GENERALITES SUR LES CAPTEURS CHAPITRE 1
1. DEFINITION :
Un capteur est un composant technique qui d tecte un v nement physique se rapportant au
fonctionnement du syst me (pr sence d'une pi ce, temp rature, etc.) et traduit cet v nement en un
signal exploitable par la PC de ce syst me. Ce signal est g n ralement lectrique sous forme d'un signal
basse tension. La figure 1 illustre le r le dun capteur :
Fig. 1 : R le g n ral dun capteur
Grandeur physique
(Etat de la PO)
DETECTER
UN EVENEMENT
Signal lectrique
(Exploitable par la PC)
L'information d tect e par un capteur peut tre d'une grande vari t , ce qui implique une grande
vari t de besoins en capteurs. On cite parmi les plus connus et fr quents, les capteurs de position, de
pr sence, de vitesse, de temp rature et de niveau.
2. NATURE DE L'INFORMATION FOURNIE PAR UN CAPTEUR :
Suivant son type, Linformation quun capteur fournit la PC peut tre :
Fig. 2 : Exemple dun capteur TOR
Logique : Linformation ne peut prendre
que les valeurs 1 ou 0 ; on
parle alors dun capteur Tout
ou Rien (TOR). La figure 2
montre la caract ristique dun
capteur de position :
Analogique : Linformation peut prendre
toutes les valeurs possibles
entre 2
certaines valeurs
limites ; on parle alors dun
capteur analogique. La figure 3
montre la caract ristique dun
capteur de temp rature :
Signal logique
Pr sence de la pi ce
1 (24V)
0 (0V)
Absence de la pi ce
Temps
Fig. 3 : Exemple dun capteur analogique
Tension (V)
5
La tension varie de fa on
continue entre 0 et 5V
Temp rature ( C)
100
Num rique : Linformation fournie par le capteur permet la PC den d duire un nombre binaire
sur n bits ; on parle alors dun capteur num rique. La figure 4 illustre le principe de
fonctionnement de la souris :
Fig. 4 : Exemple de capteur num rique
La souris fournit un ordinateur un signal
logique p riodique, sous forme dimpulsions, qui
lui permettent de compter ces impulsions pour
en d duire les cordonn es X et Y de la souris
sous forme de nombres NX et NY.
C h a p i t r e 1 G n ralit s sur les capteurs
3
3. CARATERISTIQUES DUN CAPTEUR :
Certains param tres sont communs tous les capteurs. Ils caract risent les contraintes de mise en
Suvre et permettent le choix dun capteur :
L' tendue de la mesure : c'est la diff rence entre le plus petit signal d tect et le plus grand
perceptible sans risque de destruction pour le capteur.
La sensibilit : ce param tre caract rise la capacit du capteur d tecter la plus petite variation
de la grandeur mesurer. Cest
le rapport entre la variation DV du signal
lectrique de sortie pour une variation donn e DY de la grandeur physique
dentr e : S = DV / DY
La fid lit : Un capteur est dit fid le si le signal quil d livre en sortie ne varie pas dans le temps
pour une s rie de mesures concernant la m me valeur de la grandeur physique Y
dentr e. Il caract rise lInfluence du vieillissement.
Le temps de r ponse : c'est le temps de r action d'un capteur entre la variation de la grandeur
physique qu'il mesure et l'instant o l'information est prise en compte par
la partie commande.
4. CAPTEURS LOGIQUES (Tout Ou Rien : TOR) :
Les capteurs TOR fournissent une information logique, g n ralement sous forme d'un contact
lectrique qui se ferme ou s'ouvre suivant l' tat du capteur.
4.1- Capteurs avec contact :
Ce type de capteur est constitu d'un contact lectrique qui s'ouvre ou se ferme lorsque l'objet
d tecter actionne par contact un l ment mobile du capteur (dispositif d'attaque). les gammes de ce
type de capteur sont tr s vari es ; elles sont fonction des probl mes pos s par leur utilisation.
Ainsi, la t te de commande et le dispositif d'attaque sont d termin s partir de :
La forme de l'objet : came 30 , face plane ou forme quelconque ;
La trajectoire de lobjet : frontale, lat rale ou multidirectionnelle ;
La pr cision de guidage.
