Capteurs - sélection et importance de la technologie d'automatisation

La collecte de données est un aspect central des installations modernes, en particulier dans le contexte de la numérisation et de l’Industrie 4.0. Les capteurs rendent cela possible. Ils fournissent des données d’entrée et surveillent et adaptent les processus. Mais quels sont les différents types de capteurs ? Comment choisir le bon capteur pour une application spécifique ? Cet article présente le mode d’action et les applications possibles pour divers capteurs, ainsi que les critères de sélection pour trouver le bon capteur.

Que sont les capteurs ?

Les systèmes de capteurs ont trait à l’utilisation de capteurs pour mesurer et contrôler les changements, par exemple dans les systèmes techniques. Les capteurs acquièrent divers mesurandes, qui peuvent être de nature qualitative et également quantitative. Les mesurandes peuvent être chimiques (par ex., valeur du pH), biologiques (par ex., présence d’enzymes) ou physiques (par ex., température, humidité, courant). Les capteurs, également appelés détecteurs, transducteurs de mesure ou sondes, convertissent un signal d’entrée en signal de sortie. Le signal d’entrée n’est généralement pas un indicateur électrique, tandis que le signal de sortie est un signal électrique tel que le courant ou la tension.

Pour en savoir plus sur la métrologie, consultez notre article : Technologie de mesure – Contrôle qualité par des méthodes de mesure.

Le fonctionnement

Les capteurs fonctionnent dans un système avec des actionneurs. Les signaux des capteurs sont généralement transmis à une unité de contrôle, qui analyse et évalue les données en conséquence et envoie des commandes aux actionneurs selon les besoins. Les actionneurs mettent ensuite en œuvre les instructions par le biais d’actions physiques. Par exemple, un signal est envoyé à l'actionneur si la température dans un entrepôt est trop élevée. L'actionneur peut être un élément du chauffage qui est actuellement réduit afin que la pièce puisse refroidir à la température souhaitée.

Les types de capteur

Il existe des capteurs actifs et passifs. La méthode d'acquisition de mesurande détermine si le capteur est actif ou passif. Les capteurs actifs eux-mêmes génèrent (activement) un signal pour acquérir la mesurande. Les données déterminées sont ensuite générées en tant que signal de sortie. En général, une alimentation électrique est nécessaire pour générer le signal d’acquisition de la mesurande. Voici des exemples typiques de capteurs actifs : Compteur de distance laser, détecteurs de mouvement IR ou capteurs à ultrasons.

Les capteurs passifs ne génèrent pas de signal actif pour l’acquisition des données de mesure d’une mesurande. Ils contiennent des éléments passifs dont la propriété (par ex. conductivité) évolue en réponse à une mesurande (par ex. température). Il n’est donc pas nécessaire d’avoir une alimentation électrique pour générer un signal requis pour la mesure. Cependant, l’alimentation auxiliaire est nécessaire pour enregistrer le changement, car le signal d’entrée et de sortie est comparé pour déterminer les résultats de mesure. Les capteurs passifs sont installés relativement fréquemment car ils sont adaptés à l'acquisition de mesures statiques. Exemples de capteurs passifs : Capteurs PIR (infrarouge passif), thermomètres à résistance ou jauges de contrainte.

Les capteurs sont ensuite subdivisés en commutation et mesure en fonction du type de signal de sortie. Les capteurs de mesure enregistrent en permanence des valeurs physiques ou autres et fournissent des enregistrements de données pour une surveillance détaillée des processus. Les capteurs à commutation, en revanche, détectent lorsqu’une mesurande s’écarte de la valeur cible et réagissent activement en commutant une sortie, ce qui, par exemple, déclenche un actionneur.

Les capteurs peuvent être subdivisés en fonction de leur principe de fonctionnement ou de mesure, par exemple en :

• Mécanique : Réagissent au mouvement mécanique (par ex., déflexion), par exemple : Capteurs de pression.
• Résistif : Réagissent lorsque la résistance électrique change, par exemple : Jauges de contrainte.
• Thermoélectrique : Réagissent lorsqu’il existe des différences de température converties en énergie électrique, par exemple : Sondes de température.
• Piézoélectrique : Réagissent en convertissant la pression en énergie électrique, par exemple : Piézocéramique dans les capteurs à ultrasons.
• Inductif ou électromagnétique : Réagissent à un changement de flux magnétique, par exemple : Capteur de vitesse.
• Capacitif : Réagissent aux changements de capacité, par exemple : Capteur d’humidité.
• Optique : Réagissent/enregistrent la lumière ou d’autres phénomènes optiques, par exemple : Barrières lumineuses, capteurs photoélectriques.
• Acoustique : Réagissent aux ondes sonores, par exemple : Compteur de niveau de bruit.
• Produit chimique : Réagissent aux changements chimiques, par exemple : capteurs de pH.

Nous allons maintenant examiner en détail les principes de fonctionnement de certains capteurs sélectionnés :

Capteurs inductifs

Les capteurs inductifs contiennent une bobine à travers laquelle le courant circule. Un champ électromagnétique est généré pour la mesure dans la direction de mesure. On introduit ensuite une pièce à usiner ou un matériau qui provoque un changement du champ magnétique et induit une tension dans la bobine. Un circuit détecte cette tension et émet un signal correspondant. Les capteurs inductifs fonctionnent uniquement avec des pièces/matériaux magnétiques.

