Un capteur prélève une information d’une grandeur physique pour la transformer en un signal, le plus souvent électrique. Un capteur de position ou de déplacement linéaire permet de mesurer le déplacement linéaire d’un point mobile par rapport à un point fixe. Il existe plusieurs technologies pour effectuer cette mesure. Le choix de l’une ou l’autre dépendra de la qualité du résultat et du coût attendu.
Il est bon de rappeler les termes associés aux capteurs en général et applicables aux capteurs de position ou de déplacement linéaires.
- Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurées par le capteur.
- Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
- Sensibilité : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d’entrée.
- Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.
- Rapidité : Temps de réaction du capteur
La prise en compte de l’erreur (ou plutôt l’ensemble des erreurs) est importante pour la qualité de la mesure. Il existe plusieurs type d’erreurs systématiques à prendre en compte.
- de zéro : offset ou décalage du point 0
- d’échelle : erreurs ur linéaire de la grandeur mesurée
- de linéarité : la représentation n’est pas une droite (droite théorique)
- d’hystérésis : écart maximal de la courbe caractéristique en direction croissante et décroissante.
Quelles sont les différentes technologies pour les capteurs de position linéaires ?
Capteur potentiométriques
Ce type de capteur est constitué d’une piste résistive (résistance) et d’un pointeur mobile sur cette résistance. Le déplacement du point mobile modifie la résistance modifie la tension. Cette technologie est une conception simple et sans électronique complexe. Ce capteur très économique et facile à mettre en place et à utiliser.
En plus de leur construction mécanique fiable et robuste, ils se distinguent par le maintien de faibles résistances de contact sur plusieurs millions de cycles pour des températures allant de -40°C à +125°C.
L’utilisation de substrats flexibles ou rigides augmente la fiabilité de ces capteurs tout en restant très économique.
Capteurs magnétique (effet hall)
Les capteurs magnétiques utilisent le principe d’un aimant se déplace par rapport à un détecteur magnétique, le champ magnétique varie proportionnellement à son déplacement relatif. Le capteur à effet Hall est le plus répandu des capteurs magnétiques. Cette technologie de capteur est souvent utilisée dans les applications du secteur automobile ou pour les moteurs électriques qui sont peu exigeants en termes de performance de mesure.
Ces capteurs ne conviennent pas aux applications de haute précision du fait de l’hystérésis magnétique et de la nécessité d’une mécanique de précision entre les pièces mobiles et fixes. La caractéristique d’un capteur magnétique doit être soigneusement étudiée afin de prendre en compte les tolérances d’installation, le coefficient de température et la température de fonctionnement.
De plus la proximité de matériaux magnétiques ou de câbles électriques peuvent perturber la mesure. Les aimants peuvent attirer certaines particules étrangères, et l’une des sources de panne est l’accumulation progressive de copeaux ou de particules. Les capteurs magnétiques ne sont généralement pas utilisés pour les applications soumises à des impacts ou des chocs importants.
Capteur magnétostrictif
La magnétostriction est la déformation élastique de la structure moléculaire de matériaux ferromagnétiques comme le fer, le nickel, le cobalt, … Cette déformation s’opère lors d’une modification de l’aimantation.
L’exposition à un champ magnétique externe, produit un changement spontané dans la forme mécanique, produisant des ondes mécaniques. Une onde de torsion apparaît à l’endroit de l’excitation par le champ magnétique externe. Cette onde de torsion se propage dans le matériau ferromagnétique à une vitesse de 2800 m/s. Cette propriété physique est le principe de base des capteurs de position magnétostrictifs. Un matériau ferromagnétique avec une propriété magnétostriction forte est positionné le long de l’axe de mesure dans un boîtier robuste.
Un champ magnétique externe (capteur de position) marque la position de mesure. La modification spontanée de l’aimantation est déclenchée par l’interaction du champ magnétique externe et d’une impulsion de courant très courte qui circule dans le guide d’ondes. L’onde de torsion se propage dans le guide d’ondes. La valeur de position correspond au temps entre l’excitation et la réception de l’onde de torsion.
