Les Capteurs

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  • PRINCIPES FONDAMENTAUX

On distingue deux types de capteurs en vue de leurs utilisations dans des circuits électroniques. En effet vue de sa sortie il peut être considéré comme :

         - un générateur, s étant alors une charge, une tension ou un courant. On parle alors de capteurs actifs.

         - une impédance, s étant alors e résistance, une inductance ou une capacité. On parle alors de capteurs passifs.

Capteur actifs 

Le principe des capteurs actifs repose sur la conversion de l’énergie du mesurande en une énergie électrique, par exemple mesurable grâce a une voltmètre, par un matériau bien définit. On peut regrouper dans un tableau les effet les plus utilisés :

Mesurande

Effet utilisé

Grandeur de sortie

Température

Thermoélectricité

Tension

Flux de rayonnement optique

Pyroélectricité

Photoémission

Effet photovoltaïque

Effet photoélectromagnétique

Charge

Courant

Tension

Tension

Force

Pression

Accélération

Piézoélectricité

Charge

Vitesse

Induction électromagnétique

Tension

Position

Effet Hall

Tension

La plupart des effets utilisées par les capteurs sont étudiées dans la partie « les différents capteurs », je vous invite donc à continuer de naviguer, mais pour ceux qui ne le sont pas en voici une explication  succincte :

- Effet pyroélectrique :                   à la surface de certains cristaux, tel que le sulfate de triglycine, apparaît des charges électriques proportionnelles à la      température.

- Effet photoélectromagnétique :    l’application d’un champ magnétique perpendiculaire au rayonnement provoque  dans le matériau éclairé l’apparition d’une tension électrique dans la direction normale au champ et au rayonnement.

- Effet Hall :                                  un matériau, généralement un semi-conducteur et sous forme de plaquette, qui parcouru par un courant et   soumis à un   champ magnétique perpendiculaire à ce dernier, fait apparaître dans une direction normale une tension.

 

a) thermoélectricité,

b) pyroélectricité,

c) Piézoélectricité,

d) induction électromagnétique.

Capteurs passifs

Il s’agit d’impédances dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. Dans l’expression littérale d’une impédance sont présents des termes liés :

-         d’une part à sa géométrie et à ses dimensions. Elles peuvent varier si le capteur comporte un élément mobile ou un élément déformable.

-         d’autre part aux propriétés électriques des matériaux : résistivité ρ, perméabilité magnétique μ, constante diélectrique ε.

Voici  un tableau qui associe les grandeurs physiques et les matériaux qui réagissent à ces phénomènes :

Mesurande

Caractéristique électrique sensible

Types de matériaux utilisés

Température

 

Très basse température

Résistivité

 

Constante diélectrique

Métaux : platine, nickel, cuivre, semi-conducteurs.

Verres

Flux de rayonnement optique

Résistivité

Semi-conducteurs.

Déformation

Résistivité

 

Perméabilité magnétique

Alliage de Nickel, silicium dopé.

 

Alliages ferromagnétiques.

Positions

Résistivité

Matériaux magnétorésistants : bismuth antimoniure d’indium.

Humidité

Résistivité

Constante diélectrique

Niveau

Constante diélectrique

Liquides isolants

L’impédance d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur. Les types de conditionneurs le plus utilisés sont :

-         Le montage potentiométrique : association en série d’une source, du capteur et d’une impédance qui peut être ou non de même type.

-         Le pont d’impédances

-         Le circuit oscillant

-         L’amplificateur opérationnel

Le choix du conditionneur est une étape importante dans la réalisation d’un ensemble de mesure. C’est en effet l’association capteur-conditionneur  qui détermine le signal électrique.

Grandeurs d’influence

Le capteur, de par sa composition physique, soumis non seulement à un mesurande mais également autres grandeurs physiques qui l’entoure présente à sa sortie une grandeur électrique qui est fonction :

-         d’une part du mesurande

-         d’autre part des autres grandeurs dites parasites dont le capteur peut être sensible

Par exemple la température est une grandeur d’influence pour un capteur optique comme la résistance photoconductrice. Il en est de même pour le champ magnétique vis-à-vis d’un capteur thermométrique comme la résistance de germinum.

