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MESURE DE VITESSE Il est souvent nécessaire de mesure une vitesse de rotation ou de translation. La mesure peut être obtenue sous forme analogique, sous forme numérique, ou encore sous la forme d’une fréquence.

1. Capteurs à sortie analogique Les capteurs de vitesse à sortie analogique sont en général des capteurs

électromécaniques. Ils sont dérivés des convertisseurs électromécaniques étudiés au cours d’électrotechnique. Ces convertisseurs peuvent être utilisés aussi bien en moteur qu’en générateur. L’utilisation en capteur est similaire à l’utilisation en générateur, mais sans mettre l’accent sur l’aspect « conversion d’énergie ».

Les capteurs de vitesse angulaire sont des dispositifs très répandus dans les asservissements industriels sous forme de capteurs de vitesse de rotation. — La génératrice tachymétrique, aussi appelée dynamo tachymétrique ou, dans le jargon de l’électrotechnique, « tacho », est une machine DC. Rappelons que, dans ces machines, l’induit se trouve au rotor et est relié au circuit extérieur par un collecteur (comportant de nombreuses lames) et des balais.

Figure .1 : schéma d’une machine DC et circuit équivalent

La tension aux bornes d’une machine DC vaut (.1) )iR(Eu aaa += avec m

af )i,i(kE ωΦ= où E est la force électromotrice, if le courant d’inducteur (statorique) et ia le courant

d’induit. On utilise pour la mesure de vitesse des machines de petite taille. L’inducteur est en général constitué d’aimants permanents, de sorte que l’on n’a pas à se soucier de if . Si la machine est à inducteur bobiné, il faut une source de courant stable pour fournir if car la valeur du flux Φ dépend essentiellement de ce courant. Par contre, on dispose dans ce cas d’une possibilité de changer la sensibilité du capteur en réglant if . L’erreur de linéarité des génératrices tachymétriques peut être inférieure à 1% , mais il faut pour cela que le courant ia soit maintenu à une valeur faible pour éviter la chute de tension (Raia) et la réaction d’induit (influence de ia sur le flux). Notons que la résistance Ra est non linéaire, raison pour laquelle nous avons mis entre parenthèses le produit (Ra ia). Les génératrices tachymétriques ne comportent en général qu’une seule paire de pôles. Cela permet d’avoir un induit mieux défini (ne comportant que deux branchements). Cela permet aussi d’avoir plus de sections en série, donc une tension plus grande (quelques dizaines de volts), ce qui diminue l’influence du terme (Ra ia). Enfin, cela facilite la réalisation d’un induit comportant de nombreuses sections, donc de nombreuses lames de collecteur. Ce type de capteur présente essentiellement deux inconvénients :

• Le défaut le plus gênant est dû à l’apparition dans la tension de sortie du capteur d’une composante alternative due aux dissymétries mécanique et magnétique du rotor, lesquelles se manifeste à cause du fait que les génératrices tachymétriques n’ont qu’une seule paire de pôles. Cette composante ne peut être éliminée par filtrage car, sa fréquence étant basse, les performance dynamiques du capteur en seraient trop

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affectées. Elle est particulièrement gênante lorsque le capteur fait partie d’un dispositif de régulation de vitesse car elle donne alors lieu à des oscillations de la vitesse autour de sa valeur de consigne. On doit donc réduire cette composante alternative par une construction soignée.

• Le collecteur n’étant rien d’autre qu’un redresseur électromécanique, la tension de sortie est affectée d’une ondulation résiduelle. La fréquence de celle-ci est proportionnelle à la vitesse de rotation et au nombre d’encoches du rotor (ou de lames de collecteur). C’est pour pouvoir filtrer cette ondulation par un filtre passe-bas que l’on augmente sa fréquence en réalisant la génératrice tachymétrique avec un grand nombre d’encoches et de lames de collecteur. Malheureusement, la fréquence de coupure du filtre ne peut pas être choisie trop basse sous peine de diminuer les performances dynamiques du capteur. Lors d’un fonctionnement à vitesse réduite, la fréquence de l’ondulation risque donc de ne plus être filtrée.

