Chapitre 1 Les Capteurs

7/26/2019 Chapitre 1 Les Capteurs

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C.P.G.E-TSI Mr BENGMAIH

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Les Capteurs

I. INTRODUCTION:

Le traitement des informations par un systme s'effectue aujourd'hui de manirelectronique. Il est donc indispensable que ces informations soient supportes par des signaux

lectriques (tensions ou courants).Les capteurs permettent la conversion des grandeurs physiquesen signauxlectriques.II. CHAINE DINFORMATION:

La chane dinformationpermet : dAcqurirdes informations ;

- sur un lment de la chane dnergie: position d'un vrin, vitesse d'unmoteur, courant dans un moteur, temprature d'un four, - sur un lment extrieur au systme: prsence ou dimension de la matired'uvre, vitesse du vent, temprature de l'arrive d'air,

de Traiterces informations ; de Communiquerles informations traites la chane dnergie(ordres de

commande des pr actionneurs) et loprateur (interface homme/machine).

Ordres,Message

Traiter COMMUNIQUERAcqurir

- Capteurs TOR- Capteurs Analogiques

- Capteurs Numriques

Informations

traites

Imagesinformationnelles

utilisables

Grandeurs

physiques

Chane dinformation

III. CLASSIFICATION DES CAPTEURS

Souvent la grandeur physique capter (position par exemple) est transforme l'intrieur du capteur en d'autres grandeurs physiques intermdiaires (rsistance par exemple)avant d'tre transforme en une grandeur lectrique utilisable (tension analogique parexemple).On peut classer les capteurs en fonction :

- de la grandeur physiqued'entre: capteurs de position, de vitesse, de temprature, de

force, de pression, de dbit, - de l'lment sensible en interne: capteurs rsistifs, inductifs, capacitifs, optiques (ouphotosensibles), semi-conducteur, pizo-lectrique,

- du signalde sortie: capteurs tout ou rien ou TOR (signal logique), numriques,analogiques.

La grandeur lectrique de sortie dun capteur peut varier de 3 manires diffrentes : Capteur tout ou rien (TOR)Ces capteurs gnrent une information lectrique de type binaire (Vrai ou faux) quicaractrise le phnomne dtecter ou capter.


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Information en sortie du capteur

Vrai

Faux

1

0

Absence de llment

Prsence de llment

Capteur analogiqueLa grandeur lectrique dlivre en sortie par ce type de capteur est en relation directeavec la grandeur physique capter.

Capteur numriqueCe type de capteur dlivre en sortie une information lectrique caractre numrique,image de la grandeur physique mesurer, cest dire ne pouvant prendre quun nombrelimit de valeurs distinctes.

Linformation dlivre par ces capteurs peut tre reprsente par :- Soit un signal lectrique priodique (Signal carr) priode variable.- Soit un signal numrique cod sur n variables binaires (n Bits).

Aussi la grandeur de sortie peut tre soit : une charge, une tension ou un courant, dans ces3 cas, le capteur est actif ; si la grandeur est une impdance : R, L ou C le capteur estpassif.

1. Capteurs passifs :

Il s'agit gnralement d'impdance dont l'un des paramtres dterminants est sensible lagrandeur mesure. La variation d'impdance rsulte :

Faux

Grandeur lectrique de sortie=

f ( grandeur physique mesurer )

Information en sortiedu capteur

Exemple de signal en sortie duncapteur numrique dont la priodeest caractristique de la grandeur

physique capter

Information en sortie du capteur

Priode T

t

t

Information en sortie du capteur (Code sur 4 bits)

Exemple de signal en sortie duncapteur numrique dont le nombre

binaire (Code Sur 4 bits)estcaractristique de la grandeur physique

capter

Bit 3Bit 2

Bit 1

Bit 00111010101000011101010011000

t


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Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'ungrand nombre de capteur de position, potentiomtre, inductance noyaux mobile,condensateur armature mobile.

Soit d'une dformation rsultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pressionacclration (armature de condensateur soumise une diffrence de pression, jauged'extensomtrie lie une structure dformable).

