PRINCIPAUX CAPTEURS

PRINCIPAUX CAPTEURS
Un capteur est un objet technique de prélèvement de l’information qui réalise une
mesure du contenu informationnel d’une grandeur physique. Sa fonction globale est
de convertir une grandeur physique à mesurer en une autre grandeur physique, accessible aux sens humains ou adaptée pour être transmise par un réseau à un système de traitement de l’information (grandeur électrique).
La tendance actuelle est d’associer directement au niveau du capteur des éléments
assurant l’adaptation de la grandeur physique de sortie (image de l’information mesurée). On parle alors d’intégration ou de « capteur intelligent ».
I- Structure d’un capteur
Grandeur
physique
à mesurer
Alimentation
en énergie
Réseau ou bus
de terrain
Capteur
Corps
d’épreuve
Elément
sensible
Conditionnement
du signal
Communication
Acquisition
Grandeur
physique
intermédiaire
Grandeur
physique
mesurable
Echange
des données
selon un protocole
Le corps d'épreuve est l'élément influencé par la grandeur physique à mesurer. Il
convertit cette grandeur en une autre grandeur physique intermédiaire, très souvent
un déplacement.
L’élément sensible convertit cette grandeur en une grandeur mesurable, le plus souvent une grandeur électrique.
Le circuit qui assure le conditionnement du signal, sert à traiter la grandeur mesurable pour délivrer un signal de sortie ayant des caractéristiques spécifiées. Les fonctions assurées peuvent être multiples de la simple mise en forme et adaptation du
signal à un traitement élaboré de corrections des grandeurs d’influence.
Les fonctions principales d’un capteur se déduisent de sa structure :
 FS1 : recevoir la grandeur source
 FS2 : convertir la grandeur source en une grandeur mesurable
Principaux capteurs
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 FS3 : être alimenté en énergie
 FS4 : être lié à un support
Exemple : Etude fonctionnelle d’un anémomètre.
Vitesse
du vent
Saisir
Energie électrique
Rotation des
Signal
aimants
électrique
Turbine à godets
Convertir
Contact électrique
Trois aimants permanents solidaires de la girouette provoquent, par tour, trois fermetures successives du contact électrique.
II- Classification
Plusieurs classifications sont possibles. On peut citer :
II-1 Classification par la nature du signal de sortie
 Capteurs logiques ou capteurs TOR : Le signal de sortie ne présente que deux niveaux
 Capteurs analogiques : le signal délivré est la traduction de la loi de variation de la
grandeur physique mesurée
 Capteurs numériques : le signal est codé au sein du capteur.
II-2 Classification par la grandeur physique mesurée
Parmi les capteurs les plus courants, on distingue :
 les détecteurs TOR ou de proximité, pour la commande séquentielle
 les capteurs de déplacements et de vitesse pour la commande d’axe
 les capteurs de température, de débit et de pression pour la commande de processus continus.
III- Détecteurs de proximité
Ces capteurs sont principalement utilisés dans les systèmes séquentiels. Ils délivrent
une information sur la présence ou l’absence d’un élément. Ces capteurs sont appelés également « capteurs TOR ». Ce ne sont ni des capteurs de déplacement, ni des
capteurs de position, ni des capteurs tachymétriques.
III-1 Détecteurs mécaniques à contact
Une action mécanique directe permet de fermer ou d’ouvrir un ou plusieurs contacts
électriques.
Principaux capteurs
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La gamme des interrupteurs de position est très étendue.
III-2 Détecteurs de proximité capacitifs
III-2-1 Principe de fonctionnement
Un détecteur de proximité capacitif est principalement constitué d’un oscillateur dont
le condensateur est formé par deux électrodes placées à l’avant de l’appareil.
Electrode
Champ électrique
Oscillateur
CLICK!
Mise en forme
Objet
Etage de sortie
Air r = 1
C = C0
Electrode
Oscillateur
Mise en forme
Etage de sortie
Air r > 2
C = C1
Dans l’air ( r 1) , la capacité du condensateur est Co. r est la constante diélectrique, elle dépend de la nature du matériau. Tout matériau dont r 2 sera détecté.
Principaux capteurs
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Lorsqu’un objet de nature quelconque ( r 2 ) se trouve en regard de la face sensible du détecteur, ceci produit une augmentation de la capacité et l’arrêt des oscillations.
