Slides capteurs partie 1

Cours « Capteurs »

septembre 2010

Raoul Herzograoul.herzog@heig-vd.ch

bureau C01atél : 024 557 61 93

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Objectifs du cours de capteurs

1) Connaître quelques principes physiques de différents capteurs) q q p p p y q p

2) Connaître quelques principes du conditionnement du signal

3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents capteurs

point de vue utilisateur :• bon choix du capteur pour une application concrètep p pp• savoir utiliser un capteur

i t d dé lpoint de vue développeur :• concevoir et développer un capteur

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Différents aspects dans les capteurs

principes physiquesi éexploités

diti t d i lconditionnement du signal

transport de l‘informationbus de capteurs

technologie, produits

point de vue utilisateur

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point de vue utilisateurchoix du capteur

motivation (1)

Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs !

Capteurs liés au - moteur et système de traction, - au confort, - à l‘environnement, - et surtout à la sécurité

Quelle: BMW AG

Objectif des constructeurs d‘automobiles : zéro accidents

Eviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant.

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capteurs pour la sécurité des voitures

• reconnaissance de piétonsp• distance entre les voitures sur l‘auto-

route

capteur de pression des pneuscapteur de pression des pneus transmission sans fil

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motivation (2)

Il n‘y a plus de constructeur d‘automobile suisse, mais ...

La Suisse est très forte dans le domaine des capteurs. (exemples d‘entreprises suisses : Posic, LEM, Vibromètre, Sensirion, Baumer, Kistler, ...)

L d iLes capteurs : un domaine

• de haute technologie

• de multi-technologiephysique, chimie, matériaux, mécanique, électronique, traitement dup y q , , , q , q ,signal, « intelligence », techniques de miniaturisation, ...

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motivation (3)

Les capteurs : un domaine innovateur

d di i d i l• du conditionnement du signalau capteur « intelligent »

• p. ex. numérisation dans le capteur

• p. ex. compensation des dérives thermiquesp p q

• p. ex. autocalibration

• p ex transmission sans fil• p. ex. transmission sans fil

miniaturisation sur le chip :pMEMSmicro electromechanical systems

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micro electromechanical systems

classification des mesurandes• mécaniqueqdéplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, ...

• électrique• électriquecourant, charge, impédance, ...

th i• thermiquetempérature, flux thermique, ...

• magnétiquechamp magnétique, perméabilité, ...

• radiationlumière visible rayons X radioactivitélumière visible, rayons X, radioactivité, ...

• bio / chimiqueh idi é dé i d h è i

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humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux

Généralités : capteurs et chaînes d‘acquisition

mesurande élément sensible(transducteur)

Conditionneurtraitement des

signaux

signal

typ. grandeurnon-électrique

(transducteur) signauxélectriqueexploitable

grandeurs d‘influence(perturbations)

Idéalement, le signal de sortie du capteur devrait être une image fidèle dumesurande, mais ...

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,

problèmesproblèmes ...

• le signal fourni par le capteur dépendaussi des grandeurs d‘influences (p ex dérives thermiquesaussi des grandeurs d influences (p. ex. dérives thermiques, bruit de mesure, etc.).

• une variation du mesurande provoque une variation retardée du signalde sortie (temps de réponse fini).

• le fait d‘introduire un organe de mesure peut déjà changerl‘environnement, et le mesurande.

Le but réaliste consiste à avoir une image du mesurandei fidèl ibl ( i i fidèl é i !)

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aussi fidèle que possible (mieux : aussi fidèle que nécessaire !)

grandeurs d‘influence, exemples• température ambiante• pression, accélération, vibrations• humidité• champs magnétiquesp g q• tension d‘alimentation• lumière ambiante• lumière ambiantePossibilités pour réduire l‘effet nocif des grandeurs d‘influence :

bli d i l t• blindage, isolement• stabiliser les grandeurs d‘influence à des valeurs connues, et

é l létalonner le capteur• compenser les grandeurs d‘influence (p.ex. montage différentiel)

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exemple « micro-capteur intelligent »capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophiletechnologie CMOSgchangement d‘humidité changement de capacité signal utileavec compensation des grandeurs d‘influence (température)avec compensation des grandeurs d influence (température)et calibration automatique

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Courbe d‘étalonnage statique, cas idéalréponse du capteur

)(mFs

nécessite une mesure de référence

mesurande

nécessite une mesure de référencedu mesurande !

sensibilité du capteur en régime statique:msS

(pente locale)

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imm

linéaritéréponse du capteurp p

(droite de régression)

mesurande m

La linéarité s‘exprime en %, c‘est l‘erreur relative maximaleentre la droite de régression et la caractéristique réelle.

