capteurs.pdf

8/10/2019 capteurs.pdf

1/178

La prparation des TP est obligatoire etfera l'objet d'une valuation en dbut dechaque sance.

Le planning des TP par binme seraaffich sur le tableau de correspondance.

Chaque tudiant doit donc se soucier deconnaitre son planning de TP avant de

commencer la srie des trois TP.


2/178

Capteurs et conditionneurs

Jean-Marie De ContoIUT1 Grenoble Mesures Physiques


3/178

Objectifs Cours

Le capteur et la chane de mesure, grandeurs dentre etde sortie

Sensibilit, linarit, temps de rponse, bande passante,rsolution

Revue de quelques capteurs Exemples de conditionnement, ponts Amplification Perturbations

Travaux dirigs Montage potentiomtrique dune thermistance, erreur

de linarit Chane de mesure: talonnage dun manomtre,

ajustement linaire, incertitude sur la mesure Mise en oeuvre de divers capteurs

3


4/178

Capteurs Capteurs gnrateur de fem

Schma de Thvenin Thermocouple Exemple compensation de soudure froide

Capteur gnrant un courant Norton Photodiode

Capteur gnrant une charge Quartz pizolectrique, dynamomtre

Capteur capacitif A permittivit variable A antenne

Capteurs rsistifs Rsistances mtalliques Thermistances Jauges dextensiomtrie Prcautions demploi

Capteurs inductifs variation dinductance (noyau mobile) A variation dinductance mutuelle Transformateur diffrentiel Capteur torodal

Capteurs effet HALL Pyromtrie Effets thermiques: anmomtres, manomtre PIRANI


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Conditionneurs et CEM Conditionneurs de capteurs passifs

Montage potentiomtrique et mesure des rsistances ouimpdances complexes

Ponts (applications identiques)

Conditionneurs de signal

Linarisation Amplification

Rjection du mode commun

CEM


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Prambule

Allez voir les catalogues et les sitesinternet des fournisseurs

Consultez les notes dapplications(application notes) The use of English is highly

recommended


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La chane dacquisition Extraction de linformation: capteur - Physique Conversion en signal utile: conditionneur- Electronique Traitement analogique du signal: filtrage et amplification

(dinstrumentation)

Slection Multiplexage Numrisation, traitement et exploitation


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Grandeurs caractristiques: vocabulaire,notions intuitives

Grandeur mesurer:mesurandem

Valeur obtenue: mesure M Etendue de mesure (EM) Incertitude um

Erreur de prcision de lachane Terme impropre (le mot

prcision nexiste pas enmtrologie)

Rsolution Ex: convertisseur A/N 12bits Nombre de valeurs

distinctes associables aumesurande dans ltenduede mesure

prsCu

CCCTTex

mmEM

o

ooo

1

600100700:

m

minmax

minmax

minmaxmm

um

p

min

minmax

MMM

Mm

8


9/178

Grandeurs dentreet de sortie, sensibilit

Vm

Vg

Vmpour Vg=1 volt

r

R(T)

9


10/178

Sensibilit (sur cet exemple)

10


11/178

Diffrents commentaires

11

La sensibilit est faible: le capteur

prlve toujours une nergie infime(sinon il perturbe la mesure). Lamesure doit donc tre effectue avecsoin. La mesure est sensible aux

parasites et le montage du capteurdoit galement tre effectu avecsoin.


12/178

Erreur de linarit G: gain y0: dcalage de zro

(offset) Erreur de linarit

cart maximal entre la

mesure et la droite dergression, ramen lapleine chelle

0yGxy

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20

y = 2,9284 + 2,0002x R= 0,99996

minmax

max,)(

yy

yL

L

Nota: linarit obligatoire???

Linarisation: courbe dtalonnage 12


13/178

Prcautions pralables Rapidit

Bande passante Temps de rponse Connatre la frquence maximum Fmax du signal mesurer Attention galement au dphasage, au temps de propagation

Echantillonnage Condition de Nyquist (ncessaire mais trs insuffisante):

Fe>2Fmax Soit FN=Fe/2. Une composante F1=FN+ F1> FN donne une

composante FN- F1(repliement de spectre, par battement) Ex: un parasite 50 Hz donne une composante 1 Hz, si lon

chantillonne 49 Hz Il peut tre judicieux de filtrer AVANT chantillonnage! De manire gnrale, tout appareil de mesure, ainsi que tout

calculateur peut donner lieu des artefacts Comprendre ce que lon mesure. Ex: terminaison 50 ohms en

HF. Pourquoi?


14/178

Repliement de spectre et filtrage


15/178

Environnement Drives diverses

Drive en temprature Compatibilit ElectroMagntique (CEM)

Parasites divers et varis Bruit de fond Amplificateur diffrentiel: forte rjection du mode commun Problme de la rjection du mode srie (perturbation diffrentielle)

Par couplage galvanique effet dun conducteur commun-(surtensions, problmes de masse)

Par couplage magntique effet de linduction magntique locale -(blindage par mu-mtal)

Par couplage lectrique effet dun champ lectrique parasite-(blindage, cage de Faraday)

Par couplage lectromagntique (claquage, radio, par exemple) Dans tous les cas: circuits de masse, blindages etc Protections diverses des circuits dentre et des cbles La CEM protge non seulement les mesures, mais les appareils!

