Capteur Cours [PDF]

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Système Electronique

CAPTEURS 1. Capeurs 1.1 Définitions Mesurage : Ensemble des opérations ayant pour but de déterminer la valeur d’une grandeur. Mesurande : C’est la grandeur physique que l’on souhaite connaître. Capteur : C’est l’élément qui va permettre sous l’effet du mesurande d’en délivrer une image exploitable (signal électrique par exemple). On parle aussi de transducteur, la grandeur physique d’entrée (le mesurande) étant transformée en une autre grandeur physique de sortie, généralement de type électrique. (Il s’agit, soit d’une charge, soit d’une tension, soit d’un courant ou soit d’une impédance) Chaîne de mesure : Pour obtenir une image d’une grandeur physique, on fait appel à une chaîne de mesure qui peut faire intervenir plusieurs phénomènes différents. Par exemple, la mesure d’un débit peut se faire en plusieurs étapes : - transformation du débit en une pression différentielle - transformation de la pression différentielle en la déformation mécanique d’une embrane, - transformation de la déformation mécanique en une grandeur électrique (à l’aide d’un capteur piézo-électrique) via un circuit électronique associé. L’ensemble de ces étapes constitue la chaîne de mesure. Ex : mesurande = débit

De manière classique la sortie d’une chaîne de mesure est du type électrique. Si la chaîne fait intervenir plusieurs transducteurs, on appelle corps d’épreuve celui qui est en contact direct avec le mesurande. Le dernier transducteur est associé à un conditionneur qui fournit la grandeur électrique de sortie de manière exploitable. Le choix de ce conditionneur est une étape importante dans le cadre de la chaîne de mesure car, associé au capteur, il détermine la nature finale du signal électrique et va influencer les performances de la mesure. Types de grandeur physique On peut classer ces grandeurs en 6 familles, chaque capteur s’associant à l’une d’elles : - Mécanique : déplacement, force, masse, débit, etc… - Thermique : température, capacité thermique, flux thermique, etc... Electronique

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Lycee Ibn Sina Système Electronique - Electrique : courant, tension, charge, impédance, diélectrique, etc… - Magnétique : champ magnétique, perméabilité, moment magnétique, etc… - Radiatif : lumière visible, rayons X, micro-ondes, etc... - (Bio)Chimique : humidité, gaz, sucre, hormone, etc…

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Lycee Ibn Sina 1.2 Classification des Capteurs.

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Les capteurs envisagés dans ce paragraphe sont de type analogique . On peut classer les capteurs en deux grandes familles : Les capteurs passifs et les capteurs actifs . 1.2.1 Capteurs passifs Le capteur se comporte en sortie comme un dipôle passif qui peut être résistif, capacitif ou inductif . Le tableau ci-dessous résume, en fonction du mesurande, les effets utilisés pour réaliser la mesure .

MESURANDE Température Très basses températures Flux lumineux Déformation Position

GRANDEUR ELECTRIQUE MATERIAUX MATERIAUX (Grandeur de sortie) Résistivité Platine, Nickel, Cuivre Platine, Nickel, Cuivre Constante diélectrique Résistivité Semi-conducteurs Résistivité Alliages base nickel Perméabilité Résistivité magnétique Magnétorésistances : Bismuth, Capacité Résistivité LiCl

Humidité

Exemple : Thermistances : Utilisent des matériaux de type semi-conducteur, à base d’oxydes métalliques frittés. En 1ère approximation, leur résistance varie avec la température selon une loi affine :

RR

 est le coefficient de température ; il peut être positif (thermistances CTP) ou négatif (thermistances CTN)

Photorésistances : Utilisent généralement le sulfure de cadmium (CdS). Leur résistance varie fortement avec l’éclairement ambiant : Obscurité R = 20MΩ (0lux) Pénombre R = 100kΩ ( 10lux) Plein soleil R  100 Ω ( 50000lux)

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Semi-conducteurs Verre Semi-conducteurs Alliages base nickel Alliages ferromagnétiques Magnétorésistances : Bismuth, InAS .. Condensateurs à air LiCl

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Capteurscapacitifs : Ils peuvent être utilisés comme capteurs de position, de déplacement… Pour un condensateur plan, C    r S/e

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S = surface des armatures. e = épaisseur du diélectrique.  r = permittivité relative du diélectrique.   = permittivité du vide (  ≈ 8,84*10-12F/m)

Voir ci-contre un condensateur double différentiel : Il est formé de 2 armatures cylindriques fixes, à l’intérieur desquelles une 3ème armature peut « coulisser »

Capteurs inductifs : L’inductance L d’une bobine peut varier quand le circuit magnétique qui l’entoure est déformé ; on réalise ainsi des capteurs de position ou de déplacement.

