Capteurs de déplacement : définition, technologies, applications

Les capteurs de déplacement (ou capteurs de mesure de déplacement) font partie de la grande famille des capteurs de distance. Leur rôle est de mesurer la distance d’un objet par rapport à une mesure étalon de référence sur un plan linéaire. La valeur obtenue indique s’il y existe un décalage, donc un déplacement, entre l’objet mesuré et sa position idéale. On peut facilement de cette manière contrôler la qualité des objets ou s’assurer du bon positionnement d’une pièce afin que la suite du processus se déroule comme il se doit. Ils sont plutôt réservés à la mesure de précision sur de courtes distances, voire très courtes car ce type de capteurs peut mesurer jusqu’au micron ! 

On retrouve les capteurs de déplacement linéaires dans de multiples industries : électronique et machines-outils où des très petites pièces sont utilisées, mais aussi l’automobile et les équipementiers (guidage robot pour positionner la préhension/dépose d’objet par exemple) ou encore le plastique et le caoutchouc pour le contrôle d’épaisseur de film notamment.

Qu’est-ce qu’un capteur de déplacement ?

Définition du capteur de déplacement

Les capteurs de déplacement ont pour applications principales de mesurer, contrôler, positionner ou réguler les produits ou les processus. Autant de tâches primordiales pour assurer une qualité de produits parfaite.

Plus précisément, les capteurs de déplacement détectent les éléments suivants :

• Épaisseur et largeur
• Hauteur et niveau
• Position
• Diamètres extérieurs et intérieurs
• Profil
• Planéité
• Fentes et distances
• Excentricité

Les différentes technologies de mesures de distance

Ils existent de nombreuses technologies pour mesurer des distances. Il semble en effet évident que lorsque qu’on cherche à détecter des variations de l’ordre du micron quand on est tout près d’un objet ou de l’ordre de plusieurs centimètres quand on est très loin, ce n’est pas la même technologie qui peut être utilisée. Parmi toutes celles disponibles, on peut citer la technologie ultrasonique (capteurs ultrasons), qui s’adapte bien aux courtes distances et à certains types d’objets colorés ou brillants ou la technologie temps de vol (temps de propagation de la lumière ou encore Time of Light) qui elle est plutôt dédiée aux moyennes et longues distances.

Sous la bannière « capteur de déplacement », on retrouve : 

• les capteurs avec contact comme les capteurs potentiométriques,
• les détecteurs sans contact comme les capteurs LVDT,
• les capteurs inductifs (à courant de Foucault),
• les capteurs optiques à mesure confocale-chromatique et interférométrique
• ou encore les capteurs à triangulation laser. 

Ce sont sur ces derniers que nous allons nous attarder car ils se distinguent par leur maturité technique et certains atouts que n’offrent pas d’autres technologies.

Fonctionnement du capteur de déplacement linéaire par triangulation laser

La triangulation laser est une mesure de distance unidimensionnelle ou multidimensionnelle résultant d’un calcul angulaire. Le capteur projette une lumière laser sur l’objet à mesurer. Le faisceau réfléchi est alors capturé, via une lentille optique, à un endroit particulier d’un récepteur photosensible, en fonction de la distance. La distance jusqu’à l’objet à mesurer est déterminée en triangulant la source lumineuse, le point de mesure sur l’objet et l’image de la lumière sur l’élément récepteur. Les capteurs sont disponibles avec des spots lumineux de différentes tailles. Il est préférable d’utiliser de petites géométries de points lumineux pour des objets très petits, alors qu’un capteur avec un point lumineux plus grand est recommandé pour les surfaces rugueuses.

Le même principe de fonctionnement s’applique également aux capteurs qui n’utilisent pas un spot lumineux, mais une ligne laser, combinée à un récepteur matriciel CMOS. Dans ce cas, un profil peut être détecté et évalué directement, sans avoir à déplacer l’objet.

Tableau comparatif des technologies de mesure de distance par application

Dans ce tableau ci-dessus, on peut constater que les capteurs de déplacement à triangulation laser sont performants pour les objets où la précision et la rapidité sont indispensables :

• Résolution
• Répétabilité
• Changement de température
• Mesure sur des petites surfaces/objets
• Temps de réponse rapide

Les capteurs de distance à ultrasons sont quant à eux performants pour les objets qui présentent des variations de couleur importantes ou une forte réflectivité (interaction avec la lumière forte) :

• Changement de couleur de surface
• Objets transparents (verre, films)
• Matériaux hautement réfléchissants
• Réflexions parasites/lumière ambiante

Quant aux capteurs de distance à technologie temps de vol, ils sont assez polyvalents mais se distinguent par de très grandes plages de mesures.

