Detection et mesure sans contact (1º Partie)

Plus ils sont simples, mieux c’est

Le besoin de mesurer de façon précise combiné à l’apparition de surfaces difficiles, ou ne pouvant être touchées durant le processus, fomentent l’augmentation de l’utilisation de technologies sans contact pour la détection et la mesure, en plein essor aujourd’hui. Des capteurs de multiples formes et tailles apparaissent sur le marché, avec différents principes de fonctionnement.

Alliant différentes techniques optiques avec des systèmes informatiques modernes, les systèmes de vision artificielle constituent l’un des outils les plus complets pour la détection et la mesure sans contact. Ce sont des systèmes flexibles, multifonctionnels et puissants, dont le prix est habituellement de plusieurs milliers d’euros pour les projets les plus simples.

Les possibilités offertes par les systèmes de vision sont passionantes pour n’importe quel ingénieur, mais si le problème à résoudre est simple, et ne requiert pas une flexibilité excessive, il est intéressant de passer en revue les différents capteurs spécifiques existants sur le marché, afin de vérifier si l’une des technologies développées permet de résoudre le problème de façon rapide et efficace.

La classification des capteurs est complexe, car ils sont classés selon différents points de vue : leur principe de fonctionnement, la technologie qu’ils utilisent, le type de signal électrique qu’ils générent (analogique ou numérique) et la gamme de valeurs qu’ils fournissent. La première classification, que nous présentons dans cet article, est celle se référant à la gamme de valeurs que peut offrir un capteur. Si le capteur ne possède en sortie que deux états possibles « on/off » séparés par une valeur seuil, il s’agit d’un détecteur, tandis que s’il offre une gamme de valeurs proportionnelle à la magnitude de ce qu’il mesure, il s’agit d’un transducteur, ou capteur de mesure.

Capteurs de proximité et mesure de distances

Basé sur différentes technologies, le premier groupe de capteurs que nous allons vous présenter utilise différentes propriétés physiques des matériaux permettant, dans les cas les plus simples, de détecter la présence d’une pièce (détecteur), mais également, si les capteurs sont dotés de circuits plus sophistiqués pour le traitement du signal, de mesurer la distance du capteur à cette pièce (capteur de mesure).

Les capteurs de proximité et de distance sont formés par une tête de mesure, dont la forme la plus habituelle est un cylindre vissé (bien qu’il en existe également de forme rectangulaire ainsi que d’autres formes spéciales), et de dans de nombreux cas par un amplificateur de signal électrique. Lorsqu’il s’agit de capteurs de mesure, cet amplificateur intègre le matériel électronique nécessaire et un affichage numérique. S’ils ne servent qu’à la détection de pièces, l’affichage n’est pas nécessaire et les capteurs ont une ou deux DEL permettant de visualiser ses états possibles de « on/off ».

Les caractéristiques du matériel à capter, ainsi que les besoins spécifiques de l’application nous indiqueront quelle est la technologie de captage adéquate. Je vais maintenant vous présenter les technologies existantes pour les capteurs de proximité et/ou de mesure de distances, en insistant seulement sur leurs caractéristiques les plus significatives pour lesquelles je vous donnerai également des conseils d’utilisation et des exemples plus détaillés dans d’autres articles spécifiques pour chacun de ces types.

Capteurs inductifs

Les plus simples fonctionnent comme des détecteurs et les plus sophistiqués sont capables de mesurer des distances. Dans les deux cas, leur fonctionnement est fondé sur le changement d’inductance que provoque un objet métallique (ferrique ou non) dans un champ magnétique. Par principe, ils sont adaptés pour la détection de tous les métaux conducteurs d’éléctricité, même s’ils ne sont pas magnétiques.

Leurs caractéristiques principales sont:

• Faible coût : à partir de 300€
• Rapidité de réponse : il peuvent travailler jusqu’à plusieurs milliers de Hz
• Précision élevée : résolution en fonction de l’échelle totale pouvant atteindre jusqu’à l’ordre de μm pour les modèles les plus chers
• Petite taille : il faut prendre en compte le fait que leur cable est court, seulement quelques mètres
• Immunité face à des environnements défavorables (humidité, poussière, huiles et température)

Il est nécessaire de prendre en compte les restrictions inhérentes à leur propre technologie :

• La linéarité de la sortie dépend des propriétés électriques du matériel à détecter, un étalonnage particulier est donc nécessaire pour chaque cas.
• La taille de l’objet à détecter doit être plus grande que le diamètre du capteur, dans le cas contraire la distance de détection (dont la gamme habituelle va en général de fractions de millimètres à environ 80mm) est réduite de façon significative.

Capteurs capacitifs

Avec une forme et un fonctionnement similaires à ceux des capteurs inductifs, les capteurs capacitifs basent leur fonctionnement sur le changement de capacité du capteur provoqué par une surface proche de celui-ci. L’avantage principal inhérent à sa technologie est qu’ils peuvent détecter la proximité d’objets de tous types (métalliques, non métalliques, liquides, solides, isolants). Ce sont des détecteurs de tous types de matériaux, à condition que la constance diélectrique de ces objets soit sensiblement supérieure à celle de l’air.

Leurs caractéristiques principales sont :

• Grande précision: résolution suivant l’échelle totale pouvant atteindre l’ordre de μm.pour les modèles les plus chers
• Petite taille: il faut prendre en compte le fait que leur cable est court, seulement quelques mètres
• Immunité face à de hautes températures

Il est nécessaire de prendre en compte les restrictions inhérentes à leur propre technologie :

• Ils travaillent sur de courtes distances, car leur sensibilité diminue lorsque la distance est supérieure à quelques millimètres
• Ils dépendent de la constante diélectrique du matériel à capter, leur sensibilité doit donc être ajustée au préalable ; et ils sont très sensibles et instables en fonction du degré d’humidité et de saleté.

Capteurs ultrasoniques

Leur tête de mesure émet des ondes ultrasoniques et les reçoit en retour lorsque celles-ci sont refletées par un objet. Elle détecte la position de l’objet en mesurant le temps écoulé entre l’émission et la réception des ultrasons. Ces capteurs sont fréquemment utilisés pour la détection de liquides. Comparés aux capteurs précédents, ils offrent une plus grande distance de détection mais moins de rapidité, et une résolution sensiblement inférieure.

Leurs caractéristiques principales sont :

• Ils peuvent travailler sur de grandes distances : jusqu’à 10m
• Immunité face aux impuretés de l’air

et ont comme limitation :

• Basse résolution: leur résolution maximale se limite à 0,1mm
• Faible rapidité de réponse : ils travaillent à environ 8MHz, une vitesse faible en comparaison avec les autres technologies
• Sensibilité à la température, car celle-ci est affectée par la vitesse du son, bien que dans quelques cas des capteurs de températures capables de compenser les variations automatiquement soient intégrés