Utilisateur:Ikram-Masjid/Variation de reluctance

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La famille des capteurs inductifs de position et de vitesse existent en un large éventail de formes, tailles et principes de conception. On peut toutefois considérer que tous les capteurs inductifs exploitent les principes du transformateur  et qu’ils utilisent tous un phénomène physique lié aux courants électriques alternatifs ou courants alternatifs. Ce phénomène a été observé pour la première fois durant les années 1830 par Michael Faraday, qui a constaté qu’un premier conducteur porteur de courant pouvait induire un courant dans un second conducteur. Ces découvertes ont abouti à diverses inventions, dont le moteur électrique, la dynamo et, bien sûr, les capteurs inductifs de vitesse et position.

Ces capteurs incluent notamment,les capteurs à réluctance variable qui sont des capteurs de proximité,distance.

Phénomène physique à la base du fonctionnement du capteur

Comme on l'a vu en introduction on peut considérer que tous les capteurs inductifs exploitent les principes du transformateur et qu’ils utilisent tous un phénomène physique lié aux courants électriques alternatifs. Le courant alternatif (qui peut être abrégé par CA) est un courant électrique périodique qui change de sens deux fois par période et qui transporte des quantités d'électricité alternativement égales dans un sens et dans l'autre. Un courant alternatif a donc une composante continue (valeur moyenne) nulle. Elle est également est caractérisé par sa fréquence, mesurée en hertz (Hz).

Principe de fonctionnement du capteur

Tout d’abord, un capteur est dit inductif, si il intègre un circuit oscillant qui génère un champ électromagnétique alternatif. Lorsqu’on approche une pièce métallique, celle-ci devient le siège de courants induits. Ce phénomène d’induction dissipe alors l’énergie du circuit oscillant. En conséquence, les oscillations s’amortissent et déclenchent la commutation du détecteur.

Les capteurs à réluctance variable produisent en général un signal électrique proportionnel au déplacement d’un objet conducteur ou magnétiquement perméable, par l’intermédiaire d’une tige  ou d’une roue en acier la plupart du temps par rapport à une bobine. L’impédance d’une bobine alimentée par un courant alternatif varie proportionnellement au déplacement de la cible par rapport à elle. Ces dispositifs sont couramment utilisés pour mesurer le déplacement des pistons dans des cylindres (systèmes pneumatiques ou hydrauliques, notamment).

La réluctance permet de quantifier une propriété physique, l’amplitude d’un circuit magnétique à s’opposer à sa pénétration par un champ magnétique. Cette grandeur a été créé par analogie avec la résistance. Pour un circuit magnétique homogène, c’est-à-dire constitué d’un seul matériau  et de section homogène, il existe une relation permettant de calculer sa réluctance en fonction du matériau qui le constitue et de ses dimensions.

$R={\frac {1}{\mu }}\cdot {\frac {l}{z}}$

Avec:

• l la longueur en mètres
• s la section en m²

On peut ainsi distinguer deux types de capteurs à réluctance variable. Le LVIT pour (Linear Variable Inductive Tranducer) pour un capteur linéaire et RVIT (Rotary Variable Inductive Tranducer) pour un capteur rotatif qui évalue l’angle de rotation de la pièce.

Prenons par exemple, la réluctance équivalente d’un entrefer. Il s’agit d’un transformateur dont le circuit magnétique inclut l’objet en déplacement. Celui-ci doit donc être de nature ferromagnétique.

L’intervalle entre la cible et la tête du capteur jouant le rôle d’un entrefer va permettre de créer un champ magnétique. La réluctance d’un entrefer de faible épaisseur est donné par :

$R={\frac {e}{\mu _{0}\cdot S}}$

Avec :

• e épaisseur de l’entrefer
• μ0 perméabilité du vide
• s section de l’entrefer

La variation de l'entrefer a pour conséquence de modifier la réluctance du circuit magnétique et donc l’inductance du circuit, ce qui aboutit à une différence de tension en sortie. En effet :

$L={\frac {N^{2}}{R}}$

Avec N étant le nombre de spires de l’enroulement de la bobine et L l’inductance

Comme la tension aux bornes d’une inductance vaut :

$V_{L}=L{\frac {di}{dt}}$

On obtient l'équation suivante :

Vmo = Vm.1 / (2.5 + 2ax).

Où x étant la distance du capteur à la cible,Vmo la tension aux bornes du bobinage primaire dépend particulièrement de la perméabilité magnétique de la cible, de sa forme et de ses dimensions  Cette expression permet d’évaluer le flux traversant le bobinage secondaire et la tension à ses bornes, lorsque le primaire est alimenté. La tension aux bornes du bobinage secondaire, qui est le signal de mesure Vm, varie de façon non linéaire.

