Les capteurs

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1. Les capteurs : Le traitement de l’information.
Pour exploiter correctement un système technique, électrique ou pneumatique, qui peut être
éventuellement automatisé, il est nécessaire suivant la nature de ce système :
De mesurer les variations de certaines grandeurs physiques.
Exemples

La vitesse du vent pour un store commandé
automatiquement.

La pression d’air dans le réseau d’alimentation d’un
automatisme pneumatique.

La température d’un four de traitement thermique.
De contrôler l’état physique de certains de ses constituants.
Exemples

La position levée d’une barrière de parking.

La présence d’une pièce sur un convoyeur.

La position fermée de la porte de chargement d’un four
industriel.
Le système technique doit donc traduire la variation de grandeur physique ou le
changement d’état en un signal exploitable par la partie commande du système
technique.
( Ex : Température du four).
Ce signal exploitable est une image informationnelle de la variation de grandeur ou du
changement d’état.
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2. Les différents signaux transmis
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3. Les détecteurs de positions Tout-ou-Rien
3.1. Interrupteur de position avec contact
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…).
Une action mécanique
directe permet d’ouvrir ou de fermer un ou plusieurs
contacts.
L’objet à détecter entre en contact avec le dispositif d’attaque, le mouvement engendré
provoque le basculement du contact
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électrique.
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a) Caractéristiques électriques
Elles définissent :

La nature du circuit : Alternatif ou continu.

Les valeurs maximales de la tension et du courant qui
peuvent être coupées.

La configuration des contacts.
b) Caractéristiques mécaniques
Elles définissent

L’endurance mécanique ou durée de vie estimée par le
nombre probable de manœuvres.

Force nécessaire pour déplacer l’organe de commande.

Amplitude de la course du mécanisme transmetteur.
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c) Démarche de choix d’un interrupteur de position à contact.
Exemples :
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3.2. Détecteurs de proximité
 Un détecteur
de proximité interrompt ou établit un circuit
électrique en fonction de la présence ou de l’absence d’un objet dans sa
zone sensible.
 Il existe deux
types de détecteur de proximité selon la matière de l’objet à
détecter (métallique ou pas).
 La portée des détecteurs de proximité est de l’ordre du mm, au delà on fait appel
à des capteurs photo électriques.
 L’information issue de ces capteurs est fournie par un contact statique (Électronique).
Les détecteurs de proximité se différencient suivant la technique utilisée au niveau de
l’étage de sortie (2fils ou 3 fils).
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a) Détecteur de proximité inductif :
Ils permettent la détection d’objets
métalliques suivant le principe de l’induction
électromagnétique
b) Détecteur de proximité capacitif :
Ils permettent la détection d’objets
isolants, liquides, pulvérulents grâce à la
détection de changement de permittivité du milieu.
c) Détecteurs de proximité photoélectrique
Principe : La variation de la quantité de lumière reçue par certains composants dits
photosensibles, modifie leurs caractéristiques.
Il existe deux grandes familles de
composants photosensibles :
• Les photo résistances : La
variation de lumière provoque une variation
de résistance interne.
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• Les photosensibles à jonction (photodiodes ou photopiles)
Système de détection :
Un système est caractérisé par sa nature et la disposition de son émetteur et de son récepteur.
3.3. Raccordement des capteurs
Un certain nombre de capteurs (dont ceux qui précèdent) ont besoin d’une source d’énergie
pour fonctionner. C’est le système automatisé qui va fournir cette énergie.
a) Technique 2 fils
Les capteurs sont alimentés en série avec la charge à commander
Disponibles en version DC, AC, AC/DC
Avantages : Branchement simple en DC, raccordement indifférent sur entrée API à
logique d’entrée positive ou négative pas polarisé
Inconvénients : Courant
l’état haut.
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résiduel à l’état bas et une tension de déchet à
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b) Technique 3 fils
2 fils pour l’alimentation du capteur, et 1 fil pour l’information
sont disponibles qu’en version
de sortie. Ils ne
DC.
2 branchements possibles suivant le type de transistor de l’étage de sortie à collecteur ouvert
(NPN ou PNP).
Avantages : Pas de courant résiduel et la tension de déchet est très faible
(VCEsat du transistor). Adaptabilité du signal de sortie, courant de commutation plus élevé.
Inconvénient : Nécessité d’utiliser des appareils compatibles avec la logique de sortie du
capteur (PNP / NPN).
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4. Capteurs de mesure de position
La mesure de la position d’un objet mobile ou de son déplacement linéaire ou
angulaire peut se traduire par :
 un signal analogique dont les variations sont l’image du déplacement de
l’objet, c’est le cas des capteurs de déplacement.
 une valeur
numérique, c’est le cas des codeurs de déplacement.
4.1. Les capteurs analogiques
Dans ce type de capteur, l’objet est lié mécaniquement à une partie du capteur et son
déplacement entraîne la variation :
 d’une résistance dans les
capteurs résistifs.
 d’un flux magnétique dans les
capteurs inductifs.
 d’une capacité dans les
capteurs capacitifs.
4.2. Les capteurs numériques
Ces codeurs de déplacement, ou codeurs digitaux peuvent être optiques. Dans ce cas, la
lumière émise par un émetteur type diode
électroluminescente éclaire un élément
codé, règle ou disque présentant des zones transparentes et des zonez opaques.
Un récepteur de lumière photodiode transforme chaque éclairement en une
impulsion.
Mesurer un déplacement revient donc à compter les impulsions.
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4.3. 5 - codeurs rotatifs.
5.1 - Fonction d'un codeur rotatif
Le contrôle du déplacement et de
la position d'un mobile est un problème
couramment rencontré sur un grand
nombre de systèmes automatisés.
Le codeur rotatif est un capteur de
position angulaire. Lié mécaniquement à
un arbre qui l’entraîne, son axe fait
tourner un disque qui lui est solidaire.
Ce disque comporte une succession
de parties opaques et transparentes. Une
lumière émise par des LED, traverse les
fentes de ce disque et crée sur les
photodiodes
réceptrices
un
signal
analogique.
Une interface électronique amplifie
ce signal puis le convertit en signal carré
qui est alors transmis à un système de
traitement (généralement un A.P.I.).
Figure 1 : Codeur optique rotatif
5.2 - Le codeur incrémental
Les codeurs incrémentaux sont des compteurs de vitesse, mais ils peuvent être destines à des
applications de positionnement et de contrôle de déplacement d'un mobile par comptage et
décomptage des impulsions qu'ils délivrent.
5.2.1 - La piste extérieure
La piste extérieure (voie A ou voie A et B) est
divisée en « n » intervalles d'angles égaux
alternativement opaques et transparents, « n » s'appelant
la résolution ou nombre de périodes; c'est en effet le
nombre d'impulsions qui seront délivrées par le codeur
pour un tour complet de son disque. Derrière la piste
extérieure sont installées deux photodiodes décalées qui
délivrent des signaux carrés A et B en quadrature. Ce
déphasage de 90° électriques des signaux A et B permet
de déterminer le sens de rotation.
 
