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mercredi 7 fvrier 2001

GEI 437 Laboratoire dinterfaces et microprocesseurs

Philippe Mabilleau ing.

Capteurs

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2 GEI 437 Laboratoire dinterfaces et microprocesseurs


Types de capteurs

Capteurs de position Capteurs de force Capteurs de temprature

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Capteurs de position

Ces capteurs traduisent la position d'un

objet sur un axe de rotation sur un axe linaire

Position angulaire

Position linaire

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Capteurs de position absolue

Position donne par rapport unerfrence fixe

Angle avec une direction fixe Distance avec un point fixe sur un axe Position absolue dans lespace

2D dplacement dans un plan 3D reprage dans lespace

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Capteurs de position relative

Mesure du dplacement par rapport auxpositions antrieures

Rfrence absolue non disponible Grandeur mesure

vitesse

acclration dplacement par comptage

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Technologie des capteurs

Capteurs analogiques

position absolue Capteurs numriques

position absolue et relative

dplacements

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Capteurs analogiques

La position est mesure l'aide d'une

grandeur analogique potentiomtriques (rsistance) capacitifs et inductifs de niveau (liquide)

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Capteurs numriques

Position ou dplacement

Directement encod sous formenumrique

Capteurs mcaniques

Capteurs optiques

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Capteurs potentiomtriques

Bonne prcision si dmultiplis Valeur analogique gnralement

convertie en tension Cot lev Rsistance au dplacement non

ngligeable

Bruit de contact potentiel entre lecurseur et la piste

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Capteurs potentiomtriques Linaire ou angulaire

Simple ou multitours Position absolue

Valeur angulaire limite en amplitude Utilisation de potentiomtres avec deux

pistes sans fin de course

Conversion linaire de la rsistance entension pour tre prsente unconvertisseur analogique numrique

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R1

R2

angle

angle

R1 R2

Potentiomtres sans fin

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0- 10 V

- 1 0 V

0- 1 K

-

+

1 K

R

-15V

V = R

1k10v( )

Conversion de la rsistance

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C= K0

A

d

Capteurs capacitifs Exploitation de la variation de capacit

d'un condensateur Pour un condensateur plan

avec 0 = 8.85 pF/m Variation de la distance d Variation de l'aire A Variation de la constante dilectrique K

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Sort ie

Source ac

L1

L2L3

Capteurs inductifs Variation de l'inductance ou de

l'inductance mutuelle LVDT

linear variable differential transformer L'amplitude de la tension

diffrentielle de sortievarie linairement avec la

position du noyau La phase de cette mme tension

change au passage au centre

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Source ac

LVDT

Sort ie dc

R

R

C

D

D

Utilisation d'un LVDT

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LVDT

Dtecteur phase

Oscillateur

Filtre et red.

Utilisation d'un LVDT

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Caractristiques des LVDT

Course linaire de 1 mm 25 cm

Linarit typique de 0.25% Transfert statique en mV/mm

Caractristiques dynamiques fonctions

de l'lectronique d'interface

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Mesures de niveaux Mcaniques

utilisation de flotteurs avec les liquides

lectriques

utilisation des caractristiques lectriquesdu fluide conduction capacit constante dilectrique variable

ultra-sons non invasifs

mesure de pression

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Capteurs numriques

encodage directe

code Gray Par comptage dplacements relatifs codage incrmental

dtection du sens de dplacement

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Le code Gray est un code distanceminimale qui permet d'viter les tats

intermdiaires errons Un seul bit change dune position l'autre

Il peut tre utilis avec des capteurs

optiques ou balais mcaniques, pourdes positions angulaires ou linaires

Code Gray

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Code Gray 4 bits

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Capteurs mcaniques balais

Lecture numrique simple

Usure leve, sensible

l'environnement Utilisation d'interrupteurs magntiques

et d'un compteur compte-tours

Dispositifs de pointage

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Capteurs optiques

Rsistance au mouvement faible Lecture numrique simple

Par encodage direct encodeurs angulaires optiques angles mesurs en absolu

Par comptage dispositifs de pointage (souris)

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Dtection du mouvement relatif et de sadirection

