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Capteurs de position et de déplacement
CHAPITRE 5 Capteurs de position et de déplacement Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 PLAN INTRODUCTION POTENTIOMETRES RESISTIFS CAPTEURS INDUCTIFS CAPTEURS CAPACITIFS CAPTEURS ULTRASONORE CAPTEURS OPTIQUES CAPTEURS DIGITAUX CONCLUSION Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 INTRODUCTION (1) Mesure de position et déplacement : - machines outils - robotique -… pour mesurer d’autres grandeurs physiques (corps d’épreuve) mesurande primaire : ex : force, pression, accélération,… mesurande secondaire : déplacement ou position Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 INTRODUCTION (2) Principes de mesure : 1. Capteurs absolus : le capteur fournit un signal qui est fonction de la position de l’une de ses parties liée à l’objet mobile ex : potentiomètre résistif, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile, codeurs digitaux absolus, … Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 INTRODUCTION (3) 2. Capteurs incrémentaux : le capteur délivre une impulsion à chaque déplacement élémentaire. La position et les déplacements sont déterminés par comptage des impulsions émises, ou décomptage selon le sens du déplacement 3. Capteurs de proximité : Ils sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique avec l'objet dont ils mesurent la distance ou le déplacement. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 POTENTIOMETRE RESISTIF (1) Réalisation : - une résistance fixe Rn (fil bobiné ou piste conductrice) - un curseur : - assure le contact électrique - est lié mécaniquement à la pièce dont on veut traduire le déplacement - isolé électriquement de cette pièce Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 POTENTIOMETRE RESISTIF (2) Selon la forme géométrique de la résistance fixe et donc du mouvement du curseur, on distingue : 1. le potentiomètre de déplacement rectiligne E d Rd Rd S d V= E= E= E= E R D−d R d RD D D S D d curseur V 2. le potentiomètre de déplacement circulaire V= E M Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 POTENTIOMETRE RESISTIF (3) Avantages : - simplicité - peu coûteux - angle de mesure 10° à 3600° - la sortie est indépendant R => stable par rapport à la température Inconvénients : - charge mécanique - usure par frottements - influence de la source - influence de l'appareil de mesure. solution : amplificateur suiveur pour garantir la validité de l'utilisation du diviseur de tension Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS INDUCTIFS (1) Principe Le déplacement que l'on veut mesurer est imposé à un des éléments d'un circuit magnétique entraînant une variation de flux. a. Linear Variable Differential Transformer (LVDT) Capteur de déplacement inductif utilisant le principe de variation de flux dus au mouvement du noyau. .. Vref primaire Vs secondaire noyau Le primaire est attaqué par un signal sinusoïdal. Un signal sinusoïdal est induit dans les 2 bobines du secondaire. Quand le noyau est au milieu du transformateur, on a Vs =0, car les tensions induites dans les deux bobines sont d'amplitudes égales mais de sens opposé. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS INDUCTIFS (2) Fonction de Transfert du LVDT Z 1 impédance dans le primaire V m= −2 j a E x Z1 x déplacement du noyau E amplitude de la tension d'excitation A : 1 coefficient de mutuelle induction C'est un capteur linéaire RVDT Même principe que le LVDT sauf que c'est un capteur rotatif Caractéristiques métrologiques Étendue de mesure : ± 1 mm à ± 500 mm, ± 45° Erreur de linéarité : 0.05 % à 1% de l'E.M Précision : 0.05 % à 1% de l'E.M Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS INDUCTIFS (3) b. Circuit magnétique à entrefer variable Principe : mesure du coefficient d'autoinduction dans un circuit magnétique. Objet ferromagnétique x noyau Lorsque le noyau bobiné se déplace à proximité d'un matériau ferromagnétique, le champ magnétique engendré varie, modifiant ainsi le coefficient d'auto induction dans la bobine. Inductancemètre Fonction de Transfert typique Avantages Grandeur de sortie - mesure sans contact - simple 100% Inconvénients 2 12 Distance x cm - non linéaire, sauf en petite variation - mesure de déplacement d'objets ferromagnétiques Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS CAPACITIFS (1) Principe : Il s'agit de condensateurs plans ou de condensateurs cylindriques dont l'une des armatures subie le déplacement => variation de la capacité Plan : C= r 0 S e Cylindrique : C= ln L Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 2 r 0 l r2 r1 CAPTEURS CAPACITIFS (2) Gauging capacitive sensor : Mesure de déplacement et de position sans contact. L'objet dont le déplacement est à étudier forme une des armatures du condensateur Caractéristiques métrologiques - E.M = jusqu'à 5 cm - linéarité correcte Applications - usure des freins en F1 Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS ULTRASONORES (1) Principe : Émission et réception d'une onde acoustique. La distance entre l'émetteur et l'obstacle est donnée par le temps de vol de l'onde acoustique. émetteur d= Circuit de contrôle récepteur d Objet T v cos 2 v : vitesse de l'onde dans le milieu T : temps entre l'émission et la réception de l'onde Avantages Inconvénients - ne dépend pas du matériau en déplacement - E.M jusqu'à une dizaine de m Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 - E.M à partir du cm - dépend de l'angle de réflexion CAPTEURS ULTRASONORES (2) Émetteur-recepteur Obstacle Horloge 1 2 Comptage des impulsions d'horloge écoulé La mesure dépend de : - l'amplitude de l'écho - de l'angle d'incidence du faisceau sur l'objet La précision de la mesure dépend de : - l'horloge utilisé pour le comptage - la capacité du système électronique à détecter l'écho La précision peut être meilleure que 0.1 mm Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 N=7 CAPTEURS OPTIQUES (1) Principe Émission et réception d'un faisceau optique et mesure de distance suivant un principe de triangulation optique f Ib x Lb Lo Position sensitive detector Ia Lentilles Led La lumière réfléchie est focalisée sur la surface du capteur PSD. Le capteur délivre alors un courant Ia et Ib proportionnel à la distance x du point d'impact du faisceau au milieu du capteur. L0 = f Lb x Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS OPTIQUES (2) Application Positionnement de bras de robot Mesure d'épaisseur Caractéristiques métrologiques - Étendue de mesure : jusqu'à 50 cm - résolution : jusqu'à 0.01 um Inconvénients Avantages - très bonne résolution - dépend de la réflectivité du matériau ciblé. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS DIGITAUX (1) a. Codeurs absolus Capteur fournissant une sortie numérique (sous forme de mot binaire ou d'impulsions d'horloge) Principe Une règle ou un disque est divisée en N bandes chacune contenant l'information binaire sur la position Résolution du capteur Linéaire : L /N où L longueur de la règle Angulaire : 360° / N Matérialisation des états binaires - surface magnétique ou ferromagnétique - surface opaque ou translucide Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS DIGITAUX (2) b. Codeurs optiques absolus Principe Émission et réception de faisceaux lumineux traversant un disque ou une règle qui contient le code binaire correspondant à la position Une diode électroluminescente et un récepteur pour chaque piste et le rôle du disque est d'agir comme un interrupteur de faisceau. Avantages - mesure absolue ( pas besoin de référence) - mise en œuvre aisé avec un PC inconvénients - coûteux - nécessite la mise en place sur l'élément mobile Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS DIGITAUX (3) c. Codeurs incrémentaux Principe : Délivre une impulsion pour chaque déplacement élémentaire + Faisceau de lumière = Information de direction - 2 voies en quadrature de phase permet de connaître la direction de déplacement. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CAPTEURS DIGITAUX (4) Plus commun que le codeur absolu, car plus simple et moins coûteux. Avantages Inconvénients - simple - peu coûteux - interfaçage PC simple - nécessite un comptage - besoin de référence pour une mesure absolue www.stegmann.com Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CONCLUSION Mode de transduction Type Résistif Potentiomètre résistif Inductif Inductance variable Transformateur différentiel Capacitif Surface variable Écartement variable Gauging capacitive sensor Émission/reception Capteur ultrasonore Capteur optique Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 Avec contact Sans contact