Capteur inductif
Un détecteur inductif détecte exclusivement les objets métalliques. Il est composé d’un oscillateur dont les bobinages constituent la face sensible.
Les capteurs inductifs produisent à l’extrémité de leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une inductance et un condensateur montés en parallèle.
Lorsqu’un corps conducteur métallique est placé dans ce champ, des courants de Foucault prennent naissance dans la masse du métal ; il y a perturbation de ce champ qui entraîne une réduction de l’amplitude des oscillations au fur et à mesure de l’approche de l’objet métallique, jusqu’à blocage complet. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie.
Il n’y a pas de contact physique avec l’objet détecté. La durée de vie est indépendante du nombre de manœuvres, il n’y a pas d’usure. Le capteur est entièrement encapsulé dans la résine (étanche).
Capteur LVDT
Les capteurs LVDT utilisent un élément de détection principal qui est une bobine inductive variable disposée en un demi-pont simple. Un circuit résonant à pont complet est créé en couplant deux condensateurs à travers la bobine. Avec le circuit entraîné en résonance par un oscillateur, la sortie est prise au milieu du pont. Lors de la variation de l’inductance relative des deux parties du pont, la tension de crête du signal de sortie est modulée (voir la figure 1).
La bobine LVDT est cependant très différente de celle des autres capteurs inductifs en ce qu’elle utilise une bobine avec très peu de tours, typiquement 100 tours. Dans un capteur linéaire, les bobines sont enroulées sur une forme avec un fil de cuivre émaillé standard. Dans les capteurs rotatifs, la bobine est produite en utilisant les techniques de fabrication standard des cartes de circuit imprimé.
Il est possible de produire des capteurs linéaires avec des bobines de seulement 1,5 mm de diamètre. Avec seulement quelques tours, la bobine a une très faible inductance et avec des valeurs de condensateur appropriées, la fréquence d’oscillation naturelle du circuit LC est réglée entre 1 et 2 MHz. La fréquence n’est pas spécifiquement contrôlée et peut varier lorsque la cible passe dans la bobine.
Pour changer l’inductance de la bobine, une cible conductrice passe au-dessus ou à travers la bobine, et des courants de Foucault sont induits dans la cible, ce qui modifie l’inductance de la bobine. Les meilleurs matériaux pour influencer les inductances sont des matériaux conducteurs non magnétiques. L’aluminium et certains aciers inoxydables sont appropriés en raison de leur faible coût et de leurs propriétés électriques très bien définies et stables.
Le circuit d’interface produit un signal analogique à partir de l’amplitude variable du signal provenant du centre du pont. L’interface mesure l’amplitude du signal de sortie en prenant un échantillon exactement au même point du cycle à chaque cycle. Le principal problème consiste à s’assurer que l’échantillon est prélevé exactement au même point du cycle, même si la fréquence de fonctionnement varie avec l’inductance de la bobine. Pour ce faire, le circuit de décodage utilise deux boucles d’asservissement internes pour aligner l’échantillonnage du signal de sortie et pour contrôler l’amplitude du signal de commande.
Comment fonctionne un capteur de déplacement
Quelles sont les applications pour les capteurs de position linéaires ?
Les applications pour ce type de capteurs sont très variées, il est difficile d’en dresser une liste exhaustive, mais en voici quelques exemples :
Dans le sport automobile ils sont utilisés pour mesurer le déplacement des amortisseurs et des crémaillères de direction. Les mesures sont ensuite analysées pour connaître le comportement des éléments mécaniques et les adapter si nécessaire.
Dans l’industrie agroalimentaire, certains aliments (ex: graines) sont broyés en passant entre deux rouleaux. La distance entre ces deux rouleaux est gérée par le signal retourné par un capteur de position linéaire. Cette fonction est aussi utilisée dans la papeterie (fabrication du papier), l’écartement des rouleaux défini l’épaisseur du papier.