Les dispositions constructives citées ci-dessus expliquent le prix élevé des bonnes génératrices tachymétriques.

Notons encore comme inconvénient le risque d’avoir des étincelles au collecteur, donc la génération de « parasites » haute fréquence susceptibles de perturber l’électronique associée si elle n’est pas protégée par un filtre approprié. Ce défaut se manifeste après une période d’inactivité prolongée, le collecteur ayant eu le temps de s’oxyder, et peut disparaître après quelques minutes d’utilisation. Il peut cependant empêcher le fonctionnement d’un dispositif de régulation de vitesse dont ce capteur fait partie, ce qui peut être dangereux. Les génératrices tachymétriques apparaissent cependant aux yeux de nombreux utilisateurs comme une solution simple, puisqu’elles fournissent directement une tension continue proportionnelle à la vitesse. Commercialement, le nom de « tacho » se trouve souvent associé à des dispositifs de nature différente, pourvu qu’ils fournissent une tension analogique proportionnelle à la vitesse.

— L’alternateur tachymétrique est un petit alternateur, le plus souvent monophasé, muni d’un inducteur à aimants permanents. La fréquence et l’amplitude de la tension alternative produite sont toutes deux proportionnelles à la vitesse de rotation. On peut donc utiliser l’alternateur tachymétrique comme capteur à modulation d’amplitude ou à modulation de fréquence. Dans le premier cas, on utilisera comme démodulateur un redresseur ou un détecteur de crête ; la tension obtenue après filtrage est proportionnelle à la vitesse de rotation ; dans ce cas, la tension obtenue ne s’inverse cependant pas avec le signe de la vitesse de rotation. Dans le second cas, on exploite la variation de fréquence du signal produit grâce à un circuit démodulateur FM où à un fréquencemètre digital ; cette méthode n’est pas exploitable à basse vitesse, compte tenu de la réduction d’amplitude du signal de sortie, et ne fournit pas non plus le signe de la vitesse.

Comme l’inducteur d’un alternateur se trouve normalement au rotor, le fait d’utiliser des aimants permanents évite de devoir alimenter le rotor par des contacts glissants. Les alternateurs tachymétriques comportent en général plusieurs paires de pôles, ce qui élimine l’effet d’une légère dissymétrie mécanique ou magnétique. Ils sont donc plus simples à réaliser et moins coûteux que les génératrices tachymétriques. Leurs inconvénients majeurs sont l’existence d’une ondulation résiduelle de fréquence relativement basse après redressement et l’impossibilité de déterminer le sens de la vitesse. Ces inconvénients peuvent être réduits ou éliminés en utilisant un alternateur polyphasé. La figure ci-dessous schématise un alternateur diphasé. Figure.2 : schéma d’un alternateur tachymétrique (attention, nombre de pôles > 1 en général) Dans ce cas, on dispose de deux tensions de la forme

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(10.2a) ua = Φ ωm cos θ (10.2b) ub = Φ ωm sin θ Il est donc possible de détecter le signe de la vitesse en voyant laquelle de ces deux tensions est en avance sur l’autre. De plus, si l’on effectue un redressement polyphasé, la fréquence de l’ondulation résiduelle sera plus grande, donc plus facile à filtrer sans handicaper les performances dynamiques. Enfin, si la forme d’onde est une sinusoïde pure, il est théoriquement possible d’effectuer un redressement sans générer d’ondulation résiduelle : il suffit de faire à tout instant le calcul

