Capteurs Inductifs - Principes de Fonctionnement

Les capteurs inductifs sont couramment utilisés pour effectuer des mesures de position ou de vitesse, notamment dans les environnements difficiles.La terminologie et les techniques employées dans le domaine des capteurs inductifs peuvent toutefois s’avérer quelque peu déroutantes pour de nombreux ingénieurs. Mark Howard, directeur général de Zettlex, explique les différents types de capteur, leurs principes de fonctionnement, ainsi que leurs forces et faiblesses respectives.

• Introduction
• Différents types de capteurs inductifs
• Applications de capteurs inductifs
• Avantages et inconvénients des capteurs inductifs
• Capteurs inductifs de nouvelle génération

Introduction

Les 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. 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. Les découvertes de Faraday 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 : commutateurs de proximité, capteurs à inductance variable, capteurs à réluctance variable, synchro-machines, résolveurs, et capteurs de déplacement linéaires/rotatifs (LVDT/RVDT).

Différents types de capteurs inductifs

Dans un capteur de proximité simple (ou commutateur de proximité), l’appareil reçoit un courant électrique, ce qui fait circuler un courant alternatif dans une bobine (également appelée boucle, bobinage ou enroulement). Lorsqu’une cible conductrice ou magnétiquement perméable (disque d’acier, par exemple) s’approche de la bobine, cela change l’impédance de cette dernière. Lorsqu’un certain seuil est dépassé, cela constitue un signal indiquant la présence de la cible. Les capteurs de proximité sont généralement utilisés pour détecter la présence ou l’absence d’une cible métallique (la sortie émulant en général un commutateur). Ces capteurs sont couramment utilisés dans de nombreuses applications industrielles pour lesquelles les contacts électriques produits au sein d’un commutateur traditionnel poseraient des problèmes (présence abondante de saletés ou d’eau, par exemple). On trouve ainsi typiquement de nombreux capteurs de proximité inductifs dans les stations de lavage automatique de voitures.

Les capteurs à inductance variable et à réluctance variable produisent en général un signal électrique proportionnel au déplacement d’un objet conducteur ou magnétiquement perméable (tige en acier, le plus souvent) par rapport à une bobine. Comme avec le capteur de proximité, l’impédance d’une bobine varie proportionnellement au déplacement de la cible par rapport à une bobine alimentée par un courant alternatif. Ces dispositifs sont couramment utilisés pour mesurer le déplacement des pistons dans des cylindres (systèmes pneumatiques ou hydrauliques, notamment). Le piston peut être disposé de manière à passer au-dessus du diamètre extérieur de la bobine.

Les synchro-machines mesurent le couplage inductif entre des bobines se déplaçant l’une par rapport à l’autre. Elles sont généralement rotatives et nécessitent des connexions électriques avec des parties fixes et mobiles (généralement appelées stator et rotor, respectivement). Elles peuvent offrir une précision extrêmement élevée et sont utilisées dans la métrologie industrielle, les antennes radar et les télescopes.  Très coûteuses, les synchro-machines sont de plus en plus rares de nos jours, étant le plus souvent remplacées par des résolveurs (sans balai). Elles constituent une autre forme de détecteur inductif, à la différence que les connexions électriques sont uniquement établies avec le bobinage du stator.

Les capteurs inductifs LVDT et RVDT et les résolveurs permettent de mesurer la variation de couplage inductif entre des bobines, généralement appelées enroulements primaires et secondaires. L’enroulement primaire transmet de l’énergie aux enroulements secondaires, mais le rapport de l’énergie transmise à chacun des enroulements secondaires varie proportionnellement au déplacement relatif d’une cible magnétiquement perméable. Dans un capteur inductif LVDT, il s’agira généralement d’une tige métallique passant à travers l’alésage des enroulements. Dans un capteur inductif RVDT ou un résolveur, il s’agit généralement d’un rotor formé ou d’une pièce polaire tournant par rapport aux enroulements disposés autour de la périphérie du rotor. Les applications typiques des capteurs inductifs LVDT et RVDT incluent notamment les servos hydrauliques dans les systèmes de commande aérospatiaux (ailerons, moteur et carburant).  Les résolveurs sont typiquement utilisés pour les commutations de moteur électrique sans balai.

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.

Avantages et inconvénients des capteurs inductifs

En raison de la nature même de leurs principales pièces constitutives (bobines enroulées et pièces métalliques), les capteurs inductifs sont en général extrêmement robustes. Compte tenu de leur réputation de grande fiabilité, on est alors en droit de se demander pourquoi les capteurs inductifs ne sont pas utilisés plus fréquemment. La raison à cela est que leur robustesse physique est en fait à la fois comme un avantage et un inconvénient. Les capteurs inductifs sont certes précis, fiables et robustes, mais ils sont aussi volumineux, encombrants et lourds. Les matières premières et la grande précision exigées pour former les bobines en font des dispositifs particulièrement coûteux à produire (les appareils de haute précision nécessitant en particulier un bobinage extrêmement précis). Hormis les capteurs de proximité simples, les capteurs inductifs plus sophistiqués ont des coûts prohibitifs pour la plupart des applications grand public, commerciales ou même industrielles.

Une autre raison à la rareté relative des capteurs inductifs est le fait qu’ils peuvent être difficiles à spécifier par les bureaux d’études. Pour chaque capteur, il est en effet souvent nécessaire de spécifier et d’acheter séparément les circuits de génération de courant alternatif et de traitement du signal. Cela nécessite des connaissances et compétences très larges dans le domaine de l’électronique analogique, or celle-ci est bien souvent considérée comme un domaine obscur et peu attrayant par les jeunes ingénieurs, qui tendent à privilégier l’électronique numérique.

Capteurs inductifs de nouvelle génération

Une nouvelle génération de capteurs inductifs est toutefois arrivée sur le marché ces dernières années et sa réputation grandit non seulement sur les marchés traditionnels, mais aussi dans des domaines tels que la fabrication industrielle, l’automobile, l’équipement médical, les services d’utilité publique, la recherche scientifique, et les hydrocarbures. Ces nouveaux capteurs inductifs utilisent le même physique de base que les dispositifs traditionnels, mais ils utilisent des cartes de circuits imprimés et des composants électroniques numériques modernes, au lieu de transformateurs et autres composants analogiques encombrants. Cette approche est élégante et permet d’élargir l’éventail des applications des capteurs inductifs, pour inclure les capteurs 2D et 3D, les capteurs linéaires à connexion courte (<1 mm), les géométries curvilignes et les capteurs de position angulaire de haute précision.

Précurseur de ces technologies inductives de nouvelle génération, Zettlex peut se targuer d’un certain nombre de succès techniques prestigieux au cours de ces dernières années. L’utilisation des circuits imprimés permet d’imprimer les capteurs sur des substrats flexibles et minces. Cela permet également d’éliminer la nécessité des câbles et connecteurs traditionnels. L’un des avantages clés de cette approche est sa grande souplesse (flexibilité physique et possibilité de fournir rapidement des modèles personnalisés aux fabricants)..  Comme avec les techniques inductives traditionnelles, cette approche garantit des mesures fiables et précises dans les environnements difficiles. Elle présente en outre un certain nombre d’avantages significatifs :

• Réduction des coûts
• Précision accrue
• Poids réduit
• Conception mécanique simplifiée (absence de roulements, joints et des balais, notamment).
• Taille compacte (liée notamment à la longueur de course par rapport à celle des capteurs inductifs LVDT traditionnels).
• Simplification de l’interface électrique (s’agissant généralement d’une alimentation cc et d’un signal numérique absolu).