Le principe des détecteurs photoélectriques les rend aptes à détecter tous types d'objets, qu'ils soient opaques, réfléchissants ou même quasi-transparents. Ils sont aussi exploités pour la détection de personnes (ouvertures de portes, barrières de sécurité).
Principe (Fig.14)
Une diode électroluminescente (LED) émet des impulsions lumineuses, généralement dans l'infrarouge proche (850 à 950 nm).
Cette lumière est reçue ou non par une photodiode ou un phototransistor en fonction de la présence ou de l'absence d'un objet à détecter.
Le courant photoélectrique créé est amplifié et comparé à un seuil de référence pour donner une information tout ou rien.
Différents systèmes de détection
Barrage (Fig.l4bis)
Émetteur et récepteur sont placés dans deux boîtiers séparés.
L'émetteur, une LED placée au foyer d'une lentille convergente, crée un faisceau lumineux parallèle.
Le récepteur, une photodiode (ou phototransistor) placée au foyer d'une lentille convergente, fournit un courant proportionnel à l'énergie reçue.
Le système délivre une information tout ou rien en fonction de la présence ou de l'absence de l'objet dans le faisceau.
Point fort : La distance de détection (portée) peut être longue (jusqu'à 50 m et plus). Elle dépend de la dimension des lentilles et donc du détecteur.
Points faibles : La nécessite de 2 boîtiers et donc de 2 alimentations séparées.
L'alignement pour des distances de détection supérieures à 10 m peut présenter une certaine difficulté.
Systèmes réflex
Il y a deux systèmes dits « Réflex » : simple et à lumière polarisée.
Réflex simple (Fig.15)
Le faisceau lumineux est généralement dans la gamme de l'Infra Rouge proche (850 à 950 nm).
Points forts : L'émetteur et le récepteur sont dans un même boîtier (un seul câble d'alimentation). La distance de détection (portée) est importante, bien qu'inférieure au barrage (jusqu'à 20 m ).
Point faible : Un objet réfléchissant (vitre, carrosserie de voiture, etc.) peut être vu comme un réflecteur et ne pas être détecté.
Réflex à lumière polarisée (Fig. 16)
Le faisceau lumineux utilisé est généralement dans la gamme du rouge (660 nm).
Le rayonnement émis est polarisé verticalement par un filtre polarisant linéaire. Le réflecteur a la propriété de changer l'état de polarisation de la lumière. Une partie du rayonnement renvoyé a donc une composante horizontale. Le filtre polarisant linéaire en réception laisse passer cette composante et la lumière atteint le composant de réception.
Un objet réfléchissant (miroir, tôle, vitre) contrairement au réflecteur ne change pas l'état de polarisation. La lumière renvoyée par l'objet ne pourra donc franchir le polariseur en réception (Fig.17).
Point fort : Ce type de détecteur résout le point faible du Réflex simple.
Points faibles : En contrepartie ce détecteur est d'un coût supérieur et ses distances de détection sont plus faibles :
Réflex IR --> 15m
Réflex polarisé --> 8m
Eclairage Automatique (Laser)
Système à réflexion directe (sur l'objet)
Réflexion directe simple (Fig.18)
On utilise la réflexion directe (diffuse) de l'objet à détecter.
Point fort : Le réflecteur n'est plus nécessaire.
Points faibles : La distance de détection de ce système est faible (jusqu'à 2 m). De plus, elle varie avec la couleur de l'objet à « voir » et du fond devant lequel il se trouve (pour un réglage donné, la distance de détection est plus grande pour un objet blanc que pour un objet gris ou noir) et un arrière plan plus clair que l'objet à détecter peut rendre le système inopérant.
Réflexion directe avec suppression de l'arrière plan (Fig.19)
Avec ce système, la détection se fait par triangulation.
La distance de détection (jusqu'à 2 m) ne dépend pas du pouvoir de réflexion de l'objet, mais uniquement de sa position : un objet clair est détecté à la même distance qu'un objet foncé. Enfin, un arrière plan situé au delà de la zone de détection sera ignoré.
Fibres optiques
Principe
Le principe de la propagation des ondes lumineuses dans la fibre optique est la réflexion totale interne.
Il y a réflexion totale interne lorsqu'un rayon lumineux passe d'un milieu à un autre, ce dernier ayant un indice de réfraction plus faible. De plus, la lumière est réfléchie en totalité (Fig.20) et il n'y a aucune perte de lumière lorsque l'angle d'incidence du rayon lumineux est plus grand que l'angle critique [θc].
La réflexion totale interne est régie par deux facteurs : les indices de réfraction des deux milieux et l'angle critique.
Ces facteurs sont reliés par l'équation suivante :
sin θc = n2/n1
En connaissant les indices de réfraction des deux matériaux de l'interface, l'angle critique peut facilement être calculé.
Physiquement, l'indice de réfraction d'une substance est le rapport entre la vitesse de la lumière dans le vide (c) et sa vitesse dans le matériau (v).
n = c/v
L'indice de l'air est considéré égal à celui du vide, puisque la vitesse de la lumière dans l'air est à peu près égale à celle dans le vide.
Différents types de fibres optiques
Il y a donc plusieurs types de fibres optiques : les multimodes et les monomodes (Fig. 21).
- Multimode
Ce sont des fibres dont la partie centrale, qui conduit la lumière, a un diamètre grand devant la longueur d'onde utilisée (ϕ plus au moins 9 à 125 μm, L0 = 0.5 à 1 mm). Dans ces fibres, deux types de propagation sont utilisés : à saut d'indice ou à gradient d'indice.
- Monomodes
Celles-ci ont par contre le diamètre du conduit de lumière très petit devant la longueur d'onde utilisée (ϕ <= 1 μm, L0 = généralement 1.5 μm). Leur propagation est à saut d'indice. Ces dernières sont surtout exploitées pour les télécommunications.
Ce cours rappel permet de comprendre le soin qui doit être apporté à la mise en oeuvre, par exemple en ce qui concerne la mise en place des fibres (efforts de traction réduits et rayons de courbure modérés selon la prescription des fabricants).
Les fibres optiques les plus employées dans l'industrie sont les multimodes qui présentent comme avantage leur robustesse électromagnétique (CEM -Compatibilité ElectroMagnétique- ), et la simplicité de mise en oeuvre.
Technologie des détecteurs
Les fibres optiques sont placées devant la DEL d'émission et devant la photodiode ou le phototransistor de réception (Fig.22).
Ce principe permet :
- d'éloigner l'électronique du point de contrôle,
- d'atteindre des endroits exigus ou de température élevée,
- de détecter de très petits objets (de l'ordre du mm),
- et, suivant la disposition de l'extrémité des fibres, de fonctionner en mode barrage ou proximité.
A noter que les jonctions entre la DEL d'émission ou le phototransistor de réception et la fibre optique doivent être réalisées avec le plus grand soin, afin de minimiser les pertes de transmissions.
Performances des détecteurs photoélectriques
Plusieurs facteurs sont à même d'influencer les performances de ces systèmes de détection comme :
- la distance (détecteur-objet),
- le type d'objet à détecter (sa matière diffusante, réfléchissante ou transparente, sa couleur et ses dimensions),
- l'environnement (lumière ambiante, présence d'arrière plan, etc.).
In : Guide des solutions d'automatisme (Schématèque)