Caractéristiques de ce type de capteur selon les critères importants : linéarité, résolution,  finesse, grandeurs d'influence

Nous avons vu au  préalable que pour un capteur à réluctance variable la tension aux bornes du secondaire, qui est le signal de mesure Vm, varie de façon non linéaire. La notion de linéarité est lié  à celle de la sensibilité σ du capteur, elle est constante et indépendante de la valeur du mesurande dans la zone de linéarité. La relation entre la grandeur d’entrée m et le signal de sortie s tel que:

s=σ(m).m+s0

Ainsi si le comportement du capteur  est proche d’un comportement linéaire, la relation entrée/sortie peut être approchée par l’équation d’une droite. Dans notre cas, ce ne sera pas le cas. Il faudra exprimer la courbe représentant l’écart de linéarité soit la courbe représentant la mesurande m et son étendue de mesure en fonction du signal en sortie s et ainsi exprimer l’écart due au défaut de non linéarité.

La finesse permet d’estimer l’influence de la présence du capteur sur la valeur du mesurande. L’emploi de me méthodes de mesure de contact permet généralement de la limiter.

Un capteur inductif à réluctance variable se traduit également par une large bande passante ainsi qu'une grande finesse due aux forces très faibles exercées sur la cible par le dispositif de mesure. Sa fiabilité est accrue puisqu’il n’y a pas de pièces mobiles susceptible d’usure.

En revanche les capteurs à réluctance variable sont très sensibles à un mauvais positionnement des pièces. Ils présentent donc un coût important du fait du soin à apporter à l'ajustement, et la précision de la mesure reste faible, leur réponse dépendra de la forme, de la dimension et la nature du matériau de la cible. Son étendue de mesure sera donc faible de l’ordre de la dizaine de millimètre.

On en déduit que l’étalonnage doit s’effectuer dans les conditions particulières de leur emploi. Ces capteurs procurent un isolement galvanique entre le circuit de mesure et la cible

Toutefois, un avantage significatif des capteurs inductifs tient au fait qu’il n’est pas nécessaire que le circuit de traitement de signal associé soit situé à proximité des bobines de détection. Cela permet d’installer les bobines de détection dans des environnements difficiles, dans lesquelles d’autres techniques de détection ne seraient autrement pas envisageables (techniques magnétiques ou optiques, notamment) car elles nécessitent d’installer des systèmes électroniques à base de silicium, relativement délicats, à proximité du point de détection.

Principales familles de capteur de ce type

Dans cette familles de capteurs on peut également inclure les capteurs de proximité inductif à réluctance variable , capteurs à inductance variable, synchro-machines, resolveurs, et capteurs de déplacement linéaires/rotatifs (LVDT/RVDT).

Les resolveurs permettent la mesure de position angulaire d’un axe rotatif. Un LVDT(de l'anglais Linear Variable Differential Transformer) est un capteur électrique actif (inductif) de déplacements linéaires. Il permet de mesurer les déplacements linéaires de l’axe par rapport au stator. Ce type de capteur reprend la technologie LVIT mais en différenciant la mesure et la source de champ magnétique (une bobine de mesure et une bobine de source). La mesure du couplage entre les deux bobines donnera après mise en forme le signal de sortie. Le système est toujours présenté en mode différentiel afin de linéariser la réponse.

Exemples d'applications

Ce type de capteurs trouve ses applications dans le domaine aéronautique. En effet sur les avions, la partie électromagnétique du capteur se trouve souvent à l'extérieur (train d'atterrissage, volets...) pendant que l'électronique de détection se trouve dans une partie protégé de l'avion, les deux étant reliés par des fils de liaison. Le principe à réluctance variable est relativement bien adapté à ce type d'application car relativement insensible aux longueurs des fils de liaison.

Il est aussi utilisé dans l’automobile (capteur ABS pour déterminer la vitesse des roues ou le freinage).

Comme on peut le voir sur le schéma suivant : On le retrouve également sur :

• La mesure et l’asservissement de position
• Le contrôle dimensionnel
• L’étude,sans perturbation, du mouvement de dispositif faible d’inertie

Voir aussi

Article connexes

• Capteurs
• Réluctance
• Détection

Liens externes

• http://mind2soft.free.fr/doc/capteur_principes.pdf
• https://www.celduc-relais.com/fr/capteurs-proximite-technologies/
• https://univ-scholarvox-com.faraway.parisnanterre.fr/catalog/book/docid/88852384?searchterm=Asch,%20Georges
• Les techniques de l’ingénieur : https://www-techniques-ingenieur-fr.faraway.parisnanterre.fr/
• http://imo.chez-alice.fr/inductif.html
• http://si.lycee-desfontaines.eu/IMG/pdf/daev_reluctance_maquette.pdf
• https://tel.archives-ouvertes.fr/file/index/docid/408056/filename/Legrand_Complet.pdf

Catégorie:Capteur Catégorie:Capteur de distance inductif à variation de reluctance