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3.2 Constituants d’un système

3.2.3 Acquisition et codage de l’information

- Société & développement durable

- Technologie

- Communication

Dans les systèmes techniques, de nombreuses grandeurs physiques (température, pression, intensité lumineuse, position, déplacement,...) sont à mesurer et à prendre. Il a fallu développer des organes techniques permettant l’acquisition de ces grandeurs physiques, la transformation et la transmission d’informations exploitables Aux unités de traitement. Cet organe technique qui est à l’origine de cette chaîne d’acquisition est défini par un terme générique : CAPTEUR.

2.1 Définition

Un capteur est un constituant ou un organe capable d’acquérir une grandeur physique à mesurer, et de la transformer en une grandeur exploitable par une unité de traitement. Le signal de sortie d’un capteur est très souvent électrique (Courant ou tension).

Le capteur est caractérisé par sa fonction : s = f(m) où s est la grandeur de sortie ou la réponse du

capteur et m la grandeur physique à mesurer (Mesurande).

1 Introduction

2 Le capteur

Mesure de la vitesse du vent, du taux de CO2, de

l’ensoleillement

Détection de la présence d’obstacles

Détection de la présence d’une personne

Détection de différents états de la machine

Process CAPTEUR

Système de contrôle /

Commande

Grandeur A mesurer

(m)

Pression T°

Niveau Présence

déplacement Etc…

Signal de sortie (S)

Courant Tension

Etc…

TOR

Analogique

Numérique

Anémomètre

Capteur de gaz

Capteur solaire Capteur de présence

Capteur à ultrasons

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3.2 Constituants d’un système

3.2.3 Acquisition et codage de l’information

2.2 Situation des capteurs dans un système

Les capteurs font partie de la chaîne d’information d’un système. Une chaîne d’information est une association structurée de composants qui à partir d’une information source permet, de l’acquérir (capteur), de la traiter (par programme) et de restituer une information ou une consigne qui peut être utilisable directement par l’utilisateur ou qui permet d’actionner une chaîne d’énergie. Toute chaîne d’information est composée des groupes fonctionnels : - Acquérir l’information - Traiter l’information - Communiquer l’information

Le but recherché en utilisant un capteur est de détecter ou mesurer, convertir une grandeur pour la rendre exploitable et transmettre des comptes-rendus vers le constituant de traitement ce qui permet ensuite d’informer l’utilisateur ou déclencher une action. La grandeur physique à mesurer peut être très variée : déplacement, température, pression, vitesse, position, couleur, radioactivité, dimension,… Exemple : PORTAIL AUTOMATIQUE (voir schéma plus bas) Les cellules photoélectriques (B) permettent de détecter une présence (véhicule, personne, animal, objet,…) dans la zone de déplacement du portail. Pendant la phase de fermeture, si une présence est détectée, l’ordre d’inversion du sens de rotation du moteur est donné par l’armoire de commande (A) afin de provoquer l’entraînement du portail en sens inverse et éviter ainsi tout accident ou détérioration du matériel. La représentation schématique suivante met en évidence les constituants de la chaîne d’information (et d’énergie) permettant d’assurer cette fonction liée à la sécurité anti-coincement.

© Pairform@nce

Chaîne d’information

Etats du système

Comptes-rendus

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3.2.3 Acquisition et codage de l’information

L’information source (position obstacle) est détectée par les cellules photo. Cette information est convertie en signal électrique et transmise à l’unité de traitement. En fonction de son programme interne, l’unité de traitement décide alors d’envoyer une consigne de rotation en sens AR au contacteur par l’intermédiaire de l’interface de communication ainsi que la signalisation de la mise en mouvement par allumage du flash.

