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1 Cours des Capteurs Karim EL MOKHTARI Département Génie électrique Faculté des Sciences et Techniques, Tanger Novembre 2004 Maîtrise IEEA Module P221 FSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 2 Plan du cours Ch.1 : La mesure et les capteurs industriels Ch.2 : Le raccordement capteur-transmetteur Ch.3 : Traitement de signal en instrumentation Ch.4 : Principe de fonctionnement des capteurs 3 La mesure et les capteurs industriels Chapitre 1 FSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 4 Introduction Le capteur est le premier élément d’une chaîne de mesure Il fournit un signal électrique proportionnel à la grandeur physique à mesurer Les capteurs jouent un rôle fondamental dans la technologie moderne Grâce à eux les systèmes électroniques peuvent communiquer avec le monde

Cours Des Capteurs

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Cours des Capteurs

Karim EL MOKHTARIDépartement Génie électrique

Faculté des Sciences et Techniques, TangerNovembre 2004

Maîtrise IEEAModule P221

FSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 2

Plan du cours

Ch.1 : La mesure et les capteurs industrielsCh.2 : Le raccordement capteur-transmetteurCh.3 : Traitement de signal en instrumentationCh.4 : Principe de fonctionnement des capteurs

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La mesure et les capteurs industriels

Chapitre 1

FSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 4

Introduction

Le capteur est le premier élément d’une chaîne de mesureIl fournit un signal électrique proportionnel àla grandeur physique à mesurerLes capteurs jouent un rôle fondamental dans la technologie moderneGrâce à eux les systèmes électroniques peuvent communiquer avec le monde

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Introduction

Les capteurs ont nettement améliorél’efficacité des chaînes de mesureLes méthodes classiques de mesure (par comparaison, par substitution, …) sont aujourd’hui remplacées par les mesures àbase capteurs

Exemple : balances électroniques, …

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La chaîne de mesure électronique

Elle se compose entre autres des éléments suivants :

Le capteurLes circuits de conditionnementLes circuits de traitement du signal

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La chaîne de mesure électronique

On distingue deux types de chaînes de mesure :

La chaîne de mesure analogiqueLa chaîne de mesure numérique

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La chaîne de mesure électronique

Définitions :Le capteurÉlément sensible qui délivre une variation électrique obtenue directement (capteur actif) ou indirectement (capteur passif), modifiée par la grandeur physique à mesurer.

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La chaîne de mesure électronique

Définitions :Le transducteurEnsemble d’éléments incluant un capteur passif, qui permet d’obtenir un signal électrique modifiépar la grandeur physique à mesurer.

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La chaîne de mesure électronique

Définitions :Le transmetteurEnsemble d’éléments électroniques qui conditionne, amplifie et transmet le signal électrique délivré par le capteurSouvent le signal est transmis sur une boucle de courant 4-20 mA

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La chaîne de mesure électronique

Chaîne de mesure analogique

CapteurConditionneur

de signalAmplificateur

Transmetteur 4-20 mA

Autres équipements(Enregistreur, afficheur, sys. d’acquisition, …)

Grandeur physique

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La chaîne de mesure électronique

Chaîne de mesure analogiqueConditionneur de signalEnsemble de circuits assurant la tâche d’amplification bas niveau, de linéarisation, de compensation thermique ou de traitement de bruit

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La chaîne de mesure électronique

Chaîne de mesure analogiqueAmplificateur d’instrumentationSouvent un amplificateur différentiel ayant un grand taux de rejet de bruit

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La chaîne de mesure électronique

Chaîne de mesure numérique

CapteurConditionneur

de signalConvertisseur analogique/numérique

Autres équipements(Circuit à base de μP, Sys.

d’acquisition de données …)

Grandeur physique

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La chaîne de mesure électronique

Chaîne de mesure numériqueAujourd’hui, on parle de plus en plus de Capteurs intelligents (Smart sensors) qui renferment dans un même boîtier : le capteur, le conditionneur, le CAN et un microcontrôleur capable de communiquer avec d’autres dispositifs numériques (PC, automates, systèmes d’acquisition de données, …)

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Les mesures usuelles

Les applications de mesure les plus rencontrées dans l’industrie sont :

La mesure de températureLa mesure de pressionLa mesure de débitLa mesure de niveauLa mesure de positionLa mesure de vitesse

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Caractéristiques des capteurs

Les capteurs sont conçus pour reproduire les variations de la grandeur physique à mesurer avec une grande qualitéIls doivent avoir un comportement stable, reproductible et fiable

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteur :Limites d’utilisationÉtendue de mesureSensibilitéRésolutionPrécisionRépétabilité