1.2.2 Capteurs actifs Dans ce cas, la sortie du capteur est équivalente à un générateur. C’est un dipôle actif qui peut être du type courant, tension ou charge. Les principes physiques mis en jeu sont présentés ci-dessous . MESURANDE Température

EFFET UTILISE Thermoélectricité

GRANDEUR DE SORTIE

(thermocouples)

Tension

Flux lumineux

Photoémission Effet photoélectrique Pyroélectricité

Courant Tension Charge

Force, pression, accélération

Piézoélectricité

Charge

Vitesse

Phénomènes d’induction

Tension

Position Courant électrique

1.2.3 Description de quelques effets utilisés : Thermoélectricité : C’est le principe de tout thermocouple. Un thermocouple est un circuit constitué de deux conducteurs de natures chimiques différentes (2 métaux A, B en général), et dont les soudures sont à des températures différentes T1 et T2. Il apparaît aux bornes de ce circuit une tension (force électromotrice) liée à la différence de température (T1-T2).

Montage de mesure généralement utilisé :

La soudure entre les métaux A et B est placée à la température (Tc) à mesurer ; A et B sont soudés à des

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cables de liaison faits d’un métal M ; ces 2 soudures sont placées à une température de référence (Tréf), qui peut être celle de la glace en fusion (0°C), ou tout simplement la température ambiante. Pyroélectricité : Certains cristaux présentent une polarisation électrique proportionnelle à leur température. Ainsi, en absorbant un flux de rayonnement,

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le cristal pyroélectrique va s’échauffer et ainsi sa polarisation va se modifier, entraînant une variation de tension détectable. Piézélectricité : L’application d’une force sur ce type de matériau engendre l’apparition de charges électriques crées par la déformation du matériau. C’est un phénomène réversible. (L’effet inverse est mis à profit dans le quartz : La lame de quartz se comporte comme un résonateur mécanique excité par rapport de charges sur ses armateurs) Effets photoélectriques : On en distingue plusieurs qui différent par leurs manifestations macroscopiques, mais qui ont tous la même origine : Sous l’action d’un flux lumineux, il apparaît des électrons libres dans le matériau. Dans le cas des cellules photovoltaïques (jonctions PN), il apparaît une f.é.m ; dans le cas des photo-résistances, c’est la résistivité du composant qui est abaissée. Les effets photoélectriques sont d’autre part caractérisés par une valeur seuil de l’énergie de la radiation incidente, ce qui se traduit par une condition sur sa fréquence, ou sa longueur d’onde. (Ceci est à mettre en relation avec la sensibilité spectrale du matériau employé) Effet d’induction électromagnétique: Lorsqu’un conducteur se déplace dans un champ magnétique fixe, il est le siège d’une f.é.m, proportionnelle au flux coupé par seconde, donc à la vitesse de déplacement. Effet Hall. Un matériau, généralement semi-conducteur, et sous forme de plaquette mince ( épaisseur très inférieure au mm) , est parcouru par un courant I et soumis à un champ magnétique B, faisant un angle  avec le courant. Il apparaît, dans une direction perpendiculaire au champ et au courant, une tension VH. dite tension de Hall, et qui a pour expression :

VH = KH . I . B . sin où KH dépend du matériau et des dimensions de la plaquette. Application : Un aimant lié à l'objet, dont on veut connaître la position, détermine les valeurs de B et au niveau de la plaquette : La tension VH qui par ce biais est fonction de la position de l'objet en assure donc une traduction électrique (Cf. ci-contre) Les capteurs à effet Hall sont plus généralement utilisés pour la mesure des inductions dans les entrefers, ou pour la mesure des intensités électriques.

1.3 Caractéristiques Métrologiques. De manière à classer les capteurs en fonction de leurs performances, on définit des paramètres qui permettent de les sélectionner en fonction de l’application envisagée.

1.3.1 Étendue de la mesure. Electronique

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C’est la zone dans laquelle les caractéristiques du capteur sont assurées par rapport à des spécifications données. On peut classer cette zone en trois familles : Zone nominale d’emploi : Zone dans laquelle le mesurande peut évoluer sans modification des caractéristiques du capteur. Zone de non-détérioration : Valeurs limites des grandeurs influençant le capteur (mesurande, température environnante, etc…) sans que les caractéristiques du capteur ne soient modifiées après annulation de surcharges éventuelles. (C’est un peu l’équivalent du domaine élastique en résistance des matériaux) Zone de non-destruction : Elle définit les limites garantissant la non-destruction du capteur ; dans cette zone peuvent survenir des modifications permanentes des caractéristiques du capteur. (C’est ici l’équivalent du domaine plastique, en résistance des matériaux)

1.3.2 Résolution. Elle correspond à la plus petite variation du mesurande que le capteur est susceptible de déceler.

1.3.3 Caractéristique d’entrée-sortie d’un capteur. Elle donne la relation d’évolution de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d’entrée, en régime

permanent.

Exemple de caractéristique d’un capteur d’humidité du type capacitif

1.3.4

Sensibilité.

Elle détermine l’évolution de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d’entrée en un point donné. C’est la pente de la tangente à la courbe issue de la caractéristique du capteur.

