Principes de base des capteurs de proximité : sélection et utilisation dans l'automatisation industrielle

De nombreuses applications d'automatisation industrielle requièrent la capacité de détecter la présence et/ou la position d'un objet ou d'une personne sans établir de contact physique afin d'éviter de restreindre ou de limiter le mouvement de l'objet détecté. Le capteur de proximité convient idéalement à cette tâche. Mais les capteurs de proximité sont disponibles dans de nombreux styles, notamment magnétiques, capacitifs, inductifs et optiques, et la composition matérielle de l'objet à détecter peut affecter la capacité d'un capteur à détecter sa présence.

Certains capteurs de proximité sont utiles pour détecter les métaux ferreux, tandis que d'autres peuvent détecter tout type de métal, et d'autres encore peuvent détecter tout type d'objet et même des personnes. Les utilisateurs potentiels de capteurs de proximité dans une application d'automatisation industrielle doivent connaître les différents types de technologies de capteurs de proximité et leur applicabilité à des situations de détection spécifiques.

Cet article présente plusieurs types de capteurs et fournit des détails sur les types d'objets qu'ils peuvent détecter et sur la sensibilité spatiale de chaque type de dispositif. Des dispositifs de Texas Instruments, Red Lion Controls, Littelfuse Inc., Omron Electronics Inc., MaxBotix Inc. et Carlo Gavazzi Inc. sont utilisés à titre d'exemples.

Capteurs de proximité inductifs

Les capteurs de proximité inductifs détectent la présence d'objets conducteurs (c'est-à-dire métalliques) et ont une portée de détection qui dépend du type de métal détecté. Ces capteurs fonctionnent en utilisant un champ magnétique haute fréquence généré par une bobine dans un circuit oscillant. Une cible conductrice qui s'approche du champ magnétique présente des courants d'induction ou de Foucault, créant ainsi un champ magnétique opposé qui réduit efficacement l'inductance du capteur inductif.

Les capteurs de proximité inductifs fonctionnent selon deux méthodes. Dans le premier mode de fonctionnement, à mesure que la cible s'approche du capteur, le flux de courant d'induction augmente, ce qui accroît la charge sur le circuit oscillant et provoque l'atténuation ou l'arrêt de son oscillation. Le capteur détecte ce changement d'état d'oscillation à l'aide d'un circuit de détection d'amplitude et émet un signal de détection.

Un schéma de fonctionnement alternatif utilise un changement de fréquence — plutôt que d'amplitude — de l'oscillation résultant de la présence d'une cible conductrice. Une cible en métal non ferreux, comme l'aluminium ou le cuivre, qui s'approche du capteur entraîne une augmentation de la fréquence d'oscillation, tandis qu'une cible en métal ferreux, comme le fer ou l'acier, entraîne une diminution de la fréquence d'oscillation. Le changement de la fréquence d'oscillation par rapport à une fréquence de référence entraîne le changement de l'état de sortie du capteur.

Le LDC0851HDSGT de Texas Instruments est un exemple de capteur de proximité inductif à courte portée qui utilise la variation de fréquence pour détecter la présence d'un objet conducteur dans son champ électromagnétique (Figure 1).

Figure 1 : Le capteur de proximité inductif LDC0851HDSGT utilise deux bobines inductives — une bobine de détection et une bobine de référence — pour mesurer la différence d'inductance due à un objet cible proche de la bobine de détection. (Source de l'image : Texas Instruments)

Le commutateur de proximité inductif LDC0851 est idéal pour les applications de détection de proximité sans contact telles que la détection de présence, le comptage d'événements et les boutons-poussoirs simples où la portée de détection est inférieure à 10 millimètres (mm). Le dispositif change son état de sortie lorsqu'un objet conducteur se déplace à proximité de la bobine de détection. L'implémentation différentielle (l'utilisation de bobines de détection et de référence pour déterminer l'inductance relative du système) et l'hystérésis sont utilisées pour garantir une commutation fiable non sensible aux vibrations mécaniques, aux variations de température ou aux effets de l'humidité.

Les bobines de détection inductives du LDC0851HDSGT sont accordées à l'aide d'un seul condensateur de capteur, ce qui permet de définir la fréquence d'oscillation dans la plage de 3 mégahertz (MHz) à 19 MHz. La sortie push-pull est à l'état bas lorsque l'inductance de détection est inférieure à l'inductance de référence et repasse à l'état haut lorsque l'inverse est vrai.

Capteurs de proximité magnétiques

Utilisés pour mesurer la position et la vitesse de composants métalliques en mouvement, les détecteurs de proximité magnétiques peuvent être des dispositifs actifs comme un capteur à effet Hall, ou des dispositifs passifs comme un capteur à réluctance variable (VR) tel que le capteur magnétique fileté MP62TA00 de Red Lion Controls (Figure 2, à gauche). Le capteur de proximité VR mesure les variations de la réluctance magnétique — qui est analogue à la résistance électrique dans un circuit électrique — et il se compose d'un aimant permanent, d'une pièce polaire et d'une bobine de détection contenue dans un boîtier cylindrique.

