Capteur de proximité

Les capteurs de proximité sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique entre le système de mesure et l'objet cible.



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Capteur - Composant électronique

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Les capteurs de proximité sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique entre le système de mesure et l'objet cible. L'interaction entre ces derniers est réalisé par l'intermédiaire d'un champ (magnétique, électrique, électromagnétique).

Les capteurs de proximité sont utilisés soit en mode analogique, soit en mode binaire. Dans le premier cas, l'amplitude du signal est une fonction de la position relative de l'objet cible; alors que dans le second cas, le signal ne peut avoir que deux niveaux (haut et bas), selon que l'objet est présent à proximité ou non du capteur inductif.

Capteurs de proximité capacitifs

Article détaillé : Capteur de déplacement capacitif.

Les détecteurs de proximité capacitifs présentent l'avantage de pouvoir détecter à courte distance la présence de tous types d'objets, car sensibles aux métaux ainsi qu'aux non-métaux.

L'objet est par conséquent à proximité du capteur mais pas en contact au contraire de un détecteur de position. La tête de mesure de ces capteurs est constituée d'un conducteur cylindrique et d'une enveloppe métallique coaxiale réalisant un condensateur de capacité fixe C1. Quand une cible s'approche de l'extrémité des conducteurs qui ont précédé, elle forme avec ces conducteurs deux autres condensateurs.

Ainsi, si le circuit est alimenté par un signal alternatif à une fréquence donnée, quand on approche une cible, la capacitance du circuit change et le signal s'atténue. C'est cette atténuation qu'on mesure.

Avantages

La face sensible du détecteur forme l'armature d'un condensateur. Une tension sinusoïdale est appliquée sur cette face, créant ainsi un champ électrique alternatif devant le détecteur. En considérant que cette tension sinusoïdale est référencée comparé à un potentiel de référence (terre ou masse par exemple), la seconde armature est constituée par une électrode reliée à ce potentiel de référence (bâti de machine par exemple). Ces deux électrodes face à face forment un condensateur dont la capacité est :

C = ε0 * εr * A / d avec ε0 = 8, 854 187 pF/m permittivité du vide et εr permittivité relative du matériau présent entre les 2 électrodes.

ε r ≈ 1 (air) ⇒ C ≈ ε0 A / d

⇒ (εr ≈ 4)

L'électrode de masse peut être dans ce cas le tapis métallique d'un convoyeur par exemple. C= (ε 0. ε r. A) / d Quand εr moyen devient supérieur à 1 en présence d'un objet, C augmente. La mesure de l'augmentation de la valeur de C sert à détecter la présence de l'objet isolant.

C= (ε 0 ε r A) / de avec ε r ≈ 1 (air) ⇒ C ≈ ε 0 (A/ de ) La présence d'un objet métallique se traduit par conséquent aussi par une augmentation de la valeur de C.

Les différents types de détecteurs capacitifs :

Ils utilisent directement le principe décrit auparavant. Un chemin vers la masse (potentiel de référence) est indispensable pour détecter. Ils sont utilisés pour détecter des matériaux conducteurs (métal, eau) à des distances importantes. Application type : détection de matériaux conducteurs au travers d'un matériau isolant.

Il n'est pas forcément envisageable de trouver un chemin à la masse. C'est le cas si on veut détecter le contenant isolant vide de l'exemple précédent. La solution est l'incorporation de l'électrode de masse sur la face de détection. Il y a création d'un champ électrique indépendant d'un chemin à la masse. Application : détection de tous matériaux. Possibilité de détecter des matériaux isolants ou conducteurs derrière une paroi isolante, ex : céréales dans une boîte en carton.

La sensibilité des détecteurs capacitifs, selon l'équation de base citée auparavant (§ 4.1), dépend tout à la fois de la distance objet-capteur et de la matière de l'objet.

Elle est liée à la constante diélectrique ou permittivité relative εr propre au matériau de l'objet visé. Pour pouvoir détecter une grande variété de matériaux, les capteurs capacitifs sont le plus souvent pourvus d'un potentiomètre servant à régler leur sensibilité.

Détection

Utilisation

Capteur de proximité inductif

Les capteurs de proximité inductifs détectent l'ensemble des métaux à une distance définie. Si un métal se trouve dans le champ de la zone de couverture active, la sortie PNP du capteur est activée.