(10.3) ||uuu m2

b2

a ωΦ=+= — La génératrice tachymétrique asynchrone est une petite machine asynchrone diphasée dont le stator porte deux enroulements en quadrature et dont le rotor est constitué par un conducteur massif (en général une cloche en cuivre, d’où un moment d’inertie très réduit). L’une des phases statoriques est alimentée par une fréquence porteuse (50 ou 400 Hz suivant les cas) ; on peut montrer que, dans certaines conditions, la tension aux bornes de la seconde phase a une fréquence égale à celle d’entrée et une amplitude proportionnelle à la vitesse (à 1%. près ou même mieux) et ceci dans une large gamme de vitesses (pouvant s’étendre jusqu’à 5000 tr/min). La tension alternative de sortie peut être traitée dans un démodulateur d’amplitude (redresseur, détecteur de crête ou encore détecteur synchrone) ou utilisée telle qu’elle s’il s’agit d’un asservissement à fréquence porteuse. Caractéristiques essentielles d’une tachymétrie: - vitesse maximale de rotation (en tours par minute), - constante de f.e.m. (en volts à 1000 trs/mn ou en v/tr/mn), - linéarité (en %), - ondulation crête à crête (en %), - courant maximal. Tableau comparatif des génératrices tachymétriques à courant continu et synchrone:

2. Capteurs de vitesse digitaux 1.Codeur incrémental (codeur relatif): Principe: une lumière émise par une diode électroluminescente est réfléchie par les graduations d’un disque vers un phototransistor qui se sature et se bloque à la cadence du défilement des graduations.

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Le codeur incrémental est surtout utilisé dans les systèmes dont le traitement de l’information est entièrement numérique. Ses impulsions sont comptabilisées de façon à donner une information concernant la position (nombre d’impulsions délivrées depuis une position d’origine) ou /et une information concernant la vitesse (nombre d’impulsions par unité de temps). Dans ce dernier cas, il évite l’emploi d’une génératrice tachymétrique (il est cependant peu précis aux très basses fréquences de rotation). Un codeur incrémental possède généralement plusieurs voies: - voie Z donnant une impulsion par tour, - voie A donnant n impulsions par tour, - voie B identique à voie A, mais dont les signaux sont déphasés de +ou- 90°, suivant le sens de rotation.

La simple utilisation d’une bascule D permet d’obtenir une information logique concernant le sens de rotation:

Caractéristiques principales d’un codeur incrémental: - nombre de points par tour ou nombre d’impulsions par tour (exemple: 500 points/tr), - nombre de voies ou nombre de pistes (exemple: 6 pistes A, B, Z, A*, B*, Z*), - tension d’alimentation, - vitesse maximale de rotation. 2. Codeur absolu: Principe: un disque est divisé en pistes .Chaque piste comporte une alternance de secteurs réfléchissants et absorbants. Comme pour le codeur incrémental, un émetteur-récepteur par piste fournit les informations. Le nombre de pistes fixe le nombre de positions discrètes pouvant être définies: 1 piste = 2 positions, 2 pistes = 4 positions, 3 pistes = 8 positions... n pistes = 2 exp n positions.

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Son principal avantage est qu’il donne une information de position absolue, alors que le codeur incrémental donne la position relative (par rapport à une position initiale variable). En revanche, il est plus complexe, du fait qu’une grande précision de position dépend du nombre de pistes (alors que la précision d’un codeur incrémental dépend seulement du nombre de graduations sur la piste). Exemple d'un codeur absolu 12 pistes, soit 4096 points (212): Comparaison de 2 codeurs 512 points:

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MESURE DE POSITION Les déplacements ou les positions qu'on mesure sont normalement soit linéaires soit angulaires. Ces deux types peuvent être convertis l'un dans l'autre grâce à des dispositifs mécaniques (crémaillère, vis sans fin, courroie...), mais ceux-ci entraînent des erreurs (jeux, hystérésis, influence de la température, ...). On a donc développé des capteurs directement adaptés à ces deux types de déplacement, et cela pour pratiquement chacun des principes physiques utilisés pour ces mesures.