Respecter le domaine dutilisation du capteur (performances et nondestruction)


16/178

Caractristiques mtrologiques dela chane. Du dj vu? La chane quasi parfaite,

nominale, linaire Gn: gain du dispositif y0n: dcalage de zro

(offset) Gain et offset ne sont pas

nominaux Dpendent du point de

fonctionnement Dpendent de la

temprature (surtoutloffset)

Erreur commise Incertitude

nnn yxGy 0

0)( yxGy

maxmax y

y

yy

y

on

0yGxy

A revoir


17/178

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 50 100 150 200

Volts

Volts

Position (centiemes )

entree filsortie fil

mesures du 23/05/2000fil 20um laser/fil/ecran:30cm/1m


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Drives thermiques Erreur sur le gain seul

Erreur sur le zro seul

Ex: mV.oC-1 Ex: oC-1 de ltendue de mesure

maxmax

max,

maxmax

maxmax)1(

TGG

yy

xGy

xGyxGyTGG

Gn

TG

n

Gn

max0

maxmaxmax

maxmax

max

0

maxmax00

1

)1(

TdT

dy

yT

dT

dT

yy

y

dT

dy

TyTyy

zz

z

zon


19/178

Temps de rponse, bande passante

Bande passante prsen rgime sinusodal mesurer En sortie de chane Gain dynamique Phase

Pour un systme passe

bas classique Frquence haute Fh Bande passante prs

)(

/)(

)sin()(

)sin()(

F

XYFG

tYty

tXtx

fix

Y

Y

G

GFG

Y

Y

G

G

G

GFG

h

)0(

)0()(

)0()0(

)0()(


20/178

Systmes du premier et du secondordre rappels (?)

Systme linaires

Systmes rgis par une quation diffrentielle dutype ( coefficients constants rels)

)()()()()()(

)()(2121

22

11tststete

tste

tste

)()()()(

)()()(

2

2

tetCsdt

tdsB

dt

tsdA

tetBsdt

tdsA


21/178

Systmes du premier ordre

Systme linaires

Systmes rgis par une quation diffrentielle dutype ( coefficients constants rels)

)()()()()()(

)()(2121

22

11tststete

tste

tste

)()()(

tetBsdt

tdsA

21


22/178

Exemple: mesure de temprature

22


23/178

Cas de la transition brusque de T=0 T=T1

23


24/178

Evolution de la temprature

24


25/178

Cas o T varie sinusodalement

25

)()()(

tetBsdt

tdsA

)(

tj

tj

Ses

Eee

A

B

EGE

BAB

E

BjA

ESESeBjA

c

c

j

).(

1

1)(

2

2222


26/178

w/wc

Gain: 3dB/octave

26


27/178

Rsolution

Premier ordre Frquence de coupure

)()()()(

)()()(

2

2

tetCsdt

tdsB

dt

tsdA

tetBsdt

tdsA

)(

tj

tj

Ses

Eee

A

B

EBpA

BE

BAj

B

BjA

ESe

EB

AB

E

BjA

ESESeBjA

c

j

c

j

/1

/1

/1

/1

1

/1)(

2

2222

Fonction de

transfert


28/178

Second ordre

C

BA

C

EC

BAC

ECjBA

ES

CBpAp

E

CjBA

ESe

ESeCjBA

c

cc

j

j

2

41

/1

)(

2

22

2

2

22222

2

22

2


29/178

Amortissement de 0.1 1

w/wc

GAIN


30/178

Circuits du premier ordre

pas doscillations Gain ?

2

0

2

0

/1

11

/1)(

cH

c

FFG

G

FF

G

FG


31/178

Circuit du second ordre

cH

c

H

cc

FF

F

F

G

G

FFFF

GFG

2

2

0

2222

0

21

/4/1

)(

Oscillations


32/178

Temps de rponse prs Exemple: pour un circuit du premier ordre de

constante de temps

)(

/1)(

t

t

e

eYty


33/178

Nota: hystrsis Peut concerner la mesure (champ magntique par

exemple) Peut concerner le capteur (dformation par exemple)

Hystrsis

dun lectro-aimant


34/178

Etalonnage Direct ou absolu, via un ETALON Indirect ou par comparaison

partir dun capteur suppos connu Etalonnage multiple

Ex: cas dune hystrsis RAZ du capteur m=M=0 Courbe M=f(m) pour m croissant puis

dcroissant. Prise en compte des aspects bande passante Amplitude de m constante et frquence

variablemesures M diffrentes Frquence fixe et amplitude variable idem


35/178

Capteurs: zoologie Etendue de mesure et sensibilit Capteurs gnrateur de fem

Schma de Thvenin Thermocouple Exemple compensation de soudure froide

Capteur gnrant un courant Norton Photodiode

Capteur gnrant une charge Quartz pizolectrique, dynamomtre

Capteur capacitif A permittivit variable A antenne

Capteurs rsistifs Rsistances mtalliques Thermistances Jauges dextensiomtrie Prcautions demploi

Capteurs inductifs variation dinductance (noyau mobile) A variation dinductance mutuelle Transformateur diffrentiel Capteur torodal

Capteurs pour milieux perturbs Capteurs effet HALL


36/178

Thermocouples: lois physiques

Effet Peltier: la jonction de deuxconducteurs A et B diffrents mais mme temprature apparat une fem

Effet Thomson: entre deux points Met N temprature diffrente au seindun mme mtal homogne apparatune fem

Thermocouple: effet Seebeck =Peltier+thomson


37/178

Thermocouples: gnrent une fem

Deux conducteurs diffrents,dont au moins un est unalliage, mis en contact

http://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/NTPF2/SERIE1/therrath.htm#effet%20thermo


38/178


39/178

Thermocouple Lois compensation de soudure froide

Lois des tempraturessuccessives

Lois des mtauxsuccessifs

Lois des mtauxintermdiaires:prolongateur

Compensation desoudure froide On compense la

temprature ambiante Electriquement Avec une sonde de

tempraturelocale+logiciel

A

BT1 =T2

A

BT1 +T3

C

CT3 +T3

A

BT3 T2


40/178

Pour tout savoir: consultez lecatalogue!