Les figures suivantes montrent des exemples de capteur de position :
Fig. 5 : Capteur rectiligne poussoir
Caract ristiques :
Commande directe
Pr sence de l'objet en but m canique
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Fig. 6 : Capteur rectiligne poussoir galet thermoplastique
Caract ristiques :
Trajectoire rectiligne de l'objet d tecter
Guidage pr cis < 1mm
Came 30
4
Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation
Fig. 7 : Capteur angulaire levier galet
Caract ristiques :
Guidage peu pr cis ~ 5mm
Came 30
Fig. 8 : Capteur tige souple ressort
Caract ristiques :
Cible de forme quelconque
Trajectoire multidirectionnelle
Guidage > 10 mm
4.2- Capteurs sans contact :
Les capteurs sans contact ou de proximit d tectent distance et sans contact avec lobjet dont ils
contr lent la position. Un contact lectrique s'ouvre alors ou se ferme en fonction de la pr sence ou du
non pr sence dun objet dans la zone sensible du capteur.
A l'inverse des capteurs avec contacts, les capteurs de proximit sont des d tecteurs statiques (pas
de pi ce mobile) dont la dur e de vie est ind pendante du nombre de manSuvres. Ils ont aussi une
tr s bonne tenue l'environnement industriel (atmosph re polluante).
Le choix dun d tecteur de proximit d pend :
de la nature du mat riau constituant lobjet d tecter,
de la distance de lobjet d tecter,
des dimensions de lemplacement disponible pour implanter le d tecteur.
4.2.1- Capteurs inductifs :
La technologie des d tecteurs de proximit inductifs est bas e sur la variation dun champ
magn tique lapproche dun objet conducteur du courant lectrique. Leur usage est uniquement
r serv la d tection d l ments m talliques dans les secteurs de la machine-outil, l'agro-
alimentaire, la robotique, et les applications de l'usinage, la manutention, l'assemblage, le
convoyage.
Fig. 9 : D tecteur de proximit inductif
Caract ristiques :
Port e nominale qui d finit la zone de
d tection. Elle d pend de l' paisseur de l'objet
et peut aller jusqu' 50mm.
Tension d'alimentation de 12V 48V continu
et de 24 240V alternatif.
Technique de raccordement 2 fils et 3 fils.
C h a p i t r e 1 G n ralit s sur les capteurs
5
Les d tecteurs inductifs existent suivant diff rents mod les ; ceci en fonction de leur mode de
raccordement comme cest illustr la figure 10 :
2 fils avec courant continu ou alternatif ;
3 fils avec courant continu type PNP ou NPN, en fonction de l lectronique interne.
Fig. 10 : Technique de raccordement des capteurs inductifs et capacitifs
BN
BU
~
~
BN
PNP
BU
BK
+
BN
NPN
BU
+
BK
2 fils AC/DC
3 fils type PNP
3 fils type NPN
4.2.2- Capteurs capacitifs :
La technologie des d tecteurs de proximit capacitifs est bas e sur la variation dun champ
lectrique lapproche dun objet quelconque. Ils permettent de d tecter tout type d'objet dans
les domaines de l'agro-alimentaire, de la chimie, de la transformation des mati res plastiques, du
bois et des mat riaux de construction.
Fig. 11 : D tecteur de proximit capacitif
Caract ristiques :
Port e nominale qui d finit la zone de d tection. Elle
d pend de l' paisseur de l'objet et peut aller jusqu' 50mm.
Tension d'alimentation de 12V 48V continu et de 24
240V alternatif.
Technique de raccordement 2 fils et 3 fils.
4.2.3- Capteurs magn tiques :
Un interrupteur lame souple (I.L.S.) est constitu d'un bo tier l'int rieur duquel est plac un
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contact lectrique m tallique souple sensible aux champs magn tiques. Il permet de d tecter tous
les mat riaux magn tiques dans le domaine de la domotique pour la d tection de fermeture de
portes et fen tres et le domaine pneumatique pour la d tection de la position d'un v rin, etc.
Fig. 12 : Principe de fonctionnement dun ILS
Pr sence dun champ magn tique :
Contact ferm
Absence de champ magn tique :
Contact ouvert
Aimant
Permanent
4.3- Capteurs Photo lectriques distance :
Les cellules photo lectriques permettent de d tecter sans contact tous les mat riaux opaques (non
transparents), conducteurs d lectricit ou non. Ce type de capteurs se compose essentiellement d'un
metteur de lumi re associ un r cepteur photosensible. La figure 13 montre une illustration de
quelques capteurs photo lectriques :
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Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation
Fig. 13 : Exemple de capteurs photo lectriques
Ces d tecteurs sont utilis s dans les domaines industriels et tertiaires les plus divers comme :
La d tection d'objets et de produits dans la manutention et le convoyage ;
La d tection de pi ces machine dans les secteurs de la robotique et du b timent ;
La d tection de personnes, de v hicules ou d'animaux, etc.