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteur (suite):HystérésisFinesseTemps de réponse

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurLes limites d’utilisationCe sont les limites extrêmes (inférieure et supérieure) de la grandeur physique que l’on peut reproduire sans détériorer ou modifier les caractéristiques métrologiques du capteur

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurL’étendue de mesureDifférence entre les valeurs extrêmes (minimale et maximale) pouvant être mesurée par la chaîne de mesure

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurL’erreur absolue et relative

L’erreur absolue est la valeur de l’erreur directement liée à la mesure. Par exemple : pour une valeur nominale de 100 Ω, l’erreur absolue est : ± 0,2 ΩL’erreur relative est le rapport en pourcentage entre l’erreur absolue et le résultat de la mesure. Pour le même exemple, l’erreur relative est : (0,2Ω / 100Ω) x 100 = 0,2 %

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurLa sensibilitéElle traduit le rapport entre la variation du signal de sortie et la variation du signal d’entréePar exemple :

Mesure de température : 10 mV/°CMesure de débit : 1 mA/litre/s

Parfois, la sensibilité n’est pas unique sur toute l’étendue de mesure

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurLa résolutionC’est la plus petite grandeur que l’on peut reproduire sur l’instrument avec précision

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurLa précisionQualité qui caractérise l’aptitude d’un capteur àdonner des indications proche de la vraie valeur de la grandeur mesurée.L’erreur de précision représente l’erreur globale d’un capteur. Elle est généralement entre ±0,5% et ±2% de l’étendue de mesure

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurLa répétabilitéC’est l’aptitude d’un capteur à reproduire le même signal de sortie lorsqu’il est soumis à la même grandeur physiqueElle est exprimée en pourcentage par rapport àl’étendue de mesure

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurL’hystérésisLorsque les courbes de transfert du capteur pour une variation croissante et décroissante de la grandeur physique ne sont pas identiques, on parle d’une erreur due à l’hystérésis du capteur.Cette erreur est exprimée en pourcentage par rapport à l’étendue de mesure

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurLa finesseQualité exprimant l’aptitude d’un capteur àdonner la valeur de la grandeur à mesurer sans modifier celle-ci par sa présence

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Caractéristiques des capteurs

Caractéristiques usuelles d’un capteurTemps de réponseC’est le temps que prend le signal de sortie pour retrouver un nouvel équilibre après une variation brusque de la grandeur à mesurerGénéralement, le temps de réponse est mesuréentre 10% et 90% de la variation du signal de sortie

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Le raccordement capteurs -transmetteur

Chapitre 2

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Introduction

Pour certaines applications, le plus important et le dépassement d’une valeur critique

Exemple : alarme, détection de niveau

Pour d’autres, il faut connaître précisément la valeur mesurée

Exemple : régulation de température

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1. Les standards de transmission de signaux

Le signal TORTOR : Tout Ou RienC’est un signal qui indique la présence ou l’absence d’un événement

Exemples : présence d’un carton, température supérieure à un seuil, niveau inférieure à un seuil

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1. Les standards de transmission de signaux

Le signal analogiqueC’est une information comprise entre deux limites qui définissent la gamme de mesure

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1. Les standards de transmission de signaux

Le signal analogique

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1. Les standards de transmission de signaux

Le signal analogiqueStandards industriels

0 à 1 V0 à 5 V1 à 5 V4 à 20 mA

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1. Les standards de transmission de signaux

Le transmetteur 4-20 mALa transmission du courant offre une grande immunité au bruitAdapté à la transmission sur de longue distances sans atténuationStandard reconnu par tous les fabricantsDétection de la rupture de lignes (0mA)Mise en série des dispositifs

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1. Les standards de transmission de signaux

Le transmetteur 4-20 mALa charge maximale limite la nombre d’instruments reliés en série sur la boucleLa résistance totale est la somme des résistances de tous les instruments de la boucle ainsi que les filsLe fabricant indique :

Vtmin : tension minimale garantissant le fonctionnement du transmetteurVtmax : tension maximale d’alimentation

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1. Les standards de transmission de signaux

Le transmetteur 4-20 mALa résistance maximale permise dans la boucle (mis à part le transmetteur) est :

Rmax = (Va–Vtmin) / 20 mA

Va : Tension d’alimentationVtmin : Tension minimale du fonctionnement du transmetteur

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1. Les standards de transmission de signaux

Le transmetteur 4-20 mAExemple :Vtmin = 12V ; Vtmax = 36VLa boucle est alimentée par 25VQuelle est la charge maximale dans la boucle ?Solution :Rmax = (25–12) / 20 mA = 650 Ω

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1. Les standards de transmission de signaux

Le transmetteur 4-20 mA

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1. Les standards de transmission de signaux