Capteur de proximité inductif à réluctance variable

Il s'agit d'un transformateur dont le circuit magnétique inclut l'objet en déplacement. Ce dernier doit par conséquent être de nature ferromagnétique. L'intervalle entre la cible et la tête du capteur jouant le rôle d'un entrefer détermine la réluctance du circuit magnétique et par suite le flux traversant le secondaire et la tension à ses limites, quand le primaire est alimenté. La tension aux limites du secondaire, qui est le signal de mesure Vm, fluctue de façon non linéaire, selon la loi qui est sensiblement de la forme :

Vmo = Vm. 1 / (2.5 + 2ax) 1

Où x est la distance du capteur à la cible Vmo dépend spécifiquement de la perméabilité magnétique de la cible, de sa forme et de ses dimensions. Dans la majorité des cas le primaire et le secondaire sont constitués par une seule et même bobine. La grandeur qui fluctue avec la distance à la cible est alors l'inductance. Un circuit électronique sert à transformer cette inductance en grandeur électrique simple comme une tension électrique, image de la distance.

Ce type de capteurs trouve ses applications dans le domaine aéronautique. En effet sur les avions, la partie électromagnétique du capteur se trouve fréquemment à l'extérieur (train d'atterrissage, volets... ) pendant que l'électronique de détection se trouve dans une partie protégé de l'avion, les deux étant reliés par des fils de liaison. Le principe à réluctance variable est assez bien adapté à ce type d'application car assez insensible aux longueurs des fils de liaison.

Capteur inductif à courants de Foucault

Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité de leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Quand un objet métallique pénètre dans ce champ, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Le champ magnétique émis à partir de la surface active du capteur est créé par un circuit (bobine) alimenté par une source de tension sinusoïdale dont la fréquence est limitée à quelque dizaines de kilohertz pour que soient réduites les pertes magnétiques par courant de Foucault mais aussi l'influence des capacités parasites. Si un objet métallique (cible) s'approche de la surface active, des courants de Foucault sont générés. Selon la loi de Lenz, ces courants s'opposent à la cause qui leur a donné naissance. Les pertes qui en résultent causent une baisse d'énergie dans le circuit oscillant et une atténuation des oscillations. Contrairement au capteur à réluctance variable qui n'est utilisable qu'avec des cibles ferromagnétique, le capteur à courants de Foucault est sensible à tout objet métallique.

Principales caractéristiques

Qualités

Inconvénients

On en déduit que l'étalonnage doit s'effectuer dans les conditions spécifiques de leur emploi. Ces capteurs procurent un isolement galvanique entre le circuit de mesure et la cible

Domaines d'application

L'effet Hall se manifeste par la naissance d'une différence de potentiel VH perpendiculairement aux lignes de courant d'un conducteur positionné dans un champ d'induction BY. L'effet Hall est la conséquence de la force qui s'exerce sur les charges électriques en mouvement. Quand on approche un aimant de la plaquette, la différence de potentiel aux limites de celle-ci augmente; c'est ce signal qui est détecté.

Fonctionnement

Ce type de capteur de courant exploite l'effet Hall pour produire une tension qui est l'image exacte (avec un facteur de proportionnalité connu) du courant à mesurer ou à visualiser.

Unités et formules

Si un courant Io traverse un barreau en matériau conducteur ou semi-conducteur, et si un champ magnétique d'induction B est appliqué perpendiculairement au sens de passage du courant, une tension Vh, proportionnelle au champ magnétique et au courant Io, apparaît sur les faces latérales du barreau. Les électrons sont déviés par le champ magnétique, créant une différence de potentiel nommée tension de Hall. Le champ magnétique déforme la trajectoire des électrons car il génère une force de Lorentz (e).

Vh = Kh * B * Io avec Kh : constante de Hall, qui dépend du matériau utilisé.

La Constante de Hall étant inversement proportionnelle à la densité des porteurs, la tension de Hall est bien plus importante dans les semi-conducteurs que dans les métaux.

Avantages

Inconvénients

Ce type de capteur est plus coûteux que le shunt et sa sensibilité aux champs magnétiques extérieures peut nécessiter quelques précautions.

Capteur de présence ou de proximité infrarouge

Le capteur de proximité infrarouge (capteur photoélectrique) se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. Le signal est augmenté pour être exploité par la partie de commande. Les récepteurs ont comme élément de base des systèmes sensibles au rayonnement infrarouge, nous avons choisi la cellule photoconductrice pour expliquer le principe de fonctionnement de ces systèmes.