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entre la droite de régression et la caractéristique réelle.

définition : résolution, étendue de la mesureL é l ti d‘ t t l l tit i ti d dLa résolution d‘un capteur est la plus petite variation du mesurandeque le capteur est capable de décéler (à ne pas confondre avec la

é i i )précision).

étendue de la mesure :• zône nominale= plage nominale du mesurande (fonctionnement normal)

• zône de non-détériorationhors specs, ne fonctionne plus, mais pas de destructionp , p , p„absolute maximum ratings“ • zône de non-destructionmodification permanente des caractéristiques !

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rapidité d‘un capteur

• bande passantefréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dBfréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB

• temps de réponsesaut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteursaut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteurarrive dans une fourchette de 5% de la valeur finale

bande passante et temps de réponse sont liés.

pour un système linéaire : f

T

2

33répcf2p

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erreurs de mesure

• erreurs systématiquesy q(p.ex. dérives, viellissement, mauvaise utilisation, etc

• erreurs accidentelles (aléatoires)• erreurs accidentelles (aléatoires)p.ex. bruit, parasites, etc

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erreurs de mesure

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Caractéristiques statistiques d‘un capteur

Précision = Fidélité (répétabilité) + Justesse

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Choix du capteur• nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ?

• performances (résolution précision plage de mesure ) ?performances (résolution, précision, plage de mesure, ...) ?

• caractéristiques d‘environnement, grandeurs d‘influence ?

• encombrement ?

• prix ?p

• fiabilité (MTBF : Mean Time Between Failures) ?11 MTBF

1 N: taux de défaillance

t1 déf

pop

NN

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p p

« courbe de baignoire »

: taux de défaillance

défaillancesprématurées

usureviellissement

prématurées

défaillances aléatoires

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temps (vie du produit)

éléments fonctionnels d‘un capteurénergie d‘excitation énergie d‘alimentation

mesurandesignal

tili blmodification

signal électrique

élément

mesurande

transducteur conditionneur

utilisablede l‘élément sensible signal électrique

sensible

grandeurs d‘influence(perturbations)

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exemples d‘éléments sensibles

accéléromètre MEMS

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exemples d‘éléments sensibles

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exemples d‘éléments sensibles

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exemples d‘éléments sensibles

• polymère qui change ses propriétés électriques en fonction del‘h idi é bil‘humidité ambiante

• jauge de contrainte

• fil chaud pour mesurer la vitesse d‘un écoulement de fluide

• bilame, thermistance

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Capteurs (transducteurs) passifs

• capteurs résistifs

• capteurs inductifs

• capteurs capacitifs

Capteurs (transducteurs) actifs

• capteurs piézoélectriques

t t h ét i• capteurs tachymétriques

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Capteurs résistifs

• capteurs potentiométriques d dé l t li é i / l imesure du déplacement linéaire / angulaire

• jauges de déformation / contraintemesure de déformation, force / effort, couple, pression

• capteurs thermiquesmesure de température et de débit

• capteur d‘humiditécapteur d humidité

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rappel : structure de la matière

Influence du nombre d’électrons contenus dans la couche de valence

Couche 4 5 6 7 8 él t1 2 3 él t Couche de

valence ?

4, 5, 6, 7 ou 8 électrons1, 2 ou 3 électrons

4 électrons (quelques cas)

Les électronsCapture des

électrons libresDopage

?non

Les électrons libres sautent d’un atome à

l’autre

I l tSemi-

oui

C d t

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IsolantSemiconducteursConducteur

capteur potentiométrique (bas de gamme)

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linéarité

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résolution limitée du potentiomètre bobiné

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inconvéniants des capteurs potentiométriques

• contact du curseur usure, durée de vie limitée

• frottement (finesse)