Les simulateurs de vol utilisent ce type de capteurs pour connaître à tout moment la position de la cabine. Les vérins motorisés qui assurent les mouvements de la cabine sur 3 axes doivent être équipés de capteur de déplacement pour contrôler les positions et les déplacements.
Les manèges dans les parcs d’attraction intègrent des capteurs de position linéaires pour garantir le bon positionnement des sièges, cabines qui accueillent le public.
Toutes machines outils numériques ont besoin de ce type de capteurs pour maîtriser les déplacements qui doivent être rapides et précis. Ces composants sont essentiels pour la qualité de l’usinage, ils permettent à ces machines d’avoir un retour mécanique constant sur la position des outils et des chariots.
Il existe bien évidement beaucoup d’autres applications !
Comment choisir un capteur de déplacement pour son application
Plusieurs paramètres sont à prendre en compte pour le choix du capteur de position linéaire :
Course
Un des premiers paramètres à définir lors du choix d’un capteur de position ou de déplacement linéaire est la course à mesurer. Les plus petites courses sont de quelques millimètres jusqu’à plus de 3000 mm.
Spécifications de la mesure
Il est important bien connaître vos besoins pour le choix du capteur. De nombreux paramètres sont à prendre en compte. Les plus importants sont :
- Linéarité : exprimée en % de la pleine échelle, elle définie la dispersion de la mesure.
- Répétabilité : dispersion de la mesure pour un même déplacement
- Temps de réponse : temps entre l’acquisition physique et la transmission du signal de sortie
- Résolution : plus petite valeur pouvant être mesurée
- Chocs et vibrations : limite de la tenue du capteur aux chocs et aux vibrations
Fixation et interface mécanique
La fixation la plus répandue est celle utilisant des rotules. Cela permet une fixation rapide et sûre. Les rotules permettent aussi d’absorber les jeux mécaniques et donnent une souplesse pour l’intégration de ce type de capteurs, notamment lorsque le capteur peut être sollicité sur 3 axes.
Il existe une option proposant une rotule ajustable d’un côté et une tige filetée de l’autre.
La fixation par brides est utilisée dans les applications où le déplacement est limité à un seul axe (tige de mesure). C’est la cas par exemple pour le déplacement d’un chariot sur une machine outil.
Alimentation et signal de sortie
Ces capteurs sont alimentés en courant continu. Le choix de la tension d’alimentation est souvent lié au signal de sortie souhaité. On retrouve du +/-5V, +/-10V, +/-15V, +24V, …
Le signal de sortie dépend de la technologie choisie. Un capteur de déplacement potentiomètrique proposera uniquement un signal de sortie ratiomètrique. La sortie (en V) sera en fonction de la tension d’entrée (5% à 95% en général).
D’autres signaux sont disponibles : 0.5V – 4.5V, +/-10V, 4-20mA. Comment fonctionne un capteur de déplacement
Interface électrique
Il existe deux types d’interfaces électriques, par câble ou par connecteur. Pour les capteurs miniatures OEM, ils sont disponibles avec des cosses à souder ou des connecteurs miniatures.
Indice de protection
L’indice de protection est un choix important. Il dépend de l’environnement de votre application et du coût budgété pour cette fonction. L’indice de protection doit être adapté, il n’est pas nécessaire de choisir un indice IP67 quand l’environnement n’est pas sévère. Lorsque les contraintes sont plus importantes (projections d’eau, poussières, …), il ne faut pas hésiter à choisir un indice élevé. Les coûts induits par un capteur non adapté seront supérieurs au capteur lui même (maintenances rapprochées, remplacement du capteur, …).
Les indices de protection vont en général de l’IP60 à l’IP68, et pour la technologies LVDT, il existe des versions submersibles (350 bars).
Pour choisir votre indice IP, suivez le lien ! Comment fonctionne un capteur de déplacement