1. Capteurs à résistance variable par curseur Les résistances à curseurs constituent l’un des capteurs de position les plus simples. On

parle de « potentiomètre » lorsque, outre le curseur, les deux extrémités de la résistance sont accessibles. 1.1. Distinction selon le type de mouvement

On utilise des resistances à curseur sous la forme du potentiomètre linéaire pour des déplacements allant de quelques millimètres à plusieurs dizaines de centimeters et du potentiomètre angulaire pour des déplacements allant de quelques degrés à une dizaine de tours. Les potentiomètres rotatifs se prêtent mieux à une réalisation protégeant mieux la piste des polluants extérieurs, de sorte qu’on préfère parfois les utiliser pour la mesure d’un déplacement linéaire malgré les inconvénients du dispositif mécanique de convertion. La plupart des potentiomètres angulaires ont une étendue de mesure inférieure ou égale à 360°. Ces potentiomètres un tour peuvent voir le mouvement de leur curseur limité ou non par des butées mécaniques. Il existe des potentiomètres multitour (en général 10 tours) dont le mouvement de l'axe dépasse 360°. Cette augmentation de l'étendue de mesure peut être obtenue par l'introduction d'un réducteur mécanique entre l'axe de commande et le mouvement du curseur ou par une construction particulière du potentiomètre où le curseur se déplace le long d'une résistance à géométrie hélicoïdale (vrai potentiomètre multitour) (fig.1).

Fig. 1. Potentiomètre à piste hélicoïdale.

1.2. Distinction selon le type de piste

Les potentiomètres existent sous deux formes principales, le potentiomètre à piste résistive (fig. 2.a) et le potentiomètre bobiné (fig. 2.b).

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Fig. 8.2. Potentiomètres a. à piste résistive b. bobiné.

Le potentiomètre à piste résistive est réalisé à partir d'une matière plastique chargée par une poudre résistive de métal ou de carbone.

La limite de résolution de ce type de potentiomètre dépend de la granulométrie de la poudre conductrice et peut descendre, pour un potentiomètre linéaire, jusqu'à 0,1 μm. Cette limite se vérifie également pour les déplacements du curseur sur la piste circulaire d'un potentiomètre angulaire, elle se traduit par une limite de résolution angulaire qui est inversément proportionnelle au rayon de la piste conductrice. Par contre, le potentiomètre bobiné présenté une limite de résolution liée au pas du bobinage : pas linéaire Δx (fig. 8.1.b), ou pas angulaire Δθ = Δx/r. (1) Une image agrandie de la caractéristique d'un potentiomètre linéaire bobiné (fig. 8.2) montre sa structure en escalier, dont les marches ont une largeur de Δx.

Fig. 3. Résolution du potentiomètre bobiné. La limite de résolution d'un potentiomètre linéaire bobiné se situe au mieux à environ 10 μm, cette limite se vérifie également pour les déplacements du curseur sur le bobinage toroïdal d'un potentiomètre angulaire. Le frottement du curseur sur le fil ou sur la piste conductrice d'un potentiomètre entraîne un phénomène d'usure qui limite sa durée de vie; ce phénomène est particulièrement sensible lorsque le curseur subit un mouvement oscillatoire autour d'une position moyenne et lorsqu'il est traversé par un courant important. La durée de vie d'un potentiomètre peut être évaluée en nombre de cycles de manoeuvre, elle vaut de l'ordre de 106 pour un potentiomètre bobiné et de l'ordre de 108 pour un potentiomètre à piste résistive (A noter que les dispositifs vendus sous le nom de « résistance ajustable » ont une durée de vie beaucoup plus courte). On réalise aussi des potentiomètres hybrides combinant l'utilisation d'un bobinage et d'une piste résistive afin de rassembler les avantages des deux techniques.

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1.3. Relation résistance-déplacement Les potentiomètres bobinés permettent d’obtenir une bonne linéarité entre le déplacement et la résistance. Au contraire, les potentiometers à piste resistive peuvent être realisés de façon à obtenir une résistance dont la variation relative dR/R est approximativement égale au déplacement. La résistance présente alors une allure exponentielle par rapport au déplacement mais, curieusement, ces potentiomètres sont dits « logarithmiques ».

1.4. Limitation de vitesse Afin de garantir un bon contact entre la résistance et le curseur, la vitesse de ce dernier doit être limitée; les limites de vitesse sont de l'ordre du m/sec.

