Votre ingénieur en chef vous annonce « il nous faut un codeur annulaire pour ce projet » et vous répondez « oui bien sûr quelle bonne idée ! », mais vous pensez en réalité « qu’est-ce qu’un codeur annulaire au juste? Et surtout comment puis-je le savoir sans passer pour un ignorant ? » Pas de souci, cet article est pour vous ! Il vous expliquera tout ce qu’il faut savoir sur les codeurs annulaires sans vous abreuver de termes scientifiques ou vous parler comme à un enfant de 8 ans.
Qu’est-ce qu’un codeur annulaire ?
Commençons par un peu de terminologie. De manière confuse, certaines personnes utilisent le terme « codeur annulaire », tandis que d’autres parlent de « codeur à arbre creux », de « capteur angulaire à alésage traversant », « capteur annulaire » ou même « transducteur de déplacement angulaire à gros diamètre d’alésage ». En réalité, tous ces termes peuvent signifier (et signifient en général) la même chose. Pour les besoins de cet article, nous utiliserons ici simplement le terme « codeur annulaire ».
Un codeur annulaire est un dispositif qui:
- mesure la position angulaire ou la vitesse angulaire
- a un trou passant de grand diamètre (généralement > 50 mm ou > 2”)
- produit un signal électrique proportionnel à l’angle.
Les codeurs annulaires, plutôt que les codeurs d’arbre (plus courants), sont utilisés lorsqu’il est nécessaire
- de faire des mesures d’angle pour des arbres de grande taille
- de faire passer des tuyaux hydrauliques, des câbles électriques, etc. au milieu du codeur
- de minimiser la hauteur axiale
- de maximiser la précision
- d’éliminer les roulements.
Comment fonctionne un codeur annulaire?
On peut classer les codeurs annulaires en 2 grandes catégories: incrémentaux et absolus. Les codeurs incrémentaux mesurent les changements de position angulaire. Ils produisent en général une série d’impulsions à mesure que l’angle change, avec parfois une impulsion de référence générée une fois par tour. Les codeurs incrémentaux sont souvent utilisés pour les mesures de vitesse angulaire.
Les codeurs absolus signalent l’angle immédiatement après la mise sous tension, sans qu’aucun mouvement soit nécessaire. Ils produisent en général soit un signal analogique, soit un flux de données numériques qui est unique sur toute la plage de mesure. Les codeurs absolus sont en général sélectionnés lorsque la procédure d’étalonnage à la mise sous tension doit être évitée.
D’autres catégories peuvent être utilisées en fonction des principes physiques de base utilisés :-
Potentiomètres
Bien que la tendance soit clairement à une utilisation croissante des codeurs angulaires sans contact, les potentiomètres (ou « potards ») restent courants. Ils permettent de mesurer une chute de tension lorsqu’un ou plusieurs contacts glissent le long d’une piste résistive. Une précision de <0,01 % est possible en ajustant au laser les pistes résistives (une précision de <0,5 % étant toutefois plus courante). Les potentiomètres fonctionnent bien dans les applications peu exigeantes, ayant des cycles opérationnels modestes et au sein d’environnements bénins. Les potentiomètres sont malheureusement sensibles à l’usure et aux particules étrangères telles que la poussière ou le sable, qui agissent comme une sorte de pâte abrasive. Les potentiomètres de qualité supérieure ont une longue durée de vie en termes de nombre de cycles, mais ils ignorent souvent les effets des vibrations.
Avantages: Faible coût ; simple ; compact ; léger. Peut être configuré de façon à obtenir une grande exactitude.
Inconvénients: Usure ; Vibrations ; Corps étrangers ; températures extrêmes.
Codeurs inductifs annulaires
Les codeurs optiques sont en général ce qui vient à l’esprit lorsque l’on parle de codeur annulaire. Ils peuvent aller des dispositifs simples coûtant moins de 100 dollars à des unités de précision dépassant les 10 000 dollars. Les principes de base restent toutefois, à peu de choses près, les mêmes : une tête de lecture fixe dirige une lumière à travers ou sur le réseau d’une bague en rotation. La tête de lecture détecte le signal optique qui en résulte et un signal de position est alors généré. Si la lentille de la tête de lecture ou le réseau est obscurci par des saletés, des copeaux ou de l’eau, les mesures échoueront. La condensation est en particulier un problème notoire pour les équipements extérieurs. Pour les codeurs optiques, il est important de noter que si le codeur affiche 1 000 décomptes par tour, cela ne signifie pas qu’il est exact à raison d’un 1/1000e de tour. C’est pourquoi il faut bien lire dans le détail les fiches techniques, qui pourront indiquer des tolérances d’installation très limitées. Il pourra également être nécessaire d’assurer l’absence de contamination lors de l’assemblage, de l’installation et de l’utilisation.
Avantages: Haute résolution ; bonne précision si le dispositif est correctement monté ; bonne disponibilité sur le marché.
Inconvénients: Corps étrangers ; Défaillances catastrophiques; chocs; températures extrêmes.
Codeurs annulaires magnétiques
Les codeurs annulaires magnétiques comportent une tête de lecture qui mesure le champ généré par un motif magnétique porté par un disque en rotation. Lorsque l’aimant ou les motifs magnétiques se déplacent par rapport à la tête de lecture, le champ magnétique change proportionnellement à leur déplacement relatif et un signal est généré en sortie. Les capteurs magnétiques surmontent une grande partie des inconvénients associés aux dispositifs optiques, car ils sont moins susceptibles aux corps étrangers. Ces capteurs sont cependant rarement utilisés pour des applications de haute précision en raison de l’hystérésis magnétique et d’une dérive thermique importante. Un autre élément à prendre en compte est la proximité de matériaux magnétiques ou de câbles électriques, qui entraînent une distorsion du champ. Les aimants peuvent attirer certaines particules étrangères, et l’une des sources de panne est l’accumulation progressive de copeaux ou de particules.