Mesurande Effet utilis matriau

Temprature

Trs basse temprature

Rsistivit

Constante dilectrique

Platine, nickel, cuivre

semi-conducteursFlux optique Rsistivit Semi-conducteurs

Dformation RsistivitPermabilit

Alliages nickelAlliages ferromagntiques

Position Rsistivit Magntorsistances :Bismuth, antimoine dindium

Humidit Rsistivit Chlorure de lithium

2. Capteurs actifs :Fonctionnant en gnrateur, un capteur actif est gnralement fond dans son principe

sur un effet physique qui assure la conversion en nergie lectrique de la forme d'nergiepropre la grandeur physique prlever, nergie thermique, mcanique ou de rayonnement.Les plus classiques sont :

Mesurande Effet utilis Grandeur de sortie

Temprature thermolectricit Tension

Flux lectromagntique

(optique)

Photo mission

Pyrolectricit

Courant

ChargeDformation, force,pression, acclration

Pizolectricit Charge

Position Effet Hall Tension

Vitesse Induction Tension

a. Effet thermolectrique:Deux mtaux diffrents sont runis entre eux chaque extrmit (J1, J2) et sont portes destempratures (T1, T2) diffrentes, un courant i circule.

Aux bornes d'un circuit compos de deux conducteurs A et B, la jonction J1est latemprature T1, diffrente de celle de lextrmit J2qui se trouve T2. Il apparat une forcelectromotrice e (T1, T2) ne dpendant que de la nature des conducteurs et des tempratures T1et T2.

La sensibilit des thermocouples diminue avec la temprature, il est donc difficile deraliser des mesures basses tempratures.


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b. Effet pizo-lectrique :L'application d'une contrainte mcanique certains matriaux dits pizo-lectrique

(le quartz par exemple) entrane l'apparition d'une dformation et d'une mme chargelectrique de signe diffrent sur les faces opposes.

( )V

Capteur dacclrationCapteur de pression

c. Effet d'induction lectromagntique:La variation du flux d'induction magntique dans un circuit lectrique induit une

tension lectrique.d. Effet photo-lectrique:

La libration de charges lectriques dans la matire sous l'influence d'un rayonnement

lumineux ou plus gnralement d'une onde lectromagntique dont la longueur d'onde estinfrieure un seuil caractristique du matriau.Les photons contenus dans les ondes lumineuses de frquence f possdent une nergie

E = h. f (o h est la constante de Planck h = 6.62.10-34J.s)


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Exemples : photodiodes : cest une jonction PN soumise un clairement lumineux.

Schma de dtection de flux

optique

Energie

incidente

e. Effet photovoltaque :Des lectrons et des trous sont librs au voisinage d'une jonction PN illumine, leur

dplacement modifie la tension ses bornes.f. Effet Hall :

Un champ B cre dans le matriau un champ lectrique E dans une direction perpendiculaire.IV. CARACTERISTIQUES GENERALES DES CAPTEURS

1. SensibilitLa sensibilit d'un capteur correspond son aptitude fournir un signal de forte amplitudepar rapport l'amplitude du signal physique en entre :

Sensibilit=entre'dSignalsortiedeSignal

Elle correspond graphiquement la pente de lacaractristique de transfert du capteur.Si le capteur est linaire, alors elle ne dpend pas du

point de fonctionnement.Elle est dfinie sur un certain domaine de mesure appelplage de mesure.

2. Prcision et rsolutionLa rsolutiondu capteur correspond la plus petite variation dentre qui soit dtectable

en sortie. Laprcisiondu capteur correspond l'erreur maximale possible sur une mesure.

3. Interchangeabilit :Le remplacement par un capteur identique ne modifie pas les performances de la chanede mesures. Cette proprit est dune grande importance pour le domaine de la maintenancedes matriels.

4. Fidlit :Un capteur est dit fidle si le signal quil dlivre en sortie ne varie pas dans le temps pour

une srie de mesures concernant la mme valeur de la grandeur physique dentre (Influence du vieillissement, ... ).

5. Rapidit et temps de rponse.

Signal d'entre

Signal de sortie

Signal de sortie

Signal d'entre

Plage de mesure

Pente = Sensibilit


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Capteur

Grandeur

physique Rponse (signal)

l'instant t2 l'instant t1

t

t

Vs

m

t2

t1

La valeur t2-t1reprsente le

temps de rponse du capteur.Dans certains systmes, les

temps de rponse lents ne sont

pas importants, mais dans

dautre, comme lA.B.S, la

vitesse de transmission du

signal est majeure pour

intervenir avant le blocage des

roues.

V. CAPTEURS RESISTIFS:

Dune manire gnrale, une rsistance pure R peut scrire :( )F x

Rs

=

o F(x) est fonction de la gomtrie et s la conductivit du matriau, avec : = q (mp+ mnn)

q est la charge lmentaire, et les coefficients mp, mnsont les mobilits respectives des

porteurs : trous, de densit ou lectrons, de densit n.Un mesurande peut ainsi agir sur :

- la densit des porteurs (temprature ou flux lumineux)- la mobilit des porteurs (t, contrainte, champ magntique)- la gomtrie.