1.5. Connexion électrique Il est possible d’utiliser un potentiomètre comme une résistance variable en ne connectant au circuit électrique que le curseur et une des extrémités. On a cependant intérêt à l’utiliser dans un montage « en potentiomètre », c’est-à-dire en appliquant une source de tension entre ses deux extrémités et en observant la tension entre le curseur et l’une d’elle. Pour autant que le courant qui passe par le curseur soit insignifiant, ce montage est en effet moins sensibles aux fluctuations de la résistance de contact entre le curseur et la piste. Le montage en potentiomètre est également plus sensible (puisqu’il exploite la variation de deux résistances). Pour s’affranchir des fluctuations de la tension d’alimentation du montage, on peut utiliser un montage en pont aussi bien avec un montage en potentiomètre qu’avec un montage en simple résistance variable.

2. Potentiomètres sans curseur Les inconvénients dus au frottement mécanique du curseur peuvent être évités en remplaçant le déplacement du curseur par l'action d'une source lumineuse mobile sur une photorésistance ou l'action d'un champ magnétique variable sur une magnétorésistance.

Figure 4

Les dispositifs réalisés suivant ces principes sont connus sous le nom de potentiomètres sans curseur, leur linéarité est généralement moins bonne que celle des potentiomètres classiques. Par extension, on appelle souvent commercialement « potentiomètre sans curseur » tout dispositif de mesure du déplacement dont la sortie fournit une tension analogique.

3. Dispositifs à transformateur différentiel 3.1. Le LVDT et le RVDT

Le capteur inductif de déplacement linéaire le plus utilisé est le transformateur différentiel fréquemment désigné par ses initiales en anglais : LVDT (Linear Variable Differential Transformer). Il s'agit d'un transformateur comprenant un enroulement primaire et deux enroulements secondaires, symétriques par rapport au primaire. Ce couplage magnétique entre primaire et

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secondaires est assuré notamment par un noyau ferromagnétique mobile dont on mesure la position (fig. 5). L'enroulement primaire est alimenté en tension, normalement par une tension sinusoïdale u1 = E1cosωt . Il est donc le siège d’un flux qui vaut approximativement (en négligeant la résistance de cet enroulement)

tsinEdtu 111 ω

ω==ψ ∫ (2)

On a donc, au niveau du circuit magnétique associé à ce bobinage,

tsinnE

n 1

1

1

11 ω

ω=

ψ≈Φ (3)

Ce flux est guidé par le noyau mobile de sorte que les fractions α1 et α2 de ce flux reçue par chacun des enroulements secondaires dépend de la position de ce noyau.

tsinEnnn 1

1

221222 ω

ωα=Φα=ψ (4a)

tsinEnnn 1

1

2'21'22'2 ω

ωα=Φα=ψ (4b)

Ces flux variant dans le temps (sinusoïdalement), les secondaires sont le siège de tensions induites :

tcosEnn

dtde 1

1

22

22 ωα=

ψ= (5a)

tcosEnn

dtde 1

1

2'2

2'2 ωα=

ψ= (5b)

Les enroulements secondaires sont reliés en opposition de façon à ce que ces forces électromotrices se soustraient. Un schéma électrique est représenté à la figure 5. On a

tcosEnn)(eeu 1

1

2'2222m ωα−α=−= (6)

La tension um mesurée s'annule lorsque le noyau est dans une position médiane, identique par rapport aux enroulements secondaires; c'est la position origine x = 0 . La soustraction des flux est représentée à la figure 6. Fig. 5. Schéma électrique d'un capteur Fig.6.Différence des flux secondaires LVDT La variation des coefficients α2 et α2’ en sens contraire en fonction de x entraîne une bonne compensation des non-linéarités autour de x = 0; en effet, si l'on a :

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...xbxa)0( 222 +++α=α et (7a)

...)x(b)x(a)0( 22'2 +−+−+α=α (7b)

alors ...xa2'22 +=α−α (8)

et x)tcosEnna2(u 1

1

2m ω= (9)

