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LES CAPTEURS - Généralités
1. Définition et rôle
Un capteur est un dispositif qui, soumis à l’action d’unegrandeur physique, fournit un signal pour la partiecommande.
Dans quelques cas, ce signal est pneumatique, mais dans lagrande majorité des cas, cette information se fait parl’intermédiaire d’un signal électrique.
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2. Structure fonctionnelle d’un capteur
Le terme capteur est générique, englobant le corps d’épreuve qui capte une grandeurphysique à mesurer (vitesse, température, débit, pression …) ou détecte un état (présence,niveau haut – niveau bas) et le transducteur-adaptateur qui transforme la grandeurphysique captée en un signal de sortie transmis à la partie commande via une liaisonphysique (câble électrique, fibre optique …) ou immatérielle (ondes radio…)
En fonction du signal de sortie du capteur, la terminologie est la suivante :
Détecteur pour un signal de sortie logique (TOR : Tout Ou Rien – LOG : LOGique0 ou 1)Codeur pour un signal de sortie numérique (NUM : signal constitué de plusieurssignaux logiques émis simultanément (liaison parallèle) ou d’un signal logique (traind’impulsions logiques sur une liaison série) et qui nécessite un traitementnumérique de la P.C.)Capteur pour un signal de sortie analogique (ANA).
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3. Les familles de capteurs
Il existe un très grand nombre de capteurs différents, chacun adapté à un typed’application, de mesure ou d’actionneur.
La famille la plus fournie est celle des détecteurs de présence. On distinguera lesdétecteurs par contact et les détecteurs de proximité.
Pour détecter la position d’un mobile ou mesurer son déplacement, on utiliseraprincipalement des codeurs optiques.
Autres familles :
Capteur de vitesse,Capteur de température,Capteur de pression,Capteur de débit,Capteur de force / couple,Capteur de vibration /acoustique,…
Capteur àultrason à
fourche
Codeur incrémental
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LES CAPTEURS – Détection par contact
1. Les détecteurs de présence par contact
Ces capteurs sont aussi appelés « interrupteurs de position ». Ce sont des commutateursactionnés par le déplacement d’un organe de commande.
Lorsqu’il sont actionnés, ils ouvrent ou ferment un ou plusieurs circuits électriques oupneumatiques.
De nombreuses versions existent en fonction de l’usage prévu pour leur utilisation(encombrement, nature du mouvement à prendre en compte…)
Le signal de sortie est TOUT ou RIEN
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2. Exemples d’utilisation
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LES CAPTEURS – Détection sans contact
Les capteurs pour la détection sans contact sont très répandus. On les utilise chaque foisqu’il est nécessaire de détecter la présence d’un élément sans contact physique avec lui.
Avantages de la détection sans contact :
Pas de contact physique avec l’élément détecté,Pas d’usure,Possibilité de détecter des objets fragiles, fraichement peints…
On distingue 6 familles de détecteursde proximité électriques :
Détecteurs inductifs,Détecteurs capacitifs,Détecteurs magnétiques,Détecteurs photoélectriques,Détecteurs à effet hall,Détecteurs à ultrasons.
Pour des usages particuliers, il existe des détecteursde proximité pneumatiques (aussi appelé capteur àfuite).
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LES CAPTEURS – Détecteurs Inductifs
Ces détecteurs fonctionnent grâce à la variation d’unchamp électromagnétique perturbé par la proximitéd’un objet métallique.
La distance de détection varie de 1 à 60 mm selon letype de capteur, les conditions d’utilisation et lanature de l’objet à détecter (acier, aluminium, cuivre…)
Ils supportent bien les ambiances humides oupoussiéreuses.
Objet non détecté Objet détecté
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Principe de fonctionnementUn détecteur inductif se compose essentiellement d’un oscillateur dont les bobinagesconstituent la face sensible du capteur. Ainsi, à l’avant du capteur, un champ magnétiquealternatif est créé (comme s’il s’agissait d’un aimant dont la polarité changerait enpermanence.