1. Rsistances mtalliquesCes rsistances ont une valeur qui croit avec la t selon une loi de la forme :

R (T) = R0(1 + AT + BT2+ C (T-100) T3) T est en C.Le Pt est le mtal le plus utilis. Sa plage dutilisation stend de -200C 1000C.

Ses valeurs forment des talons normaliss.Le Ni et le Cu sont dautres mtaux utiliss. Le Cu est caractris par une courbe trs linaire.

2. ThermistancesLes thermistances nayant pas une caractristique linaire mais tant trs sensibles, ils

sont particulirement adapts aux problmes de rgulation.On appelle CTNles thermistances Coefficient de Temprature Ngatif : leur rsistancediminuelorsque la temprature augmente.On appelle CTPcelles coefficient de tempraturepositif.


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3. Mesures de dplacement et jauges dextensomtrie

Relation gnrale pour les jauges

Les jauges sont des lments rsistifs (mtaux, semi-conducteurs) dposs sur un

substrat isolant solidaire de la structure dont on veut mesurer la dformationl

l

.

Pour la jauge, on aura une variation proportionnelle la dformation, qui sera donne par :

.R l

kR l

=

k est appel facteur de jauge et vaut entre 2 et 4 pour les rsistances mtalliques ou entre 50 et200 pour les jauges semi-conducteur.Les jauges de dformation sont surtout utilises comme mesure secondaire dans un capteurcomprenant un corps dpreuve, structure mcanique sur laquelle est fixe la jauge.

Capteur en anneau :

Capteur: en poutre

Dans ces 2 exemples, La force s'applique diffremment suivant les lments rsistifs.Ainsi, l'extrmit de la poutre, les deux jauges au dessus seront en extension tandis que lesdeux jauges infrieures seront comprimes. Il en rsulte dans le montage en pont un signal Speu sensible aux variations de temprature qui affecte les rsistances de la mme faon.


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ES

R1= R2= R4 = R et RJ4= R + RExprimer alors S en fonction de R, R et E.

4 2

RS E

R R

=

+ ; En gnral R


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Bobine

l0lf

lNoyau

magntique

Schma de principe dune bobine noyau plongeurVII. capteurs capacitifs :

1. Principe :Ces capteurs font appel :

Un condensateur plan : 0rA

Cd

= ; avec :r la permittivit du milieu, 0celle du

vide (= 8.85 10-12USI) et Alaire des armatures en regard et dla distance qui les spare.

D=D0dD=D0

d

P= 0 bar Pression

Un condensateur cylindrique : r 02

1

lC = 2

rln

r

.

Avec r2et r

1respectivement les rayons intrieur de larmature externe et extrieur de

larmature interne, et l leur longueur.

On peut donc faire varier la permittivit du milieu qui spare les armatures ou la distance quiles spare.


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2. Conditionneurs pour capteurs ractifsLinformation associe la valeur de limpdance dun capteur ractif peut tre transfre

- sur lamplitude dune tension par un pont dimpdances,- sur la frquence dun signal par lintermdiaire dun oscillateur.

a. Pont dimpdances

R0

A

Z1R0

B

eaSource

alternative

Z2

m

On peut montrer que le schma prcdent est quivalent au schma de Thvenin suivant :

B

imed

A

Z0 Zm

m

Avec : 2 1

1 2 2a

d

eZ Ze

Z Z

=

+ Tension en circuit ouvert

01 20

1 2 2

RZ ZZ

Z Z= +

+ Impdance interne

( )

2 1

0 1 2 0 1 2

.

2

dd a

e Z Zi e

Z Z Z R Z Z

= =

+ + Courant de court-circuit

Si limpdance de lappareil de mesure branch entre A et B est Zm,

On choisira une mesure de tension ou de courant en fonction des valeurs dimpdance quelon mesure ;

En effet, de manire vidente : mm dm 0

ZV = . e

Z +Z; m d

m 0

1I = . e

Z +Z

Puisquil faut que la mesure soit indpendante de Zm, on choisira :-une mesure de tension quand Z0 > Zm

ainsi im

= idCest le cas des capteurs capacitifs : Z0est de lordre de 100kW (ex. 100 pF 10kHz). On

fait suivre gnralement dun convertisseur courant/tension.b. Par oscillateur

Loscillateur permet de transfrer linformation lie la valeur de limpdance, sur lafrquence des oscillations.Avantages :

- Immunit aux parasites suprieure- Conversion sous forme numrique simple : comptage de priodes pendant un temps

dtermin- Le signal modul en frquence peut tre transmis sans fil.