Les plus: le prix, pas de pices mobiles, grandegamme, assez rapide, bonne rptabilit

Les moins: faible sensibilit (50V/oC environ).Basse fem et donc sensible au bruit. Sensibilitlimite environ au demi degr

Non linaires mais la courbe est connue Compensables facilement


41/178

Capteurs gnrant un courant: photodiode

Hamamatsu

Silicon PhotodiodeSilicon PIN PhotodiodeSilicon Photodiode ArrayWith Preamp / CoolerSilicon APD- AvalancheAPD ModulesX-ray DetectorTwo-color Detector

Silicon Photodiode: Featuring highsensitivity and low dark current,these photodiodes are specificallydesigned for precision photometry ina wide range of fields.PIN Photodiodes: Deliver a widebandwidth with a low bias, makingthem ideal for high-speedphotometry as well as opticalcommunications.

Diode PIN, avalanche???
http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-photodiode.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-pin-photodiode.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-photodiode-array.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/with-preamp-cooler.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-apd.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/apd-modules.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/x-ray-detectors.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series.php?goto=13199011http://www.sales.hamamatsu.com/index.php?id=13166815http://www.sales.hamamatsu.com/index.php?id=13166470http://www.sales.hamamatsu.com/index.php?id=13166470http://www.sales.hamamatsu.com/index.php?id=13166815http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series.php?goto=13199011http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series.php?goto=13199011http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series.php?goto=13199011http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/x-ray-detectors.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/x-ray-detectors.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/x-ray-detectors.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/apd-modules.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-apd.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/with-preamp-cooler.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-photodiode-array.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-pin-photodiode.phphttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-photodiode.php


42/178

Photodiode (HP)

dd SIIII 00

I0: Courant inverse

: puissance incidente


43/178

Montages de base Augmenter Rm (base): rduit le bruit mais aussi la

rapidit C2compense Cp1(R1Cp1=R2C2) Montage rapide Le courant dentre et la drive thermique doivent rester

faibles pour le second montage.

(rapide)

)(classique

r

rm

IRRv

I

R

RRv

210

1

20 1


44/178

Montages photovoltaques A rponse linaire

Mesure de Icc

Logarithmique

Mesure de Vco en circuit ouvert

(log)V

(linaire)

co

1

20

0

1RRv

IRv ccm


45/178

Applications/exemples Mesure de rayons X ou

bta

Convertisseur lumire

frquence

http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-photodiode/applications.php

Montagephotovoltaque


46/178

Gnrateur de charges: Effet pizolectrique du quartz, de cramiques ou de

polymres. Effet pyrolectrique (sulfate de triglycine.soit!) Mtallisation des faces du capteurfabrication dun

condensateur

(Norton)

(Thvenin)

dt

dQi

C

Qe

Exemple: dynamomtre quartz

Q=dF

d=2.13*10-12C/N pour le quartz (coupe X)

2pF sous 1 V!!


47/178

Cest un rsonateur du second ordre

fn: frquence de rsonnance f : frquence dutilisation Q: facteur de qualit (10-40) ab: acclration fn gain 1

Un filtrage passe basest envisageablepour viter la bosse


48/178

Remarques diverses Ici: Modle haute impdance avec convertisseur de charge

EXTERNE, ou basse impdance avec convertsseur de chrgeINTERNE (ncessite une alim externe)

Beware the cost

Achat dun coupleur=achat desaccessoires: cbles etc!!


49/178

Capteurs capacitifs Capacit dun

condensateur plan Cylindrique Modification de la

permittivit

Temprature Hygromtrie Niveau de liquide isolant

Modification de lagomtrie Pression (microphone) Pression de fluide

membrane Dformation de solide

(jauge extensomtrique)

120

0

/ln2 rr

L

C

e

SC

r

r

Figure 8.7 p114 capteurs

Exemple de capteur de pression avec conversion par variation de capacit (Doc. VEGA).


50/178


51/178


52/178


53/178


54/178


55/178

Capteurs rsistifs Rsistances

mtalliques Ex: platine (-

200+1000oC)

Thermistances Agglomrs doxydesmtalliques

Jaugesdextensomtrie Mtalliques (K=2..4) A semi-conducteurs

(K=+-50..+-200)

3201)( CTBTATRTR

00

11exp)(

TTBRTR

L

LK

R

R


56/178

Sous ampoule de verre

Protection

Inertie thermique:dizaines de secondes plusieurs minute

En couche mince


57/178

Thermistances

Non linaires Drive au cours

du temps Effet thermique

(Joule) local


58/178

Du rseau simple la haute technologie


59/178

Capteurs inductifs : un peu de magntismepour commencer. Notion de reluctance.