La transmission numériqueUtilisée pour la transmission à grande distanceLe signal analogique est converti en une valeur numérique avec un CANCette transmission offre les avantages suivants :

Très grande immunité au bruitVitesse de communication élevéePossibilité de relier en réseauFacilité d’adressage et de multiplexage

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1. Les standards de transmission de signaux

La transmission numériqueSouvent le code BCD (Binary Coded Decimal) est utiliséLes convertisseurs employés sont de 8, 12 ou 16 bits. (12 bits sont le plus répandus)Chaque fabricant développe son propre standardLes standards de communication les plus répandus sont : RS-232, RS-485, IEEE-488

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2. Conversion d’unités

Dans une chaîne de mesure, on parle de plusieurs grandeurs :

La grandeur physique ou grandeur d’ingénierieLa grandeur normalisée (en %)La grandeur électrique

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2. Conversion d’unités

Rappelons aussi la terminologie liée à ces grandeurs :

La gamme de mesure (Range)L’étendue, ou plage de mesure (Span)La sensibilité de la chaîne de mesureLa résolution de la chaîne de mesureLa fonction de transfert

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2. Conversion d’unités

La grandeur physiqueElle exprime la mesure à l’aide d’une unité bien définie

Température en °C, Masse en Kg, …

C’est l’information que l’utilisateur désire connaître

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2. Conversion d’unités

La grandeur normaliséeElle est exprimée en pourcentage à l’intérieur de la gamme de mesure

Pour une gamme de mesure de 0°C à +50°C0°C correspond à 0%50°C correspond à 100%Par exemple : 5°C correspond à 10%

La grandeur normalisée est souvent employée par les équipement numériques (régulateurs, …)

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2. Conversion d’unités

La grandeur électriqueLe signal électrique fournie par le capteur dépend de son typeIl peut être une tension continue entre 0V et 1VOu encore un signal périodique (carré, sinusoïdal, …) qu’il faut traiterLe transmetteur permet de ramener ce signal àune valeur normalisée (4-20mA par exemple)

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2. Conversion d’unités

La gamme de mesure : limites inférieure et supérieure

On définit la gamme de mesure pour obtenir le maximum de précision sur la grandeur à mesurerAu-delà de cette gamme (>limite sup ou <limite inf), la chaîne de mesure ne peut exprimer la grandeur physique (Out of range)

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2. Conversion d’unités

La gamme de mesure : limites inférieure et supérieure

Exemple : Mesure de la température ambiante d’une salle

Pour la gamme de -100°C à +100°C une variation de 2°C représente 1%Pour la gamme de +10°C à 40°C, la variation de 2°C représente 6,6%La gamme +10°C à 40°C donne plus de précision

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2. Conversion d’unités

L’étendue de mesureElle s’appelle aussi Plage de mesure ou SpanC’est la différence entre les limites supérieure et inférieure de la gamme de mesure

Exemple : Pour la gamme de déplacement de 2cm à10cm, l’étendue de mesure est de 8cm

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2. Conversion d’unités

La sensibilité de la chaîne de mesureC’est le rapport entre la variation du signal de sortie sur la variation du signal d’entrée :

S = Δ Sortie / Δ EntréeExemple : Sensibilité d’une chaîne de mesure de température ayant une sortie 4-20mA et une gamme de mesure de +10°C à +40°CS = (20 – 4)/(40 – 10) = 0,533 mA/°C

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2. Conversion d’unités

La résolution de la chaîne de mesureC’est la plus petite valeur que le système peut mesurer avec précisionCette caractéristique est souvent fournie pour les chaînes de mesure numériques

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2. Conversion d’unités

La résolution de la chaîne de mesureExemple : Mesure de vitesse par une chaîne de mesure numérique avec un CAN 8 bits

La gamme de vitesse est 0 à 5000 tours/minuteLe capteur de vitesse fournit 0 à 10V au CANLa CAN a 256 codes (de 00h à FFh)La résolution du CAN est 10/255 = 39,2 mVEn terme de vitesse la résolution est 5000 / 255 = 19,6 tours/minutes

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2. Conversion d’unités

La résolution de la chaîne de mesureExemple : Mesure de vitesse par une chaîne de mesure numérique avec un CAN 8 bits

Question : Pour une vitesse de 2150 tours/minute, quelle sera la tension fournie par le capteur de vitesse ? Quel sera la valeur fournie par le CAN ?Réponse :Le capteur de vitesse fournira : 4,3 VLa valeur du CAN : 110 (6Eh)

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2. Conversion d’unités

La fonction de transfertElle exprime la relation entre le signal de sortie et le signal d’entrée