Figure 2 : Le capteur magnétique VR (à gauche) est un capteur passif qui détecte la variation du champ magnétique entre la pièce polaire et le logement du capteur (à droite). (Sources des images : Art Pini, avec l'image MP62TA00 de Red Lion Controls)

Un objet ferromagnétique passant à proximité de la pièce polaire provoque une variation du champ magnétique. Cette variation génère à son tour une tension de signal dans la bobine de signal. L'amplitude de la tension du signal dépend de la taille de l'objet cible, de sa vitesse et de la taille de l'espace entre la pièce polaire et l'objet. L'objet cible doit être en mouvement pour être détecté par le VRS. Le capteur magnétique fileté MP62TA00 est un capteur VR de proximité encapsulé dans de l'époxy avec une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +107°C. Il mesure 25,4 mm de long avec un corps fileté ¼ - 40 UNS.

Les capteurs VR sont des dispositifs passifs, ils n'ont donc pas besoin d'une source d'alimentation. C'est pourquoi ils sont généralement utilisés pour la mesure des machines rotatives. Par exemple, les capteurs VR comme le MP62TA00 sont largement utilisés pour détecter le passage des dents sur un engrenage ferreux, un pignon ou une roue crantée. Ils peuvent également être utilisés pour détecter des têtes de boulons, des rainures de clavettes ou d'autres cibles métalliques en mouvement rapide (Figure 3).

Figure 3 : Les capteurs VR sont largement utilisés pour détecter les dents d'engrenages, les cames et les clavettes dans les machines rotatives. (Source de l'image : Red Lion Controls)

Ils sont utilisés comme tachymètres pour mesurer la vitesse de rotation et ils sont également appliqués par paires pour mesurer l'excentricité des arbres rotatifs.

Le deuxième type de capteur magnétique utilise l'effet Hall pour détecter la présence d'un champ magnétique. L'effet Hall décrit l'interaction entre un conducteur porteur de courant et un champ magnétique perpendiculaire au plan du conducteur. Lorsqu'un conducteur porteur de courant est placé dans un champ magnétique, une tension (tension Hall) est générée perpendiculairement au courant et au champ. La tension Hall est proportionnelle à la densité de flux du champ magnétique et requiert une cible magnétisée.

Le 55100-3H-02-A de Littelfuse Inc. est un capteur à effet Hall à montage par bride qui est disponible avec une sortie numérique ou une sortie de tension analogique programmable (Figure 4).

Figure 4 : Schéma fonctionnel et photo du capteur de proximité à effet Hall à montage par bride 55100-3H-02-A avec sortie en tension. (Source de l'image : Littelfuse Inc.)

Le 55100-3H-02-A mesure 25,5 mm x 11 mm x 3 mm et est disponible avec une sortie en tension à trois fils ou une sortie en courant à deux fils. Les deux versions offrent une sensibilité moyenne (130 Gauss), élevée (59 Gauss) ou programmable. Le dispositif présente une haute sensibilité et a une portée d'activation de 18 mm en utilisant un aimant spécifié. La sortie pulldown peut absorber jusqu'à 24 volts (V) CC et 20 milliampères (mA).

Ce capteur peut fonctionner à des vitesses de commutation jusqu'à 10 kilohertz (kHz), et il peut détecter des champs magnétiques dynamiques et statiques. La capacité à détecter les champs magnétiques statiques est un avantage majeur du capteur à effet Hall, car il peut être utilisé pour détecter une porte fermée ou un objet dans une position fixe.

Capteurs de proximité optiques

Les capteurs de proximité optiques utilisent la lumière — infrarouge ou visible — pour détecter les objets. Ils présentent l'avantage qu'une cible n'a pas besoin d'être magnétique ou métallique — il suffit qu'elle obstrue ou réfléchisse la lumière. Les capteurs optiques émettent de la lumière et surveillent la lumière réfléchie par l'objet cible (Figure 5, à gauche).

Figure 5 : Le capteur de proximité optique localise l'objet cible en émettant un faisceau de lumière et en détectant la réflexion de la cible. (Source de l'image : Art Pini)

L'EE-SY1200 d'Omron Electronics Inc. est un bon exemple de capteur de proximité optique (Figure 5, à droite). Il s'agit d'un capteur optique ultracompact monté sur un petit circuit imprimé qui fonctionne à une longueur d'onde infrarouge de 850 nanomètres (nm). Il comprend un émetteur LED et un phototransistor dans un boîtier à montage en surface de 1,9 mm x 3,2 mm x 1,1 mm, fonctionnant sur une plage de températures de -25°C à +85°C. La distance de détection recommandée est de 1,0 mm à 4,0 mm.