R: reluctance du circuit

ldH

SBN

NI

SBN

I

NSBL

NSBLI

NIldH

HHB r

22

0

00

0

00

0

2

00

2

0

0

0

00

S

l

S

l

S

l

S

lR

R

N

ll

SNL

BllBlBlldH

rm

mm

m

mm


60/178

Application: capteur entrefer variable

0

2

0

00

2

0

0

2

00

0

00

0

0

0

2

212

1

21

22)(

l

xSNL

lxSN

l

xSNL

l

x

S

l

S

xl

S

xl

S

lxR m


61/178

Amliorations Circuits variation oppose (push pull)

Linarise la fonction prcdente (annule les termesdordre 2 en x)


62/178

Bobine noyau plongeur

L0: self air Lf: self avec noyau Section (~constante)

de la bobine

Correction de linaritpar montage push-pull

frf

f

fff

lsl

N

L

llsl

NL

lFLLkLLL

2

2

0

2

2

00

00

)(

)(2


63/178

Transformateur, transformateur disolement,transformateur dintensit

Le transformateur: un peu de magntisme


64/178

Utilisation en haute tension

l


65/178

Application non-capteur:transmission de puissance

Plateforme 250 kV Alimentation 250

kV/10 mA=2.5kW Transfo disolement

220V-220V plusieurskW

secteur

f d l


66/178

Le transformateur disolementcomme capteur Mesure de position du noyau Aliment en alternatif (sinusodal) Electronique aval requise (cf conditionneurs) Fonctionnement en diffrentiel

La sortie signal du conditionneurest proportionnelle ladiffrence de la tension des deux secondaires. Fonctionnement en diffrentielsur somme

La sortie signal du conditionneur est proportionnelle ladiffrence de la tension des deux secondaires, rapporte leur somme.
http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3703http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1645http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1645http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3703


67/178

Les plus excellente fiabilit : c'est le capteur de dplacement de choix de

l'aviationcivile rsiste des environnements trssvres (tempratures

extrmes, vide,hautes pressions) capteur sans contacts

encombrement rduit cot relativement faible excellente rsolution (de l'ordre de 0.1m)

les moins complexitdu conditionnement

plusieurs capteurs l'un ct de l'autre peuvent se perturbermutuellement s'ils sont aliments la mme frquence prcision moyenne fabrication dlicate
http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=5844http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=5844http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3665http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3665http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1341http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1727http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1727http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1727http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=1341http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=3665http://www.techno-science.net/?onglet=glossaire&definition=5844


68/178

Et comme capteur dintensit n1.i1 = n2.i2 + n1.i10 La prcision sur la mesure de i1 est

dautant meilleure que le courantmagntisant i10 est faible.

La diminution du courant magntisantest obtenue par: une faible rsistance de lenroulement

secondaire un excellent couplage magntique delenroulement secondaire (qualit dubobinage)

lemploi dun circuit magntique trsforte permabilit

Si secondaire ouvert n1.i1 = n1.i10.

flux trs important, pertes

considrables dans le circuitmagntique et destruction tension importante et dangereuse aux

bornes du secondaireMesures en continu: capteur effet HALL


69/178


70/178

Disjoncteur diffrentiel Protection des personnes

4

3

7

82

1

5

6


71/178

Effet Hall: thorie

Un champ magntique appliqu sur unconducteur ou un semi-conducteur creune diffrence de potentiel entre les bords

du conducteur

I


72/178

Un peu de thorie

Tension et champlectrique

Rsistance

Courant Proportionnel Ex Proportionnel q, n,

et el

Facteur deproportionalit:mobilit

elqnEI

AqnelE

L

LelE

R

VI

el

LR

LEV

x

xx

x

l

eL

I

n: densit lectronique (electrons/m3), q charge de llectron


73/178

Vitesse des porteurs

En 1 s, les chargesparcourent L=v

Volume: elL=elv

l

eL

I

x

x

Ev

qnelv

electronsqN

dt

dQ

I

elqnEI

sec1

sec)/(

F


74/178

Force de laplace Le champ

magntique creune forcetransverse

Les lectronssaccumulent surune des faces etcrent un champtransverse Ey

A lquilibre

l

eL

I

B

BEqqvBFBvqF x

F

lBElEV

BEEqEBEq

xyHall

xyyx


75/178

En dfinitive Courant

Tension Hall

Constante de Hall

En fait, cause desphonons:

qnK

Be

I

qnV

qen

IlEelqnEI

h

hall

xx

1

1

qnKh

1

8

3


76/178

Exemples


77/178


78/178

Gaussmtres, suite

De quelques centimes de gauss quelques teslas.

Sondes axiales ou radiales

Calibration avec chambre de zro Zone active: de 1 quelques mm2 Linarit au % Pour des mesures de prcision ou absolues:

sondes NMR ou RMN


79/178

Application: mesure de courant continu, non interceptive

Un circuit magntique constitu de ferrite permet de canaliser le flux crepar le conducteur parcouru par le courant I .

Un gnrateur de courant constant fournit le courant Io.Une tension Vh proportionnelle au courant Io et l'induction produite par

le courant I apparait .Cette tension est amplifie pour fournir un courant i dans les N spires du

bobinage secondaire, de faon produire un flux oppos celui cre par I.