Capteurs capacitifs

La capacitance indique la quantité de charge que deux corps électro-conducteurs, séparés les uns des autres par un milieu isolant, peuvent absorber lorsque la tension est appliquée. Cette capacitance évolue en fonction de la mesurande.

Un capteur capacitif se compose de deux électrodes entre lesquelles on crée un champ électrique. Ce dernier change lorsqu’un objet approche ; le capteur détecte sans contact le matériau dans sa zone active. Il convertit ensuite le champ électrique en signal électrique.

Capteurs de proximité

Les capteurs de proximité détectent les objets ou les personnes à proximité. Ils envoient un faisceau ou un champ, puis mesurent les changements du faisceau ou du champ réfléchis par l’objet ou la personne.   Cela leur permet d’estimer les distances et d’agir sur le déclencheur correspondant. Dans l’industrie, les capteurs peuvent, par exemple, détecter la présence de pièces à usiner sur les courroies transporteuses et contrôler les processus opérationnels correspondants.

Sélection des capteurs : Quand utiliser quel capteur ?

Certaines considérations préliminaires doivent être prises en compte lors de la sélection des capteurs. Étant donné que les capteurs sont intégrés directement dans les systèmes de commande au sein des systèmes d'automatisation, l'utilisateur doit par exemple vérifier que les interfaces requises sont disponibles. Les interfaces peuvent être, par exemple :

• Des interfaces analogiques telles que des sorties et entrées analogiques
• Des interfaces numériques telles que TTL, RS-232, SPI
• Des interfaces sans fil telles que le Wi-Fi
• Un traitement du signal intégré ou externe

Les conditions environnementales jouent également un rôle dans la sélection d'un capteur approprié. Le capteur est-il exposé à des températures extrêmes ? Ou à des vibrations ? Dans les environnements humides, par exemple, le capteur doit être étanche, quel que soit son type et, si nécessaire, avoir un indice de protection correspondant, par exemple, IP67. Dans les environnements comprenant des produits chimiques agressifs, le matériau utilisé pour les boîtiers et les joints doit être résistant.

Identifier le bon capteur, étape par étape

La liste suivante fournit un résumé des étapes les plus importantes pour sélectionner un capteur :

• Déterminer la mesurande et la plage de mesure : Quelle quantité physique doit-elle être mesurée et la valeur maximale et minimale attendue est-elle couverte par la mesure et/ou le capteur peut-il également supporter les valeurs maximales ?
• Déterminer la précision : Des exigences plus ou moins élevées s’appliquent-elles à la précision ?
• Analyser les conditions environnementales : Dans quelles conditions le capteur est-il utilisé ? Existe-t-il des extrêmes en termes de température, d’humidité, d’exposition à la poussière, etc. ? Le capteur est-il exposé à des produits chimiques ?
• Sélectionner le format de sortie et les interfaces : L’ensemble du système de commande joue un rôle ici : Quel type de signal peut être traité (par ex. analogique ou numérique) ?
• Tenez compte de l’application spécifique : Existe-t-il des exigences spéciales découlant de l’application spécifique ? Des normes spéciales s’appliquent-elles ? (voir également les normes de sécurité en ingénierie mécanique). Par exemple, les capteurs des salles blanches doivent répondre à des exigences élevées en matière de salles blanches. Il est également possible que le capteur soit installé dans un endroit difficile d’accès, par conséquent, il doit exiger peu de maintenance et être durable. Les capteurs peuvent également servir au contrôle de la qualité et répondre à certains critères, voir également l’article Technologie de mesure – Contrôle qualité par des méthodes de mesure.
• Délai de réponse : À quelle vitesse le capteur doit-il répondre aux conditions changeantes ?
• Respecter les exigences d’espace : Le capteur peut-il être facilement intégré au système existant et existe-t-il suffisamment d’espace ?
• Des pièces de serrage, des rails de capteur normalisés ou des supports de capteur peuvent également être utiles pour une intégration optimisée du capteur dans les systèmes existants.

Vous pouvez également vous inspirer de notre sélection de capteurs.

Les capteurs dans la technologie d'automatisation : Capteurs intelligents

L’évolution constante des capteurs a également été fortement influencée par la production numérisée dans le contexte de l’Industrie 4.0. Les « capteurs intelligents » en représentent les ingrédients clés. Ces capteurs sont la pierre angulaire de la surveillance et du contrôle des processus industriels. Au sein du système d'actionneurs et de commandes, les capteurs intelligents fournissent aux machines toutes les informations dont elles ont besoin pour améliorer l’efficacité et la précision de la production. Par conséquent, la technologie d’automatisation a gagné en autonomie.

Les capteurs d'aujourd'hui ont une résolution et une vitesse si élevées et une taille si petite qu'ils peuvent être utilisés directement dans les zones dans lesquelles on génère des effets physiques. Ils exercent de nombreuses fonctions dans les équipements de pointe. Ils ne sont plus uniquement responsables de la simple mesure des données, mais peuvent désormais également effectuer des tâches d’autodiagnostic, de communication et de traitement des signaux. Les capteurs peuvent détecter et corriger les anomalies avant qu’elles ne deviennent un problème dans la production. Ce processus est alors appelé le traitement contrôlé par capteur. Pour en savoir plus, consultez notre article de blog Commande numérique informatisée – Qu’est-ce que la CNC ?