Capteurs de position et de déplacement : principes et types

Capteurs de position et de déplacement : principes et types

Guide technique · GUEMISA

PotentiomètreLVDT / RVDTEncodeursSynchronisations et résolveursRapport de juin 2009
Réponse rapideDans l'industrie, la position d'un élément ou d'un arbre est mesurée à l'aide de techniques basées sur différents principes physiques. Le transducteur le plus simple est le potentiomètre linéaire ou angulaire Alimenté par une tension continue, son signal de sortie est proportionnel à la position par rapport à une référence. Parmi les autres principes, on trouve les capteurs inductifs, capacitifs, à jauges de contrainte, les codeurs, les LVDT/RVDT, les synchros et résolveurs, l'Inductosyn, les capteurs de proximité et la mesure du temps de vol. Rapport technique de juin 2009 sur les capteurs de position.

Types de capteurs de position selon le principe physique

Les capteurs les plus couramment utilisés pour mesurer la position ou le déplacement peuvent être linéaires ou angulaires, et il en existe une grande variété des deux.

GarsPrincipe de fonctionnement
potentiomètre linéaire ou angulaireExcitée par une source de tension continue ; la tension de sortie varie entre des valeurs positives et négatives de la tension continue maximale et est proportionnelle à la position par rapport à une référence zéro ou au déplacement.
InductifConvertit un déplacement linéaire en une variation de l'auto-inductance d'un enroulement
capacitifVariation d'un condensateur lorsque la position de ses plaques ou de son diélectrique change
lévriersVariation de la résistance d'un conducteur ou d'un semi-conducteur soumis à une contrainte mécanique
Encodeur (encodeur linéaire et angulaire)Convertit la position angulaire d'un arbre en un code numérique ; il peut être absolu ou incrémental.
LVDT / RVDTVariation de l'inductance mutuelle entre un enroulement primaire et deux enroulements secondaires lorsqu'un noyau ferromagnétique est déplacé
Synchronisations et résolveursTransformateurs rotatifs à couplage variable selon le rotor ; tensions de sortie proportionnelles au sinus ou au cosinus de la position angulaire
InductosynVariation du couplage inductif entre les pistes de circuit imprimé de deux éléments en mouvement relatif
Durée du volLes télémètres laser et ultrasoniques calculent la distance en détectant la réflexion d'un faisceau lumineux ou d'une onde sonore.

Potentiomètres, inductifs, capacitifs et jauges de contrainte

Il existe différentes configurations pour résoudre différents problèmes : les servopotentiomètres mesurent plusieurs tours complets d’un arbre, tandis que les potentiomètres de précision offrent une linéarité très élevée et sont conçus pour fonctionner à haute température et en présence de vibrations. Les potentiomètres sont peu coûteux, mais leur durée de vie est limitée par l’usure due au frottement entre leurs parties fixes et mobiles.

TransducteurVariantes et caractéristiques
Inductif, couplé à la partieUn noyau perméable qui se déplace à l'intérieur d'une bobine et modifie l'inductance de l'enroulement.
Inductif, sans contactLa variation de proximité de la pièce augmente ou diminue le flux magnétique et modifie l'auto-inductance de l'enroulement.
Capacitif, diélectrique mobileLe diélectrique, fixé à la partie mobile, se déplace entre les plaques
Plaques mobiles capacitivesL'élément mobile est fixé à une électrode qui glisse par rapport à l'autre et sur le matériau diélectrique.
Capacitif, objet comme électrodeL'objet doit être conducteur ; cela permet une conception sans contact.
lévriersPour de faibles déplacements, de l'ordre de 0,4 mm ; élément statique avec une ou plusieurs jauges de contrainte fonctionnant en traction et en compression ; peu utilisé car applicable uniquement aux plages de mesure de la jauge de contrainte, il se distingue par sa simplicité

Encodeurs

Un codeur rotatif est un dispositif électromécanique qui convertit la position angulaire d'un arbre en un code numérique. C'est l'un des transducteurs les plus utilisés pour la mesure des positions angulaires. Il existe des codeurs absolus et incrémentaux.

type encodeur optiqueOpération
ComposantsSource lumineuse, disque codé et détecteur de lumière
IncrémentalLe disque comporte deux anneaux concentriques de lignes équidistantes décalées l'une par rapport à l'autre ; un anneau génère un train d'impulsions dont le nombre est proportionnel au déplacement angulaire, et le second anneau détermine le sens de rotation ; il nécessite un compteur d'impulsions et un convertisseur numérique-analogique
AbsoluLa position est encodée en code binaire, GRAY ou BCD sur le disque lui-même à l'aide d'anneaux d'encoches.
Résolution incrémentaleCela dépend du nombre de lignes par tour
Résolution absolueCela dépend du nombre d'anneaux concentriques, qui dépend principalement du diamètre du disque.

