Capteurs Magnétostrictifs

Introduction

Un capteur magnétostrictif est un capteur de position ou de distance qui exploite l'effet magnétostrictif : la propriété de certains matériaux ferromagnétiques à se déformer sous l'effet d'un champ magnétique (et réciproquement, à générer un champ magnétique lors d'une déformation).

Les capteurs magnétostrictifs sont très utilisés dans l'industrie pour leur robustesse, leur précision et leur fiabilité dans les environnements difficiles.

1. Effet Magnétostrictif - Principes Physiques

1.1 Définition

L'effet magnétostrictif (magnétostricción en espagnol, d'où le nom) est un phénomène électromagnétique où :

Effet direct : Un champ magnétique appliqué provoque une déformation mécanique du matériau
Effet inverse : Une contrainte mécanique (déformation) provoque un changement de l'aimantation

┌────────────────────────────────────────────┐
│      EFFET MAGNÉTOSTRICTIF                 │
├────────────────────────────────────────────┤
│                                            │
│  Champ magnétique H                        │
│         ↓                                  │
│  Matériau ferromagnétique                  │
│         ↓                                  │
│  Déformation mécanique Λ (lambda)          │
│                                            │
│  ↔ Réciproque ↔                            │
│                                            │
│  Déformation mécanique ε                   │
│         ↓                                  │
│  Modification aimantation M                │
│                                            │
└────────────────────────────────────────────┘

1.2 Matériaux magnétostrictifs

Les principaux matériaux présentant un effet magnétostrictif important :

Matériau	Composition	Magnétostriction Λ	Applications
Nickel	Ni pur	~-34 ppm	Faible intérêt industriel
Fer	Fe pur	~-9 ppm	Peu utilisé seul
Aciers inoxydables	Fe-Cr-Ni	Variable	Structures mécaniques
Terfenol-D	Tb₀.₃Dy₀.₇Fe₁.₉	~1000-2000 ppm	Actionneurs, capteurs
Galfenol	Fe-Ga	~300-400 ppm	Capteurs, tranducteurs
Alliages Cobalt	Co-Fe, Co-Ni	~50-200 ppm	Bandes capteurs

Note : Le Terfenol-D (Terbium-Dysprosium-Iron) est le plus utilisé pour les capteurs haute performance.

1.3 Constant magnétostrictive Λ

La déformation relative causée par un champ magnétique s'exprime par :

\[\frac{\Delta L}{L_0} = \Lambda(H) \approx \Lambda_s \cdot \frac{H}{H_s}\]

Où : - \(\Delta L\) = variation de longueur (m) - \(L_0\) = longueur initiale (m) - \(\Lambda\) = constant magnétostrictive (ppm = 10⁻⁶) - \(H\) = champ magnétique appliqué (A/m) - \(\Lambda_s\) = magnétostriction de saturation (ppm)

2. Principes de Fonctionnement des Capteurs

2.1 Architecture générale

Un capteur magnétostrictif typique comprend :

┌────────────────────────────────────────────────────┐
│         CAPTEUR MAGNÉTOSTRICTIF                    │
├────────────────────────────────────────────────────┤
│                                                    │
│  1. Élément magnétostrictif (guide d'onde)         │
│     └─ Tige ou fil de matériau magnétostrictif     │
│                                                    │
│  2. Aimant mobile (cursor)                         │
│     └─ Crée un champ magnétique local              │
│                                                    │
│  3. Bobine de détection                            │
│     └─ Capte les vibrations acoustiques            │
│                                                    │
│  4. Électronique (pulser + détecteur)              │
│     └─ Génère impulsions de mesure                 │
│     └─ Détecte les échos                           │
│                                                    │
│  5. Boîtier étanche (IP67, IP69K)                  │
│     └─ Protection contre les environnements        │
│        difficiles                                  │
│                                                    │
└────────────────────────────────────────────────────┘