A l'quilibre: B = 0 et I = N * i


80/178


81/178


82/178

Energie rayonne Emissivit gale au coefficient

dabsorption


83/178

Ash p554


84/178

Anmomtre fil: vitesse des fluides

Echange thermiqueentre une thermistanceet un fluide

Bas sur la conduction

Bas sur un quilibre

Reli la vitesse dufluide Formule empirique de

King Reli au nombre de

Nusselt Nu

Ash p554

eJ

fe

J

PP

TTkSP

ITRP

)(

)( 2

uND

k

vbak


85/178


86/178


87/178


88/178

Jauge Pirani: mesure de la rsistance


89/178

Complments: mesures en haute frquence

Que mesure ton haute frquence? Haute frquence, a veut dire quoi Pourquoi termine ton les cbles coaxiaux

par 50 ohms? Y a-t-il des circuits spcifiques la HF?


90/178

Le problme Longueurs donde dans le vide

30 MHz: 10m France-Inter: 3m 300 MHz: 1m 2.45 GHz (four microonde): ~10 cm

Consquence

Si la longueur des connexions devient comparable ou infrieure lalongueur donde, les temps de propagations ne peuvent tre ngligs Une variation de tension un bout de cble ne se transmet pas

instantanment lautre bout Propagation de cette variation: onde incidente Il se passe la mme chose dans lautre sens: onde rflchie Onde incidente+onde rflchie = onde stationnaire

On ne sait plus ce que lon mesure Un conducteur nest plus quipotentiel La notion de tension perd du sens


91/178

Ondes progressives et stationnaires

OS = onde incidente + onde rflchie


92/178

Modlisation: quation des tlgraphistes

Ligne bifilaire (coax,paire torsade)

On suppose la lignesans pertes

R=0 G=0 (rsistance infinie

entre fils) dt

vC

dt

vCGv

dx

idt

iL

dt

iLRi

dx

v

escane

L et C: inductanceet capacitliniques


93/178

En rgime sinusodal (harmonique)

V est la somme dune onde incidente et dune onde rflchie

tj

tj

exII

exVV

dt

vC

dx

i

dt

iL

dx

v

)(

)(

VLCdx

V

VjC

dx

I

IjLdx

V

2

2

2

x

r

x

i eKeKV

LCjLC

22


94/178

En bout de ligne

x=0 sur la charge

Et le courant?

ri KKV 0

x

r

x

i eKeKV

ri

x

r

x

i

KKL

jI

eKeKL

j

dx

V

L

j

dx

V

jLIIjL

dx

V

0

1


95/178

Sur la charge, en x=0

riri

ri

ri

KKL

CKK

L

LCI

LCj

KKL

jI

KKV

0

0

0

ricc KKZI

C

LZ

0

0

0

0

rriric

ri

ric

KKKKKZZ

KK

KKZ

I

VZ


96/178

Conclusion La ligne bifilaire est caractrise par

son impdance caractristique Si lon termine la ligne par Zc, on na

pas donde rflchie On a adaptation On sera adapt si toute ligne esttermine par Zc Souvent Zc=50 ohms Si la charge est 0 ou infini (court

circuit ou circuit ouvert) on a 100%

de rflexion Nous nous sommes limits aux lignessans pertes

C

LZc


97/178

Exemple de montageet a vaut pour les capteurs HF

synthtiseur

circuit

Frquencemtre

T magique

ou SPLITTERChaque liaison voit 50 ohms

Les appareils ont uneimpdance dentre de 50ohms


98/178

Bilan trs simplifi

x

r

x

i eKeKV

x

r

x

i

c

eKeKj

Z

I

Application: tension et courant le


99/178

Application: tension et courant lelong dune ligne (1)

Circuit ouvert en bout

A /4, limpdance vue est un court-circuit A /2, limpdance vue est un circuit ouvert

)cos(

20

0

0

0

0

xVV

VKK

I

KKVri

ri


100/178


101/178


102/178

Conditionneurs Conditionneurs de capteurs passifs

Montage potentiomtrique et mesure des rsistancesou impdances complexes

Ponts (applications identiques) Oscillateurs

Forme et spectre du signal en sortie de conditionneur Conditionneurs de signal

Adaptation source/chane Linarisation Amplification

Rjection du mode commun Amplificateur disolement Dtection


103/178

Ash page 54

Cinq types deconditionnement


104/178

Qualits dun conditionneur

Sensibilit: Dpend du choix des impdances duconditionneur (Zk)

c

mccdtcap

c

mcdt

ccap

Z

v

m

ZSSS

Z

vS

m

ZS

Figure c ash p54


105/178

Linarit - linarisation Ex: capteur rsistif (Rc) + conditionneur (rsistances Rk,

k=1..N) La tension mesure est souhaite la plus linaire possible

Ex: Montage potentiomtrique

k

k

k

mc

c

ms

m

kcsm

m

R

R

v

m

R

R

ve

dm

dv

RRFev ),(

Aussi constant quepossible

dm

dRR

dm

dRR

RR

eS

RR

Re

R

v

RRRe

Rv

RR

Rev c

c

c

s

c

sc

m

c

cs

m

c

csm

112

12

1

1

211

1

Deux capteurs identiques fonctionnant en opposition


106/178

Compensation des grandeurs dinfluence

Ex: drive thermique

Exemple: une seule des rsistances est soumise lagrandeur dinfluence et est choisie gale Rc (cas delexemple prcdent)