Lorsqu’un objet est placé dans ce champ, il développe à sa surface des courants induits quicontrarient le champ magnétique initial et provoque l’arrêt des oscillations.
Un circuit électronique placé à l’intérieur du capteur détecte cette modification et délivrealors un signal de sortie.
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LES CAPTEURS – Détecteurs Capacitifs
Ces capteurs détectent des matériaux de toute nature (verre, matière plastique, métaux,liquides, poudres…). Ils sont plus spécifiquement employéspour détecter des éléments non conducteurs (non détectéspar des capteurs inductifs).
Ils sont très sensibles aux modifications del’environnement (saletés, poussières). Leur distance dedétection est faible (quelques millimètres). Ils sont doncdélicats à mettre en œuvre et ne seront employés quelorsqu’il n’est pas possible d’utiliser une autre technologie.
Ordres de grandeur des distances de détection :
Carton : 4 mm Acier : 10 mmBois : 4 mm Verre : 7mmEau : 10 mm PVC : 6 mm
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LES CAPTEURS – DétecteursMagnétiques
Les détecteurs magnétiques (aussi appelés interrupteurs à lame souple ou I.L.S.) sont deplus en plus employés dans lessystèmes automatisés.
Ils sont directement fixés sur le corpsdu vérin dont le piston comporte unaimant (gain de place et simplicitéd’utilisation).
Lorsque l’aimant passe à proximité ducapteur, le contact électrique se ferme et l’information est donnée à la partie commande.
Lorsque l’aimant s’éloigne du capteur, le contact s’ouvre et le circuit n’est plus établit.L’information disparait.
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Remarque :
Il faut noter que l’information n’est pas acquiseau niveau de l’effecteur ou de la matièred’œuvre mais au niveau de l’actionneur (positionsextrêmes).
La partie commande est donc informé de laposition du piston du vérin et non du travail réelqu’il a effectué sur la matière d’œuvre : si l’outilmanipulé est brisé, le travail n’est pas réalisémais la tige du vérin est pourtant sortie.
On rencontre aussi ces détecteurs dans les systèmes deprotection des habitations : alarme d’ouverture de porte.
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LES CAPTEURS – DétecteursPhotoélectriques
Un détecteur photoélectrique est constitué d’unémetteur (qui est généralement une diodeélectroluminescente) et d’un récepteur de lumière(généralement un phototransistor).
Il délivre une information chaque fois que le faisceaulumineux est interrompu par un obstacle (objetopaque). Le récepteur détecte la coupure de cefaisceau.
Si l’émetteur et le récepteur sont dans le mêmeboitier, le faisceau lumineux doit être renvoyé par unréflecteur ou par l’objet à détecter (objetréfléchissant).
Ils sont de technologie électronique.
Afin de rendre le dispositif insensible à la lumièreambiante, l’émission de lumière se fait à fréquence fixe(infrarouge par exemple).
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1.Les différents procédés de détection
a) Le système « reflex »
L’émetteur et le récepteur sont dans le même boitier. Le faisceau lumineux estréfléchit par un réflecteur.
La portée peut aller jusqu'à 10 mètres.
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b) Le système « barrage »
L’émetteur et le récepteur sont de part et d’autre de l’élément à détecter quicoupera le faisceau lumineux. La portée peut aller jusqu’à 30 mètres
Ce système est adapté aux environnements difficiles.
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c) Le système «de proximité »
L’émetteur et le récepteur sont dans le même boitier. C’est l’objet qui assure laréflexion du faisceau lumineux.
La cible doit être réfléchissante et la portée de l’ordre de 1,5 m (variable selon lepouvoir réfléchissant de l’objet et de sa couleur).
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2.Les détecteurs à fibre optique
Ce sont des détecteurs photoélectriques constitués d’unémetteur et d’un récepteur déportés par rapport aupoint de détection.
