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Types de capteurs de vitesse et de position

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Hall based sensors

Types de capteurs de vitesse et de position

La technologie des capteurs est un constituant indispensable de la plupart des appareils. Toute technologie moderne et intelligente s’appuie sur des capteurs précis, qu’il s’agisse de capteurs optiques, de pression, de position, de vitesse, de température ou d’accélération.

Leur fonction première est de détecter les différentes propriétés chimiques et physiques de leur environnement ou d’un objet en particulier. Pour toutes les machines autonomes, la fiabilité et la précision des capteurs jouent un rôle fondamental dans la sécurité de leur fonctionnement.

Cet article a pour but de fournir une vision d’ensemble des différents types de capteurs de vitesse et de position, et d’en présenter les avantages et les inconvénients. Chaque capteur est adapté à un domaine d’application précis. Le tableau ci-dessous est une illustration non exhaustive des différents principes de fonctionnement des capteurs pour les mesures de vitesse et de position.

Table 1

Caractéristiques techniques des capteurs de vitesse et de position

Choisir le bon capteur pour une application spécifique peut se révéler particulièrement difficile du fait de la grande variété des types et des versions de capteurs. Les ingénieurs doivent d’abord définir l’ensemble des besoins auxquels devra répondre le capteur. Celui-ci doit s’adapter parfaitement à l’application (ni plus ni moins que les spécifications requises) et ce à moindre coût.
Un capteur est en général caractérisé par son type, ses spécificités électriques et mécaniques, et ses conditions de fonctionnement. Ces caractéristiques confèrent aux capteurs des avantages et des inconvénients selon les applications. La section suivante présente différentes caractéristiques importantes des capteurs, accompagnées d’exemples et d’explications.

Type de capteur
– Type de mesure : incrémentale ou absolue
– Principe de détection : optique, magnétique (effet Hall, inductif), électromécanique

Caractéristiques électriques
– Résolution : la variation la plus infime pouvant être mesurée
– Répétabilité : la stabilité du capteur pour plusieurs mesures à partir d’un même point de départ
– Précision : la véracité du résultat en %
– Type de sortie électrique : analogique/numérique, série/parallèle
– Alimentation électrique et tension/intensité en sortie

Caractéristiques mécaniques
– Géométrie : dimensions, linéaire, rotatif
– Adaptabilité : par exemple un angle de 360°, 500 mm de mesure linéaire, fréquence de 20 kHz
– Interfaces mécaniques : options de connexion, disposition du câblage, points de fixation mécanique
– Entrefer (capteurs sans contact) : par exemple de 0,4 à 2,2 mm

Conditions de fonctionnement
– Plage de températures
– Facteurs environnementaux : poussière/particules, humidité, choc, vibration, climat…
– Classes de protection : indice IP, vulnérabilité aux DES, résistance aux courts-circuits…

Comparaison sur une sélection de capteurs de vitesse et de position

La fonction première des capteurs de position est de détecter des déplacements angulaires ou linéaires, des distances, des écarts, des distensions et des niveaux de remplissage. Inventé par le physicien Allemand Johann Christian Poggendorff en 1841, le potentiomètre est le plus célèbre mais aussi le plus ancien type de capteur électromécanique. De nos jours, il existe de nombreux types et versions de ce potentiomètre. Au fil du temps, les fabricants n’ont eu de cesse d’optimiser les capteurs électromécaniques pour répondre aux exigences strictes de plusieurs domaines d’application nouveaux. Les capteurs sans contact ont en outre envahi peu à peu le marché du fait de leurs caractéristiques intéressantes par rapport au potentiomètre électromécanique. Nous en reparlerons un peu plus loin.

Les capteurs de vitesse et de fréquence sont utilisés pour mesurer un angle ou une distance parcourue par unité de temps. Un des principaux domaines d’application est le contrôle et la surveillance de la vitesse des systèmes d’entraînement asynchrones utilisés dans divers secteurs et industries : automobile, énergie, santé, automatisation, machines industrielles… Dans ce domaine, les capteurs sans contact ont réussi à pénétrer le marché grâce à leur excellente durée de vie qu’ils doivent à l’absence de pièces mécaniques sujettes à l’usure.

Dans la section suivante, nous allons présenter une sélection de capteurs de vitesse et de position, en comparant leurs principes de fonctionnement, leurs applications, leurs avantages et leurs inconvénients.