Si on désigne donc par g1, g2, g3, etc… les grandeurs d’influences, la relation qui lie le mesurande à la sortie, qui dans le cas idéale est :

         devient                      

Chaine de mesure

Pour permettre d’obtenir les conditions idéales, afin de déterminer la valeur du mesurande avec la plus grande précision, le capteur est intégré dans un ensemble de dispositif. Le tout est alors désigné comme chaîne de mesure.

A l’entrée de la chaîne, le capteur, si il est actif ou si il est passif par le biais de son conditionneur, permet d’injecter directement un signal électrique qui est le l’image de l’information liée au mesurande.

A la sortie de la chaîne le signal est rendu lisible par les appareils adéquats et préalablement choisis. Cela montre l’importance du choix de la chaîne de mesure si on souhaite, par exemple, l’intégrer dans un processus industriel.

 


    Les capteurs sont des composants de la chaîne d'acquisition dans une chaîne fonctionnelle. Les capteurs prélèvent une information sur le comportement de la partie opérative et la transforment en une information exploitable par la partie commande. Une information est une grandeur abstraite qui précise un événement particulier parmi un ensemble d'événements possibles. Pour pouvoir être traitée, cette information sera portée par un support physique (énergie), on parlera alors de signal. Les signaux sont généralement de nature électrique ou pneumatique.

    Dans les systèmes automatisés séquentiels la partie commande traite des variables logiques ou numériques. L'information délivrée par un capteur pourra être logique (2 états), numérique (valeur discrète), analogique (dans ce cas il faudra adjoindre à la partie commande un module de conversion analogique numérique).

    On peut caractériser les capteurs selon deux critères:

        - en fonction de la grandeur mesurée; on parle alors de capteur de position, de température, de vitesse, de force, de pression, etc.;

        - en fonction du caractère de l'information délivrée; on parle alors de capteurs logiques appelés aussi capteurs tout ou rien (TOR), de capteurs analogiques ou numériques.

    On peut alors classer les capteurs en deux catégories, les capteurs à contact qui nécessitent un contact direct avec l'objet à détecter et les capteurs de proximité. Chaque catégorie peut être subdivisée en trois catégories de capteurs : les capteurs mécaniques, électriques, pneumatiques.

    L'étendue de la mesure : c'est la différence entre le plus petit signal détecté et le plus grand perceptible sans risque de destruction pour le capteur.

    La sensibilité : c'est la plus petite variation d'une grandeur physique que peut détecter un capteur.

    La rapidité : c'est le temps de réaction d'un capteur entre la variation de la grandeur physique qu'il mesure et l'instant où l'information prise en compte par la partie commande.

    La précision : c'est la capabilité de répétabilité d'une information position, d'une vitesse,...

  1. Capteurs à seuil de pression pneumatique:

    Ce sont des capteurs fin de course qui se montent directement sur les vérins. Pour pouvoir fonctionner correctement, il est nécessaire de les coupler avec une cellule Non-inhibition à seuil.

    Le principe de fonctionnement de ce capteur est d'utiliser la contre pression (pression résistant au déplacement) qui existe dans la chambre non soumise à la pression du réseau. Lorsque le piston subit une pression il se déplace. Ce déplacement entraîne une réduction du volume de la chambre qui n'est pas soumise à la pression du réseau. Ceci entraîne une augmentation de la contre pression qui est amplifiée par des régleurs de débit. Lorsque le vérin arrive en fin de course, cette contre pression chute. Lorsqu'elle est inférieure à 1/12éme de la pression du réseau le capteur déclenche. On peut traduire cette information, soit par un signal électrique soit par un signal pneumatique.

exemple :

Schéma :

Principe de la contre pression :

Exemples de montages possibles :

(doc Télémécanique)

