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5/16/2018 Cours Capteurs - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/cours-capteurs 1/113Année 2011/2012
IUT Mesures Physiques
CAPTEURS
2 ème année
Thomas BEGOU – Marcel PASQUINELLI
5/16/2018 Cours Capteurs - slidepdf.com
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Année 2011/20122/113
Plan du cours (1)
1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES
1.1. Le Capteur (Sensor) 1.2. Aspect économique1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures
Présentation Générale
2.1. L’entrée du capteur : Le mesurande 2.2. Le corps d’épreuve 2.3. Le conditionneur / transmetteur2.4. La sortie du capteur
2.5. Les perturbations
Eléments constitutifsd’un capteur
3.1. Le microphone à condensateur Exemple d’application
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Année 2011/20123/113
Plan du cours (2)
2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
1. Réponse statique (caractéristique entrée – sortie)2. Etendue de Mesure : E.M. (Entrée)3. Spécification de la sortie4. Linéarité et erreur de linéarité5. Sensibilité
6. Hysteresis7. Résolution8. Caractéristique de transfert9. Précision qualitative (fidélité et justesse) et précision métrologique10. Réponses dynamiques11. Réponse temportelle (ordre du capteur)
12. Rapidité (temps de réponse)13. Ecart14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal15. Capteur 1er ordre : Relation bande passante / temps de montée16. Indice de protection IP
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Année 2011/20124/113
Plan du cours (3)
3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils1.2. Montage potentiométrique simple
1.3. Montage potentiométrique push-pull1.4. Montage en pont d’impédance
1.5. Montage potentiométrique avecamplification du signal
Conditionneurs pour capteurs passifs
2.1. Capteurs source de tension2.2. Capteurs source de courant2.3. Capteurs source de charge
Conditionneurs de signaux pourcapteurs actifs et/ou sortie de
conditionneurs passifs
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/20125/113
1.1. Le Capteur (Sensor )
Définition : Dispositif de métrologie chargé de traduire les variations d'un procédéphysico-chimique en une grandeur exploitable
CAPTEURProcédés physico-
chimique, mécanique,
électrique, ...
Grandeur quantitativeexploitable
Pression, température,débit, vitesse,accélération,
flux lumineux,déplacement, …..
- Indication analogique,numérique
- Signal électrique
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/20126/113
1.2. Aspect Economique (1)
Secteur M €
ENERGIE 25 SECURITE 25
GRAND PUBLIC 25 MEDICAL 25 BATIMENT 40
TRANSPORT 48 TEST/LABORATOIRES 125
INDUSTRIEL 350 AUTOMOBILE 375
DEFENSE/AERONAUTIQUE 470 Ventes 2007 de capteurs en France par secteur (M € ) – source Cabinet Décision
+
-
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/20127/113
1.2. Aspect Economique (2)
Ventes 2007 de capteurs en France par type de mesures (M € ) – source Cabinet Décision
+
-
Type de mesure M €
DISTANCE 75 GAZ 77
NIVEAU 77 FORCE 110 FLUX 110
ELECTROMAGNETIQUE 130 INERTIE 145
TEMPERATURE 150 POSITION 151 PRESSION
170
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/20128/113
1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures (1)
Le Capteur (l'élément qui se trouve en amont d'une chaîne de mesures)
COMPOSANT ESSENTIEL
Qualité de la mesures(Mesure simple, contrôle, ...)
Voir : Exemple 1
Bon fonctionnement des systèmes oùle capteur est intégré
(régulation, contrôle in-situ de procédés)Voir : Exemple 2
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/20129/113
1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures (2)
Exemple 1 : Mesure simple
CAPTEURConditionnement du
signal
Source d'énergie
Exploitation(Affichage, lecture, ...)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
10/113
1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures (3)
Exemple 2 : Détection niveau et régulation
Niveau MAX
Niveau min
Capteur 1
Capteur 2
Régulateur
Valve automatique
Les mesures réalisés par les capteurs 1 et 2 permettent par le biais du régulateur de réglerle niveau d’eau dans le récipient.
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.1. L’entrée du capteur : Le mesurande
Définition : Le mesurande est la grandeur physico-chimique à mesurer, on le notera μ, x, X ou E pour se référer à l'entrée du capteur.
Exemple : Pression, température, position, déplacement, accélération, tension, pH, ...
On peut distinguer plusieurs type de mesurandes :
X
t
X
t
t
X
Mesurande constant Mesurande à évolutiontemporelle non répétitive
Mesurande à évolutiontemporelle répétitive(périodique)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.2. Le corps d’épreuve
Définition : Le corps d'épreuve est l'élément d'entrée du capteur qui répond auxsollicitations du processus physico-chimique.Soumis au mesurande étudié, il assure la “traduction” en une autre grandeur qui peut être
de nature non électrique, dans ce cas ce mesurande secondaire est ensuite traduit engrandeur électrique.
Déformation RésistanceApplication
d’une
FORCE
Exemple : Capteur de force résistif
)(F f R
)( F g R
... liant la valeur de la résistance R à la valeur de la force appliquée F
... liant la valeur de la variation de la résistance ΔR de la jaugeà la variation de la force appliquée ΔF
Le mesurande primaire est la force appliquée, ΔF , le corps d’épreuve est constitué par unconducteur métallique qui va se déformer d’une quantité ΔL sous l'action de ΔF , cettedéformation est alors traduite en variation de résistance ΔR .
ΔF ΔL ΔR
L’idée : Chercher les relations ...
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.3. Le conditionneur / transmetteur
Définition : Le conditionneur est l'élément de sortie du capteur qui transforme lesvariations du mesurande primaire ou secondaire en variations électriques exploitables (tension, courant, ….).
Déformation RésistanceApplication
d’une FORCE
Exemple : Capteur de force résistif avec son conditionneur
ΔF ΔL ΔR
Tension
Conditionneur
ΔU
Nota : Du point de vue de l'utilisation, on regroupe souvent les fonctions capteur-conditionneur sous un même terme de capteur ou transducteur.
Capteur (ou transducteur)
Applicationd’une FORCE
TENSION
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.4. La sortie du capteur (1)
Capteur (ou transducteur)
MesurandeX
SortieY
Définition : La sortie du capteur est noté Y, y ou S. La principale fonction du capteur estde quantifier le mesurande, cette traduction est généralement réalisée par l'existence d'unerelation mathématique liant la sortie et l’entrée du capteur.
