Solutions de capteurs pour applications industrielles exigeantes

Le milieu du contrôle industriel a été l'un des premiers environnements pour les capteurs modernes. Avec l'augmentation de la demande en matière de systèmes destinés à contrôler la sécurité et le rendement, des capteurs conçus pour fonctionner de manière fiable en environnements exigeants ont commencé à être utilisés pour surveiller un certain nombre de problèmes, notamment la chaleur, les flux ou les vibrations. Ils ont également permis aux opérateurs d'éviter des situations dangereuses.

Désormais, les capteurs pour applications industrielles comprennent de nombreux types : température, pression, produits chimiques, proximité, force, ainsi que charge et niveau. Parmi les technologies associées à ces capteurs, citons les MEMS, les nanotechnologies et les communications sans fil.

Les capteurs sans fil sont utilisés dans des systèmes tels que le contrôle de supervision et l'acquisition de données, une preuve que ces dispositifs peuvent répondre de manière efficace aux besoins des applications industrielles. La plupart de ces capteurs sont utilisés pour des applications de position, de proximité, d'image et de sécurité. L'un des éléments qui feront leur succès est leur faible consommation énergétique. Dans un avenir proche, les réseaux de capteurs sans fil pourront récupérer de l'énergie pour des produits industriels autonomes déconnectés du secteur (voir l'article TechZone « Energy Harvesting Wireless Sensors »/Capteurs sans fil à récupération d'énergie).

De nos jours, de la vision aux communications machine-à-machine, les capteurs ont un rôle à jouer dans les milieux industriels. Les capteurs jouent un rôle important dans le développement rapide de l'automatisation dans les usines. Ils sont au cœur d'une extension des capacités industrielles nommée « Industrie 4.0 », un terme faisant référence à la quatrième révolution industrielle, englobant l'introduction de nouvelles méthodes d'auto-optimisation, d'auto-configuration, d'auto-diagnostic, de cognition et de support intelligent des travailleurs dans leurs tâches de plus en plus complexes.

L'objectif est l'usine intelligente, ou Smart Factory, caractérisée par sa capacité d'adaptation, l'efficacité de ses ressources et les améliorations ergonomiques, et soutenue par des systèmes robotiques et automatisés et par l'Internet des objets (IoT).

Comme nous le verrons, le type de capteur utilisé et ses propriétés dépendent soit de l'application, soit de l'environnement de fonctionnement sinon hostile, en tout cas difficile. Le LDC1000 de Texas Instruments (Figure 1) est le premier convertisseur inductance-numérique au monde, et il offre des avantages en termes de détection inductive dans une solution compacte basse consommation. Le produit est disponible en boîtier SON-16 et propose différents modes de fonctionnement. Une interface SPI permet de simplifier la connexion à un microcontrôleur.


La détection inductive est une technologie à faible portée sans contact et sans aimant qui permet une détection haute résolution de cibles conductrices en présence d'interférences non conductrices dues à la poussière, à la saleté, à l'huile ou à l'humidité. Le capteur peut correspondre à un fil enroulé, à une bobine sur une carte à circuit imprimé, à une bobine imprimée avec de l'encre conductrice sur un substrat flexible, ou même à un simple ressort. Il prend en charge le positionnement du capteur à distance, ce qui le rend idéal pour les environnements extrêmes et difficiles.

Les capteurs inductifs génèrent et utilisent un champ magnétique oscillatoire à haute fréquence. La cible métallique entrant dans le champ de détection provoque des courants de Foucault dans la cible, réduisant ainsi l'amplitude de signal de l'oscillateur. Le circuit détecteur reconnaît alors le changement spécifique de l'amplitude et génère un signal qui active ou désactive la sortie du capteur à semi-conducteurs.

La technologie de détection inductive permet une mesure précise de la position linéaire/angulaire, du déplacement, du mouvement, de la compression, de la vibration, de la composition métallique et de nombreuses autres applications. Elle permet une résolution submicronique dans des applications de détection de la position avec des valeurs d'impédance de résonance 16 bits et des valeurs d'inductance 24 bits. La détection inductive permet de mesurer la position, le mouvement ou la composition d'une cible métallique ou conductrice, ainsi que la détection de la compression, de l'extension ou de la torsion d'un ressort.

Un autre exemple de capteur industriel est le capteur de température et d'humidité relative monopuce Si7013 de Silicon Labs, utilisé pour des systèmes CVC industriels dans les thermostats, les humidostats et d'autres dispositifs similaires. Le capteur est un circuit intégré CMOS monolithique qui intègre des éléments de détection d'humidité, un convertisseur analogique-numérique, le traitement des signaux, l'étalonnage et une interface I²C.

