Cours5 Position Deplacement

CHAPITRE 5

Capteurs de position et de déplacement

Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003

INTRODUCTIONPOTENTIOMETRES RESISTIFSCAPTEURS INDUCTIFSCAPTEURS CAPACITIFSCAPTEURS ULTRASONORECAPTEURS OPTIQUESCAPTEURS DIGITAUX CONCLUSION


PLAN

INTRODUCTION (1)

Mesure de position et déplacement : - machines outils- robotique- …

pour mesurer d’autres grandeurs physiques (corps d’épreuve)

mesurande primaire : ex : force, pression, accélération,…

mesurande secondaire : déplacement ou position


INTRODUCTION (2)

Principes de mesure :

1. Capteurs absolus : le capteur fournit un signal qui est fonction de la position de l’une de ses parties liée à l’objet mobile

ex : potentiomètre résistif, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile, codeurs digitaux absolus, …


INTRODUCTION (3)

2. Capteurs incrémentaux : le capteur délivre une impulsion à chaque déplacement élémentaire. La position et les déplacements sont déterminés par comptage des impulsions émises, ou décomptage selon le sens du déplacement

3. Capteurs de proximité : Ils sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique avec l'objet dont ils mesurent la distance ou le déplacement.


POTENTIOMETRE RESISTIF (1)

Réalisation : - une résistance fixe Rn (fil bobiné ou piste

conductrice)

- un curseur : - assure le contact électrique - est lié mécaniquement à la pièce dont on veut traduire le déplacement- isolé électriquement de cette pièce



Selon la forme géométrique de la résistance fixe et donc du mouvement du curseur, on distingue :

1. le potentiomètre de déplacement rectiligne

2. le potentiomètre de déplacement circulaire


E curseur

V

Dd

V=Rd

RD−dRdE=

RdRDE=

dS

DS

E= dDE

V=ME


Avantages : - simplicité- peu coûteux- angle de mesure 10° à 3600°- la sortie est indépendant R => stablepar rapport à la température

Inconvénients :

- charge mécanique- usure par frottements- influence de la source - influence de l'appareil de mesure. solution : amplificateur suiveur pour garantir la validité de l'utilisation du diviseur de tension


CAPTEURS INDUCTIFS (1)

PrincipeLe déplacement que l'on veut mesurer est imposé à un des éléments d'un circuit magnétique entraînant une variation de flux.

a. Linear Variable Differential Transformer (LVDT)Capteur de déplacement inductif utilisant le principe de variation de flux dus au mouvement du noyau.

Le primaire est attaqué par un signal sinusoïdal. Un signal sinusoïdal est induit dans les 2 bobines du secondaire. Quand le noyau est au milieu du transformateur, on a Vs =0, car les tensions induites dans les deux bobines sont d'amplitudes égales mais de sens opposé.


..primaire secondaire

noyau

VrefVs



Fonction de Transfert du LVDTZ1 impédance dans le primaire

x déplacement du noyauE amplitude de la tension d'excitation

Caractéristiques métrologiques

C'est un capteur linéaire

Étendue de mesure : ± 1 mm à ± 500 mm, ± 45°

Erreur de linéarité : 0.05 % à 1% de l'E.M

Précision : 0.05 % à 1% de l'E.M

RVDT

Même principe que le LVDT sauf que c'est un capteur rotatif

V m=−2 ja E

Z 1

x

A : 1 coefficient de mutuelle induction



b. Circuit magnétique à entrefer variable Principe : mesure du coefficient d'autoinduction dans

un circuit magnétique. Lorsque le noyau bobiné se déplace à

proximité d'un matériau ferromagnétique, le champ magnétique engendré varie, modifiant ainsi le coefficient d'auto induction dans la bobine.

