Cours 1 Capteur [PDF]

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Cours instrumentation: capteurs

Mme LOUNIS Chapitre I : Aperçu général sur le rôle des structures d'un capteur I-Caractéristiques générales sur les mesures physiques Grandeur physique: est l'objet de la mesure, elle peut être un déplacement, température, pression, chaleur, temps etc. Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on a besoin de contrôler de nombreux grandeurs physiques. Le capteur est l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques. Mesurande: est désignée comme grandeur physique et représentée par m ; l’ensemble des opérations expérimentales qui contribuent à la connaissance de la valeur numérique du mesurande constitue son mesurage. exemple: Lorsque le mesurage utilise des moyens électroniques de traitement du signal, il est nécessaire de produire à partir du mesurande une grandeur électrique, ceci signifie que la grandeur électrique et ses variations apportent toute l’information nécessaire à la connaissance du mesurande.

II- les constituants générales d'un système capteur A-Corps d'épreuve:

1- capteur : est

un organe de prélèvement d'information qui accommode à partir d'une grandeur physique (mesurande), une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisée à des fins de mesure (mesurage) ou de commande. c'est à dire que le capteur est le dispositif qui est soumis à l’action d’un mesurande non électrique présente une caractéristique de nature électrique (charge, tension, courant ou impédance) désignée par s et qui est fonction du mesurande : s = F (m) s est la grandeur de sortie ou réponse du capteur, m est la grandeur d’entrée ou d'excitation. La mesure de s doit permettre de connaître la valeur de m.

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2-1. Etalonnage

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Pour tout capteur la relation s = F (m) sous sa forme numérique est exprimée par un étalonnage, alors pour un ensemble de valeurs de m connues avec précision, on mesure les valeurs correspondantes de s ce qui permet de tracer la courbe d’étalonnage ( figure 2 ; cette dernière, à toute valeur mesurée de s, permet d’associer la valeur de m qui la détermine

Figure 2: Courbe d’étalonnage d’un capteur : a) son établissement, à partir de valeurs connues du mesurande

m; b)

son exploitation, à partir des valeurs mesurées de la réponse s du capteur.

2-2. relation entre les variations de la grandeur de sortie et la grandeur d'entrée il existe une relation linéaire entre les variations s de la grandeur de sortie et celles m de la grandeur d’entrée tel que : s = S ·m S est la sensibilité du capteur. est une caractéristique dans la conception et l’utilisation du capteur, la constance de sa sensibilité S doit dépendre de : – de la valeur de m (linéarité) et de sa fréquence de variation (bande passante) ; – du temps (vieillissement) ; – de l’action des autres grandeurs physiques de son environnement qui ne sont pas l’objet de la mesure et que l’on désigne comme grandeurs d’influence. 2-3.Catégorie de capteurs Le capteur en tant qu’élément de circuit électrique, se présente, vu de sa sortie : – soit comme un générateur, s étant une charge, une tension ou un courant et il s’agit alors d’un capteur actif ; – soit comme une impédance, s étant alors une résistance, une inductance ou une capacité : le capteur est alors dit passif. 2-4. distinction entre capteurs actifs et passifs Cette distinction est basée sur leur schéma électrique équivalent, qui traduit la différence fondamentale dans la nature et les phénomènes physiques mis en jeu.

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_Sachant que le signal électrique est la partie variable du courant ou de la tension qui porte l’information liée au mesurande : amplitude et fréquence du signal doivent être liées à l’amplitude et à la fréquence du mesurande. _Un capteur actif qui est une source, délivre immédiatement un signal électrique _capteur passif dont les variations d’impédance ne sont mesurables que par les modifications du courant ou de la tension qu’elles entraînent dans un circuit par ailleurs alimenté par une source extérieure. Le circuit électrique nécessairement associé à un capteur passif constitue son conditionneur et c’est l’ensemble du capteur et du conditionneur qui est la source du signal électrique.

2-4-1 Capteurs actifs

Fonctionnant comme un générateur, le capteur actif est généralement créé sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d’énergie propre au mesurande : énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Les plus importants parmi ces effets sont regroupés tableau 1

Exemples d’application d’effets physiques à la réalisation de capteurs actifs : (a) thermoélectricité, (b) pyroélectricité, (c) piézoélectricité, (d) induction électromagnétique, (e) photoélectricité, (f) effet Hall.

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2-4-2 Capteurs passifs

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Il s’agit d’impédances dont l’un des paramètres essentiels est sensible au mesurande. Dans l’expression physique d’une impédance sont présents des termes liés : –à sa géométrie et à ses dimensions ; –aux propriétés électriques des matériaux : résistivité ρ, perméabilité magnétique μ, constante diélectrique ε. La variation d’impédance peut donc être due à l’action du mesurande : – soit sur les caractéristiques géométriques ou dimensionnelles ; – soit sur les propriétés électriques des matériaux ; – soit plus rarement sur les deux simultanément. Les paramètres géométriques ou dimensionnels de l’impédance peuvent varier si le capteur comporte soit un élément mobile, soit un élément déformable. Dans le premier cas, à chaque position de l’élément mobile correspond une valeur de l’impédance et la mesure de celle-ci permet de connaître la position ; c’est le principe d’un grand nombre de capteurs de position ou de déplacement : potentiomètre, inductance à noyau mobile, condensateur à armature mobile. La courbe d’étalonnage, traduit cette correspondance et permet, à partir de la mesure de l’impédance de déduire la valeur de la grandeur physique agissante qui est le mesurande. Le tableau 2, donne un aperçu des divers mesurandes susceptibles de modifier les propriétés électriques de matériaux employés à la réalisation des capteurs passifs (capteurs résistifs).