Y X Y Y Y X X X 00
Nota 1 : Si la réponse est linéaire alors y = k.x et Δy = h. Δx ou f(X) = g(X)
On cherche unlien entre:
Que l’on peut
mettre sous laforme de
)(X f Y )( X g Y Avec : , , X 0 et Y 0 valeur de X et Y à “l’équilibreˮ
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.4. La sortie du capteur (2)
000101115V
0V
17mA
SortieNumérique
Sortie Tout OuRien (TOR)
SortieAnalogique
Seuil
X
On peut distinguer plusieurs type de sorties :
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.4. La sortie du capteur (3)
Nota 1 : Dans de nombreuses applications, le capteur donne une réponse nulle S = S 0 =0 pour une valeur particulière m = m 0 du mesurande (équilibre) et présente une sortie nonnulle pour les variations du mesurande par rapport à cette valeur d'équilibre :
ΔY = f ( Δx )
Exemple : Capteur de pression relative : S = 0 pour P = P atmosphérique
Nota 2 : On recherchera le plus souvent une relation linéaire de la forme S = k.m (Y = k.X ) ou ΔS = k. Δm .
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.4. La sortie du capteur (4)
Nota 3 : Les grandeurs influentes sont toujours prises en compte dans le processus de
mesure :
Le mesurande est bruité Les caractéristiques métrologiques du capteur sont modifiées
La sortie est alors fonction du mesurande et de ces grandeurs perturbatrices (bruit).
S = f(m) + g(bruit, métrologie)
Il est donc nécessaire :
de préciser les conditions de mesuresde vérifier périodiquement les caractéristiques métrologiques du capteur enréalisant des calibrations régulières ou des étalonnages certifiés
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.5. Les perturbations (1)
Définition : Les perturbations sont des grandeurs qui peuvent :
se superposer au mesurande (grandeurs interférentes ou bruit ) modifier les caractéristiques métrologiques du capteur (grandeurs modifiantes )
Ces deux processus peuvent s'additionner.
Capteur Mesurande
X Sortie
Y
Grandeurs
interférentes(Bruit)
Grandeurs
modifiantes(Pressions,températures,
rayonnement, ...)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.5. Les perturbations (2)
Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force
Principe : L'application d'une force ΔF se traduit par une variation de résistance ΔR c de la jauge, cette variation de résistance est traduite en variation de tension ΔU c par l'intermédiairedu conditionneur.
Capteur (ou transducteur)
Applicationd’une FORCE
TENSION
ΔF ΔU c
F f R c Hypothèse :
2 5 L b i (3)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.5. Les perturbations (3)
Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force
U 0 R c
R 0
F
U c
00 )(U
R R
R U
c
c c
Relation entre U c et U 0 :
02
1U U c On veut pour ΔF=0 (pas de sollicitations) :
0
0 2
1
)(
R R
R R
R c
c
c
c c R R R 0Hypothèse (lorsqu’une force ΔF est appliquée) :
2 5 L t b ti (4)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
21/113
2.5. Les perturbations (4)
Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force
U 0 R c
R 0
F
U c 02
0
002
0
0
)(
)(U
R R
R U
R R
R R R
dR
dU
c c
c c
c
c
00
020
0
4
1
4
U
R
U
R
R
dR
dU
c
c
c c R R
U U
0
0
4
Dérivée de U c par rapport à R c :
Que l’on peut écrire :
020
0
2 U R R
R
dR
dU
c c
c
Si l’on prend R 0 telle que R 0 >> ΔR cMAX , alors on peut simplifier l’équation de la dérivée,
qui peut être écrit sous la forme :
2 5 L t b ti (5)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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2.5. Les perturbations (5)
Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force
U 0 R c
R 0
F
U c
GrandeursInterférentes
(bruit)
La températureconditionne la valeur deR c , elle agit ici commegrandeur interférente
ΔR c = f (T )c c R R U U
0
04
Grandeursmodifiantes
La stabilité del'alimentation de tension U 0
ainsi que l’effet de latempérature sur R 0
interviennent ici commegrandeurs modifiantes,
U 0 = g(T) et R 0 = h(T)
3 1 L i h à d t (1)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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3.1. Le microphone à condensateur (1)
Le microphone à condensateur ou sonomètre est principalement dédié àl’instrumentaion.
Il détecte une pression acoustique p(t) qui se superpose à la pression atmosphérique P 0 . Le sonomètre traduit ensuite cette pression p(t) en une tension électrique v(t).
v(t) P 0 + p(t)
3 1 L i h à d t (2)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
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3.1. Le microphone à condensateur (2)
1. Le capteur : un transducteur pression / capacité
Principe : Le capteur est constitué de deux armatures métalliques de surface S , séparées
par une distance e et avec l'armature avant mobile.Une variation de pression Δp se traduit par l'application d'une force F sur l'armaturemétallique mobile du capteur modifiant la distance inter armature e . Cette variation sur e entraîne une modification de la capacité C inter-électrode.
e Surfaces S
P 0 + p(t) P 0
Variation de la position de
l’armature mobilev(t)
e
S C
Tension mesuréeen sortie
3 1 Le icro hone à condens te r (3)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
25/113
3.1. Le microphone à condensateur (3)
2. Le mesurande μ
P 0
t
Po + p(t)
P
Le mesurande correspond à la surpression p(t) générée par la source sonore.
3 1 Le microphone à condensateur (4)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
26/113
3.1. Le microphone à condensateur (4)
3. Le corps d’épreuve
Le corps d’épreuve du microphone est une membrane ou diaphragme métallique très
léger et mobile d'épaisseur voisine de 10 µm.
Membrane
(≈ 10μm)
3 1 Le microphone à condensateur (5)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
27/113
3.1. Le microphone à condensateur (5)
4. Le conditionneur
Le conditionnement du signal a pour objectif l'exploitation quantitative du mesurande, ilest réalisé ici par :
une source de polarisation externe qui délivre une tension continue au condensateur un préamplificateur qui permet d’améliorer le signal de sortie v(t)
Polarisation U 0
Cartouche
microphone
Préamplificateurp(t) v(t)
3 1 Le microphone à condensateur (6)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
28/113
3.1. Le microphone à condensateur (6)
5. Expression de la sortie et de la sensibilité du microphone
Grandeurs interférentes : La principale grandeur interférente est la pression
atmosphérique ( et ses variations). Pour s'affranchir des variations de ce paramètre, unorifice interne à la cartouche microphonique permet de maintenir l'égalité des pressionsstatiques.
P 0 + p(t)
P 0
Grandeurs modifiantes : Ce sont la tension de polarisation continue U 0 et le gain del'amplificateur.