La tension de sortie um varie donc pratiquement linéairement de part et d'autre de la position origine x = 0 , ce qui apparaît d’ailleurs si on considère la portion centrale de la courbe ψ2 – ψ2’ à la figure 6. Le signal de mesure fourni par le capteur est donc proportionnel au déplacement du noyau et de l'objet qui lui est solidaire. Le capteur à transformateur différentiel est remarquable pour ses qualités de linéarité, de résolution et de finesse, il se prête en outre à des réalisations susceptibles de fonctionner en environnement hostile : haute température (600°C) ou basse température (-250°C), haute pression (200 bars), radioactivité élevée, milieu corrosif. Il a l'avantage d'une indépendance du circuit d'excitation et du circuit de mesure procurant entre eux un isolement galvanique simplifiant la réjection des tensions de mode commun et évitant dans certains cas l'emploi d'un amplificateur d'isolement. Enfin l'absence de frottement et de contact entre les enroulements et le noyau ferromagnétique permet une grande résolution des mesures et assure au capteur LVDT une longue durée de vie mécanique. Un dispositif similaire, connu sous le nom de RVDT, peut être utilisé pour mesurer des déplacements angulaires. Dans ce cas, le noyau mobile est un rotor présentant une saillance. Pour la mesure de grands déplacements angulaires, on ne fait pas la différence entre les tensions induites dans les deux secondaires. Ces secondaires sont disposés en quadrature de sorte que la tension qui apparaît sur le premier a une amplitude proportionnelle à cos θ , la tension de l’autre ayant une amplitude proportionnelle à sin θ . On peut obtenir ces amplitudes sous la forme d’une tension analogique en effectuant séparément la détection synchrone sur chacune des deux tensions secondaires (à noter que ces tensions ne sont pas déphasées : elles sont toutes deux proportionnelles à cos ω t ).

3.2. Resolver et Synchro-resolver Pour une mesure de la position angulaire couvrant 360°, ce qui est le cas pour les machines tournantes, il existe un dispositif plus précis (mais plus coûteux) que le RVDT. Ce dispositif n’a pas de saillance magnétique au rotor, mais le bobinage primaire est par contre situé au rotor. Ce dispositif, nommé resolver, a donc une structure analogue à celle d’une machine synchrone à pôles lisses. La différence tient à la taille (petite puisqu’il s’agit d’un capteur et non d’un convertisseur d’énergie) et au fait que, le rotor étant le siège d’un courant alternatif, son noyau doit être feuilleté pour éviter les courants de Foucault. En répartissant les enroulements de façon quasi-sinusoïdale tant au rotor qu’au stator, on obtient une relation très proche d’une sinusoïde entre l’amplitude des tensions statoriques et celle de la tension rotorique, ce qui permet une détermination plus précise de l’angle que dans le cas d’un RVDT.

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4. Capteurs à capacité variable Il s'agit soit de condensateurs plans, soit de condensateurs cylindriques. En général, pour un condensateur plan, on a :

où S = surface des armatures d = distance entre armatures ε = permittivité du milieu entre les armatures Ainsi, un changement de capacité peut être induit par une variation de permittivité du milieu entre les armatures, de la distance entre les armatures ou de la surface des armatures. La variation de permittivité peut résulter du déplacement entre les plaques d’un condensateur d’une plaque de diélectrique dont on peut ainsi mesurer la position (figure 7).

Fig. 7. Condensateur plan.

La variation de distance correspond à un écartement des armatures et traduit des déplacements rectilignes. Le condensateur à écartement variable ne peut être utilisé que pour des étendues de mesure faibles (en général inférieures au mm). La variation de surface est réalisée dans un condensateur plan avec armature translatable ou dans un condensateur cylindrique dont une armature est tournante le long de l'axe (figure 8).

