Comment les capteurs de proximité fonctionnent-ils dans les différentes industries ?

Dans le monde technologique contemporain, des milliards de processus sont contrôlés par des éléments cachés et, dans la plupart des cas, méconnus. Qu'il s'agisse des mouvements complexes de la chaîne de production dans une usine ou de l'écran d'un téléphone muet qui s'assombrit lors d'un appel téléphonique, ce sont les capteurs de proximité qui rendent possibles l'automatisation et la conception intelligente dans les coulisses. Ces dispositifs donnent aux machines un sens fondamental, une capacité à voir ou à sentir l'occurrence d'un objet sans nécessairement le toucher. Ils sont devenus la clé de voûte de l'efficacité, de la sécurité et de la conception centrée sur l'utilisateur dans la quasi-totalité des grandes industries. Le présent document met en lumière les principes de ces éléments décisifs, décrit leurs principaux reproches aux capteurs de proximité et discute de leurs utilisations qui changent la donne dans les entreprises industrielles les plus importantes.

Qu'est-ce qu'un capteur de proximité et pourquoi les industries s'en servent-elles ?

Pour apprécier leur impact, il faut d'abord comprendre leur nature fondamentale et les avantages distincts qu'ils offrent par rapport aux solutions mécaniques traditionnelles.

Qu'est-ce qu'un capteur de proximité ?

Un capteur de proximité est un instrument électronique capable de détecter la présence d'objets proches sans contact physique. Dans le commerce, le capteur fonctionne en projetant un champ d'énergie dans son voisinage immédiat, par exemple un champ électromagnétique, un faisceau de lumière infrarouge, un faisceau sonore à haute fréquence, etc. Il analyse ensuite la variation de ce champ ou son signal de retour. Lorsqu'un objet situé dans une zone de détection rompt ce champ, le circuit de sortie du capteur s'enclenche et indique la présence de l'objet au système de contrôle connecté (tel qu'un PLC, un microcontrôleur ou un ordinateur). La caractéristique qui différencie les capteurs de proximité des autres dispositifs de type mécanique tels que les détecteurs de proximité est que les capteurs de proximité peuvent être identifiés comme un principe sans contact.

Pourquoi cette technologie est indispensable

L'adoption généralisée des capteurs de proximité n'est pas le fruit du hasard ; elle résulte directement des avantages opérationnels indéniables qu'ils offrent et qui les rendent indispensables à l'automatisation moderne.

• Fiabilité et longévité accrues: Les capteurs de proximité n'ayant pas de pièces mobiles, ils ne sont pas soumis à l'usure mécanique qui affecte les interrupteurs traditionnels. Cette conception à l'état solide se traduit par une durée de vie opérationnelle nettement plus longue et réduit les besoins de maintenance, ce qui se traduit par une diminution des temps d'arrêt et des coûts à long terme.
• Fonctionnement à grande vitesse: Libérés de l'inertie mécanique, les capteurs électroniques peuvent s'allumer et s'éteindre à des vitesses incroyablement élevées. Ils sont donc idéaux pour les applications impliquant des processus rapides, telles que le comptage d'objets sur un convoyeur à bande se déplaçant rapidement ou la surveillance de l'état d'avancement d'un projet de construction ou d'un projet de construction. mouvement d'un objet dans les machines.
• Sécurité et intégrité des produits: La nature sans contact de ces capteurs leur permet de détecter des objets sans les déranger. Cette caractéristique est essentielle dans les applications où la cible est délicate, fraîchement peinte ou stérile. Ils améliorent également la sécurité de l'opérateur en permettant aux machines de détecter la présence d'un objet. voisinage des mains ou des outils dans les zones dangereuses.
• Résilience environnementale: De nombreux types de capteurs de proximité sont scellés dans des boîtiers robustes, ce qui les rend très résistants à la corrosion. les conditions environnementales comme la poussière, l'humidité, l'huile et les contaminants chimiques. Cela leur permet de fonctionner de manière fiable dans des environnements industriels difficiles où les dispositifs mécaniques tomberaient rapidement en panne.