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÷

�d ( grandeurdesortie) � Sensibilité  � � � d (mesurande) � Pt - de - fonct

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Dans le cas d’un capteur à réponse linéaire, la sensibilité du capteur est une constante. La sensibilité peut dépendre de l’électronique associée (Voir les exemples plus loin)

1.3.5 Finesse. C’est la qualité d’un capteur à ne pas venir modifier par sa présence la grandeur à mesurer. Cela permet d’évaluer l’influence du capteur sur la mesure. Par exemple, dans le cas d’une mesure thermique, on cherchera un capteur à faible capacité calorifique vis à vis des grandeurs l’environnant. Finesse et sensibilité sont en général antagonistes. Il peut y avoir un compromis à trouver. Pour un capteur d’induction B, un capteur à forte perméabilité sera très sensible ; par contre, sa présence aura tendance à perturber les lignes de champ et la mesure de l’induction ne sera pas celle sans capteur, d’où une mauvaise finesse. ( Cette erreur peut être néanmoins évaluée, en vue d’une correction post-mesure et ainsi faire abstraction de la présence

du capteur) .

1.3.6 Linéarité. Zone dans laquelle la sensibilité du capteur est indépendante de la valeur du mesurande. Cette zone peut être fixée à partir de la définition d’une droite obtenue comme approchant au mieux la caractéristique réelle du capteur.

Exemple de linéarisation de caractéristiques

Nous verrons également comment linéariser la réponse d’un capteur, grâce à des systèmes conditionneurs appropriés.

1.3.7 Rapidité. C’est la qualité d’un capteur à suivre les variations du mesurande. On peut la chiffrer de plusieurs manières,

selon la nature du capteur: - bande passante du capteur. (à –3 dB par exemple). - Fréquence de résonance du capteur. - Temps de réponse (à x%) à un échelon du mesurande.

2. Conditionnement des capteurs. Le conditionnement consiste à rendre exploitable la mesure issue du capteur. L’association capteur-conditionneur détermine le signal électrique et ses caractéristiques. Nous distinguerons le conditionnement des capteurs actifs de celui des capteurs passifs .

2.1 Capteurs actifs

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Le capteur se comporte comme une source. Capteur source de tension : On adopte un modèle de Thévenin pour la sortie du capteur auquel on vient connecter une impédance Z E, correspondant à l’impédance d’entrée du conditionneur.

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On utilisera des dispositifs à forte impédance d’entrée, de manière à obtenir une tension vM en sortie du conditionneur, aussi proche que possible de la fém e(m) du capteur. On pourra utiliser un montage suiveur (inverseur ou non), ou un amplificateur différentiel, plus classiquement appelé amplificateur d’instrumentation .

Capteur source courant

de Dans peut une On tension

ce cas, le capteur se modéliser par source de courant avec une impédance en parallèle. utilise souvent un conditionnement par convertisseur courant-

Le capteur source de charge Le capteur, en tant que générateur, présente une impédance interne capacitive C’est le cas d’un cristal piézo-électrique. Il faut faire attention lorsqu’on branche une impédance équivalente résistive à ses bornes. Cette résistance peut engendrer une décharge trop rapide de la capacité, empêchant ainsi toute mesure. Dans cette situation, on a recours à un amplificateur spécial appelé amplificateur de charge. Ce type d’amplificateur permet également de s’affranchir de l’influence de la capacité du câble de liaison entre le capteur et son conditionneur.

2.2 Capteurs passifs Ces capteurs donnent une image du mesurande par l’intermédiaire d’une impédance. On associe donc toujours une source externe de tension ou de courant au capteur. Trois grands principes de conditionneurs peuvent être employés : - Attaque en courant : . - Montage potentiomètrique ou en pont : On récupère une tension image du mesurande. - Montage oscillant : La fréquence du signal de sortie est modulée par le mesurande Alimentation en courant Le capteur est modélisé par l’impédance ZC.

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Si ZC est une résistance, la source io est continue ; si ZC est une impédance, la source io est sinusoïdale. VM = ZCIo La tension image VM (efficace) est proportionnelle à l’impédance du capteur ; si celle-ci est reliée au mesurande par une loi affine, alors le montage est linéaire et sa sensibilité est constante Montage potentiométrique La source de fém eo est continue ou sinusoïdale, selon que l’impédance ZC du capteur est résistive ou non. La résistance de sortie de la source RS, ainsi que l’impédance d’entrée ZE de l’appareil de mesure doivent être prises en compte, en toute généralité. Raisonnons avec un capteur résistif (ZC = RC), et négligeons l’influence de ZE :

VM 

Rc �E0 R1  Rc

La relation qui lie la tension de sortie (VM) au paramètre image du mesurande (Rc) n’est pas linéaire. La sensibilité du montage n’est donc pas constante. On peut néanmoins faire une étude pour les petites variations du mesurande (étude petit signaux). S i on considère une variation RC