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Les détecteurs
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Principe Les capteurs sont des composants de la chaîne d'information. Les
capteurs prélèvent une information sur le comportement de la partie
opérative et la transforment en une information exploitable par la partie
commande. Une information est une grandeur abstraite qui précise un
événement particulier parmi un ensemble d'événements possibles.
Pour pouvoir être traitée, cette information sera portée par un support
physique (énergie)on parlera alors de signal.
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Principe
Dans les systèmes, la partie commande traite des variables logiques ou
numériques. L'information délivrée par un capteur pourra être logique (2
états), numérique (valeur discrète), analogique.
Capteur logique de température TOR
(Tout Ou Rien)
- grandeur physique mesurée :
température
- image informationnelle : signal logique
(Thermostat)
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Principe
Capteur de température Analogique :
- grandeur physique mesurée :
température
- image informationnelle : tension 0-10V
(Sonde thermocouple+ conditionneur)
Capteur de Position Numérique :
- grandeur physique mesurée : Position
angulaire
- image informationnelle : mot binaire
codé sur 4
bits
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Principe
Dans les systèmes, la partie commande traite des variables logiques ou
numériques. L'information délivrée par un capteur pourra être logique (2
états), numérique (valeur discrète), analogique.
On peut caractériser les capteurs selon deux critères:
- en fonction de la grandeur mesurée; on parle alors de capteur de
position, de température, de vitesse, de force, de pression, etc.;
- en fonction du caractère de l'information délivrée; on parle alors de
capteurs logiques appelés aussi capteurs tout ou rien (TOR), de capteurs
analogiques ou numériques.
On peut alors classer les capteurs en deux catégories, les capteurs à
contact qui nécessitent un contact direct avec l'objet à détecter et les
capteurs de proximité.
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Comment choisir
En fonction de l'application, le concepteur se trouve confronté à un choix entre interrupteur de position, détecteur photoélectrique, détecteur inductif, détecteur capacitif, détecteur à ultrasons, pour ne citer que les plus utilisés. Pour choisir il faudra prendre en compte...
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Comment choisir phase 1
nature de l'objet à détecter : solide, liquide, gazeux, métallique ou non,
contact possible avec l'objet,
distance objet/détecteur,
masse de l'objet,
vitesse de défilement,
cadences de manœuvre,
espace d'intégration du détecteur dans la machine.
Détermination de la famille de détecteurs adaptée à l'application.
L'identification de la famille recherchée s'effectue par un jeu de
questions/réponses chronologiquement posées, portant sur des
critères généraux et fondamentaux s'énonçant en amont de tout
choix :
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Comment choisir phase 1
nature de l'objet à détecter : solide, liquide, gazeux, métallique ou non,
contact possible avec l'objet,
distance objet/détecteur,
masse de l'objet,
vitesse de défilement,
cadences de manœuvre,
espace d'intégration du détecteur dans la machine.
Détermination de la famille de détecteurs adaptée à l'application.
L'identification de la famille recherchée s'effectue par un jeu de
questions/réponses chronologiquement posées, portant sur des
critères généraux et fondamentaux s'énonçant en amont de tout
choix :
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Comment choisir
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Autres paramètres liés à la P O phase 2
Cadences de manœuvre
Espace d’intégration du
détecteur dans la machine
L’environnement : température,
humidité, poussières,
projections diverses, …
L’indice IP précise la
compatibilité du détecteur
avec son environnement.
Protégé contre les effets
d’un nettoyage haute
pression
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Les paramètres liés à la P C * Nature de la source d’alimentation : alternative (AC) ou continue (DC)
* Signal de sortie : électromécanique, statique
* Nature de la charge : bobine ou entrée unité de traitement
Tension 24VDC
Intensité 7mA
Tension ou intensité
importante
ex : 230VAC
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Autres paramètres liés à la P C
Raccordement : câble, bornier, connecteur
Signalisation du fonctionnement
Caractéristiques dynamiques du détecteur
Sortie par câble
longueur 2m
Sortie par connecteur et
raccordement sur répartiteur
Bornier interne Sortie par
câble dans presse-étoupe
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Sortie de type contact
- points forts :
Peut s’adapter à toutes tensions AC ou DC.
Peut commuter des courants importants ( bobines
d’électroaimants).
Facilité de câblage ( 2 fils, non polarisés).
- points faibles :
Durée de vie limitée.
Limité en fréquence.
Certains contacts sont inaptes à véhiculer des courants
faibles ( effet d’évanouissement du contact).
C'est le cas des interrupteurs de position, des interrupteurs
à lame souple "I.L.S."
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Sortie électronique 3 fils
Points forts / 2 fils :
2 fils pour l’alimentation, 1 fil exclusivement pour le signal de sortie.
- Pas de courant résiduel et faible tension de déchet.
- Modèles proposés avec des performances souvent plus importantes.