0

),(

kk

k

mc

c

ms

m

kcsm

g

R

R

v

g

R

R

ve

dg

dv

RRFev

voulu

k

m

c

m

R

v

R

v


107/178


108/178

Petit prambule

2

21

1

B

AB

B

A

B

A

B

A

BB

A

BB

A

BB

A

B

A

Linarisation du montage


109/178

Linarisation du montagepotentiomtrique

1. Fonctionnement en petits signaux

2. Alimentation par une source de courant (ex: TDsur thermistance)

2

01

10

01

0

0

cs

sm

cs

csm

cc

RRR

RRv

RRR

Rev

RR

sensibilit

Sensibilit maximum pour 01 cs RRR

00

4 c

smm

R

evv

ivv mm 0

Linarisation du montage


110/178

gpotentiomtrique (2)

3. Montage push-pull: R1 et R2 sont deux capteurs quivarient en sens inverse (TD1)

R1

R2vm

Cas dune grandeur

dinfluence:Le push pull entrane unecompensation

La sensibilit varie

00

4 c

smm

R

evv


111/178

Et si le capteur nest pas purement rsistif?

Trois cas1. X1=02. X1 de mme signe

que Xc

3. X1 et Xc de signesopposs

1. Montage simple

111 jXRZ

jXRZ ccc

cs

mmc ZR

evvZR 1

01

Z1

Zc

es


112/178

Second cas X1 et Xc de mme

signe Ex: deux inductances Deux capteurs

noyaux mobile monten push pull.

Linarisation Possibilit de

compensationdesgrandeurs dinfluence

Z1

Zc

es


113/178

Cas dimpdances capacitives


114/178

Le principe est le mmemais.

Problme: les capacitsparasites

Bis repetita: le capteurfournissant une nergieinfime, la capacit ducapteur est infime

Travailler en diffrentielvia un pont, par exemple,et mesurer uneVARIATION de capacit

Troisime cas: parties imaginaires de signes


115/178

Troisime cas: parties imaginaires de signesopposs

Le circuit devient un circuit rsonnant Possibilit dauto-oscillation

r

LkIv

LCf rm

20

2

00

12


116/178

Une impdance complexe cest quoi?

En haute frquence, il ny a pas de rsistance, decapacit ou dinductance pure

Il y a toujours, notamment, une capacit parasite On peut MODELISER une capacit ou une

inductance

Figure ash page 83


117/178

Les ponts de mesure: objectifs Annuler la tension rsiduelle

la tension mesure nest pas nulle pour m=0 La composante permanente est grande par rapport

ses variations

Rsoudre le problme des capacits parasites:mesures diffrentielles Fournir des moyens de compenser les grandeurs

dinfluence. Compenser les drives dalimentation


118/178

Le principe de base du pont Mesure dune tensionde dsquilibre On nglige leffet des

impdances dentredes appareils demesure

Une des impdances

est le capteurs Les autres servent quilibrer, linariseroucompenserlesgrandeursdinfluence

V

Vg Vd

VmesZ2

Z3

Z4

Z1

dgmes

d

g

VVVZZ

ZVV

ZZ

ZVV

43

3

21

1

324143

3

21

1 00 ZZZZZZ

Z

ZZ

ZVmes

Cas de rsistances pures: Pont de Wheastone


119/178


120/178

Divers types de ponts

Mesures inductives Pont de

Maxwell Pont de Hay


121/178

Exemple dj vu: capteurs rsistifs

Montage 4 fils Exemple: mesure dune rsistance en platine pour

mesure de temprature Mesure assez grossire

Inadapt pour de petites variations de temprature,donc de rsistance La solution: montage en pont (dsquilibr)

Montage 4 fils

Pont de Wheastone dsquilibr


122/178

(courant ou tension)

Principe du pont De une quatre rsistances peuvent varier

am ERRRR

RRRRv

))(( 4321

4132

am I

RRRR

RRRRv

4321

4132

RRR

RRi

02

0

toujourspasmais44

21

1

0

0

0

aam

E

R

RE

R

RR

Rv

toujourspasmais44

41

1

0

aam

IR

I

R

RRv


123/178

Cas de deux rsistances variables Exemple: jauges extensomtriques Deux dformations gales et de signe oppos (push pull) Elimination de la variation de la rsistance des fils de liaison Rl qui

est commune et disparat dans la diffrence-

202

101

043

RRRRRR

RRR

4

21

1

0

210

12 am

E

R

RRR

RRv

4

21

1

0

2112

am

I

R

RRRRv

Possibilit de compenser. Exemple:

202

am

E

R

RvRRR


124/178


125/178

Enfin: Systme quatre rsistances variables

Exemple: capteur de pression constitu de4 jauges extensomtriques montes enpont sur un diaphragme

104

103

02

01

RRR

RRR

RRR

RRR

am

am

IRv

ou

ER

Rv

0

Push pull + compensation dune grandeur dinfluence

Li i ti d t


126/178

Linarisation du pont

am

am

a

ER

Rv

EvIRRIR

R

EI

0

00

0

2

)(

2

am

aadroit

aampli

agauche

ER

Rv

R

ERRE

R

I

R

ERRv

R

EI

0

00

0

2

)(

2

1

)(

Conditionneur du capteur source de


127/178

courant Convertisseur courant-tension ampli-op. Circuit idalis (de principe)

Objectif: Faire R leve Cot Bruit Encombrement Montage en T

iRv +-

R

i

3

212

3

21 11

R

RiRR

R

RRiv

Inconvnient: Offset et bruitde fond accrus en sortie

AmpliCourant polarisation


128/178

Conditionneur du capteur source de charge

Cas simplifi Le condensateur accumule la charge

Cas rel il faut assurer la circulation du courant de polarisationrsistance Les cbles de liaison ont une influence considrable

HF: v est divis par Ccable BF: v est divis par Rcable

Ne pas modifier les cbles!

