Quand l`effet Hall et un aimant tournant mesurent une

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L’
intérêt des capteurs magnétiques
n’est plus à démontrer… L’effet
Hall,la magnétostriction ou encore
la magnétorésistance sont couram-
ment utilisés dans des applications de mesures
de position angulaire ou linéaire,pour lesquelles
ils présentent de nombreux avantages.Comme
il n’y a pas de contact entre le corps du capteur
et l’élément en mouvement,il n’y a pas de frot-
tements et pas d’usure.Par rapport aux capteurs
potentiométriques classiques, leur durée de vie
est donc largement supérieure,et la mainte-
nance quasi inexistante.D’autre part,ils sont
peu coûteux et très robustes.Peu sensibles aux
poussières,aux projections d’huile ou de liqui-
de de coupe,ils s’adaptent aux environnements
les plus difficiles…
En revanche,les matériaux magnétiques sont
sensibles au champ magnétique externe,à la
température (le champ généré par un aimant
permanent varie de 0,2 %/°C) et aux
contraintes mécaniques qu’ils subissent.Mais
ce qui apparaît comme une limitation peut
aussi s’avérer utile :Puisque l’aimantation de
ces matériaux varie en fonction de la tempé-
rature,pourquoi ne pas les utiliser dans le déve-
loppement de capteurs de température sans
contact? De même,si les propriétés magné-
tiques d’un arbre varient en fonction de la tor-
sion qu’il subit, pourquoi ne pas utiliser cet
effet pour concevoir des capteurs de couple?
Au Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble (UMR
CNRS 5529),cela fait de nombreuses années
que l’on a compris l’intérêt de ces méthodes
et que l’on “joue”avec les propriétés magné-
tiques des matériaux…
Parmi les derniers sujets de recherche,la concep-
tion d’un capteur de position angulaire en col-
laboration avec la société Sagem.Le début du pro-
jet démarre il y a six ans.A l’époque,Sagemtravaille
alors sur le développement d’un capteur per-
mettant de mesurer la position des papillons de
carburateurs dans les moteurs automobiles.Il
propose un cahier des charges au laboratoire,
qui explore alors les différentes techniques uti-
lisables.En raison de son faible coût et de sa
robustesse,la solution magnétique s’impose.
Il faut dire que la méthode avait déjà des
antécédents dans le domaine de l’automo-
bile. Elle est par exemple utilisée dans les
capteurs de position des volants (notamment
pour détecter les brusques changements de
direction et éviter que le véhicule ne parte en
tête à queue),ou dans les systèmes de frei-
nage de type ABS.
Pour développer son capteur, le laboratoire
part sur une idée bien précise : utiliser un
principe différentiel pour
s’affranchir des para-
mètres qui perturbent la
mesure. Il réalise alors
plusieurs essais, puis
choisit une conception
mécanique originale lui
permettant d’atteindre cet
objectif.
Un flux qui se
sépare en deux
Le principe est relative-
ment simple… mais
encore fallait-il y penser.
Le capteur est schémati-
quement constitué de
deux anneaux enserrant
un aimant permanent
mobile (en réalité, il y a
un léger entrefer entre
▼
Codeurs absolus ou incrémentaux, potentiomètres, capteurs capacitifs, inductifs… pour mesurer une position angulaire, il
n’y a que l’embarras du choix. Mais lorsqu’on recherche des capteurs sans usure (donc sans contact), robustes et peu coû-
teux, le principe magnétique s’impose. Si l’effet Hall, la magnétostriction et la magnétorésistance ont fait leurs preuves
depuis de nombreuses années, il apparaît régulièrement de nouveaux capteurs qui en combinent les avantages. C’est ainsi
que le Laboratoire d’Electrotechnique de Grenoble a développé un capteur angulaire basé sur des cellules à effet Hall et une
conception mécanique originale permettant de s’affranchir de toutes sortes de paramètres…
L’essentiel
Grâce à leur robustesse et à
leur faible coût, les cap-
teurs magnétiques sont
couramment employés
dans le domaine industriel,
notamment pour des
applications de mesure de
position angulaire ou
linéaire.
Le Laboratoire d’Electro-
technique de Grenoble a
conçu un nouveau type de
capteur de position angu-
laire à aimant permanent
Basé sur un principe diffé-
rentiel et un aimant tour-
nant, il permet de s’affran-
chir des effets de la
température et d’éventuels
jeux mécaniques.