III-2-2 Avantages
 Pas de contact avec l’objet à détecter
 Cadences de fonctionnement élevées
 Pas de pièce en mouvement
 Détection d’objets de toutes natures, conducteurs ou non conducteurs tels que :
métaux, minerais, bois, plastique, verre, carton, cuir, ….
III-2-3 Types de détecteurs
a-Détecteurs noyables dans leur support
Ces capteurs sont utilisés pour la détection de matériaux isolants (bois, plastique,
carton, verre, ….)
Les distances de détection sont
relativement faibles. On peut effectuer la détection d’un matériau
non conducteur à travers une
paroi elle-même non conductrice
(détection de verre à travers un
emballage en carton).
a : champ de compensation (élimination de la contamination
extérieure)
b : champ électrique principal
b- Détecteurs non noyables dans leur support
Ces capteurs sont utilisés pour la détection
de matériaux conducteurs (métal, eau, liquides,….). La détection peut s’effectuer à
grande distance du matériau conducteur, à
travers une paroi isolante. On peut également
détecter un matériau non conducteur placé
sur ou devant une pièce reliée à la masse.
Principaux capteurs
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III-3 Détecteurs de proximité inductifs
III-3-1 Principe de fonctionnement
Un détecteur inductif détecte uniquement les objets métalliques.
Il est essentiellement composé d’un oscillateur dont les bobinages constituent la face sensible. A l’avant de la face sensible
est créé un champ magnétique alternatif.
La bobine parcourue par un courant de haute fréquence produit dans l’espace environnant ses extrémités un champ électromagnétique variable. Un objet métallique
placé dans cette zone est le siége de courants induits appelés courants de Foucault.
D’après la loi de Lenz, ces courants s’opposent à la cause qui leur a donné naissance. Il créent une induction dans le sens contraire à l’induction de la bobine ce qui
entraîne une réduction du coefficient d’auto-induction de la bobine excitatrice.
Dans le cas de métaux ferromagnétiques, une perte additionnelle est due à l’effet
d’hystérésis lors de la magnétisation du métal par le champ de la bobine excitatrice.
Dans les deux cas, cela se traduit par un signal d’amplitude réduite au niveau de la
bobine excitatrice. C’est cette baisse d’amplitude qui est détectée par l’analyseur de
signal.
Exemple d’utilisation : capsuleuse de bocaux
Principaux capteurs
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Cames
Capteurs inductifs
Deux cames métalliques sont rapportées sur le vérin rotatif. Deux capteurs inductifs
permettent de connaître les positions extrêmes du vérin.
III-3-2 Avantages
 Pas de contact physique, donc pas d’usure et possibilité de détecter des objets fragiles
 Cadences de fonctionnement élevées
 Très bonne tenue aux environnement industriels
III-4 Interrupteur magnétique à lame souple
Ce capteur est constitué par un boîtier à
l’intérieur duquel est placé un contact électrique
métallique souple sensible au champ magnétique. Lorsque le champ magnétique est dirigé
vers la face sensible du capteur, le contact se
ferme.
N
S
Face sensible
Aimant
permanent
Lignes de
champ
Ce type de capteur est souvent utilisé pour
contrôler la position d’un vérin, un aimant permanent est alors monté sur le piston.
N
S
Principaux capteurs
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Capteur
Capteur
III-5 Détecteurs photoélectriques
Ces capteurs réagissent lorsque le faisceau lumineux est coupé
Système barrage
Système de proximité
Principaux capteurs
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Système reflex
On utilise :
 les détecteurs barrage pour la détection des matériaux opaques
 les détecteurs reflex pour la détection d’objets non réfléchissants
 les détecteurs de proximité pour les objets réfléchissants lisses ou translucides.
IV- Capteurs de position et de déplacement
Résistif
Potentiomètre
Inductif
Transformateur différentiel
Capteur de
déplacement
Synchro-résolver
Capacitif
Surface variable
Epaisseur variable
Codeur de
position
Optique
Incrémental
Absolu
magnétique
Capteur
tachymétrique
Electromagnétique
Dynamo à courant continu
À impulsion
Réluctance variable
Effet Hall
Optique
IV-1 Potentiomètres
Ce sont des composants de faible coût et faciles à mettre en œuvre, mais le principe
de captage de la tension de mesure par un curseur mécanique en limite l’emploi.