La cellule photoconductrice

C'est un capteur résistif qui est caractérisé par l'influence du flux de rayonnement reçu sur la valeur de sa résistance. Associée à un conditionneur approprié, la cellule photoconductrice compte parmi les capteurs optiques les plus sensibles. Le phénomène physique qui est à la base de son emploi – la photoconduction – résulte d'un effet photoélectrique interne : libération dans le matériau de charges électriques sous l'influence de la lumière et par conséquent augmentation de la conductance.

On va étudier un modèle simplifié. La cellule se compose d'une plaque d'un semi-conducteur de volume V dopé d'atomes donneurs (P), tel que l'énergie des donneurs soit assez grande pour qu'à la température ambiante, et dans l'obscurité, la densité de donneurs ionisés par activation thermique soit faible. Lorsque le semi-conducteur est éclairé, les photons d'énergie supérieure à l'énergie d'ionisation des donneurs ionisent des donneurs, libérant des électrons qui s'ajoutent à ceux qui ont été libérés par excitation thermique. La conductance correspondante est σ = q * μ * n, q étant la valeur absolue de la charge de l'électron et µ sa mobilité. n est la densité des électrons à l'équilibre sous éclairement qui dépend du flux de rayonnement. Cette relation n'est pas linéaire. Au final, on arrive à une fonction pour Rcp (résistance de la cellule éclairée)  : Rcp = a * Φ − γ, a dépendant surtout du matériau, de la température et du spectre du rayonnement incident. Et γ ayant le plus souvent des valeurs comprises entre 0, 5 et 1. La résistance d'obscurité Rco dépend de la forme géométrique et des dimensions de la plaque photoconductrice. Les propriétés de la cellule peuvent être convenablement traduites pas un schéma électrique équivalent où la résistance d'obscurité est positionnée en parallèle sur une résistance qui est déterminée par l'effet photoélectrique. Rc = Rco * Rcp / (Rco + Rcp) Dans le cas habituel d'emploi Rcp << Rco, on a alors Rc = Rcp = a * Φ − γ La variation de la résistance selon le flux incident n'est pas linéaire : elle peut être linéarisée dans une plage de flux limité, avec une résistance fixée en parallèle sur la cellule photoconductrice.

Intérêt

L'intérêt des cellules photoconductrices réside dans leur sensibilité élevés et dans la simplicité de leurs montages d'utilisation.

Inconvénients

Le télémètre

C'est avec la dernière configuration que sont fabriqués des capteurs de proximité et de distance les plus bon marché, ce sont les télémètre infrarouge.

Les télémètres infrarouge utilisent la triangulation et une rangée de petites cellules photoconductrice pour déterminer la distance et la présence d'obstacles dans leur angle de vue. Ces rangées de cellules photoélectriques sont en fait un PSD (Position Sensitive Device). Ils fonctionnent en émettant une courte pulsation de lumière infrarouge qui rebondit sur un obstacle ou poursuit son chemin. Si l'onde est réfléchie vers le capteur dans un laps de temps donné, le capteur la perçoit et mesure l'angle entre l'émetteur, l'obstacle et le récepteur (sinon le capteur considère qu'il n'y a rien devant lui). L'angle fluctue suivant la distance à l'obstacle. La lentille de réception focalise l'onde retour, qui illumine ainsi une cellule de la rangée, ce qui détermine la distance de l'objet par trigonométrie.

Il y a différentes versions de ces télémètres, qui possèdent différentes plages de mesure, qui peuvent envoyer la mesure par une tension analogique ou par émission de 8bits série, ou bien qui signalent si un objet se trouvent en dessous d'une distance donnée. Nous choisissons un modèle, capable de mesurer une distance entre 4 et 30 cm, et qui la délivre par une sortie analogique et nous obtenons cette courbes qui montre la relation distance ↔tension de sortie. A cause de cette relation trigonométrique entre distance et angle, la sortie du capteur est non bijective, il faut par conséquent se méfier tout spécifiquement des objets à moins de 4 cm qui renvoient une information de distance pouvant être interprétée comme étant issue d'un objet bien plus lointain.

Une autre façon de mesurer la distance entre le capteur et l'objet est la mesure par temps de vol. On mesure le temps de propagation de la lumière entre le capteur et la cible. L'intérêt est d'avoir une information directement analogique.

Bibliographie

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 07/04/2010.
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