Dans ce tutoriel, nous allons examiner une variété de dispositifs classés comme des Dispositifs d’Entrée et appelés « Capteurs », en particulier ceux qui sont de nature Positionnelle.
Comme leur nom l’indique, le Capteur de Position détecte la position de quelque chose, ce qui signifie qu’il est référencé soit à un point fixe, soit à partir d’un point fixe. Ces types de capteurs fournissent un retour d’information « positionnel ».
Une méthode pour déterminer une position consiste à utiliser soit une « distance », qui peut être la distance entre deux points, comme la distance parcourue ou éloignée d’un point fixe, soit par « rotation » (mouvement angulaire). Par exemple, la rotation d’une roue de robot pour déterminer la distance parcourue sur le sol. Dans tous les cas, les Capteurs de Position peuvent détecter le mouvement d’un objet en ligne droite grâce aux Capteurs Linéaires ou par son mouvement angulaire à l’aide des Capteurs Rotatifs.
Le Potentiomètre Comme Capteur de Position
Le capteur de position le plus couramment utilisé est le potentiomètre, car il s’agit d’un capteur de position peu coûteux et facile à utiliser. Il utilise un contact balais lié à un arbre mécanique qui peut être soit angulaire (rotationnel), soit linéaire (type glissière) dans son mouvement le long d’une piste.
Ce mouvement provoque une variation de la valeur de résistance entre le balai/glissière et les deux connexions terminales, fournissant ainsi un signal de sortie électrique qui a une relation proportionnelle entre la position réelle du balai sur la piste résistive et sa valeur de résistance. En d’autres termes, la résistance est proportionnelle à la position physique.
Potentiomètre
Les potentiomètres sont disponibles dans une large gamme de conceptions et de tailles, comme le type rotatif arrondi couramment disponible ou les types de glissière linéaire plus longs et plats. Lorsqu’ils sont utilisés comme capteur de position, l’objet mobile est connecté directement à l’arbre rotatif ou à la glissière du potentiomètre.
Une tension de référence continue est appliquée sur les deux connexions fixes extérieures formant l’élément résistif. Le signal de tension de sortie est prélevé sur la borne du balai de contact glissant comme montré ci-dessous.
Cette configuration produit un signal de type diviseur de tension ou potentiel qui est proportionnel à la position de l’arbre. Ainsi, si vous appliquez une tension de 10V sur l’élément résistif du potentiomètre, la tension de sortie maximale serait égale à la tension d’alimentation de 10 volts, avec la tension de sortie minimale égale à 0 volts. Ensuite, le balai du potentiomètre fera varier le signal de sortie de 0 à 10 volts, les 5 volts indiquant que le balai ou la glissière est à sa moitié ou position centrale.
Construction du Potentiomètre
Le signal de sortie (Vout) du potentiomètre est extrait de la connexion centrale du balai alors qu’il se déplace le long de la piste résistive, et est proportionnel à la position angulaire de l’arbre.
Exemple d’un Circuit de Détection de Position Simple
Bien que les capteurs de position potentiométriques résistifs aient de nombreux avantages : coût faible, technologie simple, facilité d’utilisation, etc., en tant que capteur de position, ils présentent également de nombreux inconvénients : usure due aux pièces mobiles, faible précision, faible répétabilité et réponse en fréquence limitée.
Cependant, il y a un principal inconvénient à utiliser le potentiomètre comme capteur de position. La plage de mouvement de son balai ou de sa glissière (et donc le signal de sortie obtenu) est limitée à la taille physique du potentiomètre utilisé.
Par exemple, un potentiomètre rotatif à tour unique n’a généralement qu’une rotation mécanique fixe de 0o à environ 240 à 330o maximum. Cependant, des potentiomètres à tours multiples allant jusqu’à 3600o (10 x 360o) de rotation mécanique sont également disponibles.
La plupart des types de potentiomètres utilisent un film de carbone pour leur piste résistive, mais ces types sont électriquement bruyants (le crépitement sur un contrôle de volume de radio) et ont également une durée de vie mécanique courte.