Fonction de Transfert typique

noyau

Objet ferromagnétique

Inductancemètre

x

Distance x

100%

Gra

ndeu

r de

sorti

e

2 12 cm

Avantages- mesure sans contact- simple

Inconvénients- non linéaire, sauf en petite variation- mesure de déplacement d'objetsferromagnétiques

CAPTEURS CAPACITIFS (1)


Principe : Il s'agit de condensateurs plans ou de condensateurs

cylindriques dont l'une des armatures subie le déplacement => variation de la capacité

Plan : Cylindrique : C=

r 0 Se

C=2r 0 l

lnr2

r1

L

CAPTEURS CAPACITIFS (2)


Gauging capacitive sensor :Mesure de déplacement et de position sans contact. L'objet dont le déplacement est à étudier forme une des armatures du condensateur

Applications- usure des freins en F1

Caractéristiques métrologiques- E.M = jusqu'à 5 cm - linéarité correcte

CAPTEURS ULTRASONORES (1)


Principe :Émission et réception d'une onde acoustique.La distance entre l'émetteur et l'obstacle est donnée par le temps de vol de l'onde acoustique.

Circuit de contrôle Objet

drécepteur

émetteur

d=T v cos

2Circuit de contrôle Objet

drécepteur

émetteur


drécepteur

émetteur


drécepteur

émetteur

v : vitesse de l'onde dans le milieu T : temps entre l'émission et la réception de l'onde

Avantages- ne dépend pas du matériau en déplacement

Inconvénients- E.M à partir du cm

- E.M jusqu'à une dizaine de m - dépend de l'angle de réflexion

CAPTEURS ULTRASONORES (2)


Émetteur-recepteur Obstacle

Horloge

Comptage des impulsions d'horloge écoulé N=7

La mesure dépend de :- l'amplitude de l'écho- de l'angle d'incidence du faisceau sur l'objet

La précision de la mesure dépend de :- l'horloge utilisé pour le comptage- la capacité du système électronique à détecter l'écho

La précision peut être meilleure que 0.1 mm

1 2

CAPTEURS OPTIQUES (1)


PrincipeÉmission et réception d'un faisceau optique et mesure de distance suivant un principe de triangulation optique

Led

Position sensitive detector

Ia

Ib

Lentilles

La lumière réfléchie est focalisée sur la surface du capteur PSD. Le capteur délivre alors un courant Ia et Ib proportionnel à la distance x du point d'impact du faisceau au milieu du capteur.

x

Lo

Lb

f

L0 = fLbx

CAPTEURS OPTIQUES (2)


Application

Positionnement de bras de robot Mesure d'épaisseur

Caractéristiques métrologiques- Étendue de mesure : jusqu'à 50 cm- résolution : jusqu'à 0.01 um

Avantages- dépend de la réflectivité du matériau ciblé.

Inconvénients- très bonne résolution

CAPTEURS DIGITAUX (1)


a. Codeurs absolusCapteur fournissant une sortie numérique (sous forme de mot binaire ou d'impulsions d'horloge)

PrincipeUne règle ou un disque est divisée en N bandes chacune contenant l'information binaire sur la position

Résolution du capteurLinéaire : L /N où L longueur de la règleAngulaire : 360° / N

Matérialisation des états binaires- surface magnétique ou ferromagnétique- surface opaque ou translucide



b. Codeurs optiques absolusPrincipe

Émission et réception de faisceaux lumineux traversant un disque ou une règle qui contient le code binaire correspondant à la position

Une diode électroluminescente et un récepteur pour chaque piste et le rôle du disque est d'agir comme un interrupteur de faisceau.

Avantages- mesure absolue ( pas besoin de référence)- mise en œuvre aisé avec un PC

inconvénients- coûteux- nécessite la mise en place sur l'élément mobile



c. Codeurs incrémentauxPrincipe : Délivre une impulsion pour chaque déplacement

élémentaire

+ Faisceau de lumière

=

Information de direction- 2 voies en quadrature de phase permet de connaître la direction de déplacement.



www.stegmann.com

Plus commun que le codeur absolu, car plus simple et moins coûteux.

Avantages- simple- peu coûteux- interfaçage PC simple

Inconvénients- nécessite un comptage- besoin de référence pour une mesure absolue

CONCLUSION


Mode de transductionRésistif

Inductif

Capacitif

TypePotentiomètre résistif

Inductance variableTransformateur différentiel

Surface variableÉcartement variable

Avec contact

Capteur ultrasonoreCapteur optique

Émission/reception Sans contact

Gauging capacitive sensor

Cours5 Position Deplacement

Documents

Transcript of Cours5 Position Deplacement