C

Qv

Cp

iiZv

0

0Q)(Inintgratio

hautpasse

RCp

RCp

C

pQv

1

)(0

O ill t


129/178

Oscillateurs Convertir le signal utile en frquence

Meilleure immunit aux parasites Numrisation aise (comptage) Tltransmission possible

Oscillateur Clapp et quartz pizolectrique

M d l ti d f


130/178

Modulation de frquence

Capteur mont surun circuit RLC

LCf 12 00

mkff 0Modulation defrquence par lemesurande

Modulation damplitude


131/178

Modulation damplitude Cas o le mesurande

varie priodiquement

)cos()cos(2

1)cos()cos( bababa es ~

ttkmv

ttkmvtmm

tkmv

mgmgmes

mgmes

m

gmes

)(cos)(cos2

1

)cos()cos()cos(

)cos(

0

0

0

Composantes

spectrales fg+fmetfg-fm

Suppression deporteuse


132/178

Modulation damplitude et dtection synchrone

Cas o le mesurande estcontinu

Supression de la composanteHF par filtrage passe bas

Obtention dun niveau continu

)2cos(cos2)cos(

)cos(

t

kmAXv

tAY

tkmv

gmesg

gmes

es ~

Tltransmission


133/178

Tltransmission

Un vieux transparent


134/178

Un vieux transparent

am ERRRR

RRRRv

))(( 4321

4132

RRR

RRi

02

0

toujourspasmais44

21

1

0

0

0

aam

E

R

RE

R

RR

Rv


135/178

Conditionnement de signal : linarisation

Rsoud le problmeprcdent

0

0

21

1

4

c

cc

csm

R

RR

REv

ref

s

c

cc

cs

ref

m

ml

ref

lmmml

ref

lm

ref

yx

E

Eb

R

RR

RE

E

bv

avv

E

vvbavbvavv

E

vv

E

VVv

21

21

1

41

0

0

0

0

s

ref

sref

EEb

EE

2

nelproportion

Autre procd


136/178

Autre procd Linarise le pont de Wheastone Supprime les fluctuations de lalimentation du pont

grce un diviseur

0

0

0 210

21

1

4 c

cl

c

cc

csm

R

Rv

R

RR

REv

A lifi ti


137/178

Amplification

Quatre signaux demesures

Lamplificateur utiliser:amplificateur diffrentiel

Tension de modecommun

Tension diffrentielle

2

2

2

2

1

21

12

dmc

dmc

mc

d

vvv

vvv

vvv

vvv

P i i d l lifi t diff ti l


138/178

Principe de lamplificateur diffrentiel

Amplificateur: nonparfaitement symtrique

Tension diffrentielle

dentre Tension de mode

commun dentre

2

12

12

120

iimci

iidi

ii

vvv

vvv

vGvGv

Bilan


139/178

Bilan Tension de sortie

Gain diffrentiel

Gain de modecommun

Taux de rjectiondu mode commun(Common ModeRejection Ratio) en

dB Ex:

CMRR=105100 dB

GG

GG

G

G

GGG

GGG

vGGvGG

v

mc

dr

mc

d

mcidi

2

1

2

20

Le CMRR dcrot avec la frquence, mais aussi selon les liaisons avec

la source de signal

L i d d t d l lifi t


140/178

Les impdances dentre de lamplificateur

Entre bornes dentre: impdance dentrediffrentielle Zid Entre borne et masse de lamplificateur:

impdance de mode commun Zmc

Grande rsistance, capacitfaible: frquence de coupureBASSE

Sources de dsquibre entre voies (1)


141/178

Sources de dsquibre entre voies (1)

Dsquilibre srie: limpdance descbles de liaison introduit unediffrence sur la tensiondiffrentielle aux bornes de lampli

2,1

11

2

22

2

ZZ

vZZ

Zv

vZZ

Zv

mc

mc

mci

mc

mci

mcmc

dmcmc

ddi vZ

Zvv

Z

ZZvv

21

Taux de rjection associ


142/178

Taux de rjection associ

Le dsquilibre srieentrane unerduction du taux derjection

quilibrer les

voies

rmceff

mceff

ddmcrmc

ddmcir

did

ZZ

vvGvZ

ZvGvvGv

11

1110


143/178

Consquences et solutions


144/178

Consquences et solutions

Dans le cas de voiesdamene quilibres, ontrouve

Bilan quilibrer les impdances Porter le blindage

damene au potentiel demode commun par unanneau de garde

mcddi vCCRjvv

RZZ

)( 21

21

Compatibilit ElectroMagntique ou CEM


145/178

Compatibilit ElectroMagntique ou CEM

Les 6 modes de couplages Masse et terre Cblage des masses Blindage magntique Blindage lectromagntique