MESURES DE POSITION
Quand l’effet Hall
et un aimant tournant
mesurent une
position angulaire
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l’aimant et les deux anneaux). L’aimant, en
forme de demi-anneau, est solidaire de
l’arbre dont on mesure la position angulai-
re (voir schéma).L’ensemble forme une sor-
te de “bague” constituée de trois anneaux,
deux fixes et un mobile.
Imaginons alors que l’arbre est en rotation.
Dans son mouvement, il met l’aimant en
rotation entre les deux anneaux fixes,autour
de l’axe du capteur.
Le flux magnétique,qui traverse l’aimant sui-
vant la direction axiale du capteur, arrive dans
l’anneau supérieur puis se referme via l’an-
neau inférieur.
Mais l’anneau supérieur n’est pas tout à fait
complet : à son milieu, il est coupé par un
entrefer. Lorsque le flux magnétique y par-
vient,il doit donc se séparer de part et d’autre
de cette coupure… Et c’est là qu’intervient la
position angulaire de l’aimant.C’est elle,en
effet,qui va déterminer la répartition du flux.
Si la position angulaire de l’arbre est telle que
l’aimant est centré par rapport à l’entrefer,le
flux sera également réparti entre les deux
branches de l’anneau supérieur.Si au contrai-
re l’aimant est décentré par rapport à l’en-
trefer,deux flux différents B1 et B2 vont être
générés dans chacune des branches...
L’angle de déplacement de l’aimant (et donc
la position angulaire de l’arbre en rotation)
détermine donc la valeur des champs B1 et
B2.Ensuite,il n’y a que des relations logiques.
Quelle que soit la position de l’aimant, la
somme des flux est constante (puisqu’elle
est égale au flux total généré par l’aimant),et
ils varient tous deux linéairement, en sens
opposé : si l’un augmente, l’autre diminue
d’autant, et réciproquement… Les courbes
représentant les variations des deux flux en
fonction de la position angulaire de l’aimant
sont donc deux droites se croisant au point
d’équilibre où B1 et B2 ont la même valeur
(position où l’aimant est centré par rapport
à l’entrefer).
Reste à mesurer ces champs magnétiques.Pour
cela,deux cellules à effet Hall sont placées au
niveau de l’entrefer principal (celui par où
passe le champ magnétique pour rejoindre
l’anneau inférieur). Leur tension de sortie,qui
est proportionnelle au courant d’alimentation
et au champ magnétique qui les traverse,per-
met alors de mesurer B1 et B2.
Mais pas directement… Si c’était le cas, la
mesure serait aussitôt affectée par tous les
paramètres (la température, par exemple)
dont on cherche justement à s’affranchir.
C’est alors que se justifie le principe diffé-
rentiel. Au lieu de mesurer les champs
magnétiques B1 et B2,les cellules à effet Hall
mesurent le rapport :
S = (B2-B1) / (B1+B2)
Pour cela,le courant d’alimentation des cel-
lules à effet Hall est asservi sur la somme des
flux B1 et B2. Le signal de sortie est alors
directement proportionnel au rapport S.
L’intérêt d’une telle mesure différentielle,c’est
qu’elle rend le capteur insensible à toutes
sortes d’effets parasites. La température,
notamment.Lorsqu’elle varie,B1 et B2 aug-
mentent ou diminuent mais le rapport S,lui,
reste toujours constant.Il en est de même des
éventuels jeux mécaniques ou des défauts
d’alignement du capteur.Si l’aimant se déca-
le légèrement entre les deux anneaux qui l’en-
tourent,le flux sera moins important sur l’une
des deux branches, alors qu’il augmentera
dans l’autre.En calculant B1 et B2 séparé-
ment,on ne peut pas compenser cette erreur.
En revanche, même si l’aimant se décale, la
somme des flux est toujours constante. Le
rapport Sn’est donc pas affecté…
Ce capteur (et notamment sa conception
géométrique et son principe de mesure dif-
férentiel) fait désormais l’objet d’un brevet.
Ses autres caractéristiques sont plus classiques.