Linaire ou angulaire

Rgle imprime Roue dente

Surface strie

n+1/2demi-priodes

Capteur 1 Capteur 2

Codeur incrmental

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X

Y

P

X-

S

Sens du dplacement

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D

C

Q D

C

Q

D

C

Q D

C

Q

D

C

Q

Y

X

CLK

S

P

X-

Dtecteur

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X

Y

S

P

D

C

Q

X

Y = P

S

Dtecteur simplifi

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Mesures de forces

La mesure des forces ou contraintes esttrs utilise car elle permet la mesure

indirecte des pressions, dbits,acclration et poids

La mesure des contraintes utilise larelation qui existe entre contrainte etdformation

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tirement Compression

La contrainte estexprime en N/m2

La dformation est

exprime en m/mou en m/m AF

Contrainte =

FF

F F

A

A

l

l

l

l

Dformation =ll

Diffrents types de contraintes

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F

F

A

l

x

Dformation =xl

Torsion =

F

A

Torsion

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Contrainte

Dformation

Saturation

Rupture

ll

AFE

==nDformatio

Contrainte

Zone de dformationlastique

Contrainte et dformation

E module d'lasticit d'Youngen N/m2

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Une jauge de contrainte est un dispositifconducteur dont la rsistance va varier

suite sa dformation sous unecontrainte Sous l'effet de la contrainte la longueur

de la jauge va augmenter et sa section

va diminuer; ce qui va modifier sarsistanceR0 =

l0

A0

Jauge de contrainte

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Variation de la rsistance

Exemple: R0 = 120

contrainte de 1000 m/m R = 0.24

l 0A 0 = l 0 + l( ) A0 A( )

R = l 0 + l

A0 A

R =l0

A01+ 2

ll0

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Direction sensible

Directionnon-sensible

Substrat isolant

ConducteurPad d'interconnexion

Construction

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La relation entre la contrainte et lavariation de rsistance d'une jaugepermet de dfinir son coefficient

Pour les jauges mtalliques usuelles GF

est voisin de 2; il peut aller jusqu' 10pour certains alliages ou le carbone

GF=R Rl l

Jauges mtalliques

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Rsistance dune jauge

La valeur nominale de la rsistance

d'une jauge (en l'absence de contrainte)peut tre de 60, 120, 240, 350, 500 ou1000 ; la valeur la plus commune est120

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Un pont est utilis pour mesurer lavariation de rsistance

Une jauge inactive est utilise dans laseconde branche du pont pourcompenser les effets des variations detemprature

F F

RA

RD

+Vs D

Det

Utilisation d'une jauge

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RA = R 1 +RR

V= VS RD

RD + R1 R

A

RA + R2

V= VS

4

RR

1 + RR

VS

4

R

R=

VS

4GF

l

l

Variations au dtecteur

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Jauges semi-conducteur Construites partir de semi-

conducteurs (gnralement le silicium) Coefficients beaucoup plus levs que

les jauges mtalliques du l'effet de la contrainte sur la mobilit desporteurs dans les semi-conducteurs

Coefficients de lordre de -50 -200

Variation de la rsistance non linaire gnralement le coefficient dcrot avec la

contrainte (donc augmente en valeur absolue)

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Acclromtres Mesure de la position dune masse

suspendue un ressort rponse dynamique

rsonance Capteur de position

potentiomtriques LVDT

Pizo-lectrique

Mesure de vibrations

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Manomtres

Diffrents types diaphragme et LVDT (type Bourdon)

semi-conducteur (jauges de contrainte) jauge Pirani (dissipation thermique dunfilament, faible pression)

Jauge ionisation (faibles pressions)

Dbitmtres manomtre diffrentiel

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Mesure de tempratures Base sur l'effet de la temprature sur

des grandeurs physiques ou lectriques rsistance

effet thermo-lectrique proprit des semi-conducteurs

rsistivit tension Zener

expansion dun liquide dun solide

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Rsistivit des mtaux croissante avecla temprature

Rsistance mtallique croissante avecla temprature

Variation non linaire approximation par une variation linaire sur

une plage limite par une variation quadratique sur une plage

plus large R(T) = R(T0)(1+

1T+

2(T)2 )

