Capteurs inductifs, capacitifs et photoélectriques

Prérequis

Des connaissances de base en électricité, électronique et physique générale sont requises pour appréhender cette fiche. Une familiarité avec les concepts de champ magnétique, champ électrique et lumière est également utile.

Explication théorique

PRINCIPES FONDAMENTAUX DE LA DÉTECTION SANS CONTACT : Les capteurs sans contact sont des dispositifs qui détectent la présence ou l'absence d'un objet (appelé cible ou objet détecté) sans qu'il y ait de contact physique entre le capteur et l'objet. Cette méthode présente l'avantage d'une usure mécanique minimale, d'une vitesse de réponse élevée et d'une longue durée de vie. Les trois types de capteurs les plus courants dans l'industrie pour cette fonction sont les capteurs inductifs, capacitifs et photoélectriques. CAPTEURS INDUCTIFS : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : Un capteur inductif est conçu pour détecter la présence de métaux. Son principe repose sur la variation d'un champ magnétique. Le capteur contient une bobine d'oscillation qui génère un champ électromagnétique alternatif à haute fréquence à son extrémité de détection (face active). Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, des courants de Foucault sont induits à sa surface. Ces courants de Foucault dissipent de l'énergie et provoquent une diminution de l'amplitude des oscillations du capteur. Le circuit électronique interne du capteur (oscillateur, démodulateur, déclencheur) détecte cette variation d'amplitude. Lorsque l'amplitude descend en dessous d'un certain seuil prédéfini, le circuit de sortie du capteur commute, indiquant la présence de l'objet métallique. La distance à laquelle le capteur peut détecter un objet métallique est appelée portée nominale (Sn). CAPTEURS CAPACITIFS : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : Les capteurs capacitifs sont capables de détecter des objets métalliques et non métalliques. Leur fonctionnement est basé sur la variation de la capacité d'un condensateur. La face active du capteur forme l'une des armatures d'un condensateur, l'autre armature étant l'objet à détecter et le diélectrique étant l'air ou un autre matériau présent entre le capteur et l'objet. Le capteur génère un champ électrique haute fréquence. Lorsqu'un objet s'approche de la face active, la capacité de ce condensateur virtuel varie en fonction de la taille, de la distance et de la constante diélectrique de l'objet. Une variation significative de la capacité par rapport à un seuil prédéfini est interprétée par le circuit interne du capteur comme la détection d'un objet. Ils sont particulièrement utiles pour la détection de liquides, de poudres, de granulés ou de matériaux isolants. CAPTEURS PHOTOÉLECTRIQUES : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT : Les capteurs photoélectriques détectent des objets en utilisant un faisceau lumineux. Ils se composent généralement d'un émetteur (diode électroluminescente - LED) et d'un récepteur (phototransistor ou photodiode). Il existe plusieurs configurations : - **Barrage** (Through-beam) : L'émetteur et le récepteur sont dans des boîtiers séparés et alignés face à face. L'objet est détecté lorsqu'il interrompt le faisceau lumineux. Cette configuration offre la plus grande portée et la meilleure fiabilité. - **Réflexion directe** (Diffuse-reflective ou Proximity) : L'émetteur et le récepteur sont dans le même boîtier. Le capteur émet un faisceau lumineux qui est réfléchi par l'objet à détecter et retourne au récepteur. L'objet est détecté lorsque la lumière réfléchie atteint le récepteur. - **Réflexion sur réflecteur** (Retro-reflective) : L'émetteur et le récepteur sont dans le même boîtier. Le capteur envoie un faisceau lumineux vers un réflecteur spécial (catadioptre) qui le renvoie au récepteur. L'objet est détecté lorsqu'il interrompt le faisceau entre le capteur et le réflecteur. Cette configuration est plus tolérante à la couleur de l'objet que la réflexion directe. Pour toutes ces configurations, la détection est signalée lorsque le récepteur détecte (ou ne détecte plus) le faisceau lumineux, selon le mode de fonctionnement (normalement ouvert ou normalement fermé).