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2. Conversion d’unités

La fonction de transfertCertains fabricants adoptent une autre représentation pour la fonction de transfert linéaire

40°C

10°C

20 mA

4 mA

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3. Les types de sorties

Les sorties TORIl n’y a pas de standard uniformiséLe signal de sortie peut être continu ou alternatifLes tensions les plus utilisées :

En continu : 5, 10, 12, 24 et 48 VEn alternatif : 24, 48, 120 et 240 V

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3. Les types de sorties

Les sorties TORIl existe trois types de sorties TOR :

Les sorties à contact sec (relais) pour les signaux continus et alternatifsLes sorties à transistor (NPN ou PNP) pour les signaux continusLes sorties à triac pour les signaux alternatifs

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3. Les types de sorties

Les sorties TOR

Sortie à contact secFSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 60

3. Les types de sorties

Les sorties TOR

Sortie NPN

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3. Les types de sorties

Les sorties TOR

Sortie PNPFSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 62

3. Les types de sorties

Les sorties TOR

Sortie à triac

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3. Les types de sorties

Les sorties analogiquesIl y a deux modèles de sorties pour le transmetteur 4-20 mA

Sortie à transistor NPN (la plus utilisée)Sortie à transisotr PNP

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3. Les types de sorties

Les sorties analogiques

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3. Les types de sorties

Les sorties analogiquesRaccordement d’un transmetteur 4-20 mA

Le transmetteur deux fils (ou autoalimenté)Le transmetteur trois filsLe transmetteur 4 fils

Considérations à respecterAlimentation minimale et maximaleCharge maximale

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3. Les types de sorties

Les sorties analogiquesTransmetteur 4-20 mA à 2 fils

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3. Les types de sorties

Les sorties analogiquesTransmetteur 4-20 mA à 3 fils

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3. Les types de sorties

Les sorties analogiquesTransmetteur 4-20 mA à 4 fils

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3. Les types de sorties

Les sorties analogiquesTransmetteur 4-20 mA : raccordement de plusieurs équipements

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3. Les types de sorties

Types de lien de communicationIl en existe trois :

La paire de fils torsadés (twisted pairs wires)Le câble coaxialLa fibre optique

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3. Les types de sorties

Types de lien de communicationPaire torsadée : 2 fils de transmission torsadé + 1 fil de terre

Faible coûtPeu d’immunité au bruitSuffisant pour 4-20 mA

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3. Les types de sorties

Types de lien de communicationCâble coaxial : 1 conducteur central + gaine métallique connectée à la masse

Plus coûteuxPlus flexibleMeilleure immunité au bruit

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3. Les types de sorties

Types de lien de communicationFibre optique : Noyau en fibre transmetteur de lumière

LégèreCoût décroissantExcellente immunité au bruitTrès haute vitesse de transmission sur de longues distances

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Le traitement de signal en instrumentation

Chapitre 3

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Introduction

Le signal reçu d’un capteur doit être traité et conditionnéIl existe plusieurs traitements qu’on peut effectuer sur un signal pour l’adapter à nos besoin

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Introduction

Les circuits les plus répandus sont :Amplificateurs à base d’ampli op (inverseur, non inverseur, suiveur, sommateur, …)Filtres RC, RLCIntégrateurs, dérivateursComparateurs de tensionMonostables, astablesAmplificateurs différentiels

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Introduction

Convertisseur V/F, F/VCircuit d’interface A/N, N/AEchantilloneur bloqueurTransmetteur 4-20 mAMultiplexeur analogiqueBoucle de verrouillage de phase (PLL)…

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1. Types de signaux

Signaux d’entrée analogiquesSignaux à courant continus

Variation lente en fonction du temps (par exemple : température, niveau, …)

Signaux à courant alternatifVariation rapide dans le temps (vitesse, encodeur de position, audio, …)

FSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 79

1. Types de signaux

Signaux de sorties analogiquesCourants ou tensions générés pour piloter les instruments de contrôle, accessoires, afficheurs, …Souvent le signal de sortie est le courant 4-20 mA

FSTT – GE - Module P221 : Capteurs – K. EL MOKHTARI 80

1. Types de signaux

Signaux d’entrée ou de sorties numériquesIls ont deux niveaux : niveau haut et bas

Les signaux TTL : 0 → 0V, 1 → 5VEn électronique industrielle les potentiels sont plus élevés pour améliorer l’immunité au bruit : +12V, +24VOn trouve aussi les signaux bipolaires : ± 12V, ± 15V

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2. Configurations des signaux analogiques

Signal en mode asymétriqueSingle ended modeMesuré par rapport à un point communGrandement affectés par les interférences électromagnétiques et le bruitIl faut que la source soit très proche du circuit de traitement pour ne pas cumuler le bruit