Dans un sens pendant le front montant du signal
A le signal B est à 1.
 
Dans l'autre sens pendant le front montant du
signal A le signal B est à 0.
5.2.2 - La piste intérieure
La piste intérieure: (voie Z) comporte une seule
fenêtre transparente. Celle-ci ne délivre donc qu'un
Figure 2 : Codeur incrémental (principe)
seul signal par tour. Ce signal Z appelé «top zéro»
dure 90° électriques et est synchrone des signaux A et
B.
Ce «top zéro» détermine une position de référence et permet la réinitialisation à chaque
tour.
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5.3 - Le codeur absolu
Le disque de ce type de codeur comporte un nombre « N » de pistes.
5.3.1 - Principe de fonctionnement
La première piste en partant du centre du disque est composée d'une moitié opaque et
d'une moitié transparente, la lecture de cette piste permet de déterminer dans quel demi-tour du
disque on se situe. C’est la piste MSB «Most Significant Bit » = bit de poids le plus fort. La piste
suivante, en allant vers l'extérieur, est divisée en quatre quarts alternativement opaques et
transparents. La lecture de cette piste, combinée avec la lecture de la piste précédente, permet de
déterminer dans quel quart de tour du disque on se situe.
La piste suivante permet de déterminer dans quel huitième de tour on se situe. La suivante dans
lequel seizième de tour on se situe, ect……..
La dernière piste, la plus extérieure, est la piste LSB « Least Significant Bit » = bit de poids
le plus faible. C'est elle qui donne la précision finale du codeur appelée résolution.




Si on appelle N le nombre de pistes, cette dernière piste comportera 2N points. Le nombre de
positions codées sur un tour du disque sera 2N, on dira alors que le codeur a une résolution de
2N points par tour.
La lecture simultanée de toutes les pistes (informations binaires) nous donne un code binaire
qui représente la position du disque du codeur dans le tour.
Le code binaire délivré par le codeur comporte autant de bits qu'il y a de pistes sur le disque
soit N bits.
Le câblage du codeur mobilisera donc N entrées du système de traitement.
5.3.2 - Codes délivrés par un codeur absolu
Le code binaire délivré par un codeur rotatif
absolu peut être soit du binaire naturel (binaire pur),
soit du binaire réfléchi (code GRAY).
Le code binaire naturel a avantage de pouvoir
être directement utilisé par l'unité de traitement. Il
présente cependant l'inconvénient d'avoir plusieurs
bits qui changent d'état entre deux positions. Ces
changements d'états ne pouvant rigoureusement pas
être simultanés ils peuvent générer des erreurs si une
lecture est effectuée à ce moment la par l'unité de
traitement.
Le code binaire réfléchi ne présente pas cet
inconvénient car un seul bit à la fois change d'état.
Mais l’unité de traitement devra opérer un
4.4.
transcodage binaire réfléchi / binaire naturel avant
toute utilisation.
4.5.
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Figure 3 : Disque et signaux code GRAY
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5.4 - Comparaison des deux concepts.
CODEUR INCREMENTAL
CODEUR ABSOLU
AVANTAGES
Insensibles aux coupures du réseau (mémoire
Conception plus simple donc fiable et moins
de la position).
onéreux
En cas de défaillance temporaire du système de
traitement ? récupération de la position
INCONVENIENTS
Système de traitement rapide car les
Informations de positions délivrées en parallèle
fréquences des signaux sont élevés
donc mobilisation importante d’entrées.
5.5Annexe : Choix du codeur
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Fréquence F des impulsions en sortie du codeur:
c) F = Nombre d’impulsion × Ncodeur / 60
Si le temps de scrutation moyen d’un cycle automate est supérieur à la fréquence des signaux
issues du codeur, on doit utiliser une entrée à comptage rapide qui permet de répondre au
fonctions de comptage.
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5. Les symboles
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6. Les prix
Détecteur
électromécanique
Corps plastique +
tête quelconque
25 €
XCK S101
Détecteur inductif
Cylindrique
métallique 5 mm
42 €
XS1 M18PA370
Détecteur
capacitif
Cylindrique
métallique 15
mm
90 €
XT1 M18PA372
Barrage 15 m
75 € XUK 2AKSAL2
Détecteur
photoélectrique
Proximité 0,4m
Prix public HT 2003 Schneider
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67 €
XU5B18PP340
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7. Comment choisir
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