Enoncé_miniprojet_2009.doc Raoul Herzog, novembre 2010
M INIPROJET C APTEURS
M ODÉLISATION , CONCEPTION ET RÉALISATION D ’ UN
CAPTEUR DE DÉPLACEMENT INDUCTIF
T A B L E D E S M A T I E R E S
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1. INTRODUCTION ... 1
2. OBJECTIFS DU MINIPROJET ... 1
3. CAHIERS DES CHARGES ... 1
4. DÉLIVRABLES ET ÉCHÉANCE ... 2
5. ORGANISATION ... 2
5.1 EQUIPES... 2
5.2 PLANNING ... 2
5.3 EVALUATION ... 2
6. CONSIGNES ... 2
7. DESCRIPTION DE LA CARTE ÉLECTRONIQUE ... 3
7.1 STRUCTURE ... 3
7.2 MULTIPLICATION ... 4
7.3 SCHÉMA ... 4
7.4 DÉMARCHE PROPOSÉE ... 6
8. DATASHEET DES BOBINES DE CAPTEUR UTILISÉES ... 7
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DÉPLACEMENTINDUCTIF
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1. INTRODUCTION
Les capteurs de déplacement inductifs et à effet de Foucault sont des éléments clé pour l’automatisation et même pour le développement de nouveaux produits. Leur utilisation est très vaste (exemples : machine outils, tâches de synchronisation pour les automates de montage, paliers magnétiques, détection de vibrations de turbines ou d’autres machines tournantes, essais non destructifs de matériaux, applications dans l’espace). Les capteurs de déplacements inductifs et à effet de Foucault permettent de mesurer très précisément des mouvements ultrarapides sans contact et de façon robuste même dans des environnements difficiles (salissure, vacuum, haute température, etc.).
2. OBJECTIFS DU MINIPROJET Le miniprojet a pour objectifs de :
• comprendre et appliquer la théorie (circuit RLC, démodulateur synchrone) vue dans le cours de capteurs
• dimensionner l’électronique (conditionnement du signal) d’un capteur inductif
• mesurer et modéliser les différentes parties, et comparer les mesures avec la théorie
• caractériser la linéarité du capteur par mesure et par calcul
3. CAHIERS DES CHARGES
Plage de mesure de la distance entre la bobine de mesure et la cible : 0.5mm ... 1mm point de fonctionnement nominal : 0.75mm.
On vise une sensibilité globale du capteur de 10V/mm autour du point de fonctionnement.
L’offset pour le point de fonctionnement (0.75 mm) doit se trouver à 0V. L’amplification du filtre passe bas ne doit pas être élevée. Il est avantageux d’avoir une bonne sensibilité en début de la chaîne de mesure (sensibilité de la bobine, sensibilité du montage RLC).
Les maquettes se différencient par la bobine de mesure et la cible (laiton, alu, fer, cuivre).
Un impédancemètre permet de mesurer l’impédance de la bobine en fonction de la distance et en fonction de la fréquence d’excitation.
Il s’agit de dimensionner le circuit RLC, la fréquence d’excitation, et le filtre passe-bas. Les différentes parties du circuit doivent être testées et validées séparément. Toutes les mesures doivent être documentées (prise d’image d’oscilloscope, importation de mesures
d’oscilloscope dans Matlab).
Comparer les mesures et les calculs (p.ex. linéarité) est particulièrement important ! Analyse des grandeurs d’influence. Caractérisation des performances du capteur.
4. DÉLIVRABLES ET ÉCHÉANCE
1. Journal de laboratoire individuel
Il est conseillé aux étudiants d'utiliser un journal de travail. Le journal est indispensable pour documenter et pour permettre un suivi.
2. Rapport intermédiaire (max 10 pages). Echéance pour le rapport
intermédiaire: 13 décembre. Rapport final (max 20 pages) par groupe, sous forme informatique, et tous les fichiers créés. Echéance pour rapport final:
28.1.2011.
5. ORGANISATION
5.1 EQUIPES
Le miniprojet se fera en équipes de 2 étudiants. Les équipes sont libres à se former elles- mêmes.
5.2 PLANNING
Le miniprojet se déroulera sur 20 périodes encadrées (5x4p).
Chaque groupe est responsable de son propre planning (répartition des tâches, définition).
La gestion et le déroulement sera aussi pris en compte pour l’évaluation.
5.3 EVALUATION
Le rapport intermédiaire compte pour 1/3 et le rapport final pour 2/3 de la note de labo.
Les deux rapports seront évalués selon les critères suivants : Travail effectué (output)
Qualité, quantité, cohérence et pertinence technique/scientifique des résultats, réalisation
40 %
Gestion et déroulement, motivation 20 % Qualité du rapport (documentation, clarté,
synthèse) 40 %
6. CONSIGNES
Ordre dans le laboratoire B59, rangement du matériel
Le taux d’occupation du laboratoire B59 est très élevé et il est impératif de respecter le règlement de laboratoire. En particulier :
Tout le matériel doit être rangé après chaque séance par les étudiants, et les tables doivent être nettoyées.
Une place dans une armoire est mise à
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disposition pour ranger le matériel des groupes de travail.