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2. Configurations des signaux analogiques

Signal en mode asymétriqueCircuit typique du mode asymétrique

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2. Configurations des signaux analogiques

Signal en mode différentielDifferential modeNécessite un amplificateur différentielGrande immunité au bruit

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2. Configurations des signaux analogiques

Signal en mode différentiel

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2. Configurations des signaux analogiques

Signal en mode différentielAmplification différentielle

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3. Caractéristiques des signaux analogiques d’entrée

L’isolation électriqueObjectif : protéger l’organe de traitement (ordinateur, automate, …)Inconvénient : augmente le coût et la complexitédu circuitIl existe deux concepts :

Isolation par couplage optiqueIsolation par couplage magnétique

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3. Caractéristiques des signaux analogiques d’entrée

L’isolation électriqueIsolation par couplage optique

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3. Caractéristiques des signaux analogiques d’entrée

L’isolation électriqueIsolation par couplage optique

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3. Caractéristiques des signaux analogiques d’entrée

L’isolation électriqueIsolation par couplage magnétique

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3. Caractéristiques des signaux analogiques d’entrée

La protection contre les surtensionsObjectif : limiter la tension à l’entrée si la tension dépasse la marge admiseRéalisée souvent par des diodes

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4. Circuits d’application

Affichage de température

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4. Circuits d’application

Transducteur de température

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4. Circuits d’application

Convertisseur 4-20 mA : AD694

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Principe de fonctionnement des capteurs

Chapitre 4

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Introduction

Les capteurs se basent sur l’exploitation de certaines propriétés physiques pour mesurer la grandeur en question

Exemple : Variation de la résistance d’un fil quand sa longueur change → Principe de la jauge de contrainte

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Introduction

Plusieurs phénomènes sont mis en œuvre dans les capteurs :

Phénomènes électriquesPhénomènes électromagnétiquesPhénomènes optoélectroniquesPhénomènes mécaniquesPhénomènes piézo-électriquesPhénomènes thermoélectricitéPhénomènes acoustiques

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1. Détecteurs optoélectroniques

L’optoélectronique est un domaine vaste. Ses applications son très diversifiéesLes principaux éléments utilisés sont :

La photodiodeLe phototransistorLa photorésistanceLes cellules photovoltaïquesLes dispositifs photoémissifs

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1. Détecteurs optoélectroniques

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les photodiodesC’est une jonction PN qu’on utilise en polarisation inverseLa tension inverse crée un champ intense s’opposant au mouvement des électronsSi la jonction est éclairée, un photon peut donner une énergie suffisante à un électron pour surmonter cette barrièreUn faible courant inverse prend alors naissance

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les photodiodes

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les phototransistorsSi la jonction base-collecteur d’un transistor est éclairée, il y a création d’un courant faible sur la baseCe courant est amplifiéIl en résulté un courant collecteur important

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les phototransistors

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les phototransistorsApplications :

Opto-coupleurs : utilisés pour isoler deux circuits, la transmission de l’information est effectuée par illumination d’un phototransistor ou d’une photodiode par une LED.Détection d’obstacle : En coupant le faisceau lumineux, le corps à détecter provoque le blocage du phototransistor

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les phototransistorsIl existe également d’autre composants fonctionnant selon le même principe :

Les coupleurs à transistors DarlingtonLes optotriacs

Page 27: Cours Des Capteurs

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les phototransistorsLes phototransistors et les photodiodes sont sensibles à la lumière visible mais sont aussi sensibles à l’infrarougeLe fabricant indique la réponse spectrale du composant

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les photorésistancesRéalisées avec des matériaux semi-conducteursLeur résistivité diminue quand elles sont soumises à un rayon lumineux

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les photorésistances

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1. Détecteurs optoélectroniques

Les cellules photovoltaïques ou photopileElles délivrent une tension de quelque millivolts lorsqu’elles sont soumises à un rayon lumineuxPlusieurs cellules peuvent être mises en série ou en parallèle pour augmenter la tension ou le courant de sortieApplications : Génération d’énergie électrique, détection de la position du soleil

Page 28: Cours Des Capteurs

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2. Mesure de la déformation et du poids

Les jauges de contrainteElles mesurent de très petites variations de dimension d’un corps soumis à un forceElles sont composées d’un papier mince sur lequel est collé en zigzag un fil résistant fin

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2. Mesure de la déformation et du poids

Les jauges de contrainte

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2. Mesure de la déformation et du poids

Les jauges de contrainteFormes diverse des jauges de contraintes

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2. Mesure de la déformation et du poids

