Des chaînes d'entraînement robotisées aux bandes transporteuses dans les opérations de la chaîne d'approvisionnement en passant par le balancement des tours d'éoliennes, la détection de position est une fonction essentielle dans une large gamme d'applications. Elle peut prendre de nombreuses formes, notamment des 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 fournit une brève introduction aux différentes formes de détection de position, puis passe en revue une gamme 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 à base de résistance qui combinent une piste résistive fixe avec un essuie-glace attaché à l'objet dont la position doit être détectée. Le mouvement de l'objet déplace les essuie-glaces le long de la piste. La position de l'objet est mesurée à l'aide d'un réseau diviseur de tension formé de rails et d'essuie-glaces pour mesurer le mouvement linéaire ou rotatif avec une tension continue fixe (Figure 1). Les capteurs potentiométriques sont peu coûteux, mais ont généralement une faible précision et une faible répétabilité.
Les capteurs de position inductifs utilisent les changements dans les propriétés du champ magnétique induit dans la bobine du capteur. Selon leur architecture, ils peuvent mesurer la position linéaire ou rotationnelle. Les capteurs de position à transformateur différentiel variable linéaire (LVDT) utilisent trois bobines enroulées autour d'un tube creux ; une bobine primaire et deux bobines secondaires. Les bobines sont connectées en série et la relation de phase de la bobine secondaire est déphasée de 180° par rapport à la bobine primaire. Un noyau ferromagnétique appelé armature est placé à l'intérieur du tube et connecté à l'objet à l'emplacement mesuré. Une tension d'excitation est appliquée à la bobine primaire et une force électromagnétique (FEM) est induite dans la bobine secondaire. En mesurant la différence de tension entre les bobines secondaires, la position relative de l'armature et ce à quoi elle est attachée peut être déterminée. Un transformateur différentiel de tension rotatif (RVDT) utilise la même technique pour suivre la position de rotation. Les capteurs LVDT et RVDT offrent une bonne précision, linéarité, résolution et haute sensibilité. Ils sont sans frottement et peuvent être scellés 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 se produisent dans les matériaux conducteurs en présence d'un champ magnétique changeant. Ces courants circulent en boucle fermée et génèrent un champ magnétique secondaire. Les capteurs de courants de Foucault se composent 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 peut être détectée à l'aide de l'interaction du champ secondaire produit par les courants de Foucault, ce qui affecte 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 devient plus petite (Figure 2). La tension oscillante est redressée et traitée par un circuit linéariseur pour produire une sortie CC linéaire proportionnelle à la distance de l'objet.
Les dispositifs à courants de Foucault sont des dispositifs robustes et sans contact généralement utilisés comme capteurs de proximité. Ils sont omnidirectionnels et peuvent déterminer la distance relative à l'objet, mais pas la direction ou la distance absolue à l'objet.
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 se composent de deux plaques séparées par un matériau diélectrique et utilisent l'une des deux méthodes suivantes pour détecter la position d'un objet :
Afin de provoquer un changement dans la constante diélectrique, l'objet dont la position doit être détectée est attaché au matériau diélectrique. Lorsque le matériau diélectrique se déplace, la constante diélectrique effective du condensateur change en raison de la combinaison de la surface du matériau diélectrique et de la constante diélectrique de l'air. Alternativement, l'objet peut être connecté à l'une des plaques du condensateur. Lorsque l'objet se déplace, les plaques se rapprochent ou s'éloignent, et le changement de capacité est utilisé pour déterminer la position relative.
Les capteurs capacitifs peuvent mesurer le déplacement, la distance, la position et l'épaisseur des objets. En raison de leur stabilité de signal et de leur résolution élevées, les capteurs de déplacement capacitifs sont utilisés dans les environnements de laboratoire et industriels. Par exemple, les capteurs capacitifs sont utilisés pour mesurer l'épaisseur du film et les applications adhésives dans les processus automatisés. Dans les machines industrielles, ils sont utilisés pour surveiller le déplacement et la position de l'outil.
La magnétostriction est une propriété des matériaux ferromagnétiques qui fait que le matériau change de taille ou de forme lorsqu'un champ magnétique est appliqué. Dans un capteur de position magnétostrictif, un aimant de position mobile est fixé à l'objet mesuré. Il se compose d'un guide d'ondes composé de fils qui transportent des impulsions de courant, connectés à un capteur situé à l'extrémité du guide d'ondes (Figure 3). Lorsqu'une impulsion de courant est envoyée dans le guide d'ondes, un champ magnétique est créé dans le fil qui interagit avec le champ magnétique axial de l'aimant permanent (l'aimant dans le piston du cylindre, Figure 3a). L'interaction du champ est provoquée par la torsion (l'effet Wiedemann), qui déforme le fil, produisant une impulsion acoustique qui se propage le long du guide d'ondes et est détectée par un capteur à l'extrémité du guide d'ondes (Fig. 3b). En mesurant le temps écoulé entre le début de l'impulsion de courant et la détection de l'impulsion acoustique, la position relative de l'aimant de position et donc de l'objet peut être mesurée (Fig. 3c).
