bon cours

1. Université Moulay Ismail
Faculté des Sciences et Techniques Errachidia
Département de Physique
Cours
Module P627 : INSTRUMENTATION
Licence : Sciences de l’Ingénieur SI
Semestre : S6
Pr. A. BRAHMI
Année Universitaire : 2022-2023

2. 2
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Capteurs de position:
Les capteurs de positions sont les capteurs les plus répandus dans les automatismes. Ils
sont utilisés pour détecter:
 La position précise d’un objet,
 La présence d’un objet,
 Le niveau d’un fluide,
 L’épaisseur d’une pièce,
 L’angle de rotation d’un arbre.
Le choix d’un tel capteur repose sur plusieurs éléments :
 Le type du signal de sortie (analogique, numérique, logique),
 Le mode de liaison avec l’objet dont on souhaite mesurer la position (avec ou sans lien
physique)
 Le type de déplacement (rectiligne ou angulaire)

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2.3. Capteurs de position:
a. Classification selon le signal de sortie:
Détecteur : un dispositif donnant un signal de nature logique (binaire ) : 2 états
Codeur: un élément dont le signal généré est de nature numérique: chaque code
numérique correspond à une position rectiligne ou angulaire bien précise.
Capteur: le signal généré est de type analogique.
b. Classification selon le mode de liaison:
L’objet en contact avec le capteur (liaison mécanique) : la mesure est donc une mesure de
position ou de déplacement
L’objet n’a aucun lien mécanique: La mesure est une mesure de proximité. Ce type est
utilisé pour la mesure de la position ou de déplacement d’un objet fragile qui pourrait être
détérioré par une mesure exigent un contact mécanique.
c. Classification selon le type de déplacement: Le type de déplacement dépend de la forme
de la trajectoire suivie par l’objet dont on cherche à déterminer la position ou le
déplacement, deux types sont distingués:
 Déplacement rectiligne,
 Déplacement angulaire.

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Unités de mesure:
Les unités de mesure usuelles de distance linéaire dépend de l’échelle de la distance à
mesurer et du système d’unité:
Foot 12 inch
Pouce Inch (2,54 cm)
Foot= 12 inch
Pied 12 pouces (30,48 cm)
Verge 3 pieds (91,44 cm)
Mille 5280 pieds (1.62 km)
Mètre 39,37 pouces (3,28 pieds , 1,09 Verge)
 Sous unités du mètre(m) : micromètre, millimètre, centimètre, kilomètre.
 Degré,
 Radian: 57,2958 degrés

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a. Détecteur de position:
Il s’agit d’un élément de mesure donnant un signal de sortie logique.
La détection se fait par contact de l’objet à détecter avec l’élément de mesure.
Principe :
 Un objet (ou doigt de l’opérateur) entre en contact avec l’organe de commande (poussoir,
tige, ou levier,…).
 Un mécanisme de commande transmet l’effort subit par l’organe de commande à l’élément
de contact (interrupteur).
 L’élément de contact entraîne l’ouverture ou la fermeture d’un ensemble d’interrupteurs.
L’élément de contact est protégé (contre la poussière, l’eau …)par un boîtier (corps).
Elément de contact

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a. Détecteur de position:

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a. Détecteur de position:
L’élément de contact permet d’obtenir diverses configurations de branchements, on
distingue deux types de contacts:
Simple rupture : l’ouverture ou la fermeture du circuit s’effectue en un seul point (coté).
Double rupture: la rupture ou la fermeture s’effectue en deux points (des deux cotés).
L’élément de contact peut être aussi:
Normalement ouvert (NO): les contacts se ferment lorsque l’interrupteur est actionné,
Normalement fermé NF: les contacts s’ouvrent lorsque l’interrupteur est actionné.

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a. Détecteur de position:
NB:
La double rupture assure une meilleure sécurité durant les actions des contacts car :
 l’ouverture du circuit est garantie lors de la rupture,
 les problèmes des arcs électriques sont minimisés.
Caractéristiques principales :
 Pouvoir de coupure et type de contact,
 Taux moyen de bon fonctionnement,
 Encombrement,
 Indice de protection IP,
 Type de palpeur (organe de commande.
NB:
 Au niveau électrique, un détecteur de position fonctionne aussi bien en courant alternatif
(AC) qu’en courant continu (DC).
 Les circuits qui peuvent être interrompus par ce dispositif sont des circuits résistifs et
inductifs.