3 1 Le microphone à condensateur (7)
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1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALESAnnée 2011/2012
29/113
3.1. Le microphone à condensateur (7)
5. Expression de la sortie et de la sensibilité du microphone
Le constructeur spécifie, après étalonnage, la sensibilité absolue du microphone qui estdonnée par le rapport de la tension de sortie ramené à la pression acoustique.
Exemple : Microphone B&K type 4145 : N° série : 2121932
S ea = Sensibilité absolue : 46,2 mV/PaS er = Sensibilité relative : -26,7 dB (Re 1V/Pa)
Introduction
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
30/113
Introduction
Le choix d'un capteur dépend de ses spécifications métrologiques, ses applications sontelles mêmes conditionnées par le comportement ou la réponse du capteur à une entrée(mesurande) donnée.
On distingue usuellement les réponses statiques et dynamiques du capteur :
Dans le premier cas l'entrée ne varie pas ou varie par paliers et la grandeur desortie est relevée lorsque tout effet transitoire a disparu.
La réponse dynamique traduit le comportement transitoire temporel du capteur,elle renseigne également sur son comportement fréquentiel.
1 Réponse Statique : Y = f(X) (ou S = f(E))
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
31/113
1. Réponse Statique : Y = f(X ) (ou S = f(E ))
000101115V
0V
17mA
SortieNumérique
Sortie Tout OuRien (TOR)
SortieAnalogique
Seuil
X
La réponse statique est généralement obtenue après un étalonnage statique qui consisteà relever les valeurs de la sortie lorsque l'entrée considérée varie par paliers. Les autresparamètres (entrées interférentes ou modifiantes) sont maintenus constants.
Elle est représentée par le tracé : Y = f(X )
On peut distinguertrois comportements :
2 Etendue ou plage de Mesure : E M (Entrée)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
32/113
2. Etendue ou plage de Mesure : E.M. (Entrée)
Les valeurs limites du mesurande qui sont acceptables en entrée du capteur constituentl'étendue de mesure.Cette spécification peut aussi s'appeler calibre.On l'exprime souvent par l'écart E.M.:
X max et X min sont exprimés dans l'unité de l'entrée X .
Si X min = 0, on indique souvent l'étendue de mesure par X max
Exemples : E.M. : (-100°C +200°C); ( 0 100 bar); (100N)
minmax. X X M E
3 Spécification de la sortie (1)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
33/113
3. Spécification de la sortie (1)
La nature du signal de sortie dépend du type de capteur utilisé, cependant on peutregrouper les familles suivantes:
Capteur Passif
Le signal de sortie est équivalent à une impédance. Une variation du phénomènephysique étudié (mesuré) engendre une variation de l'impédance. Ce type de capteur doitêtre alimenté par une tension électrique pour obtenir un signal de sortie.
Exemple : thermistance, photorésistance, potentiomètre, jauge d’extensométrie appeléeaussi jauge de contrainte…
jauge de contrainte
3 Spécification de la sortie (2)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
34/113
3. Spécification de la sortie (2)
Capteur Actif
Signal de sortie équivalent à une source de tension continueExemple : Sortie 0-1V, + 5V, 0-200mV
Signal de sortie équivalent à une source de courant continuExemple : sortie 4-20mA
Autres signaux de sortieExemple : Tension alternative sinusoïdale, sortie impulsionnelle,
sortie numérique, sortie TOR,…
Calibre ou Pleine Echelle (Full Scale Output) : Valeur maximale de la sortie
Exemple de capteur actif : thermocouples, capteur CCD, microphone, ...
4 Linéarité et erreur de linéarité (1)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
35/113
4. Linéarité et erreur de linéarité (1)
Capteur (ou transducteur)
Mesurande
X
Sortie
Y
Y X Y Y Y X X X 00
)(X f Y )( X g Y
D’une manière générale, on a : et
avec et
Définition : Si la réponse du capteur est linéaire alors on aura f (X ) = g (X )
Le capteur est dit linéaire si, avec :
On a :
avec a = cste
11 Y X 22 Y X et
2121 Y Y Y X X X
11 aY Y aX X
4 Linéarité et erreur de linéarité (2)
5/16/2018 Cours Capteurs - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/cours-capteurs 36/113
2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
36/113
4. Linéarité et erreur de linéarité (2)
Exemple : Capteur linéaire et non linéaire
Si la caractéristique Y = f (X ) esttracé dans une échelle linéaire,alors on a :
Capteur 1 : linéaireCapteur 2 : non linéaire
X
Y 1
2
kX Y
0Y kX Y
Nota : La relation entrée sortie d’un capteur linéaire est donc de la forme :
On appelle souvent capteur linéaire un capteur de caractéristique
Cette dénomination est un abus de langage (voir démonstration ).
avec k = cste
5 Sensibilité
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
37/113
5. Sensibilité
Définition : La sensibilité (k , G ou S ) du capteur est donnée par le quotient del'accroissement de la grandeur de sortie ΔY par l'accroissement correspondant dumesurande ΔX .
dX
dY
X
Y S k G
X X x
0
0lim (en X = X 0 )
Nota : La sensibilité d'un capteur linéaire est constante sur son étendue de mesure.
Exemple : Sensibilité d’un microphone : S = 46,2 mV/Pa Sensibilité d’un thermocouple : S = qqes dizaines de μV/ °C (selon leurs types)
6. Hystérésis
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
38/113
6. Hystérésis
Définition : Un capteur présente une hystérésis lorsque la valeur de la sortie dépend de lamanière dont celle-ci a été atteinte (mesurande croissant ou décroissant)
X
Y
1 : Mesurande croissant
X 0
Y 01
Y 02
2 : Mesurande décroissant
Exemple : mesure de température par un capteur comportant une protection enplastique comme les thermistances ou la Pt 100 surmoulée. Des résultats différents sontobtenus pour une étude par température croissante ou par température décroissante.
7. Résolution
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
39/113
7. Résolution
Définition : La résolution correspond à l'accroissement minimum de la grandeur d'entréeprovoquant une modification de la grandeur de sortie.
X
Y
Résolution = ΔX min
ΔY ≠ 0
Y = f (X ) “idéalˮ
Y = f (X ) “réelˮ
8. Caractéristique de transfert
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
40/113
8. Caractéristique de transfert
Définition : La caractérisitique de transfert détermine la relation entre la l’entrée et lasortie du capteur. Dans la plupart des applications, quand cela est possible, la sortie ducapteur suit une loi du type :
Y = k .X + Y 0
Ou k est la sensibilité du capteur et Y 0 le décalage du zéro. (Y = Y 0 pour X = 0)
X
Y
ΔX
ΔY
Y = k .X + Y 0
Y 0
0
0
X
Y k
Etendue de mesure
9. Classe de précision (fidélité et justesse) (1)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
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9. Classe de précision (fidélité et justesse) (1)
Pour définir cette notion nous allons considérer le cas ou l'on effectue des mesures enconditions de répétabilité qui sont les suivantes :
même mesurande, même opérateur, mêmes conditions expérimentales.