Avantages: Relativement robuste; résistant à la plupart des liquides.
Inconvénients: Température; hystérésis; mécanique de précision; sources d’acier/CC à proximité et mauvaise performance en cas d’impact/chocs.
Techniques inductives traditionnelles – Résolveurs
Les codeurs annulaires qui utilisent des techniques inductives traditionnelles (ou des transformateurs) sont plus communément appelés résolveurs de type pancake ou dalle. Les résolveurs utilisent trois bobinages : un bobinage primaire qui est alimenté par un signal CA et deux bobinages secondaires disposés autour d’un stator. Lorsqu’un rotor magnétiquement perméable ou conducteur entre en rotation, le couplage électromagnétique entre les bobinages primaire et secondaires varie. Le rapport entre les signaux induits au sein des bobinages indique la position du rotor par rapport à ces derniers. Cette technique ratiométrique est la clé de la grande stabilité et des excellentes performances de mesure des résolveurs. Les résolveurs de type pancake ou dalle sont réputés pour leur fiabilité et sont souvent choisis pour des applications ayant trait à la sécurité dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’armée, du nucléaire et de l’industrie. Alors que les codeurs optiques et magnétiques nécessitent des circuits électroniques adjacents au point de détection, les capteurs inductifs permettent d’éloigner l’électronique, ce qui permet de placer le résolveur dans des environnements difficiles, tandis que l’électronique est logée dans des emplacements moins dangereux.
Avantages: Haute exactitude; fiable; robuste; environnements extrêmes; grande disponibilité sur le marché.
Inconvénients: Cher; encombrant; lourd.
Codeurs inductifs ou IncOders
Les codeurs inductifs (ou « incoders ») utilisent les mêmes principes de base que les résolveurs. Ils offrent donc de bonnes performances de mesure sans contact dans les environnements difficiles. Plutôt que des architectures à base de transformateurs ou de bobinages encombrants, les codeurs inductifs utilisent des circuits imprimés. Cela permet non seulement de réduire les coûts, les taille et le poids, mais aussi d’assurer une précision et une performance accrues dans des conditions difficiles. Bien que constituant une forme relativement nouvelle de codeur annulaire, les codeurs inductifs bénéficient d’une bonne réputation et sont utilisés dans de nombreuses applications dans les secteurs de l’aérospatiale, de la médecine, de l’armée et de l’industrie lourde. Les codeurs inductifs sont disponibles avec des sorties de tension incrémentales, absolues et analogiques.
Avantages: Haute exactitude; fiable; robuste; géométries multiples; compact; léger.
Inconvénients: plus cher que les potentiomètres.
Comment spécifier un codeur annulaire?
Nous parlons ici essentiellement d’un appareil de mesure et le principal critère de spécification portera donc sur la performance de mesure. Il est important d’avoir une idée claire des besoins car cela pourra faire une grande différence en termes de coût, de taille et de poids. Les principaux paramètres sont les suivants:
- Résolution – Le plus petit incrément ou décrément d’angle que le codeur est capable de mesurer et de rapporter de manière fiable
- Résolution – Le plus petit incrément ou décrément d’angle que le codeur est capable de mesurer et de rapporter de manière fiable
- La linéarité (ou, pour être scientifiquement plus exact, la non-linéarité) est la différence entre la sortie du codeur et l’angle réel. Si l’on ignore les compensations, cela équivaut à la précision.Un capteur de position parfaitement linéaire sera également parfaitement exact.
Pour illustrer plus clairement cette différence, utilisons l’analogie d’une flèche tirée sur une cible. L’exactitude décrit le degré de proximité de la flèche par rapport au centre de la cible. Si un grand nombre de flèches est tiré, la précision correspond à la taille de la grappe de flèches. Si toutes les flèches sont regroupées, la grappe sera considérée comme précise.
Réfléchissez bien aux besoins et exigences votre projet. Vous serez peut-être surpris de constater que l’exactitude n’est pas aussi importante que la répétabilité pour votre projet. Si vous utilisez des termes vagues tel que « assez exact », cela veut dire vous n’avez pas poussé assez loin la réflexion. Rappelez-vous également que la plupart des codeurs angulaires sont commercialisés en affichant des performances de décomptes par tour ou de résolution (généralement spécifiée en bits, ex. : 10 bits = 1024 décomptes). Notez qu’il s’agit ici de résolution, et non pas de linéarité ou d’exactitude.
Quel est le type de codeur annulaire le plus adapté à mon projet?
La première étape, dans le choix d’un codeur angulaire pour votre projet, consiste à définir très précisément les besoins, notamment en termes de résolution, de répétabilité et de linéarité du capteur. Une spécification excessive de ces caractéristiques entraînera des dépenses inutiles. L’idée est ici d’identifier un capteur parfaitement adapté au coût le plus bas possible.
La deuxième étape consiste à faire correspondre les types de codeurs précédemment décrits (codeurs incrémentaux optiques ou inductifs absolus, etc.) à la nature de votre projet de conception. Quelques conseils d’ordre général:
- N’utilisez pas de potentiomètres dans les environnements difficiles, sales, humides ou sujets aux vibrations
- N’utilisez pas de capteurs magnétiques pour des mesures de haute exactitude
- N’utilisez pas de codeurs annulaires optiques dans les environnements sales ou humides ou dans lesquels une installation de précision pourrait s’avérer difficile
- N’utilisez pas de résolveurs traditionnels de type pancake ou dalle si vous avez des contraintes strictes en termes de coût, de poids ou de taille.
