Capteurs de déplacement à courants de Foucault haute précision pour applications industrielles

Principes et avantages des capteurs à courants de Foucault

Les capteurs de déplacement à courants de Foucault appartiennent au groupe des capteurs de déplacement inductifs et sont bien adaptés aux applications industrielles. Contrairement aux capteurs inductifs conventionnels, le principe de mesure des capteurs à courants de Foucault permet des mesures sur des matériaux non ferromagnétiques (ex: aluminium) ainsi que ferromagnétiques (ex: acier). Ils sont conçus pour des mesures sans contact et sans usure du déplacement, distance, position, oscillation, vibration et épaisseur. Ils sont donc idéaux pour la surveillance de machines et systèmes — ils peuvent effectuer des mesures dans des environnements industriels difficiles, même en présence de pression, saleté ou fluctuations de température.

Typiquement, les capteurs de déplacement à courants de Foucault sont utilisés là où une haute précision de mesure est requise et où d'autres capteurs ne peuvent pas faire face aux conditions ambiantes. Les capteurs optiques, par exemple, sont influencés par la saleté ou la poussière dans l'espace de mesure et par les hautes températures. Les capteurs de déplacement inductifs conventionnels utilisent des noyaux en ferrite, qui ont une erreur de linéarité relativement élevée et une réponse en fréquence plus faible. De plus, leur précision de mesure diminue avec la fluctuation de la température ambiante.

Seules les cibles métalliques conductrices, qu'elles soient ferromagnétiques ou non, peuvent être mesurées avec des capteurs à courants de Foucault. Les matériaux non conducteurs sont invisibles pour le système de mesure à courants de Foucault et n'ont donc aucun effet sur les résultats. Pour cette raison, ces capteurs peuvent mesurer à travers des matériaux tels que les plastiques et l'huile sur des objets métalliques. Cela permet des applications telles que la mesure d'écarts d'huile et la mesure de distance contre des rouleaux qui guident des films plastiques.

Limitations des capteurs de déplacement inductifs conventionnels

Le capteur de déplacement inductif classique utilise une bobine enroulée autour d'un noyau ferromagnétique. En raison de ce noyau, la sortie est non-linéaire, elle doit donc soit être linéarisée dans l'électronique du capteur, soit l'utilisateur doit tenir compte de cette non-linéarité dans son système de contrôle d'usine.

En plus de la non-linéarité, d'autres limitations incluent les pertes fer causées par l'absorption du champ magnétique par le noyau lui-même. Ces pertes augmentent avec la fréquence, au point qu'un capteur de déplacement inductif atteint les limites de ses performances à environ 100 mesures par seconde.

Un autre problème des capteurs de déplacement inductifs est leur sensibilité aux variations extrêmes de température en raison du coefficient de dilatation thermique élevé du noyau en ferrite. Cela rend la compensation de température difficile, résultant généralement en une dérive thermique élevée.

Capteurs à courants de Foucault vs capteurs capacitifs

Les capteurs à courants de Foucault et capacitifs détectent la distance à un objet de mesure électriquement conducteur en se basant sur les changements dans le champ électrique. Les capteurs à courants de Foucault mesurent la distance via le changement d'impédance de la bobine du capteur. Avec la détection capacitive, le capteur et l'objet de mesure forment les plaques d'un condensateur.

Les deux types peuvent mesurer dans la gamme submicrométrique. Néanmoins, ils diffèrent considérablement par rapport à l'environnement d'exploitation. Les capteurs à courants de Foucault sont idéalement adaptés aux environnements industriels difficiles incluant saleté, poussière et humidité. Les capteurs capacitifs, en revanche, nécessitent des environnements propres comme on en trouve dans la production électronique, les laboratoires et les salles blanches.

Capteurs de déplacement à courants de Foucault

Bien que les capteurs à courants de Foucault utilisent les mêmes lois d'induction magnétique que les capteurs de proximité et de déplacement inductifs, leur construction à bobine sans noyau (air-core) permet une plus grande précision, vitesse de mesure et stabilité — la non-linéarité et la dérive de température ne sont pas des problèmes.

Leurs avantages incluent :

• Mesures rapides jusqu'à 100 kHz.
• Haute résolution jusqu'à 0,5 µm ou mieux.
• Haute linéarité.
• Haute stabilité de température dans des températures ambiantes fluctuantes, qui peut même être améliorée avec une compensation de température active intégrée.
• Mesure avec matériaux cibles ferromagnétiques ou non ferromagnétiques.
• Ils ne sont pas affectés par haute pression, haute température, saleté, vapeur ou huile.

Principe de fonctionnement des capteurs à courants de Foucault

Un courant alternatif dans la bobine de détection produit un champ magnétique variable. Ce champ induit un courant dans la cible — le courant de Foucault. Le courant de Foucault alternatif produit son propre champ magnétique, qui s'oppose au champ de la bobine de détection, modifiant ainsi l'impédance de la bobine de détection. La quantité de changement d'impédance dépend de la distance entre la cible et la bobine de détection dans la sonde. Le flux de courant dans la bobine de détection, qui dépend de l'impédance, est traité pour produire la tension de sortie, qui est une indication de la position de la cible par rapport à la sonde.