Potentiomètres

Principe
Les potentiomètres utilisent un élément résistif sous la forme d’un contact mécanique glissant pour la mesure de déplacements linéaires ou angulaires. Le curseur est en contact permanent avec une piste résistive. La résistance ohmique en sortie varie en fonction de la position du curseur. Outre la partie mécanique, un potentiomètre nécessite une source d’alimentation externe pour convertir le mouvement mécanique en signal électrique. La tension de sortie dépend de la résistance correspondant à l’angle de rotation ou à la distance parcourue. On trouve ces dispositifs chez un grand nombre de fabricants de composants électriques, avec une plage de mesures, un signal de sortie et des connections électriques personnalisables. Les potentiomètres fournissent des mesures en valeur absolue, contrairement aux capteurs incrémentaux dont le système de mesure est basé sur des graduations répétitives et périodiques.

Avantages
• Faible coût (quelques centimes en général, mais des versions de haute précision peuvent atteindre 200 $)
• Souplesse d’installation et de choix dans les caractéristiques
• Aucune nécessité d’adjoindre des composants électroniques
• Prototypage rapide
• Disponible chez de nombreux fabricants
• Haute résolution et précision de la mesure supérieure à 99 %
• Redondance pour des signaux fiables en termes de sécurité
• Température de fonctionnement allant jusqu’à 250 °C
• Mesure de déplacements importants (jusqu’à 360° ; 1500 mm)

Inconvénients
• Sensibilité à l’usure, surtout dans les environnements sujets aux fortes vibrations (ex. : véhicules, machinerie lourde, avions…)
• Sensibilité aux particules étrangères telles que la poussière et le sable qui vont éroder la piste résistive et en réduire significativement la durée de vie
• Durée de vie limitée à 500 000 cycles en moyenne en raison de l’usure
• Inadapté pour une utilisation dans des liquides
• Inadapté en cas de fortes accélérations (le curseur risque de se dissocier)
• Un convertisseur numérique est nécessaire, ce qui augmente le coût
• Une miniaturisation limitée qui peut restreindre la portée de mesure disponible

Domaines d’application
Les potentiomètres sont généralement plutôt adaptés aux applications avec des cycles de fonctionnement limités et dans des environnements favorables. Ils ne doivent pas être utilisés pour des applications en milieux difficiles du fait de l’usure et de la friction du curseur mécanique.
Comme les potentiomètres existent dans une multitude de versions différentes et qu’ils sont peu onéreux et largement répandus, on en trouve dans quasiment tous les secteurs de l’industrie.

Codeurs inductifs

Principe
Un codeur inductif, aussi appelé Incoder, est un capteur de vitesse et de position sans contact, adapté aux déplacements linéaires et angulaires. Basé sur le principe de l’induction électromagnétique, le capteur peut par exemple être utilisé pour mesurer la position d’un rotor par rapport à un stator dans un moteur. Les principaux composants d’un capteur inductif sont les bobines (Incoder classique) ou des circuits imprimés sur des substrats (Incoder de nouvelle génération). Quand une cible métallique s’approche de l’inducteur, elle entraîne un changement de champ magnétique. C’est le principe de l’induction : le capteur crée une tension entre deux pôles qui est proportionnelle à l’évolution d’un flux magnétique dans le temps. Cela crée un courant électrique qui circule à travers l’inducteur et les câbles connectés jusqu’au dispositif de sortie. La portée de détection varie en fonction du type de matériau cible, les métaux ferreux offrant une portée plus longue que les non ferreux. L’électronique peut être éloignée de la zone de détection, ce qui permet d’utiliser l’Incoder dans des environnements difficiles.

Avantages
• Un fonctionnement fiable et sécurisé, y compris en conditions difficiles
• Sans usure car sans contact
• Géométries multiples pour la détection de position 2D & 3D ou curviligne
• Adapté aux plages de mesures larges et réduites
• Température de fonctionnement allant jusqu’à 150 °C
• Haute précision (basée sur une échelle de 360° et jusqu’à 0,09°)
• Nouvelle génération : Plusieurs couches de capteurs fins pour des signaux redondants
• Haute résistance CEM
• L’électronique peut être installée loin de la zone de détection (protection inutile)