2.2 Principe de mesure : Temps de vol (ToF)

Le capteur magnétostrictif utilise le temps de vol d'une onde acoustique :

Étape 1 : Génération de l'impulsion

Électronique pulse → Bobine de pulser → Impulsion magn.
                                            ↓
                                    Onde mécanique

Étape 2 : Propagation dans le guide d'onde

Onde acoustique se propage le long de la tige
↓
Atteint position de l'aimant mobile
↓
Crée une déformation locale (effet magnétostrictif inverse)

Étape 3 : Détection du signal de retour

Déformation locale génère impulsion acoustique de retour
↓
Remonte vers la bobine de détection
↓
Crée variation de flux magnétique
↓
Bobine détecte le signal

2.3 Équation de mesure

La position de l'aimant mobile est déterminée par :

\[x = \frac{v \cdot \Delta t}{2}\]

Où : - \(x\) = position mesurée (m) - \(v\) = vitesse de propagation de l'onde acoustique (m/s) - \(\Delta t\) = délai entre impulsion et détection d'écho (s)

Vitesse dans matériaux courants : - Terfenol-D : ~5000-7000 m/s - Acier inoxydable : ~6000 m/s - Nickel : ~4500 m/s

3. Types de Capteurs Magnétostrictifs

3.1 Capteurs de position linéaire

Caractéristiques : - Détection position d'un aimant le long d'une tige - Plage de mesure : 50 mm à 5000 mm - Précision : ±0.05% de la plage - Sortie : 4-20 mA, 0-10 V, ou SSI/CANopen

┌─────────────────────────────────┐
│  Aimant mobile (cursor)          │
│         │                        │
│ ~~~~~~~~├────────────────────┐   │
│         │   Tige magnéto.    │   │
│ ~~~~~~~~│                    │   │
│         │                    │   │
│  Bobine de détection        │   │
│  + Électronique             └──┘
│                            Connecteur
└─────────────────────────────────┘

3.2 Capteurs de niveau de liquide

Principe : - Aimant flotteur se déplace avec le niveau - Détecte la position du flotteur - Pas de contact électrique avec le liquide

Applications : - Réservoirs de carburant - Cuves de produits chimiques - Systèmes hydrauliques - Tours de refroidissement

┌────────────┐
│   Liquide  │ ← Niveau varie
│    avec    │
│   aimant   │ ← Aimant flotteur
│   flotteur │
└─────┬──────┘
      │ Tige magnétostrictive
      │
    Bobine + Électronique
      ↓
    Signal de niveau

3.3 Capteurs de distance (sans contact)

Avantages : - Détecte la position sans contact physique - Fonctionnement à travers les parois (matériaux non-magnétiques) - Aucune usure mécanique

Applications : - Distance à un objet ferromagnétique - Position d'une pièce en mouvement - Détection de proximité

4. Caractéristiques Techniques

4.1 Précision et résolution

Paramètre	Valeur typique
Précision linéarité	±0.05% à ±0.5% de plage
Résolution	0.05 mm à 1 mm
Répétabilité	±0.02 mm
Non-linéarité	<0.1% typiquement
Hystérésis	Négligeable (<0.01%)

4.2 Plages de fonctionnement

Paramètre	Plage
Température opérationelle	-40°C à +100°C (standard)
	-50°C à +150°C (étendue)
Tension d'alimentation	10-30 VDC (généralement 24 VDC)
Consommation	50-200 mA
Durée de vie	>10⁷ cycles (essence : millions de mesures)

4.3 Sorties disponibles

┌──────────────────────────────────┐
│     SIGNAUX DE SORTIE            │
├──────────────────────────────────┤
│ • 4-20 mA (boucle de courant)    │
│   └─ Sortie analogique standard  │
│                                  │
│ • 0-10 V (tension analogique)    │
│   └─ Sortie analogique haute     │
│                                  │
│ • SSI (Synchronous Serial Interf)│
│   └─ Numérique synchrone         │
│                                  │
│ • CANopen / CAN-bus              │
│   └─ Réseau temps réel           │
│                                  │
│ • Modbus RTU                     │
│   └─ Communication série         │
│                                  │
│ • Pulse/Frequency output         │
│   └─ Fréquence proportionnelle   │
└──────────────────────────────────┘