7. DESCRIPTION DE LA CARTE ÉLECTRONIQUE
7.1 STRUCTURE
La structure de la carte est représentée ci-dessous :
Bobine de mesure R2
C2-C3
∑ Uoffset Entrée logique
Uexc
Entrée analogique
Entrée logique Umod’
Up
Umod
Uout Umult
Système de mesure
FPB gain
Jumper J3
+ +
Figure 7-1 : Schéma-bloc de la carte
• Uexc Le capteur inductif utilise la bobine de mesure dans un circuit RLC qui sert à augmenter la sensibilité en exploitant le phénomène de résonance. Le RLC étant disposé en filtre passe-bande, on se permet de choisir un signal d’excitation de forme carrée pour l’entrée d’excitation (signal logique), car les harmoniques du signal carré Uexc sont fortement atténuées et le signal de mesure Umod est proche d’un signal de sinus.
• Umod On a sur la sortie Umod le signal de mesure modulé.
• Umod’ Afin de tester séparément la démodulation, on peut substituer à Umod un signal analogique arbitraire issu d’un générateur de fonctions. Umod est donc une entrée analogique. Le signal Umod’
doit être synchronisé au signal Up.
• Up L’entrée Up est destinée à la porteuse de démodulation. C’est une entrée logique. Pour un angle de démodulation de 0°, Up et Uexc peuvent être reliés. Pour un angle de démodulation différent de 0°, il faut choisir 2 générateurs de signaux synchronisés (à l’arrière des générateurs HP 33120A, câbler la sortie BNC « ref out » du premier sur l’entrée « ref in » du deuxième).
• Umult Sortie du signal après la multiplication avec le signal carré pour tests.
• Uout Sortie de la tension finale, après addition d’un offset, filtrage et amplification.
7.2 MULTIPLICATION
Le signal de démodulation (Up) étant un signal logique dans notre cas, la multiplication peut être effectuée très simplement avec un montage à amplificateur opérationnel :
- +
R R
Uout Uout
Up
Entrée logique Up Entrée
analogique Umod’
Entrée analogique Umod’
‘0’
‘1’
1 -1
Figure 7-2 : Réalisation du multiplicateur
• Le commutateur étant en position basse (entrée ‘+‘ de l’amplificateur opérationnel relié à la masse), on a un montage inverseur.
• Le commutateur en position haute (entrée ‘+‘ de l’amplificateur opérationnel relié au signal d’entrée Umod’) donne un montage suiveur de tension.
Le signal d’entrée est multiplié par 1 ou -1 suivant l’état de l’entrée logique Up.
7.3 SCHÉMA
Le schéma complet de la carte est donné ci-dessous :
+
-
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Sync
Les composants à dimensionner ou à régler sont montrés en vert :
• R2 et C2-C3 pour le RLC de mesure,
• R10, R123, R14, C5 et C6 pour la cellule de gain et de filtrage passe-bas. Cette partie à filtrer passe-bas le signal démodulé de manière à en faire une tension DC.
• Potentiomètre pour régler l'offset. Le jumper J6 permet de désactiver l’offset.
7.4 DÉMARCHE PROPOSÉE
Pour vous faciliter la tâche procédez dans l’ordre suivant : 1. Mettre les jumpers comme suit pour commencer :
a. J3 entre 1-2 de manière à avoir le signal à démoduler réel. Avec le jumper dans l’autre position, on peut injecter par l’entrée BNC Umod’ un autre signal à démoduler
b. Mettre le jumper J6 de manière à enlever tout offset au signal de sortie.
2. Dimensionner le RLC de mesure (R2 et C2-C3).
3. Prendre 2 générateurs de fonctions HP 33220A (un pour l’entrée d’excitation Uexc, l’autre pour la porteuse de démodulation Up).
a. Pour qu’ils soient parfaitement synchrones, à l’arrière des appareils, câbler la sortie « ref out » du premier sur l’entrée « ref in » du deuxième.
b. Lorsque les 2 générateurs travaillent à la même fréquence (cas de la démodulation synchrone), on peut alors régler la phase d’un signal par rapport à l’autre. Le réglage pour ce faire se trouve dans le menu → dernier menu « G : phase menu » → « Adjust »
4. Dimensionner la cellule de gain et filtrage (R10, R123, R14, C5 et C6) afin d’avoir la course désirée pour le signal de sortie. C’est une cellule de type « Multiple FeedBack ». Les fonctions de gain et de filtrage sont liées !
5. Régler l’offset du signal de sortie (R16, R17 et R18). Enlever à cet effet le jumper J6.
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8. DATASHEET DES BOBINES DE CAPTEUR UTILISÉES
Illustration Spires Noyau Inductivité Résistance
# : 36 Cu
∅0.2 mm
∅7.4 mm ferrite EPCOS matériau : M33 B65933-A-X33
25 – 28 μH
@ 333 kHz
~0.3 Ω
# : 36 Cu
∅0.132 mm
∅5.6 mm ferrite EPCOS matériau : N22 B65931-C-X22
29 – 32 μH
@ 333 kHz
~0.6 Ω
# : 91 Cu
∅0.1 mm
∅5.3 mm ext.
air
~27 μH ~3.1 Ω