Les potentiomètres à fil également connus sous le nom de rhéostats, sous forme de fil droit ou de fil résistif enroulé, peuvent également être utilisés, mais les potentiomètres à fil souffrent de problèmes de résolution, car leur balai saute d’un segment de fil à l’autre, produisant une sortie logarithmique (LOG) qui entraîne des erreurs dans le signal de sortie. Ceux-ci souffrent également de bruit électrique.
Pour les applications nécessitant une haute précision et un faible bruit, des potentiomètres à élément de résistance en plastique conducteur de type film polymère ou cermet sont désormais disponibles. Ces pots ont une piste résistive linaire (LIN) à faible friction, leur offrant un faible bruit, une longue durée de vie et une excellente résolution. Ils sont disponibles en dispositifs à tour unique et à tours multiples. Les applications typiques pour ce type de capteur de position haute précision se trouvent dans les joysticks de jeux vidéo, les volants, ainsi que dans les applications industrielles et robotiques.
Capteur de Position Inductif
Transformateur Différentiel Linéaire Variable
Un type de capteur de position qui ne souffre pas des problèmes d’usure mécanique est le « Transformateur Différentiel Linéaire Variable » ou LVDT. C’est un capteur de position de type inductif qui fonctionne sur le même principe que le transformateur AC utilisé pour mesurer le mouvement. C’est un appareil très précis pour mesurer le déplacement linéaire dont la sortie est proportionnelle à la position de son noyau mobile.
Il consiste essentiellement en trois bobines enroulées sur un tube creux, l’une formant la bobine primaire et les deux autres bobines formant des secondaires identiques connectés électriquement ensemble en série mais déphasés de 180o de chaque côté de la bobine primaire.
Un noyau ferromagnétique en fer doux (parfois appelé « armature ») qui est connecté à l’objet mesuré, glisse ou se déplace de haut en bas à l’intérieur du corps tubulaire de l’LVDT.
Une petite tension AC de référence appelée « signal d’excitation » (2 – 20V rms, 2 – 20kHz) est appliquée à l’enroulement primaire, ce qui induit à son tour un signal EMF dans les deux enroulements secondaires adjacents (principes du transformateur).
Si le noyau ferromagnétique en fer doux est exactement au centre du tube et des enroulements, position nulle, les deux EMF induits dans les deux enroulements secondaires s’annulent car ils sont déphasés de 180o, donc la tension de sortie résultante est nulle. À mesure que le noyau est légèrement déplacé d’un côté ou de l’autre depuis cette position nulle, la tension induite dans l’un des secondaires deviendra plus grande que celle de l’autre secondaire et un signal de sortie sera produit.
La polarité du signal de sortie dépend de la direction et du déplacement du noyau mobile. Plus le mouvement du noyau en fer doux s’éloigne de sa position nulle centrale, plus le signal de sortie résultant sera fort. Le résultat est une sortie de tension différentielle qui varie linéairement avec la position des noyaux. Par conséquent, le signal de sortie de ce type de capteur de position a à la fois une amplitude qui est une fonction linéaire du déplacement des noyaux et une polarité qui indique la direction du mouvement.
La phase du signal de sortie peut être comparée à la phase d’excitation de la bobine primaire permettant ainsi à des circuits électroniques adaptés, comme l’Amplificateur de Capteur LVDT AD592, de savoir dans quelle moitié de la bobine se trouve le noyau magnétique et ainsi connaître la direction de déplacement.
Le Transformateur Différentiel Linéaire Variable
Lorsque l’armature se déplace d’une extrémité à l’autre à travers la position centrale, les tensions de sortie passent de maximum à zéro et de zéro à maximum, mais au processus, elle change son angle de phase de 180 degrés. Cela permet à l’LVDT de produire un signal AC de sortie dont la magnitude représente la quantité de mouvement depuis la position centrale et dont l’angle de phase représente la direction du mouvement du noyau.
Une application typique d’un capteur de transformateur différentiel linéaire variable (LVDT) serait comme un transducteur de pression, où la pression mesurée appuie contre un diaphragme pour produire une force. La force est ensuite convertie en un signal de tension lisible par le capteur.
Les avantages du transformateur différentiel linéaire variable, ou LVDT, par rapport à un potentiomètre résistif, sont que sa linéarité, c’est-à-dire sa sortie de tension par rapport au déplacement, est excellente, d’une très bonne précision, d’une bonne résolution, d’une haute sensibilité ainsi qu’un fonctionnement sans friction. Ils sont également scellés pour une utilisation dans des environnements hostiles.