Pour r aliser la d tection d'objets dans les diff rentes applications, 3 techniques de montages sont
possibles:
Syst me barrage (figure 14) caract ris par :
L' metteur et le r cepteur sont situ s dans deux bo tiers s par s ;
La port e la plus longue pour ce type de capteur (jusqu 30 m) ;
Le faisceau est mis en infrarouge ;
La d tection des objets opaques ou r fl chissant quelque soit le mat riau ;
Lalignement entre metteur et r cepteur doit tre r alis avec soin.
Syst me reflex (figure 15) caract ris par :
L' metteur et le r cepteur sont situ s dans le m me bo tier ;
Utilisation d'un r flecteur qui renvoie le faisceau lumineux en cas d'absence de cible ;
La port e peut atteindre jusqu 15 m ;
Le faisceau est mis en infrarouge ;
La d tection des objets opaques et non r fl chissant quelque soit le mat riau ;
Syst me proximit (figure 16) caract ris par :
L' metteur et le r cepteur sont situ s dans le m me bo tier ;
La pr sence de la cible renvoie le faisceau lumineux vers le capteur ;
La port e d pend de la couleur de la cible, de son pouvoir r fl chissant et de ses
dimensions. Elle augmente si l'objet est de couleur claire ou de grande dimension.
Fig. 15 : Montage type " Reflex "
Fig. 14 : Montage type " Barrage "
Emetteur
R cepteur
Cible
Cible
Emetteur
R cepteur
R flecteur
R flecteur
Fig. 16 : Montage type " Proximit "
Emetteur
R cepteur
Cible
C h a p i t r e 1 G n ralit s sur les capteurs
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5. CAPTEURS NUMERIQUES :
5.1- Codeur optique incr mental :
Un disque rotatif comporte au maximum 3 pistes. La piste p riph rique A du disque est divis e en
"n" fentes r guli rement r parties. Ainsi, pour un tour complet de l'axe du codeur, le faisceau lumineux
est interrompu n fois et d livre la sortie de la cellule photosensible "n" signaux carr s. La figure 18
d crit un capteur incr mental :
Fig. 18 : Codeur optique incr mental
Unit de
Traitement
Cellules
Photosensibles
Disque
optique
LED
Arbre
Pour conna tre le sens de rotation du codeur, on utilise une deuxi me piste B qui sera d cal e par
rapport la premi re de 90 (1/4 de tour).
5.2- Codeur optique absolu :
Les codeurs absolus sont destin s des applications de contr le de d placement et de
positionnement dun mobile par codage. Le disque du codeur comporte plusieurs pistes (jusqu 20).
Chaque piste est alternativement opaque et transparente et poss de son propre syst me de
lecture (diode mettrice et diode r ceptrice).
A chaque position angulaire de l'axe du codeur correspond un nombre binaire cod en GRAY Dans ce
code, il n'y a qu'un seul bit qui change chaque fois pour viter les al as de fonctionnement. Avant
toute utilisation, le mot fourni par le codeur doit donc tre transcod en binaire, car l'unit de
traitement travaille en binaire pur.
A titre p dagogique, voyons la figure 19 les
diff rentes combinaisons d'un codeur optique absolu
binaire sur 3 bits:
Fig. 19 : Codeur optique absolu binaire 3 bits
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Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation
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E X E R C I C E
R E S O L U
Le montage ci-contre permet de prot ger un moteur courant continu,
fonctionnant avec 2 sens. La protection est contre les positions limites o
le moteur peut tre cal ; dans ce cas le couple augmente, ainsi le
courant dans le moteur, ce qui peut d t riorer le moteur. C'est le cas du
moteur de la position d'antenne parabolique. La tension E est soit
positive, soit n gative, suivant la commande qui n'est pas repr sent e ici,
ainsi que le syst me came qui permet d'actionner les "fins de course" (fcw
et fce). Analyser le fonctionnement d'un tel montage. Les fins de
course sont ferm es au repos.