3.1 Classification en fonction du signal délivré

L’information transmise par un capteur peut être :

3 Classification des capteurs

ACQUERIR Cellules photo

(B)

TRAITER Unité de traitement

(dans A)

COMMUNIQUER Interface de com

(dans A), gyrophare

ALIMENTER Tableau de distribution

DISTRIBUER Contacteur

(dans A)

CONVERTIR Moteur

électrique

TRANSMETTRE Réducteur +

Pignon crémaillère

OUVRIR le

PORTAIL

Position de

l’obstacle

Chaîne d’information

Consigne de rotation sens AR

Allumage gyrophare

(C)

Chaîne d’énergie

W

TOR (logique)

Analogique

Numérique

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3.2.3 Acquisition et codage de l’information

3.1.1 Capteur TOR

Un capteur TOR (Tout Ou Rien) est un capteur dont la sortie ne peut prendre que deux états généralement représenté par 0 et 1.

- Ce sont les capteurs les plus répandus en automatisation (interrupteurs de position, détecteurs de proximité...) Les capteurs TOR ne délivrant que deux états 0 et 1 sont généralement appelés des DETECTEURS.

Détecteur de présence Détecteur magnétique monté sur un

vérin

Détecteur inductifs, capacitifs, photoélectriques, à galet, à tige

souple,…

3.1.2 Capteur ANALOGIQUE

Signal ANALOGIQUE : Signal qui évolue dans le temps de façon continue.

Un capteur analogique délivre une information (électrique, visuelle,…) qui évolue de façon continue entre deux bornes.

Domaine d’utilisation des capteurs TOR :

Détection de la présence, d’un passage

Détection d’un seuil de T° (Thermostat), d’un seuil de pression (Pressostat),…

T° en degrés 150

T° en degrés

0

Allure de la température

Sonde de températur

e

20 Intensité en mA

0

Allure du signal délivré par la sonde

20

150

20

Temps

Mesure de la T° Signal 0-20mA

Sonde de T°

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3.2.3 Acquisition et codage de l’information

Potentiomètre Manomètre analogique Capteur de pesage

3.1.3 Capteur NUMERIQUE

Signal NUMERIQUE : Signal composé d’un nombre fini de valeurs numériques.

Les informations délivrées par le capteur numérique peuvent être sous la forme d’un code binaire (avec un nombre de bits définis), d’un train d’impulsions (avec un nombre précis d'impulsions ou avec une fréquence précise).

3.1.3.1 Echantillonnage

Un signal numérisé est un signal analogique qui a été échantillonné. Cela signifie que l’on a à intervalles réguliers lu la valeur du signal. Le nombre d’évènements lus par secondes correspond à la fréquence d’échantillonnage. Cette fréquence doit être suffisamment grande si l’on veut préserver la forme originale du signal.

Le théorème de Nyquist-Shannon dit que la fréquence d’échantillonnage doit être égale ou supérieure à 2 fois la fréquence maximale contenue dans le signal.

La qualité du signal numérique dépend également directement du nombre de bits utilisés pour coder le signal

source. Le nombre de valeurs différentes pouvant être discrétisées est égal à 2n (n = nb de bits utilisés).

Domaines d’utilisation des capteurs ANALOGIQUES :

Mesure de grandeurs physiques (T°, Pression, Niveau, Tension, Force, Luminosité, Couleur,…)

Mise en forme

Elément sensible

Signal Numérique

(S)

Grandeur physique

(m)

CAPTEUR NUMERIQUE

001

010

011

100

101

110

111

000

0010

0100

0110

1000

1010

1100

1110

0000

0001

0011

0101

0111

1001

1011

1101

1111

Valeurs numériques

T T

Valeurs numériques

Signal analogique

Signal numérisé Signal numérisé

Signal analogique

Codage sur 3 bits soit 23 = 8 valeurs possibles Codage sur 4 bits soit 2

4 = 16 valeurs possibles

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3.2.3 Acquisition et codage de l’information

Ex : Echantillonnage de la musique

Notre oreille perçoit les sons jusqu’environ 20 000 Hz. La fréquence d’échantillonnage doit être au moins de l’ordre de 40 000 Hz. Dans le cas d’un CD audio cette fréquence est d’environ 44 000 Hz.

Le signal est codé sur 16 bits soit 216

= 65536 valeurs différentes pour chaque échantillon.

Entre deux échantillons, le signal a été « gommé ». C’est la raison pour laquelle les mélomanes préfèrent écouter la musique à partir d’un disque vinyle plutôt qu’un CD.