Comprendre les quatre principaux types de technologies de détection de proximité

Bien que tous les capteurs de proximité reposent sur le même principe de détection sans contact, ils accomplissent leur tâche sur la base de principes physiques différents. Le choix du type de capteur est déterminé par la nature du matériau de l'objet cible, la portée de détection nécessaire et l'environnement de fonctionnement. Il existe quatre grands types de capteurs de proximité, à savoir les capteurs de proximité inductifs, les capteurs de proximité capacitifs, les capteurs photoélectriques et les capteurs de proximité à ultrasons. Détecteurs de proximité inductifs

Le capteur inductif est le cheval de bataille de l'automatisation industrielle pour la détection d'objets métalliques.

Principe de fonctionnement :

Un capteur inductif peut également produire un champ électromagnétique à haute fréquence par l'intermédiaire d'une bobine située sur la face de détection. Les objets fabriqués à partir d'un matériau métallique (matériaux ferreux ou non ferreux) produisent de très petits courants électriques, appelés courants de Foucault, sur leurs surfaces extérieures lorsqu'ils sont introduits dans ce champ. Ces courants de Foucault provoquent la formation d'un second champ magnétique qui s'oppose au champ original sur le capteur et le diminue. Cette perte d'oscillation du champ est détectée en interne par le circuit du capteur et utilisée pour générer la sortie.

Objets cibles : Détecte exclusivement les objets métalliques.

Avantages :

• Extrêmement robuste et durable.
• Très résistant à la poussière, à la saleté, à l'huile et à l'humidité.
• Des vitesses de commutation rapides et une très longue durée de vie.
• Peut résister à des températures extrêmes.

Inconvénients :

• Limité à la détection de cibles métalliques uniquement.
• La plage de détection est relativement courte, allant généralement de quelques millimètres à environ 60 mm.

Capteurs de proximité capacitifs

Les détecteurs capacitifs offrent une plus grande polyvalence des matériaux par rapport à leurs homologues inductifs.

Principe de fonctionnement :

Les capteurs capacitifs sont des condensateurs ouverts dont la face sensible est une plaque et dont l'autre plaque est une seconde électrode interne. Cela permet d'obtenir un champ électrostatique stable. Lorsqu'un objet, conducteur ou non, s'approche de la face de détection, la constante diélectrique des espaces entre les plaques est modifiée. Cette modification des capacités diélectriques entraîne une modification de la capacité du système. Lorsque ce changement dépasse un certain seuil, le capteur devient actif.

Objets cibles : Peut détecter presque tous les matériaux, y compris les métaux, les plastiques, le bois, les liquides, les poudres et les substances granuleuses.

Avantages :

• Très polyvalent dans la gamme des matériaux qu'il peut détecter.
• Utile pour les applications telles que la détection de niveau de liquide à travers une paroi de réservoir non métallique.

Inconvénients :

• Plus sensibles aux facteurs environnementaux tels que l'humidité, ce qui peut entraîner des déclenchements intempestifs.
• La plage de détection est également assez courte.

Capteurs de proximité photoélectriques

Les capteurs photoélectriques (ou optiques) utilisent un faisceau de lumière pour détecter la présence d'un objet.

Principe de fonctionnement :

Ces capteurs se composent de deux éléments principaux : un émetteur (généralement une DEL infrarouge ou à lumière visible) et un récepteur (une photodiode ou un phototransistor). Ils fonctionnent dans l'un des trois modes principaux :

Traversée de la poutre: L'émetteur et le récepteur se trouvent dans des boîtiers séparés, face à face. Un objet est détecté lorsqu'il coupe le faisceau de lumière entre eux.

Rétro-réfléchissant: L'émetteur et le récepteur se trouvent dans le même boîtier. Le faisceau lumineux rebondit sur un réflecteur spécial et un objet est détecté lorsqu'il interrompt cette trajectoire.

Diffusion-réflexion: L'émetteur et le récepteur se trouvent dans le même boîtier, et le capteur s'appuie sur la réflexion directe du faisceau lumineux sur l'objet cible lui-même.

Objets cibles : Détecte la plupart des objets opaques ou semi-opaques.

Avantages :

• Offre une plage de détection beaucoup plus longue que les types inductifs ou capacitifs, pouvant atteindre plusieurs mètres.
• Très polyvalent et disponible dans différentes configurations.