Figure 8 Condensateurs à variation de surface

Le condensateur à surface variable a une étendue de mesure supérieure au cm. Du point de vue électrique, il est indispensable, lors du choix d'un montage de mesure, d'examiner l'influence des capacités parasites que chacune des armatures du capteur présente avec les surfaces métalliques voisines, généralement à la masse. Si, dans le circuit de mesure, l'une des armatures du capteur est mise à la masse, la capacité parasite de l'autre armature se place en parallèle sur la capacité du capteur et il devient impossible de distinguer l'une de l'autre les variations de ces capacités. En règle générale, on isole par rapport à la masse les armatures du capteur et l'on détermine le circuit de mesure de façon que ses indications soient indépendantes des capacités par rapport à la masse. La mesure de variation de capacité avec un montage en pont a pour effet de réduire l'influence des effets parasites et d'augmenter la sensibilité de la mesure.

dS = C ε (10)

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5. Mesure de petits déplacement par variation d’une résistance mise en traction

On sait que la résistance d’un fil (plus généralement d’un conducteur prismatique) est founie par la loi de Pouillet

SLR ρ= (12)

où L est la longueur et S la section de l’élément résistif, et ρ la résistivité du matériau qui le constitue. L’allongement du fil entraîne simultanément une varation de sa longueur et de sa section ; de plus, l’effet piézorésistif entraine une variation de résistivité. La mesure de la résistance permet donc de déterminer l’allongement ΔL du fil. On réalise dans ce but des « jauges à fil libre » (unbonded gage) cosntituées d’un fil métallique enroulé sur deux supports soumis à des microdéplacements relatifs (figure 9).

Figure 9

6. Les capteurs digitaux numériques Sur base des capteurs digitaux, il est possible de concevoir des capteurs qui assurent de façon immédiate la traduction d'une position linéaire ou angulaire en un mot binaire qui la définit. Cependant comme dans tout dispositif de conversion numérique d'une grandeur, celle-ci se trouve quantifiée. Un nombre limité de positions peut être distingué et la résolution est toujours finie. Deux techniques sont possible, selon que l’on utilise un seul capteur ou autant de capteurs qu’il y a de bits à observer.

6.1. Les capteurs incrémentaux. Les capteurs incrémentaux sont des capteurs de déplacement relatif, leur fonctionnement est basé sur la mesure du défilement d'une structure périodique par rapport à un repère. Par exemple, le défilement d'une règle transparente portant des traits opaques régulièrement espacés, devant une cellule photoélectrique entraîne une variation d'éclairement de celle-ci qui est traduite en signal électrique. Lors d'un déplacement relatif de la règle et de la cellule, le nombre d'impulsions mesurées à la sortie de la cellule correspond au nombre de traits qui ont défilé devant la cellule, il est donc proportionnel à la longueur du déplacement.

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Figure 10 Capteur incrémental linéaire

Figure 11 Capteur incrémental rotatif

Figure 12

Le générateur incrémental optique (G.I.O.) est basé sur le même principe décrit ci-dessus, mais il comporte deux pistes parallèles. Les deux pistes sont chacune divisées en surfaces élémentaires égales, alternativement opaques et translucides, les surfaces de l'une des pistes étant décalées d'un quart de période spatiale par rapport à celles de l'autre piste (figure 13), ce qui correspond à un décalage de 90° pour les 2 détecteurs.

Fig. 13. Générateur incrémental optique pour la mesure de translations. Comme pour la règle la lecture est assurée pour chacune des pistes par un émetteur (diode électroluminescente) et un récepteur de lumière (phototransistor) placés respectivement de part et d'autre du disque.

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Un circuit électronique permet par dérivation des signaux S1 de la piste 1 de discriminer les fronts montants des fronts descendants et de les associer à l'état S2 (0 ou 1) de la piste 2 au même instant (figure 14). La comparaison des fronts de S1 d'une part et des états de S2 d'autre part permet de discriminer le sens de déplacement.

Figure 14 : circuit permettant de tenir compte du sens de déplacement

Figure 15 : principe de la reconnaissance du sens de déplacement.