Grâce au montage intégré compact, il est idéal pour des applications telles que l'alignement du matériau mylar métallisé dans une machine d'emballage automatique.

Capteurs de proximité à ultrasons

Les capteurs de proximité à ultrasons permettent de répondre à des exigences de distance de détection plus importantes, comme la détection de voitures à un comptoir de drive-in. Ces capteurs détectent des objets de tout type à des distances allant jusqu'à plusieurs mètres (m). La base de la mesure est le temps de vol d'une impulsion ultrasonique émise par l'émetteur du capteur qui est réfléchie par l'objet cible et captée par le récepteur du capteur (Figure 6).

Figure 6 : La télémétrie à l'aide d'ultrasons mesure le temps entre la rafale d'ultrasons de l'émetteur (à gauche) et le temps d'arrivée de l'impulsion réfléchie (à droite). Ce temps correspond au double du temps de vol de la rafale initiale entre le capteur et l'objet cible. (Source de l'image : Art Pini)

Le temps entre l'impulsion transmise et la réflexion reçue représente le temps de vol du capteur à l'objet cible au capteur. En connaissant la vitesse de propagation et le temps de vol, on peut calculer la distance. Dans l'exemple présenté, le temps de vol est de 3,1 millisecondes (ms). Pour l'air, à 70°F, la vitesse du son est de 1128 pieds par seconde, donc la distance totale jusqu'à l'objet et retour est de 3,96 pieds. La distance entre le capteur et l'objet est égale à la moitié du temps de vol, soit 1,98 pied.

Le MB1634-000 de MaxBotix Inc. est un capteur de proximité à ultrasons dont la portée de mesure est de 5 m. Il requiert une source d'alimentation de 2,5 V à 5,5 V. Fonctionnant à une fréquence de 42 kHz, il fournit la portée à la cible sous la forme d'une tension analogique, d'une largeur d'impulsion ou d'un flux de données série TTL (logique transistor-transistor). Il permet de compenser la variation de la taille de la cible, la tension de fonctionnement et la température interne (compensation de la température externe en option), et ce dans un boîtier de 22,23 mm x 38,05 mm x 14,73 mm (Figure 7).

Figure 7 : Le MB1634-000 est un assemblage de télémètre à ultrasons doté de transducteurs d'émission et de réception et d'une portée de 5 m. (Source de l'image : MaxBotix Inc.)

Capteurs de proximité capacitifs

Les capteurs de proximité capacitifs peuvent détecter des cibles métalliques et non métalliques sous forme de poudre, de granulés, de liquide et de solide. Le CD50CNF06NO de Carlo Gavazzi (Figure 8) est un bon exemple. Ces dispositifs sont généralement similaires aux capteurs inductifs, à la différence que les bobines de détection du capteur inductif sont remplacées par une plaque de détection capacitive. Ils sont le plus souvent utilisés pour détecter les niveaux de liquide dans les réservoirs de stockage.

Figure 8 : Dans un capteur de proximité capacitif générique (à gauche), la plaque de détection forme un condensateur avec l'objet cible externe ; la valeur de la capacité détermine la fréquence de l'oscillateur. Le CD50CNF06NO de Carlo Gavazzi (à droite) est un capteur de proximité capacitif destiné à la surveillance des niveaux de liquide. (Source de l'image : Art Pini)

La plaque de détection du capteur forme un condensateur avec l'objet cible et la capacité varie en fonction de la distance avec l'objet. La capacité de la cible de détection détermine la fréquence de l'oscillateur, qui est surveillée afin de commuter l'état de sortie lorsqu'une fréquence seuil est franchie.

Le CD50CNF06N0 est destiné à la surveillance des niveaux de liquide. Il s'agit d'un capteur à trois fils avec un transistor NPN à collecteur ouvert configuré en mode normalement ouvert. Il requiert une alimentation de 10 VCC à 30 VCC. Il est fourni en boîtier de 50 mm x 30 mm x 7 mm et offre une plage de détection de 6 mm. Dans son application normale de détection de niveau, il est vissé ou collé à l'extérieur d'un réservoir non métallique.

Conclusion

Les capteurs de proximité utilisent de multiples technologies adaptées à diverses applications. Selon le type de capteur, ils peuvent détecter des cibles métalliques et non métalliques avec une distance de détection s'étendant de quelques millimètres à cinq mètres ou plus. Ils sont suffisamment compacts pour fonctionner dans des espaces restreints et beaucoup peuvent être utilisés en environnements difficiles. Cette gamme de technologies offre à l'utilisateur un vaste choix d'options pour répondre à une multitude d'exigences en matière de détection de proximité.