Inconvénients :

• La performance peut être affectée par la couleur, la réflectivité et la texture de la surface de la cible.
• Les lentilles peuvent être obscurcies par la poussière, la saleté ou l'humidité, ce qui nécessite un nettoyage périodique.

Capteurs de proximité à ultrasons

Les capteurs à ultrasons utilisent des ondes sonores pour mesurer la distance et détecter des objets, à l'instar d'un sonar.

Principe de fonctionnement :

Le capteur émet une brève impulsion sonore à haute fréquence. Il passe ensuite en mode d'écoute, attendant que le son se réfléchisse sur un objet et revienne sous forme d'écho. Le microprocesseur du capteur mesure le temps écoulé entre l'émission et la réception du son (appelé “temps de vol”). En utilisant la vitesse du son, il calcule avec précision la distance de l'objet.

Objets cibles : Peut détecter presque tous les objets qui réfléchissent le son, indépendamment de leur couleur, de leur transparence ou de la brillance de leur surface. Cela inclut le verre transparent, les liquides et les métaux brillants.

Avantages :

• Excellent pour la détection d'objets transparents ou de forme irrégulière.
• Insensible à la couleur.
• Peut être utilisé pour la mesure de la distance, et pas seulement pour la détection de présence.

Inconvénients :

• Temps de réponse plus lent que celui des capteurs photoélectriques.
• Peut avoir des difficultés à détecter des matériaux souples, absorbant le son, tels que la mousse ou le tissu.
• Il peut y avoir une “zone aveugle” très proche de la face du capteur où la détection n'est pas possible.

Résumé des types de capteurs de proximité

Les capteurs au service de l'automatisation dans l'industrie manufacturière

Dans l'industrie manufacturière, les capteurs de proximité constituent les étapes de base de l'automatisation. Sur une chaîne de production moderne, des centaines de ces capteurs coopèrent pour garantir que les processus se déroulent sans heurts, en toute sécurité et de la manière la plus efficace possible. La vérification de l'emplacement des pièces de machines métalliques, des pinces et des fixations est universellement réalisée à l'aide de capteurs de proximité magnétiques. Pour reprendre l'exemple précédent, un capteur indiquera à un bras robotisé qu'un châssis métallique est dans la bonne position avant le début du soudage. Sur un système de convoyage, la détection et le comptage d'objets sont essentiels et les capteurs photoélectriques conviennent parfaitement à cette fin ; un capteur à faisceau traversant peut s'assurer que chaque bouteille passe et un capteur diffus peut s'assurer qu'une étiquette a été apposée sur une boîte. Ce retour d'information continu signifie que le contrôle peut être précis, que le nombre d'erreurs est minimal et que le rendement est extrêmement élevé.

Améliorer l'expérience de l'utilisateur dans les produits électroniques grand public comme votre smartphone

Toutefois, en dehors des usines, des capteurs de proximité se trouvent au cœur d'appareils que nous utilisons tous régulièrement. La plupart des gens connaissent le plus populaire d'entre eux, le capteur de proximité infrarouge (IR) de leur smartphone. Lorsque vous placez votre téléphone sur votre oreille pour parler, l'écran s'éteint automatiquement afin d'éviter tout contact indésirable avec la peau de votre visage et d'économiser l'énergie de votre batterie. Pour ce faire, on utilise une petite LED IR qui émet un faisceau invisible de lumière infrarouge et un dispositif de détection de la lumière qui lit la réflexion. Lorsque votre visage est proche, l'intensité de la lumière réfléchie est très élevée, ce qui incite le logiciel à éteindre l'écran et l'écran tactile. Cette interaction transparente et facile est un parfait exemple de la manière dont les capteurs peuvent être mis en œuvre pour offrir une expérience utilisateur plus naturelle et plus intelligente, en particulier dans les applications Android et mobiles.