Attention, il faut bien avoir en tête que ce tableau ne constitue pas à lui seul un guide de sélection. Il faut bien entendu prendre en compte le contexte précis de son application, que ce soient les caractéristiques de l’objet à détecter (matériau, couleur, taille), l’environnement (lumière ambiante, contraintes mécaniques), la finalité de la mesure…

Les facteurs à prendre en compte pour le choix du capteur de distance

Les avantages de la technologie à triangulation laser des capteurs de déplacement SICK

1. Plage d'éloignement

Les appareils de la nouvelle génération de capteurs à triangulation laser SICK peuvent masquer certaines zones. Cette fonction est surtout utile lorsqu’il existe une vitre de protection entre le capteur et l’objet par exemple et qu’elle doit être masquée.

- OD1000 et - OD5000

3. Mesure de l’épaisseur d’un matériau transparent

Grâce aux capteurs à triangulation laser de SICK, l’épaisseur d’un matériau transparent peut désormais être déterminée. Avec une seule tête de capteur, OD Precision et OD5000 mesurent avec une très grande exactitude cette valeur : le faisceau laser du capteur est réfléchi au niveau des deux interfaces optiques du matériau. Un calcul de la différence entre les deux signaux de réception fournit efficacement la mesure souhaitée en termes d’épaisseur de l’objet transparent (a).

 

 

4. Réactivité et fiabilité

Le capteur OD5000est doté d’un tout nouveau récepteur dans lequel chaque élément de réception est directement réglé sur la situation d’éclairage spécifique. Une évaluation en aval n’a plus lieu d’être, le capteur étant capable de s’adapter très rapidement aux propriétés changeantes de l’objet et aux propriétés de réflexion optiques qui en résultent. Pour les applications complexes, cela offre des avantages déterminants, p. ex. si le contraste de la surface de l’objet mesuré passe brusquement du très sombre au très clair :

• Très grande vitesse de mesure, car aucun processus de retour externe n’est nécessaire
• Temps d’adaptation infimes avec des modifications de contraste rapides ou des sauts de distance

5. Filtres de mesures

Différents filtres de mesure permettent d’optimiser l’analyse des résultats de mesure et de réguler en douceur les processus, p. ex. pour la régulation précise de processus d’enroulement.

Avec une analyse innovante des mesures, les capteurs à triangulation laser de SICK simplifient diverses applications. La fonction Height-Jump par exemple permet de détecter rapidement des sauts de mesure, p. ex. lors du comptage des exemplaires dans le secteur de l’imprimerie.

Quelles sont les applications types des capteurs de déplacement ?

Industrie du bois : mesure de l’épaisseur et de la longueur sur différents matériaux

Des instruments de mesure optiques sont utilisés dans le traitement du bois pour surveiller l’épaisseur, la longueur et la largeur des plans de travail de cuisine, par exemple. Le grand défi ici est la grande variété de surfaces en plastique possibles appliquées au panneau. Les capteurs de mesure optiques offrent ici un avantage significatif car ils n’endommageront pas ces surfaces sensibles.

Traitement des métaux : Détection de doubles couches de feuilles à leur passage

Lors du traitement de la tôle dans divers secteurs, l’épaisseur d’une feuille individuelle doit être non seulement vérifiée, mais des doubles couches de feuilles doivent également être détectées. Les méthodes utilisées pour ce faire reposent généralement sur les courants de Foucault (capteurs inductifs), la technologie ultrasonique ou des mesures mécaniques. Cependant, de telles techniques atteignent rapidement leurs limites si elles sont requises pour traiter des vitesses de transport rapides et des longueurs de feuilles courtes. 

De plus, si les propriétés de surface des feuilles (rayures, gouttes d’huile, bavures, etc.) nécessitent que des filtres supplémentaires soient activés dans le capteur, alors les temps de réponse rapides et les petits spots lumineux des capteurs de mesure optiques les placent comme la solution la plus appropriée.