Les rayons lumineux sont véhiculés par des fibresoptiques dont le cœur est en plastique ou en verre.
Ils permettent de détecter des pièces de très faiblesdimensions ou lorsque l’accessibilité à la zone decontrôle est problématique (peu de place).
Ils peuvent être utilisés en barrage ou de proximité. Lediamètre des fibres optiques étant faible (de l’ordre de2 mm), la portée sera réduite : 20 mm en proximité et300 mm en barrage.
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LES CAPTEURS – Capteurs à effet HALL
1.Définition et rôle
Un capteur à effet Hall est capable dedétecter la présence d’un champ magnétiqueou sa variation.
Il est utilisé pour détecter la présence d’un aimant ou, équipé d’unaimant permanent, pour détecter la modification du fluxmagnétique lors du déplacement d’un objetmétallique.
Il est fréquemment employé dans les applications demesure de vitesse associé à une roue dentée.
2.L’effet Hall
Découvert en 1879 par Edwin HALL, cet effet setraduit par la création d’une différence de potentielsur les bords latéraux d’un conducteur parcouru par un courant électrique et soumis àun champ magnétique.
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3.Capteur à fourche
Ce capteur est muni d’un aimant permanent. Le passage d’une dent d’une roue métalliquemodifie l’influence du champ magnétique et par conséquent la valeur de la tension deHall.
Le capteur met en forme le signal de sortie sous forme d’un train d’impulsions quipermet de déterminer la vitesse de rotation del’élément mobile.
4.Capteur pour rouedentée
Certains modèles peuventdétecter le passage d’une rouedentée.
Ils sont utilisés, par exemple,pour contrôler la rotation d’unengrenage.
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5.Exemples réels
Jeu de 2 capteurs et aimantspour déterminer la vitesse et lesens de rotation de la rouedentée blanche.
Capteur à fourche et disquemétallique permettant dedéterminer la vitesse derotation.
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LES CAPTEURS – Détecteurs à ultrasons
1. Utilisation
Les détecteurs à ultrasonspermettent de détecter sans contacttout objet quel que soit :
Le matériau (métal, plastique,bois, carton…),La nature (solide, liquide,poudre…),La couleur,Le degré de transparence.
Ils sont utilisés dans les applications industrielles pourdétecter par exemple :
La position ou la présence des pièces,Le passage d’objets sur des convoyeurs :bouteilles en verre, emballages cartonnés,gâteaux…,Le niveau :
o De peinture de différentes couleurs dansdes pots,
o Des granulés plastiques dans des trémiesde machines d’injection…
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2. Principe de fonctionnement
Le principe de la détection à ultrasons est basé sur la mesure du tempsécoulé entre l’émission d’une onde ultrasonique (onde de pression) et laréception de son écho (retour d’onde émise).
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Excité par le générateur haute tension, le transducteur (émetteur-récepteur) génère uneonde ultrasonique (de 200 à 500 kHz) qui se déplace dans l’air ambiant à la vitesse du son.Dès que l’onde rencontre un objet, une onde réfléchie (écho) revient dans letransducteur.
Un microcontrôleur analyse le signal reçu et mesure l’intervalle de temps entre le signalémis et l’écho.
Par comparaison avec les temps prédéfinis, il détermine l’état des sorties. L’étage desortie contrôle un contact NO ou NC (détection d’objet).
3. Avantages de détection à ultrasons
Pas de contact physique avec l’objet, donc pas d’usure etpossibilité de détecter des objets fragiles, fraichementpeints, chauds…
Détection de tout matériau, quelle que soit sa couleur,à la même portée, sans réglage ou facteur decorrection,Très bonne tenue aux environnements industriels,Pas de pièces en mouvement au sein du détecteur,donc durée de vie indépendante du nombre de cyclede manœuvres,Puisque le détecteur mesure le temps de propagationde l’onde émise par la source puis renvoyée parl’objet, possibilité d’évaluer l’éloignement (quelquesoit la distance, de 1 ou 2 cm à plus de 10 m),Certains détecteurs disposent d’une fonctiond’apprentissage par simple appui sur un bouton pourdéfinir le domaine de détection effectif.Apprentissage de la portée minimale et maximale.