La valeur vraie du mesurande est X v , les valeurs mesurées sont notées X i et la valeur moyenne des mesures X i est notée X m
X m
Capteur non fidèleet non justeCapteur fidèleet non juste
X m
Capteur non fidèleet juste
Capteur fidèleet juste
X v X
9. Classe de précision (fidélité et justesse) (2)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUESAnnée 2011/2012
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9. Classe de précision (fidélité et justesse) (2)
Les constructeurs indiquent souvent la classe de précision qui permet
d'estimer l’incertitude de mesure.
Exemple : Capteur de force :
Etendue de Mesure (Full Scale ) 100 N Précision (Measurement uncertainty ) 1 % E.M
Incertitude-type sur la valeur affichée : Elle obéit ici à une loi uniforme (voir cours demétrologie 1ère année)
3)(
a F u
avec a = 100 * 1% = 1 N, on obtient u (F ) = 0,58 N
10. Réponses dynamiques
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
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43/113
p y q
On classe dans cette catégorie les réponses temporelles Y (t ) et fréquentielles Y (f ) du
capteur.La réponse temporelle découle de la résolution de l'équation différentielle liant Y (t ) à X (t )exprimée de la façon suivante :
Capteur (ou
transducteur)
Mesurande
x ( t )
Sortie
y ( t )
)()()(
.............)()(
011
1
1 t x t y a dt
t dy a
dt
t y d a
dt
t y d a
n
n
n n
n
n
n représente l'ordre du système (capteur)
11. Réponses temporelles (ordre du capteur)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
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44/113
p p ( p )
La réponse temporelle caractérisée par l'ordre du système détermine les paramètres métrologiques du capteur.
Exemple : capteur ordre 0
)()(0 t x t y a )()( 01 t x t y a )(.)( t x k t y
Exemple : capteur ordre 1
)()()(
.............)()(
011
1
1 t x t y a dt
t dy a
dt
t y d a
dt
t y d a
n
n
n n
n
n
)()()(
01 t x t y a
dt
t dy a )(.)(
)(t x k t y
dt
t dy
On appelle τ , la constante de temps du capteur et on reconnaît la sensibilité k
12. Rapidité (temps de réponse) (1)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
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p ( p p ) ( )
Le temps de réponse est défini par la réponse du capteur à une variation dite en échelon
de l’entrée. Cette caractéristique est liée à la constante de temps τ .
Exemple : Capteur du premier ordre
On peut schématiser le comportement d'un capteur du premier ordre par le circuit électriquesuivant :
x (t ) y (t ) C
R i (t )
On a : )()( t y t Ri t x R i ( t )
avec : dt
t dy C t i )(
d’où :
)()( t y dt
t dy RC t x
12. Rapidité (temps de réponse) (2)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
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46/113
p ( p p ) ( )
Exemple : Capteur du premier ordre
)()( t y
dt
t dy RC t x On a :
Pour déterminer le temps de réponse, x (t ) doit être un échelon :
t
0
X 0
x (t )
0
0
00)(
0
t X
t t x
Pour t ≥ 0, on a alors :
)(0 t y dt t dy RC X
qui a pour solution :
t
e X t y 10
avec τ = RC
τ
0,63 X 0
y (t )
à t = τ , y (t ) = X 0 (1-e -1) = 0,63 X 0
Définition : On appelle temps de réponse ou
temps de montée du capteur la grandeur
t r = 2,2 τ ,
La faible valeur de t r caractérise un capteur rapide
13. Ecart ε%
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
47/113
%
Définition : L’écart représente la valeur mesurée après un temps t comparée à la valeurcorrespondant à t =t ∞.On définit ce paramètre par la relation suivante :
100.)(
)()(%
y
t y y
3 t / τ 0
0,5
y (t )/ X 0
1
1
Il faut préciser la valeur de t choisie pour calculer ce paramètre
Exemple : Capteur du premier ordre
0
t ε%
τ 27%
3τ 5%
4,6τ 1%
14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal (1)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
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48/113
p q p g ( )
Définition : Dans la pratique, on obtient la réponse fréquentielle d’un capteur en assignant
à l’entrée x (t ) une variation sinusoïdale et en mesurant l'évolution de la réponse y (t )
lorsque la fréquence de x (t ) varie.
Capteur (ou transducteur)
Mesurandex ( t )
Sortiey ( t )
)...2sin()sin()( 00 t f X t X t x )...2sin(.)( 0 t f Y t y
14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal (2)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
49/113
p q p g
Fonction de transfert :
On utilise la notation complexe associée à la représentation des signaux sinusoïdaux :
x (t ) → X ( j ω) noté X et y (t ) → Y ( j ω) noté Y
(passage de x (t ) à X ( j ω) par la transformée de Fourier)
On exprime ensuite le rapport qui représente la fonction de transfert du système :
La réponse fréquentielle sera complètement décrite par l'évolution du module de H( j ω),
noté |H( j ω)|, et par l'évolution de son argument, noté Arg (H(jω)) ou φ( j ω), qui représente ledéphasage des signaux entrée-sortie.
)()(
)(
j H
j X
j Y
14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal (3)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
50/113
Transformée de Fourier :
La transformée de Fourier est une fonction qui permet de passer du domaine temporelle audomaine fréquentiel et inversement.
Si on a un signal s (t ), sa transformée de Fourier, notée S (ω) sera obtenu par la relationsuivante :
dt e t s S
t j
2
1
)(
Inversement, si on a un signal S (ω), sa transformée de Fourier inverse,notée s (t ) sera obtenu par la relation suivante :
dt e S t s t j
2
1
)(
14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (1)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
51/113
Rappel 1 : La réponse temporelle d’un capteur du 1er ordre est donné par la relation suivante :
)()()(
t kx t y dt
t dy
Rappel 2 : Propriétés de la transformée de Fourier de la dérivée d’un signal temporel continu :
)()(
Y j
dt
t dy TF
Compte tenu des deux rappels, la reponse fréquentielle du capteur du 1er ordre peuts’écrire :
)( kX Y Y j X k Y Y j ou
14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (2)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
52/113
Après réécriture de la réponse fréquentielle on obtient :
La fonction de transfert H ou H ( j ω) s’écrit alors :
X
i
k Y
c
1
avec
1
c et k la sensibilité du capteur
j H
j
k
X
Y H
c
1
14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (3)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
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53/113
Notion de bande passante : Evolution du module de la fonction de transfert H en fonction dela pulsation ω.L’expression de du module de H est la suivante :
2
1
c
k H
Bandepassante
ωc
ω
H
2
k k
Avec ωc la pulsation decoupure et f c la fréquencede coupure.