R(T) = R(T0 )(1 + 0T)

Rsistance mtallique

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Exemples de variations

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Lignes de com pensa t ion+

Vs

-

+

Dtecteur rsistance (RTD)

Utilisation dun pontavec lignes decompensation

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Thermistor

Rsistance semi-conducteur Diminue avec la temprature dune

faon non linaire

Trs sensibles la temprature; typiquement 10% de la rsistance

nominale par C

Plages de tempratures dutilisation -50 C -100 C jusqu' 300 C

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Rsistance dun thermistor

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Dissipation de puissance par le couranttraversant la rsistance de mesure

lvation de temprature Rduction lincidence du phnomnesur la mesure limitation du courant dans la rsistance

prise en compte de l'erreur de lecture dueau rchauffement

Facteur de dissipation

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Prise en compte

Facteur de dissipation Spcifications des RTD et des

thermistors facteur de dissipation, PD (en W/C) , quiest la puissance requise pour augmenter latemprature du composant de 1C

P = puissance dissipe dans la rsistance pourla mesure

T = lvation de la temprature rsultanteT= P

PD

50

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Effet thermo-lectrique Force lectromotrice rsultant de la

diffrence de temprature entre 2jonctions mtallique dans un circuit

Trs faible (quelques mV) Non linaire

mais une approximation linaire peut treutilise sur de vastes plages de temprature

Fonction des tempratures desjonctions de rfrence

51

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Thermocouple

T1

T2

mtal A

mtal B

Force lectromotrice TM

TR

TR

mtal A

mtal B mtal C

mtal C

52 GEI L b i d i f i

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Utilisation dun thermocouple

Plage des tempratures qui peuventtre mesures trs vaste

plage de 500 1500 C depuis -200 C jusqu' 1482 C

Dpend de la nature des jonctionsmtalliques jonctions mtalliques standards

53 GEI 437 L b i d i f i

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Types standards de jonctions

Type Matriaux Plage de tempratures

J Fer-constantan -190 760 oC

T Cuivre-constantan -200 371 oC

K Chromel-alumel -190 1260 oC

E Chromel-constantan -100 1260 oC

S 90% platine +10% rhodium-platine

0 1482 oC

R 87% platine +13% rhodium-platine

0 1482 oC

54 GEI 437 L b t i d i t f t i

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Exemples de variations


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Autres capteurs Bilames mtalliques

dtection d'un seuil de temprature

Thermomtres gaz ou pression devapeur saturante

mesure de pression

Capteurs intgrs semi-conducteur variation d'un tension Zener en fonction de la

temprature plage de mesure de -50 C 150 C utiliss comme point de rfrence pour

thermocouple


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Exemple dapplication

Plage de temprature mesurer de 500 600 F avec une rsolution de 1 F

La plage de tempratures est de260 315.6 C

Un thermocouple de type J (fer-constantan) estutilis avec une jonction de rfrence 25 C0.5 C

Les tables donnent pour un thermocouple

de type J 260 C, VT25 = 12.84 mV 315.6 C, VT25 = 15.90 mV


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Conditionnement du signal La tension VADC prsente au convertisseur

varie de 0 5 V La tension de sortie du thermocouple est

considre linaire sur la plage utilise

Le circuit de conditionnement doit raliser laconversion suivante:VADC = m VT25 + V0

Les paramtres m et V0 peuvent tredtermins l'aide des quations suivantes:

0 = m (0.01284) + V05 = m (0.01590) + V0 Ce qui fait: m = 1634 et V0 = -21 V

58 GEI 437 Laboratoire d interfaces et microprocesse rs

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Calcul du circuit

Un gain de 1634 risque d'tre sourced'instabilits si ralis avec un seul tage

Un amplificateur diffrentiel avec un gain de-100 va tre utilis comme premier tage suivid'un sommateur

V1 = -100 VT25

VADC = 16.34 V1 - 21

VADC = 16.34 (V1 - 1.29)

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Vadc

-

+

-

+

10K

100K1K

1K

163.4K

2.88K1K

+5V

TREF

T

Fer

Constantan

Circuit de conditionnement

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