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a. Détecteur de position:
Applications:
 Interrupteurs de fin de course (limit switch), cible en mouvement
motorisée.
 Interrupteurs et poussoirs des interfaces opérateurs.
NB:
Pouvoir de coupure: Il s’agit d’une caractéristique fort importante pour les actions des
contacts:
 Tension de coupure sans risque de claquage : de 1V jusqu’à 380V (DC et /ou AC).
 Courant de coupure : de 1mA à plusieurs A.
La durée de vie utile est d’environ 30 000 000 opérations (en raison de l’usure et la fatigue
mécanique de l’élément de contact).

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b. Détecteur de proximité:
Ces capteurs à sortie logique sont utilisés pour la détection d’un objet à distance sans contact
mécanique. Ils sont donc recommandés lorsque:
 La vitesse de l’objet à détecter est rapide : éviter que les interrupteurs de fin de course se
brisent quand l’objet est trop rapide,
 Les pièces à détecter sont fragiles : le contact mécanique peut endommager ces pièces
fragiles, aussi l’interrupteur exige une certaine force pour commuter)
 Les objets à détecter sont de petites dimensions.
La portée de ces capteurs peut varier de 25um à 200m selon l’application et le type de détecteur
de proximité utilisé.
On distingue 3 types selon le principe physique utilisé: inductif, capacitif et photoélectrique.
Ils sont bien adaptés pour les applications suivantes:
 Contrôle de présence/absence d’objets, de fin de course,
 Détection de passage, positionnement,
 Comptage de pièces, et barrage de protection.

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Ces détecteurs utilisent des principes de physiques basés sur les
champs électriques.
Un champ électrique apparaît dés qu’il existe une différence de
potentiel entre deux points.
Considérons deux plaques conductrices de sections S, séparées d’une
distance d. Ces deux plaques forment alors un condensateur.
Si ces deux plaques sont portées à deux potentiels différents, un champ
électrique apparaît et traverse le milieu séparant ces deux plaques. Ce
milieu est caractérisé par la constante diélectrique ε qui caractérise le
milieu isolant.
La capacité formée par ces deux plaques parallèles est donnée par:
d
S
C r

0

m
F /
10
.
85
,
8 12
0



r


 0

εr : Permittivité relative,
ε0 : Permittivité du vide

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Un oscillateur RLC (pont de Wien , collpits, Clapp , Hartly, à réseau déphaseur)…) dont
on changera la valeur de la capacité changera d’amplitude et de fréquence du champ
électrique généré.
Au niveau structure, le détecteur présente:
 Une face sensible qui est source du champ électrique.
 Deux électrodes placés sur cette face sensible, l’une étant reliée à la masse (électrode
de masse), l’autre étant connectée à l’oscillateur RLC.

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Ainsi deux cas se présentent:
 Si la cible est isolante; sa présence changera la constante diélectrique ε donc
changera la valeur de C,
 Si la cible est un métal, elle changera la valeur de d (vers (d-e)), puisque le champ
électrique traverse le métal de la cible.
En effet, c’est surtout l’impact sur la géométrie du condensateur qui fait réagir le
détecteur de proximité capacitif, car il y a une plaque supplémentaire (condensateur
différentiel).
Objet métallique
Objet isolant

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Ainsi on distingue deux situations:
 En l’absence d’objets dans le champ électrique, l’oscillateur oscille avec une certaine
amplitude.
 En présence d’un objet (conducteur ou /et isolant) dans le champ électrique, la valeur de la
capacité change et cela change l’amplitude de l’oscillateur RLC.

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
N.B2:
La portée de détection dépend en partie de la constante diélectrique du
matériau à détecter:
 Les matériaux dont la constante diélectrique est proche de celle de l’air
sont difficiles à détecter.
 Les matériaux de constantes diélectriques est fort différente de celle de
l’air sont plus faciles à détecter (fluides).
N.B3: On distingue 2 types de matériaux: solides (verre), et poudreux (sucre en
poudre).
Liquide???
N.B1:
Le capteur doit être blindé afin de ne pas détecter
tout objet entre ce capteur et une plaque mise à la
masse à ses cotés latéraux.
Quand un seuil de cette amplitude est atteind, le
détecteur déclenche le basculement du circuit de sortie
entre « on » et « off » (càd 2 états : 0 et 1).
Amplitude du champ
temps