On appelle l'intervalle [0-f c ], la
bande passante du capteur, parextension on appelle f c la bandepassante et on la note BP
14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (4)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
54/113
Réponse temporelle : temps de montée t m
t
0
0 τ
0,63 X 0
y (t )
0
X 0
x (t )
t 0
Capteur (ou transducteur)
1c On a donc
c f
2
1
De plus, on a 2,2m t
BP BP f t
c m
35,0
2
2,2
2
2,2
d’où
BP t m
10kHz 35µs
100kHz 3,5µs
1MHz 350ns
100MHz 3,5ns
Valeurs de temps de montée pour différentes valeurs de BP
15. Indice de protection IP (1)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
55/113
Cet indice normalisé caractérise le comportement du capteur vis-à-vis de l’environnement (protection du matériel) et des utilisateurs (protection des personnes)
Code : IP XY
X = Premier Chiffre caractéristique (immunité vis-à-vis corps solides)Y = Second Chiffre caractéristique (immunité vis-à-vis des liquides)
15. Indice de protection IP (2)
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2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
Année 2011/2012
56/113
Exemple : Capteur indice IP 676 : étanchéité poussière et 7 Protégé contre immersion temporaire.
Introduction
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
57/113
Rappel : Le conditionneur est l'élément de sortie du capteur qui transforme les variations
du mesurande primaire ou secondaire en variations électriques exploitables (tension,courant, ….).
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (1)
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
58/113
La réponse d’un capteur passif à la variation du mesurande ΔX se traduit comme unevariation d’impédance ΔR , ΔL, ΔC .
Capteur (ou transducteur)
Z ΔZ
X ΔX
Exemples : Capteurs résistifs : jauges de contraintes, sondes température métalliques,capteurs de déplacement,
Capteurs capacitifs : microphones, capteurs de déplacement, détecteursde proximité,
Capteurs inductifs : capteurs de déplacement, détecteurs de proximité,
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (2)
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
59/113
Nota : Pour obtenir une sortie équivalente à une variation de tension ΔV ou de courant ΔI ,
il sera nécessaire d’ajouter un conditionneur de signal.
Capteur (ou transducteur)
Z ΔZ
X ΔX
V ΔV
Conditionneur
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (3)
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
60/113
Application aux capteurs résistifs : )(X f R
X = X 0 + ΔX R = R 0 + ΔR
ΔX ΔR
R 0 correspond à la valeur à l’équilibre (à spécifier) et ΔR à la variation consécutive à unevariation du mesurande ΔX .
Nota : En général, le capteur fonctionne en petite variation : ΔR << R 0
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (4)
5/16/2018 Cours Capteurs - slidepdf.com
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
61/113
1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils
Principe de mesure : une source de courant impose la valeur de l’intensité I traversant le capteur et un voltmètre mesure la tension V à ses bornes.
La résistance du capteur R est donnée par :I
V R
I
R I
R f
R f
I R f R I f R R f R V )2()(
R f R I
V m R 2
On mesure la tension V suivante :
La résistance “mesuréeˮ R m est donc :
Inconvénient : La résistance des conducteurs de liaison R f s’ajoute à la mesure de R et enréalité ce montage mesure une résistance effective : R e = R + 2 R f
V
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (5)
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
62/113
1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils
I
R V I
R f
I v = 0 A
I
R f
R f
R f
Le montage 4 fils permet de s’affranchir des valeurs des résistances des conducteurs deliaison R f .
On mesure directement la tension
R I
V m R
RI V
La résistance “mesuréeˮ R m est donc :
Inconvénient : Ce montage nécessite plus de câbles que le montage 2 fils.
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (6)
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
63/113
1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils
Le montage 3 fils est un bon compromis (nombre de câbles / résistante de liaision) mais ilnécessite la mesure de deux tensions.
On mesure la tension V 1
La résistance “mesuréeˮ R m est donc :
I
R
V 1I
I
V 2
R f
R f
R f
I v = 0 A
R f
I R f R I f R R f R V )2()(1
On mesure la tension V 2
I f R V 2
La différence des tensions V 2 et V 1 nous donne
I R f R V V )(21
R Rf I
V V m R
21
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (7)
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3ème Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
64/113
1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils
Précautions à prendre dans tout les cas : En pratique on fixe I de l’ordre de 1mA pour
éviter l’auto échauffement du capteur.
Exemple : Résistance PT100 (100 W /0°C)
Puissance dissipée par effet Joule : P = R I 2
Application numérique : P = 102 (10-3)2 = 10-4 W = 100µW
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (8)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
65/113
1.2. Montage potentiométrique simple
V CC
R 1
R C = R V
Principe de mesure : une source de tension alimente un pont diviseur de tension avec unerésistance fixe R 1 et une autre représentant le capteur R .
cc V R R
R V
1
Le montage suivant nous permet d’écrire
la variation de V :
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (9)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
66/113
1.2. Montage potentiométrique simple
Nota : L’évolution de V en fonction de R n’est pas linéaire.
V/Vcc=f(R/R1)
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 5 10 15 20
R/R1
V / V C C
x
x
R R
R
V
V
cc
11
1R
R x Avec :
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (10)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
67/113
1.2. Montage potentiométrique simple
Choix de la valeur de R 1
Si on fixe la valeur de la résistance R 1 égale à R 0 , et si R =R 0 + ΔR on obtient :
Vcc R Ro
R Ro Vcc
R Ro
R V
2
Sensibilité du montage :
Vcc
R Ro
Ro Vcc
R Ro
R R Ro
dR
dV k
22
)
Nota : Si le capteur travaille en petits signaux (R 0 >> ΔR ), la réponse du conditionneur est linéaire
R k R R cc V
V 0404
0R
V
R dR
dV k cc
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (9)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
68/113
1.3. Montage potentiométrique push-pull
Dans ce montage, la résistance fixe R 1 est remplacée par un second capteur identique aupremier mais dont la variation est opposée au premier capteur : R’ = R 0 - ΔR
V CC
R V
R’
cc V
R R R R
R R
cc V
R R
R V
00
0
'
R R cc V cc V
V 022
cc V R
R R V
020
Le montage suivant nous permet d’écrire
la variation de V :
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (10)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
69/113
1.3. Montage potentiométrique push-pull
Ce type de montage est souvent utilisé dans le cas de jauges d’extensométrie identiques mais subissant des déformations égales en module et de sens opposés.
