Capteurs inductifs - Cours PDF 2024

Capteurs inductifs Année: 2024 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 1  Capteurs inductifs  Types de capteurs inductifs ?  A quoi sert un capteur inductif ? Voir le lien: https://www.youtube.com/watch?v=UDY_kCMXoWE 15/01/25 Capteurs : B....

Capteurs inductifs Année: 2024 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 1  Capteurs inductifs  Types de capteurs inductifs ?  A quoi sert un capteur inductif ? Voir le lien: https://www.youtube.com/watch?v=UDY_kCMXoWE 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 2  Capteurs inductifs avec contact 1er Type A: Transformateur différentiel linéaire  Linear Variable Differential Transformer (LVDT) 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 3  Capteurs inductifs avec contact Transformateur différentiel linéaire Principe de fonctionnement : Transformateur différentiel linéaire  Linear Variable Differential Transformer (LVDT): Capteur de déplacement inductif utilisant le principe de variation de flux dus au mouvement du noyau. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 4  A: Transformateur différentiel linéaire 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 5 2-Types des capteurs inductifs 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 6 A: Transformateur différentiel linéaire La bobine primaire est alimentée par une tension alternative, d’où une tension sinusoïdale est induite dans le secondaire. Le transfert du courant entre le primaire et le secondaire du capteur de déplacement LVDT est contrôlé par la position d'un noyau ferromagnétique appelé armature. Selon la position du noyau on distingue les trois cas suivants : 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 7 A: Transformateur différentiel linéaire Lorsque le noyau se déplace de la position centrale vers la droite ( le secondaire 2), le résultat est une augmentation de la position du capteur dans le secondaire 2 et une diminution dans l'autre. De cela résulte un signal de sortie du capteur de mesure V2 > V1 et donc V0 < 0. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 8  A: Transformateur différentiel linéaire Cas 2 : le noyau est exactement au milieu des trois enroulements : La tension des deux secondaires du capteur de déplacement sont égales mais connectées en opposition il en résulte un signal de sortie du capteur égal à zéro. V1 = V2 et donc V0 = V1-V2= 0. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 9  A: Transformateur différentiel linéaire Cas3 : le noyau se déplace vers gauche. Lorsque le noyau se déplace vers le secondaire 1, la tension V2 subira une diminution d’amplitude, d’où V2 < V1 Ce qui donnera forcément une tension V0> 0. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 10  Capteurs inductif à courant de Foucault 2ème type B: Capteurs inductif à courant de Foucault Ils sont caractérisés par l'absence de liaison mécanique avec l'objet. Ce sont des capteurs de proximité : 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 11 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 1 Principe de fonctionnement : Le capteur de proximité inductif se compose d’un oscillateur LC dont la bobine constitue la face sensible. A l’avant de celle- ci est crée un champ magnétique alternatif de haute fréquence. Lorsqu’un objet métallique pénètre dans ce champ, il est le siège de courants induits circulaires qui se développent à sa périphérie. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 12 B: Capteurs inductif à courant de Foucault  1 Principe de fonctionnement : 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 13 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 2 Effet de la distance sur les courants de Foucault 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 14 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 2 Effet de la distance sur les courants de Foucault Ces courants constituent une surcharge pour le système oscillateur et entraînent de ce fait une réduction de l’amplitude des oscillations au fur et à mesure de l’approche de l’objet métallique, jusqu’à blocage complet. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 15  Absence d’objet métallique Blocage complet Présence d’objet métallique 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 16 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 17 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 3 Caractéristiques générales Sortie logique tout-ou-rien; ou analogique Opèrent à distance sans contact; Aucune pièce mécanique. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 18 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 4 Applications  Contrôle de présence/absence, de fin de course;  Détection de passage;  Positionnement, comptage de pièces;  Capteur de distance; de force  Distinction entre différents métaux; 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 19 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 4 Applications Détection de défauts 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 20 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 4 Applications Détection de défauts 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 21  B: Capteurs inductif à courant de Foucault 4 Applications Examen par courant de Foucault d’un défaut dans un tube ou plaque (fig a & b) de gauche. On remarque que le défaut parallèle au sens du courant n’est pas détecté. Par contre, le défaut perpendiculaire aux lignes du champs sont détectés. Figure de droite (a et b). 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 22 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 5 Quant est ce qu’ils sont Recommandés ? Vitesse de l'objet à détecter rapide; Pièces fragiles ou petites. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 23 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 6 Schéma du capteur (Courants de Foucault) 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 24 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7 Effet de la taille de la cible sur la porté du capteur 900 mm² 25 mm² 100 mm² 225 mm² 400 mm² 625 mm² mercredi 15 janvier 2 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 25 025  B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.1 Effet de la taille de la cible sur distance de détection : La distance de commutation pour un capteur binaire. Objet Surface de l’objet Distance de (mm2) commutation Acier doux 3 900 4.63 Acier doux 3 625 4.58 Acier doux 3 400 4.55 Acier doux 3 225 4.5 Acier doux 3 100 4.1 Acier doux 3 25 2.5 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 26  B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.1 Effet de la taille de la cible sur: La distance de commutation pour un capteur binaire. Plus la taille de la cible est grande plus la détection se fait à de grandes distances 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 27 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.1 Effet de la taille de la cible: La distance de commutation pour un capteur binaire. Distance optimale pour une cible d’épaisseur > 1mm  Dimension optimale d’une cible est le sup entre :(Diamètre du capteur ; 3 fois la plus grande distance de commutation) 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 28 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.1 Effet de la taille de la cible la distance de commutation pour un capteur binaire. Exemple d’un capteur de 18 mm de diamètre et qui présente une distance de commutation max de 5 mm.  Le choix de la cible est le Sup(18; 5x3). Soit 18 mm de coté c’est-à-dire une dimension de 18x18x1 mm3. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 29 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.2 Effet de la taille de la cible sur la tension de sortie pour un capteur analogique. V(V) V(Surface) 3 2.5 2 Veff(V) 1.5 1 0.5 0 0 200 400 600 800 1000 Surface (mm^2) Fig 3 :Variation de tension en fonction de la taille en gardant la même distance (1.5 mm) et la même nature du métal. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 30 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.3 distance de détection La distance de commutation du capteur est entachée d’une tolérance de fabrication de 10 %.  Suite de l’exemple:  Pour une portée théorique de 5 mm la portée réelle est entre 4.5 et 5.5 mm 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 31  B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.3 Effet de la température La distance de commutation du capteur varie avec la température de la cible (10 %).  Suite de l’exemple: Portée réelle 4.5 (par exemple) ((4.5x10/100=0.45); donc 4.5-0.45 = 4.05 mm ou 4.5+0.45= 4.95 mm)  Portée réelle entre 4.05 et 4.95 mm  Portée ou on détecte la cible de façon certaine est de 4.05 mm. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 32  B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.4 Effet de la nature du métal: Aluminium laiton L’acier fin cuivre acier 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 33  B: Capteurs inductif à courant de Foucault  7.4 La distance de commutation dépend aussi de la nature du métal de la cible:  On a donc un signal optimum pour des cibles d’alliage (fer–aluminium St37)  V2A représente l’alliage de nickel et de chrome  Ms représente le laiton. Facteur de réduction 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 34 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.4 La distance de commutation du capteur dépend de la nature du métal de la cible: Matériau № Déclenchement Arrêt (mm) Hystérésis (mm) Facteur de (mm) réduction Acier doux 3 4.58 4.79 0.21 1 Acier inoxydable 4 4 4.25 0.25 0.87 Laiton 5 2.25 2.56 0.31 0.49 Aluminium 6 2.05 2.3 0.25 0.44 Cuivre 7 1.65 1.95.0.3 0.36 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 35  B: Capteurs inductif à courant de Foucault  7.4 Effet de la nature du métal de la cible. Tension de sortie pour un capteur analogique.(capteur industriel Fisto) Effet de la nature du matériau 14 12 №3 10 №4 8 volt №6 6 №5 4 2 №7 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 mm 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 36 B: Capteurs inductif à courant de Foucault Différents Métaux détecté par un simple circuit LC Vcàc (V) Acier doux 3K11 Vcàc (V) Laiton 3K11 Vcàc (V) Acier inox 3K 11 Vcàc (V) Cuivre 3K11 Vcàc (V) Aluminium 3K11 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0 5 10 15 20 Distance (mm) Variation de Tension de sortie du capteur inductif en fonction de la distance capteur l’objet métallique. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 37 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 7.5 Différentes géométries des circuits magnétiques des capteurs à CF 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 38 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 8 Capteur blindé et capteur non blindé 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 39 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 8.1 Capteur blindé  Dans le cas d’une série de capteurs inductifs, une distance minimale correspondant à leur diamètre (d) respectif doit être assuré. C’est essentiel pour empêcher toute influence entre les capteurs inductifs. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 40 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 8.2 Capteur non blindé  Les capteurs inductifs encastrés dans un matériau conducteur (métal), exigent une zone libre, qui entour entièrement la zone active. Cependant, ces capteurs de proximité peuvent être encastrés dans les plastiques, bois ou autres matériaux non métalliques sans que ses caractéristiques ne soient affectées. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 41  B: Capteurs inductif à courant de Foucault Capteurs avec ou sans blindage: Conclusion: Les deux capteurs ont la même étendue de mesure. Le capteur sans blindage doit être plus éloigné d’un capteur semblable pour éviter leur influence mutuelle. Il ne doit pas être inclus dans une pièce conductrice trop proche de la bobine active. Le capteur avec blindage peut, quant à lui, être inséré dans une pièce conductrice. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 42 B: Capteurs inductif à courant de Foucault 9 Bilan Les capteurs de proximité inductifs sont:  Robustes et fiables;  Ne détectent que les métaux;  Portée varie en fonction de la taille de la bobine  Sensibles aux champs magnétiques. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 43 Principes fondamentaux des capteurs inductifs 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 44  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Principes fondamentaux physiques  Courants de Foucault : Lorsqu’on place un corps conducteur au voisinage d’un champ électromagnétique variable, il se développe à l’intérieur de celui-ci des courants induits que l’on appelle courants de Foucault. La même chose se produit si des corps conducteurs mobiles sont exposés aux champs magnétiques constants. Ces courants ont pour effet de s’opposer au flux qui leur a donné naissance. Leur répartition et leur intensité dépendent des caractéristiques physiques et de la géométrie du corps ainsi que de l’intensité du champ. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 45 Capteur inductif par courant de Foucault Principe de fonctionnement : 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 46 Capteur inductif par courant de Foucault 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 47 Capteur inductif à courants de Foucault 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 48  principes fondamentaux physiques des capteurs inductifs  Oscillations : Le circuit résonant LC (oscillateur à résistance négative) Des oscillations électromagnétiques sont créées dans un circuit résonnant dit LC se composant d'une bobine et d'un condensateur. Une fois que le condensateur est chargé, il se décharge dans la bobine. Pendant ce processus, l'intensité de courant et la tension changent périodiquement. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 49 Oscillations: Le circuit résonant LC 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 50  principes fondamentaux physiques des capteurs inductifs  Oscillations : Le circuit résonant LC (oscillateur à résistance négative) Si le circuit résonnant ne possède aucune résistance ohmique, les oscillation restent sinusoïdales. Dans la pratique, il est impossible d’avoir une bobine pure, il est donc nécessaire d'utiliser un convertisseur d’impédance négative, pour compenser l’effet de la résistance. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 51  Principes fondamentaux physiques des capteurs inductifs  Le circuit résonant LC (oscillateur à Fig 1-2 résistance négative)  Soit une bobine iL iR iC d’inductance L et de facteur de qualité QB en parallèle avec un condensateur de capacité C, et de facteur de qualité Qc, R0 = RB//RC. RB et RC sont les résistances parallèles respectivement de la bobine et du condensateur. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 52  Facteur de qualité Plus le facteur de qualité Q est élevé, plus la bande passante est petite, et plus la résonance est "piquée". Le facteur de qualité permet donc de quantifier la "qualité d'un filtre" (qu'il soit électronique, acoustique, optique... etc) : Plus Q est élevé, plus le filtre est sélectif. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 53  principes fondamentaux des capteurs inductifs Principes fondamentaux physiques  RB=L0QB.  RC= QC/C0.  iL+iR+iC=0 1 u Cdu udt   0 L R0 dt 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 54  principes fondamentaux des capteurs inductifs  Principes fondamentaux physiques  Soit: " u' u u   0 R0C LC 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 55  principes fondamentaux des capteurs inductifs  Principes fondamentaux physiques  Un régime transitoire résultant par exemple de la décharge du condensateur est apériodique ou oscillatoire amorti. Supposons maintenant que l’on branche en parallèle une résistance négative : -R (R>0).  L’équation différentielle relative à u est alors la suivante : 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 56  Principe de fonctionnement du capteur inductif Le circuit résonant LC u' u' u u  "   0 15/01/25 R0C RC LC Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 57  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Principes fondamentaux physiques si R= R0, elle devient: " u u  0 LC 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 58  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Principes fondamentaux physiques  L’équation admet pour solution une tension sinusoïdale u=Umcos(0t+)  0 à pour valeur: 1 LC 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 59  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Principes fondamentaux physiques Le signal devient purement sinusoïdale. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 60  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Exercice : ve vs V- V+ 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 61  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Exercice :  Calculer la résistance d’entrée Ri du montage quand R1=R2. En déduire le principe de l’oscillateur.  