VIII. Dtecteurs optiques (ou photolectriques)


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Ce type de dtecteurs utilise un metteur de lumire(gnralement une LEDinfrarouge)associ un rcepteur photosensible(gnralement un phototransistor).

La dtection de l'objet se fait lorsque le rcepteur dtecte une importante variation duflux lumineuxreu. Un traitement du signal (intgr ou non dans le capteur) permet d'obtenirun signal logiquecommutant au passage de l'objet devant l'metteur.

1. Codeurs optiques

Les codeurs optiques utilisent un principe comparable mais ils fournissent un signalnumrique.

a) Codeurs incrmentaux

Pour dterminer laposition angulaired'un axe on peut fixer sur cet axe un disque surlequel sont gravs des secteurs alternativement opaques et transparents. Sur lexemplesuivant, ce disque est appel Piste principale .Un systme optiqueest dispos proximitdu disque pour lire (optiquement) les secteurs. Une partie lectronique conditionne le signal

pour obtenir un signal logiquereprsentatif de la lecture d'un secteur opaque ou transparent.

0

1

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5

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Pisteprincipale

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Exemple de codeurincrmental 16 positions

Pisted'indication

du sens

Top tour


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Si les Nsecteurs sont rgulirement espacs sur le pourtour du disque, alors ladtection d'une impulsion lectrique correspond un dplacement angulaire tel que : = 360 / N. Ce plus petit dplacement mesurable correspond la rsolutiondu capteurOn dit aussi qu'il s'agit d'un capteur N positions.Si on compte nimpulsions lectriques, cest dire un dplacement de n pas, alors ledplacement angulaire est tel que : = 360. n / N

Ce comptage se fait en incrmentant un compteur, d'o le nom de codeur incrmental.Une impulsion "top tour" permet de compter les tours partir d'une position angulaireconnue. Une prise d'origineest gnralement ncessaire pour initialiser ce comptage destours.De plus, si le disque change de sens de rotation il faut non plus compter mais dcompter lesimpulsions.

Pour dterminer le sens de rotation on utilise une autre piste identique la pisteprincipale mais dcale d'un quart de pas. Sur lexemple ci-dessus, cette piste est appelPiste dindication du sens.Le traitement lectronique des deux signaux logiques obtenus permet d'en dduire uneinformation logiquesur le sens de rotation.

b) Codeurs absolus

Les codeurs absolusutilisent un principe comparable mais fournissent un signal numriquecod en binaire sur N bits.

chaque bit correspond unepistede manire que la lecture de toutes les pistes enparallledonne un mot binaire image de la position angulairedu disque.

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B3 B2 B1 B015

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Exemple de codeur absolu

16 positions (code Gray)

Le code utilis pour reprsenter les positions n'est gnralement pas le binaire naturelmais le code Gray(ou binaire rflchi).Ce code permet de n'avoir qu'un seul bit qui commute la fois (et donc d'viter toute lecture

errone durant la commutation).La rsolution de ce type de capteur est de 360 / 2N, on dit aussi qu'il s'agit d'un capteur 2N positions.Un disque est divis en pistes .Chaque piste comporte une alternance de secteursrflchissants et absorbants. Comme pour le codeur incrmental, un metteur-rcepteur parpiste fournit les informations. Le nombre de pistes fixe le nombre de positions discrtespouvant tre dfinies: 1 piste = 2 positions, 2 pistes = 4 positions, 3 pistes = 8 positions... npistes = 2npositions.

Son principal avantage est quil donne une information de position absolue, alors que lecodeur incrmental donne la position relative (par rapport une position initiale variable). Enrevanche, il est plus complexe, du fait quune grande prcision de position dpend du nombre

de pistes (alors que la prcision dun codeur incrmental dpend seulement du nombre degraduations sur la piste).


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IX. Les capteurs effet Hall :

Si un courant Io traverse un barreau en matriau conducteur ou semi-conducteur, et si unchamp magntique d'induction B est appliqu perpendiculairement au sens de passage ducourant, une tension Vh, proportionnelle au champ magntique et au courant Io, apparat surles faces latrales du barreau. C'est la tension de Hall (du nom de celui qui remarqua lephnomne en 1879).

Vh= Kh* B * Io avec Kh: constante de Hall, qui dpend du matriau utilis.Cause de leffet Hall :

Les lectrons sont dvis par le champ magntique, crant une diffrence de potentiel appele

tension de Hall.Application la mesure avec isolation galvanique :


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VH

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