Quel est le principe de fonctionnement d'un capteur de proximité inductif ?

Comment fonctionne un capteur de proximité inductif ?

Si vous êtes déjà allé dans une usine ou si vous avez vu une chaîne de production en action, vous avez peut-être remarqué de petits dispositifs rectangulaires placés près des tapis roulants ou des bras robotiques. Ce sont des capteurs de proximité : le capteur de proximité inductif est l'un des types les plus courants. Mais savez-vous ce qu'est réellement un capteur de proximité inductif ? C'est plus simple que vous ne le pensez ! Examinons pas à pas ce capteur afin que vous compreniez pourquoi il constitue un excellent outil pour détecter les objets métalliques.

Les capteurs de proximité inductifs fonctionnent sans avoir besoin de lumière, de son ni de contact actif. Ils automatisent simplement la détection par induction électromagnétique, un principe qui a fait ses preuves au fil du temps. Ces capteurs déterminent de manière fiable la présence de métaux lors de diverses tâches d'automatisation industrielle. Ils évitent les collisions des robots lorsque leurs bras sont manœuvrés près de pièces métalliques, et permettent le tri et le comptage des produits métalliques sur les bandes transporteuses. Pour apprécier pleinement la valeur de ces capteurs en automatisation industrielle, il est essentiel de comprendre leurs principes fondamentaux, ainsi que les notions d'ingénierie et de physique qui leur sont associées, et la manière dont ils transforment les variations d'un champ magnétique en signaux exploitables.

Composants essentiels qui permettent leur fonctionnement

Le principe de fonctionnement repose sur les différentes parties d'un capteur de proximité inductif. Il s'agit d'un système composé de plusieurs éléments qui doivent fonctionner en synergie. Pour bien comprendre le système, prenez en compte le fait qu'il existe quatre éléments fondamentaux que possède tout capteur. Ces composants essentiels doivent coopérer pour que le capteur puisse fonctionner.

Le premier composant est l'oscillateur. Considérez-le comme la « source d'énergie » du champ magnétique du capteur. Il produit un courant alternatif haute fréquence —généralement dans la plage des kilohertz —et ce courant change rapidement de sens. Suit ensuite la bobine de détection, généralement une boucle de fil fin et de haute qualité (par exemple, du cuivre) enroulée autour d'un noyau en ferrite. Lorsque l'oscillateur envoie un courant alternatif à travers la bobine, celle-ci remplit une fonction importante : elle génère un champ magnétique alternatif autour d'elle-même. C'est comme une petite « bulle » magnétique invisible entourant la face avant du capteur.

La prochaine étape consiste à concevoir le circuit d'amplification. Le rôle de ce composant est de « détecter » les variations du champ magnétique. Lorsqu'un élément perturbe ce champ, nous verrons bientôt de quel « élément » il s'agit, les propriétés électriques de la bobine changent également —et ces changements sont minimes. L'amplificateur renforce ces faibles variations afin de les rendre plus significatives pour le traitement par la suite. La dernière partie est le circuit de sortie. Lorsque le signal amplifié atteint cette section, le circuit détermine si un objet métallique est présent, puis envoie un signal, généralement numérique (marche/arrêt), à la machine avec laquelle il est interfacé, afin d'indiquer à un convoyeur de s'arrêter, à un bras robotisé de se déplacer ou à un compteur d'augmenter sa valeur d'une unité.

Chenwei Automation a conçu les composants essentiels des capteurs de proximité inductifs en les optimisant. Par exemple, la bobine de détection est fabriquée avec des fils de cuivre de qualité pour assurer une détection constante et précise. Le capteur ne fonctionnerait pas si l'un de ces composants venait à manquer, et cela s'applique à tous sans exception. Ils sont parfaitement intégrés au reste du système.

Induction électromagnétique : les bases

Après avoir examiné les composants, intéressons-nous au principe fondamental qui permet le fonctionnement de l'ensemble : l'induction électromagnétique. Ce concept a été mis au point par un scientifique anglais, Michael Faraday, au XIXe siècle, et constitue le principe de fonctionnement des générateurs et des transformateurs. Nous allons étudier son principe de fonctionnement dans le contexte des capteurs de proximité inductifs.