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LES CAPTEURS – Les codeurs optiques
L’évolution des systèmes deproduction conduit à un besoincroissant d’informations de position,de vitesse ou de déplacement desparties mobiles à tout instant duprocessus et non uniquement en finde course.
Les détecteurs de position et de finde course qui ne délivrent que desinformations binaires (tout ou rien)ne peuvent répondre à ces besoins.
Les codeurs permettent de fournir àla partie commande électronique(automate programmable, carte decontrôle…) des informations de position ou de déplacement précises.
Le codeur optique est lié mécaniquement à un arbre qui l’entraine en rotation. Ce sontdes informations sur la rotation de cet arbre que l’on souhaite connaitre (valeur ou vitessede la rotation, nouvelle position angulaire atteinte…)
Le codeur émet divers signaux électriques à destination de la partie commande chargéede les exploiter et de leur donner un sens (par décodage, comptage, mesure de la fréquence…)
Sur le système PALETTICC,le codeur permet deconnaitre la vitesse et lahauteur de la pince.
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1.Principes de fonctionnement
Tous les codeurs optiques exploitent des principes de fonctionnement similaires.
Ils sont constitués d’un disque comportant des zones opaques et des zones translucides.Le nombre de ces zones et leur disposition dépendent de la nature du codeur et du typed’information que l’on souhaite obtenir.
Des diodes électroluminescentes (LED) émettent une lumière qui peut traverser leszones transparentes. Des phototransistors, situés de l’autre coté du disque en regarddes LED, captent cette lumière lorsqu’ils sont face à une ouverture et délivrent unsignal électrique, image de la présence de cette ouverture.
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2.Les types de codeurs optiques
Il existe deux principaux types de codeurs optiques :
Les codeurs incrémentaux qui délivrent une information de déplacement angulairedu disque sous forme d’un train d’impulsions.
Les codeurs numériques de position pour lesquels chaque position du disquecorrespond à une valeur numérique différente identifiable par la partie commande.
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1.Présentation
Le codeur incrémental est destiné à des applications oùl’information de position est obtenue par mesure dudéplacement de l’objet. Le codeur délivre un train d’impulsionsdont le nombre permet de déduire le déplacement et dont lafréquence est proportionnelle à la vitesse de déplacement.
Il est constitué d’un disque comportant deux pistes : A et Z.
Pour un tour complet de l’axe du codeur, la partie commande reçoit autant d’impulsionsélectriques qu’il y a de fenêtres, dont la durée dépend de la vitesse de rotation dudisque.
Piste intérieure (Z : top0), qui ne comporte qu’uneseule fenêtre et qui nedélivre qu’un signal partour du disque. Ce « topzéro » permet deréinitialiser et deconnaitre une positiond’origine.
Piste extérieure (A),divisée en intervallesd’angles égaux,alternativement opaqueset transparents. C’est lenombre de fenêtres ainsicréées qui détermine larésolution du capteur.
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2.Particularités de fonctionnement
Le codeur incrémental possède trois tètes de lecture :
Une tête de lecture est affectée à la piste intérieure et délivre une impulsion par tour,permettant à la partie commande de compter le nombre de tours effectués par le disque.
Deux têtes de lecture sont placées sur la piste extérieure. Chaque tête, prise isolément,permet à la partie commande de déterminer l’angle de rotation du disque en comptantle nombre d’impulsions reçues.
Les deux têtes sont décalées l’une par rapport à l’autre d’un quart de largeur de fente.Ainsi, les signaux émis sont décalés dans le temps. La partie commande, en détectantquelle voie change d’état le premier peut déterminer le sens de rotation du disque.
