Capteurs de mesures dimensionnelles, de déplacement et de forme sans contact
Par Jean-Louis CHARRON
Ingénieur au Centre Techniques des industries mécaniques (CETIM)
Sommaire1 Spécifications générales des capteurs
2 Méthodes magnétiques
2.1 Les capteurs mesurant l'induction magnétique
2.2 Capteurs inductifs et capteurs à courants de Foucault
2.3 Les capteurs linéaires à transformateur différentiel (L V D T)
3 Capteurs capacitifs
4 Méthodes optiques
4.1 Triangulation
4.2 Episcopie, la vision industrielle
4.3 Ombroscopie, diascopie, réflexion, diffusion
4.4 Télémétrie par mesure du temps de vol
4.5 Interférométrie
4.6 Défocalisation, Focalisation dynamique
4.7 Conoscopie
4.8 Analyse de front d'onde
4.9 Théodolite
4.10 Tachéomètre
4.11 Photogrammétrie, Vidéogrammétrie
4.12 Moiré
4.13 Mesures sur pièces ciblées
4.14 Mesures sur pièces réfléchissantes
4.15 Les mesures d'alignement
5 Capteurs à ultrasons
6 Comparateurs pneumatiques
7 Micro-ondes
8 Rayons ionisants
9 Force atomique
10 Effet tunnel
11 G P S
INTRODUCTIONLes mesures dimensionnelles sans contact que ce soit de déplacements, de distances ou de formes concernent un large éventail de méthodes, d'échelles et de moyens, une onde ou un champ est très généralement émis et reçus par le capteur qu'ils soient électromagnétiques ou acoustiques. La méthode ou le moyen universel n'existe pas mais par contre pour chaque cas spécifique existe la méthode la plus appropriée, les techniques disponibles offrant un large choix.
Ce sont les données du cahier des charges qui nous guideront dans ce choix, parmi les principales se trouvent :
- l'étendue de mesure et sa distance au capteur,
- l'étendue mesurée de la surface de la pièce, réponse spatiale,
- mesure absolue ou relative,
- les conditions d'environnement, principalement la température et la pression mais aussi l'humidité, la poussière, brouillard,
- le milieu à travers lequel la mesure doit être effectuée, air, vide, liquide, solide conducteur ou isolant,
- la nature de la pièce à mesurer, conductrice, isolante, sa perméabilité, sa permittivité, ferromagnétique, aimantée, matte, brillante, blanche, noire, opaque, translucide, transparente, rayonnante ou lumineuse, homogène, hétérogène,
- le déplacement est-il normal ou orthogonal à la direction de mesure,
- la bande passante, le temps de monté,
- signal de bruit,
- la résolution, la justesse,
- les dérives avec la température, la pression acceptables,
- la sensibilité,
- sortie tension, courant ou numérique, tout ou rien.
Les domaines de mesure concernent aussi bien la rugosité avec une résolution de l'ordre de l'angstrœm qui correspond à l'échelle atomique, que la géodésie avec des distances de mesure qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de kilomètres et même à la limite l'astronomie. Mais nous intéresserons plus particulièrement aux domaines de mesure qui correspondent à ceux de la mécanique ( de ~ 0,01 µm à quelques dizaines de mètres ), ils restent encore très larges.
NOTA: On trouvera par ailleurs une description plus complète des projecteur de profil ( R 1265 ), de la métrologie des surfaces ( R 1390 ), de la photogrammétrie industrielle (R 1380 ), de l'utilisation des théodolites ( R 1382 ), du contrôle dimensionnel en production ( R 1305 ), mesures dimensionnelles par interférométrie laser ( R 1320 ) qui utilisent aussi des moyens de mesure dimensionnelle sans contact.
On peut aussi remarquer que bien des comparateurs, codeur angulaire, règle linéaire utilisent des moyens de mesure sans contact pour mesurer le déplacement d'une tige, d'un curseur ou d'un axe.
