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dernière mise à jour
28 mars 2014
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CAPTEURS DE VARIABLES SPATIALES

première partie : capteurs de déplacement résistifs

introduction : définitions
les idées générales
mesures de déplacement résistives
les plus simples

potentiomètres magnétorésistifs
sans contact
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Introduction

Dans ce gros chapitre nous allons aborder l'ensemble des mesures qui permettent de caractériser ce que nous appellerons une variable spatiale, c'est-à-dire une grandeur dimensionnelle liée à la position d'un objet, sa distance à un repère (capteur de proximité ou de présence), un niveau, un déplacement linéaire ou angulaire. Chacune de ces mesures fera l'objet d'un sous-chapitre plus ou moins important car les procédés utilisés pour les réaliser sont multiples allant du plus simple au plus sophistiqué. Ce chapitre est important car ces grandeurs sont souvent nécessaires dans la conduite de processus ou la robotisation et concernent de nombreuses industries tant chimiques que manufacturières

les principes généraux

Pour mesurer des distances ou des positions on va considérer plusieurs grandes catégories de problèmes : soit l'objet concerné est visible, soit il est non visible par l'opérateur. Le second point est l'immobilité ou non de l'objet par rapport à l'observateur qui fera intervenir le facteur temps ou non dans la mesure. Enfin on aura des dispositifs globalement fixes par rapport à un observateur mais cependant mobiles comme par exemple un moteur dont on cherchera à connaitre ou piloter la position angulaire.

On va ainsi trouver des méthodes de mesure très simples du type potentiométrique ou capacitive aussi bien que des méthodes faisant appel à la mesure du temps mis par une onde pour aller d'un repère à l'objet concerné, ce qui se fera soit à l'aide d'ultra-sons, soit via des rayons lasers et parfois des caméras à capteur CCD.

mesures de déplacement résistives

Le capteur le plus simple, et sans doute l'un des plus anciens, est un simple potentiomètre dont le curseur est solidaire du dispositif en mouvement dont on veut connaître et généralement piloter la position. Deux cas sont possibles: soit il s'agit d'un déplacement linéaire limité et l'on pourra utiliser un potentiomètre lui-même constitué d'une piste droite, soit on prendra un potentiomètre circulaire. Notons qu'un tel potentiomètre lorsqu'il est à un seul tour ne couvre pas 360° et ne permet donc pas de suivre de manière satisfaisante la rotation d'un dispositif susceptible de faire un tour complet. On dispose de potentiomètres multitours qui permettent une possibilité supérieure (une dizaine de tours) donc peuvent être associés à un système dont la rotation restera cependant limitée.

La linéarité de la relation entre position et valeur de la résistance peut évidemment varier selon la qualité du potentiomètre. Dans les potentiomètres de précision elle peut atteindre 0.1%. La principale difficulté d'emploi tient au fait que le curseur frotte sur une piste résistive et qu'il va nécessairement y avoir usure, et tout particulièrement si le dispositif oscille légèrement autour d'une position précise, ce qui est souvent le cas dans les asservissements. Dans ce cas on atteindra rapidement un niveau d'usure qui créera des crachements (donc du bruit nuisible à la qualité de la mesure). On estime généralement que la durée de vie dépend du matériau de la piste conductrice. Le tableau ci-dessous donne un ordre de grandeur des caractéristiques essentielles.

piste plastique fil métallique bobiné hybride
résolution infinie dépend du diamètre du conducteur infinie
puissance électrique faible élevée faible
dérive thermique médiocre très faible 2.105/°C faible
bruit faible dégradation au cours du temps faible
durée de vie 106-108 cycles 105-106 cycles 106-107 cycles

Un potentiomètre dit hybride combine le principe du fil bobiné avec un plastique conducteur ce qui lui confère les qualités de résolution et de faible bruit du plastique conducteur, une faible sensibilité à la température mais en contrepartie une limitation en puissance dissipée. C'est cependant le meilleur choix.

Il existe aussi des potentiomètres à cermet, c'est à dire dont la piste est constituée d'une céramique chargée en alliage métallique, ils ont cependant une durée de vie moindre que les films plastiques et sont plus sensibles au bruit ce qui les élimine le plus souvent des systèmes de mesure.

Nous déconseillons formellement l'emploi de potentiomètres à piste de carbone (carbone inclus en fait dans du plastique : figure ci-contre) en raison de leur extrême sensibilité aux conditions d'environnement (humidité et température).

Précisons qu'il existe des potentiomètres non linéaires, ayant le plus souvent une caractéristique de type logarithmique, mais, sauf cas très particulier, il ne seront pas utilisés en métrologie (même si l'emploi d'un ordinateur dans la chaîne instrumentale permet de faire correspondre une table prédéterminée qui peut-être absolument quelconque à la mesure).

Un problème quelquefois sousestimé dans l'emploi d'un potentiomètre est l'impédance d'entrée RL (en parallèle) du dispositif suivant ledit potentiomètre et qui peut gravement affecter la précision. La figure ci-dessous montre l'incertitude obtenue en fonction de la valeur relative de RL par rapport à la valeur du potentiomètre RP selon la position relative du curseur.


Précisons enfin que l'on peut étendre les limites de déplacement apparent d'un potentiomètre en l'associant à un mécanisme multiplieur du genre de ceux représentés ci-dessous à titre d'exemple

....

potentiomètres magnétorésistifs

Ainsi qu'il est précisé dans le chapitre sur les mesures magnétiques on peut réaliser des résistances variables à l'aide de magnétorésistances. Dans ce cas l'élément jouant le rôle de résistance variable est une magnétorésistance et le curseur est en fait un aimant solidaire du dispositif mobile (axe en rotation ou pièce en déplacement linéaire). La variation du champ lors du déplacement relatif de l'aimant par rapport à la magnétorésistance induit une variation de celle-ci.



L'intérêt du système est qu'il n'y a pas de contact entre la pièce mobile et la résistance donc une durée de vie quasi illimitée. Cependant en rotation on ne peut pratiquement pas dépasser un angle de 90° (mais on peut évidemment toujours exploiter les ressources de la pignonnerie comme ci-dessus pour étendre les possibilités). La dérive thermique est importante et nécessite un dispositif de compensation.

La figure ci-dessus et le tableau associé donnent un exemple de capteur magnétorésistif commercialisé. Dans le cas du capteur ayant un déplacement possible de 5 mm la résolution atteint 25 µm.