  1. Détecteurs fluidique de proximité :

    Ces capteurs sont des capteurs de proximité. Ils n'ont pas de contact direct avec l'objet à détecter. Pour pouvoir fonctionner correctement, ces capteurs doivent être couplés avec un relais amplificateur et un détendeur basse pression. Le détecteur est alimenté avec une pression de 100 à 300 mbar, en fonction de la distance de détection. Lorsqu'il n'y a pas de détection l'air s'échappe par l'orifice du capteur prévu à cet effet. Lorsque l'objet à détecter passe devant le capteur, un signal de faible pression (0.5 à 2 mbar) passe par le conduit central du capteur et va jusqu'au relais amplificateur qui amplifie le signal à la pression industrielle (3 à 8 bars).

 

exemple :

  1. Capteurs à fuite :

    Les capteurs à fuite sont des capteurs de contact. Le contact avec l'objet à détecter peut se faire soit par une tige souple soit par une bille. Pour pouvoir fonctionner correctement, ces capteurs doivent être couplés avec un relais pour capteur à fuite. Le capteur est alimenté en pression par le relais. L'air peut alors s'échapper de ce capteur par un orifice prévu à cet effet. Lorsque la bille ou la lame souple est déplacée dans son logement, elle obture l'orifice d'évacuation d'air et le relais pour capteur à fuite se déclenche et émet un signal à la pression industrielle.

exemple :

  1. Capteur capacitif :

    Les capteurs capacitifs sont des capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques ou isolants. Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection des électrodes sensibles du capteur, il provoque des oscillations en modifiant la capacité de couplage du condensateur.

exemple :

  1. Capteur inductif :

exemple :

    Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une self et une capacité montée en parallèle. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ , il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie., le capteur commute.

 

(document Télémécanique)

Oscillateur 

  1. Capteur optique

    Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité. Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Le signal est amplifié pour être exploité par la partie commande.

exemples :

Détecteur photoélectrique cylindrique

(doc Télémécanique)

 

Détecteur photoélectrique avec signal

de sortie analogique

différents types de détection :

Système barrage

 

Système reflex

 

Système de proximité

  • Codeurs rotatifs

     Les codeurs rotatifs sont des capteurs de position angulaire. Le disque du codeur est solidaire de l'arbre tournant du système à contrôler. Il existe deux types de codeurs rotatifs, les codeurs incrémentaux et les codeurs absolus.

Codeur rotatif incrémental

La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes régulièrement réparties. Un faisceau lumineux se trouve derrière ces fentes dirigé vers une diode photosensible. Chaque fois que le faisceau est coupé, le capteur envoie un signal qui permet de connaître la variation de position de l'arbre. Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième faisceau lumineux qui sera décalé par rapport au premier. Le premier faisceau qui enverra son signal indiquera aussi le sens de rotation du codeur.

 

Codeur rotatif absolu

 Cette fois ci, le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d'une diode émettrice d'un faisceau lumineux et d'une diode photosensible. La piste centrale est la piste principale, elle détermine dans quel demi-tour la lecture est effectuée. La piste suivante détermine dans quel quart de tour on se situe, la suivante le huitième de tour etc. Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise. Il existe des codeurs absolus simple tour qui permettent de connaître une position sur un tour et les codeurs absolus multitours qui permettent de connaître en plus le nombre de tours effectués.

Capteur de position 

   Les capteurs de position sont des capteurs de contact. Ils peuvent être équipé d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien et peut être électrique ou pneumatique.

Capteur fin de course et à galet

(doc Télémécanique)

 

Micro-rupteur électrique

(doc Télémécanique)

 

Capteur à galet

(doc Télémécanique)

Capteurs à levier et à tige souple

(doc Télémécanique)

 

Capteurs ILS (Interrupteur à Lame Souple) :

      Un capteur ILS est un capteur de proximité composé d'une lame souple sensible à la présence d'un champ magnétique mobile. Lorsque le champ se trouve sous la lame, il ferme le contact du circuit provoquant la commutation du capteur. Ce capteur se monte directement sur un vérin et permet de détecter des positions autres que les positions extrêmes. Pour utiliser ce type de capteur, il est nécessaire d'utiliser un vérin comportant un aimant monté sur le piston.