Capteur de Position de Proximité Inductif
Un autre type de capteur de position inductif couramment utilisé est le Capteur de Proximité Inductif, également appelé capteur à courant de Foucault. Bien qu’ils ne mesurent pas réellement le déplacement ou la rotation angulaire, ils sont principalement utilisés pour détecter la présence d’un objet devant eux ou dans une proximité proche, d’où leur nom de « capteur de proximité ».
Les capteurs de proximité sont des capteurs de position sans contact qui utilisent un champ magnétique pour la détection avec le capteur magnétique le plus simple étant l’interrupteur à lames. Dans un capteur inductif, une bobine est enroulée autour d’un noyau en fer à l’intérieur d’un champ électromagnétique pour former une boucle inductive.
Lorsque du matériel ferromagnétique est placé à l’intérieur du champ de courant de Foucault généré autour du capteur inductif, comme une plaque métallique ferromagnétique ou une vis métallique, l’inductance de la bobine change de manière significative. Le circuit de détection du capteur de proximité détecte ce changement produisant une tension de sortie. Par conséquent, les capteurs de proximité inductifs fonctionnent selon le principe électrique de la Loi de l’Inductance de Faraday.
Capteur de Proximité Inductif
Un capteur de proximité inductif a quatre composants principaux : l’oscillateur qui produit le champ électromagnétique, la bobine qui génère le champ magnétique, le circuit de détection qui détecte tout changement dans le champ lorsqu’un objet entre dans celui-ci et le circuit de sortie qui produit le signal de sortie, soit avec des contacts normalement fermés (NC) ou normalement ouverts (NO).
Les capteurs de proximité inductifs permettent la détection d’objets métalliques devant la tête du capteur sans aucun contact physique avec l’objet lui-même. Cela les rend idéaux pour une utilisation dans des environnements poussiéreux ou humides. La portée de détection des capteurs de proximité est très petite, typiquement de 0,1 mm à 12 mm.
Capteur de Proximité
En plus des applications industrielles, les capteurs de proximité inductifs sont également couramment utilisés pour contrôler le flux de circulation en changeant les feux de circulation aux intersections et aux carrefours. Des boucles inductives rectangulaires de fil sont enterrées sous la surface de la route en bitume.
Lorsqu’une voiture ou tout autre véhicule de route passe sur cette boucle inductive, le corps métallique du véhicule change l’inductance de la boucle et active le capteur, alertant ainsi le contrôleur des feux de circulation qu’il y a un véhicule en attente.
Un principal inconvénient de ces types de capteurs de position est qu’ils sont « omnidirectionnels », c’est-à-dire qu’ils détecteront un objet métallique au-dessus, en dessous ou à côté d’eux. De plus, ils ne détectent pas les objets non métalliques bien que les Capteurs de Proximité Capacitif et les Capteurs de Proximité Ultrasonique soient disponibles. D’autres capteurs de position magnétique couramment disponibles comprennent : les interrupteurs à lames, les capteurs à effet Hall et les capteurs à réluctance variable.
Encodeurs Rotatifs En Tant Que Capteur de Position
Les Encodeurs Rotatifs sont un autre type de capteur de position qui ressemblent aux potentiomètres mentionnés précédemment, mais ce sont des dispositifs optiques sans contact utilisés pour convertir la position angulaire d’un arbre tournant en un code numérique ou analogique. En d’autres termes, ils convertissent le mouvement mécanique en un signal électrique (de préférence numérique).
Tous les encodeurs optiques fonctionnent selon le même principe de base. La lumière d’une LED ou d’une source lumineuse infrarouge passe à travers un disque codé à haute résolution qui contient les motifs de code requis, soit binaire, code gris ou BCD. Les détecteurs photo scannent le disque au fur et à mesure de sa rotation et un circuit électronique traite l’information sous forme numérique en un flux de pulsations binaires qui sont envoyées à des compteurs ou des contrôleurs qui déterminent la position angulaire réelle de l’arbre.
