Sciences Industrielles pour l’Ingénieur Centre d’Intérêt 2 : ACQUERIR l'information TECHNOLOGIE DES PRINCIPAUX CAPTEURS ET DETECTEURS COURS rencontrés dans les systèmes de SI TD TP 1. Typologie des principaux capteurs et détecteurs Analogique Numérique Logique (T.O.R) Sortie Grandeur physique (mesurande) Principe physique Avec/Sans contact Dénomination Position Ouverture ou fermeture d’un contact électrique Avec Interrupteur de position … Position Variation d’inductance Sans Position Variation de capacité Sans Détecteur de proximité inductif Détecteur de proximité capacitif Position Rupture d’un flux lumineux Sans Détecteur photoélectrique Position Mesure temps d'A/R ultrasons Sans Détecteur à ultrasons Position / vitesse Comptage d’impulsions Avec Codeur incrémental Position Code numérique Avec Codeur absolu Position / déplacement Variation de résistance Avec Potentiomètre … Position / déplacement Variation de champ magnétique Sans Magnétostrictif Vitesse angulaire Variation d’une tension Avec Dynamo tachymétrique Vitesse angulaire Optique ou mécanique Avec Gyromètre Accélération et vitesse linéaire Piézoélectrique (variation d'une tension), capacitif, inductif, … Avec Accéléromètre Température Variation d’une tension Avec Thermocouple Température Variation d’une résistance Avec Sonde Platine Pt… Température Variation d’une résistance Avec ou sans Thermistances CTN, CTP Effort Variation d'une résistance Avec Jauge d'extensométrie Effort Piézoélectricité Avec Piézoélectrique Champ magn./courant Variation d’une tension Sans Sonde à effet Hall 2. Détecteurs de position T.O.R Les détecteurs mécaniques à contact Constitution - un contact électrique - un corps - une tête de commande avec son dispositif d’attaque CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville -1- Sources : Cours de Denis GUERIN, TSI lycée Eiffel (Dijon) Cours de Christian BISSIERES http://cbissprof.free.fr Cours de Patrick ABATI, SITELEC Caractéristiques mécaniques force nécessaire pour déplacer l’organe de commande (de 0,1 à 20 N) endurance mécanique ou durée de vie estimée par le nombre de manœuvres course du mécanisme Les interrupteurs de position électromécaniques détectent la présence ou le passage d’objets divers. Dans les équipements industriels, ils participent à la sécurité : contacts de verrouillage, etc. Caractéristiques électriques nature du courant (continu ou alternatif) tension nominale intensité maximale pouvant être coupée configuration des contacts : fréquence maximale de déclenchement beaucoup plus faible que les détecteurs de proximité qui suivent : Les détecteurs de proximité Détecteur inductif : détection d’objets métalliques Les détecteurs inductifs produisent à l'extrémité de leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une bobine et une capacité montées en parallèle. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, il modifie les paramètres du champ ; cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie le capteur commute (change d'état logique). Détecteur capacitif : détection de tous matériaux Seule une capacité est placée à l'extrémité du détecteur. Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection du capteur, il modifie la capacité inter électrodes du capteur et provoque des oscillations détectées par l’électronique interne de ce capteur le capteur commute. La portée utile varie du mm à quelques cm ; au-delà on fait appel aux détecteurs photoélectriques ou aux détecteurs à ultrasons. Les détecteurs photoélectriques (optiques) Ils se composent d'un émetteur de lumière (E) associé à un récepteur (R). La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Système barrage (ou barrière) Système réflex Système de proximité - Grande portée (< 30 m) - Portée < 10 m - Détection fiable - Environnement propre - Adapté aux environnements difficiles (fumée, poussière …) - Portée < 1,5 m - Détection de cibles fortement réfléchissantes - Environnement propre A noter aussi : la fourche optique, qui détecte le passage entre E et R face à face : CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville -2- Organigramme de choix d’un détecteur TOR Des animations disponibles pour bien comprendre : http://sitelec.org/cours/hu/detecteurs.htm Les détecteurs ou capteurs à ultrasons La technologie ultrasons permet de s’affranchir, pour