Des chaînes d'entraînement robotisées aux convoyeurs des opérations logistiques, en passant par le balancement des éoliennes, la détection de position est une fonction essentielle dans de nombreuses applications. Elle peut prendre diverses formes : capteurs linéaires, rotatifs, angulaires, absolus, incrémentaux, à contact et sans contact. Des capteurs spécialisés ont été développés pour déterminer la position en trois dimensions. Les technologies de détection de position comprennent les capteurs potentiométriques, inductifs, à courants de Foucault, capacitifs, magnétostrictifs, à effet Hall, à fibre optique, optiques et ultrasoniques.
Cette FAQ présente brièvement les différentes formes de détection de position, puis passe en revue un éventail de technologies parmi lesquelles les concepteurs peuvent choisir lors de la mise en œuvre d'une solution de détection de position.
Les capteurs de position potentiométriques sont des dispositifs résistifs qui associent une piste résistive fixe à un curseur fixé à l'objet dont la position doit être mesurée. Le mouvement de l'objet entraîne le déplacement du curseur le long de la piste. La position de l'objet est mesurée à l'aide d'un pont diviseur de tension formé par les pistes et le curseur, permettant de mesurer un mouvement linéaire ou rotatif avec une tension continue fixe (Figure 1). Les capteurs potentiométriques sont peu coûteux, mais présentent généralement une précision et une répétabilité faibles.
Les capteurs de position inductifs exploitent les variations des propriétés du champ magnétique induit dans la bobine du capteur. Selon leur architecture, ils peuvent mesurer des positions linéaires ou rotationnelles. Les capteurs de position à transformateur différentiel linéaire variable (LVDT) utilisent trois bobines enroulées autour d'un tube creux : une bobine primaire et deux bobines secondaires. Ces bobines sont connectées en série, la bobine secondaire étant déphasée de 180° par rapport à la bobine primaire. Un noyau ferromagnétique, appelé armature, est placé à l'intérieur du tube et relié à l'objet à mesurer. Une tension d'excitation est appliquée à la bobine primaire, induisant une force électromagnétique (FEM) dans la bobine secondaire. La mesure de la différence de potentiel entre les bobines secondaires permet de déterminer la position relative de l'armature par rapport à l'objet auquel elle est fixée. Un transformateur différentiel de tension rotatif (RVDT) utilise la même technique pour suivre une position rotationnelle. Les capteurs LVDT et RVDT offrent une bonne précision, une linéarité élevée, une résolution satisfaisante et une sensibilité élevée. Sans frottement, ils peuvent être étanches pour une utilisation dans des environnements difficiles.
Les capteurs de position à courants de Foucault fonctionnent avec des objets conducteurs. Les courants de Foucault sont des courants induits qui apparaissent dans les matériaux conducteurs en présence d'un champ magnétique variable. Ces courants circulent en boucle fermée et génèrent un champ magnétique secondaire. Les capteurs à courants de Foucault sont composés de bobines et de circuits de linéarisation. Le courant alternatif alimente la bobine pour créer le champ magnétique primaire. Lorsqu'un objet s'approche ou s'éloigne de la bobine, sa position est détectée grâce à l'interaction du champ secondaire produit par les courants de Foucault, qui modifie l'impédance de la bobine. À mesure que l'objet se rapproche de la bobine, les pertes par courants de Foucault augmentent et la tension oscillante diminue (Figure 2). Cette tension oscillante est redressée et traitée par un circuit de linéarisation pour produire un signal continu linéaire proportionnel à la distance de l'objet.
Les capteurs à courants de Foucault sont des dispositifs robustes et sans contact, généralement utilisés comme capteurs de proximité. Omnidirectionnels, ils peuvent déterminer la distance relative à l'objet, mais pas sa direction ni sa distance absolue.
Comme leur nom l'indique, les capteurs de position capacitifs mesurent les variations de capacité pour déterminer la position de l'objet détecté. Ces capteurs sans contact peuvent être utilisés pour mesurer une position linéaire ou rotationnelle. Ils sont constitués de deux plaques séparées par un matériau diélectrique et utilisent l'une des deux méthodes suivantes pour détecter la position d'un objet :
Pour provoquer une variation de la constante diélectrique, l'objet dont on souhaite détecter la position est fixé au matériau diélectrique. Lorsque ce matériau se déplace, la constante diélectrique effective du condensateur varie en fonction de la surface du matériau diélectrique et de la constante diélectrique de l'air. On peut également connecter l'objet à l'une des armatures du condensateur. Lorsque l'objet se déplace, les armatures se rapprochent ou s'éloignent, et la variation de capacité qui en résulte permet de déterminer la position relative.
Les capteurs capacitifs permettent de mesurer le déplacement, la distance, la position et l'épaisseur des objets. Grâce à leur grande stabilité et résolution, les capteurs de déplacement capacitifs sont utilisés en laboratoire et en milieu industriel. Par exemple, ils servent à mesurer l'épaisseur des films et à contrôler l'application d'adhésifs dans les processus automatisés. Dans les machines industrielles, ils sont utilisés pour surveiller le déplacement et la position des outils.