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
NB. les détecteurs de proximité capacitifs sont
très sensibles au dépôts résultant des
matériaux poudreux.
Une solution consiste à utiliser un détecteur
de proximité capacitif avec une électrode de
compensation:
Ce type de détecteur contient une autre électrode qui entoure l’électrode principale.
 Cette électrode émet un champ électrique dit de compensation de portée très courte qui
n’est donc affectée que par les contaminations qui se déposent sur la face sensible.
 Le champ électrique de détection est lui aussi affecté par les contaminations.
Pour annuler l’effet de ces contaminations, il suffit de mesurer le champ de compensation
et d’en déduire le champ électrique résultant.

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
NB:
Le fait de disposer d’une électrode de compensation n’empêche pas qu’il faut
régulièrement nettoyer la face sensible du détecteur.
Avantages:
 Pas de contact physique avec l’objet à détecter,
 Cadences de fonctionnement élevées,
 Portée nominale de 2 à 5 mm,
 Détection d’objets de toutes natures : conducteur
ou non conducteur, tels que : métaux , minerais, bois,
plastique, verre, carton cuir, céramique, fluides, etc…
Application : Détecteur de niveau d’eau
Lorsque le niveau d’eau atteint un niveau insuffisant, le capteur
capa détecte le manque d’eau et envoie une information électrique
à l’unité de traitement.

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Constantes diélectriques de qlques matériaux:
NB: Pour qu’un objet (cible ou matériau) peut être détecté par ce
capteur, il faut que sa constante diélectrique soit >2

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b.1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Constantes diélectriques de qlques matériaux:
NB: Pour qu’un objet (cible ou matériau) peut être détecté par ce
capteur, il faut que sa constante diélectrique soit >1???

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b.2. Détecteurs de proximité inductifs:
Rappel:
Dans le cas de ces figures, on peut écrire:
N : nombre de spires
I : courant circulant dans la spire,
R : réluctance du circuit magnétique
Ø : Flux du champ magnétique en Wb.




 I
N
Principe de fonctionnement:
Le principe de ces détecteurs est basé sur le principe du courant de Foucault (courant
induit circulaire se développe à la périphérie de l’objet).
Un Oscillateur RLC dont les bibines constituent la face sensible crée un champ magnétique
sinusoïdal (ou alternatif) à l’avant du détecteur.

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b.2. Détecteurs de proximité inductifs:
Ainsi, deux cas sont distingués:
 Sans pièce métallique à l’avant, l’oscillateur à une amplitude et une fréquence données.
 En présence d’une pièce métallique devant le capteur, elle réagit au champ magnétique et
un courant dit de Foucault y généré.
L’amplitude de ce courant de Foucault dépend de l’amplitude du champ magnétique, de la
taille, du type du métal et de l’épaisseur de la cible métallique et de la distance qui les sépare.
Le courant de Foucault prélève une certaine énergie de l’oscillateur, ce qui change les
caractéristiques (amplitude et fréquence) de cet oscillateur RLC.
https://perso.crans.org/laguionie/TP/PSIetoile/Capteurs-Actionneurs_web/res/inductif.gif

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b.2. Détecteurs de proximité inductifs:
Ainsi, deux cas sont distingués:
 Sans pièce métallique à l’avant, l’oscillateur à une amplitude et une fréquence données.
 En présence d’une pièce métallique devant le capteur, elle réagit au champ magnétique et
un courant dit de Foucault y généré.
L’amplitude de ce courant de Foucault dépend de l’amplitude du champ magnétique, de la
taille, du type du métal et de l’épaisseur de la cible métallique et de la distance qui les sépare.
Le courant de Foucault prélève une certaine énergie de l’oscillateur, ce qui change les
caractéristiques (amplitude et fréquence) de cet oscillateur RLC.
L’amplitude de l’oscillateur diminue au fur et à mesure que l’objet
métallique s’approche, jusqu’à ce que l’oscillateur se bloque.
A ce moment l’objet a été détecté et donc qu’il est à proximité du capteur.