Calculer R3 et la fréquence d’oscillation si C=10 nF ; L=100 mH et R de la bobine =10 Ω. Le condensateur est supposé parfait. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 62  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Solution de l’exercice :  Le circuit ne peut osciller que s’il n’est pas amorti, c’est à dire que si R0 est infinie. Il faut donc mettre en parallèle avec R0 une résistance négative R’0=-R0. A ce moment là il n’y aura plus de consommation d’énergie dans la résistance et le système pourra osciller.  Le but de ce montage à ampli opérationnel est de ramener R’0=-R0. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 63  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Solution de l’exercice : R3 ve ie Ri  ie ve R2 vs ve - vs L C R1 ie  R3 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 64  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Solution de l’exercice : R1 ve v  v   vs R1  R2 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 65  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Solution de l’exercice : R2 vs ve (1  ) R1 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 66  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Solution de l’exercice : ve   R 2   ve R 2 ie  1 - 1    - R3   R 1   R3 R 1 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 67  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Solution de l’exercice ve R1 Ri  -R 3 ie R2 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 68  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Solution  Si R1 R2  Alors Ri -R 3 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 69  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Exemple de capteur inductif à courant de Foucault  L’élément essentiel de ce type de capteur est une bobine parcourue par un courant de haute fréquence qui produit dans l’espace environnant ses extrémités un champ électromagnétique variable. Un objet métallique placé dans cette zone est le siège de courants de Foucault ; d’après la loi de Lenz, ces courants s’opposent à la cause qui leur a donné naissance : ils créent donc une inductance de sens contraire à l’induction de la bobine ce qui entraîne une réduction de son coefficient d’auto- induction. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 70  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Exemple de capteur inductif à courant de Foucault :  le capteur à courant de Foucault est sensible à tout objet métallique ou métallisé. Cependant, sa réponse dépend non seulement de la distance de l’objet, mais aussi de ses propriétés physiques (résistivité, perméabilité) et de ses caractéristiques géométriques (forme et dimensions). La cible et le capteur sont habituellement placés dans l’air ; le dispositif demeure utilisable dans des milieux diélectriques qui ont de faibles pertes à la fréquence de travail.  Il existe un autre type de capteur qui ne détecte que les cibles ferromagnétiques, c’est le capteur à réluctance variable. 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 71  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Théorie physique élémentaire :  Une théorie simplifiée du fonctionnement de ce type de capteur peut être établie en réduisant la cible métallique à un circuit à constantes localisées couplé par mutuelle induction à la bobine (voir figure ci- dessous). 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 72  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Théorie physique élémentaire 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 73 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 74  Principes fondamentaux des capteurs inductifs Schéma électrique équivalent simplifié R1 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 75  Principes fondamentaux des capteurs inductifs M k L0 L1  M, coefficient mutuelle d’induction et k, coefficient de couplage entre bobine et cible dépendent de la position relative de ces dernières.  Z1=R0+jL0 impédance propre de la bobine.  Z2=R1+jL1 impédance équivalente de la cible.  Les équations de ces circuits couplés sont respectivement  pour la bobine et sa source d’excitation formant le circuit primaire :  (R0+jL0)i1 + jMi2= e1 (A)  pour la cible, circuit secondaire :  (R1+jL1)i2 + jMi1= 0 (B) 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 76  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Fig. 1.4 Paire d’inductances couplées (a : courants créant des flux concordants ; b : courants créant des flux discordants). 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 77  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  On en déduit après élimination de i2 des équations A et B. 2 2 2 2 M  M [( R0  2 2 2 R1 )  j ( L0 - 2 L )]i1  e1 2 2 1 R1  L1 R1  L1 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 78  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Pour la source d’excitation, l’impédance du circuit primaire apparaît modifiée par son couplage au circuit secondaire :  La résistance primaire est augmentée 2 2 M  R0 eq  R0  2 2 2 R1 R1  L1 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 79  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Pour la source d’excitation, l’impédance du circuit primaire apparaît modifiée par son couplage au circuit secondaire :  l’inductance primaire est réduite 2 2 M L0 eq L 0 - 2 L 2 2 1 R1  L1 15/01/25 Capteurs : B. El Hadadi FSTBM 80  Principes fondamentaux des capteurs inductifs  Dans le cas d’une cible très conductrice: R1