Points faibles / 2 fils :
Choix à faire entre 2 types de sortie 3 fils
Logique positive : courant entrant
Détecteur à sortie PNP
pour les entrées
automate en logique
positive
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Câblage des détecteurs
Récepteur
Émetteur
0
I0,00
1
I0,01
2
I0,02
3
I0,03
4
I0,04
5
I0,05
6
I0,06
7
I0,07
8
I0,08
9
I0,09
10
I0,10
11
I0,11
12
I0,12
13
I0,13
14
I0,14
15
I0,15
24v 0v
0v
Entrées
24V CC
P -
+
F PNP
F +
-
P
N
P
+
- F
P
N
P
+
-
F
-
+
Interrupteurs de position a galet
Fin de course
Relais REED (ILS)
Seuil de pression à contact
Détecteur Inductif à 2 fils
Sorties statiques 3 fils : Détecteur Inductif
Détecteur capacitif
A seuil de pression Système réflex
Système proximité
Manostat
Vacuostat
Commun des entrées
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Les détecteurs photoélectriques
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Principe de fonctionnement
Selon les modèles de détecteurs et les
impératifs applicatifs, l’émission se fait en
lumière non visible infrarouge (cas le plus
courant) ou ultraviolet (détection de
matériaux luminescents) mais aussi en
lumière visible rouge ou verte (lecteurs de
repères...) et laser rouge (grande portée et
petite focale).
Modulation du faisceau lumineux La très grande rapidité de réponse des DEL permet d'insensibiliser le système à la
lumière ambiante. Le courant traversant la DEL est modulé de façon à obtenir une
émission lumineuse pulsée. Ainsi seul le signal pulsé sera utilisé par le phototransistor
et traité pour commander la charge.
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Les 5 systèmes de base…
Proximité : l’objet renvoie la lumière sur le récepteur
Reflex et barrage : l’objet bloque le faisceau
Reflex
Barrage
Proximité
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Les 5 systèmes de base… Proximité
Le DPO ( Détecteur Proximité Optique) fonctionne avec les objets
réfléchissants, même s’ils sont transparents ou translucides.
Avec un DPO il faut faire attention à l’angle de réflexion du faisceau sur l’objet !
L’objet renvoie la lumière sur le récepteur
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Reflex et barrage
Un détecteur barrage est plus cher qu’un reflex de même portée.
L’alignement est plus facile à réaliser en reflex (E/R et réflecteur) qu’en barrage (E et R).
Pour des distances de détection faibles il faut prendre en reflex des réflecteurs à gros trièdres.
L’objet bloque le faisceau
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Mode de fonctionnement
En détection photoélectrique les fonctions traditionnelles "NO" et "NF"
sont encore parfois remplacées ou associées aux termes : commutation
CLAIRE ou SOMBRE.
Commutation CLAIRE : Sortie activée si le faisceau lumineux est reçu
Absence d’objet en barrage et reflex.
Présence d’objet en proximité.
Commutation SOMBRE : Sortie activée si le faisceau lumineux n’est pas reçu.
Présence d’objet en barrage et reflex.
Absence d’objet en proximité.
Souvent le mode de fonctionnement, claire ou sombre, peut être choisi par câblage.
Pour Télémécanique un détecteur NO a sa sortie passante en présence
de l’objet quelque soit son type DPO, reflex ou barrage.
Un détecteur NC a sa sortie passante en absence de l’objet
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Détecteurs à fibres optiques
Utilisés si l’objet à détecter est très petit ou pour accéder à des
zones où l’implantation d’un détecteur classique est impossible.
Fibres plastiques à associer avec un module amplificateur émettant en rouge visible.
Rayon de courbure minimal 10mm pour un coeur de 0,25mm. Mise à longueur simple.
Fibres de verre à associer avec un amplificateur émettant dans l'infrarouge. Rayon de
courbure minimal 10mm. Chaque "fibre" est constituée d'une multitude de fibres
unitaires de 50 microns.
Les fibres utilisées sont de 2 types :
Boîtier amplificateur
Sortie électrique
Raccordement des fibres
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Détecteurs à fibres optiques
Les fibres peuvent être utilisées suivant leur constitution en système
barrage ou DPO (plus rarement en système reflex).
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Exemple de détecteurs photoélectriques
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Les détecteurs inductifs
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Principe de fonctionnement
Il comporte un oscillateur qui crée en avant de sa
face sensible un champ électromagnétique alternatif
de fréquence comprise entre 100KHz et 600KHz.
Lorsqu'un objet conducteur pénètre dans ce champ
il est le siège de courants induits. Ces courants
constituent une surcharge pour l'oscillateur et
entraînent une réduction de l'amplitude des
oscillations.
La détection de l'objet conducteur est effective
lorsque la réduction d'amplitude est suffisante pour
provoquer une commutation de l'étage de sortie.
