GEII S3 - P3
    Physique des capteurs
               Position


          F. Morain-Nicolier
        http://pixel-shaker....
Table des mati`res
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1   Introduction


2   Capteurs r´sistifs
          ...
Introduction




1   Introduction


2   Capteurs r´sistifs
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3   Capteurs capacitifs


4   Capteurs induct...
Introduction



Capteurs de position - Introduction



    De nombreuses grandeurs physiques sont mesurables par les d´pla...
Capteurs r´sistifs
                                          e




1   Introduction


2   Capteurs r´sistifs
             ...
Capteurs r´sistifs
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Capteurs r´sistifs
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    Une r´sistance fixe...
Capteurs r´sistifs
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D´placement rectiligne
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Capteurs r´sistifs
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D´placement angulaire
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Capteurs r´sistifs
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Formes principales



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Capteurs r´sistifs
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R´solution (piste bobin´e)
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Capteurs r´sistifs
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Bilan




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Capteurs r´sistifs
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Quelques exemples




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Capteurs capacitifs




1    Introduction


2    Capteurs r´sistifs
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3    Capteurs capacitifs


4    Cap...
Capteurs capacitifs



Principe physique

Condensateur plan :




La valeur de C est donn´e par
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Capteurs capacitifs



Variation de surface




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Capteurs inductifs




1    Introduction


2    Capteurs r´sistifs
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3    Capteurs capacitifs


4    Capt...
Capteurs inductifs



Principe physique


     Le d´placement ` mesurer est impos´ ` l’un des ´l´ments d’un circuit
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Capteurs inductifs



Circuit ` entrefer variable
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                                  D´placement ∆x ⇒ variation ∆...
Capteurs inductifs



Noyau plongeur




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Capteurs inductifs



Capteur ` diviseur inductif
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Capteurs inductifs



Transformateur diff´rentiel
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Capteurs inductifs



Transformateur



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Capteur ` sortie binaire (optique)
                                   a




1    Introduction


2    Capteurs r´sistifs
  ...
Capteur ` sortie binaire (optique)
                             a



Introduction
     Les capteurs photo´lectriques sont ...
Capteur ` sortie binaire (optique)
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Rideau optique




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Capteur ` sortie binaire (optique)
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Rideau optique : r´alisation pratique
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...
Capteur ` sortie binaire (optique)
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Codeur incr´mental
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     Capteur de d´...
Capteur ` sortie binaire (optique)
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Codeur incr´mental diphas´
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2...
Capteur ` sortie binaire (optique)
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Codeur absolu




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Capteur ` sortie binaire (optique)
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Code binaire pur ou code de Gray