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b.2. Détecteurs de proximité inductifs:
Principe de fonctionnement:
Ce type de détecteur détecte uniquement les objets métalliques qui réagissent à un
champ magnétique.
En effet, un objet non métallique n’est pas le siège d’un courant de Foucault, lorsqu’il
est soumis à un champ magnétique alternatif, du coup, il ne peut être détecté.
Conditions de fonctionnement:
 L’objet à détecter est de type métallique et massif.
 La porté du détecteur varie entre 25um et 60mm.
Critères sur les dimensions de la cible (objet à détecter):
 L’épaisseur doit être supérieur à 1 mm : pour avoir une intensité du courant de Faucoult
suffisante.
 Une deuxième dimension doit être supérieure à deux valeurs qui dépend du détecteur utilisé:
- Le diamètre du détecteur,
- La portée nominale multipliée par 3.

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b.2. Détecteurs de proximité inductifs:
Principe de fonctionnement:
 La portée nominale est souvent entachée d’une tolérance de fabrication de : ± 10%.
 La température à un effet sur la portée réelle quelle peut affecter d’un ± 10%.
 La portée utile Sn dépend aussi du type de métal composant la cible. Il faut appliquer un
facteur de réduction M sur la portée utile.
La portée résultante Sres sera donc Sres = M*Sn.
Caractéristiques :
 Fréquence de l’oscillateur 100 Hz à 600 Hz
Tension d’alimentation,
 Consommation,
 Courant de sortie,
 Portée nominale de détection,
 Facteur de réduction.

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c. Capteurs de position et déplacement:
La mesure de position et de déplacement peut être classée selon 2
catégories:
 Déplacement linéaire,
 Déplacement angulaire.
Il existe plusieurs façons de mesurer une position ou un déplacement.
Le potentiomètre est la façon la plus simple pour effectuer cette mesure.
Le potentiomètre peut être linéaire ou angulaire:
Potentiomètre Linéaire
Potentiomètre angulaire

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c. Capteurs de position et déplacement:
T
x R
L
x
R 
Au niveau électrique, un potentiomètre possède une résistance totale Rt.
La résistance entre le curseur et une des extrémités du potentiomètre sera la résistance Rx.
La résistance du curseur avec l’autre extrémité sera alors Rt-Rx.
Pour un déplacement linéaire, si la bobine à une longueur L et que le
curseur est à la position x, alors on peut calculer simplement la valeur
de la résistance Rx comme suit:
La résistance Rx dépend directement de la position du curseur sur la
bobine du potentiomètre.

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c. Capteurs de position et déplacement:
Détermination de la position:
T
x
exc
S
R
R
V
V 
La position du curseur sera en fait déduite en mesurant la tension entre les bornes du
potentiomètre.
Le circuit suivant permet d’effectuer cette mesure:
Ainsi, on peut déduire la distance x, connaissant L, Vexc et mesurer Vs.
Ainsi:
L
V
V
x
exc
S

Dans le cas d‘un potentiomètre angulaire, l’angle θL remplace la longueur L et l’angle θ à
mesurer prend la place de x.
Le calcul de l’angle θ est alors:
L
exc
S
V
V

 
Le potentiomètre est branché à une source de tension continue dite tension d’excitation Vexc.
La tension de sortie Vs est générée par un diviseur de tension dont le calcul est:

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c. Capteurs de position et déplacement:
Résolution du potentiomètre:
Le potentiomètre bobiné possède aussi une spécification de résolution, puisqu’il est
constitué de spires de fils et que le déplacement du curseur ajoute ou retranche une
spire à la fois.
Cette résolution peut être représentée par :
 Au niveau électrique par la résistance d’une spire,
 Au niveau distance par le diamètre du conducteur de la spire.
N
Résolution
100
(%) 
En pratique, elle est représentée par une valeur en pourcentage qui est l’inverse
du nombre de spires N.
Ainsi, la résolution est:

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c. Capteurs de position et déplacement:
N.B:
La portée maximale de ce type de capteur peut aller jusqu’à une distance de 6m
(20 pieds) pour le cas linéaire et jusqu’à 50 tours pour les mesures angulaires
Aspect technologique :
Angulaire :
Linéaire:

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b. Capteurs de position et déplacement:
Caractéristiques :
 Capteur très économique et simple
 Course relativement étendue,
 Le problème est celui de l’usure,
 Un potentiomètre n’est pas étanche,
 Besoin d’un lien avec l’objet (fil de liaison),
 La vitesse de l’objet est limitée.
N.B:
La portée maximale de ce type de capteur peut aller jusqu’à une distance de 6m
(20 pieds) pour le cas linéaire et jusqu’à 50 tours pour les mesures angulaires