1. Spécifications générales des capteurs1.1 L'étendue de mesure
Pour le capteur dont l'étendue de mesure est selon l'axe du capteur, elle est comprise entre la portée minimale et la portée maximale, elle est souvent aussi caractérisée par la distance du capteur au milieu de l'étendue de mesure et par sa profondeur. Pour ceux qui mesurent perpendiculairement à leur axe elle est définie par la distance de mesure et la largeur de l'étendue de mesure.
Figure 1 Etendue de mesure de capteurs de déplacement linéaire unidirectionnel
Les capteurs se différentient selon qu'ils permettent de mesurer un déplacement ou la distance d'une surface suivant l'axe de mesure ou le bord d'une pièce ou bien encore un déplacement tangentiel d'un point, d'une ligne d'une surface.
Figure 2 Modes de déplacement de la pièce par rapport au capteur
Dans le cas des capteurs bidimensionnels le champ de mesure peut être dans l'axe du capteur ou perpendiculaire à cet axe. Il est donc caractérisé par distance moyenne de mesure, la largeur du champ et sa profondeur d'une part et par la distance de mesure, la longueur et la largeur du champ d'autre part.
Figure 3 Etendue de mesure de capteurs de déplacement bidimensionnels
Dans le cas des capteurs tridimensionnels le champ de mesure est caractérisé par distance moyenne de mesure, la largeur du champ, sa longueur et sa profondeur
Figure 4 Etendue de mesure d'un capteur de déplacement tridimensionnel
1.2 L'étendue mesurée de la surface de la pièce, réponse spatiale
En fonction de la technologie utilisée une plus ou moins grande surface de la pièce est intéressée par la mesure, une fonction de pondération en qualifie l'influence. Par exemple, elle est voisine de la surface active pour les capteurs inductifs ou capacitifs, elle correspond au faisceau de lumière utilisée pour les capteurs optiques par triangulation à l'épaisseur du plan laser si on mesure le diamètre d'une pièce par ombroscopie, au diagramme de rayonnement de l'antenne du radar, du cornet d'un capteur à micro-ondes ou du transducteur du capteur ultra sonore.
Distance de focalisation du faisceau laser
distance de mesure
rayon
rayon
Intensité
lumineuse
Figure 5 Caractéristiques de l'étendue mesurée pour un capteur optique par triangulation ou pour un capteur de mesure par ombroscopie utilisant un plan laser
1.3 Les conditions d'environnement
Elles influencent la réponse du capteur et de son conditionneur. La plage d'utilisation courante s'étend en général de 10°C à 40°C pour la température, au voisinage de la pression atmosphérique pour la pression normale 1013 mbar, ( de 960 à 1050 mbar ) et pour l'humidité relative de 10 à 95 % sans condensation. L'étalonnage du capteur est généralement effectué à la température de référence 20°C, à la pression atmosphérique de 1013,25 mbar et avec un taux d'humidité relative de 55%.
Les capteurs peuvent supporter souvent des plages de température plus importantes, couramment de 0°C à 90°C. La descente à des températures plus basses rende cassant les câbles de liaison et en général les isolants courants. Un choix sévère des matériaux est nécessaire pour atteindre les températures cryogéniques. Il est possible de trouver des capteurs capables de supporter des températures de l'ordre de 500°C. La mesure de pièces dépassant 1000°C n'est possible qu'en utilisant des capteurs simples à fabriquer comme les capteurs capacitifs ou en les plaçant à bonne distance comme les capteurs optiques.
Certains capteurs peuvent supporter des pressions élevées, 500 bars avec des capteurs inductifs, 1000 bars avec des capteurs capacitifs. Dans ces cas il est très important d'étudier avec soin la fixation du capteur avec la pièce de référence pour limiter les déplacements provoqués par les contraintes mécaniques importantes.
1.4 Le milieu entre le capteur et la pièce à mesurer
Le milieu qui se trouve entre le capteur et la pièce à mesurer influe sur le choix de la méthode de mesure à employer, il doit laisser passer l'onde de mesure ou la porter sans trop l'atténuer.