Jauge 1 / Traction
Jauge 2 / Compression
F F
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (10)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
70/113
1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont
Le capteur constitue une branche du pont, ici R 2 = R
V CC
A BV
R 1
R 2 = R
R 3
R 4
Le signal de sortie s’écrit de la façon suivante :
cc V R R
R
AV
21
2
cc V R R
R B V 43
4
B V AV AB V V
Avec :
et
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (11)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
71/113
1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont
V CC
A BV
R 1
R 2 = R
R 3
R 4
cc V R R
R
R R
R B V AV V
43
4
21
2
On obtient alors :
Si on considère R2 = R, alors on a :
cc V R R
R
R R
R V
43
4
1
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (12)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
72/113
1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont
On parle de pont équilibré lorsque V = V 0 = 0
441430)1(4)43(00 RR R R RR RR R R R R R R V V
Dans ces conditions, on a :
Ce qui permet de fixer les valeurs de résistance puisque l’on doit avoir 413 R R RR
Choix pratique : R 1 = R 2 = R 4 = R 0 , le pont sera à l’équilibre pour la valeur au reposdu capteur R = R 0
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (13)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
Année 2011/2012
73/113
1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont
R R
V V
R R
R V
R R
R R V
R R
R V cc
cc cc cc
000
0
0 4)2(2)(2)
2
1(
On obtient alors l’expression de V :
si ΔR << R 0
Avantages du montage en pont :
si R = R 0 alors V = 0,
le signe de V donne le signe du mesurande,
si R > R 0 , V est positif et si R < R 0 alors V est négatif.
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (14)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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1.4. Montage en pont d’impédance : Montage push-pull demi-pont
V CC
A BV
R 1 = R’
R 2 = R
R 3
R 4
Dans ce montage, la résistance fixe R 1 est remplacée par un second capteur identique aupremier mais dont la variation est opposée au premier capteur : R’ = R 0 - ΔR .
On a alors 2 résistances fixes R 3 et R 4 et 2 capteurs représentés par R et R’ .
On a R 2 = R = R 0 + ΔR et R 1 = R’ = R 0 - ΔR
On a pour signal de sortie :
cc V
R R
R
R R
R B V AV V
43
4
'
En fixant les valeurs de R 4 et R 3 égales à R 0 ,ona alors :
cc V R R
R
R R
R B V AV V
00
0'
cc V R R
R
R
R R V
00
0
020soit,
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (15)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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1.4. Montage en pont d’impédance : Montage push-pull demi-pont
On obtient alors l’expression de V :
Avantages du montage push-pull demi-pont :
La composante continue de V est annulée,
La variation de V avec ΔR est linéaire.
R R cc V
cc V R
R cc V
R R
R
R
R R V
022
1
022
1
00
0
020
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (16)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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1.4. Montage potentiométrique avec amplification du signal
Ce conditionneur est utilisé notamment pour les photorésistances (R = f(Φ ))
cc V R R
R V
1
V V
s cc V R R
R V
R R
R
32
2
1
A l’entrée de l’amplificateuropérationnel, on a :
cc V R R
R V
32
2
Or, on a :
donc :
1. Conditionneurs pour capteurs passifs (17)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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Conditionneur pour LDR
0
2
4
6
8
10
12
100 1 000 10 000 100 000 1 000 000
Resistance (ohm)
T e n s i o n
d e s o r t i e ( V )
1.4. Montage potentiométrique avec amplification du signal
On obtient alors :cc
V
R
R R
R R
s
V
11
1.
2
32
b ae R
Vcc
R
R
K Vs )(1
1
1
Pour une photorésistance lavariation R = f (Φ )
est de la forme
R diminue si l’intensité du flux
lumineuxaugmente
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (1)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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La réponse d’un capteur actif à la variation du mesurande ΔX se traduit par une variation de tension : ΔV , de courant : ΔI ou de charge électrique ΔQ .
Capteur (ou transducteur)
V ΔV
X ΔX
Exemples : Variation de tension : sondes température thermocouple,
Variation d’intensité : photodiode,…
Variation de charge : accéléromètre piézoélectrique
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (2)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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Nota : Pour obtenir une sortie équivalente à une variation de tension ΔV ou de courant ΔI ,en théorie, il n’est pas nécessaire d’ajouter un conditionneur de signal, cependant pourdes questions d’adaptation d’impédance, un conditionneur de signal est souvent nécessaire au montage.
Les capteurs piézoélectriques requièrent un amplificateur de charge qui transforme lavariation ΔQ en variation ΔV .
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (3)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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Exemple : Thermocouple
2.1. Capteurs sources de tension
Schéma électrique équivalent :
i
v
R s
A
B
v s
Tension de sortie: v s = v –R s I
Tension de sortie à vide : v s = v
Impédance de sortie : R s
v
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (4)
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Partie : LES CONDITIONNEURS
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2.1. Capteurs sources de tension
Mesure de la tension de sortie : Utilisation d’un voltmètre
i
v
R s
A
B
v s
Impédance d’entrée du voltmètre : R e
Tension mesurée :
Si R s élevée devant R e :
R e
v
R R
R v
e s
e m
v v R
R v
s
e m
v
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (5)
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Partie : LES CONDITIONNEURS
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2.1. Capteurs sources de tension
Utilisation d’un montage adaptateur d’impédance – Amplificateur suiveur
Impédance d’entrée de l’AO : Z e = ∞
i + = i - = 0
v + = v -
v + = v
Tension sortie : v s v
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (6)
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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2.1. Capteurs sources de courant
Courant de sortie:
Courant de court circuit : I cc = I
Impédance de sortie : R s
Exemple : Photodiode
Schéma électrique équivalent :
i
R s
A
B
i s
s R
v i s i
v s
i
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (7)
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Partie : LES CONDITIONNEURS
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2.1. Capteurs sources de courant
Courant mesuré:
Si R s faible devant R e alors
Mesure du courant de sortie :
i
v s R s
A
B
i m
R e
i R R
R m i
e s
s
i R
R m i
e
s
i
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (8)
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Partie : LES CONDITIONNEURS
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2.1. Capteurs sources de courant
R s est court-circuitée
Tension sortie :
Utilisation d’un montage adaptateur d’impédance – transducteur I -V
IRs
0
OUT7
+5
-6
V+4
V-11
U1B
LM324
R1
1k
S
0
i R s v 1
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (9)
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Partie : LES CONDITIONNEURS
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2.1. Capteurs sources de charge
Exemple : accéléromètre piézoélectrique
Schéma électrique équivalent :
i
v s C s
A
B
i m
Z e
q Tension sortie :s C q s v
2. Conditionneurs pour capteurs actifs (10)
C d h
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3ème
Partie : LES CONDITIONNEURS
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2.1. Capteurs sources de charge
Tension sortie :C q s v
Utilisation d’un montage adaptateur d’impédance
C3q
0
OUT7
+5
-
6
V+4
V-11
U2B
LM324
C
S
0
Introduction
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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De part la pluraté des domaines d’application, de nombreux et différents types decapteurs existent. Ils font appel à de nombreux principes de la physique et permettent detraiter la plus grande majorité des entrées physiques ou chimiques.
