Quel capteur choisir pour une mesure sans contact

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Quel capteur choisir pour
une mesure sans contact ?

Qu’ils soient placés au-dessus d’un convoyeur ou intégrés à un banc d’essai, les
capteurs de déplacement passent facilement inaperçus. Pourtant, leur rôle est
souvent stratégique. Suivant les cas, ils réalisent des mesures dimensionnelles,
ils contrôlent des positions ou des niveaux, ils mesurent une épaisseur… bref, ils
savent tout faire, ou presque. Mais le choix du “bon” capteur n’est pas si facile.
Suivant les besoins ou les contraintes de l’application, certaines technologies sont
plus adaptées que d’autres. Les capteurs sans contact, par exemple, sont les seuls
à pouvoir contrôler des objets en défilement à haute cadence, mesurer des déplacements rapides, ou contrôler des matériaux fragiles. Reste ensuite à choisir la
technologie la plus adaptée…
L
es capteurs de déplacement sont
utilisés dans de très nombreuses
applications de contrôle industriel.
Suivant les besoins, on les emploie
pour évaluer la qualité dimensionnelle des
produits, pour contrôler des mouvements,
ou encore pour surveiller des niveaux de
remplissage. Pour répondre à chacune de ces
applications, les capteurs doivent s’adapter
aux conditions les plus
variées… et parfois
L’essentiel
aux environnements
les plus hostiles. Ils
 Il existe une grande variété
peuvent être plongés
de capteurs de déplacement
dans l’huile, subir de
sans contact, mais chaque
fortes variations de
technologie a un champ
température ou être
d’applications qui lui est
propre.
exposés à des vapeurs
chaudes. Ils doivent
 Les courants de Foucault,
parfois contrôler des
par exemple, sont privilégiés
dans les environnements
pièces soumises à de
difficiles, tandis que
fortes vibrations, dans
la mesure capacitive est
des champs électroappréciée pour sa précision
magnétiques intenses,
élevée.
ou encore à grande
 La mesure confocale et
distance. Comme soula triangulation laser, quant
vent dans ces cas-là, il
à elles, offrent des vitesses
n’existe pas de technod’acquisition plus faibles,
logie “idéale” pouvant
mais elles conviennent
répondre à l’ensemble
à d’autres matériaux et
des applications. Pour
fonctionnent à plus grande
choisir le capteur le
distance.
plus adapté, il y a donc
34
Courants de Foucault :
la robustesse avant tout
à la valeur de déplacement souhaitée. Le
principal intérêt de la méthode, c’est sa
robustesse. Comme les capteurs à courants
de Foucault ne “voient” rien d’autre que les
matériaux conducteurs électriques, ils sont
insensibles à tout le reste. On peut donc les
utiliser dans les environnements difficiles
(en présence de poussières, d’humidité,
d’huile, etc.). Les capteurs fonctionnent aussi
dans des ambiances où règnent des températures élevées (au-delà de 150 °C) ou s’ils
sont soumis à de fortes pressions. La précision est relativement importante (typiquement jusqu’au dixième de micromètre),
mais la distance de mesure demeure faible
(quelques millimètres).
Reste que la variation d’impédance mesurée
est sensible à de nombreux autres facteurs,
tels que la nature du matériau, son homogénéité, sa conductivité électrique ou encore
son épaisseur. Cette contrainte nécessite de
prendre plusieurs précautions, et en particulier d’étalonner correctement le capteur pour
chaque application, avant d’effectuer les mesures. Malgré cela, les capteurs à courants de
Foucault restent incontournables dans plusieurs types d’applications. On les utilise
généralement lorsqu’il est nécessaire de mesurer des déplacements très faibles à grande
vitesse et dans un environnement difficile.