Les capteurs d'humidité et de température sont étalonnés en usine et les données d'étalonnage sont stockées dans une mémoire non volatile intégrée. Les capteurs sont entièrement interchangeables, sans nécessiter un nouvel étalonnage ni des modifications logicielles.

Une entrée de capteur auxiliaire avec gestion de l'alimentation peut être associée directement à un réseau de thermistances externe ou à un autre capteur tension-sortie. Le capteur Si7013 est disponible en boîtier DFN 3 mm x 3 mm et peut être soudé par refusion.

Voici d'autres caractéristiques :

• Capteur d'humidité relative de précision
• Capteur de température
• Entrée de capteur auxiliaire secondaire (Si7013)
• Plage de fonctionnement de 0 à 100 % HR
• Plage de fonctionnement de -40°C à +125°C
• Vaste plage de tensions de fonctionnement (1,9 V à 3,6 V)
• Faible consommation énergétique
• Interface hôte I²C
• Dispositif de chauffage sur puce intégré
• Boîtier DFN de 3 mm x 3 mm
• Excellente stabilité à long terme
• Étalonnage en usine
• Protection à vie pendant la refusion et en fonctionnement
• Qualification automobile AEC-Q100

Les vibrations constituent un facteur nuisible fréquent devant être étroitement surveillé dans les milieux industriels. Le capteur de vibration numérique triaxial ADIS16228 avec stockage et analyse FFT d'Analog Devices (Figure 2) est un système complet de détection de vibration, associant la détection de l'accélération triaxiale avec le traitement avancé des signaux dans les domaines de la fréquence et de la durée.

Le taux d'échantillonnage de 20,48 Kéch./s et la bande de fréquence plate de 5 kHz fournissent une réponse en fréquence appropriée pour de nombreuses applications d'état de santé des machines. Le noyau en aluminium fournit un excellent raccordement mécanique aux capteurs d'accélération MEMS.

Une horloge interne gère le système de traitement des signaux et d'échantillonnage des données durant l'ensemble des opérations, ce qui élimine le recours à une source d'horloge externe. La fonction de capture de données présente trois modes offrant plusieurs options pour répondre aux exigences de nombreuses applications différentes. Par ailleurs, le mode temps réel fournit un accès direct à la diffusion de données en continu sur un axe.


La structure de tampon de données et SPI offre un accès aisé aux sorties de données. L'ADIS16228 propose également un capteur de température numérique et des mesures d'alimentation numériques. Le dispositif est utilisé dans des applications industrielles comme l'analyse de vibrations, la surveillance d'état, l'état de santé des machines, l'instrumentation, le diagnostic et la détection d'arrêt de sécurité. Il est disponible dans un module de 15 mm × 24 mm × 15 mm avec des brides, des orifices de vis à métaux M2 et un connecteur flexible permettant une installation et une interface utilisateur simples. L' ADIS16228 présente une empreinte et un brochage compatibles avec le système d'inclinomètre numérique ADIS16210 du fournisseur, permettant des mesures précises pour les angles de tangage et de roulis sur une plage d'orientations complète de ±180°. L'ADIS16228 affiche une plage de températures de fonctionnement étendue de −40°C à +125°C.

Les dispositifs ADIS16000 et ADIS16229 d'Analog Devices (avec récepteur RF intégré) permettent la création d'un réseau de détection des vibrations sans fil simple pour une grande variété d'applications d'équipement industriel. L' ADIS16000 fournit la fonction de passerelle qui gère le réseau, tandis que l'ADIS16229 fournit la fonction de détection à distance.

La prolifération des systèmes de contrôle électronique avancés s'est traduite par une amélioration de la précision, de la fiabilité, du temps de réponse, de la robustesse, de la miniaturisation, des capacités de communications et de l'efficacité des capteurs. Ce phénomène a, à son tour, dynamisé la recherche et le développement, et engendré d'autres opportunités pour de nouvelles applications de capteurs. À l'avenir, les sites industriels seront équipés de plus de dispositifs intelligents pour mieux gérer la complexité, la sécurité et les opérations. Les systèmes de capteurs pour ces applications seront probablement très compacts, consommeront très peu d'énergie et coûteront une fraction du prix des capteurs antérieurs n'intégrant pas de manière étroite de composants électroniques intelligents aux éléments de détection. En outre, ces dispositifs, souvent monopuce, fonctionneront sans fil.

Dans cet article, nous avons présenté quelques capteurs récents parfaitement adaptés à l'environnement industriel. Pour plus d'informations sur les composants mentionnés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages d'informations produits sur le site Web de DigiKey.