Objectifs d'apprentissage
- Décrire une chaîne de mesure : mesurande, corps d'épreuve, transducteur, conditionneur, grandeur électrique exploitable
- Distinguer un capteur logique (Tout Ou Rien), un capteur analogique (signal continu) et un capteur numérique (sortie codée)
- Identifier le principe et le domaine d'emploi des capteurs de proximité : inductif, capacitif, photoélectrique
- Distinguer un codeur incrémental (comptage d'impulsions) d'un codeur absolu (position directement codée) et calculer une résolution angulaire
- Définir étendue de mesure, sensibilité, résolution et précision d'un capteur
- Justifier le choix d'un capteur pour une application donnée (détection de pièce, mesure de position d'un axe de machine)
Formules et résultats clés
La chaîne de mesure
Un capteur transforme une grandeur physique à mesurer (le mesurande : position, présence, force, etc.) en une grandeur exploitable, le plus souvent électrique. La chaîne complète s'écrit : mesurande → corps d'épreuve (élément sensible qui réagit au mesurande) → transducteur (convertit cette réaction en signal électrique brut) → conditionneur(amplifie, filtre, met en forme) → grandeur électrique exploitable par la commande numérique ou l'automate.
Trois familles de capteurs
Capteur logique (TOR — Tout Ou Rien) : deux états seulement (0 ou 1), ex. un fin de course sur un axe de machine. Capteur analogique : signal de sortie continu, proportionnel au mesurande. Capteur numérique : sortie directement codée sous forme de mots binaires, ex. un codeur absolu de position.
Capteurs de proximité
Inductif : détecte uniquement les matériaux métalliques, par perturbation d'un champ électromagnétique (courants de Foucault induits dans la cible). Capacitif : détecte tout matériau (métal, plastique, liquide, bois), par variation de la capacité d'un condensateur formé entre le capteur et la cible qui s'approche. Photoélectrique: détecte l'interruption ou la réflexion d'un faisceau lumineux, selon trois montages : barrage, reflex (avec réflecteur) ou proximité (retour direct sur la cible).
Codeurs de position
Un codeur incrémental délivre une suite d'impulsions à chaque déplacement élémentaire : la position s'obtient en comptant ces impulsions depuis une origine, mais cette information est perdue à la coupure d'alimentation. Un codeur absoluassocie directement à chaque position un mot binaire unique, disponible immédiatement à la remise sous tension, sans prise d'origine.
Caractéristiques d'un capteur
Étendue de mesure : plage de valeurs du mesurande que le capteur peut mesurer. Sensibilité : variation du signal de sortie pour une variation unitaire du mesurande. Résolution : plus petite variation détectable. Précision : combine fidélité (dispersion des mesures répétées) et justesse (écart par rapport à la valeur vraie).
Erreurs fréquentes
Confondre capteur inductif (métaux uniquement, courants de Foucault) et capteur capacitif (tout matériau, variation de capacité) — question classique de choix de capteur selon la nature de la cible.
Confondre capteur analogique (grandeur de sortie continue, proportionnelle au mesurande) et capteur logique TOR (deux états seulement, 0 ou 1) — un fin de course mécanique est un capteur TOR, pas analogique.
Confondre codeur incrémental (impulsions à compter, information de position perdue à la coupure) et codeur absolu (position directement codée en binaire, aucune prise d'origine nécessaire).
Se tromper de signe ou d'unité dans le calcul de résolution angulaire d'un codeur incrémental : elle se calcule toujours en divisant 360° (ou 2π rad) par le nombre de points (ou impulsions) par tour.
Croire qu'un capteur photoélectrique fonctionne toujours par barrage (émetteur et récepteur séparés de part et d'autre de la cible) : il existe aussi des montages reflex (avec réflecteur) et proximité (retour direct sur la cible), selon l'encombrement disponible.
Exemple corrigé — Choisir un capteur de proximité
Énoncé
Sur une chaîne d'emballage, on doit détecter la présence de cartons (matériau non métallique), sans les toucher. Quel type de capteur de proximité est adapté, et pourquoi un capteur inductif serait-il inutilisable ici ?
Correction
Un capteur capacitif (ou, selon l'encombrement, un capteur photoélectrique en montage barrage ou proximité) est adapté : il détecte tout type de matériau, y compris non métallique.
Un capteur inductif serait inutilisable ici : son principe de détection repose sur les courants de Foucault induits dans une cible métallique — un carton, qui n'est pas conducteur, ne perturberait absolument pas son champ électromagnétique, et le capteur ne détecterait jamais son passage.
3 exercices pour t'entraîner
Exercice 1
FacileOn veut détecter sans contact le passage de pièces métalliques sur un convoyeur, quelle que soit leur couleur ou leur forme. Quel type de capteur de proximité choisir, et pourquoi un capteur capacitif serait-il moins adapté ici ?
Voir la correction
On choisit un capteur de proximité inductif : il détecte spécifiquement les matériaux métalliques grâce aux courants de Foucault induits dans la cible, ce qui suffit ici. Un capteur capacitif serait moins pertinent car il détecterait aussi bien un objet non métallique (poussière, emballage, humidité), augmentant le risque de détections parasites alors que seules les pièces métalliques nous intéressent.
Exercice 2
MoyenUn codeur incrémental monté sur l'axe d'une broche délivre 720 points (impulsions) par tour. Calculer sa résolution angulaire, en degrés.
Voir la correction
Résolution angulaire = 360° / 720 = 0,5° par impulsion.
Exercice 3
DifficileCe même codeur (720 points/tour) compte 3600 impulsions pendant le déplacement d'un axe. Calculer le nombre de tours effectués, puis l'angle total en degrés.
Voir la correction
Nombre de tours = 3600 / 720 = 5 tours. Angle total = 5 × 360° = 1800°.
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Questions fréquentes
Quelle est la différence entre un capteur inductif et un capteur capacitif ?
Un capteur inductif ne détecte que les matériaux métalliques : son champ électromagnétique induit des courants de Foucault dans la cible métallique, ce qui modifie le signal du capteur. Un capteur capacitif détecte tout type de matériau (métal, plastique, bois, liquide) car il réagit à la variation de capacité d'un condensateur formé entre le capteur et la cible qui s'approche. Le choix dépend donc uniquement de la nature de la cible à détecter : capteur inductif si elle est toujours métallique, capacitif si elle peut être d'une autre nature.
Pourquoi un codeur absolu ne perd-il jamais sa position, contrairement à un codeur incrémental ?
Un codeur incrémental délivre une suite d'impulsions à chaque déplacement élémentaire : la position est reconstituée en comptant ces impulsions depuis une origine. En cas de coupure d'alimentation ou de perte de comptage, cette information de position est perdue et il faut refaire une prise d'origine. Un codeur absolu, au contraire, associe directement à chaque position un mot binaire unique (souvent codé en Gray pour éviter les erreurs de lecture entre deux positions adjacentes) : la position est disponible immédiatement à la remise sous tension, sans avoir besoin de compter depuis une origine.
Sur une machine-outil à commande numérique, pourquoi a-t-on besoin de capteurs de position précis ?
Une machine-outil à commande numérique doit positionner l'outil très précisément par rapport à la pièce, souvent au centième de millimètre près, pour respecter les tolérances dimensionnelles imposées sur le dessin de définition. Des capteurs de position (codeurs sur les axes, règles de mesure linéaire) renseignent en permanence la commande numérique sur la position réelle de chaque axe, permettant une correction en temps réel (asservissement) si un écart apparaît entre la position programmée et la position réelle — sans cette mesure continue, aucune précision fiable ne serait garantie.