5. Avantages et Limitations

5.1 Avantages

Avantage	Bénéfice
Robustesse	Fonctionne dans environnements extrêmes (eau, huile, temperature)
Pas de usure	Aucun contact frottement → durée de vie très longue
Précision	Meilleure que les capteurs inductifs/capacitifs
Étendue de plage	Une seule unité pour grandes distances (jusqu'à 5m)
Immunité aux perturbations	Peu sensible aux vibrations extérieures
Fiabilité	Pas d'électrons logiques complexes dans capteur passif
Pas de surface de mesure requise	Détecte sans besoin de superficie réfléchissante

5.2 Limitations

Limitation	Impact
Besoin aimant mobile	Doit être placé sur l'objet à mesurer
Sensibilité aux champs magnétiques externes	À éloigner des dispositifs magnétiques forts
Temps de réponse	~1-10 ms (plus lent que capteurs optiques)
Coût	Plus cher que capteurs résistifs simples
Gel en liquides visqueux	Peut être difficile si flotteur coincé
Saturation magnétique	Limite supérieure de mesure

6. Exemple Numérique : Capteur de Position

Données de mesure

Paramètre	Valeur
Matériau tige	Terfenol-D
Vitesse onde acoustique	\(v = 6000\) m/s
Délai mesuré	\(\Delta t = 20\) µs
Plage de mesure	0-2000 mm

Calcul de position

Utilisant l'équation temps-de-vol :

\[x = \frac{v \cdot \Delta t}{2} = \frac{6000 \times 20 \times 10^{-6}}{2}\]

\[x = \frac{6000 \times 20}{2 \times 10^6} = \frac{120000}{2 \times 10^6} = 0.06 \text{ m} = 60 \text{ mm}\]

Analyse d'erreur

Erreur de résolution (quantification) : - Résolution électronique : 1 µs - Incertitude position : \(\Delta x = \frac{v \cdot 1 \times 10^{-6}}{2} = \frac{6000 \times 1 \times 10^{-6}}{2} = 0.003\) m = 3 mm

Précision linéarité : - Spec constructeur : ±0.1% de plage - Pour plage 2000 mm : ±2 mm

7. Comparaison avec Autres Capteurs de Position

Tableau comparatif

Technologie	Précision	Plage	Robustesse	Coût	Temps réponse
Magnétostrictif	★★★★☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆	★★★☆☆
Inductif	★★★☆☆	★☆☆☆☆	★★★☆☆	★★☆☆☆	★★★★☆
Résistif (LVDT)	★★★☆☆	★★☆☆☆	★★★☆☆	★★☆☆☆	★★★★☆
Optique laser	★★★★★	★★★☆☆	★★☆☆☆	★★★★☆	★★★★★
Ultrason	★★★☆☆	★★★★☆	★★☆☆☆	★★★☆☆	★★★☆☆
Capacitif	★★☆☆☆	★☆☆☆☆	★★☆☆☆	★★☆☆☆	★★★★★

8. Applications Industrielles

8.1 Automobile

Capteurs de position de pédales : accélérateur, frein, embrayage
Niveau de carburant : capteur à flotteur dans réservoir
Suspension active : position des amortisseurs
Systèmes hydrauliques : position cylindres

8.2 Machines hydrauliques et pneumatiques

Vérins linéaires : position de la tige de piston
Presses industrielles : course de compaction
Systèmes de levage : hauteur de plateforme
Robots : position bras et articulations

8.3 Secteur pétrolier et chimie

Réservoirs : niveau de liquide
Pipelines : détection fuites positionnelles
Cuves fermées : mesure sans ouverture
Environnements explosifs : intrinsèquement sûr