146/178

1] Effet dun courant circulant dans unconducteur


147/178

conducteur

Impdance dunconducteur: toujoursnon nulle

Critique pour lescircuits bas niveau

ou rapides Couplage dit par

impdance commune Remde: abaisser

limpdance commune

et/ou les courantsparasites


148/178

3] Effet dun courant variable dans un conducteur surun autre conducteur


149/178

un autre conducteur

Diaphonie inductive Le champ

magntique induitune ddp dans leconducteur

Remde Rduire les

inductancesmutuelles

Rduire le di/dt

4] DDP variable entre un conducteur et unconducteur voisin


150/178

conducteur voisin

Couplage pardiaphoniecapacitive

La ddp entrane unchamp lectriquequi gnre uncourant

Remde Rduire la capacit

mutuelle Rduire le dU/dt du

circuit coupable

Charoy 1 p 18

5] Champ lectrique variable sur unconducteur


151/178

conducteur

Couplage dit champ cble

Remde Rduire leffet

dantenne du cblevictime Blindage

lectromagntique(cage de Faraday)

6] Champ magntique variable dans uneboucle


152/178

boucle

Une variation deflux cre une ddp

Remde: rduire la surface de

la boucle blindage

Mode commun et mode diffrentiel


153/178

Mode commun et mode diffrentiel

Faible couplage des perturbations en mode diffrentiel

Fort couplage desperturbations sur le modecommun: cest LE problmede la CEM Se propage sur tous les

conducteurs et revient par lamasse

Masse = quipotentielle +poubelle de mode commun

Un cble pollu pollue TOUSles autres

Fig 1.12 et1.13


154/178

Trois remdes pour le MC


155/178

Trois remdes pour le MC

Exemple de ladisymtriedimpdance

Remdes en HF Maillage des masses Filtres rfrencs la

masse mcanique Ferrites sur les

cbles

Couplage par impdance commune: quelquesordres de grandeurs


156/178

ordres de grandeurs

Ddp entre les bornes dune pistede circuit imprim de5cmx0.3mm, sous 1A? 83 mV!

Effet de peau, par rapport aucuivre, soit 1cm 50 Hz!

Application: 100 MHz, uneplaque de cuivre est 4 fois plusrsistante quen continu(4m/carr)

Une plaque de 17 m a la

mme rsistance quune plaquepaisse (lpaisseur ne jouepas)

MHzrr fm

66

)(

)/(/// carreLeLSLR


157/178

Quelques remdes plusieurs problmes


158/178

Quelques remdes plusieurs problmes

Couplagecapacitifcarte/chssis

Diaphonie

Mode diffrentielEx: un seul cble0V dans une nappe


159/178

Dernier exemple: diaphonie demode commun


160/178

mode commun

Pire cas: deux cbles voisins avec des conducteursde retour loigns (effet de boucle)

Solution: Supprimer les boucles par anneau degarde

Le problme des masses


161/178

Le problme des masses

La terre? Destine couler dans le sol des charges

extrieures au systme Protection des personnes (il faut surtout une

EQUIPOTENTIELLE) Evacuation des courants de fuite par les conducteurs

de terre Rfrence de potentiel (ex: remplissage de krosne) Evacuation de mode commun externe (ex:

surtensions limites par crteur, parafoudre). Ouvrages HT: abaisser la rsistance de terre

Effet sur une antenne (terre=ristance de pertes) Terre crypto : illusoireblindage Terre fonctionnelle (tlgraphe)

Exemple


162/178

p


163/178


164/178

Le mythe des masses relies en toile


165/178

y

ce que jai appris Et quil ne faut pas faire

Solution: maillage Une liaison supplmentaire: rduction des surfaces de

boucle+meilleure quipotentialit.

Une liaison supplmentaire pour amliorerlquipotentialit des masses


166/178

q p

Blindage lectromagntique


167/178

g g q

Ex: protection contreleffet dun claquage

cage de Faraday. Maille du

grillage


168/178

g g q

Utilisation dun blindage trsforte permabilit (mu-mtal) Exemple: protection dun

photomultiplicateur B=H: pour H donn, tout le

champ se trouve pig dans lemu-mtal analogue une conductivit Petit bmol: lev pour H

petit Intressant pour les champs

faibles A terme: B limit 1 ou deux

teslas, et alors devient faibleet le blindage est nul

DeE r/


169/178


170/178


171/178

Nulle part: sans intrt (rduit cependant la diaphoniecapacitive en mode diffrentielsoit) Tuyau ouvert aux deuxextrmits

A droite (cran): limite la diaphonie entre cbles, en BF, maisne protge pas du mode commun

crancapteur

Vmc

Connexion bilatrale


172/178

Trs bonne protection contre le modecommun HF (bote ferme)

crancapteur

La rgle: on ne connecte dun ct que si,simultanment:


173/178

Les signaux sont en BF (quelques kHz) Les signaux sont bas niveau Sil peut exister en BF une tension de mode commun entre

extrmits du cble suprieure au niveau de bruit tolrable* CMRR

La transmission se fait en tension et pas en courant Lcran est directement sur les conducteurs signaux (ce

nest pas un autre) En rsum: consultez un ouvrage de CEM et comprenez le. Exemples rares-: capteurs analogiques (tte de lecture,

microphone, capteur dacclration, jauge de contrainte,

thermocouple, PT100, capteur de proximit)


174/178

Le montage idal

Le cas habituel Le bout de cble

peut se comportercomme une antenne

Le circuit RC sert amortir la

rsonnance /4 ducble

Figure 7.36 p 390

Figure 7.37 p 391


175/178


176/178

Conclusion


177/178

Ayez le rflexe CEM! Pensez que la CEM est incontournable Consultez les ouvrages spcialiss Pensez y avant, pas aprs Oubliez les a priori issus du continu


178/178

Documents

capteurs.pdf