deuxième partie : autres capteurs de déplacement, présence ou proimité

capteurs de déplacement inductifs

Pour suivre un déplacement angulaire sans aucune limitation du nombre de tours on peut exploiter le phénomène d'induction. L'idée est relativement simple elle exploite une variation de champ magnétique dans un bobinage selon le principe figuré ci-contre.
Une roue dentée en matériau ferromagnétique est solidaire de l'axe en rotation dont on veut connaître la position ou le déplacement. Un bobinage comportant un noyau aimanté est placé en face et à chaque fois qu'une dent passe devant l'axe de l'aimant la variation de champ en résultant induit une impulsion dans le bobinage, impulsion qu'il suffit alors de compter. La fréquence est évidemment proportionnelle à la vitesse angulaire. Notons que l'amplitude de l'impulsion peut être modifiée en raison d'influences électromagnétiques locales, mais la fréquence n'est pas affectée. Ce capteur de vitesse angulaire peut aussi être employé dans les mesures de débit de liquide.



Un déplacement linéaire peut aussi être mis en évidence par un procédé inductif. On utilise alors deux bobinages à l'intérieur desquels un noyau unique est susceptible de se déplacer. Quand le noyau est en position de référence les deux inductances sont identiques, dès lors qu'il se déplace d'une quantité dl l'une des inductances va augmenter de L et l'autre diminuer symétriquement de L. En plaçant l'ensemble dans un montage en pont on va donc récupérer un signal d'amplitude liée au déplacement du noyau.

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capteur de déplacement capacitif

Un déplacement linéaire peut aussi être mis en évidence via un dispositif capacitif. Ainsi sur la figure ci-contre représentant un condensateur plan d'épaisseur x. L'une des armatures, de surface A, est fixe, tandis que l'autre peut se déplacer en liaison avec le dispositif dont on veut suivre le mouvement tout en restant parallèle à l'armature fixe.

La capacité varie en fonction inverse de x et peut être insérée très facilement dans un oscillateur RC dont la fréquence va être fonction de C donc de x. Notons que la variation relative de capacité est rigoureusement égale à la variation relative de distance, tandis que la réponse n'est évidemment pas linéaire puisque la relation entre C et x est de type hyperbolique. L'intérêt d'un tel principe réside dans l'absence de contact entre les deux électrodes dont l'une est solidaire de la pièce en mouvement (c'est à dire peut faire partie intégrante de cette pièce).

Précisons que ce principe capacitif peut aussi être utilisé avec x constant mais en faisant varier A (c'est à dire l'aire des électrodes en regard l'une de l'autre) ce qui peut être obtenu en déplaçant l'armature mobile non plus selon la direction x mais selon y. Si l'on appelle ky la réduction de surface en regard on obtient la relation suivantedans laquelle on voit que la variation de C est linéaire avec y ce qui est très intéressant évidemment.. C'est d'ailleurs le principe de "condensateur variable rotatif" qui a été utilisé pendant de nombreuses années dans les récepteurs radio pour ajuster l'oscillateur et sélectionner un émetteur précis.

Enfin signalons que l'élément variable peut être le diélectrique. Ainsi si un tel condensateur de longueur l plonge partiellement dans un liquide dont la constante diélectrique ₂ sera différente de celle ₁ de l'air, la mesure de la capacité sera un indicateur du niveau y du liquide. C'est le système qui a longtemps été le seul utilisé dans les réservoirs de carburant des automobiles et dans de nombreux dispositifs de stockage de produits chimiques liquides. Ici encore la relation entre la variation de capacité et le niveau de liquide y va être linéaire.

Souvent dans ce type d'application on choisit une géométrie circulaire les deux électrodes du condensateur étant deux cylindres concentriques. Le principe est le même mais les équations sont sensiblement différentes et on peut, en choisissant judicieusement les dimensions, obtenir une excellente sensibilité.

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capteurs interférométriques

On peut aussi mesurer des distances ou des déplacements avec une très grande précision en exploitant le principe de l'interféromètre de Michelson (figure ci-dessus) alimenté par un laser. En effet un faisceau laser est envoyé sur un miroir semi transparent incliné à 45° ce qui crée deux demi-faisceaux synchrones l'un vers le miroir fixe (2) l'autre vers un miroir mobile (1). Ces faisceaux réfléchis par les deux miroirs vont se recombiner au passage du miroir semi transparent et être dirigés via une lentille concave vers un photodétecteur. Le trajet des deux faisceaux n'étant pas de la même longueur il va s'ensuivre un déphasage et donc la création de franges d'interférences qui vont se déplacer en même temps que le miroir mobile. Un photodétecteur placé derrière une fente permettra de compter les variations d'intensité lumineuse liées à ce mouvement amplifié par la lentille sachant qu'entre deux franges on a un déphasage correspondant à une demie longueur d'onde. En utilisant un traitement de signal approprié après le détecteur certains auteurs ont pu atteindre des résolutions de /512 ce qui en utilisant un laser He-Ne émettant à une longueur d'onde de 633nm conduit à une résolution proche du nanomètre.

Cependant ce principe nécessite une mécanique de qualité car la moindre vibration du miroir mobile induit des erreurs considérables, c'est pourquoi on utilise souvent un double interféromètre symétrique : ainsi une inclinaison parasite du miroir mobile unique produira deux effets contraires (erreurs) parfaitement symétriques et la demie somme des deux mesures sera exacte.

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capteurs à ultrasons à mesure de temps de vol

Lorsqu'une onde ultrasonore traversant un milieu donné rencontre un autre milieu elle est partiellement réfléchie d'où l'idée d'exploiter cet écho pour identifier la distance parcourue sachant que dans le milieu d'épaisseur d l'onde se déplace à une vitesse c et met un temps t pour effectuer le parcours aller-retour d'où la relation élémentaire d = ct/2

En pratique on peut utiliser directement ce principe lorsque la distance à mesurer est inférieure à la longueur d'onde de l'onde ultrasonore. Pour les distances plus grandes on préfère en général moduler le faisceau émis en fréquence. La dérive de fréquence du faisceau réfléchi est alors proportionnelle au temps de vol c'est à dire à la distance. Cette procédure est robuste vis à vis des perturbations et permet de détecter les multiréflexions. Cependant il faut se méfier car une distance très grande et une autre beaucoup plus faible peuvent conduire au même déphasage apparent.

Pour éliminer les bruits provenant de sources industrielles (tels les systèmes à air comprimé par ex.) on a recours à des méthodes de corrélation. Les signaux parasites n'étant pas corrélés avec le signal émis par le système de mesure peuvent aisément être éliminés.

Ce type de principe peut être utilisé dans les radars chargés de piéger les automobilistes trop pressés, mais aussi dans les systèmes de sécurité chargés de détecter la présence d'un individu dans une zone interdite ou au voisinage d'une habitation et pilotant parfois l'allumage d'un spot d'éclairage. Ainsi dans une agglomération il est possible de réduire la consommation d'éclairage public dans une voie piétonne en dotant les lampadaires d'un tel système qui permettra l'allumage quand un piéton arrive à une certaine distance du lampadaire et l'extinction quand le piéton sort de ladite zone. On peut même moduler la puissance de l'éclairage en fonction de la distance entre le piéton et le lampadaire ce qui est d'autant plus aisé lorsque ce dernier est équipé de diodes led beaucoup plus résistantes sur la durée à ce type de comportement qu'une ampoule à incandescence.