).Les automates programmables n’admettent qu’un seul type.Consulter la documentation de l’automate.

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TRAVAUX DIRIGES 1

1) Sur une machine de conditionnement de yaourt, les d�tecteurs surveillent si les plateaux sont complets et la pr�sence des couvercles en feuilles d’aluminium. La distance de d�tection = 10 mmA l’aide des catalogues constructeurs, proposer un d�tecteur, son symbole et sa r�f�rence. Justifier votre r�ponse.

2 ) Sur une citerne, les d�tecteurs 1 contr�lent le niveau du liquide au travers d’un tube plastique. La distance de d�tection est de 3 mm.Les d�tecteurs 2 indiquent la position des vannes automatiques (came m�tallique) ou manuelles (boule du levier en laiton).La distance de d�tection est de 15 mm.A l’aide des catalogues constructeurs, proposer des d�tecteurs, leur symbole et leur r�f�rence. Justifier votre r�ponse.

Cas 1 :

Cas 2 :- Automatique

- manuel

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4i�me PARTIE : Les d�tecteurs photo-�lectriques

Les d�tecteurs photo-�lectriques permettent la d�tection d’objets de toutes natures, opaques, transparents, r�fl�chissants.

Principe de fonctionnement :

Un d�tecteur photo-�lectrique r�alise la d�tection d’une cible au moyen d’un faisceau lumineux. La d�tection est effective quand la cible p�n�tre dans le faisceau lumineux et modifie suffisamment la quantit� de lumi�re re�ue par le r�cepteur pour provoquer un changement d’�tat de sa sortie.

2 proc�d�s :

blocage du faisceau par la cible : pas de lumi�re sur le r�cepteur = d�tection

2 syst�mes de base fonctionnent selon ce principe d’absorption de la lumi�re par la cible : barrage et reflex.

Renvoi du faisceau par la cible : lumi�re sur le r�cepteur = d�tection

1 syst�me de base fonctionne selon ce principe de renvoi de la lumi�re par la cible : proximit� .

Ses deux constituants de base sont :

un �metteur de lumi�re � diode �lectroluminescente

un r�cepteur de lumi�re � phototransistor ( c’est � dire un transistor qui commute sous l’effet d’une pr�sence lumineuse ).

Selon les mod�les de d�tecteurs, l’�mission se fait en infrarouge (invisible) ou en lumi�re verte ou rouge.

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Un d�tecteur photo-�lectrique est caract�ris� par :- Sa port�e nominale qui d�finit la zone de d�tection.- Sa tension d’alimentation, alternatif ou continu.- Le type de commutation : le capteur est � commutation claire lorsque la sortie est

activ�e si le faisceau arrive sur le r�cepteur ; elle est � commutation sombre dans le cas contraire.

- Sa technique de raccordement (2 ou 3 fils, PNP ou NPN).

a) Le montage de type � barrage �

L’�metteur et le r�cepteur sont situ�s dans deux bo�tiers s�par�s et plac�s l’un en face de l’autre.BLOCAGE DU FAISCEAULorsque la cible � d�tecter coupe le faisceau, le r�cepteur ne re�oitplus de lumi�re, il commute et envoie le compte-rendu � la partie commande.C’est le syst�me qui autorise les plus longues port�es (Sn), jusqu’� 30 m pour certains mod�les.

Contr�le d’alignement entre �metteur et r�cepteur :

Le faisceau lumineux n’arrive pas sur le r�cepteur.

De la lumi�re arrive sur le r�cepteur, mais le niveau est insuffisant pour faire commuter la sortie.

Le niveau du signal lumineux est suffisant pour faire commuter la sortie, mais le fonctionnement est instable.

L’alignement est correct : fonctionnement normal.

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b) Le montage de type � reflex �

Reflex

L’�metteur et le r�cepteur sont ins�r�s au sein d’un m�me bo�tier ; c’est un miroir r�flecteur qui permet de renvoyer le faisceau lumineux.BLOCAGE DU FAISCEAU :Lorsque la cible coupe le faisceau de l’�metteur, l’�lectronique du r�cepteur ne re�oit plus de lumi�re et commute. La port�e est plus faible que le syst�me barrage (10 m).Le r�flecteur :Il doit �tre plus petit que l’objet � d�tecter. Le r�flecteur doit �tre mont� dans un plan perpendiculaire � l’axe optique de l’ensemble �metteur r�cepteur.

Reflex polaris�

Les objets brillants ou r�fl�chissants ne peuvent pas �tre d�tect�s par un syst�me reflex normal. On utilise alors un syst�me reflex polaris�. Ce type de d�tecteur �met une lumi�re rouge visible et est �quip� de filtres polarisants : Un filtre sur l’�metteur qui ne laisse passer que les rayons �mis dans le plan

vertical, Un filtre sur le r�cepteur qui ne laisse passer que les rayons �mis dans le plan

horizontal, Le r�flecteur quand � lui, est con�u pour r�fl�chir les rayons re�us apr�s les avoir

d�polaris�s.Absence de cible Pr�sence de cible

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c) Le montage de type � proximit� �

R�flexion directe

L’�metteur et le r�cepteur sont ins�r�s au sein d’un m�me bo�tier ; c’est l’objet � d�tecter lui-m�me qui permet de r�fl�chir le faisceau lumineux.Ce montage est donc r�serv� � la d�tection d’objets ayant un pouvoir r�fl�chissant important.

