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LES CAPTEURS

Introduction

IntroductionConstitution

- le corps d’épreuve qui est mis en présence de la grandeur à mesurer et qui réagit selon une loi connue aux variations de cette grandeur.

Un capteur possède deux éléments indispensables:

- le transducteur qui traduit les variations en un signal électrique facile à exploiter dans les équipements modernes.

Corps d’épreuve

Transducteur

IntroductionAppellation

- le terme détecteur s’emploie lorsque le signal obtenu est logique.

- le terme capteur s’emploie lorsque le signal obtenu est analogique.

- le terme codeur s'emploie lorsque le signal obtenu est numérique.

IntroductionCaractéristiques

- Etendue de mesure (EM)

c’est la différence algébrique entre les valeurs extrêmes de la grandeurà mesurer pour lesquelles les limites de l’instrument sont spécifiées.

- 20°C / +100°C

- Etendue de mesure- Sensibilité

c’est le quotient de l’accroissement du signal de sortie parl’accroissement correspondant d’entrée.

1mm / 1°C

- Etendue de mesure- Sensibilité- Rapidité

c’est le temps de réponse elle exprime l’aptitude à suivre dans le temps les variations de la grandeur à mesurer.

1min / 1°C

- Etendue de mesure- Sensibilité- Rapidité- Précision de mesure

c’est l’aptitude à donner des indications proches de la valeur vraie.

+ 1°C-

- Etendue de mesure- Sensibilité- Rapidité- Précision de mesure- Fidélité

c’est l’aptitude à donner, dans les conditions d’emploi fixées, des réponses très voisines lors de l’application répétée d’un mêmesignal d’entrée.

< 0,5°C

Détecteurs de position

Détecteurs de positionDétecteurs à action mécanique

En général sur le même corps (transducteur) on peut monter des têtes différentes (corps d’épreuve).

En aucun cas le mobile n’agit directement sur le détecteur (butée,came)

La position d’action doit être réglable pour délivrer l’information aumoment voulu: - réglage par déplacement du capteur sur son support. - réglage par déplacement de la came mobile.

détecteur

équipagemobile

butée

Détecteurs à action mécanique linéaire

Détecteurs à action mécanique angulaire

butée

Endurance mécanique de 20 à 30 M

Endurance électrique on travaille sur abaque en faisant intervenir :

- le courant coupé- la tension d’utilisation

Contacts à rupture lente: - la vitesse de déplacement des contacts est liée à la vitesse de l’organe de commande. - la distance d’ouverture est aussi liée à la course de l’organe

de commande.

Type de contacts utilisés

21 - 2213 - 14 21 - 2213 - 14

action

relâchement

Contacts à rupture brusque:la vitesse de déplacement des contacts et leur distance d’ouverture sont indépendantes de la vitesse de l’organe de commande.

21 - 2213 - 14 21 - 2213 - 14

action

relâchement

Repos Approche Basculement Ouvert

Contacts à manœuvre non positive d’ouverture:c’est le ressort qui ouvre le contact.ressort cassé, contacts collés et la machine continue de fonctionner .

Contacts à manœuvre positive d’ouverture:on amène avec certitude les contacts dans la position d’ouverture car c’est l’effort d’actionnement qui est directement appliqué sur le contact.

Contacts non liés mécaniquement:suite à un incident, on peut avoir les contacts repos et travail fermés enmême temps !.

Contacts à double coupure meilleure performance d’extinction de l’arc électrique

Contacts liés mécaniquement:il est impossible de fermer simultanément les contacts repos et travail !.

Symbole des commandes mécaniques

Détecteurs de sécurité pour portes et carters

détecteurs sans verrouillage détecteurs avec verrouillage

Avantages:- séparation galvanique des circuits,- immunité aux parasites électromagnétiques,- tension d’emploi élevée.

Inconvénients:- temps de réponse,- rebondissement des contacts,- durée de vie.

Détecteurs de positionDétecteurs électriques de proximité inductifs

Il permet de signaler la présence d’un objet métalliqueà proximité de sa face sensible.

A câble ou à connecteur avec ou sans visualisation d’état.