l’objet à détecter, du type de matériau, de sa couleur, de sa forme ainsi que des conditions ambiantes. Le détecteur à ultrasons ne nécessite pas de réglage, pas d’apprentissage, pas d’ajustement dans le temps. On trouve aussi bien cette technologie en détecteurs qu'en capteurs de distance. CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville -3- 3. Les capteurs de position / déplacement rotatif et rectiligne Capteur de position/déplacement rotatif résistif Capteur de position/déplacement rectiligne résistif Vm Va Va Vm Ces capteurs résistifs sont actuellement remplacés par les plastique et de carbone résistif. Il est déposé en capteurs magnétostrictifs, plus couche sur un support circulaire (la piste). précis et résistants. Principe de mesure de la position x ou Si on applique une tension continue Va entre les extrémités A et C, la tension Vm mesurée entre A et B est proportionnelle au déplacement x ou . L’élément sensible est constitué d’un mélange de Vm max Va Vm x x max Va 4. Les capteurs de position / déplacement numériques : codeurs : voir cours particulier. 5. Les capteurs de vitesse • La plupart des capteurs de vitesse sont basés sur le comptage pendant un temps donné d'impulsions générées par un mobile en rotation. La génération de ces impulsions peut être produite par : - un codeur incrémental (cf. 4.) ; - une roue dentée passant devant une fourche optique ; - une roue avec des aimants, passant devant un détecteur à effet Hall (cf. 9.). • Un principe analogique est néanmoins très utilisé : la génératrice tachymétrique. Elle se comporte comme une génératrice à courant continu, et délivre une tension de sortie proportionnelle à la vitesse d'entraînement du rotor : E = k.Ω. La mesure précise de cette tension permet (après filtrage) de connaître indirectement la vitesse angulaire. Ce capteur doit être monté directement en bout de l'arbre dont on veut contrôler la vitesse. 6. Les capteurs d'accélération (accéléromètres) • Le principe de tous les accéléromètres est basé sur la loi fondamentale de la dynamique F = m.a . Plus précisément, il consiste en l'égalité entre la force d'inertie de la masse sismique m du capteur et une force de rappel appliquée à cette masse. Ce principe de base peut être décliné par un système masse/ressort ou un système pendulaire. Un accéléromètre est donc toujours composé d'une masse sismique qui lorsqu'elle est soumise à une accélération va se déplacer. Un élément sensible utilisant des technologies très différentes suivant les cas permet de mesurer ce déplacement et d'en déduire l'accélération galiléenne (exprimée en g) à laquelle est soumis le capteur. CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville -4- • Il existe un grand nombre d'accéléromètres différents : - à détection piézoélectrique (U selon effort subi, voir 7.) - à détection piézorésistive (R selon effort subi) - à jauge de contrainte - à détection capacitive - à détection inductive - à détection optique - à poutre vibrante … • Ex : accéléromètre MEMS (Micro Electro Mechanical System) capacitif Il est composé de 2 peignes complémentaires formant les armatures d'un condensateur. L'un est fixe. L'autre est mobile, suspendu à une lamelle flexible, et constitue une masse sensible à l'accélération. Le peigne mobile peut se déplacer d'une vingtaine de nm par inertie lorsque l'objet change de vitesse. La capacité varie en 1/(distance entre armatures). • Ex : accéléromètre piézoélectrique : Kistler 1 axe Etendue de mesure : 1000 g ± 10 g, Sensibilité : 500 mV/g Fréquence : 5… 4000 Hz Seuil : 1 mg Applications : automobile, avionique 7. Les capteurs d'efforts : force, couple, pression Jauges d'extensométrie (ou de contrainte) Capteur piézoélectrique • La résistance d’un fil métallique est donnée par la loi • La piézoélectricité est la propriété que possèdent R = .L/s, où est la résistivité (constante), L la certains corps (quartz par ex.) de se polariser électriquement sous l’action d’une contrainte longueur et s la section du fil métallique. mécanique et réciproquement de se déformer • Les jauges d'extensométrie sont basées sur la lorsqu’on leur applique un champ électrique. modification de la résistance sous l’effet d’une De façon simple, on peut retenir que la charge déformation mécanique liée à un effort (flexion, électrique Q (Coulomb) qui apparait sur les électrodes du capteur est proportionnelle à l’effort F. ΔR ΔL = K. torsion, …) ou à une pression : R0 L Soit Q = k.F avec k de l’ordre de 10-10 C/N. R0 : résistance de la jauge au repos. (effort) (effort) K : facteur de jauge (dépend du matériau). • Montage en pont : Pour exploiter la faible variation de résistance, il faut placer les jauges dans un pont de Wheatstone : RJ = R0 + ΔR ΔR << R0 Vm = U. ΔR 4.R0 électrique R2 U R2 VA RJ Vm R1 Animation : http://www.rdpe. VB com/ex/hiw-sglc.htm CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville -5- 8. Les capteurs de température Sonde PT 100 Thermistances CTN et CTP C’est un standard dans la mesure Elles utilisent des matériaux semide température. Constituée d’un fil conducteurs dont le coefficient de de platine (Pt), sa résistance vaut R0 température est positif (CTP) ou négatif (CTN), c'est-à-dire que leur = 100 à 0 °C et 138,5 Ω à 100 °C. résistance augmente ou diminue lorsque la température augmente. Thermocouple Si on ouvre en un point quelconque le circuit constitué de 2 métaux A et B de nature différente, reliés à leurs extrémités, il apparaît une fém E qui dépend de la nature des 2 métaux et de la différence de température 1 - 2 : 1 La loi R = f() n’est pas tout à fait linéaire. Cependant, si la plage de température à mesurer est restreinte, on peut assimiler cette loi à une fonction linéaire. R = R0 · (1 + α.θ) avec α = 3,85·10-3 °C-1. 2 E E = SAB.(1 - 2) S Pour linéariser la caractéristique R = AB : coefficient de Seebeck (V/°C) f() sur une plage réduite de température, on place une La fém E est de l’ordre de quelques dizaines de mV. résistance en parallèle ou en série. • D'autres types existent, comme les capteurs de température à infrarouge. Tout corps émet un rayonnement infrarouge qui dépend de sa température. Le rayonnement est concentré par une lentille sur un récepteur de très faible masse de type thermocouple. En mesurant l’échauffement de ce récepteur, on peut calculer la température du corps. Ces capteurs sont par exemple utilisés en Formule 1 pour : - la température des freins : jusqu’à 1200° - la température des pneus ; jusqu’à 200°. 9. Les capteurs et détecteurs à effet Hall • Principe de l'effet Hall Lorsqu'un courant Io traverse un barreau en matériau semi-conducteur et si un champ magnétique d'induction B est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant, une tension Vh appelée tension de Hall, proportionnelle au champ magnétique B et au courant Io, apparaît sur les faces latérales du barreau. Vh = Kh . B . Io avec Kh = constante de Hall, qui dépend du matériau utilisé. On peut donc mesurer l'intensité d'un courant ou bien détecter un matériau aimanté. CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville -6- Explication : Les électrons sont déviés par le champ magnétique, créant la différence de potentiel Vh. Utilisation d'un capteur de courant à effet Hall : Utilisation d'un détecteur de champ à effet Hall : mesure de courant avec isolation galvanique mesure de position et de vitesse angulaire d'une roue (la pince ampèremétrique) • Un circuit magnétique constitué de ferrite permet de • Sur le pilote automatique de bateau TP32, la position et canaliser le flux créé par le conducteur parcouru par le la vitesse de la vis sans fin du vérin électrique sont courant I à mesurer. mesurées grâce à des aimants placés sur une roue tournant à la même vitesse ; ces aimants passent devant 2 détecteurs à effet Hall qui produisent donc 2 signaux logiques. • Un générateur de courant constant fournit le courant Io. Une tension Vh apparaît, proportionnelle au courant Io et à l'induction produite par le courant I dans le circuit magnétique. Cette tension est amplifiée pour fournir un courant i dans les N spires du bobinage secondaire, de façon à produire un flux opposé à celui crée par I. A l'équilibre : B = 0 et I = N . i • Le décalage entre ces signaux permet en plus de déterminer le sens de rotation de la roue, et donc si la tige du vérin électrique est en train de sortir ou de rentrer. • La valeur du courant I est proportionnelle à la tension Um obtenue aux bornes de la résistance de mesure R. Le courant I peut être quelconque (sinusoïdal, continu...). Détecteurs à effet Hall CPGE TSI – Lycée P.-P. Riquet – St-Orens de Gameville -7-