Capteurs optiques Capteurs de température Capteurs de position et de déplacement
Capteurs de force / pesage / couple Capteurs d’accélération / vibration / choc
Capteurs de vitesse / débit / niveau de fluides Capteurs de pression de fluides
Capteurs de mesure de vide Capteurs acoustiquesCapteurs de rayonnement nucléaire
Capteurs de déformation Capteurs tachymétriques Biocapteurs
Capteurs électrochimique Capteurs d’humidité Capteurs de composition gazeuse
1. Rappels : Propriétés fondamentales de la lumière (1)
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
89/113
La lumière présente à la fois un aspect ondulatoire et un aspect corpusculaire.
Sous son aspect ondulatoire, la lumière est vue comme une onde électromagnétique se
propageant à la vitesse c = 299 792 458 m.s-1 dans le vide et à v = c / n dans la matière (n étant l’indice de réfraction du milieu). Cette onde est caractérisée par sa fréquence ν ou salongueur d’onde λ.
1. Rappels : Propriétés fondamentales de la lumière (2)
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
90/113
Sous son aspect corpusculaire, la lumière est vue comme une particule élémentaire,appelé photon, de masse nulle et d’énergie E :
h étant la constante de Planck égale à 6,6256.10-34 J.s.
Cet aspect est généralement mis en évidence lors de l’intéraction de la lumière avec lamatière.
hc h E
1. Rappels : Effet photoélectrique
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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Dans la matière, les électrons liés aux atomes peuvent devenir libres si on leur apporte uneénergie E supérieure à leur énergie de liaison E l .
L’absorption d’un photon provoquera la libération d’un électron à condition que E photon >E l .
E l E photon > E l
L’effet photoélectrique entraîne une modification des propriétés électroniques dumatériau et est le principe de base des capteurs optiques.
1. Rappels : Lumière support d’information
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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92/113
De part ses propriétés physiques, la lumière peut subir de nombreuses modifications deson rayonnement optique par un mesurande. D’où son utilisation dans de nombreux capteurs.
Paramètre du rayonnement Caractère de la modification Mesurande primaire
Direction de propagation Déviation Position angulaire, déformation
Flux
Atténuation par absorptionEpaisseur, composition chimique,
densité de particules en
suspension
Modulation par tout ou rienVitesse de rotation d’un disque,
comptage
Fréquence Changement de fréquence (effet
Doppler)Vitesse de déplacement
Intensité, longueur d’onde Répartition spectrale de l’énergie Température de la source
Phase Déphasage entre deux rayons dû àune différence de marche
Position, déplacement, dimension
Polarisation Rotation du plan de polarisation
par biréfrengencePression, contrainte
2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (1)
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Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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La photorésistance (ou cellule photoconductrice) est un composant électronique dont larésistivité ρ varie en fonction de la quantité de lumière incidente. La photorésistance estparmi les capteurs optiques l’un des plus sensibles.
L
Surface A
I p (T)
V
Rayonnement
2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (2)
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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Le phénomène physique à la base de son emploi (photoconduction) résulte d’un effetphotoélectrique interne : libération dans le matériau de charges électriques sous
l’influence de la lumière et augmentation corrélative de la conductivité (ou diminution dela résistivité).
La résistance peut alors s’éxprimée de la façon suivante :
avec :
ζ : conductivité du matériau q : charge de l’électron μ : mobilité de l’électron n : densité d’électrons présents (fonction de l’éclairement) A et L : surface et longueur de la plaque
A
L
n q A
LR
11
2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (3)
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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Les cellules sont réalisées à l’aide de matériaux semi-conducteurs homogènespolycristallins ou monocristallins, intrinsèques (purs) ou extrinsèques (dopés) :
Matériaux polycristallins : CdS, CdSe, CdTe,PbS, PbSe, PbTe;
Matériaux monocristallins : Ge et Si purs ou dopés par Au, Cu, Sb, ZnSbIn, AsIn, PIn, CdHgTe
2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (4)
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
96/113
De façon générale, l’intérêt des cellules photoconductrices réside dans leur rapport de
transfert statique et leur sensibilité élevée d’où résulte la simplicité de certains montages d’utilisation (exemple : commande de relais, voir TD).
Leur inconvénients majeurs sont les suivants :
Non-linéarité de la réponse en fonction du flux,
Temps de réponse en général élévé et bande passante limitée, Instabilité (vieillissement) des caractéristiques,
Instabilité thermique – comme la plupart des capteurs optiques,
nécéssité de refroidissement pour certains types (selon matériaux utilisés)
3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (1)
Rappel : Semi-conducteur de type P et de type N
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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97/113
Le dopage d’un matériau semi-conducteur augmente la densité des porteurs.
Si ce dopage augmente la densité d'électrons, il s'agit d'un dopage de type N.
S’il augmente celle des trous, il s'agit d'un dopage de type P.
Les matériaux ainsi dopés sont appelés semi-conducteurs extrinsèques.
Rappel : Semi-conducteur de type P et de type N
Semi-conducteur de type N Semi-conducteur de type P
3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (2)
Rappel : Jonction PN
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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98/113
En l’absence de tensionextérieure, le couranttraversant la jonction est nul(somme de deux courantségaux et de sens contraire) :
Courant de diffusion dû aux
porteurs majoritaires,
Courant de fuite dû auxporteurs minoritaires (créations de porteursminoritaires aux abords de la
zone de charge d’espace par agitation thermique).