En effet, une impulsion I est produite à chacun des fronts montant du signal y’: selon l'état correspondant de y , c'est-à-dire selon le sens de déplacement, elle est dirigée soit vers l'entrée de comptage, soit vers l'entrée de décomptage d'un compteur. Chaque impulsion I correspond au défilement devant le système le lecture d'une surface élémentaire (0 ou 1); celles-ci étant au nombre de N, la résolution est donc : L/N cm dans le cas d'une règle de longueur L cm, 360°/N dans le cas d'un disque. Les limites de la précision sont déterminées en particulier par l'exactitude géométrique du dessin des surfaces élémentaires. Donc, comme leur nom l'indique, les capteurs incrémentaux permettent de traduire un déplacement (linéaire ou angulaire) en un nombre d'impulsions électriques proportionnel. L'information du nombre d'impulsions et donc de la position est contenue, à un instant donné dans le compteur (généralement électronique) associé au capteur proprement dit. Les désavantages des capteurs incrémentaux sont d'une part le manque d'une position de référence puisque ces capteurs mesurent des déplacements relatifs, et d'autre part dans le cas d'un compteur électronique, l'information est susceptible d'être altérée par un parasite électrique et est en général détruite par l'interruption de l'alimentation du capteur. Un avantage par contre est le nombre limité de pistes nécessaires, ce qui facilite la conception du capteur. 8.8.2. Les capteurs codés.

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Les capteurs codés échappent à cette limitation en fournissant à tout instant sous forme de nombre binaire (ensemble de 1 et de 0) une information non ambigüe de position. Les capteurs codés sont, pour les déplacements linéaires, des règles ou, pour les déplacements angulaires, des disques qui sont divisés en N surfaces égales (bandes pour règles, secteurs pour les disques) à l'intérieur desquelles se trouve matérialisé le mot binaire associé à la position à traduire, selon un code et une technologie déterminés. Le nombre N de surfaces fixe la résolution, soit : (13a) L/N cm pour une règle de longueur L cm (13b) 360°/N pour un disque. Les n bits constituant chacun des mots sont matérialisés sur n pistes parallèles (règles) ou concentriques (disques) (figures 16) en utilisant des états physiques complémentaires pour distinguer les valeurs 0 ou 1 : - surface amagnétique ou ferromagnétique (lecture magnétique) - surface isolante ou conductrice (lecture par courant) - surface opaque ou translucide (lecture optique).

Figure 16 : règle en code binaire naturel

La lecture optique est le procédé le plus employé. Il y a pour chacune des pistes une source qui est une diode électroluminescente et un récepteur qui est un phototransistor. Le capteur représenté à la figure 17 traduit une position angulaire en un nombre de 4 chiffres binaires, il a 2n, donc 24 plages de positions discernables, ce qui conduit à une résolution de 22.5° environ. Les capteurs utilisés en pratique ont un pouvoir de résolution élevé correspondant à un plus grand nombre de pistes, on les réalise en général sous forme de capteurs à cellules photoélectriques ou de capteurs à pistes conductrices et balais.

Fig. 17. Codeurs absolus : disque en code binaire naturel

Codage. Le code binaire naturel présente l'intérêt d'exiger le nombre minimum de bits pour la représentation d'un nombre donné. Cependant, il a le grand inconvénient de présenter des changements simultanés de plusieurs bits lorsque des nombres varient d'une seule unité.

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Exemples : 15->01111 16->10000 Si les dispositifs de lecture ne sont pas parfaitement alignés, les changements de bits ne sont pas lus simultanément et il y a un risque d'erreur lorsque la lecture s'effectue pendant la transition, ou si le codeur s'arrête dans une position à la limite des 2 valeurs. Ce risque de lecture erronée, qui existe aussi pour le code BCD, peut être évité

• soit en utilisant un code dont un seul bit change lors de chaque déplacement élémentaire comme le code réfléchi = code Gray ou BCD réfléchi

• soit en conservant le code binaire naturel ou BCD mais en employant un dispositif de lecture supplémentaire permettant d'éviter les lectures ambigües dans les zones de transition. Un exemple est le codeur à lecture commandée : dans ce cas, on utilise le code binaire naturel ou le code BCD mais une piste supplémentaire délivre un signal binaire, autorisant la lecture dans les positions non ambigües, ou commandant la mémorisation de la lecture et l'inhibition de toute nouvelle lecture dans les zones où se produisent les transitions.