vignette|Capteur de proximité Sharp GP2Y0A21YK IR. Les capteurs de proximité ou détecteurs de présence sont des dispositifs autrefois mécaniques, mais aujourd'hui de plus en plus caractérisés par l'absence de liaison mécanique entre le dispositif de mesure et l’objet cible (personne, animal, objet animé tel qu'un véhicule). L'interaction entre le capteur et sa est alors réalisée par l’intermédiaire d’une caméra associée à un système d'analyse de l'image, ou plus souvent d'un champ (magnétique, électrique, électromagnétique) ou d'un capteur infrarouge.
Selon les capteurs, objets et situation, l'objet détecté doit être plus ou moins proche du capteur ou illuminé par une source rayonnante (éventuellement non visible, par exemple dans l'infrarouge).
Les capteurs de proximité sont utilisés soit en mode analogique, soit en mode binaire. Dans le premier cas, l’amplitude du signal est une fonction de la position relative de l’objet cible ; dans le second cas, le signal ne peut avoir que deux niveaux (haut et bas), selon que l’objet est présent à proximité ou non du capteur inductif.
Détection des mouvements de personnes, de véhicules Ils sont surtout utilisés pour la sécurité, contre les intrusions, les alarmes, ou la mise en route de dispositifs (ouverture d'une porte, d'une barrière, etc.).
Ils peuvent aussi être utilisés par la domotique ou pour réaliser d'importantes économies d'énergie (asservissement de l'éclairage intérieur à des détecteurs de présence) à l'extérieur pour la protection de l'environnement nocturne.
Exemple de la commune de Vif La commune de Vif (Isère) a mis en place, le , un tronçon routier à éclairage asservi : de voie piétonne et cyclable (le plus long de France à sa date d'installation). Le système d'éclairage asservi comprend à LED équipés de détecteurs d'approche et de variateurs de lumièrela technique utilisée permet d'automatiquement adapter l'intensité de l'éclairage à la position et à la vitesse de l'usager d'une route ; en passant très rapidement de 10 % (en veille), à 100 % de l'intensité totale du luminaire (ou à 50 % selon les horaires).. L'éclairage passe de 10 % (mode veille) pour atteindre son maximum au passage de piétons ou cyclistes avant de revenir au mode veilleETDE teste l'éclairage sur le Vif et ETDE inaugure en Isère un éclairage public automatique, intelligent et économe en énergie , sur le site Energie2007. L'économie attendue pour la ville est de .
Capteurs de proximité capacitifs (détection d'objets)
Les détecteurs de proximité capacitifs présentent l’avantage de pouvoir détecter à courte distance la présence de tous types d’objets, car sensibles aux métaux et aux non-métaux.
Dans ce cas, la tête de mesure de ces capteurs est formée d'un conducteur cylindrique et d'une enveloppe métallique coaxiale réalisant un condensateur de capacité fixe C1. Si une cible s'approche de l'extrémité des conducteurs précédents, elle constitue avec ces conducteurs deux autres condensateurs.
Ainsi, si le circuit est alimenté par un signal alternatif à une fréquence donnée, lorsqu'on approche une cible, la capacité du circuit change et le signal s'atténue. C'est cette atténuation que l'on mesure.
Avantages pas de contact physique avec l’objet détecté : possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints pas d’usure, durée de vie indépendante du nombre de manœuvres détecteur statique, pas de pièces en mouvement produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche) très bonne tenue à l’environnement industriel (atmosphère polluante)
La face sensible du détecteur constitue l’armature d’un condensateur. Une tension sinusoïdale est appliquée sur cette face, créant ainsi un champ électrique alternatif devant le détecteur. En considérant que cette tension sinusoïdale est référencée par rapport à un potentiel de référence (terre ou masse par exemple), la deuxième armature est constituée par une électrode reliée à ce potentiel de référence (bâti de machine par exemple). Ces deux électrodes face à face constituent un condensateur dont la capacité est : C = ε0 * εr * A / d avec : ε0 = 8,854 187 pF/m permittivité du vide εr permittivité relative du matériau présent entre les 2 électrodes. : absence d’objet entre les 2 électrodes ε r ≈ 1(air) ⇒ C ≈ ε0 A / d
: présence d’un objet isolant entre les 2 électrodes ⇒ (εr ≈ 4)
L’électrode de masse peut être dans ce cas le tapis métallique d’un convoyeur par exemple. C= (ε 0 . ε r . A) / d Lorsque εr moyen devient supérieur à 1 en présence d’un objet, C augmente. La mesure de l’augmentation de la valeur de C permet de détecter la présence de l’objet isolant.
cas : présence d’un objet conducteur entre les 2 électrodes C= (ε 0 ε r A)/ d-e avec : ε r ≈ 1 (air) ⇒ C ≈ ε 0 (A/ d-e) La présence d’un objet métallique se traduit donc également par une augmentation de la valeur de C.
Les différents types de détecteurs capacitifs : Détecteurs capacitifs sans électrode de masse ; Ils utilisent directement le principe décrit précédemment. Un chemin vers la masse (potentiel de référence) est nécessaire pour détecter. Ils sont utilisés pour détecter des matériaux conducteurs (métal, eau) à des distances importantes. Application type : détection de matériaux conducteurs au travers d’un matériau isolant. Détecteurs capacitifs avec électrode de masse ;Il n’est pas toujours possible de trouver un chemin à la masse. C’est le cas si l’on veut détecter le contenant isolant vide de l’exemple précédent. La solution est l’incorporation de l’électrode de masse sur la face de détection. Il y a création d’un champ électrique indépendant d’un chemin à la masse. Application : détection de tous matériaux. Possibilité de détecter des matériaux isolants ou conducteurs derrière une paroi isolante, ex : céréales dans une boîte en carton.La sensibilité des détecteurs capacitifs, selon l’équation de base citée précédemment (§ 4.1), dépend tout à la fois de la distance objet-capteur et de la matière de l’objet.
