Les capteurs
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Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 1/17 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. http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs 2. Les différents signaux transmis http://www.electrotechnique-fr.com Technologie Page 2/17 Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 3/17 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 http://www.electrotechnique-fr.com électrique. Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 4/17 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. http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs c) Démarche de choix d’un interrupteur de position à contact. Exemples : http://www.electrotechnique-fr.com Technologie Page 5/17 Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 6/17 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). http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 7/17 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. http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 8/17 • 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. http://www.electrotechnique-fr.com résiduel à l’état bas et une tension de déchet à Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 9/17 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). http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 10/17 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. http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 11/17 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. http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 12/17 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. http://www.electrotechnique-fr.com Figure 3 : Disque et signaux code GRAY Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 13/17 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 http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 14/17 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. http://www.electrotechnique-fr.com Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs 5. Les symboles http://www.electrotechnique-fr.com Technologie Page 15/17 Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs Technologie Page 16/17 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 http://www.electrotechnique-fr.com 67 € XU5B18PP340 Electrotechnique-fr.com Initiation au câblage industriel Les capteurs 7. Comment choisir http://www.electrotechnique-fr.com Technologie Page 17/17