La bobine de détection reçoit un courant alternatif haute fréquence. Lorsque le courant est appliqué dans un sens, puis dans le sens opposé, la bobine génère des champs magnétiques alternatifs. C'est cette « bulle » magnétique « invisible » qui s'étend du capteur de proximité jusqu'à 30 mm à son point le plus éloigné lorsque le capteur est activé. Lorsque le capteur n'est pas activé, le champ est au repos et constant. L'absence de champ magnétique indique la présence d'un objet métallique à proximité du capteur. Dans cet état, l'oscillateur est actif, l'impédance de la bobine est constante, et il n'y a aucune fluctuation.

C'est ici que la loi de Faraday sur l'induction électromagnétique est utile. Lorsqu'un conducteur, c'est-à-dire un métal, est exposé à un champ magnétique, un courant circule en raison du champ magnétique variable. Ce courant est un courant de Foucault, c'est-à-dire un courant qui circule selon un motif en spirale et se referme sur lui-même. Imaginez comment l'eau tourbillonne dans une flaque en formant des remous. Ces courants génèrent leur propre champ magnétique, dont la polarité est opposée à celle produite par la bobine du capteur. C'est la loi de Lenz, qui fait partie de l'électrodynamique. À présent, au lieu d'un champ magnétique constant, la bobine subit un champ magnétique de « réaction » produit par le courant de Foucault.

Les variations du champ magnétique opposé influencent le fonctionnement de la bobine de détection. Vous souvenez-vous de la définition de l'impédance d'une bobine ? Lorsque le champ magnétique opposé interagit avec la bobine, l'impédance augmente. Il devient plus difficile pour la bobine d'accommoder le courant alternatif envoyé par l'oscillateur, et l'oscillateur peut s'affaiblir ou ralentir en raison de la résistance supplémentaire. Ce phénomène —une augmentation de l'impédance ou une diminution de la sortie de l'oscillateur —est [probablement] la seule chose que le circuit amplificateur du capteur enregistre. Il est tout à fait raisonnable d'en conclure que le capteur indique : « Un objet métallique est présent ! »

Comment il détecte les objets métalliques (le principe clé)

Nous avons établi qu'un objet métallique capteur [ed] courant [s] et perturbe le champ magnétique du capteur. Comment le capteur traduit-il cette perturbation et signale-t-il au contrôleur d'indiquer « objet présent » et « objet absent » ? C'est là la fonction du reste du circuit et la raison pour laquelle les capteurs de proximité inductifs sont fiables et utilisés dans l'industrie. Examinons un exemple. Imaginez un dispositif placé au-dessus d'un tapis roulant transportant des écrous métalliques. Si un écrou n'est pas proche du capteur, le champ magnétique autour de l'écrou ne se déforme pas. L'impédance de la bobine reste faible, la puissance de fonctionnement de l'oscillateur reste élevée, et l'amplificateur n'enregistre pas de changements significatifs. Le circuit de sortie conserve son état « normal », et le système envoie un signal « bas » au système de convoyeur, lui indiquant de continuer à avancer.

Un écrou métallique glisse sous le capteur, entrant dans sa plage de détection. Des courants de Foucault sont induits dans l'écrou, générant un champ magnétique opposé. L'impédance de la bobine change et le courant de l'oscillateur diminue. L'amplificateur détecte la variation du courant (ou la diminution de l'impédance) et l'amplifie. Ce signal amplifié est envoyé au circuit de sortie, configuré avec un « seuil ». Ce seuil constitue une limite qui, lorsqu'elle est franchie, déclenche une action. Le seuil est atteint, et l'état du circuit de sortie change : il envoie un signal « haut » au système de contrôle. Ce signal peut ordonner au convoyeur de s'arrêter brièvement afin qu'un bras robotisé puisse saisir l'écrou, ou bien incrémenter un compteur qui suit le nombre d'écrous traités.

Voici quelque chose que vous devez savoir : les capteurs de proximité inductifs ne détectent que certains matériaux —et ce sont surtout des métaux comme l'acier, l'aluminium et le cuivre. Ils ne détecteront pas les matériaux non métalliques tels que le plastique, le bois ou le verre, car ces matériaux sont de faibles conducteurs. Toutefois, dans de nombreuses usines, c'est un grand avantage. Par exemple, si vous emballez des pièces métalliques dans des sacs en plastique (qui sont non métalliques), le capteur peut ignorer le sac et détecter uniquement le métal. Les capteurs de proximité inductifs de Chenwei Automation excellent particulièrement dans ce domaine. Ils peuvent distinguer des objets métalliques et non métalliques même très proches les uns des autres, évitant ainsi toute perturbation de la production due à de faux signaux.