La magnétostriction est une propriété des matériaux ferromagnétiques qui leur permet de modifier leur taille ou leur forme sous l'effet d'un champ magnétique. Dans un capteur de position magnétostrictif, un aimant de position mobile est fixé à l'objet à mesurer. Ce capteur est constitué d'un guide d'ondes composé de fils conducteurs parcourus par des impulsions de courant et relié à un capteur situé à son extrémité (Figure 3). Lorsqu'une impulsion de courant est injectée dans le guide d'ondes, un champ magnétique se crée dans le fil conducteur. Ce champ magnétique interagit avec le champ magnétique axial de l'aimant permanent (l'aimant situé dans le piston du cylindre, Figure 3a). Cette interaction est due à une torsion (effet Wiedemann) du fil conducteur, qui produit une impulsion acoustique se propageant le long du guide d'ondes et détectée par le capteur à son extrémité (Figure 3b). En mesurant le temps écoulé entre le début de l'impulsion de courant et la détection de l'impulsion acoustique, on peut déterminer la position relative de l'aimant de position, et donc de l'objet (Figure 3c).
Les capteurs de position magnétostrictifs sont des capteurs sans contact utilisés pour détecter une position linéaire. Les guides d'ondes sont souvent logés dans des tubes en acier inoxydable ou en aluminium, ce qui permet d'utiliser ces capteurs dans des environnements sales ou humides.
Lorsqu'un conducteur fin et plat est placé dans un champ magnétique, tout courant qui le traverse tend à s'accumuler sur une face du conducteur, créant une différence de potentiel appelée tension de Hall. Si le courant dans le conducteur est constant, l'amplitude de la tension de Hall reflète l'intensité du champ magnétique. Dans un capteur de position à effet Hall, l'objet est relié à un aimant logé dans l'axe du capteur. Lorsque l'objet se déplace, la position de l'aimant par rapport à l'élément Hall change, ce qui entraîne une variation de la tension de Hall. La mesure de cette tension permet de déterminer la position de l'objet. Il existe des capteurs de position à effet Hall spécialisés capables de déterminer la position en trois dimensions (Figure 4). Ces capteurs sont des dispositifs sans contact qui offrent une grande fiabilité et une détection rapide, et fonctionnent sur une large plage de températures. Ils sont utilisés dans de nombreuses applications grand public, industrielles, automobiles et médicales.
Il existe deux types principaux de capteurs à fibre optique. Dans les capteurs à fibre optique intrinsèques, la fibre sert d'élément sensible. Dans les capteurs à fibre optique externes, la fibre optique est associée à une autre technologie de détection pour transmettre le signal à un système électronique distant destiné au traitement. Pour la mesure de la position d'une fibre intrinsèque, un appareil tel qu'un réflectomètre optique temporel (OTDR) permet de déterminer le délai. Le décalage de longueur d'onde peut être calculé à l'aide d'un réflectomètre optique fréquentiel (OPDR). Les capteurs à fibre optique sont insensibles aux interférences électromagnétiques, peuvent fonctionner à haute température et sont non conducteurs ; ils peuvent donc être utilisés à proximité de hautes pressions ou de matériaux inflammables.
Un autre capteur à fibre optique, basé sur la technologie des réseaux de Bragg (FBG), peut également être utilisé pour la mesure de position. Le FBG agit comme un filtre coupe-bande, réfléchissant une petite fraction de la lumière centrée sur la longueur d'onde de Bragg (λB) lorsqu'il est éclairé par une lumière à large spectre. Il est fabriqué à partir de microstructures gravées dans le cœur de la fibre. Les FBG peuvent être utilisés pour mesurer divers paramètres tels que la température, la déformation, la pression, l'inclinaison, le déplacement, l'accélération et la charge.
Il existe deux types de capteurs de position optiques, également appelés codeurs optiques. Dans le premier cas, la lumière est envoyée à un récepteur situé à l'autre extrémité du capteur. Dans le second, le signal lumineux émis est réfléchi par l'objet surveillé et renvoyé à la source lumineuse. Selon la conception du capteur, les variations des propriétés de la lumière, telles que la longueur d'onde, l'intensité, la phase ou la polarisation, sont utilisées pour déterminer la position d'un objet. Les capteurs de position optiques à codeur sont disponibles pour les mouvements linéaires et rotatifs. Ces capteurs se répartissent en trois grandes catégories : les codeurs optiques transmissifs, les codeurs optiques réflectifs et les codeurs optiques interférométriques.
Les capteurs de position ultrasoniques utilisent des transducteurs à cristal piézoélectrique pour émettre des ondes ultrasonores à haute fréquence. Le capteur mesure le son réfléchi. Les capteurs ultrasoniques peuvent servir de simples capteurs de proximité, ou, dans des conceptions plus complexes, fournir des informations de distance. Ils fonctionnent avec des objets cibles de matériaux et de surfaces variés, et peuvent détecter de petits objets à des distances plus importantes que de nombreux autres types de capteurs de position. Ils sont résistants aux vibrations, au bruit ambiant, aux rayonnements infrarouges et aux interférences électromagnétiques. Parmi les applications des capteurs de position ultrasoniques, on peut citer la détection de niveau de liquide, le comptage rapide d'objets, les systèmes de navigation robotique et la détection automobile. Un capteur ultrasonique automobile typique se compose d'un boîtier en plastique, d'un transducteur piézoélectrique avec une membrane supplémentaire et d'une carte de circuit imprimé intégrant des circuits électroniques et des microcontrôleurs pour la transmission, la réception et le traitement des signaux (Figure 5).
Les capteurs de position mesurent les mouvements linéaires, rotationnels et angulaires, absolus ou relatifs, d'objets. Ils peuvent également mesurer le mouvement de dispositifs tels que des actionneurs ou des moteurs. On les retrouve aussi dans les plateformes mobiles comme les robots et les voitures. Différentes technologies sont utilisées dans les capteurs de position, offrant diverses combinaisons de résistance aux intempéries, de coût, de précision, de répétabilité et d'autres caractéristiques.
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