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Capteurs de positions

  1. 1. GEII S3 - P3 Physique des capteurs Position F. Morain-Nicolier http://pixel-shaker.fr frederic.nicolier@univ-reims.fr CRESTIC - URCA/IUT Troyes 20 octobre 2009 1
  2. 2. Table des mati`res e 1 Introduction 2 Capteurs r´sistifs e 3 Capteurs capacitifs 4 Capteurs inductifs 5 Capteur ` sortie binaire (optique) a 2
  3. 3. Introduction 1 Introduction 2 Capteurs r´sistifs e 3 Capteurs capacitifs 4 Capteurs inductifs 5 Capteur ` sortie binaire (optique) a 3 3/30
  4. 4. Introduction Capteurs de position - Introduction De nombreuses grandeurs physiques sont mesurables par les d´placements e qu’elles imposent ` des corps d’´preuve : a e force pression acc´l´ration ee temp´rature e Mesure de position : essentiel dans certaines applications (ex. machines outils) Tr`s fr´quemment des capteurs passifs. e e 4 4/30
  5. 5. Capteurs r´sistifs e 1 Introduction 2 Capteurs r´sistifs e 3 Capteurs capacitifs 4 Capteurs inductifs 5 Capteur ` sortie binaire (optique) a 5 5/30
  6. 6. Capteurs r´sistifs e Capteurs r´sistifs e Une r´sistance fixe RM sur laquelle vient se d´placer un contact ´lectrique e e e (curseur). Lors du d´placement du curseur, la r´sistance varie. e e Rappel (R´sistance d’un conducteur) e L R=ρ (1) s avec ρ : r´sistivit´ du conducteur, L sa longueur, s sa section. e e La r´sistance de sortie est d´pendante de : e e la position du curseur, la r´alisation de la r´sistance, si uniforme ⇒ variation lin´aire. e e e 6 6/30
  7. 7. Capteurs r´sistifs e D´placement rectiligne e l R(l) = Rn (2) L 7 7/30
  8. 8. Capteurs r´sistifs e D´placement angulaire e α R(α) = Rn (3) αM 8 8/30
  9. 9. Capteurs r´sistifs e Formes principales a Piste r´sistive. e Plastique + poudre r´sistive. e La r´solution e d´pend de la e granulom´trie de e la poudre. b Piste bobin´e. e R´solution li´e au e e pas du bobinage. 9 9/30
  10. 10. Capteurs r´sistifs e R´solution (piste bobin´e) e e Augmenter la r´solution e ⇒ augmenter le nb de spires ⇒ r´duire le du fil e ⇒ usure par frottement. Limite de r´solution e 10µm En r´alit´, le passage d’une e e spire ` l’autre est plus a graduel. 10 10/30
  11. 11. Capteurs r´sistifs e Bilan Dur´e de vie e 106 manoeuvres (109 pour une piste r´sistive). e Limite ` la vitesse de d´placement ( a e 1 m/s) Tr`s ´conomique. e e Mise en oeuvre ais´e. e Tr`s utilis´ couramment (ex. position des bras d’un robot). e e 11 11/30
  12. 12. Capteurs r´sistifs e Quelques exemples 12 12/30
  13. 13. Capteurs capacitifs 1 Introduction 2 Capteurs r´sistifs e 3 Capteurs capacitifs 4 Capteurs inductifs 5 Capteur ` sortie binaire (optique) a 13 13/30
  14. 14. Capteurs capacitifs Principe physique Condensateur plan : La valeur de C est donn´e par e 0S C= . (4) x Si x varie de ∆x, alors : 0S C + ∆C = . (5) x + ∆x ⇒ Capteur non lin´aire. e 14 14/30
  15. 15. Capteurs capacitifs Variation de surface 0 (S + ∆S) C + ∆C = . (6) x Variation lin´aire de la capacit´ en fonction e e du d´placement x : e C (x) = Kx (7) 15 15/30
  16. 16. Capteurs inductifs 1 Introduction 2 Capteurs r´sistifs e 3 Capteurs capacitifs 4 Capteurs inductifs 5 Capteur ` sortie binaire (optique) a 16 16/30
  17. 17. Capteurs inductifs Principe physique Le d´placement ` mesurer est impos´ ` l’un des ´l´ments d’un circuit e a ea ee magn´tique e ⇒ variation du flux. Les capteurs sont aliment´s par une source de tension sinuso¨ e ıdale (freq. limit´e ` qques dizaines de kHz en g´n´ral) e a e e De par leur principe, ces capteurs sont sensibles aux champs magn´tiques e parasites ⇒ Blindage. Deux formes principales : entrefer variable noyau plongeur 17 17/30
