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AP 3.3: Mise en situation de capteur

Compétences visées:

Etre capable

d’avoir une approche qualitative des capteurs

d’avoir un aperçu théorique et pratique :

         - des types de détecteurs les plus courants,

         - des critères de choix,

                - des utilisations typiques, avec des exemples.

La platine de TP comporte 7 détecteurs à sélectionner avec un sélecteur, un voyant rouge "sortie=0" et un voyant vert "sortie=1".

I. Technologie des capteurs

1) Généralités :

Il y a de nombreuses choses qu'on peut être amené à capter : nature, couleur, dimension d'une pièce, référence d'une pièce, température, pression, vitesse, etc. Nous nous limiterons ici aux grandeurs binaires: présence de pièce (ou passage d'une pièce), position travail ou repos d'un actionneur ou d'un effecteur, dépassement d'un seuil de pression ou de dépression… Les capteurs sont alors appelés détecteurs.

Quelle que soit la technologie de la partie sensible au phénomène physique à mesurer (le corps d'épreuve), l'étage de sortie (le transducteur) est un contact NO (fonction OUI) ou NC (fonction NON), ou un équivalent électronique.

Le choix est parfois simple. Par exemple : piston magnétique → capteur magnétique . Il peut aussi être délicat, et il est difficile d'édicter un guide de choix, pour les raisons suivantes :

a) Les détecteurs : une panoplie en constante évolution

Lire l'annexe: Lescapteurs.pdf. Elle présente les détecteurs les plus courants aujourd'hui. Certains ne se rencontrent plus que sur d'anciennes machines. D'autres apparaîtront demain (notamment pour la reconnaissance de forme). Un produit trop cher aujourd'hui peut être acceptable demain.

b) Les montages : une réflexion à mener au cas par cas

On ne peut pas choisir un détecteur sans se poser la question de son montage : par exemple, va-t-on le placer au-dessus, à côté de l'objet à détecter ? proche, ou loin ? fixe ou sur un ensemble mobile ? etc.

Les critères tels qu'on peut les trouver dans les guides de choix ne sont pas toujours très nets : par exemple, tel objet à détecter est-il vraiment trop léger pour un capteur mécanique ? trop peu réfléchissant pour un capteur optique de proximité ? assez dense pour un capteur capacitif détectant à travers une paroi ? etc… Parfois, des essais sont utiles pour vérifier un choix.

c) Le coût du détecteur

Entre deux solutions valables, il faudra bien-sûr choisir la moins chère. Mais attention aux "économies de bout de chandelle" ! En règle générale, il faut se dire qu'un montage complexe et peu fiable avec un capteur bon marché risque, au final, de revenir beaucoup plus cher qu'un montage simple et robuste avec un capteur relativement cher. C'est pourquoi, dans ce TP, on ne parlera pas de prix.

 

2) Deux technologies répandues

a) Emission-réception

Le principe de cette catégorie de détecteurs consiste à envoyer un faisceau avec un émetteur, et à détecter ce faisceau ou un faisceau réfléchi avec un récepteur.

Trois montages sont possibles :

barrage : coupure du faisceau par un objet opaque

réflex : coupure du faisceau par un objet opaque peu réfléchissant

proximité : renvoi du faisceau par un objet opaque assez réfléchissant

b) Perturbation d'un phénomène interne.

Dans ces technologies, le capteur est le siège un phénomène interne, par exemple un courant oscillant à une certaine fréquence, qui sera sensible à son environnement : par exemple, présence d'une masse métallique (capteur inductif), d'une masse quelconque  (capteur capacitif). Le résultat peut être analogique ou binaire. Ces capteurs sont des capteurs de proximité. Certains capteurs magnétiques électroniques peuvent être rattachés à cette catégorie (capteurs à effet Hall).