Inconvénients
• Incoder classique : De grande taille à cause de la bobine, pas de mesure redondante
• Nouvelle génération : Le facteur coût
• Inadapté aux mesures à basse vitesse (le signal de sortie dépend de la fréquence)
• Sensibilité à la variation de l’entrefer

Domaines d’application
• Contrôle et surveillance pour les applications de positionnement à des fins de sécurité (fabrication de machines, organisation des usines, automobile)
• Technologies d’entreposage et de manutention
• Capteur de vitesse pour roues et moteur, pompe à injection diesel, capteur d’arbre à cames
• Tachymètre inductif pour moteur (capteur de fréquence de vilebrequin)

Capteurs Hall

Hall based sensors

Principe
Les capteurs à effet Hall sont extrêmement sensibles aux champs magnétiques. Ils peuvent être utilisés pour des mesures linéaires et rotatives ainsi que pour des mesures de vitesse et de direction. Les composants principaux de ces capteurs sont le CI à effet Hall et l’aimant permanent placé en dessous. L’effet Hall se base sur des puces à semi-conducteurs minces. Si une induction B (aimant permanent) traverse verticalement cette plaque conductrice, les porteurs de charges sont déviés perpendiculairement au champ par la force de Lorentz. Le courant I fourni par une alimentation externe est dévié de sa trajectoire rectiligne habituelle.

Une tension U peut ainsi être détectée dans la direction du courant entre les deux points opposés des bords de la plaque. La tension de sortie U est proportionnelle à l’induction B et au courant I.

Le champ magnétique créé par l’aimant permanent change dès qu’un matériau ferromagnétique externe s’approche du capteur. Les caractéristiques de la roue cible et de l’entrefer doivent être compatibles avec le capteur Hall, particulièrement lors de mesure de vitesse.

Du fait de ce principe, le capteur fonctionne en courant continu, fourni par une source d’alimentation externe. C’est pour cette raison que les capteurs Hall sont considérés comme des capteurs actifs, car ils ont besoin d’électronique intégrée pour le traitement du signal. Contrairement au phénomène physique de l’induction, l’effet Hall se produit en condition d’équilibre. La tension de sortie d’un CI à effet Hall se maintient même quand le champ magnétique est constant dans la durée.

Avantages
• Entièrement électronique, sans pièces mobiles donc sans usure ni détérioration liées à la friction
• Durée de vie quasi illimitée (des milliards d’actionnements possibles)
• Utilisation à grande vitesse – possibilité de dépasser les 100 kHz
• Fonctionne même avec une entrée stationnaire (à vitesse nulle)
• Large plage de températures (−40 à +150 °C)
• Mesures hautement répétables
• De petite taille (s’adapte à de nombreuses applications où d’autres types de transducteurs magnétiques seraient trop encombrants)
• Robustesse : résistant aux chocs et aux vibrations, très résistant à l’humidité et aux contaminations environnementales
• Peut détecter la direction d’un champ ainsi que son amplitude
• Rentable
• Différents types, avec sortie numérique, analogique ou programmable
• Possibilité de configuration avec 2, 3 ou 4 conducteurs

Inconvénients
• Les capteurs sont sensibles aux DES, et le flux magnétique émanant de leur environnement (ex. : la câblerie) peut fausser les résultats
• Ne supporte que les charges CC
• Une alimentation en courant continu est nécessaire
• Nécessite des circuits intégrés

Domaines d’application
• Adapté aux environnements hostiles comme les transmissions automobiles et les équipements de forage de puits de pétrole
• Vitesse des roues et des arbres, par exemple mesure de la vitesse, point d’allumage d’un moteur à combustion, systèmes ABS
• Moteurs électriques en courant continu pour détecter la position de l’aimant permanent
• Centrales électriques / éoliennes : Vitesse de la turbine
• Capteurs angulaires pour les systèmes de direction et de pédales des véhicules tout terrain
• Systèmes ABS et mesure de vitesse pour les vélos électriques

Codeur optique

Principe
Les capteurs optiques servent généralement de codeurs et de capteurs de position incrémentaux pour des mesures angulaires et linéaires. Ils sont également adaptés à la mesure de vitesse. Les principaux composants de ces capteurs sont : une LED, un disque optique rotatif avec un marqueur de référence, et un photodétecteur avec un circuit de mise au carré. Un faisceau lumineux généré par la LED est dirigé vers ou à travers une grille du disque optique. La lumière résultante est mesurée par un photodétecteur et est automatiquement convertie en une sortie numérique.