8.4 Énergies renouvelables

Éoliennes : position pale, hauteur mât
Panneaux solaires : suivi position (tracking)
Centrale hydro : niveau réservoirs
Systèmes géothermiques : position expansion

9. Effets Perturbateurs et Immunités

9.1 Champs magnétiques externes

Problème : - Champs DC très forts (>0.1 T) peuvent saturer le guide d'onde - Champs AC à basse fréquence (<100 Hz) créent du bruit

Mitigation : - Écrans magnétiques (mu-métal, acier) - Électronique avec filtrage passe-bande - Distance aux sources (bobines haute tension, aimants)

9.2 Vibrations mécaniques

Immunité : - Le guide d'onde crée une onde localisée au point de l'aimant - Vibrations globales peu affectent la détection - Excellente immunité comparé optique/inductif

9.3 Température

Effet thermique : \(\(\Lambda(T) \approx \Lambda(T_0) \cdot \left(1 - \alpha (T - T_0)\right)\)\)

Où \(\alpha\) = coefficient thermique (dépend matériau).

Compensation : - Électronique incluent capteur température - Correction logicielle des dérives - Spécifications sur plages étendue

10. Intégration et Installation

10.1 Montage typique

┌─────────────────────────┐
│    Objet mesuré         │
│  (vérins, pistons, etc) │
└────────┬────────────────┘
         │ Aimant intégré
         │ (ou collé)
         │
    ┌────┴─────┐
    │  Tige    │
    │  magné   │
    │  to-     │
    │  str.    │
    │          │ 10-100 mm
    │          │ d'écart
    │          │
    ┌─┴────────┴──┐
    │ Boîtier     │ Connecteur M12
    │ capteur     │ ou DIN 43650
    │ + électron. │
    └─────┬───────┘
          │
          └─ Câble blindé
             vers automate

10.2 Installation robuste

Point critique	Recommandation
Écart aimant-tige	5-30 mm typiquement ; vérifier specs
Alignement	Maintenir coaxialité ±5 mm
Blindage	Câble avec tresse conductrice
Masse	Masse unique, court et épais
Distance source EM	>50 cm des bobines haute tension

11. Électronique de Conditionnement

11.1 Architecture bloc

┌─────────────────────────────────────┐
│      CAPTEUR MAGNÉTOSTRICTIF        │
├─────────────────────────────────────┤
│                                     │
│  ┌──────────────────────────────┐   │
│  │  Pulser / Oscillateur        │   │
│  │  (génère impulsion magn.)    │   │
│  └────────┬─────────────────────┘   │
│           │                          │
│  ┌────────▼──────────────────────┐   │
│  │  Bobine de pulser             │   │
│  │  (crée impulsion acoustique)  │   │
│  └────────────────────────────────┘   │
│                                     │
│  ┌────────────────────────────────┐   │
│  │  Amplificateur reception       │   │
│  │  (capture faible signal retour)│   │
│  └────────┬─────────────────────┘   │
│           │                         │
│  ┌────────▼──────────────────────┐   │
│  │  Discriminateur / Timing      │   │
│  │  (mesure délai Δt)           │   │
│  └────────┬─────────────────────┘   │
│           │                         │
│  ┌────────▼──────────────────────┐   │
│  │  Convertisseur temps→position │   │
│  │  Corrections (tempé, etc)     │   │
│  └────────┬─────────────────────┘   │
│           │                         │
│  ┌────────▼──────────────────────┐   │
│  │  Interface sortie             │   │
│  │  (4-20mA, 0-10V, SSI, etc)  │   │
│  └────────────────────────────────┘   │
│                                     │
└─────────────────────────────────────┘

11.2 Compensation en température

Formule ajustée :

\[x(T) = \frac{v(T) \cdot \Delta t}{2}\]