Grâce à leur robustesse, ils fonctionnent dans
les bancs de test moteur, ou même au cœur
Le principe de la mesure par courants de
Foucault n’est rien d’autre qu’un procédé
inductif. Les capteurs sont constitués d’une
bobine alimentée en courant alternatif. Celle-ci
émet un champ magnétique de fréquence
élevée qui provoque l’apparition de courants
de Foucault dans tout objet conducteur placé
à proximité (c’est la loi d’induction de
Faraday). Le champ généré par les courants
induits engendre une force opposée à celle
de la bobine, et donc une variation d’impédance de cette dernière. Cette variation
dépend entre autres de la distance entre le
capteur et l’objet. En la mesurant, on accède
Les capteurs de déplacement sont souvent utilisés dans un
environnement industriel difficile. La robustesse est
donc un critère important dans le choix du principe de mesure.
de très nombreux critères à prendre en
compte : la robustesse, bien sûr, mais aussi
les caractéristiques métrologiques (précision, résolution, distance de travail…), la
stabilité thermique, la fréquence d’utilisation, etc. Toutes ces variables imposent de
bien connaître les avantages et les restrictions
d’usage des différents procédés de mesure
en fonction des besoins de l’application.
Parmi les nombreux principes de mesure
employés, quatre technologies ont largement fait leurs preuves : les capteurs à courants de Foucault, les capteurs capacitifs, la
triangulation laser et la mesure confocale.
Chacune d’entre elles présente des caractéristiques qui lui sont propres.
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Les capteurs chromatiques confocaux sont privilégiés dans tous les cas où la résolution requise est importante, ou lorsque
la triangulation laser est problématique. On les utilise par exemple pour contrôler la topographie des surfaces,
ou pour réaliser des mesures dans des cavités étroites. Comme la méthode est coaxiale, il n’y a pas de phénomène de zone d’ombre.
des machines-outils (pour vérifier, par
exemple, qu’un outil est correctement placé,
ou qu’un mécanisme de va-et-vient fonctionne bien). Les courants de Foucault pénètrent également les matériaux isolants,
une propriété intéressante lorsqu’on souhaite mesurer la distance entre le capteur et
un métal recouvert d’une couche isolante.
Autre application typique : les bancs d’essai
qui contrôlent automatiquement la qualité
dimensionnelle des soudures sur des pièces
en mouvement. Seuls les courants de
Foucault s’affranchissent en effet des perturbations électromagnétiques liées au robot de
soudage. Le mouvement des bords de soudure peut être mesuré avec une précision de
l’ordre du micromètre, voire mieux.
Le procédé capacitif,
pour une précision élevée
Dans le procédé capacitif, le capteur et l’objet
dont on souhaite mesurer le déplacement
agissent comme un condensateur à plaques.
Lorsqu’un courant alternatif de fréquence
constante traverse le condensateur, l’amplitude de la tension alternative présente au
niveau du capteur est proportionnelle à la
distance entre le capteur et l’objet.
Les capteurs capacitifs se distinguent par une
précision et une résolution particulièrement
élevées. Certains modèles proposés par MicroEpsilon permettent ainsi d’aller jusqu’à
10-10 m, voire mieux. Le procédé s’applique
à tout type de matériau diélectrique, et
même à des matériaux isolants, s’ils viennent
modifier la constante diélectrique du milieu
situé entre les deux électrodes. Dans ce cas,
c’est grâce à un câblage électronique spécifique (et sous certaines conditions) que l’on
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peut détecter cette variation et obtenir un
signal de mesure. Le capteur capacitif fonctionne à des températures élevées (au-delà
de 150 °C) et il n’est pas affecté par les
variations de température, puisqu’elles n’ont
pas d’influence sur le diélectrique. Pour la
même raison, il est aussi opérationnel dans
le vide ou soumis à de fortes pressions, et il
n’est pas influencé par l’hétérogénéité du
matériau. En revanche, il requiert un environnement propre et il est sensible à l’humidité. Autre limitation, une distance de travail
généralement très faible (de l’ordre de 1 ou
2 millimètres).