• vitesse limitée

• coefficient de température

• bruit du potentiomètrebruit du potentiomètre

• résolution limitée

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écran tactile résistif

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Effet piézorésistif (à ne pas confondre avec piézoélectrique)

dVdVdVCd

V

C : constante de Bridgman

C = typ. 1.13 ... 1.15 pour des jauges métalliquesyp p j g q

C = typ. 100 pour les jauges à semiconducteur

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facteur de gauge (sensibilité relative)

AlR A

Les 3 paramètres l, , et A changent simultanément, et les effets se rajoutentp , , g , j

Après linéarisation, on trouve :

lldC

RRd

))21(21( lR

))((

déformation h l ifchangement relatif

de la résistancefacteur de jauge

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jauge de contrainte

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Jauge de contrainte collée sur une structure mécaniquestructure mécanique

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jauge de contrainte collée sur une structuremécanique (p.ex. barre de traction)

permet aussi de mesurer des forces

corps d‘épreuve

: mesurande primaire

loi de Hook :A : section du corps d‘épreuveA : section du corps d épreuve

E : module de Young

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mesurande secondaire

caractéristique déformation / contrainte

]2 ]

= [P

a]

t

[N/m

2 rupture

zône à déformation plastique

aint

e

zône à déformation plastique irréversible

cont

ra

zône élastique loi de Hook

déformation = L / L

loi de Hook

2% max

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déformation L / L

Grandeurs d‘influence

• températureinfluence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation jauges à semiconducteurs sont très sensibles à la température

autoéchauffement courant de mesure typ. limité à ~20 mA pourjauges métalliques.jauges éta ques.

• tension thermoélectrique à la jonction de 2 métaux différents(élé t th l )(élément thermocouple)

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différentes configurations en pont de Wheatstone

buts :

• augmenter la sensibilité• augmenter la sensibilité

• augmenter la linéarité

• compenser les dérives thermiques• compenser les dérives thermiques

)1(0 xR p. ex. F

)1(0 xR

)1(0 xR

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caractéristiques typiques des gauges

métallique semiconducteur

plage de mesure 10-7 ... 0.04 10-9 ... 0.003

facteur de gauge 1.8 ... 2.35 50 ... 200

résistance 120, 350, ..., 5‘000 1‘000, ..., 5‘000

tolérance de la résistance 0.1% ... 0.2% 1% ... 2%

taille, mm 0.4 ... 150 1 ... 5

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standard : 3 ... 6

capteurs de force piézorésistifs basés sur semi-d tconducteurs F > 0

capteur miniature de force, circuit intégré SMD

incorpore un pont de Wheatstone

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exemple de produits industriels

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capteur de force 6 axes basé sur jauges de contrainte

mesure les forces Fx, Fy, Fz, et les couples Tx, Ty, Tz

applications p.ex. en robotique

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capteur de force pour mesurer la force de retenue de la ceinture de sécurité

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application atomic force microscope „AFM“

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mesure de pression différentielle

élément sensible : diaphragme déformable

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autre application : accéléromètre

élément sensible = masse sismique + gauge de force

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modélisation d‘un capteur d‘accélérationboîtier

mesure indirecte de l‘accélérationm

masse sismiquepar la déformation de l‘élément de support

de la masse sismique

m

q

k d

buts : t l bande passante d t !

accél :• trouver la bande passante du capteur !

• comment dimensionner les éléments sensibles pour que le capteurmesurande

délivre un signal de sortie qui reproduit le plus fidèlement possiblel‘allure du mesurande ?

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Capteurs thermiques

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sondes en platine• fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support précis, mais très cher

• déposition film mince de platine, ~1 m d‘épaisseur sur support réponse rapide, moins cher

R(T) = R0 (1+ T) : comportement linéaire0

PT100, PT1000PT100, PT1000précision typique : 0.1% ... 1%: typ 0 385 % / °C: typ. 0.385 % / °Ccomparaison : une résistance de précision a un coefficient de températ re de 50 ppm 50 * 10-6 (80 moins q ‘ ne sonde de PT)

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température de 50 ppm = 50 * 10-6 (80 x moins qu‘une sonde de PT)

plage de mesure

sonde platine : typ. de -200°C ... 650°C, voire plus

pour les très hautes températures, on utilise plutôt le tungsten

symboles IEC normalisés :

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thermistances à semiconducteur

comportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel

• PTC (= positive temperature coefficient)

• NTC (= negative temperature coefficient)

• CTR (= critical temperature resistance)CTR ( critical temperature resistance)

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allures typiques

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