Sa port�e d�pend de : la couleur, du pouvoir r�fl�chissant et des dimensions de la cible. ( utilisation d�conseill�e en environnement pollu� )

Suppression d’arri�re plan

Ces d�tecteurs sont �quip�s d’un potentiom�tre de r�glage de port�e qui permet de se focaliser sur une zone de d�tection.

Ils peuvent donc pratiquement d�tecter � la m�me distance des objets de couleurs et de r�flectivit�s diff�rentes.

Son utilisation en environnement pollu� est possible.

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d) Application particuli�re :

Le capteur � fibres optiques

le capteur � fibres optiques fonctionne sur le m�me principe que la cellule photo-�lectrique, mais le faisceau lumineux est v�hicul� par un c�ble optique qui peut �tre compos� de plusieurs fibres.

Ils peuvent �tre utilis�s en syst�me barrage ou en syst�me proximit�.

La port�e peut aller jusqu’� 300 mm en barrage et jusqu’� 20 mm en proximit�.

Ces d�tecteurs sont utilis�s pour la d�tection de pi�ces de tr�s faibles dimensions et lorsque la place disponible est insuffisante.

5i�me PARTIE : Applications particuli�res1) Capteur � ultrasons

Les ultrasons sont �mis � une fr�quence proche de 1 m�gahertz. Cette fr�quence n’est pas audible. Ce faisceau ultrasonore est dirig� vers l’objet � d�tecter. Suivant la distance entre l’�metteur et l’objet, l’�cho qui revient vers le r�cepteur est plus ou moins fort.

Quand le seuil pr�r�gl� est atteint, le capteur ouvre ou ferme un circuit �lectrique. Ce syst�me est utilis� pour commander l’ouverture des portes de magasins, ou encore pour surveiller des zones dangereuses ou interdites.

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3) D�tecteurs de pression, d�pression

Le d�tecteur qui r�agit � une pression sup�rieur � la pression atmosph�rique est appel� pressostat

Dans une version simplifi�e, il est aussi appel� manocontact ou contact �lectrique � pression.

Utilisation : dans un syst�me �lectropneumatique, il est souvent n�cessaire de v�rifier la pr�sence de l’�nergie pneumatique pour autoriser la mise en marche.

Le d�tecteur qui r�agit � une pression inf�rieure � la pression atmosph�rique est appel� vacuostat

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TRAVAUX DIRIGES 2

RACCORDEMENT ENTRE LA PARTIE OPERATIVE ET LA PARTIE COMMANDE :

L’automate programmable est �quip� d’une carte des entr�es destin�e � recevoir : Les informations de compte-rendu en provenance des capteurs. Les informations de consigne en provenance du pupitre.Le principe de raccordement consiste � envoyer un signal �lectrique vers l’entr�e choisie sur l’automate d�s que l’information est pr�sente.

Suivant les caract�ristiques de l’A.P.I, les capteurs peuvent �tre de technologie P.N.P (Positif-N�gatif-Positif) ou N.P.N (N�gatif-Positif-N�gatif)..

1) Le raccordement des constituants de type � contact :

La figure sch�matise le raccordement � une entr�e d’automate d’un contact �lectrique type E.C. (�tablissement de circuit).

Les capteurs � contact sont mont�s en s�rie avec la charge � commander (l’entr�e automate).

Ils sont en g�n�ral aliment�s par la source de tension 24V disponible en fa�ade de l’A.P.I.

D�s que l’information � acqu�rir est pr�sente, le contact �lectrique se ferme (continuit� du circuit �lectrique)et le courant circule sur l’entr�e reli�e au contact.

Fil de transmission de l’information

Fil d’alimentation du contact

Contact � E.C.

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TRAVAUX DIRIGES 3

2) Le raccordement des constituants �lectroniques de type 2 fils :

Ces capteurs sont mont�s en s�rie avec la charge � commander (l’entr�e automate).Ils sont en g�n�ral aliment�s par la source de tension 24V disponible en fa�ade de l’A.P.I.D�s que l’information � acqu�rir est pr�sente, le circuit se ferme par une commutation �lectronique interne au capteur et le courant circule sur l’entr�e de l’automate reli�e au capteur.

3) Le raccordement des constituants �lectroniques de type 3 fils :

Sur ce type de capteur, on distingue 2 circuits : L’alimentation en g�n�ral fournie par l’A.P.I.(2 fils). La transmission du signal r�alis�e par le 3�me fil.Le capteur �tant aliment�, d�s que l’information � acqu�rir est pr�sente, un signal �lectrique est transmis vers l’entr�e automate par le 3�me fil (commutation �lectronique).

Fil de transmission de l’information

Fil d’alimentation du capteur

Capteur �lectronique

2 fils

Capteur �lectronique

3 fils

Fil de transmission de l’information

Fils d’alimentation du capteur