3.1.3.2 Transmission du signal

Les capteurs numériques vont être capables de transmettre des valeurs déterminant des positions, des pressions, des températures, etc… Les informations qui sont des combinaisons de signaux 0-1, sont transmises à l’unité de traitement et peuvent être lues soit en parallèle, soit en série.

Codeur incrémental Codeur absolu Manomètre numérique

(résolution=0.1bar)

3.2 Classification en fonction du mode de détection

Les capteurs sont également classés suivant qu’ils agissent AVEC CONTACT ou SANS CONTACT pour prélever l’information source.

Domaines d’utilisation des capteurs NUMERIQUES :

Détection en continu d’une grandeur (T°, Pression, Niveau, Tension, Force, Luminosité, Couleur,…)

Traitement numérique de l’information.

Transmission parallèle

Transmission série

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3.2 Constituants d’un système

3.2.3 Acquisition et codage de l’information

3.2.1 Détection par CONTACT d’une position

Phénomène à détecter CAPTEUR Grandeur de sortie Caractéristiques

- L'objet à détecter entre en contact avec le dispositif d'attaque - Le mouvement engendré provoque le basculement du contact électrique

- Signal de sortie électrique de type TOR

- Indice de protection du corps - Dispositif d'attaque de la tête - Type de contact "O.F."

Commande directe

Commande par levier

Commande par poussoir

Commande par galet

Commande par levier à galet

Commande par levier à rouleau

Commande par tige souple De nombreuses versions

existent, elles sont fonction des problèmes posés par

leur utilisation (encombrement, nature des mouvements à prendre en

compte,…), ainsi que de leur exploitation (sévérité de

l’environnement, atmosphère corrosive ou explosive…)

Principe de fonctionnement Les interrupteurs de position sont constitués de trois éléments de base :

- un contact électrique (1) - un corps (2) - une tête de commande avec son

dispositif d’attaque (3)

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3.2.3 Acquisition et codage de l’information

3.2.2 Détection SANS CONTACT de la présence d’un objet

Avantages :

- Pas de contact avec l’objet à détecter - Pas d’usure - Possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints,… - Détecteur statiques (pas de pièces en mouvement) - Durée de vie indépendante du nombre de manœuvres - Très bonne tenue à l’environnement industriel

Un détecteur est constitué principalement de 3 parties : un corps d’épreuve, un élément de transduction et d’un boitier. Selon les cas, il peut être complété par un module électronique de conditionnement.

- Le corps d’épreuve (tête ou dispositif de commande) est élément qui réagit sélectivement à la grandeur qu’il faut mesurer. Il transforme la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable, cette grandeur constitue la réaction du corps d’épreuve. - L’élément de transduction est une partie sensible lié au corps d’épreuve. Il traduit les réactions du corps d’épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie. - Le boîtier (ou corps) est un élément mécanique de protection, de maintien et de fixation du capteur. - Le module électronique de conditionnement encore appelé "transmetteur" permet d’alimenter électriquement le capteur (le cas échéant), de mettre en forme et d’amplifier le signal de sortie, de filtrer, corriger et mettre à niveau le signal pour la transmission.

4 Constitution d’un capteur

CORPS D’EPREUVE

TRANSDUCTEUR Module

Electronique de Conditionnement

Boîtier

Selon les cas

Grandeur Physique à mesurer

Signal de sortie

Signal de mesure transmissible

Grandeur mesurable

Ce symbole signifie que la détection se fait SANS CONTACT.

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3.2.3 Acquisition et codage de l’information

Les détecteurs électriques TOR sont schématisés par le contact électrique équivalent à leur sortie auquel on ajoute un symbole représentant la technologie du détecteur.

Représentation Contact à fermeture

F ou NO (Normalement Ouvert) Contact à ouverture

O ou NF (Normalement Fermé)

HORIZONTALE

VERTICALE

Important : Sur un schéma, les contacts sont toujours représentés dans leur état REPOS.