Il existe deux types de base d’encodeurs optiques rotatifs : Les Encodeurs Incrémentaux et Les Encodeurs de Position Absolue.
Encodeur Incrémental
Disque d’Encodeur
Les Encodeurs Incrémentaux, également connus sous le nom d’encodeurs en quadrature ou d’encodeurs rotatifs relatifs, sont les plus simples des deux capteurs de position. Leur sortie est une série d’impulsions carrées générées par un arrangement de cellule photoélectrique lorsque le disque codé, avec des lignes transparentes et sombres appelées segments de manière uniformément espacée sur sa surface, se déplace ou tourne devant la source lumineuse. L’encodeur produit un flux d’impulsions carrées qui, une fois comptées, indiquent la position angulaire de l’arbre tournant.
Les encodeurs incrémentaux ont deux sorties séparées appelées « sorties de quadrature ». Ces deux sorties sont déphasées de 90o l’une de l’autre, la direction de rotation de l’arbre étant déterminée par la séquence de sortie.
Le nombre de segments transparents et sombres ou de fentes sur le disque détermine la résolution de l’appareil, et augmenter le nombre de lignes dans le motif augmente la résolution par degré de rotation. Les disques codés typiques ont une résolution allant jusqu’à 256 impulsions ou 8 bits par rotation.
L’encodeur incrémental le plus simple est appelé tachymètre. Il n’a qu’une seule sortie d’impulsion carrée et est souvent utilisé dans des applications unidirectionnelles où seules des informations de position ou de vitesse de base sont nécessaires. L’« Encodeur de Quadrature » ou « Sine wave » est le plus couramment utilisé et possède deux ondes carrées de sortie communément appelées canal A et canal B. Cet appareil utilise deux détecteurs photo, légèrement décalés l’un de l’autre de 90o en produisant ainsi deux signaux de sortie sinusoïdaux séparés.
Sortie de l’Encodeur Incrémental
Un principal inconvénient des encodeurs incrémentaux lorsqu’ils sont utilisés comme capteur de position est qu’ils nécessitent des compteurs externes pour déterminer l’angle absolu de l’arbre dans une rotation donnée. Si l’alimentation est momentanément coupée ou si l’encodeur rate une impulsion en raison du bruit ou d’un disque sale, les informations angulaires résultantes produiront une erreur. Une façon de surmonter cet inconvénient est d’utiliser des encodeurs de position absolue.
Encodeur de Position Absolue
Les Encodeurs de Position Absolue sont plus complexes que les encodeurs en quadrature. Ils fournissent un code de sortie unique pour chaque position de rotation indiquant à la fois la position et la direction. Leur disque codé se compose de plusieurs « pistes » concentriques de segments clairs et sombres. Chaque piste est indépendante avec son propre détecteur photo pour lire simultanément une valeur de position codée unique pour chaque angle de mouvement. Le nombre de pistes sur le disque correspond à la résolution « bit » binaire de l’encodeur, donc un encodeur absolu 12 bits aurait 12 pistes et la même valeur codée n’apparaît qu’une seule fois par révolution.
Disque Codé Binaire 4 bits
Un principal avantage d’un encodeur absolu est sa mémoire non volatile qui conserve la position exacte de l’encodeur sans avoir besoin de revenir à une position « d’accueil » en cas de coupure d’alimentation. La plupart des encodeurs rotatifs sont définis comme des dispositifs « à tour unique », mais des dispositifs à tour multiples absolus sont disponibles, qui obtiennent un retour d’informations sur plusieurs révolutions en ajoutant des disques de code supplémentaires.
Une application typique des encodeurs de position absolue se situe dans les disques durs d’ordinateur et les lecteurs de CD/DVD où la position absolue des têtes de lecture/écriture des lecteurs est surveillée ou dans les imprimantes/traceurs pour positionner avec précision les têtes d’impression sur le papier.
Dans ce tutoriel sur les Capteurs de Position, nous avons examiné plusieurs exemples de capteurs qui peuvent être utilisés pour mesurer la position ou la présence d’objets. Dans le prochain tutoriel, nous explorerons des capteurs utilisés pour mesurer la température, tels que les thermistances, les thermostats et les thermocouples, et qui sont donc communément connus sous le nom de capteurs de température.