Comme la plupart des capteurs basés sur un
Type de capteur Principe Principales caractéristiques
Résistif Variation de résistance électrique Simple, peu onéreux et compact,
par déplacement d’un curseur mécanique mais durée de vie relativement faible (usure)
Magnétorésistif Variation de résistance par action Sans contact, sans usure. Risques de perturbations
d’un champ magnétique externe par des champs magnétiques externes
Capacitif Variation de capacité par déplacement Ne fonctionne que pour de très faibles entrefers
relatif de deux armatures
Magnétostrictif Variation des propriétés magnétiques Permet d’exploiter la magnétostriction en torsion
d’un barreau en fonction des contraintes (effet Wiedemann) pour réaliser par exemple
appliquées des capteurs de couple
Effet Hall Variation du flux magnétique en fonction Sans contact, sans usure. Risques de perturbations
de la géométrie du circuit associé par des champs magnétiques externes
Inductif Variation d’inductance suite à l’application Très simple et peu onéreux
d’une contrainte extérieure
Optique Principe photoélectrique Très répandu, précis, mais demande
un environnement propre
La mesure de position, une question de “principes”…
Mesure des flux B1 et B2
Entrefers
Parties fixes
Aimant en rotation
Champs magnétiques
Position angulaire
par des capteurs à effet Hall
Principe du capteur angulaire à aimant tournant
Le capteur angulaire est constitué de deux anneaux fixes enserrant un aimant mobile.Le flux traversant l’aimant se sépare au niveau de l’entrefer,générant deux
champs B1 et B2 qui varient,en sens opposé,suivant la position angulaire de l’aimant.
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principe magnétique,sa résolution est élevée et
sa précision n’est limitée que par les effets
d’hystérésis présents dans les pièces du circuit
magnétique.Le prototype a par ailleurs été tes-
té avec succès jusqu’à des vitesses de rotation de
l’ordre de 6 000 t/min.En termes de tempé-
rature, il n’y a pas de limite théorique (sauf
celle de l’aimant permanent, qui est utilisable
jusqu’à plus de 400 °C).Quant au coût,il est
de l’ordre de quelques euros…
Grâce à ces avantages,le capteur est déjà utili-
sé dans certaines applications industrielles.Il a
notamment été homologué pour la mesure
de position des gouvernes d’avions dans le
domaine aéronautique.
Ses limites sont celles de tout capteur de posi-
tion magnétique :la nécessité d’utiliser un arbre
magnétique et des matériaux dotés d’un faible
champ coercitif,et la sensibilité du capteur aux
champs magnétiques externes…
Depuis la construction de ce capteur,le Labo-
ratoire d’Electrotechnique de Grenoble a exploité le
même principe pour réaliser un capteur de
position linéaire. Il travaille également sur
des capteurs de position sans contact fonc-
tionnant cette fois-ci par saturation locale de
matériaux magnétiques :la mesure de posi-
tion est donnée par la variation d’inductan-
ce liée à la saturation partielle d’un circuit
magnétique par un aimant en déplace-
ment… Ce capteur n’est pas encore indus-
trialisé mais une chose est sûre en tout cas :
les capteurs magnétiques n’ont pas encore
fini de faire parler d’eux.
MLZ*
*Article rédigé à partir de documents de Jean-Paul Yonnet,
directeur de recherche au Laboratoire d’Electrotechnique
de Grenoble (UMR CNRS 5529).
Le capteur angulaire du Laboratoire
d’Electrotechnique de Grenoble a été présenté
lors du colloque annuel de l’Aratem (Agence
Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Technologies
de Mesure), qui s’est tenu le 14 octobre der-
nier à Champagne au Mont-d’Or (69). Près de
120 industriels et chercheurs s’y sont rassem-
blés autour d’un thème fédérateur : la mesu-
re sans contact.
Parmi les sujets abordés, la mesure de tem-
pérature sans contact, les dernières technolo-
gies de capteurs sans fil, ou encore l’imagerie
dans le domaine des mesures dimension-
nelles et du contrôle non destructif.
Cette année, l’Aratem a aussi profité de cette
journée technique pour annoncer la création,
par le Pôle Traçabilité (qu’elle a fondé en
2001) du “Centre de démonstration des nou-
velles technologies de la traçabilité” à
Valence. Un espace de 300 mètres carrés
conçu notamment pour promouvoir l’identi-
fication par radiofréquences (RFID) auprès
des industriels.
Rens. : Aratem
26, rue Barthélémy de Laffemas - 26000 Valence
Tél. : [phone] - Fax : [phone]
http://www.aratem.org
http://www.tracabilite-rfid.com
Aratem 2004 : une journée pour la mesure sans contact
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