Un capteur inductif sera capable de mesurer les déplacements d'une pièce à travers une paroi opaque et conductrice à condition qu'elle ne soit pas trop épaisse et peu ferromagnétique. Un matériau ferromagnétique entre la pièce à mesurer est le capteur le court-circuitera et diminuera sa sensibilité. Un matériau seulement conducteur fera aussi un écran aux lignes de champ en raison des courants de Foucault qui seront générés à l'intérieur et en diminuera aussi sa sensibilité, cet effet sera d'autant plus important que la fréquence utilisée soit élevée.
Un capteur capacitif sera aussi capable de mesurer les déplacements d'une pièce à travers une paroi opaque à condition qu'elle soit isolante
Un capteur utilisant les rayons X ou g pourra effectuer des mesures à travers presque tous les matériaux.
Un capteur optique ne sera capable de faire des mesures qu'en traversant des milieux transparents.
Un capteur pneumatique aura besoin d'air pour mesurer la position de la pièce, tout comme un capteur ultrasonore qui pourra aussi mesurer au travers d'un liquide ou un solide.
Le milieu qui sépare le capteur de la pièce à mesurer participe bien souvent à la mesure, il peut donc la perturber, il peut par exemple être la source de dérives avec la température ou la pression par l'intermédiaire de la variation de la vitesse de propagation ou par l'intermédiaire d'un facteur d'atténuation. Il peut aussi dévier le faisceau de mesure par effet de mirage à cause d'un gradient d'indice.
L'influence des conditions d'environnement sur la vitesse de la lumière c (299 792 458 m/s) est donnée par les équations d'Edlèn, elles permettent de calculer les variations en fonction de la température, de la pression, de l'humidité relative et du taux de CO2 (voir R 1320-6). Au voisinage de conditions standard, 1°C d'augmentation de la température entraîne une augmentation relative de la vitesse de la lumière de 9,26.10-7, une augmentation de 100 Pa de la pression provoque une diminution relative de la vitesse de la lumière de 2,68.10-7,une augmentation de l'humidité relative de 10% fait augmenter la vitesse de la lumière de
8,49.10-8.c
Des équations similaires décrivent l'influence des conditions d'environnement sur la vitesse du son (V0= 331,3 m/s à 0°C).
( T en °C )
Une variation de 1°C entraîne celle de la vitesse du son de 0,18%, ce qui correspond à 3,44 mm sur distance de 1 m. De même une variation de la pression atmosphérique de 1 hPa produit une variation de 0,05%, 20% de variation de l'humidité relative provoque une variation de 0,07%.
1.4 La pièce à mesurer
La nature de la pièce à mesurer et l'état de sa surface entrent aussi en ligne de compte dans le choix de la méthode de mesure utilisable.
Un capteur inductif excité en basse fréquence ne sera utilisable que sur des matériaux ferromagnétiques. Par contre des capteurs inductifs utilisant les courants de Foucault et étant alimenté en moyenne ou haute fréquence (MHz) pourront mesurer des pièces qui sont seulement conductrices.
Un capteur capacitif pourra mesurer des pièces conductrices mais sera aussi sensible à des matériaux dont la permittivité sera différente de celle de l'air.
Un capteur à ultrasons est capable de mesurer pratiquement tout type de pièce, l'écho réfléchi sera beaucoup moins important si la densité du matériau est faible (polystyrène expansé). Pour cette méthode l'orientation de la surface par rapport à l'axe de mesure a une très grande importance, une surface trop inclinée ne renvoiera pas d'écho vers le capteur.
Un capteur optique détectera plus facilement une pièce opaque, mais des méthodes sont disponibles pour mesurer des pièces transparentes. C'est principalement l'état de surface qui déterminera le choix de la méthode la plus appropriée. Avec une pièce rugueuse on utilisera plutôt la lumière diffusée, avec une pièce réfléchissante on utilisera la lumière réfléchie.