  18. 18. Capteurs inductifs Circuit ` entrefer variable a D´placement ∆x ⇒ variation ∆l0 = 2∆x e µ0 N 2 s L + ∆L = (9) l0 + 2∆x ∆L ∆x ⇒ = −2 (10) L x Sensibilit´ : e ∆L L µ0 N 2 s S= = −2 = −2 2 (11) µ0 N 2 s ∆x l0 l0 L= (8) l0 La sensibilit´ d´pend de l0 (position au e e l0 distance entrefer repos de l’entrefer) µ0 perm´abilit´ e e ⇒ l0 petit → grande sensibilit´e magn´tique e Sensibilit´ = Cte si ∆x e l0 s section du circuit (limitation ` des d´placements faibles - a e 18 N Nb de spires qques mm) 18/30
  19. 19. Capteurs inductifs Noyau plongeur L’inductance est maximale pour x = 0. Mais la sensibilit´ est nulle pour cette e position ; Cette zone doit donc ˆtre exclue de e 19 l’´tendue de mesure xu . e 19/30
  20. 20. Capteurs inductifs Capteur ` diviseur inductif a Deux bobines analogues ` la pr´c´dente. a e e Lorsque le noyau magn´tique occupe une e position centrale (x = 0), les deux inductances sont ´gales et forment avec un e diviseur r´sistif (R1 = R2 ) un pont ´quilibr´. e e e Tout d´placement du noyau ` partir de cette e a position entraˆ l’augmentation d’une ıne inductance et la diminution de l’autre et fait apparaˆ un d´s´quilibre dont le signe ıtre ee indique le sens du d´placement. e 20 20/30
  21. 21. Capteurs inductifs Transformateur diff´rentiel e Capteur inductif de d´placement lin´aire le e e plus utilis´ e En anglais : LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Un primaire et deux secondaires sym´triques. e Le couplage magn´tique entre primaire et e secondaires est assur´ notamment par le e noyau ferromagn´tique mobile dont on e mesure la position. L’enroulement primaire est aliment´ par une e tension sinuso¨ ıdale et les enroulements secondaires sont reli´s en opposition de e fa¸on ` ce que les forces ´lectromotrices qui c a e y sont induites se soustraient. 21 21/30
  22. 22. Capteurs inductifs Transformateur M12a coefficient d’induction mutuelle entre les enroulements 1 et 2 M12 coefficient d’induction mutuelle entre les enroulements 1 et 2´ 22 22/30
  23. 23. Capteur ` sortie binaire (optique) a 1 Introduction 2 Capteurs r´sistifs e 3 Capteurs capacitifs 4 Capteurs inductifs 5 Capteur ` sortie binaire (optique) a 23 23/30
  24. 24. Capteur ` sortie binaire (optique) a Introduction Les capteurs photo´lectriques sont souvent utilis´s comme capteurs de e e position ` sortie binaire. a Ils comprennent g´n´ralement un ´metteur de lumi`re (diode photo´missive e e e e e ou diode laser) et un r´cepteur (photodiode ou phototransistor). e 24 24/30
  25. 25. Capteur ` sortie binaire (optique) a Rideau optique Ensemble de capteurs photo´lectriques e Permet de d´tecter la e pr´sence d’un objet, mais e aussi de mesurer une dimension avec une r´solution ∆x (distance e entre deux capteurs) 25 25/30
  26. 26. Capteur ` sortie binaire (optique) a Rideau optique : r´alisation pratique e 26 26/30
  27. 27. Capteur ` sortie binaire (optique) a Codeur incr´mental e Capteur de d´placement relatif. e Bas´s sur le d´placement de structures p´riodiques e e e Ind´termination sur le sens de d´placement : e e utilisation de deux structures d´cal´s e e ou de deux photod´tecteur d´cal´s. e e e 27 27/30
  28. 28. Capteur ` sortie binaire (optique) a Codeur incr´mental diphas´ e e 28 28/30
  29. 29. Capteur ` sortie binaire (optique) a Codeur absolu La premi`re piste est compos´e d’une moiti´ e e e opaque et d’une moiti´ transparente. C’est e le MSB La piste suivante est divis´e en quatre quarts e ... La derni`re piste LSB, donne la pr´cision e e finale du codeur. Pour n piste, cette derni`re e piste comporte 2n points. 29 29/30
  30. 30. Capteur ` sortie binaire (optique) a Code binaire pur ou code de Gray 30 30/30

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