La face sensible est un oscillateur (self et capacité en parallèle),il fabriqueun champ magnétique alternatif dont la fréquence d’oscillation se situeentre 40 Khz et 2000 Khz.Après une mise en forme, le circuit de commutation délivre un signal équivalent à un contact à ouverture ou à fermeture.

Oscillateur Mise en forme

Etage de sortie

Partie commandePartie puissance

Ils se branchent en série avec la charge à commander cela entraîne:- un courant résiduel (de fuite) à l’état ouvert.- une tension de déchet à ses bornes à l’état fermé.

Etage de sortie

Détecteurs 2 filscharge

Ils comportent:- deux fils pour l’alimentation (+ marron , - bleu).- un fil pour la transmission du signal de sortie (noir).

Utilisables en continu, le transistor de sortie est en général du type collecteur ouvert.

Etage de sortie

Détecteurs 3 fils

charge

Liaison avec le coupleur d’entrée d’un API

Alimentation des entrées24 v =

Type NPN

commun

Liaison avec le coupleur d’entrée d’un API

Type PNP

Alimentation des entrées24 v =

commun

Zone d’action du détecteur

Caractéristiques

Portée nominale SnC’est la portée conventionnelle servant à désigner l’appareil.Elle ne tient pas compte des dispersions:

- fabrication,

- température,

- tension.

Terminologie

Plaquette de mesure

Pour la série cylindrique:c’est une plaquette en acier doux A37 de forme carrée

- côté égal au diamètre de la face sensible.- épaisseur 1 mm.

Pour la série parallélépipédique: c’est une plaquette en acier doux A37 de forme carrée

- côté égal à 3 x Sn.- épaisseur 1 mm.

Terminologie

Portée utile SPortée d’un appareil pris séparément, mesuré avec la plaquette demesure dans les conditions spécifiées de température et de tension.

Terminologie

Plaquette de mesure

Domaine de fonctionnement S miniEspace dans lequel la détection de la plaquette de mesure est certaine, quelle que soit les dispersions (tension, température, etc..)

Terminologie

Retard à la disponibilité tTemps nécessaire pour assurer l’exploitation du signal de sortie d’un détecteur lors de sa mise sous tension.

Terminologie

Retard à l’action RaTemps qui s’écoule entre l’instant où la plaquette de mesure pénètre dans la zone active et le changement du signal de sortie.Retard au relâchement RrTemps qui s’écoule entre la sortie de la plaquette de mesure hors de la zone active et le changement du signal de sortie.

Terminologie

Fréquence de commutationLa fréquence de commutation indiquée dans les caractéristiques des produits est obtenue selon la méthode conforme à la norme EN 50010.

Terminologie

m = largeur de la plaquette de mesure

Conditions à remplir pour que le signal du détecteursoit pris en compte correctement par un A.P.I.

chronogramme

Présence de l’objet

devant le détecteur T1 T0

Présence de l’objet devant la face sensible du détecteur

0Signal de sortie du détecteur

(signal utile pour le coupleur d’entrée)

RaSignal sortie

détecteur

devant le détecteur

Signal de sortie du coupleur (signal utile pour la CPU)

t on c t off cSignal utile CPU

Signal sortie détecteur

t on c t off c

T = T1 + Rr + t off c – Ra – t on c > t cycle APIT

Signal utile CPU

t on c

t off c

T’ = T0 + Ra + t on c – Rr – t off c > t cycle APIT’

Signal utile CPU

Si une condition n’est pas remplie, l’automate ne pourra pas voir toutes les évolutions de son entrée.

Malgré une fréquence d’évolution très faible du signal sur une entrée, l’automate peut avoir des problèmes pour suivre !

Malgré une fréquence d’évolution très faible du signal sur une entrée,l’automate peut avoir des problèmes pour suivre !

Protection du câbleNe pas tirer avec une force excessive sur le câble.

Précautions de mise en oeuvre

Protection du câbleContre les projections de particules.

Protection du câbleContre les interférences.

Protection de la face sensibleContre les chocs et les dépôts.

Protection mécaniqueLe détecteur ne doit servir de marche pied.