Les capteurs capacitifs sont privilégiés dans
les applications nécessitant la mesure de très
faibles déplacements à fréquence élevée, avec
une très haute précision. Comme la méthode
n’est pas ponctuelle, on l’utilise également
pour contrôler des matériaux fibreux, ou
toutes sortes de pièces dont la surface est
hétérogène. Autres exemples d’applications,
le contrôle des optiques de réduction utilisées dans la fabrication des microprocesseurs, ou encore la mesure de la déformation
des disques de frein sur bancs d’essai. Pour
connaître la déformation qu’ils subissent lors
d’un freinage, les disques de frein sont en
effet soumis à des vitesses de rotations importantes et à des températures élevées (jusqu’à 600 °C). Il faut donc que le système de
mesure fonctionne à haute fréquence, sans
être influencé par les variations des propriétés
magnétiques ou conductrices de la pièce
sous l’effet de la température. La déformation mesurée étant de l’ordre de 100 micromètres, le capteur doit aussi afficher une
haute résolution. Dans de telles conditions,
seul le capteur capacitif convient.
Dans les capteurs à triangulation laser,
une diode émet un faisceau laser vers l’objet
à mesurer. Le faisceau réfléchi est renvoyé
suivant un certain angle vers le récepteur.
Lorsque l’objet se déplace, l’angle de réception
varie, et avec lui la position du spot lumineux
sur le détecteur.
La triangulation laser :
une mesure à distance
Contrairement aux deux capteurs précédents, basés sur un principe électromagnétique, les capteurs à triangulation laser utilisent un procédé optique. Leur principe est
relativement simple. Une diode émet un
faisceau laser vers l’objet à mesurer. Le faisceau réfléchi à la surface de l’objet est alors
renvoyé suivant un certain angle sur un capteur numérique de type CCD ou CMOS (ou
sur un élément analogique PSD). Lorsque
l’objet se déplace, l’angle de réception du ➜
Les questions à se poser
pour faire son choix
Pour choisir le capteur le plus adapté à l’application, il faut prendre en compte un grand nombre
de critères. Voici quelques questions à se poser :
• Quels sont la plage de mesure et le degré de
précision requis ?
• Sur quoi porte la mesure ?
(déplacement, épaisseur, courbure, etc.)
• De quel matériau se compose l’objet à mesurer ?
(Est-il transparent ? réfléchissant ?
homogène ? etc.)
• Comment la surface de l’objet se présente-t-elle ?
(Y a-t-il un relief important ?
La surface est-elle homogène ?)
• L’objet à mesurer est-il conducteur électrique ?
• A quelle température le capteur sera-t-il utilisé ?
• La température ambiante est-elle constante
ou variable ?
• Dans quel environnement le capteur sera-t-il
employé ? (poussières, humidité, projections
d’huile, vapeurs chaudes, etc.)
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Caractéristiques des différentes méthodes
Principe de mesure
Courants de Foucault
Capacitif
Triangulation laser
Confocal chromatique
Précision
Elevée
Très élevée
Moyenne
Elevée
Résolution
Moyenne
Très élevée
Moyenne
Elevée
Plage de température
• Jusqu’à 40 °C
• Jusqu’à 90 °C
• Jusqu’à 150 °C
• Au-delà de 150 °C
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Non
Non
Non
Oui
Oui
Oui
Non
Encombrement du capteur
Faible
Faible
Moyen
Faible
Robustesse
Elevée
Moyenne
Moyenne
Elevée
Distances de mesure
Faible
Faible
Elevée
Moyenne
Fréquence de mesure
Très élevée
Très élevée
Elevée
Elevée
Type d’objet mesuré :
• Transparent
• Métaux
• Isolant
Non
Oui
Non
Oui (sous conditions)
Oui
Oui (sous conditions)
Oui (sous conditions)
Oui
Oui
Oui
Oui
Oui
Le contrôle s’effectue parfois dans un environnement soumis à de fortes vibrations,
ou à des champs électromagnétiques intenses. De même les capteurs peuvent
subir de fortes variations de température.
➜ faisceau réfléchi varie, et avec lui la position du spot lumineux sur la barrette CCD.
En mesurant cette position, on accède alors
à la distance entre l’objet et le capteur.