Compensation de température

Puisque plusieurs conceptions de capteurs à courants de Foucault sont disponibles chez Micro-Epsilon, les ingénieurs peuvent sélectionner le capteur optimal pour leur application particulière. Par exemple, la compensation de température active est nécessaire si des mesures hautement précises sont requises. Avec des températures variables, deux facteurs peuvent influencer le signal de mesure : les changements mécaniques, où les dimensions géométriques du capteur et de la cible changent sous forme d'extension ou de contraction. Et les effets électriques ont un impact encore plus grand que les mécaniques en raison des caractéristiques électromagnétiques changeantes.

Par exemple, la série eddyNCDT 3001 est spécialement conçue pour les applications où les capteurs de déplacement inductifs conventionnels ont souvent atteint leurs limites de performance. Elles ont des dimensions compactes et sont disponibles dans des boîtiers M12 et M18, couvrant des plages de mesure de 2 mm à 8 mm. Elles sont protégées IP67, et donc applicables dans l'automatisation, la construction de machines et la conception. De plus, elles sont compensées en température jusqu'à 70 °C. Elles offrent une haute précision et linéarité de mesure ainsi qu'un taux de réponse en fréquence de 5 kHz et sont étalonnées en usine pour des objets ferromagnétiques et non ferromagnétiques tels que l'aluminium et l'acier.

Paliers hydrostatiques

Une application pour les capteurs de déplacement à courants de Foucault est dans les grandes machines telles que les moulins à pierre ou les installations télescopiques, qui fonctionnent souvent avec des paliers hydrostatiques. Ces systèmes de paliers sont continuellement alimentés en lubrifiant liquide via une alimentation en pression externe. Le lubrifiant est pressé entre les surfaces de palier, qui sont donc continuellement séparées l'une de l'autre par un mince film lubrifiant. Les surfaces de palier ne sont pas exposées à la friction et fonctionnent donc sans usure. Cela permet un contrôle de position sub-micrométrique. Cependant, toute perturbation dans l'hydraulique ou chute de pression peut avoir des conséquences désastreuses. Cela pourrait entraîner des dommages aux paliers et finalement une défaillance du système, causant des coûts de maintenance et de réparation élevés. L'écart d'huile dans les paliers hydrostatiques nécessite donc une inspection continue et fiable. Pour cette application, le capteur est monté horizontalement sur la semelle de palier, donc il n'est pas directement exposé à la pression d'huile. Il mesure à travers le film d'huile sur la surface de palier opposée.

Moteurs à combustion

La position exacte du piston, des segments de piston et les conditions de pression existantes sont des informations essentielles pour les fabricants de moteurs à combustion. En utilisant des outils de simulation, ces données sont principalement utilisées pour faire des prédictions fiables sur l'usure, la friction et la consommation d'huile. Le capteur à courants de Foucault mesure le segment de piston et les mouvements secondaires du piston, avec de hautes précisions. Ici, les avantages des capteurs à courants de Foucault — résistance aux hautes températures dans les moteurs à combustion (jusqu'à 180 °C et même plus pour de courtes périodes) — sont évidents. Les vibrations, pression, huile, carburant, gaz de combustion et mouvement mécanique continu ne influencent pas la précision des résultats. De plus, les capteurs eddyNCDT offrent des vitesses de mesure rapides avec de petites plages de mesure (0 – 0,5 mm) et une résolution extrêmement élevée (moins de 1 µm).

Miniaturisation

Micro-Epsilon a développé un capteur utilisant la technologie de bobine intégrée (ECT) pour la miniaturisation. Cette technique de production permet une portée presque illimitée en termes de conception externe et de forme géométrique des capteurs, tout en permettant l'intégration de l'électronique d'évaluation dans le capteur. Il est construit en intégrant une bobine à courants de Foucault bidimensionnelle dans un matériau inorganique, ce qui améliore la stabilité, la robustesse et la résistance thermique des capteurs. Ces capteurs conviennent aux applications extrêmement difficiles telles que les ultra-vides dans la production de semi-conducteurs.

Capteurs de déplacement à courants de Foucault — Petits mais puissants travailleurs industriels

Ces petits capteurs sont idéaux pour les environnements industriels, où les conditions sont les plus rudes et les plus exigeantes, mais requièrent des mesures extrêmement précises. Ils peuvent être utilisés pour tout, de la mesure des écarts dans les paliers hydrostatiques des grandes machines, au jeu entre piston et cylindre, jusqu'aux mesures de distance contre les rouleaux qui guident les films plastiques.

Cet article a été écrit par Martin Dumberger, Directeur général, Micro-Epsilon USA, (Raleigh, NC). Pour plus d'informations, contactez M. Dumberger à cette adresse email protégée ou visitez ici.