Utilisation d’outils de réglage des appareils adaptés.

Utilisation de supports des appareils adaptés.Le support doit être suffisamment rigide , épais, pour résister aux chocs et aux vibrations.

Distances à respecter.Distances à respecter entre détecteurs pour éviter les interférences.

Distances à respecter. Distances à respecter entre détecteurs et les masses métalliques (bâti).

Zone sans métal

Détermination de la portée de travailOn corrige la portée utile et tenant compte des influences extérieures.

Portée de travail = Sn . Kt . K q . Km . Kd

Exemple de calcul (voir données p11)

Détermination de la portée de travail

Facteur de correction tension d’alimentation Kt

Appliquer dans tous les cas Kt = 0,9

Facteur de correction de la température ambiante Kq

K = 0,98q

Facteur de correction de la matière du mobile à détecter Km

Km = 1

Facteur de correction des dimensions du mobile à détecter Kd

Kd = 0,9

Détermination de la portée de travailOn corrige la portée utile et tenant compte des influences extérieures.

Portée de travail = Sn . Kt . K q . Km . Kd

Portée de travail = 15. 0,9 . 0,98 . 1 . 0,9 = 11,9 mm

- association en série,

Association des détecteurs

Modèle type 2 fils

Utilisation de détecteurs multitensions Umin détec < U détecteur < Umaxi détec

Ualim < Umaxi détec

Modèle type 2 fils

Détecteurs non passants

U alim – R charge . I fuite détec

n> Umini détec

Modèle type 2 fils

Détecteurs passants

U charge = U alim - n . U déchet détec

Modèle type 2 fils

La mise en série est possible avec uniquement 2 ou 3 détecteurs si possible identiques !

Modèle type 3 fils

Les retards à la disponibilité à partir du capteur N°2 interviennenten dehors de la phase de mise sous tension !

Association déconseillée

- association en parallèle,

Modèle type 2 fils

Un détecteur actif court circuite tous les autres.Les retards à la disponibilité des détecteurs interviennent en dehors de la phase de mise sous tension !

Association déconseillée

Modèle type 3 fils

Aucune restriction

Modèle type 3 fils

Réalisation d’un OU logique

Modèle type 3 fils

Réalisation d’un ET logique

Si charge inductive prévoir une protection par diode de roue libre

Détecteurs technique NAMUR- Faible encombrement;- Niveau énergétique de la sécurité intrinsèque.

Ils sont associés à un dispositif d’alimentation et d’amplification ou à une entrée statique équivalente.

Détecteurs pour applications particulières

Détecteur NAMUR

Amplificateur

Corps d’épreuve

Transducteur

Détecteurs à signal de sortie temporiséLa temporisation est réglable de 0 à 20 secondes, elle démarre au relâchement (repos) ou à l’action (travail). Ils sont utilisés dans le contrôle de bourrage.

Détecteurs de position

Détecteurs à sortie analogiqueL’approche d’un objet métallique devant la face sensible du détecteur est traduite par une variation du courant absorbé.

Détecteurs contrôle de rotationUn capteur inductif intégré prend l’informationde déplacement et génère des impulsions FC.Il existe un oscillateur interne et réglable FR.rotation correcte si FC > FRrotation incorrecte si FC < FR AttentionFonctionnement correct 9 secondes après samise sous tension.

M30 x 81

Détecteurs contrôle de rotation

contrôle de rupture d’accouplement

Détecteurs I.L.S.Ce sont des Interrupteurs à Lame Souple, ils se montent sur les corps des vérins dont la tige est munie d’un aimant permanent. Quand l’aimant passe au dessous de l’interrupteur, il attire la lame de celui-ci et ferme ou ouvre le contact. Une LED peut signaler l’état du contact.

Détecteurs électroniques codés sans contact pour protecteur mobile- Autocontrôle intégré,- Codage par aimants permanents,- Un seul détecteur pour une porte à double battant.

Selon le modèle la sécurité peut aller à la catégorie 4!

Avantages:- temps de réponse faible,- sortie statique donc pas de rebondissements,- pas de contact direct donc grande durée de vie.

