Le document traite des capteurs de position, en se concentrant sur trois types principaux : les capteurs résistifs, capacitifs et inductifs, ainsi que sur les capteurs de sortie binaire optique. Il fournit des détails techniques sur leur fonctionnement, leurs applications, et les avantages associés à chaque type. Divers exemples d'usage et considérations de conception sont également présentés.

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. 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. Introduction
1 Introduction
2 Capteurs r´sistifs
e
3 Capteurs capacitifs
4 Capteurs inductifs
5 Capteur ` sortie binaire (optique)
a
3 3/30

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. 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. 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. Capteurs r´sistifs
e
D´placement rectiligne
e
l
R(l) = Rn (2)
L
7 7/30

8. Capteurs r´sistifs
e
D´placement angulaire
e
α
R(α) = Rn (3)
αM
8 8/30

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. 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. 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. Capteurs r´sistifs
e
Quelques exemples
12 12/30

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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. Capteur ` sortie binaire (optique)
a
Rideau optique : r´alisation pratique
e
26 26/30

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. Capteur ` sortie binaire (optique)
a
Codeur incr´mental diphas´
e e
28 28/30

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. Capteur ` sortie binaire (optique)
a
Code binaire pur ou code de Gray
30 30/30