Principaux capteurs
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Les potentiomètres sont exécutés selon deux technologies : bobiné et à piste continue en plastique conducteur. Les déplacements en rotation sont possibles sur un
tour ou plusieurs tours, des versions rectilignes sont également disponibles.
Le curseur du potentiomètre est solidaire de la pièce en mouvement dont il est isolé
électriquement. Il frotte sur la piste bobinée ou continue.
La piste du potentiomètre est caractérisée par sa résistance Rn. La tension de mesure vm est acquise entre le curseur C et la borne 0, c’est à dire aux bornes de la
résistance Rx ou R . Pour un potentiomètre alimenté par une source idéale de tension E le résultat suivant est obtenu :
Vm
E Rx ou R
Rn
soit x ou
Vm L ou
E
util
Exemple d’utilisation : Orientation de la roue sur le chariot filoguidé
Potentiomètre
de recopie
Moteur à
courant
continu
On remarque que l’alimentation du moteur à courant continu s’effectue avec deux
fils. Par contre trois fils entrent dans le boîtier du potentiomètre de recopie.
IV-2 Transformateur différentiel
IV-2-a Capteur à entrefer variable
Principaux capteurs
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L’inductance L de ce capteur vaut :
x
Entrefer variable
L
0. N
2
.A
x0
avec
: perméabilité magnétique dans le vide
N : nombre de spires
A : l’aire de l’entrefer
x0 :distance de départ de l’entrefer
0
La variation de l’inductance est donnée
2
par le relation :
dL
0. N
2
2. x
.A
.dx. 1
0
dx
x0
dx
x0
2
....
La sensibilité dl est d’autant plus élevée que x0 est faible. Elle ne peut être considx
dérée constante que pour de très petits déplacements, limités en général à 1 mm.
On peut accroître la sensibilité et réduire la non-linéarité en disposant un noyau et un
bobinage placés symétriquement par rapport à l’armature mobile.
IV-2-b Capteur à noyau plongeur
Ce capteur est un transformateur qui délivre une tension proportionnelle au déplacement d’un noyau ferromagnétique prolongé d’une tige amagnétique dont
l’extrémité est en contact avec l’objet en mouvement.
Le bobinage primaire est alimenté par une tension sinusoïdale dont l’amplitude et la
fréquence sont stabilisées. Deux bobinages secondaires identiques lui sont couplés,
et l’amplitude des tensions induites V1 et V2 varie en fonction de la position du
noyau. C’est la différence Vm V 1 V 2 qui est captée. Elle s’annule pour la position
centrale du noyau Quand le noyau s’éloigne vers une extrémité, l’amplitude de Vm
croît. Au passage par zéro, Vm subit une discontinuité de phase de 180°, sa détection est utilisée pour caractériser algébriquement le déplacement.
Principaux capteurs
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Le noyau et les bobinages, enrobés de résine époxy, n’ont pas de contact physique
entre eux. La quasi-absence de frottement confère à ce capteur une durée de vie
pratiquement illimitée.
Le transformateur peut être rendu étanche et résistant à la corrosion chimique, supporter des pressions élevées (200 bars) ainsi que des températures extrêmes (200°C, 600°C).
Exemple d’application : mesure du déplacement de la membrane de pompe
Mécanisme de
transformation
de mouvements
Pompe
à membrane
Capteur de position
IV-3 Synchro-résolveur
Ce sont des transformateurs à couplage angulaire variable possédant un ou plusieurs enroulements bobinés au primaire et au secondaire. Le rotor modifie en tournant le couplage entre les enroulements statoriques et rotoriques suivant une loi trigonométrique (sinus/cosinus) de sa position. Les bobines du rotor sont accessibles
électriquement soit par un système de collecteur-balais, soit sans contact par
l’intermédiaire d’un transformateur à secondaire rotatif.
Conçus initialement pour des applications aéronautiques civiles et militaires, leur utilisation s’est étendue aux machines outils et aux robots en raison de leur robustesse,
de leur grande précision et de leur fiabilité.