Inconvénients:- utilisation seulement en courant continu,- détection seulement des métaux,- sensible aux champs magnétiques.

Détecteurs de positionDétecteurs électriques de proximité capacitifs

Ils permettent la détection de tous les objets isolants ou conducteurs.

On peut ajuster la portée de détection suivant la nature du matériau à détecter.

Très sensibles à l’environnement.Visualisation

Réglage

C (F) = e(F/m) S(m2)

Détecteurs de positionDétecteurs électriques de proximité capacitifs

Avantage:- permet la détection de tous les objets.

Inconvénients:- sensibles à l’environnement,- s’utilise dans un environnement très propre ou bien en

noyant le détecteur dans la matière à détecter.

Détecteurs de positionDétecteurs de proximité photo-électriques

Ils signalent le passage d’un objet à travers un faisceau lumineux: - Un émetteur diode électroluminescente émet de la lumière. - Un récepteur photo-transistor capte la lumière.

Les diodes électroluminescentes et les photo-transistors sont utilisésen lumière infrarouge pour :- leur grand rendement lumineux,- leur insensibilité aux chocs et aux vibrations,- leur tenue aux températures extrêmes,- leur grande durée de vie.

Les diodes électroluminescentes et les photo-transistors sont utilisésen lumière rouge pour :- la transmission par fibres optiques plastiques.- l’utilisation de détecteurs réflex polarisé.

Deux procédés sont utilisés

La cible bloque la lumière La cible renvoie la lumière

systèmes de détection

Système barrage

L’émetteur et le récepteur sont séparés, ce système détecte tout objetinterrompant le faisceau lumineux.Portée importante (jusque à 30 m).

Emetteur

Récepteur

Système reflex

L’émetteur et le récepteur sont incorporés dans le même boîtier, leretour du faisceau est assuré par un réflecteur monté en vis à vis.La détection est assurée par interruption du faisceau lumineux.Portée utile de l’ordre de 10 m dans un environnement non pollué .

EmetteurRécepteur

Réflecteur

Système reflex

Le réflecteur doit être plus petit que l’objet à détecter .

Système reflex

Le réflecteur doit être bien positionné par rapport à l’émetteur récepteur.

systèmes de détectionSystème reflex polarisé

On peut utiliser des réflecteurs qui polarisent la lumière pour détecter des objets brillants.

Système reflex polarisé

Système de proximité

L’émetteur et le récepteur sont incorporés dans le même boîtier, lefaisceau est réfléchi en partie vers le récepteur par l’objet à détecter.La détection est assurée par le renvoie du faisceau lumineux.Portée utile de l’ordre de 1,5 m dans un environnement non pollué .

EmetteurRécepteur

Système de proximité avec effacement de l’arrière -plan

On peut sur certains produits par réglage de la sensibilité éliminerl’influence de l’arrière plan de l’objet à détecter.

mode de fonctionnement

Fonction claire

La sortie est activée quand le récepteur récupère la lumière.

mode de fonctionnement

Fonction sombre

La sortie est activée quand le récepteur ne récupère pas la lumière.

courbes de détection

Système barrage et système reflex

La zone jaune indique la zone de tolérance de positionnement du réflecteur ou du récepteur.La zone bleu représente la zone utile du système.

Système barrage

On peut adapter le faisceau utile en fonction de l’application.On utilise pour cela des lentilles avec des masques.

Système de proximité

La zone jaune représente la zone de sensibilité du détecteur.Toute cette zone est utilisable.Le trait noir correspond à une surface claire.Le trait bleu correspond à une surface sombre.

Avantages:- pas de contact direct donc grande durée de vie,- sortie statique donc pas de rebondissements,- détection d’objets de toutes natures,- distance de détection étendue,- temps de réponse faible.

Inconvénient:- utilisation seulement en courant continu.

Détecteurs à ultrasonsVEGASON 72

Ils émettent un rayonnement ultrasonique de 40Khz environ.Les impulsions réfléchies par le produit sont enregistrées par ledétecteur fonctionnant alternativement en émetteur et en récepteur.