Un autre point à comprendre est que le type et la taille du métal influent sur la portée de détection. Par exemple, une grande plaque d'acier sera détectée à une distance plus importante qu'une petite vis en aluminium, car les surfaces métalliques plus grandes produisent des courants de Foucault plus intenses. Toutefois, cela pose rarement un problème. La plupart des capteurs industriels sont conçus pour fonctionner avec différents types de métaux, vous n'aurez donc pas à remplacer les capteurs chaque fois que vous changez la pièce à détecter.

Logique de fonctionnement pratique dans les scénarios industriels

Il est important de comprendre comment les différents composants fonctionnent dans un contexte scientifique afin d'avoir une vue d'ensemble de la logique sous-jacente aux diverses applications industrielles dans une usine de production. Nous utiliserons quelques illustrations pour expliquer le principe de fonctionnement. Cela explique la popularité des capteurs de proximité inductifs dans le domaine de l'automatisation.

Prenons l'exemple d'un fabricant de pièces automobiles. Il peut y avoir un capteur de proximité inductif fabriqué par Chenwei Automation, utilisé sur une chaîne d'assemblage qui fixe des boulons métalliques sur des blocs moteurs. Le capteur est installé sur le bras robotisé qui tient le boulon. Avant que le bras ne se déplace pour visser le boulon sur le bloc moteur, le capteur doit confirmer que le bras tient effectivement un boulon. Si le bras est vide, il perdrait simplement du temps à tourner ou pourrait endommager le bloc moteur. Voici ce qui se passe : lorsque le bras prend un boulon, celui-ci entre dans la plage de détection du capteur. Des courants de Foucault se forment alors sur le boulon, l'impédance de la bobine change, et le capteur envoie un signal « boulon présent » au contrôleur du robot. Ce dernier ordonne alors au bras de se déplacer vers le bloc moteur et d'entamer le vissage. S'il n'y a pas de boulon, le capteur envoie un signal « pas de boulon », et le contrôleur arrête le bras, évitant ainsi une erreur.

Un autre exemple serait une ligne d'emballage pour des boîtes en métal. Les boîtes sont transportées par un système de convoyeur et doivent être remplies de soda puis scellées. Un capteur de proximité inductif est fixé près de la buse de remplissage. Lorsqu'une boîte se positionne sous la buse, le capteur détecte la structure métallique de la boîte et déclenche l'activation du système de remplissage. Pendant que la boîte se remplit, le capteur détecte l'absence de la boîte et envoie un signal à la buse pour arrêter le flux. Ce système est conçu pour détecter les boîtes et les remplir automatiquement, garantissant ainsi qu'aucun soda ne soit gaspillé, même lors d'une production à grande vitesse.

Une fois encore, le temps de réponse requis du système de capteurs est de l'ordre de la milliseconde. Cela est crucial pour maintenir les débits de production souhaités. Si le système de capteurs mettait ne serait-ce qu'une seconde à répondre, cela signalerait un défaut dans le processus de production. Pour éviter de tels problèmes, Chenwei Automation conçoit ses capteurs afin qu'ils réagissent en temps réel aux mouvements des systèmes robotiques rapides et des convoyeurs. La plupart des technologies de capteurs peuvent être perturbées dans des environnements poussiéreux, mais pas les capteurs de proximité inductifs. Ils tolèrent la saleté et l'humidité et continuent de fonctionner dans des conditions difficiles. Les capteurs cessent uniquement de fonctionner lorsque les champs magnétiques interagissent à l'intérieur du capteur pour le désactiver.

Un autre point digne de mention est que ces capteurs sont « sans contact ». Cela signifie qu'ils peuvent détecter un objet métallique sans avoir à le toucher. C'est un avantage par rapport aux interrupteurs mécaniques, dont les contacts s'useraient avec le temps. Les capteurs de proximité inductifs ne touchent rien, ce qui explique leur durée de vie plus longue et leur besoin très limité d'entretien. Cela est important pour les usines fonctionnant 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, car cela permet une disponibilité accrue et réduit les coûts de remplacement.