Exemples industriels

EXEMPLE NUMÉRIQUE : CALCUL DE COURANT POUR UN CAPTEUR ALIMENTÉ EN TENSION CONTINUE. Hypothèses : - Le capteur est de type inductif. - Il est alimenté en courant continu. - Il possède une sortie PNP normalement ouverte (NO). - La charge connectée à sa sortie est une bobine de relais. Données : - Tension d'alimentation du capteur (U_alim) = 24 V DC. - Consommation interne du capteur (I_interne) = 15 mA (sans charge). - Résistance de la bobine du relais (R_relais) = 500 Ω. - La diode de protection du relais est considérée idéale (tension de seuil nulle). Calcul étape par étape : 1. **Calcul du courant consommé par la bobine du relais (I_relais) lorsque le capteur détecte un objet et que sa sortie commute** : Selon la loi d'Ohm, I_relais = U_alim / R_relais. I_relais = 24 V / 500 Ω = 0,048 A. I_relais = 48 mA. 2. **Calcul du courant total (I_total) que doit fournir l'alimentation lorsque le capteur détecte un objet** : Le courant total est la somme du courant interne du capteur et du courant de la charge. I_total = I_interne + I_relais. I_total = 15 mA + 48 mA = 63 mA. Résultat : Lorsque le capteur détecte un objet et que sa sortie est active, le courant total tiré de l'alimentation sera de 63 mA. Il est important de vérifier que la sortie du capteur peut supporter ce courant (souvent spécifié comme courant de sortie maximal, par exemple 100 mA ou 200 mA) et que l'alimentation est capable de fournir ce courant. APPLICATION INDUSTRIELLE CONCRÈTE : DÉTECTION D'OBJETS SUR UNE LIGNE DE PRODUCTION Dans une usine d'embouteillage, les capteurs sont omniprésents. Par exemple : - **Capteurs inductifs** sont utilisés pour détecter la présence de capsules métalliques sur les bouteilles après le remplissage. Si une bouteille passe sans capsule, le capteur ne détecte pas le métal, signalant une anomalie. Ils peuvent aussi détecter les passages de palettes métalliques ou de pièces de machines. - **Capteurs capacitifs** sont employés pour surveiller le niveau de remplissage des bouteilles non métalliques (plastique, verre). Le capteur est monté à l'extérieur de la bouteille ou du réservoir. Lorsque le liquide (qui a une constante diélectrique différente de l'air) atteint le niveau du capteur, sa présence est détectée. Ils peuvent également détecter la présence de bouteilles en plastique elles-mêmes. - **Capteurs photoélectriques** de type barrage sont souvent utilisés pour compter les bouteilles sur un convoyeur ou pour détecter le passage de boîtes sur une ligne d'emballage, déclenchant ainsi l'action suivante (par exemple, un bras robotisé pour saisir la boîte). Les capteurs photoélectriques en mode réflexion directe peuvent être utilisés pour détecter la présence d'étiquettes sur les bouteilles, si le contraste est suffisant.

Méthode de mesure

VÉRIFICATION DU BON FONCTIONNEMENT D'UN CAPTEUR : 1. **Vérification de l'alimentation :** S'assurer que le capteur est correctement alimenté avec la tension spécifiée par le fabricant. Utiliser un multimètre en mode voltmètre pour mesurer la tension aux bornes d'alimentation du capteur. La tension mesurée doit être dans la plage acceptable (par exemple, 10-30 V DC). 2. **Vérification de la LED d'état :** La plupart des capteurs sont équipés d'une LED indiquant l'état de la sortie ou la détection d'un objet. Observer si la LED s'allume ou s'éteint comme prévu lors de la présentation d'un objet. 3. **Test de détection avec une cible appropriée :** Présenter l'objet cible (métal pour inductif, tout matériau pour capacitif, ou blocage/réflexion pour photoélectrique) devant la face active du capteur. Observer la réaction de la LED et, si possible, de l'équipement commandé par le capteur. 4. **Mesure de la tension de sortie :** Avec un multimètre en mode voltmètre, mesurer la tension entre la sortie du capteur et la masse (ou le commun). Si le capteur est normalement ouvert (NO) : - Sans objet : Tension de sortie proche de 0 V (pour PNP) ou proche de la tension d'alimentation (pour NPN). - Avec objet : Tension de sortie proche de la tension d'alimentation (pour PNP) ou proche de 0 V (pour NPN). Si le capteur est normalement fermé (NF) : - Sans objet : Tension de sortie proche de la tension d'alimentation (pour PNP) ou proche de 0 V (pour NPN). - Avec objet : Tension de sortie proche de 0 V (pour PNP) ou proche de la tension d'alimentation (pour NPN). 5. **Mesure de la distance de détection :** Utiliser une règle ou un pied à coulisse pour mesurer la distance à laquelle le capteur commute lors de l'approche et de l'éloignement de l'objet. Comparer cette valeur à la portée nominale (Sn) ou effective (Sr) spécifiée par le fabricant. Pour les capteurs photoélectriques, vérifier l'alignement et l'absence d'obstacles.

Instruments nécessaires

- Multimètre numérique (pour mesurer tensions et courants) - Règle, pied à coulisse ou jauge d'épaisseur (pour vérifier les distances de détection et les réglages) - Objet de test (la cible à détecter, conforme aux spécifications du capteur) - Tournevis ou outils de réglage spécifiques (si le capteur possède des potentiomètres de réglage de sensibilité ou de portée)

Procédure de contrôle

1. Mettre l'installation hors tension et la consigner selon la procédure en vigueur (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). 2. Isoler électriquement le capteur défectueux. 3. Débrancher et démonter le capteur. 4. Vérifier visuellement l'absence de dommages physiques (câble coupé, boîtier fendu, face active endommagée). 5. Nettoyer la face active du capteur et l'environnement de détection. 6. Monter et connecter un nouveau capteur de mêmes caractéristiques (type, portée, tension, sortie). 7. Mettre sous tension et vérifier le bon fonctionnement selon la méthode de mesure décrite précédemment. 8. Si nécessaire, effectuer les réglages de sensibilité ou de portée et ajuster la position mécanique.

