[0:09]Le film et la bande sonore de cette vidéo cassette sont exclusivement destinés à la projection à des fins pédagogiques en milieu institutionnel, excluant l'usage domestique. Toute copie, revente, location, télédiffusion ou diffusion par tout moyen, reproduction partielle ou totale sur tout support ou projection à des fins autres que celles précités sont strictement interdites et passibles de poursuites judiciaires.
[0:45]La mesure des déplacements ou des positions sur les systèmes automatiques modernes requiert des capteurs extrêmement performants. Que ce soit sur des systèmes d'observation scientifiques comme ce grand télescope, sur des appareils de transport terrestre, maritime ou aérien, ou sur des machines de production, les qualités demandées aux capteurs de position et de déplacement sont toujours les mêmes: fiabilité et précision. C'est pour ces deux raisons que les capteurs analogiques de position sont très utilisés, bien qu'ils soient actuellement concurrencés par les capteurs numériques plus faciles à connecter avec des ordinateurs. Mais le principe des capteurs analogiques est totalement différent de celui des capteurs numériques. Alors que les capteurs numériques délivrent un signal codé en binaire variant de façon discontinue, les capteurs analogiques fournissent eux un signal qui varie toujours de façon continue en fonction de la position du mobile.
[1:42]Sur les systèmes mécanisés traditionnels comme les machines outils, l'opérateur mesure les déplacements ou les positions des mobiles de la machine à l'aide d'une règle ou d'un tambour gradué, généralement muni d'un vernier pour améliorer la précision. C'est une mesure directe qui nécessite quelques manipulations de la part de l'opérateur.
[2:05]En revanche, un capteur analogique effectue toujours une mesure indirecte par l'intermédiaire d'une grandeur physique qui varie avec le déplacement de la partie mobile du capteur par rapport à la partie fixe. La grandeur physique variable peut être une résistance, la capacité d'un condensateur ou l'inductance d'une bobine, qui sont des grandeurs électriques. Suivant les cas, le capteur est alimenté par une tension continue ou comme ici alternative.
[2:39]Mais l'information qu'il délivre est toujours une tension électrique proportionnelle au déplacement mesuré. Les capteurs analogiques sont ainsi doués d'une excellente résolution qui leur permet de mesurer de très petits déplacements comme ici sur ce tour horizontal. L'étendue de mesure de ces capteurs, c'est-à-dire leur course maximale est par contre très variable.
[3:05]Le potentiomètre est le capteur le plus simple dans son principe et dans son utilisation. Il comporte trois électrodes, deux pour alimenter la piste du potentiomètre et une pour recueillir la tension de mesure. La piste du potentiomètre constitue la partie fixe du capteur, elle est soumise entre ses deux extrémités à une tension continue fixe. Le curseur est la partie mobile. La tension délivrée par le curseur est directement proportionnelle à la distance mesurée. Ici, il s'agit d'un potentiomètre linéaire, sa tension varie entre 0 et 12 volts. Le potentiomètre peut être linéaire, ce qui permet de mesurer une distance en ligne droite, ou circulaire comme ici, ce qui permet de mesurer un angle. L'étendue de mesure d'un tel capteur, lorsqu'il est mono-tour, est toujours inférieure à 360 degrés. Voici un exemple de capteur circulaire avec ses trois électrodes. Et en voici un autre muni d'un levier et d'un ressort qui ramène le curseur à la position zéro en l'absence des forces sur le levier. Il est utilisé dans des systèmes électromécaniques comme ce bras rotatif asservi en position, actionné par un moteur à courant continu qui le fait tourner dans un sens ou dans l'autre.
[4:32]Le potentiomètre lié au bras délivre à la partie commande une tension qui est à l'image de la position du bras, permettant ainsi l'asservissement du système. Les potentiomètres de précision peuvent aussi intervenir dans des ensembles plus complexes, comme ce porteur de robot à trois axes. Chaque axe est pourvu du même type de capteur. Dans le cas présent, la piste du capteur est solidaire de la poulie crantée qui permet la mise en rotation du bras. Ce potentiomètre mesure un angle sur un seul tour.
[5:08]Mais il existe aussi des potentiomètres multi-tours bobinés en hélice.