DW DE
E
fcw
fce
M
CORRIGE :
Au repos, on suppose le moteur dans une position o ni fcw ni fce n'est actionn .
Quand le moteur tourne vers "West" et arrive la position limite "West" fcw s'ouvre et le
moteur s'arr te. Pour tourner vers "East", Il faut alors inverser le sens.
En inversant le sens, la diode DW joue le r le fcw pour un court instant, apr s quoi fcw
se ferme (voir figure ci -dessous gauche).
En tournant vers "East" et arrivant la position limite "East", fce s'ouvre et le moteur
s'arr te. Pour tourner vers "West", Il faut alors inverser le sens.
Et ainsi de suite (voir figure ci-dessous droite).
DW DE
DW DE
M
M
E
fcw
fce
E
fcw
fce
E X E R C I C E S N O N
R E S O L U S
Les asservissements num riques, sont abondants dans le domaine industriel. On s'int resse dans cette
tude l'asservissement de position. La structure du syst me est donn e la figure ci-dessous. Sa
description est comme suit :
Un curseur se d place lin airement gr ce un syst me vis- crou ;
Le syst me vis- crou est entra n en rotation par un moteur courant continu ;
La position du curseur est capt e par un codeur incr mental solidaire laxe du moteur ;
La commande permet de comparer la position capt e et la position de consigne ; si les 2
positions sont gales, on arr te le moteur.
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Curseur
Moteur
C.C.
fcg
Vis- crou
fcd
Codeur
incr mental
Commande
Unit de
commande
Position
Consigne
fcg : capteur de fin de course gauche
fcd : capteur de fin de course droite
C h a p i t r e 1 G n ralit s sur les capteurs
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1- ETUDE DU CODEUR INCREMENTAL :
Comme le montre la figure ci-contre, la
capture de la position se fait l'aide d'un
codeur incr mental constitu de :
Pas
Emetteurs
Un disque contenant deux pistes A et B
d cal es et divis es chacune, en 16 secteurs
quidistants et alternativement opaques et
transparents ;
Deux l ments opto lectroniques (une diode
infrarouge et une photodiode) dispos s de
part et dautre de chaque piste.
1.1- Calculer la sensibilit de ce capteur et
EncA
Disque
R cepteurs
2
5
22.5
.
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2
2
.
5
2
Piste B
Piste A
Codeur incr mental
5V
5V
photodiode
Diode
infrarouge
pr ciser son unit .
4093 C
R
R2
R1
1.2- Calculer le d placement minimal du curseur
d tect par ce capteur sachant que le pas
de la vis est de 5 mm.
1.3- Quel est le r le:
5V
5V
photodiode
Diode
infrarouge
EncB
a/ Du circuit RC ?
b/ De la porte inverseuse de type "Trigger" ?
4093 C
R
R2
39KW
R1
1.4- La photodiode est caract ris e par un courant ID = 100 A en clairage et un courant ID = 100 nA
en obscurit . Sachant que VIH min = 3,5 V et VIL max = 1.5 V pour une porte CMOS avec
Vcc = 5 V, v rifier le bon choix de R2.
1.5- On suppose que le disque a subi une rotation d'un
demi-tour dans un sens et d'un demi-tour dans le sens
contraire, une vitesse constante. Compl ter les
chronogrammes des
EncB
correspondants ce mouvement sachant qu'ils
d butent comme le montre la figure ci-contre.
signaux
EncA
et
par
1.6- Le principe de la d termination de la position du
curseur consiste, en l'accumulation des impulsions
d'un
fournies
compteur/d compteur selon le montage de la figure
ci-contre.
ou
d cr ment suivant le sens de rotation donn par
l' tat du signal EncB chaque transition positive du
signal EncA.
incr ment
compteur
piste,
l'aide
une
est
Le
a/ Que repr sente alors le signal Q ?
b/ Combien de tours fera le disque, pour que le
curseur parcourra la course maximale de la vis, qui
est de 160 mm ?
c/ En d duire le nombre de bits n cessaire pour
repr senter la position.
1.7- Proposer un montage pour l'unit de traitement de ce
syst me sachant qu'on peut utiliser un des signaux
(EncA , EncB) comme signal d'horloge et l'autre comme
signal (Comptage/d comptage).
10
Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation
EncA
EncB
EncB
D Q
Up/Down
EncA
Ck
N
Ck
(Position)
Compteur/D compteur
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