Les capteurs de position magnétostrictifs sont des capteurs sans contact utilisés pour détecter la 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 mince et plat est placé dans un champ magnétique, tout courant circulant a tendance à s'accumuler d'un côté du conducteur, créant une différence de potentiel appelée tension Hall. Si le courant dans le conducteur est constant, l'amplitude de la tension Hall reflétera la force du champ magnétique. Dans un capteur de position à effet Hall, l'objet est connecté à un aimant logé dans l'arbre du capteur. Lorsque l'objet se déplace, la position de l'aimant change par rapport à l'élément Hall, ce qui entraîne une variation de la tension Hall. En mesurant la tension Hall, la position d'un objet peut être déterminée. Il existe des capteurs de position à effet Hall spécialisés qui peuvent déterminer la position en trois dimensions (Figure 4). Les capteurs de position à effet Hall 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 une gamme d'applications grand public, industrielles, automobiles et médicales.
Il existe deux types de base de capteurs à fibre optique. Dans les capteurs à fibre optique intrinsèques, la fibre est utilisée comme élément de détection. Dans les capteurs à fibre optique externes, la fibre optique est combinée à une autre technologie de capteur pour relayer le signal vers l'électronique distante pour traitement. Dans le cas de mesures de position de fibre intrinsèque, un appareil tel qu'un réflectomètre optique dans le domaine temporel peut être utilisé pour déterminer le délai. Le décalage de longueur d'onde peut être calculé à l'aide d'un instrument qui implémente un réflectomètre optique dans le domaine fréquentiel. Les capteurs à fibre optique sont immunisés contre les interférences électromagnétiques, peuvent être conçus pour fonctionner à des températures élevées et ne sont pas conducteurs, ils peuvent donc être utilisés à proximité de matériaux à haute pression ou inflammables.
Une autre détection à fibre optique basée sur la technologie du réseau de Bragg à fibre (FBG) peut également être utilisée 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 avec des microstructures gravées dans le cœur de la fibre. Les FBG peuvent être utilisés pour mesurer divers paramètres tels que la température, la contrainte, 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 un cas, la lumière est envoyée à un récepteur à l'autre extrémité du capteur. Dans le deuxième type, le signal lumineux émis est réfléchi par l'objet surveillé et renvoyé à la source lumineuse. Selon la conception du capteur, les changements dans les propriétés de la lumière, telles que la longueur d'onde, l'intensité, la phase ou la polarisation, sont utilisés pour déterminer la position d'un objet. Les capteurs de position optiques basés sur un codeur sont disponibles pour les mouvements linéaires et rotatifs. Ces capteurs se répartissent en trois catégories principales : les codeurs optiques transmissifs, les codeurs optiques réfléchissants et les codeurs optiques interférométriques.
Les capteurs de position à ultrasons utilisent des transducteurs à cristal piézoélectrique pour émettre des ondes ultrasonores à haute fréquence. Le capteur mesure le son réfléchi. Les capteurs à ultrasons peuvent être utilisés comme simples capteurs de proximité, ou des conceptions plus complexes peuvent fournir des informations de télémétrie. Les capteurs de position à ultrasons fonctionnent avec des objets cibles d'une variété de matériaux et de caractéristiques de surface, et peuvent détecter de petits objets à de plus grandes distances que de nombreux autres types de capteurs de position. Ils sont résistants aux vibrations, au bruit ambiant, au rayonnement infrarouge et aux interférences électromagnétiques. Des exemples d'applications utilisant des capteurs de position à ultrasons incluent la détection de niveau de liquide, le comptage à grande vitesse d'objets, les systèmes de navigation robotisés et la détection automobile. Un capteur à ultrasons automobile typique se compose d'un boîtier en plastique, d'un transducteur piézoélectrique avec une membrane supplémentaire et d'une carte de circuit imprimé avec des circuits électroniques et des microcontrôleurs pour la transmission, la réception et le traitement des signaux (Figure 5).
Les capteurs de position peuvent mesurer le mouvement linéaire, rotatif et angulaire absolu ou relatif des objets. Les capteurs de position peuvent mesurer le mouvement d'appareils tels que des actionneurs ou des moteurs. Ils sont également utilisés dans les plates-formes mobiles telles que les robots et les voitures. Une variété de technologies sont utilisées dans les capteurs de position avec diverses combinaisons de durabilité environnementale, de coût, de précision, de répétabilité et d'autres attributs.
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