Les jauges de contrainteLa variation de la résistance est généralement inférieure à 1%Cette faible variation est souvent mesurée avec un pont de Wheatstone

Page 29: Cours Des Capteurs

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2. Mesure de la déformation et du poids

Les jauges de contrainteLa résistance d’un fil est exprimée par la relation :

R = ρ × (L / S)R : Résistance du fil en Ωρ : Résistivité en Ω.mL : Longueur en mS : Section en m²

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2. Mesure de la déformation et du poids

Les jauges de contrainteQuand la jauge subit un allongement longitudinal, la plus grande variation de sa résistance est due au changement de sa longueur :

ΔR/R = K . ΔL/LLe coefficient K dépend du matériau de la jauge

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2. Mesure de la déformation et du poids

Les jauges de contrainteApplications :

Mesure de la déformation d’un corps sous l’effet d’une contrainteMesure du poidsMesure de la pression

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3. Mesure de position ou de déplacement

Il existe plusieurs domaines d’applicationLa proximitéLe déplacement rectiligneLe déplacement angulaireLa vitesseLa position

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs de proximitéIls détectent la présence d’un objetIls sont soit inductifs, capacitifs, optiques ou ultrasoniquesIls possèdent des sorties type TOR à contact sec (N.O. ou N.F.) ou à transistors (NPN ou PNP)

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs de proximitéLes détecteurs de proximité inductifs servent àdétecter la présence d’un objet métalliqueLes détecteurs capacitifs détectent les corps non métalliques. Leur sensibilité dépend du corps (verre, eau, plastique, …)

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs de proximité

Capteur de proximité inductifDétecte la présence d’objets métalliques sans contact. L’inductance change en présence d’un objet métallique. Portée jusqu’à 40mm

Capteur de proximité capacitifDétecte la présence du bois, plastique et métalSa capacité change lorsque l’objet est rapproché

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs de proximitéLes détecteurs optiques existent sous trois formes:

Détecteur à barrage : nécessite deux unitésDétecteur réflexe : nécessite une unité (comprenant l’émetteur et le récepteur) et un réflecteur. Le corps a détecter coupe le faisceauDétecteur direct : L’objet à détecter réfléchit le rayon lumineux

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs de proximité

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs de proximitéLes détecteurs de proximité ultrasoniques permettent de détecter la présence d’un objet et aussi sa distance du capteurLe capteur est formé d’une cellule qui émet une impulsion ultrasonique. La réflexion de l’onde sur un objet produit un écho capté par la cellule de réception.

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs de proximitéLe capteur ultrasonique est utilisé pour détecter une large variété d’objets (solide, liquide, poudre, …)Portée de plusieurs mètres

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs potentiométriquesIls permettent de détecter une position ou un déplacement rectiligne ou angulaireLa résistance du potentiomètre varie en fonction de la position ou du déplacement

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs potentiométriques

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les détecteurs potentiométriques

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le transformateur différentielNommé aussi LVDT (Linear Voltage DifferentialTransmitter)Il permet de mesurer le déplacementIl se compose d’un primaire, de deux secondaire et d’un noyau mobile

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le transformateur différentiel

Une tension sinusoïdale est appliquée au primaireLa tension sur les deux secondaires dépend de la position du noyau

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le transformateur différentiel

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le transformateur différentiel

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le transformateur différentiel

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le transformateur différentiel

Page 34: Cours Des Capteurs

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le transformateur différentielExemple de conditionneur de signal

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le détecteur à contact ReedIl est utilisé souvent comme contact de fin de courseIl est constitué de deux lames souples enfermées dans une capsule remplie de gazLe rapprochement d’un élément ferromagnétique ferme le contact

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le détecteur à contact Reed

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le capteur à effet HallIl est constitué d’une plaquette de semi-conducteur traversée par un courantUn champ magnétique perpendiculaire génère une tension sur les extrémités de la plaquette

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le capteur à effet Hall

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le capteur à effet HallCe capteur est utilisé pour détecter la variation du champ magnétiqueIl détecte le déplacement d’un corps ferromagnétiqueSes avantages :

Grande vitesse commutation (jusqu’à 100 kHz)Pas de rebondissements mécaniquesPas de détérioration des contactsBonne sensibilité

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le capteur à effet Hall

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les capteurs de vitesse de rotation3 techniques différentes de mesure

Page 36: Cours Des Capteurs

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les capteurs de vitesse de rotationCapteur optoélectronique

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3. Mesure de position ou de déplacement

Les capteurs de position angulaire : codeur incrémental et absolu

Ces capteurs sont constitués de :Un disque en rotation avec le moteurUn émetteur/récepteur optique