Où \(v(T)\) est compensée :

\[v(T) = v(T_0) \cdot \left(1 + k \cdot (T - T_0)\right)\]

\(k\) = coefficient dépend matériau (typ. 0.4 à 0.6 %/K pour Terfenol)

12. Normes et Certifications

Standards applicables

Norme	Sujet
IEC 61076-2-109	Connecteur M12 pour capteurs
ISO 13849-1	Sécurité systèmes asservis
ATEX 2014/34/EU	Appareils atmosphères explosibles
PED 2014/68/EU	Équipements sous pression
Directive EMC 2014/30/EU	Compatibilité électromagnétique

Certifications communes

ATEX : Zones explosibles (gaz/poussières)
IECEx : Équivalent international ATEX
SIL (IEC 61508) : Intégrité sécurité (SIL 1-3)
CE : Marquage conformité UE

13. Dépannage et Maintenance

13.1 Problèmes courants

Symptôme	Cause probable	Solution
Lecture instable	Champ magnétique externe	Éloigner sources EM ; ajouter écran
Offset non-nul	Dérive thermique	Recalibrer ou vérifier alimentation
Signal pulsé	Contact intermittent	Vérifier connecteur, fils
Pas de signal	Rupture capteur	Tester continuité
Valeur fixe	Aimant collé	Vérifier position flotteur

13.2 Maintenance préventive

Visuellement : Inspecter boîtier ébrèchures
Électriquement : Mesurer résistance isolation (>10 MΩ)
Fonctionnellement : Test balayage plage complète
Périodicité : Annuelle en environnement difficile

14. Exemple Pratique : Capteur Niveau Réservoir

Spécification client

Réservoir fermé 5000 L
Niveau 0-3 m vertical
Liquide : huile hydraulique
Température ambiante : -10°C à +60°C
Précision requise : ±50 mm

Solution proposée

Capteur magnétostrictif : - Tige 3500 mm (marge sécurité) - Plage calibrée : 0-3000 mm - Matériau : Acier inoxydable 316L (corrosion huile) - Aimant flotteur à +3 m - Sortie 4-20 mA isolée

Calcul incertitude : - Précision capteur : ±0.15% × 3000 = ±4.5 mm - Répétabilité : ±0.02 mm - Dérive thermique : ±0.01% × ΔT = ±0.03 mm @ 70°C variation

Total : √(4.5² + 0.02² + 0.03²) ≈ ±4.5 mm < ±50 mm ✓

Montage : - Tige verticale fixée au haut du réservoir - Flotteur librement suspendu - Débouchée en haut pour accès pièces - Câble M12 étanche direction bas

15. Pour Aller Plus Loin

Lectures recommandées

Théorie magnétostrictin : Théorie et applications (Dapino et al., 2007)
Transducteurs magnétostrictifs : Design et performance
Normes ATEX : Documentation EU 2014/34
Datasheet EUCHNER : Référence industrielle capteurs

Ressources en ligne

Constructeurs : Balluff, EUCHNER, MTS Systems, Baumer
Forums techniques : Automation & Drives
Documentations : PDF datasheets publics

16. Résumé - Points Clés

Concept	Définition
Magnétostriction	Déformation matériau sous champ magnétique
Temps de vol	Mesure délai onde acoustique aller-retour
Aimant mobile	Crée champ localisé, son déplacement mesuré
Résolution	±0.02-0.1 mm typiquement
Plage	50 mm à 5000 mm en monovariante
Robustesse	Excellent en environnements extrêmes
Sortie	4-20 mA, 0-10 V, SSI, CANopen
Application	Positions linéaires, niveaux, distances

Références : - Dapino, M. J. (2007). Structural stress limitations on magnetostrictive actuator performance - Balluff GmbH. (2024). Magnetostrictive Transducers - Technical Data - MTS Systems Corporation. (2024). Position Sensors for Industrial Applications - ISO/IEC 61076-2-109:2015 - M12 Connector specifications