Le front montant de la voie vertese présente avant celui de la voie
rouge.
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1.Présentation
Le codeur numérique de position est destinéà des applications pour lesquelles onsouhaite obtenir l’information de positionsans traitement par la partie commande.
Il est constitué d’un disque comportantplusieurs pistes concentriques et d’unetête de lecture par piste. Le nombre depistes détermine le nombre de positionsdifférentes qui peuvent être définies àl’intérieur d’un tour du disque. Les codeursindustriels comportent jusqu’à 24 pistes.
La partie commande reçoit directement un codenumérique sur n bits (n étant le nombre depistes), image de la position du disque à uninstant donné.
A l’intérieur d’un tour du disque, cetteinformation est donc une information absolue (àla différence d’un codeur incrémental qui nedélivre qu’une information de déplacement parrapport à une origine qu’il a fallu définir aupréalable). Dans l’exemple illustré dans la pagesuivante, il y a 5 pistes, donc 32 positionsdifférentes du disque.
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2.Fonctionnement et codage utilisé
Les pistes du disque sont réalisées en utilisant le code Gray (binaire réfléchi) à la place dubinaire pur. L’avantage d’un tel codage est que d’une position à la suivante, un seul bitchange d’état. Ainsi, tout changement d’état perçu par la partie commande correspondréellement à un changement de position du disque (si l’alignement des têtes de lecturen’est pas parfait ou si certains phototransistors sont moins sensibles que d’autres, desretards de changement d’état ne seront pas interprétés comme des positions aberrantesdu disque – ce qui serait du binaire pur).
Le choix d’un tel codage conduit à prévoir un traitement numérique pour la partiecommande si des calculs sont nécessaires.
Afin de faciliter la fabrication du disque, les pistes dont la gravure est la plus fine sont àl’extérieur et les pistes comportant de grandes zones translucides sont à l’intérieur.
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LES CAPTEURSPressostats et Vacuostat
Le pressostat, ou manocontact, est un capteur qui délivreune information lorsque la pression qui lui est appliquéeest supérieure à un seuil déterminé. Ce seuil peut êtreréglable.
Un signal pneumatique appliqué sur l’entrée de pilotageapplique une pression sur une membrane ou un piston quicommande la fermeture du contact électrique. Lorsquele signal pneumatique est annulé, un ressort ramène lecontact en position repos.
La pression minimale pour actionner le contact dépend de l’effort duressort.
Cet effort est parfois réglable afin que le contact ne se ferme qu’au-delà d’une pression choisie.
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Il existe un grand nombre de pressostats selon l’usage que l’on souhaite en faire (présenced’une pression, seuil de pression atteint ou dépassé, pression entredeux seuils, comparaison avec une pression de référence oucomparaison avec la pression atmosphérique…)
Par ailleurs, ces capteurs fonctionnent dans des plages depressions définies par construction (0 – 2 bars, 0 – 10 bars parexemple). Certains de ces pressostats peuvent fonctionner avec despressions négatives : ils jouent alors le rôle de vacuostats.
L’électronique miniature permet aujourd’hui de proposer des capteurs « programmables » :une fonction d’apprentissage permet, dans une phase d’étalonnage, d’indiquer au capteurquelle est la pression de seuil à prendre en compte. Une fois l’étalonnage effectué, lapression de seuil est mémorisée et sert de référence.
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Le vacuostat est un capteur qui détecte la présenced’une dépression dans une installation.
Le contrôle de la présence du vide se fait de manièredifférentielle : le capteur délivre l’information lorsquel’écart entre la pression appliquée et une pression deréférence dépasse un seuil réglé. Si la pression deréférence est la pression atmosphérique, le capteur peutdétecter une dépression.
La plage de dépression contrôlée peut varier de -0,2 à -1bar.
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LES CAPTEURS
Guide de choix
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