Convention

CONTACT ETAT Etat PHYSIQUE Etat ELECTRIQUE

NO Repos 0 0

Travail 1 1

NF Repos 0 1

Travail 1 0

Quelques exemples de commande de contact électriques

Le schéma d’un détecteur de proximité se décompose de la façon suivante :

5 Schématisation

Bouton poussoir

Coup de poing

Contact d’horloge

Pressostat Thermostat Contact à clé

Détecteur de proximité

Détection de proximité

Principe de la détection

Contact équivalent

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3.2.3 Acquisition et codage de l’information

Détecteur inductif

Détecteur capacitif

Détecteur magnétique

Détecteur photoélectrique

Un capteur peut être caractérisé selon de nombreux critères dont les plus courants sont les suivants :

- la grandeur physique observée, - son temps de réponse, - son étendue ou plage de mesure : variation possible de la grandeur à mesurer définie par une

valeur minimale (portée minimale) et une valeur maximale (portée maximale). - sa sensibilité : paramètre qui exprime la variation du signal de sortie en fonction de la variation

du signal d'entrée. - sa précision : le capteur est d'autant plus exact que les résultats de mesure qu'il indique

coïncident avec la valeur vraie (par définition théorique) que l'on cherche à mesurer. - sa fidélité : c’est tenter d’obtenir toujours les mêmes résultats, pour les mêmes détections, - sa linéarité : surtout en analogique, les valeurs de sortie sont toujours proportionnelles aux

valeurs d’entrée dans toute l’étendue de la mesure. - sa bande passante : intervalle de fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est

supérieure à un minimum. Elle est généralement confondue avec la largeur de bande passante qui mesure cet intervalle.

- sa résolution : plus petite variation de la grandeur mesurée qui produit une variation perceptible par le capteur.

- son hystérésis : retard de l'effet sur la cause, la propriété d'un système qui tend à demeurer dans un certain état quand la cause extérieure qui a produit le changement d'état a cessé,

- sa gamme de température d'utilisation.

6 Caractéristiques d’un capteur

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3.2 Constituants d’un système

3.2.3 Acquisition et codage de l’information

7 SYNTHESE

Les CAPTEURS sont des constituants que l’on retrouve dans la Chaîne d’information des systèmes techniques. La fonction d’un capteur est de convertir une grandeur physique (T°, Déplacement, Position…) en une grandeur utilisable par ’unité de traitement ou à destination de l’opérateur.

TOR (logique)

Analogique

Numérique

Le signal délivré par un capteur peut être

CORPS

D’EPREUVE TRANSDUCTEUR Module

Electronique de Conditionnement

Boîtier

Selon les cas

Grandeur Physique à mesurer

Signal de sortie

Grandeur mesurable

Schéma de principe d’un capteur

Un DETECTEUR est un capteur TOR.

Certains capteurs agissent par CONTACT d’autres SANS CONTACT Caractéristiques principales d’un capteur : Grandeur observée, étendue, sensibilité, précision, fidélité, linéarité, bande passante, résolution, hystérésis, T° d’utilisation.

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3.2 Constituants d’un système

3.2.3 Acquisition et codage de l’information

Table des matières 1 Introduction ............................................................................................................................................................ 1 2 Le capteur .............................................................................................................................................................. 1

2.1 Définition ........................................................................................................................................................ 1 2.2 Situation des capteurs dans un système ....................................................................................................... 2

3 Classification des capteurs .................................................................................................................................... 3 3.1 Classification en fonction du signal délivré .................................................................................................... 3

3.1.1 Capteur TOR ........................................................................................................................................... 4 3.1.2 Capteur ANALOGIQUE........................................................................................................................... 4 3.1.3 Capteur NUMERIQUE ............................................................................................................................ 5

3.2 Classification en fonction du mode de détection ............................................................................................ 6 3.2.1 Détection par CONTACT d’une position ................................................................................................. 7 3.2.2 Détection SANS CONTACT de la présence d’un objet .......................................................................... 8

4 Constitution d’un capteur ....................................................................................................................................... 8 5 Schématisation ...................................................................................................................................................... 9 6 Caractéristiques d’un capteur .............................................................................................................................. 10 7 SYNTHESE ......................................................................................................................................................... 11