Avantages
• Les codeurs rotatifs peuvent accomplir de 50 à 5000 comptages par tour
• Précision élevée si fixé avec précision
• Légèreté du capteur
• Durée de vie de 80 000 à 100 000 heures
• Ne réagit pas aux matériaux ferromagnétiques

Inconvénients
• En environnement difficile, les mesures peuvent échouer si la lentille ou le disque optique sont obstrués par des particules étrangères comme l’eau, la poussière ou des copeaux.
• Sensible aux chocs
• Peu ou pas d’avertissement de défaillance imminente
• Plage de températures de fonctionnement limitée (70 °C maximum)

Domaines d’application
• Mesure de vitesse, de direction et de position
• Pour les applications nécessitant un nombre élevé de comptages par tour en environnement favorable
• Adapté aux environnements et applications comportant des matériaux ferromagnétiques

Interrupteur Reed

Reed Switch sensors

Principe
L’interrupteur Reed a été inventé dans les années 30 par les Laboratoires Bell. En une dizaine d’années, il a commencé à trouver des applications à grande échelle comme capteur de position dans les équipements électroniques et de test. Contrairement aux autres capteurs mentionnés dans cet article, l’interrupteur Reed peut uniquement détecter la position finale d’une cible ou peut être utilisé comme capteur de vitesse étant donné qu’il compte des commutations au fil du temps. L’interrupteur Reed classique est constitué de deux contacts ferromagnétiques en alliage fer-nickel placés dans un tube de verre scellé hermétiquement. Ces deux contacts sont des lames souples ayant chacune une extrémité aplatie. Les extrémités des lames sont soigneusement alignées et s’effleurent sans se toucher. Le tube de verre est rempli d’azote inerte. Les lames agissent comme conducteurs de flux magnétique quand elles sont exposées à un champ magnétique externe. Des polarités opposées se créent entre les lames, et le contact s’effectue quand la force magnétique excède la force du ressort des lames. Le contact prend fin quand le champ magnétique externe se réduit et que la force d’attraction magnétique entre les lames est inférieure à la force de rappel du ressort des lames.

Avantages
• Consommation électrique nulle (aucune alimentation externe nécessaire)
• La durée de vie permet typiquement plusieurs millions de mesures
• Rentable
• Scellé hermétiquement : résistant à la poussière, aux particules, à l’eau et à l’humidité
• Les interrupteurs Reed sont disponibles dans de nombreuses tailles, avec des ampère-tours et une hystérésis variables en fonction de la distance et de la taille de l’aimant
• Puissance de commutation : gère les charges CA et CC, avec la possibilité de commuter de 10 nV à 10 000 V et jusqu’à 5 A
• Résistant aux décharges électrostatiques (DES)
• Température de fonctionnement allant jusqu’à 200 °C

Inconvénients
• Sensible aux vibrations et aux chocs au-delà d’environ 20 g
• Peut voir sa sensibilité s’altérer en cas de choc mécanique
• Mesure de la vitesse limitée à une utilisation en deçà de 1 kHz
• Sortie numérique (détection de la position finale uniquement)

Domaines d’application
• Détection de position (position finale d’un mouvement, sortie numérique uniquement)
• Mesure de vitesse (comptage des commutations)
• Applications comme relais (pour l’instrumentation électronique)
• Automobile et transports (capteur de liquide de frein, feux avant et arrière, commande des rétroviseurs, système anti-collision, contrôle de la pression des pneus, détecteur d’ouverture de la trappe à essence)
• Domotique (systèmes de sécurité, électroménager, CVC et plomberie)
• Sûreté et sécurité (alarmes incendie, capteurs de porte ou fenêtre, sécurité des hôtels)
• Santé, télécommunications, applications de test et de mesure

Résumé
Tous les capteurs présentés ici obéissent à des principes physiques qui leur confèrent des caractéristiques différentes. Dans l’absolu, aucune des technologies n’est donc meilleure qu’une autre. Le choix dépend toujours du domaine d’application. Le tableau suivant compare de manière simplifiée les capteurs de vitesse et de position en fonction de plusieurs indicateurs de performance clés. Cette évaluation porte sur des capteurs standards appartenant aux différentes catégories décrites ci-dessus.

Table 2
2019-11-13T09:25:22+01:00

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