Considérons le cas simple de deux enroulements disposés au stator et au rotor (figure a). L’un, alimenté par une source de tension sinusoïdale, constitue le primaire
du transformateur (indice p). L’autre (secondaire d’indice s) délivre une tension de
sortie aux bornes d’une charge.
Principaux capteurs
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La figure b indique la source de tension équivalente vue des bornes de sortie.
Z ss est l’impédance du secondaire lorsque le primaire est en court-circuit (Vp = 0) et
la tension au secondaire a pour valeur efficace Vs 0 K 0.Vp.sin .
Une synchro-machine est caractérisée par trois bobinages identiques. Un résolveur
comporte deux enroulements identiques mais séparés, en quadrature spatiale.
IV-4 Capteurs capacitifs à surface variable
La position angulaire est mesurée par la variation de capacité d’un condensateur
différentiel constitué par exemple de trois secteurs, deux fixes (S1, S2) et un mobile
Sn couplé mécaniquement au rotor dont on souhaite connaître l’angle de rotation .
La variation des capacités C1 et C2 est détectée par une structure en pont alimentée
par une tension sinusoïdale V.
La tension Ud est égale à la différence des tensions V1 et V2 donc Ud
avec
M l’angle d’ouverture.
M
V
Principaux capteurs
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IV-5- Codeurs rotatifs opto-électroniques
Phototransistor
Disque
LED infrarouge
On distingue deux grandes familles de capteurs :
 les codeurs incrémentaux dont le principe, basé sur le comptage ou le décomptage
de bits, ne permet pas de connaître la position dans l’absolu mais la situe par rapport
à une position de référence.
 les codeurs absolus qui fournissent une information codée sur la position réelle
sans avoir recours à une référence ; un système complémentaire, comportant un
train d’engrenages et un autre disque, indique le nombre de tours de rotation et on
obtient ainsi un codeur absolu.
IV-5-1 Codeur incrémental
Le disque d’un codeur incrémental
comporte 2 types de piste
 une ou plusieurs pistes extérieures (voies A et B) comportant n
intervalles égaux alternativement
opaques et transparents. Le
nombre d’intervalles n définit la résolution ou le nombre de périodes
du codeur
 une piste intérieure comportant
une seule fente, servant de position
de référence et permettant une réinitialisation à chaque tour.
Principaux capteurs
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Signal en sortie du codeur incrémental
Principaux capteurs
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Ie1
Ua1
Ie2
Ua2
Pas de mesure
La deuxième piste permet d’augmenter la résolution du capteur et de déterminer le
sens de rotation du disque :
Rotation horaire
Rotation trigonométrique
Dans le sens horaire, le front montant de A intervient lorsque B = 1
Dans le sens trigonométrique, le front montant de A intervient lorsque B = 0
Principaux capteurs
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L’utilisation d’un codeur incrémental nécessite la mise à zéro du compteur à sa mise
sous tension. Pour connaître le déplacement angulaire , on compte le nombre
d’impulsions et on le multiplie par le pas. Pour connaître la vitesse angulaire, on
compte pendant un temps imparti le nombre d’impulsions que l’on multiple par le pas
et que l’on divise par le temps.
Lors d’une panne électrique, l’information de position est perdue. Il faut effectuer une
initialisation du système.
IV-5-2 Codeur absolu
Le disque d’un codeur absolu comporte n pistes
concentriques divisées en segments égaux alternativement opaques et transparents. A chaque
piste est associé un couple émetteur-récepteur.
La piste intérieure est composée d’une moitié
opaque et d’une moitié transparente. La lecture
de cette piste donne le bit le plus fort et détermine
dans quel demi-tour on se trouve.
La piste suivante est divisée en quatre quarts alternativement opaques et transparents. La lecture de cette piste, combinée avec celle de la piste précédente, permet
de déterminer dans quel quart de tour on se situe.
Les pistes suivantes permettent de déterminer dans quel huitième de tour, seizième
de tour, etc. , on se situe.
Au bout d’un tour complet, le codeur délivre les mêmes valeurs.
Le codeur absolu multitours, outre la position numérique dans un tour, délivre le
nombre de
tours effectués
Exemple d’utilisation : robot
Principaux capteurs
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Réducteur
Moteur à
courant continu
Codeur incrémental
IV-5-3 Codages utilisés
Code binaire
Code Gray
Le code binaire est directement exploitable pour effectuer des calculs mais il
présente l’inconvénient d’avoir plusieurs bits qui changent d’état entre
deux positions.