[5:53]Les potentiomètres bobinés ont la particularité de délivrer un signal discontinu dû au passage du curseur d'une spire à l'autre. Ceci limite leur résolution, c'est-à-dire la valeur du plus petit déplacement mesurable. On peut améliorer cette résolution en diminuant le diamètre du fil de la bobine ou en augmentant le nombre de spires.
[6:19]Le deuxième type de capteurs analogiques, les capacitifs, utilise le principe du condensateur variable. Il est constitué de deux armatures conductrices parallèles et séparées par un isolant. Le condensateur est caractérisé par sa capacité qui est proportionnelle à la surface couverte par chacune des deux armatures en bleu foncé sur le schéma. La variation de cette surface entraîne une variation de la capacité, ce qui permet de mesurer la distance entre le mobile et sa position de référence. Mais la capacité est aussi inversement proportionnelle à la distance des deux armatures. Cette deuxième propriété permet aussi de mesurer une distance. L'étendue de mesure est faible. Celle des capteurs à écartement variable est de l'ordre du millimètre, celle des capteurs à surface variable est de l'ordre du centimètre.
[7:18]Les capteurs capacitifs sont utilisés sur les machines qui exigent une grande précision sur la mesure des petits déplacements, comme les machines de rectification.
[7:33]Voici maintenant la famille des capteurs inductifs, très utilisés dans l'industrie aéronautique ou navale. Nous en présenterons trois: le résolveur, l'inductosine et le transformateur différentiel ou LVDT.
[7:56]Le LVDT est le plus utilisé. C'est un transformateur dont la partie fixe est composée d'un bobinage primaire et de deux bobinages secondaires. La partie mobile est un noyau ferromagnétique cylindrique qui peut coulisser à l'intérieur des bobines. L'étendue de mesure de ces capteurs est variable. Elle dépend uniquement de la longueur des bobinages et de la tige coulissante. Elle peut être réduite comme celle de ce petit capteur. Ou encore plus grande comme celle de celui-là, dont voici une des opérations de fabrication principale, la réalisation des enroulements primaires et secondaires.
[8:44]Le film en Teflon qui recouvre l'enroulement assure le maintien et la protection des bobinages. Les LVDT peuvent prendre des formes différentes. Voici un capteur à bride circulaire qui permet le positionnement précis du capteur dans le système de mesure ainsi que sa fixation. Et voici maintenant un capteur double ou redondant généralement embarqué sur des systèmes nécessitant une sécurité totale de la mesure. Analysons le principe de fonctionnement d'un capteur LVDT. L'enroulement primaire est soumis à une tension alternative d'amplitude et de fréquence constante, ce qui crée un champ magnétique variable qui induit dans les deux bobines secondaires une tension alternative dont l'amplitude dépend de la position du noyau. Lorsqu'il est au milieu, les deux amplitudes sont égales. Quand il se déplace vers l'une des bobines, l'amplitude augmente dans cette bobine au détriment de l'autre et inversement. En raccordant les deux bobines secondaires, on fait la différence des deux tensions induites, V1 et V2. La tension recueillie est transformée par le conditionneur en une tension continue VM, image de la position absolue du noyau.
[10:13]Mise à part une étendue de mesure relativement limitée, les capteurs LVDT présentent beaucoup d'avantage. L'alimentation est électriquement isolée du signal de mesure. La résolution est excellente, et la mesure s'effectue pratiquement sans frottement.
[11:18]L'étendue de mesure est limitée. Le LVDT ne peut pas être utilisé pour les machines à grande course. Il est en revanche bien adapté à certaines applications comme la mesure du déplacement dans les vérins. Logé dans la tige, le LVDT donne très précisément la position absolue du piston.
[11:43]Voici le deuxième type de capteur inductif: le résolveur. C'est un capteur de grande précision et de grande fiabilité. Ces qualités en ont fait très longtemps des principaux capteurs des machines à commande numérique et des systèmes asservis en général. Il reste très présent sur certaines machines de production, sur les avions et sur les machines nucléaires.