Symptômes de panne

- Le capteur ne détecte plus l'objet (la sortie reste inactive). - Le capteur détecte en permanence l'objet (la sortie reste active) même sans objet. - Détection intermittente ou erratique. - Mauvaise portée de détection (trop courte ou trop longue, déclenchement à des distances incorrectes). - LED d'état éteinte en permanence ou clignotante anormalement.

Causes probables

- **Endommagement physique :** Chocs, vibrations, abrasion, températures extrêmes, exposition à des produits chimiques non compatibles. - **Défaillance interne :** Composants électroniques internes (oscillateur, amplificateur, sortie) défectueux. - **Problèmes d'alimentation :** Tension incorrecte, instable, bruit électrique sur l'alimentation. - **Câblage défectueux :** Câble coupé, court-circuit, mauvaise connexion, isolation endommagée. - **Mauvaise installation/réglage :** Alignement incorrect (photoélectrique), distance de détection inappropriée, sensibilité mal réglée (capacitif/photoélectrique). - **Contamination :** Accumulation de poussière, saleté, graisse, eau sur la face active ou le réflecteur (particulièrement critique pour les capteurs photoélectriques et capacitifs). - **Interférences :** Champs électromagnétiques perturbateurs provenant d'autres équipements (pour inductifs/capacitifs), lumière ambiante excessive (pour photoélectriques). - **Objet cible non conforme :** Changement de matériau, de taille, de couleur ou de forme de l'objet à détecter.

Erreurs fréquentes

- **Choix inapproprié du type de capteur :** Utiliser un capteur inductif pour détecter un objet non métallique, ou un capacitif pour une détection à longue portée. - **Ignorer la portée nominale :** Installer le capteur trop loin ou trop près de l'objet, ce qui peut entraîner des détections manquées ou permanentes. - **Négliger l'environnement :** Ne pas tenir compte de la poussière, de l'humidité, des températures extrêmes ou des interférences électromagnétiques qui peuvent affecter le fonctionnement du capteur. - **Mauvais alignement :** Ne pas aligner correctement les capteurs photoélectriques barrage ou réflexion sur réflecteur. - **Surcharger la sortie du capteur :** Connecter une charge qui consomme un courant supérieur au courant de sortie maximal spécifié par le fabricant, entraînant la destruction de la sortie du capteur. - **Confondre les sorties PNP et NPN :** Connecter un capteur PNP à une entrée NPN, ou vice-versa, ce qui peut entraîner un non-fonctionnement ou des dommages.

Précautions de sécurité

- **Consignation et déconsignation :** Toujours couper et consigner l'alimentation électrique de la machine ou de la partie de l'installation concernée avant toute intervention sur les capteurs ou le câblage, conformément aux procédures internes et aux normes d'installation applicables (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). - **Équipements de Protection Individuelle (EPI) :** Porter les EPI appropriés (gants isolants, lunettes de sécurité) lors des interventions électriques. - **Habilitations électriques :** Les interventions sur les installations électriques doivent être effectuées par du personnel qualifié et habilité selon les réglementations en vigueur (À vérifier selon le pays, l'installation et l'édition applicable). - **Respect des tensions :** Ne jamais manipuler ou tester un capteur ou son câblage sans avoir vérifié l'absence de tension, même à basse tension, pour éviter les chocs électriques ou les courts-circuits. - **Précautions mécaniques :** S'assurer que le capteur est solidement fixé et qu'il n'y a pas de risque de chute ou de collision avec des éléments mobiles de la machine.

Références

• Normes relatives à la sécurité des machines — référence à vérifier
• Normes d'installation électrique (ex: série CEI 60364 ou NFC 15-100) — référence à vérifier
• Documentation technique des fabricants de capteurs industriels (ex: Sick, IFM, Keyence, Telemecanique) — référence à vérifier

Questions fréquentes

• Quelle est la principale différence entre un capteur inductif et un capteur capacitif ?

  Un capteur inductif détecte uniquement les objets métalliques en utilisant les variations d'un champ magnétique. Un capteur capacitif, quant à lui, peut détecter tous les types de matériaux (métalliques ou non) en mesurant les variations de la capacité dues à la constante diélectrique de l'objet.

• Comment choisir le bon type de capteur photoélectrique ?

  Le choix dépend de la portée souhaitée, du matériau et de la couleur de l'objet, et de l'environnement. Le type barrage offre la plus grande portée et fiabilité. La réflexion sur réflecteur est un bon compromis pour les portées moyennes avec des objets peu réfléchissants. La réflexion directe est plus simple et moins chère, mais sa portée est limitée et sa fiabilité dépend fortement de la couleur et de la surface de l'objet.

• Peut-on utiliser un capteur inductif pour détecter un niveau de liquide ?

  Non, un capteur inductif ne peut pas détecter un niveau de liquide car les liquides sont généralement des matériaux non métalliques et ne provoquent pas l'apparition de courants de Foucault significatifs. Pour la détection de niveau de liquide, un capteur capacitif est plus approprié.