Améliorer les systèmes de sécurité grâce aux capteurs dans l'industrie automobile

Les capteurs de proximité sont l'une des fonctionnalités les plus exploitées dans l'industrie automobile, dont les principales fonctions sont de promouvoir la sécurité du véhicule et le confort du conducteur. Le bip familier d'un système d'aide au stationnement est le résultat de l'activité de capteurs à ultrasons installés dans le pare-chocs de la voiture. Ces capteurs émettent des impulsions sonores lorsque le véhicule recule. Le son rebondit lorsqu'un obstacle tel qu'un véhicule, un trottoir ou un piéton se trouve à l'arrière du véhicule. En évaluant le temps de vol, le système obtient la distance par rapport à l'obstacle et convertit les valeurs en signal sonore et/ou visible pour le conducteur. Plus l'objet est proche, plus les signaux sonores sont rapides. Ce système a permis de réduire considérablement les échecs de stationnement à faible vitesse et a servi de base aux systèmes sophistiqués de stationnement automatisé et d'aide à la conduite (ADAS).

Comment choisir le bon capteur pour les besoins de votre industrie

La sélection du capteur de proximité approprié parmi les milliers de modèles disponibles est une décision technique cruciale. Pour faire le bon choix, il faut évaluer systématiquement les exigences spécifiques de l'application. L'ingénieur ou le technicien doit suivre un processus décisionnel clair :

• Identifier le matériau cible: L'article à détecter est-il métallique ? Si la réponse est affirmative, un capteur inductif est généralement l'option la plus robuste et la plus économique. Les capteurs capacitifs, photoélectriques ou à ultrasons sont nécessaires lorsqu'il s'agit d'un objet non métallique, d'un liquide ou d'une poudre.
• Déterminer la distance de détection: Les capteurs à induction et à capacité peuvent être utilisés lorsque la portée est courte (quelques millimètres). Les capteurs photoélectriques sont les plus courants lorsqu'il s'agit de mesurer des distances plus longues, de quelques centimètres à plusieurs mètres. Les capteurs à ultrasons occupent un espace intermédiaire entre le centimètre et le mètre.
• Analyser l'environnement opérationnel: Le capteur sera-t-il soumis à la poussière, à l'eau, à l'huile ou à des températures élevées ? Les détecteurs inductifs peuvent être très résistants dans des environnements sales et encrassés. Les lentilles photoélectriques doivent être protégées contre l'obscurcissement lorsque l'application comporte beaucoup de poussière ou de vapeur.
• Tenir compte des propriétés de la cible: Outre le matériau, d'autres caractéristiques sont également essentielles. La cible est-elle transparente, comme une bouteille de verre ? Il est préférable d'utiliser un capteur photoélectrique rétroréfléchissant/ultrasonique. A-t-elle une couleur irrégulière ? Un capteur photoélectrique diffus sera moins fiable qu'un capteur ultrasonique qui est daltonien.
• Évaluer les exigences en matière de vitesse et de précision: Lorsqu'un nombre précis de comptages ou de positionnements est requis et que la vitesse est un problème, la combinaison des temps de réponse rapides des capteurs inductifs et photoélectriques est nécessaire. Dans les applications qui exigent une grande précision dans la mesure de la distance, un capteur à ultrasons ou un capteur photoélectrique laser spécial conviendrait.

L'avenir de la détection de proximité dans la robotique et l'IdO

Le travail des capteurs de proximité est encore en cours de développement. Ils gagnent en importance dans le domaine de l'IdO et de la robotique. Dans le cas des robots collaboratifs actuels (“cobots”) destinés à opérer dans le même espace que les humains, une série de capteurs avancés sont utilisés pour assurer la sécurité et former un champ de protection virtuel qui réduit ou arrête la vitesse du robot lorsque l'humain est trop proche. Les capteurs de proximité sont les capteurs de données les plus importants dans le vaste réseau de l'IdO. Ils permettent aux bâtiments intelligents de savoir qui se trouve dans une pièce afin d'ajuster l'éclairage et le contrôle du chauffage, de la ventilation et de la climatisation, aux systèmes agricoles intelligents de vérifier le niveau de remplissage des silos à grains et aux entreprises de logistique de suivre les colis qui circulent dans un entrepôt. Avec la diminution inexorable de leur taille et l'augmentation de leur efficacité énergétique et de leur connectivité (grâce aux connexions sans fil), la capacité des capteurs à fournir des données en temps réel deviendra de plus en plus le moteur de l'innovation derrière le développement de la prochaine génération de systèmes intelligents et connectés.