Grandeurs d’influence d’un détecteur capacitif ; Distance de détectionElle est liée à la constante diélectrique ou permittivité relative εr propre au matériau de l’objet visé. Pour pouvoir détecter une grande variété de matériaux, les capteurs capacitifs sont généralement munis d’un potentiomètre permettant de régler leur sensibilité. Matière
Détection d'objets Toute matière (par exemple dans les chaines de fabrication) Portée de détection : jusqu’à pour les plus courants dépend de l’épaisseur des objets
Utilisation Contrôle de remplissage dans des flacons ou des cuves Détection de la présence de matériaux pulvérulents dans des trémies Les domaines d’utilisation les plus significatifs se rencontrent dans l’agroalimentaire, la chimie, la transformation des matières plastiques, le bois, les matériaux de construction
Capteur de proximité inductif
Les capteurs de proximité inductifs détectent tous les matériaux conducteurs à une distance définie : Un capteur de présence à transistor bipolaire détecte les métaux : si un métal se trouve dans le champ de la zone de couverture active, la sortie PNP ou NPN du capteur est activée ; Un interrupteur reed détecte la présence d'un objet si un aimant se trouve dans la zone de couverture active.
Capteur de proximité inductif à réluctance variable Il s’agit d’un transformateur dont le circuit magnétique inclut l’objet en déplacement. Celui-ci doit donc être de nature ferromagnétique. L’intervalle entre la cible et la tête du capteur jouant le rôle d’un entrefer détermine la réluctance du circuit magnétique et par suite le flux traversant le secondaire et la tension à ses bornes, lorsque le primaire est alimenté. La tension aux bornes du secondaire, qui est le signal de mesure Vm, varie de façon non linéaire, selon la loi qui est sensiblement de la forme :
Où x est la distance du capteur à la cible Vmo dépend particulièrement de la perméabilité magnétique de la cible, de sa forme et de ses dimensions. Dans la plupart des cas le primaire et le secondaire sont constitués par une seule et même bobine. La grandeur qui varie avec la distance à la cible est alors l'inductance. Un circuit électronique permet de transformer cette inductance en grandeur électrique simple comme une tension électrique, image de la distance.
Ce type de capteurs trouve ses applications dans le domaine aéronautique. En effet sur les avions, la partie électromagnétique du capteur se trouve souvent à l'extérieur (train d'atterrissage, volets...) pendant que l'électronique de détection se trouve dans une partie protégé de l'avion, les deux étant reliés par des fils de liaison. Le principe à réluctance variable est relativement bien adapté à ce type d'application car relativement insensible aux longueurs des fils de liaison.
Capteur inductif à courants de Foucault Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité de leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant.
Le champ magnétique émis à partir de la surface active du capteur est créé par un circuit (bobine) alimenté par une source de tension sinusoïdale dont la fréquence est limitée à quelques dizaines de kilohertz afin que soient réduites les pertes magnétiques par courant de Foucault ainsi que l’influence des capacités parasites. Si un objet métallique (cible) s’approche de la surface active, des courants de Foucault sont générés. D’après la loi de Lenz, ces courants s’opposent à la cause qui leur a donné naissance. Les pertes qui en résultent causent une baisse d’énergie dans le circuit oscillant et une atténuation des oscillations. Contrairement au capteur à réluctance variable qui n’est utilisable qu’avec des cibles ferromagnétique, le capteur à courants de Foucault est sensible à tout objet métallique.
Principales caractéristiques Qualités Large bande passante Grande finesse due aux forces très faibles exercées sur la cible par le dispositif de mesure Fiabilité accrue puisqu’il n’y a pas de pièces mobiles susceptibles d’usure ou de jeu
Inconvénients Étendue de mesure faible, de l’ordre de la dizaine de mm Fonctionnement non linéaire Dépendance de leur réponse à la forme, les dimensions et la nature du matériau de la cible
On en déduit que l’étalonnage doit s’effectuer dans les conditions particulières de leur emploi. Ces capteurs procurent un isolement galvanique entre le circuit de mesure et la cible
Domaines d’application L'automatisme des lignes de fabrication (détection sans contact des pièces et machines en mouvement) La sécurité sur les avions (vérification de bon fonctionnement du train, fermeture des portes...) La mesure et l’asservissement de position Le contrôle dimensionnel L’étude, sans perturbation, du mouvement de dispositifs à faible inertie L’automobile : capteur ABS etc.
Capteur de proximité à effet Hall Description L'effet Hall se manifeste par l'apparition d'une différence de potentiel VH perpendiculairement aux lignes de courant d'un conducteur placé dans un champ d'induction BY. L'effet Hall est la conséquence de la force qui s'exerce sur les charges électriques en mouvement. Lorsqu'on approche un aimant de la plaquette, la différence de potentiel aux bornes de celle-ci augmente ; c'est ce signal qui est détecté.
Fonctionnement Ce type de capteur de courant exploite l'effet Hall pour produire une tension qui est l'image exacte (avec un facteur de proportionnalité connu) du courant à mesurer ou à visualiser.
Unités et formules