La méthode a largement fait ses preuves
depuis plusieurs années. Elle n’est pas aussi
précise que les procédés électromagnétiques,
mais elle offre un avantage de taille : la distance entre le capteur et la surface à mesurer
s’étend de quelques millimètres à un mètre,
voire plus. Une spécificité intéressante, en
particulier lorsque l’objet à mesurer est
chaud ou lorsqu’il est soumis à des mouvements de forte amplitude. Mais cet avantage
constitue aussi le principal inconvénient des
capteurs à triangulation laser. Il faut en effet
veiller à ce que le récepteur puisse toujours
D’autres types de capteurs, avec ou sans contact
Les mesures capacitives, à courants de Foucault,
confocale ou à triangulation laser ne sont pas
les seules méthodes utilisées dans la mesure de
déplacement. D’autres procédés sans contact
ont également fait leurs preuves. C’est le cas, par
exemple, des capteurs magnétostrictifs ou
des capteurs inductifs. Moins coûteux (et moins
précis) que les capteurs à courants de Foucault,
ces derniers conviennent à tout type de
matériau ferromagnétique. Citons également
les capteurs à ultrasons, privilégiés dans
le contrôle de niveaux. Dans les procédés
optiques, on peut citer les capteurs basés sur la
mesure du temps de vol. La mesure est moins
précise que le procédé confocal ou à triangula-
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tion laser, mais elle s’applique à très grande
distance (jusqu’à plusieurs centaines de mètres).
Enfin il existe également plusieurs procédés
optiques basés sur la mesure de front d’onde,
la conoscopie, ou encore l’interférométrie.
Les procédés sans contact confèrent aux
capteurs une fiabilité élevée et une longue
durée de vie. Aucune force n’est exercée sur
le capteur ou sur l’objet à mesurer. Mais il existe
aussi des capteurs de déplacement à contact
tels que les capteurs linéaires de type LVDT,
ou, pour une meilleure précision, les capteurs
intégrant des règles gravées. Chaque méthode,
là aussi, a un champ d’applications qui lui est
propre.
“voir” le faisceau réfléchi. Lors de la mesure
dans des alésages, ou dans tout type de
cavité, cela n’est pas toujours le cas. D’autre
part, plus le capteur est éloigné, moins la
mesure est précise. A grande distance, les
capteurs sont aussi plus encombrants. Enfin
la taille du spot (due au phénomène de
Speckle) limite la résolution spatiale du capteur. Malgré cela, la triangulation laser reste
une méthode ponctuelle autorisant le contrôle d’objet de petite taille. Contrairement
aux capteurs basés sur un procédé électromagnétique, il n’est pas nécessaire d’analyser
de grandes surfaces pour ensuite moyenner
les mesures.
Malgré tout, il y a “laser” et “laser”. Les capteurs à triangulation disponibles sur le marché varient sur une très large échelle de coût.
Un modèle à plusieurs milliers d’euros
n’aura bien sûr pas les mêmes caractéristiques qu’un modèle à 200 euros. Les différences portent essentiellement sur la linéarité
du capteur, ainsi que sur sa capacité à mesurer
des pièces plus ou moins brillantes ou absorbantes. De même, il existe aussi des capteurs à triangulation laser relativement
“basiques” limités à des applications de
détection Tout-Ou-Rien.
La triangulation laser convient à un large
spectre d’applications (les matériaux contrôlés
peuvent être conducteurs ou isolants, leurs
surfaces plus ou moins réfléchissantes, etc.).
Les capteurs sont, par exemple, utilisés dans
l’industrie du bois, pour contrôler le flanc
des troncs d’arbres débités dans les scieries.
Ils sont alors directement intégrés dans les
déligneuses.
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Les capteurs à courants de Foucault sont privilégiés dans
les applications difficiles. Ils sont aussi capables
de réaliser des mesures à travers un matériau plastique.
Dans le principe de mesure capacitive, le capteur et l’objet
remplissent la même fonction que celle des électrodes
d’un condensateur à plaques.
Les capteurs à triangulation laser comptent parmi les modèles les plus fréquemment utilisés dans la mesure de déplacement sans contact. Leur principal
avantage réside dans leur portée élevée. La distance entre le capteur et l’objet à mesurer s’étend en effet de quelques millimètres à un mètre, voire plus.