Traitement des métaux : Contrôle de la distance entre la tête de coupe et la tête de soudage

Afin de produire des coupes ou des soudures nettes, il est important de positionner la tête de coupe ou la tête de soudage à une distance correcte du matériau à traiter. L’environnement dans lequel cette mesure est prise peut parfois être soumis à de fortes fumées et à des interférences électromagnétiques, il peut donc être nécessaire de fournir une protection supplémentaire pour les capteurs. Encore une fois, les avantages des capteurs de mesure optiques gagnent ici, car ils mesurent très près de la tête d’usinage et n’endommagent pas la surface du matériau lors de la mesure.

Industrie automobile : Mesure des disques de frein et des oscillations

Lors de la fabrication des disques de frein, la stabilité dimensionnelle et le dépassement axial maximal doivent être vérifiés. Étant donné que même de minuscules déformations peuvent avoir un impact significatif sur la fonction, des procédés de mesure précis et sans contact sont utilisés ici.

Électronique : Vérification de la hauteur et de la longueur des appareils 

Lors de l’assemblage des PCB, les composants doivent être vérifiés à un stade précoce du processus pour s’assurer qu’ils ont été positionnés et connectés correctement, par exemple, voir s’ils ne sont pas soulevés sur un côté. Une solution avec des instruments de mesure optiques est le meilleur choix pour cette application aussi, en raison du positionnement précis du spot lumineux sur des éléments très petits et la mesure directe de profils en utilisant un capteur avec une ligne laser.

Trois têtes de capteurs sont capables de mesurer si les appareils positionnés sont inclinés dans des axes différents. Cette mesure est extrêmement importante lors de l’installation d’écrans de smartphone, par exemple.

Industries de l’électronique et du solaire : Mesure de la profondeur des stries de sciage sur les wafers solaires

La mesure de la profondeur des stries de sciage empêche la rupture des wafers. Les capteurs de déplacement garantissent dès le processus de fabrication une haute qualité de wafer. 

Industrie du verre : Mesurer la distance et l’épaisseur du verre 

Une mesure de distance est essentielle pour s’assurer qu’une surface de verre est positionnée à une distance correcte d’une pince. Certains capteurs laser, ainsi que des capteurs à confocale-chromatique ou même des capteurs à ultrasons conviennent à cette tâche. 

Cependant, des capteurs de mesure optiques sont nécessaires pour mesurer l’épaisseur d’un seul côté. Cela garantit que le verre est positionné au bon endroit. D’une manière générale, on peut mesurer des objets transparents d’une épaisseur d’environ 3 μm à 20 mm en utilisant la méthode optique.

Industrie des plastiques : Mesure de l’épaisseur d’un film

Une épaisseur de film uniforme est une caractéristique essentielle des films de haute qualité. Les instruments de mesure optiques sont capables de détecter l’épaisseur des films soufflés avec précision et sans détruire l’échantillon. Tous les ajustements peuvent être effectués directement dans le processus de production afin d’obtenir la meilleure qualité possible.

Assemblage : Contrôle des cordons de colle

Seuls des instruments de mesure sans contact sont capables de détecter le profil d’un matériau distribué (par exemple, un cordon de colle) qui n’a pas encore durci, étant donné que tout type de contact mécanique changerait immédiatement le profil du matériau appliqué. Le contrôle qualité est idéalement réalisé à l’aide d’un capteur linéaire, qui se déplace avec le distributeur et vérifie le profil du matériau appliqué le plus près possible du point de décharge du matériau.

Conclusion

Les capteurs de déplacement appartiennent à la grande famille des capteurs de distances. De nombreuses technologies peuvent être utilisées, à choisir selon l’application. La technologie optique sans contact de triangulation laser leur confère une grande précision de mesure à courte portée. Cela les prédispose à des applications de contrôle qualité non destructif de très petites pièces pour lesquelles ils peuvent mesurer : l’épaisseur et la largeur, la hauteur et le niveau, la position, les diamètres extérieurs et intérieurs, le profil, les fentes et distances, l’excentricité et la planéité. La plupart des secteurs industriels qui doivent réaliser des contrôles de précision parfois de l’ordre du micron sont touchés. On citera par exemple l’automobile, l’électronique, le secteur du bois ou l’industrie du verre. SICK propose une large gamme de capteurs de déplacement et vous conseille sur le meilleur choix technologique pour votre application de mesure. N’hésitez pas à nous contacter.

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