1.5 La bande passante
En fonction de la méthode de mesure employée la bande passante du capteur peut varier dans des proportions très importantes. Il faut choisir bien souvent entre le niveau de bruit sur le signal de sortie et la bande passante. Pour réduire le bruit ont est amené à réduire la bande passante.
Les capteurs inductifs ont une bande passante de 10 kHz, par contre pour les capteurs à courants elle peut atteindre 150 kHz. Il est possible de trouver des capteurs capacitifs avec une bande passante de 300 kHz. Un capteur qui ne permet que de mesurer des variations de distance peut atteindre une bande passante de 10 MHz.
Les capteurs optiques par triangulation, réflexion, temps de vol, ombroscopie permettent d'obtenir une bande passante de 20 kHz. Les mesures de déplacement par interférométrie permettent une bande passante de plusieurs MHz, par contre la vitesse de déplacement est limitée à une dizaine de mètres par seconde sur des distances qui dépassent le quart de la longueur d'onde utilisée.
Dans le cas des capteurs à ultrasons on doit attendre le temps de trajet aller et retour de l'onde acoustique pour effectuer une nouvelle mesure, la bande passante est donc fonction de l'étendue de mesure, ( 4 Hz pour une distance de 20 m, 80 Hz pour une distance maximale d'un mètre). La même relation existe pour les télémètres laser ou les radars la vitesse de propagation de l'onde étant de 9.105 plus grande à distance égale la bande passante possible est 9.105 plus grande.
1.6 Le bruit de mesure
Le bruit présent sur le signal de sortie des capteurs provient du bruit généré par le détecteur du capteur (cellule photoélectrique, bobinage etc.…), du bruit produit par les premiers étages d'amplification du conditionneur, des résidus de porteuse qu'il n'est pas possible de filtrer. Donc plus la bande passante sera importante plus il sera difficile de réduire le bruit. Il faut aussi veiller à ne pas recevoir les parasites générés par le courant du secteur et les appareils environnants en réjectant le mieux possible le mode commun. Les câbles de liaison entre le capteur et le conditionneur, le circuit des masses peuvent aussi contribuer à capter du bruit, il doit être effectué avec soin dans le respect des règles de l'art :
- les blindages et torsades des fils réduisent le bruit,
- une isolation galvanique est préférable,
- des impédances faibles des détecteurs sont favorables,
- les boucles de masse sont à éviter,
- une entrée différentielle est à utiliser de préférence.
Pour les capteurs dont le principe de mesure est analogique il est difficile d'obtenir une dynamique de mesure supérieure à 104 ( 0,05 µm pour une étendue de 500 µm avec une bande passante de 200 Hz). Les mesures interférométriques permettent d'obtenir une résolution de 0,15 nm, ce qui représente l/4000.
Dans les capteurs optiques il faut augmenter la puissance lumineuse utilisée pour réduire le bruit. Pour les capteurs inductifs et capacitifs l'augmentation de la puissance électrique d'excitation du détecteur contribue à réduire l'influence des parasites.
1.7 Grandeur de sortie
La grandeur de sortie peut être analogique ou numérique.
Sous forme analogique le signal de sortie est très souvent délivré sous la forme d'une tension avec une impédance de sortie très faible, les valeurs de sortie sont couramment comprises entre 0 et 5V, 0 et10V, +/-5V, +/10V. Lorsque la fréquence du signal de sortie est élevée, on peut choisir une impédance de sortie de 50W ou de 75W. Pour les capteurs destinés à être utilisé en milieu industriel le signal de sortie est fourni par un générateur de courant avec une impédance de sortie très importante afin d'effectuer la transmission des informations à l'aide d'une boucle de courant, les valeurs de sortie sont couramment comprises entre 4 et 20 mA ou 0 et 20 mA.
Sous forme numérique il est utilisé soit une liaison série RS 232 ou RS 422, soit une liaison parallèle. Le conditionneur peut aussi s'implanter directement dans un PC en utilisant une carte au format ISA, EISA ou PCI. Le calculateur peut ainsi faire directement l'acquisition et le traitement des mesures.
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