En revanche, les capteurs sont relativement encombrants (surtout à grande distance).
La mesure confocale,
pour toutes les surfaces
A l’origine réservée au contrôle des états de
surfaces, la mesure confocale à codage chromatique fait aussi partie des procédés optiques utilisés dans la mesure de déplacement.
Le principe consiste à “éclater” le spectre de
la lumière blanche et à faire en sorte que
chaque longueur d’onde corresponde à une
distance entre le capteur et l’objet. En pratique, une source de lumière polychromatique
est transmise au capteur. Les lentilles de ce
dernier sont agencées de telle manière que
le spectre de la lumière est divisé en un
continuum de longueurs d’onde monochromatiques suivant le sens de l’axe optique. Le faisceau lumineux est focalisé sur la
surface de l’objet à mesurer à travers un collimateur. Les couleurs spectrales sont ainsi
focalisées à des distances différentes. Pour la
mesure, le capteur “reconnaît” la longueur
d’onde de la lumière qui se focalise sur l’objet à mesurer. La lumière réfléchie par ce
Les capteurs sont souvent intégrés à des bancs d’essais pour
réaliser des mesures d’épaisseurs, de distances, ou contrôler
toutes sortes de mouvement.
point est en effet reproduite à travers une
structure optique sur un spectromètre qui
identifie les couleurs spectrales reçues.
Chacune d’entre elles correspond à une valeur de distance. Le principe de la mesure
confocale à codage chromatique s’applique
aussi bien à des surfaces réfléchissantes que
transparentes ou diffusantes.
Quelques ordres de grandeur*
Principe de mesure
Courants
de Foucault
Capacitif
Triangulation Confocal
laser
chromatique
Etendue de mesure (EM)
0,4 - 80 mm
0,05 - 10 mm
0,5 - 750 mm
0,12 - 25 mm
Linéarité (% de l’EM)
+/- 0,2
< +/- 0,05
+/- 0,03
< +/- 0,05
Résolution maximale (% de l’EM) 0,00003
0,000075
0,005
< 0,004
Fréquence de mesure
Jusqu’à 100 kHz
Jusqu’à 50 kHz
Jusqu’à 20 kHz
Jusqu’à 30 kHz
Plage de température
De - 0 à 150 °C
De - 50 à 200 °C
De 0 à 55 °C
De 10 à 80 °C
*Valeurs estimées par Micro-Epsilon
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Utiliser la longueur d’onde de la lumière
comme moyen de mesure présente de multiples avantages. Il est possible d’obtenir une
résolution allant jusqu’au nanomètre, tout
en conservant des profondeurs de champ
importantes. D’autre part, la superficie du
spot de mesure est beaucoup plus faible que
celle de la triangulation laser. La méthode
offre donc une résolution latérale très élevée.
Enfin, la mesure est coaxiale. Il n’y a donc
pas de phénomène de zone d’ombre dû au
relief de la surface. Seule limitation, la méthode requiert un environnement sans condensation d’eau, en particulier dans la trajectoire du faisceau.
La mesure confocale est utilisable dans tous
les cas où la résolution requise est importante, ou lorsque la triangulation laser est
problématique. Il est possible, par exemple,
de mesurer l’épaisseur de matériaux transparents à l’aide d’un seul capteur. Le procédé
est aussi utilisé dans l’aéronautique ou le
nucléaire pour effectuer des mesures d’alésages. Il existe également des sondes miniatures pour accéder aux endroits difficiles
d’accès. Autre exemple, Micro-Epsilon a conçu
un banc d’essai pour contrôler par mesure
confocale les installations solaires et les revêtements des écrans d’affichage. Les capteurs,
placés sur une poutre de mesure, survolent
le verre en contrôlant l’épaisseur, la planéité,
et en détectant les fissures. Pour ce type d’applications, la mesure confocale s’est avérée
incontournable.
Marie-Line Zani-Demange
d’après Florian Hofmann et
Marc Rosenbaum, Micro-Epsilon
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