 

II. Travail pratique:

a)   Barrage à fibre optique à deux sorties NO/NC inversables (sélecteur sur 1 ou 2)

Une cellule (en bleu à côté du boîtier gris) envoie de la lumière par un câble de 1m, constitué de fibres de verre gainées de plastique noir. Un autre câble transporte le faisceau reçu. La cellule a une sortie normale (position 1 du sélecteur) et une sortie "lumière en excès" (position 2). Elle comporte divers réglages ; ne les modifiez pas.

a.1 Projetez l'image du faisceau émis à quelques cm de l'émetteur. Mesurez son diamètre ; par une règle de trois, déduisez-en la largeur du faisceau au niveau du récepteur.
 

 a.2 D'après cette mesure, la position du récepteur doit-elle à votre avis être très précise par rapport à l'axe de l'émetteur ? Il en est de même de son orientation.

Remarque : ce barrage est équivalent à un fil immatériel. Il en existe aussi sous forme de rideau.

 

  b) Emetteur-récepteur optique (sélecteur sur 3)

Utilisable avec ou sans réflecteur. Le réflecteur est ici un catadioptre, qui renvoie toujours la lumière vers l'émetteur (contrairement à un miroir).

b.1 Comment détecter une feuille blanche (ou un autre objet, clair ou foncé, mais moyennement réfléchissant) ? (cochez la bonne case)

b.2 Essayez de détecter un objet étroit (crayon par exemple) passant tout près du catadioptre. Y arrivez-vous ? Pourquoi ?

b.3 Comment un capteur optique peut-il distinguer la lumière qu'il doit détecter de la lumière ambiante ?

b.4 Quelle est l'équation de la détection ? (cochez la bonne case)

 

c)   Barrage optique à fourche (sélecteur sur 4)

Observez et essayez ce détecteur sans modifier ses réglages. Quel est le réglage actuel ?

    

d)   Détecteur à ultrasons réglable par apprentissage (sélecteur sur 5)

Réglez la distance de détection sur 15cm : placez votre main à 15cm du détecteur, dans son axe, et appuyez sur le bouton rouge à droite du boîtier gris. Dès que le témoin du capteur se met à clignoter (au bout de 3s environ), la portée est réglée, vous pouvez relâcher le bouton. (N.B. : Ce réglage peut se faire même si le sélecteur n'est pas sur 5).        

d1.Pourquoi des ultrasons plutôt que des sons normaux (plusieurs raisons) ?

d2. Essayez de détecter de petits objets : la distance de détection change-elle ?

d3. Remarquez l'hystérésis : la distance pour que le capteur revienne à 0 est plus grande que celle pour laquelle il passe à 1. Ce phénomène est plus ou moins net, mais présent sur tous les capteurs de proximité.

d4. Reprenez le réglage pour déterminer la portée maximale : tout en appuyant sur le bouton, approchez l'objet à détecter jusqu'à obtenir le clignotement. La portée est-elle la même quelle soit la surface de l'objet ?

d5.Quelle est la plus grande portée que vous avez trouvée ?

 

e) Détecteur inductif (sélecteur sur 6)

Essayez différents objets métalliques et notez la portée maxi dans l'axe

 

f)   Détecteur capacitif à seuil réglable (sélecteur sur 7)

Sa portée est réglable de 0 à 30mm environ. Ne pas modifier le réglage actuel. Il est sensible théoriquement à tous les matériaux, mais plus ou moins selon leur épaisseur et leur densité. Dans son réglage actuel,

- combien de feuilles de papier faut-il empiler pour qu'il détecte l'ensemble à une portée de 0mm ?

- à quelle distance détecte-il un doigt ?

- peut-il détecter un doigt à travers une feuille de papier ?

 

g) Détecteur magnétique ILS (interrupteur à lame souple) (sélecteur sur 8)

Ce détecteur ne doit pas être confondu avec le détecteur inductif.

- Essayez-le avec un aimant. Remarquez que, pour certaines orientations de l'aimant il y a un "trou" de détection au passage de l'aimant tangentiellement devant le capteur. C'est généralement sans importance.

- Trouver ce capteur sur certain système du labo de STI2D