[12:06]Le résolveur est un capteur de position angulaire qui comporte dans sa version la plus simple une partie fixe, le stator, et une partie mobile, le rotor. L'enroulement du stator constitue l'induit. Celui du rotor constitue l'inducteur. Il est alimenté en tension alternative par l'intermédiaire de balais qui frottent sur des bagues. L'amplitude de la tension alternative recueillie sur l'induit, croît ou décroît en fonction de l'angle.
[12:44]Le démodulateur redresse la tension alternative haute fréquence fournie par la bobine et la transforme en tension image du cosinus de l'angle du rotor. Ce signal est donc périodique sur un demi-tour de rotor et ne donne la position qu'à 180 degrés près.
[13:06]Les résolveurs industriels comportent un deuxième bobinage au stator. Disposé en quadrature par rapport au premier, il fournit un signal qui est l'image maintenant du sinus de l'angle Thêta. Ces deux signaux sont nécessaires pour connaître la valeur de l'angle du rotor entre 0 et 360 degrés. La visualisation à l'oscilloscope montre l'évolution des deux signaux fournis par un résolveur. Ces deux signaux sont déphasés de 90 degrés.
[13:43]Il existe une grande diversité de résolveurs. Certains indémontables.
[13:54]D'autres démontables. D'autres encore sans balais sont alimentés par un transformateur tournant. Le troisième type de capteur inductif est l'inductosine. Il peut être linéaire ou angulaire. Cependant, l'inductosine linéaire est le plus utilisé. En voici le principe de fonctionnement. La partie fixe est une règle de longueur égale à la course maximum du mobile dont on veut connaître la position. La partie mobile est un curseur.
[14:35]Sur une machine de production, la règle est solidaire du bâti, tandis que le curseur est fixé sur un chariot. La règle n'est rien d'autre qu'un circuit imprimé. C'est un support isolant sur lequel a été réalisé par gravure le circuit électrique.
[14:55]Ce circuit est constitué d'une série de conducteurs rectiligne en cuivre, connectés en série. Chaque couple de conducteurs constitue un pôle de la règle.
[15:13]La distance entre deux pôles est appelée pas. Le pas d'une règle inductosine est en général compris entre un et deux millimètres. Le curseur est fabriqué sur le même principe. Il est constitué de deux circuits imprimés distincts, beaucoup moins long mais de pas identique. Ces deux circuits imprimés, entraînés par le mobile, glissent sur la règle. Ils sont décalés d'un quart de pas, l'un par rapport à l'autre, ce qui correspond à un quart de période.
[15:52]Le circuit de la règle du capteur relié à un générateur de tension haute fréquence, crée autour de chaque conducteur un champ magnétique alternatif.
[16:05]Comme dans le résolveur, ce champ induit une tension alternative dans chaque circuit du curseur, dont l'amplitude est fonction de la position du curseur. Pour chaque circuit du curseur, la tension démodulée recueillie à la sortie du conditionneur est une tension périodique sur toute la longueur de la règle et continue. La valeur de la tension est fonction de la position du curseur. Voici maintenant l'évolution du signal fourni par les deux circuits du curseur en fonction de la distance mesurée. Vous pouvez remarquer que ces deux signaux sont décalés d'un quart de période. On peut ainsi, en utilisant ces deux signaux, mesurer non seulement la position, mais encore détecter le sens de déplacement. La connaissance de la position absolue du curseur nécessite cependant le comptage du nombre de pas entre le curseur et l'origine de la règle. Ces calculs sont effectués par des circuits électriques.
[17:10]Les inductosines circulaires, dont voici un exemple de stator et de rotor, fonctionnent suivant le même principe. Grâce à ses excellentes caractéristiques métrologiques, répétabilité, précision et résolution, l'inductosine trouve des applications dans les machines outils ou d'autres systèmes de positionnement.
[17:40]Capteurs résistifs ou capacitifs, LVDT, résolveur, inductosine ou capteur incrémentaux, la liste des appareils mesurant une position est longue. Le choix de l'un ou l'autre pour une application donnée dépend des performances requises. Certains systèmes demandent en effet précision et fiabilité, d'autres plutôt une grande étendue de mesure, d'autres encore une excellente linéarité. Instrument en évolution permanente, les capteurs de position sont des éléments essentiels pour la commande des systèmes automatiques actuels.