L’impédance d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en incorporant le capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur.

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B- transducteur

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Il traduit les réactions du corps d'épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie. Il réalise la mise en forme, l'amplification, le filtrage, la mise à niveau du signal de sortie pour sa transmission à distance. Il peut être incorporé ou non au capteur proprement dit.

C- Conditionneurs (transmetteurs) :

Il réalise la mise en forme, l'amplification, le filtrage, la mise à niveau du signal de sortie pour sa transmission à distance. Il peut être incorporé ou non au capteur proprement dit. Les types de conditionneurs sont généralement: – le montage potentiométrique : association en série d’une source, du capteur et d’une impédance qui peut être ou non de même type ; – le pont d’impédances exemple pont de Weston dont l’équilibre permet la détermination de l’impédance du capteur ou dont le déséquilibre est une mesure de la variation de cette impédance ; – le circuit oscillant qui contient l’impédance du capteur et qui est partie d’un oscillateur dont il fixe la fréquence ; – l’amplificateur opérationnel dont l’impédance du capteur est l’un des éléments déterminants de son gain. Le choix d’un conditionneur est une étape importante dans la réalisation, l’association capteur-conditionneur détermine le signal électrique ; de la constitution du conditionneur dépendent un certain nombre de performances de l’ensemble de mesure : sensibilité, linéarité, insensibilité à certaines grandeurs d’influence.

Fig.1- Structure générale d'un système capteur

D-Conversions analogique - numérique et numérique - analogique. 1. Introduction.

Le monde physique est par nature analogique (dans la quasi-totalité des cas). Il est perçu via des signaux analogiques (son, ondes visuelles, etc.) qui peuvent être traités par des systèmes analogiques

Traitement analogique.

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Le traitement numérique des données prend le pas sur les approches purement analogiques. Le recours au numérique permet en effet un stockage aisé de l’information, une excellente reproductibilité des traitements, la possibilité de développer relativement aisément des fonctionnalités complexes, une réduction des coûts de production, etc. L’interface nécessaire entre le monde analogique et un traitement numérique donné est réalisé par des convertisseurs analogique – numérique (CAN, ou ADC pour Analog to Digital Converter) et numérique – analogique (CNA, ou DAC pour Digital to Analog Converter). Le rôle d’un CAN est de convertir un signal analogique en un signal numérique pouvant être traité par une logique numérique, et le rôle d’un CNA est de reconvertir le signal numérique une fois traité en un signal analogique

Conversions et traitement numérique des données.

Input et output des valeurs mesurées Par la nature du signal d'entrée (input)

Les principales grandeurs physiques à mesurer sont (liste non complète) : _ la présence d'un objet, sa position, son déplacement linéaire/angulaire, sa vitesse linéaire/angulaire, son accélération ; _ la force, le couple, la pression ; _ la température, l'humidité, la luminosité, la vitesse du vent ; _ le débit, le niveau, le bruit...

Par la nature du signal de sortie (output)

La sortie d'un capteur peut varier de 3 façons différentes, et délivre donc une information de type analogique, logique (tout ou rien = TOR) ou numérique. *Signal du Capteur analogique La grandeur électrique délivrée en sortie par ce type de capteur est en relation directe (le plus souvent proportionnelle) à la grandeur physique à capter. Le signal varie de façon continue au cours du temps et possède une infinité de valeurs possibles dans un intervalle donné.

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**Signal du Capteur Tout ou Rien (TOR) Ces capteurs génèrent une information électrique de type binaire (vrai ou faux, 0 ou 1) qui caractérise le phénomène à détecter. On parle alors plutôt de détecteurs.

***Signal du Capteur numérique

Ce type de capteur délivre en sortie une information électrique à caractère numérique, c'est-à-dire ne pouvant prendre qu'un nombre limité de valeurs distinctes. Le signal varie de façon discontinue au cours du temps. L'information délivrée par ces capteurs est un code numérique sur plusieurs bits.

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Signal analogique : signal continu en temps et en amplitude. Signal numérique : signal échantillonné et quantifié, discret en temps et en amplitude. Conceptuellement, la conversion analogique – numérique peut être divisée en trois étapes :l’échantillonnage temporel, la quantification et le codage. La figure suivant explique successivement ces trois étapes pour un CAN dont la sortie du signal numérique est sur 3 bits 'binary digital' : Un signal analogique, va(t) continu en temps et en amplitude (i) est échantillonné à une période d’échantillonnage constante Tech. On obtient alors un signal échantillonné vech(k.Tech) discret en temps et continu en amplitude (ii). Ce dernier est ensuite quantifié, on obtient alors un signal numérique vq[k] discret en temps et en amplitude (iii). La quantification est liée à la résolution du CAN (son nombre de bits) ; dans l’exemple précédent vq[k] peut prendre huit amplitudes différentes (soit 23, 3 étant le nombre de bits du CAN). La figure présente également le code numérique sur trois bits (en code binaire naturel) associé à vq[k] en fonction du temps. Les notions précédentes seront approfondies dans les parties suivantes.

(i) signal analogique (ii) signal échantillonné (iii) puis quantifié.

Symbole d’un CAN à N bits L’obtention d’un signal échantillonné xech(k.Tech) à partir d’un signal analogique x(t) peut être modélisée mathématiquement dans le domaine temporel par la multiplication de x(t) par un peigne de Dirac de période Tech (noté Tech (t) ):

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Echantillonnage d’un signal analogique.

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