Rappel : Jonction PN
3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (3)
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
99/113
La photodiode est un composant basé sur la jonction d’un semi conducteur de type P etd’un semi conducteur de type N :
Chaque photon absorbé par le semi-conducteur peut créer une paire électron-trous,
sous l’action du champ interne, l’électron se diffuse vers la zone N et le trou vers lazone P,
on a une diffusion des trous et des électrons dans des sens opposés,
ces porteurs donnent naissance à un photocourant de génération.
3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (4)
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4ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
100/113
Zone de type P
Zone de type NTrous
Electrons
E photon = h .ν Avec ν > νS
3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (5)
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4
ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
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101/113
Au niveau du composant, la photodiode est composé d’un empilement de couches minces dont les épaisseurs respectives sont de l’ordre du micromètre, voire en dessous.
3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (6)
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4
ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
102/113
Le montage de base comporte une source Es polarisant la diode en inverse et unerésistance Rm aux bornes de laquelle est recueilli le signal.
E s
R m V R
V d
Φ
I R
Puissance optique
4. Instrumentation optique : Mesure interférométrique (1)
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4
ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
103/113
Les mesures interférométriques sont basés sur un phénomène d’interférences observées par comparaison entre un signal de référence et un signal modifié par unesource extérieure.
Le mesurande agit sur les conditons de la propagation du signal optique, entraînant unevariation :
soit de l’atténuation du flux transmis,
soit de la phase ou de la polarisation du rayonnement à la sortie du guide d’onde.
La modification de l’indice ou de la géométrie du guide d’onde peut être induit pardifférents effets :
Pression,
Température (variation de l’indice du matériau avec la témpérature),
Déformation.
4. Instrumentation optique : Mesure interférométrique (2)
I s
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4
ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
104/113
Structure asymétrique (un des bras du MZI sert
de référence tandis quel’autre est utilisé comme
capteur)
Signaux en sortie des
bras déphasés(interférences)
Structure symétrique
(bras du MZI identiques)
Signaux en sortie des
bras en phase
Zone sensible à unparamètre externe (pression,
température, …)
ΔΦI I I I I m r m r s cos2 m r s I I I
I s
I m
I r ΔΦ
A
0
Réalisation Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine – LAUM
1 mm
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (1)
Rappel : Structure d’une onde plane
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4
ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
105/113
direction de
propagation
z
Champ magnétique
B(z,t)
Champ électrtique
E(z,t)
Polarisation rectiligne des champs E et B : le vecteur d’onde et les
vecteurs amplitude des champs etsont constants.
Les champs vibrent dans des plans de polarisation (xOz pour E , yOz pourB )
Les champs EM sont constants entout point des plans d’onde (xOy) définispar
k
oE
oB
cste r k
.
pp p
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (2)
Rappel : Dispersion d’un milieu matériel
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4
ème
Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES
Année 2011/2012
106/113
pp p
Relation de dispersion du milieu
Si ε est indépendant de la fréquence , le milieu est non dispersif : lavitesse de propagation est indépendante de la fréquence.
En réalité, seul le vide n’est pas dispersif :
Un milieu matériel est caractérisé par un indice optique
n est appelé indice de réfraction et k coefficient d’extinction .
ik n c
n v
~
k
k
o o
c
1
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (3)
Rappel : Intéraction onde-matière
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4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUESAnnée 2011/2012
107/113
pp
r i 11
2211sin~sin~ n n
)cos(~)cos(~
)cos(~)cos(~~
2112
2112
n n
n n r p
)cos(~)cos(~)cos(~)cos(~~
2211
2211
n n n n r s
1
1
2
i p E
is E
r p E
r s E
2~p p r R
2~s s r R
Réflexion
Réfraction
Lois de Snell-Descartes
Réflexion
Réfraction
Lois de Fresnel
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (4)
Principe de la mesure
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4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUESAnnée 2011/2012
108/113
p
Ellipsométrie
- Diagnostic optique dont la profondeur d’analyse est de l’ordre de 1/(α d ).
- On sonde donc des épaisseurs variables en fonction de d avec une grande sensiblité.
de la monocouche à qques 10 μm
Objectif
- Remonter à la réponse optique ε d’un matériau, généralement à partir d’un
modèle optique et à son épaisseur
- Décrire des structures complexes : multicouches, mileux effectifs,interfaces, rugosités.
- Décrire la cinétique d’un procédé en temps réel : dépôt ou gravure …
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (5)
5/16/2018 Cours Capteurs - slidepdf.com
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4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUESAnnée 2011/2012
109/113
ipE
t
pE
rpE
isE
tsE
rsE
Φ1Φ1
Φ2
jΔ
s
peψtan
r
r ρ
Quantité mesurée par ellipsométrie
Décomposition de l’onde optique
selon les vecteurs E p et E s (respectivement parallèle (p ) etperpendiculaire (s ) au pland’incidence)
Ondes réfléchie (E r ) et transmise (E t ) reliées à l’onde incidente par les
coefficients complexes de Fresnel (r p et r s pour la réflexion, t p et t s pourla transmission)
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (6)
Schéma de principe d’un ellipsomètre
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4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUESAnnée 2011/2012
110/113
Source delumière
Polarisation
InteractionEchantillon
Modulation
Analyse de la
Polarisation
DétectionSynchro
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (7)
Caractéristique des éléments optiques de l’ellipsomètre
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4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUESAnnée 2011/2012
111/113
Source
- Lampe Xénon 125 Watt (plasma)
- Durée de vie de 1000 à 1500h
Polariseur/Analyseur
- Type Glan taux d’extinction de 10-5
- Grande précision (10-2 degré) due à l’absence d’éléments tournants
Détecteur
- Photomultiplicateur pour l’UV Visible
- Photodiode InGaAs pour le proche IR
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (8)
Intensité détectée
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4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUESAnnée 2011/2012
112/113
Détecteur
A
PM
p
Echantillon
Source
s
Champ électrique détecté
Intensité détectée
i d E AAR S M R M M P R P E
)(
)(cos)(sin0
2t I t I I E I c s d d
A partir du traitement du signal sur le détecteur, il est possible de remonter à Δ et ψ à partirde l’expression de δ (t )
4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (9)
Traitement des données : Echantillon analysé
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Substrat (n s , k s )
Couche 1 (n 1, k 1, e 1)
Couche N-1 (n N-1, k N-1, e N-1)
Couche N (n N , k N , e N )
Comment à partir de ψ et de Δ, remonter aux
paramètres des différentes couches?Nécessité d’utilisé des modèles dedispersion qui lient n et k et les modélisent en fonction de la longueur d’onde.
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