Jauge de contrainte

Principe :

La résistance ohmique d'un fil conducteur est donné par la relation suivante : R = r .l / s

r : résistivité du métal en O / m,

l : longueur du fil en m,

s : section du fils en m².

Si on tire sur ce fil, il va s'allonger (l augmente) et sa section va se réduire, sa résistance va donc augmenter (l/s augmente). L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du double.

 

  • Autres capteurs

    La température est l'une des grandeurs physiques dont la mesure est la plus fréquente. Ce n'est pas une grandeur directement mesurable (comme la longueur) mais une grandeur repérable à l'aide d'un phénomène associé tel que la variation de résistance d'un conducteur électrique, la dilatation d'un fluide ou l'émission d'un rayonnement thermique.

    Avant de choisir une méthode de mesure, il convient de bien connaître la nature du milieu solide, liquide, gazeux ou le passage de l'un à l'autre.

Les thermocouples :

Principe :

     Lorsque deux fils en métaux différents sont connectés à leurs deux extrémités, un courant continu circule dans la boucle s'il y a une différence de température entre les deux jonctions. On distingue la jonction chaude à la température Tc (à mesurer) et la jonction froide à la température Tf constante et connue (aujourd'hui cette pratique est évitée par une compensation électronique). On mesure la différence de potentiel E entre les deux jonctions, résultat du courant I, avec un voltmètre.

E est proportionnelle à D T (D T = Tc - Tf)

E (volt) =a x (Tc - Tf)

a est appelé coefficient de Seebeck.

Cette force électromotrice E dépend :

- De la nature des métaux de jonction;

- De la température Tc

Pour faciliter la lecture de Tc, on garde la soudure froide à température constante (exemple : mélange eau + glace ® T = 0°C)

  alors E =a x (Tc - Tf).

 

Principe :

Dans un capteur de pression, on mesure la force qui s'exerce sur la surface constante et connue S d'un corps d'épreuve.

Pression (Pascal) P = F force (Newton)/ S Surface (m²)

Il faut éviter d'exprimer la pression en bars (sauf pour les pressions hydrauliques).

1 bar = 1 daN/cm² = 0.1 Mpa

1 Mpa = 1 Méga Pascal = 106Pa = 106 N/m²

Les capteurs de vitesse angulaire :

 

  Certaines machines automatiques, telles que les machines à commande numérique, exigent une mesure précise de la vitesse. La mesure de la vitesse linéaire peut se ramener à celle de la mesure de la vitesse angulaire. Ces capteurs tachymétriques peuvent être classés en deux familles simplifiées.

- à courant continu avec collecteur à noyau de fer, ou à bobine mobile.

- à courant continu sans collecteur.

- à courant alternatif.

Principe :

    Les générateurs analogiques se comportent comme une génératrice à courant continu, ils délivrent une tension de sortie proportionnelle à la vitesse d'entraînement du rotor. La mesure précise de cette tension permet de mesurer indirectement la vitesse angulaire. Ce capteur doit être monté directement en bout d'arbre dont on veut contrôler la vitesse.

    Tous les capteurs dont les fonctionnements ont été décrits précédemment présentent deux parties distinctes. Une première partie qui a pour rôle de détecter un événement et une deuxième partie qui a pour rôle de traduire événement en un signal compréhensible d'une manière ou d'une autre par une partie PC. Pour choisir correctement un capteur, il faudra définir tout d'abord

- le type événement à détecter,

- la nature de événement,

- La grandeur de l'événement,

- l'environnement de l'événement.

    En fonction de ces paramètres on pourra effectuer un ou plusieurs choix pour un type de détection. D'autres éléments peuvent permettre de cibler précisément le capteur à utiliser :

- ses performances,

- son encombrement,

- sa fiabilité (MTBF)

- la nature du signal délivré par le capteur (électrique, pneumatique)

- son prix...

Détecteurs de position et de proximité