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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 mars 2013
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CAPTEURS DE VARIABLES SPATIALES

troisième partie : autres capteurs de déplacement (en cours de rédaction)

codeurs optiques
codage direct
capteurs magnétiques
simplicité
capteurs magnétostrictifs
mesure sans contact
   
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codeurs optiques

La mesure de déplacements linéaires ou angulaires est essentielle dans de nombreux systèmes industriels, dans les robots aussi bien que dans la souris de votre ordinateur et pour cela les codeurs optiques sont devenus très utilisés. Ils utilisent la lumière et comportent donc systématiquement un réseau numérique fixe sur lequel sont gravés des pistes alternant les noirs et les blancs et un ou des émetteurs de lumière, et un ou des récepteurs sur la partie mobile (ou l'inverse). Ces dispositifs sont soit absolus soit incrémentaux. Un dispositif incrémental repérera une position à partir d'un point de référence qui peut être défini optiquement aussi bien que mécaniquement. Le problème principal rencontré avec les dispositifs incrémentaux est qu'en cas de perte d'information (pour quelque raison que ce soit) ils doivent revenir à leur point de référence pour à nouveau fournir une information correcte, tandis que les capteurs absolus ne sont pas concernés par ce type de problème car ils fournissent une information binaire indépendante de ce qui a pu se passer auparavant.

La figure représente un codeur absolu linéaire capable de repérer 16 positions en exploitant le code binaire classique dans lequel le noir représente un niveau 0 et le blanc un niveau 1. Pour cela il faut 4 pistes et la partie mobile va supporter un ensemble de 4 émetteurs et 4 récepteurs de lumière. Le chariot mobile est figuré en position 7. Précisons qu'avec 4 bits on peut effectivement repérer 16 positions, mais qu'il existe de très nombreuses autres combinaisons de piste permettant ce repérage. En bas de la figure on a représenté le signal transmis par le détecteur de niveau 20 lors du déplacement du chariot et le signal carré obtenu avec un circuit de mise en forme adéquat. Cependant en pratique ce n'est pas aussi parfait et lors d'une transition il peut y avoir ambiguité générant un état transitoire simulant une autre position.

En effet un code binaire simple n'est pas satisfaisant tout particulièrement pour un codeur angulaire car on passera brutalement du code 0 au code 15, c'est pourquoi la majorité des codeurs utilisent un code différent dit code Gray qui présente l'avantage d'éviter les transitions brutales ce qui augmente la fiabilité.

La figure suivante donne un autre exemple de configuration (configuration en V ou vee-scan en anglais) qui évitera les ambiguités. Il suffit alors de placer un réseau logique combinatoire derrière le réseau de détecteurs pour retrouver les codes binaires classiques ainsi que le montre la figure.


Ce système inventé par Stephen présente l'inconvénient de multiplier les émetteurs et les récepteurs, c'est pourquoi on préférera le code Gray qui présente l'avantage d'être organisé de telle sorte qu'un seul bit change à la fois quand on passe d'une position à une autre ce qui élimine tout risque d'ambiguité du à un état intermédiaire lié à la modification non simultanée de plusieurs bits. La figure de gauche représente le codage Gray tandis que la figure de droite représente le décodage employé pour transformer le code gray lu en code binaire normal.



capteurs magnétiques

Pour mesurer un déplacement linéaire on peut aussi exploiter la variation d'un champ magnétique dans un bobinage. Le principe qui s'apparente au transformateur variable est illustré sur la figure. En position médiane pour une tension primaire donnée on obtient dans les deux secondaires des tensions de même amplitude et de signes opposés. Le noyau magnétique se déplace entre les bobines en suivant le mouvement de la pièce dont on veut suivre le déplacement grâce à la tige qui le prolonge à l'extérieur et est en contact avec la pièce mobile. Le déplacement du noyau autour de la position médiane va engendrer des variations des deux tensions représentatives du sens et de l'amplitude du déplacement. Il suffit de mesurer l'amplitude des tension et d'en faire la différence pour connaitre la position du noyau et donc l'amplitude et le sens du déplacement.


capteur LVDT (linear variable differential transformer)

capteur magnétostrictif

La magnétostriction, aussi appelée piézomagnétisme, désigne la propriété que possèdent les matériaux ferromagnétiques de se déformer sous l'effet d'un champ magnétique.Le phénomène fut découvert par James Prescott Joule en 1842, qui mesura l'allongement d'un échantillon de fer soumis à un champ magnétique. Les matériaux ferromagnétiques exhibent aussi un effet magnétostrictif inverse qui se traduit par la modification de la susceptibilité magnétique en présence de contraintes mécaniques dans le matériau. C'est cet effet inverse que l'on va aussi exploiter dans les capteurs de déplacement.

Le transducteur magnétostrictif comporte un solénoïde à l'intérieur duquel se trouve placé un barreau en matériau ferromagnétique, le tout étant enfermé dans un cylindre assurant la fermeture du circuit magnétique. Une magnétisation statique du matériau est obtenue au moyen d'un aimant permanent solidaire du mouvement à enregistrer. L'électronique associée génère une impulsion (en fait un train d'impulsions) ultrasonore qui va se déplacer dans le guide d'onde constitué par le barreau ferromagnétique et être perturbée par le champ induit par l'aimant qui se déplace. L'analyse de l'onde réfléchie en bout du barreau va permettre d'identifier la position de l'aimant.


capteur magnétostrictif

Les matériaux ferromagnétiques employés peuvent être le fer, le nickel, ou des alliages aluminium-fer (alfenol) ou nickel-cobalt, bien que le matériau le plus couramment utilisé soit le Terfenol-D, du fait de ses bonnes performances magnétostrictives. Ce type de capteur permet des courses importantes (parfois jusqu'à 2m) et supporte des pressions élevées. On l'emploie préférentiellement dans les vérins hydrauliques.

Les capteurs de position magnétostrictifs offrent tous les avantages des principes magnétostrictifs: mesures effectuées sans contact (aucun contact en effet entre le barreau ferromagnétique et l'aimant permanent), donc sans usure mécanique, reproductibilité maximum, durée d’utilisation maximum, mesure absolue.