Exemple :
3
B1
B2
B3
B4
1
1
0
0
4
0
0
1
0
Principaux capteurs
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Le code Gray présente l’avantage de
ne changer qu’un seul bit entre deux
nombres consécutifs
Exemple :
3
B1
B2
B3
B4
0
1
0
0
4
0
1
1
0
La représentation ci-dessous montre les 24 premières valeurs décimales correspondant à la lecture des cinq premières pistes
Un codeur absolu délivre en permanence un code qui est l’image de la position réelle
du mobile à contrôler.
Dès la première mise sous tension ou dès le retour de tension après une coupure, le
codeur délivre une information directement exploitable.
Principaux capteurs
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IV-6 Génératrice tachymétrique
La force électromotrice E induite dans une machine à courant continu est proportionnelle à la vitesse de rotation.
i
L
R
U
E
Schéma électrique équivalent
de l’induit
Pour un flux réglé constant par l’usage d’aimants permanents, à haute stabilité thermique, la tension recueillie entre les deux balais de la machine, fonctionnant en génératrice est directement proportionnelle à la vitesse de rotation. U E R.i L di
dt
Ces machines, de petite taille, sont de conception soignée souvent avec un rotor
sans fer associé à un système balai collecteur en graphite-cuivre. Le circuit magnétique est constitué par un aimant en deux parties, creux, traversé par l’axe rotorique,
associé à un tube ferromagnétique permettant la fermeture des lignes de champ
dans la machine.
Exemple d’utilisation : Mesure de la vitesse du câble support d’un télésiège
Poulie en contact
avec le câble
Transmission du
mouvement par un
système poulies
courroie
(multiplicateur)
Génératrice
tachymètrique
Poulie motrice
entraînant le câble
Principaux capteurs
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IV-7 Capteur tachymètrique à impulsions ou codeurs magnétiques
Ces appareils comportent :
 Un codeur incrémental, optique ou magnétique, délivrant deux trains de signaux
rectangulaires en quadrature
 Une unité de conversion fréquence tension fournissant une tension continue algébrique de valeur absolue proportionnelle à la fréquence des signaux, le signe de la
tension définissant le sens de rotation.
IV-7-1 Capteur utilisant la réluctance
variable
La réluctance des circuits magnétique suivants
varie en fonction de x ou .
l
1
2. x avec
0.S
f
0 perméabilité dans le vide , f la perméabilité relative, l la longueur moyenne des
lignes de champ dans la partie ferromagnétique et S la section constante du tube de
On montre que la réluctance dans le cas a s’exprime par R
flux. L’inductance de ce circuit vaut donc L ( x )
n 2 . 0. S
l
2. x
f
Exemple : capteur pour système de freinage ABS
1 : câble blindé
2 : aimant permanent
3 : corps du capteur
4 : support
5 : noyau en fer doux
6 : bobine
7 : entrefer
8 : roue dentée munie de marque de référence
Principaux capteurs
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IV-7-2 Capteur utilisant l’effet Hall
Une plaquette semi-conductrice à électrons majoritaires est alimentée par une
source de courant continu qui la traverse dans le sens de la longueur. Perpendiculairement aux lignes de courant est appliqué un champ d’induction magnétique crée par
un aimant ou une bobine inductrice.

Les électrons, de charge –q, animés de la vitesse Vn subissent la force de Lorentz



F q.Vn B qui dévie leur trajectoire vers l’un des faces. La face (ABCD) se charge
négativement et, en raison de la neutralité, la face opposée (EFGH) devient positive.
La tension de Hall est donnée par la relation : VH
RH I .B avec RH la constante de
d
Hall
Application : Maquette d’étude de l’équilibre d’un arbre en rotation
Capteur à effet Hall
V- Capteurs de déformation
Aimant
Principaux capteurs
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Jauge de déformation
La résistance ohmique d'un fil conducteur est donné par la relation suivante : R =
.l / s
: résistivité du métal en Ω.m-1
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.
La variation de résistance est mesurée à l’aide d’un pont de Wheatstone.