Détection sur liquide Détection sur solide

1 2 3 4 5 6

Zone morte Zone de détection

écoute de l’écho émissiondes ultrasons

Détecteurs à ultrasonsFonctionnement en détecteur de proximité

Les objets se trouvant dans les zones de détection sélectionnées sont signalés par un signal de sortie.Une 2em sortie signale la présence d’objets dans les zones bloquées.

Détecteurs à ultrasonsFonctionnement avec évaluation de distance externe

Le temps de propagation mesuré est converti en distance.

Radar à hyperfréquencesVEGAPULS 64

Le radar émet périodiquement des ondes à 5,8 Ghz qui se réfléchissentsur le produit stocké.Il calcule le temps que met l’écho pour lui revenir.Il mesure de 0 à 30 m avec une erreur < 0,1% de la plage.

Organigramme de choix

Applications particulières

Contrôleur de couleursE3MC OMRON

Le contrôleur peut reconnaître une à quatre couleurs avec un temps de réponse de 0,3 ms.Il est insensibles aux vibrations et se programme par auto-apprentissage,fonction Teach-in, compensation automatique de la puissance émettrice.Portée de 6 cm en standard et de 2 cm en version fibre optique.

Contrôleur de couleursE3MC OMRON

Les valeurs analogiques de chaque couleur émise sont calculées sur 8 bits (0-255).

On calcule la moyenne de ces trois couleurs

+ +( ) /3 =

On calcule la valeur relative des couleurs renvoyées par l’objet à détecter:

rouge = / vert = / bleu = /

Capteur de visionF10 OMRON

Il est destiné au contrôle d’aspect ou de forme.La caméra de vision possède un éclairage intégrépar LED.La programmation est limitée à l’apprentissagefonction TEACH.

La zone d’apprentissage est directement projetéesur l ’objet à contrôler.

Capteur de visionF10 OMRON

Un barregraphe incorporé permet desurveiller la conformité par rapport àla pièce enregistrée.La tolérance requise est paramétrableet ajustable.

Système de visionF150 OMRON

Il est devenu incontournable lorsqu’il s’agit du contrôle de la qualité et detraçabilité des mesures. La caméra possède son éclairage intégré.Il existe de nombreux filtres et objectifs. La programmation est effectuée à l’aide d’une console. La visualisation utilise un écran vidéo.Le système en mode automatique optimise tout seul les réglages

Capteurs de déplacement

Capteurs de déplacementIntroduction

La mesure d’un déplacement linéaire ou angulaire peut êtreréalisée de deux façons différentes.

Système de traitement

Variateur

Codeur

Moteur

Codeur absolu

Automate programmable Variateur

POSITIONNEMENT ABSOLU

Moteur

Codeur incrémental

POSITIONNEMENT INCREMENTAL

Fcs_droitFcs_gauche

Fc_droitFc_gauche Fc_origine

Positionnement en absolu

Fcs_droitFcs_gauche

Positionnement en absolu

Chaque déplacement est référencé par rapport à l’origine.

Fcs_droitFcs_gauche

Positionnement en relatif

Fcs_droitFcs_gauche

Chaque déplacement est référencé par rapport au déplacement précédent.

Après une coupure d’alimentation la reprise d’origine est impérative.

Moteur

Codeur incrémental

Capteurs de déplacementCapteur potentiométrique

Linéaire ou rotatif alimenté en continu.Il fournit une tension proportionnelle audéplacement du curseur.

Problème majeur, linéarité de la piste.

Capteurs de déplacementCapteur inductif à transformateur différentiel

L’enroulement primaire est alimenté en alternatif ou par un oscillateur.La translation ou la rotation du noyau magnétique modifie la symétrie du champ magnétique dans les bobines secondaires.Mesure au micron, Linéarité 0,1%, emploi de - 60 à + 125 °C

Us = Us2 – Us1

Capteurs de déplacementCapteur inductif à transformateur différentiel

Ici on provoque la rotation du noyau magnétique.