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le codeur incrémental

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3. Mesure de position ou de déplacement

Il fournit une impulsion au passage d’un trouParfois il contient deux pistes décalées et deux détecteurs (ou une seule piste et deux détecteurs décalés). Le déphasage entre les signaux des détecteurs informe sur le sens de rotationLa position est mesurée par comptage des impulsionsParfois il existe une troisième piste à un seul trou pour l’initialisation du comptage

Le codeur incrémental

Page 37: Cours Des Capteurs

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3. Mesure de position ou de déplacement

Avantages : Structure simpleDéfauts : Impossible de connaître la position après coupure d’alimentationApplications : Position des bras de robots, souris des PC, Chariot des imprimantes, machines outils, …

Le codeur incrémental

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3. Mesure de position ou de déplacement

Le codeur absolu

Disque d’un codeur 8 bits

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3. Mesure de position ou de déplacement

La position est connue sans aucune condition préalableLe disque dispose de plusieurs pistes concentriques en code binaire ou GrayA chaque piste est associé un détecteur optiqueL’état des détecteurs indique la position

Le codeur absolu

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3. Mesure de position ou de déplacement

Avantages : La position est connue à tout moment, même après coupure d’alimentationDéfauts : Grand nombre de sortie, complexité de réalisation

Le codeur absolu

Page 38: Cours Des Capteurs

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4. Mesure de température

Il existe trois catégorie de capteurs :Mesure mécanique : lames bimétalliquesMesure électrique : diodes, transistors, thermistances, résistances RTD, thermocouplesMesure optique : thermomètre à rayonnement

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4. Mesure de température

Lames bimétalliques (ou pyromètre à bilame)Chaque métal a un coefficient de dilatation différentLe capteur comporte deux lames métalliques de nature différente collés l’une sur l’autrePar l’effet de la chaleur, une lame se déforme plus que l’autre ce qui permet d’ouvrir ou fermer un contact par exempleFonctionnement entre -25°C et +500°C

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4. Mesure de température

Lames bimétalliques (ou pyromètre à bilame)

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4. Mesure de température

Lames bimétalliques : applications

L’effet thermique du disjoncteur(Schéma simplifié)

Thermostatd’un fer à repasser

Page 39: Cours Des Capteurs

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4. Mesure de température

Les diodes, transistors et transducteurs intégrésLes jonctions à semi-conducteurs sont sensibles à la températurePour un transistor ΔVbe ≈ -2mV/°CUn transistor à boîtier métallique (comme le 2N2222) peut être utilisé pour concevoir un thermomètre

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4. Mesure de température

Les diodes, transistors et transducteurs intégrésDes transducteurs intégrés comme le LM335 et le AD590 permettent une mesure fiable et linéaire de la températureCependant leur plage de température est faible :

LM335 : 10mV/°C, -40°C à +100°CAD590 : 1μA/°C, -55°C à +150°C

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4. Mesure de température

Les thermistancesCe sont des résistances sensibles à la températureIl en existe deux types :

CTP : Coefficient de température positif, la résistance augmente avec la températureCTN : Coefficient de température négatif, la résistance diminue avec la température

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4. Mesure de température

Les thermistances

Page 40: Cours Des Capteurs

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4. Mesure de température

Les thermistances

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4. Mesure de température

Les résistances RTDRTD : Resistance Temperature DetectorPrincipe : La résistance des métaux tels que le cuivre, le platine et le nickel varie avec la températureElles sont meilleures que les thermistances

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4. Mesure de température

Les résistances RTDLe fil de cuivre, platine (le plus utilisé) ou nickel est enfermé dans un boîtier étanche, non corrosifElle peuvent être plongées dans un liquide

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4. Mesure de température

Les résistances RTD

Page 41: Cours Des Capteurs

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4. Mesure de température

Les résistances RTDLa RTD platine 100Ω (appelée souvent sonde Pt100) est devenue une norme en instrumentationElle offre une résistance de 100 Ω à 0°CElle peut mesurer des températures entre -180°C et +650°CLa RTD est souvent placée dans un pont de résistances de précision

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4. Mesure de température

Les résistances RTDFormule empirique de la résistance :

RT = R0 (1 + αT)RT : Résistance à la température TR0 : Résistance à 0°Cα : Coefficient de température du matériau (Ω/°C)

(Pour le platine : α=0,00385 Ω/°C)

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4. Mesure de température

Les thermocouplesLorsque deux conducteurs de matériaux différents sont reliés par une extrémité. Si la température de ce point de jonction est différente de la température de l’autre extrémité des fils, il y a une force électromotrice développéeLe point de jonction s’appelle Soudure chaudeL’autre extrémité des fils est appelée : Soudure froide