LVDT, RVDT, syncros, résolveurs et Inductosyn

Le capteur LVDT est constitué de trois enroulements coaxiaux sur un cylindre isolant : l’enroulement central est le primaire, et les deux autres sont les secondaires. Son fonctionnement repose sur la mesure de la variation d’inductance mutuelle entre l’enroulement primaire et chaque enroulement secondaire, induite par le déplacement d’un noyau ferromagnétique à l’intérieur du cylindre. Ce noyau est entraîné par une tige non ferromagnétique fixée à la pièce à mesurer. Son principal avantage réside dans l’absence d’usure mécanique, éliminant ainsi les perturbations électriques dues aux contacts.

AppareilDescription
ACLVDTLes 3 enroulements à noyau ferromagnétique sont alimentés en courant alternatif.
DCLVDTCapteur LVDT doté de l'électronique nécessaire pour générer un signal porteur sinusoïdal à partir d'une tension continue d'entrée et démoduler la sortie afin d'obtenir une tension continue proportionnelle au décalage.
RVDTModification du LVDT pour les positions angulaires ; stator feuilleté à quatre encoches, contenant la bobine primaire et les deux bobines secondaires, et un rotor bipolaire
Émetteur synchroneIl convertit la rotation mécanique en un système de tension triphasé ; avec une excitation alternative dans le rotor, les amplitudes dans le stator sont liées à la position angulaire
Émetteur différentielAjoutez ou soustrayez l'angle de votre rotor à l'angle électrique reçu du transmetteur synchrone.
Récepteur de paireIl pivote jusqu'à la position angulaire transmise par les amplitudes de tension appliquées à son stator à partir d'un émetteur différentiel
Récepteur différentielSon rotor tourne à la somme ou à la différence des angles transmis
RésoudreDeux enroulements statoriques, déphasés de 90°, dans lesquels des tensions sont induites avec une amplitude proportionnelle au sinus et au cosinus de la position de l'arbre ; il fournit deux signaux de sortie en quadrature.
TranssolveurIl convertit les formes d'onde de tension d'un synchro en formes d'onde d'un résolveur et vice versa ; le rotor et le stator peuvent être utilisés indifféremment comme entrées.
InductosynDes pistes de circuit imprimé en forme d'onde carrée sur deux substrats plats en acier, sans contact entre eux et donc sans usure ; elles sont utilisées dans la mesure linéaire et angulaire, par exemple dans les domaines militaire et aérospatial.

En instrumentation, pour les faibles amplitudes, on utilise des synchros de couple ; lorsqu'une haute précision est requise, on utilise des synchros de commande.

Capteurs de présence et de temps de vol

Dans l'industrie, on utilise souvent des capteurs de présence, placés aux points dont on mesure la position, avec ou sans contact.

ChangerPrincipe
Composants électromécaniques et interrupteurs de fin de courseBoutons-poussoirs qui ferment ou ouvrent un circuit au contact d'un objet
capacitif et inductifAu contact d'un objet, ils modifient respectivement leur capacité ou leur inductance.
UltrasoniqueIls émettent un écho que l'objet renvoie.
courants de FoucaultL'objet métallique absorbe le champ électromagnétique de l'enroulement du capteur par le biais de courants de Foucault.
effet HallDifférence qui apparaît entre les faces opposées d'un prisme semi-conducteur sous un champ magnétique perpendiculaire lorsqu'un courant circule
Photo-électriqueLa source lumineuse et le capteur détectent les objets qui bloquent ou non le passage de la lumière.
RoseauPlaque métallique qui ferme le contact en présence d'un aimant ou d'un champ magnétique.

Les télémètres laser calculent la distance en mesurant la réflexion d'un faisceau lumineux structuré, tandis que les télémètres à ultrasons utilisent la réflexion d'une onde sonore. Les capteurs optiques ont également recours à la triangulation avec une caméra. Parmi les autres solutions, on trouve les condensateurs différentiels et les magnétorésistifs.

Foire aux questions

Quel est le transducteur de position le plus simple ?

Un potentiomètre linéaire ou angulaire alimenté par une source de tension continue, dont la tension de sortie est proportionnelle à la position par rapport à une référence.

Qu’est-ce qui limite la durée de vie d’un potentiomètre ?

L'usure produite par le frottement entre sa partie fixe et sa partie mobile.

Quel est l'avantage fondamental d'un LVDT ?

Il ne présente aucun problème d'usure mécanique, ce qui élimine les parasites électriques produits par les contacts.

Quels types d'encodeurs existent ?

Elles peuvent être absolues ou incrémentales. Le stockage incrémental utilise des impulsions et nécessite un compteur ; dans le stockage absolu, la position est codée sur le disque en binaire, en code Gray ou en BCD.

Quelle est la différence entre LVDT et RVDT ?

Le LVDT mesure les variations linéaires grâce à trois enroulements coaxiaux et un noyau ferromagnétique ; le RVDT est sa modification pour les positions angulaires, avec un stator feuilleté et un rotor à deux pôles.

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