Un détecteur de proximité inductif détecte
sans contact la présence de tout objet en
matériau conducteur.
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Paramètres influant sur le champ electromagnétique produit
Ces paramètres sont relatifs à l'implantation des détecteurs
inductifs et au milieu ambiant.
Proximité de 2 détecteurs : il faudra respecter un écart minimum.
Présence de masses métalliques environnantes : il faudra choisir un
détecteur noyable dans le métal. Ces détecteurs ont une portée plus
faible que les non noyables de type voisin.
Présence de limaille : éviter son accumulation sur la face sensible du
détecteur qui sera choisi noyable.
Noyable Non noyable
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A la portée nominale annoncée par le constructeur, il convient d'apporter
des coefficients correcteurs fonction de :
Paramètres influant sur la portée de travail
Les dimensions de l’objet à détecter.
La nature du matériau conducteur
( acier, aluminium, …)
La taille de la pièce à détecter est au
moins aussi grande que la face active du
détecteur inductif, sinon diminution de
Sa. Tenir compte du défaut de planéité
de la pièce à détecter
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Exemple de détecteurs inductifs
Cylindrique, noyable Deux fils courant alternatif ou continu
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Les détecteurs capacitifs
Un détecteur de proximité capacitif est principalement constitué d'un
oscillateur dont le condensateur est formé par 2 électrodes placées à l'avant
de l'appareil.
Lorsqu'un objet de matière quelconque se trouve en regard de la face
sensible du détecteur, ceci se traduit par une variation du couplage capacitif.
Cette variation de capacité provoque la commutation de la sortie.
Il peut détecter tout type de matériaux conducteur ou non, mais sa portée
dépend beaucoup de l’objet détecté et de son état...
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Applications
Ils sont destinés à la détection à faible distance ( < 10mm) d'objets ou produits
conducteurs ou non conducteurs :
Papier, verre, plastique, liquide, produits pulvérulents, métaux.
Cette détection peut être directe ou au travers d’une paroi isolante.
Ils disposent d'un réglage
permettant de s'adapter au
produit à détecter et à sa
distance par rapport à la face
sensible du détecteur. Ils sont
sensibles à :
une variation de permittivité
des objets ou produits.
une variation de la distance
de détection.
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Exemple de détecteurs capacitifs
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Les détecteurs à ultrasons La détection par ultrasons est un
principe sans contact qui permet de
travailler sur des objets solides ou
liquides quelques soient leur couleur,
leur brillance et leur opacité.
Ils sont utilisés pour détecter :
le passage d’objets sur des convoyeurs:
bouteilles en verre, emballages cartonnés…
Le niveau de peinture de différentes couleurs
dans des pots...
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Principe de fonctionnement
Le principe est exploité en mode barrage : un détecteur émet l’onde et
un autre détecteur monté en face de l’émetteur, la reçoit ou plus
souvent en mode proximité : un seul et même détecteur émet l’onde
sonore puis écoute l’écho renvoyé par un objet
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Précautions de mise en oeuvre
Environnement
La vitesse du son diminue avec l'augmentation de la température de l'air ou de
la pression atmosphérique ou du taux d’humidité relative.
Les détecteurs ultrasoniques ne fonctionneront pas dans le vide.
Les matériaux souples tels que le tissu ou le caoutchouc mousse sont difficiles
à détecter par les ultrasons parce qu’ils ne renvoient pas les sons.
Zone morte
La face de détection des détecteurs à
ultrasons comporte une zone morte.
La taille de la zone morte dépend de
la fréquence du capteur. Il est
impossible de détecter les objets
situés dans la zone morte de façon
fiable
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Exemple de détecteurs à ultrasons
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Les détecteurs magnétiques
Ces détecteurs sont montés sur le corps des vérins à piston magnétique
Sortie électronique 2 ou 3 fils
ILS, sortie contact
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Les détecteurs pneumatiques
Le détecteur à chute de pression est monté sur le vérin à l’échappement.
Il est utilisé lorsque la course du vérin est variable et donne une
information de fin de course
Sortie électrique Pression à
l'échappement
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Les détecteurs pneumatiques
Détecteur à fuite : l'objet à détecter obture une fuite à faible débit
(contact entre détecteur et objet).
Détecteur fluidique : sans contact avec l'objet qui coupe simplement un
jet d'air à basse pression (100 à 200 mbar).
Autres détecteurs pneumatiques : pressostat, vacuostat et 2 détecteurs de proximité
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Les détecteurs électromécaniques
Les interrupteurs de position sont disponibles en très grande variété
pour le corps (dimensions, IP, matière) et la tête de détection
(poussoir , levier à galet, levier à ressort, tige rigide ou souple,...).
La sortie est de type contact, généralement 1 NC + 1 NO, plusieurs
types de fonctionnement possibles également pour ces contacts.