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4. Mesure de température

Les thermocouples

Page 42: Cours Des Capteurs

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4. Mesure de température

Les thermocouplesSi la température de la soudure froide est constante, la variation de la tension dépendra seulement de la température de la soudure chaude

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4. Mesure de température

Les thermocouplesPour éliminer l’influence de la variation de la température ambiante sur la soudure froide, on utilise plusieurs techniques :

Maintien de la soudure froide à 0°CCompensation thermique de la tension de sortie en fonction des fluctuations de la température ambiante (utilisation d’un capteur pour mesurer la température ambiante par exemple)

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4. Mesure de température

Les thermocouplesLes thermocouples sont protégés dans un boîtier protecteur

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4. Mesure de température

Les thermocouplesLa plage de température dépend des matériaux utilisés dans le thermocoupleLa sensibilité des thermocouples n’est pas linéaire dans toute la gamme de mesure. Il faut minimiser l’étendue de mesure pour avoir la linéarité

Page 43: Cours Des Capteurs

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4. Mesure de température

Les thermocouplesExemples :

Type Matériaux Plage Sensibilité(mV/°C)

Type T Cuivre/Constantin -270°C à 370°C 0,016 à 0,06

Type J Fer/Constantin -210°C à 800°C 0,03 à 0,06

Type K Chromel/Alumel -270°C à 1250°C 0,018 à 0,04

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5. Mesure de pression

La mesure de pression est une information très utile dans de nombreuses applications industrielles

Niveau d’un liquidePression de l’air compriméPression de la vapeur dans une chaudièrePression de l’eau potable

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5. Mesure de pression

La pression d’un liquide est la force appliquée (perpendiculairement) par unité de surface

Pression = Force / SurfacePression en Pascal (Pa)Force en Newton (N)Surface en mètres² (m²)

Il existe d’autre unités de pression : bar, atmosphère, mm de mercure

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5. Mesure de pression

La pression hydrostatique est la pression exercée par un fluide (sur un réservoir par ex.)Cette pression est due à la pesanteur du fluide :

Pression = ρ.g.hρ : Masse volumique du fluide (Kg/m³)g : Accélération de la gravité (m/s² ou N/Kg)h : Hauteur du fluide (m)

Page 44: Cours Des Capteurs

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5. Mesure de pression

Il existe trois différentes représentations de la pression :

Pression absolue : la référence est le vide parfaitPression relative : la référence est la pression atmosphérique (la plus utilisée)Pression différentielle : la référence est une autre pression au choix

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5. Mesure de pression

Manomètre à déformation de membraneAppelé aussi Manomètre à diaphragme, c’est le capteur de pression le plus répanduLa déformation d’un diaphragme (en forme de disque) soumis à la pression est mesuréeOn peut mesurer la pression des liquides ou des gazs

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5. Mesure de pression

Manomètre à déformation de membrane

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5. Mesure de pression

Capteur de pression à jaugeOn utilise le même principe du capteur précédentLa déformation du diaphragme est mesurée par 4 jauges de contraintes montées en pont

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5. Mesure de pression

Capteur de pression à jauge

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5. Mesure de pression

Manomètre à soufflet

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5. Mesure du niveau

Les capteurs de niveau sont très utilisés Dans l’industrie, on utilise encore des principes mécaniques tels que le flotteurLes capteurs utilisant la conversion électrique de la mesure se basent sur des principes différents

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5. Mesure du niveau

Mesure du niveau par mesure de la pressionLa mesure de la pression du liquide nous informe sur sa hauteur

Page 46: Cours Des Capteurs

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5. Mesure du niveau

Mesure par sonde capacitiveLa sonde est déposée sur toute la hauteur du réservoir. Le liquide existant entre les deux armatures du condensateur change la valeur de la capacité. La sortie de 4-20mA indique avec précision le niveau du liquide

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5. Mesure du niveau

Mesure par sonde résistiveLa plupart des liquides offrent une certaine conductivitéEn mesurant la résistance entre deux électrodes plongées dans le liquide, on peut connaître le niveauCes capteurs sont souvent utilisé en TOR pour détecter la présence du liquide à un niveau bien défini

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5. Mesure du niveau

Mesure par capteur ultrasoniqueIl se base sur la réflexion des ondes ultrasoniques (>25kHz) sur la surface du liquide (ou solide)Un émetteur envoie des impulsions ultrasoniques qui sont réfléchies par la surface du liquideLa vitesse de propagation étant connue (340m/s), il suffit de mesurer le temps écoulé entre l’émission de l’onde et la réception de l’écho pour connaître la distance

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5. Mesure du niveau

Mesure par capteur ultrasonique