Capteurs de déplacementCapteur inductif résolver

Bobinage fixeINDUCTEUR

Bobinage tournant INDUIT

Tension INDUCTEUR U = Û Sin w t

Tension INDUIT U = Û Sin w t Cos q

C’est un transformateur rotatif à couplage variable.La tension alternative aux bornes de l’induit est modulée en amplitude par le cosinus q

Capteurs de déplacementTransmetteur résolver

Bobinages fixes secondaires

Bobinage tournant primaire

U = Û Sin w t

U1 = K Û Sin w t Sin q

On récupère deus tensions:- U1 modulée en Sin q - U2 modulée en Cos q

Capteurs de déplacementTransmetteur résolver

1 rotation mécanique

Position actuelleFréquence porteuse 10 kHz

Courbeenveloppe

Stator

Capteurs de déplacementCodeurs optiques rotatifs

Principe

On trouve dans un codeur rotatif:- une source lumineuse « LED »- un réticule ajouré.- un disque rotatif ajouré monté sur l’axe.- des récepteurs photo-électriques

Disque rotatif

Réticule

Source lumineuse LED

Récepteurs photo-électriques

Technologie incrémentale

Une impulsion pour chaque incrément aligné sur la rotation de l’axe.Le déplacement s’effectue en relatif ou en absolu par rapport à une origine.La position est calculée par un système de traitement extérieur.

Technologie incrémentale

Les signaux de dessus permettent l’utilisationd’émetteurs de ligne, travail en différentiel.

Elle fournie un code binaire pour chaque positionnement.La résolution est égale à 2 (n = nombre de bits).Le déplacement s’effectue en absolu.

Technologie absolue

Codeur absolu multi-tours

Technologie absolue

L’utilisation du code binaire nécessite d’utiliser un signal d’inhibition pour éviter la prise en compte d’informations pendant le changement d’état des voies du codeur.

CODE BINAIRE

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 0

0 0 1 1

0 1 0 0

0 1 0 1

0 1 1 0

0 1 1 1

1 0 0 0

1 0 0 1

1 0 1 0

1 0 1 1

1 1 0 0

1 1 0 1

1 1 1 0

1 1 1 1

Technologie absolue

Pas de risque de détecter un code parasite, prévoir par contre par la suite un transcodage du code GRAY vers un autre code.

CODE GRAY

0 0 0 0

0 0 0 1

0 0 1 1

0 0 1 0

0 1 1 0

0 1 1 1

0 1 0 1

0 1 0 0

1 1 0 0

1 1 0 1

1 1 1 1

1 1 1 0

1 0 1 0

1 0 1 1

1 0 0 1

1 0 0 0

Capteurs de déplacementCapteurs optiques rotatifs

Etages de sortie collecteur ouvert

Bonne solution jusque à 30 m avec une fréquence de commutationde 25 Khz maximum ( 40 µs ).Permet l’adaptation aux différents niveaux logiques.Tension de déchet inférieure à 1 Volt.

Etages de sortie Totem pôle

Bonne solution jusque à 100 m avec une fréquence de commutationde 50 Khz maximum ( 20 µs ).Permet l’utilisation d’une charge par rapport au 0V ou au + U Alim.Tension de déchet de l’ordre de 3 Volt.

Etages de sortie émetteur de ligne RS422

Bonne solution jusque à 1000 m avec des fréquences de commutation de:- 1 Mhz sur 100 m ( 1 µs ).- 10 Mhz sur 10 m ( 0,1 µs ).

Le fonctionnement en différentiel permet une bonne immunité aux parasites industriels.

Une règle comportant un réseau de traits au pas de 20 µm ou de 40 µmavec marque de référence absolue sert de base de mesure. Elle est balayée par voie optique par un curseur.

Capteurs de déplacementSystèmes optiques linéaires

Principe

Signaux de sortie

Allure des informations récupérées par les cellules photo-voltaïques

Le système de traitement des signaux réalise une mise en forme.Il compte ces impulsions avec un signe à partir d’une origine et affiche la position effective.

Unité compteur

Après une coupure d’alimentation la reprise d’origine est impérative.

Capteur à fil Capteur à axe plein Capteur à axe creux

Système de mesure règle nue

Système de mesure règle étanche

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