RAPPORT DE TRAVAUX PRATIQUES CAPTEURS ET INTERFAÇAGE

ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEED DE KHOURIBGA

2émé Année cycle ingénieur : Génie Electrique

RAPPORT DE TRAVAUX PRATIQUES

CAPTEURS ET INTERFAÇAGE

Année 2012-2013

Réalisé par : Siham DARIF Omar BARMAKI Issam AGOUTI

Yacine a. AMKASSOU

MANIPULATIONS :

Travaux pratiques : Capteurs et interfaçage 2émé Année cycle ingénieur : Génie Electrique

1. Etude d’un capteur de température à circuit intégré (C.I) LM335

2. Etude et réalisation d’un capteur de vitesse de rotation

3. Etude d’un capteur inductif

4. Etude d’un capteur capacitif

TP N°1 :

ETUDE D’UN CAPTEUR DE TEMPERATURE A CIRCUIT INTEGRE (C.I) LM335

Objectifs :


Connaitre les caractéristiques principales du capteur de température LM335

Savoir construire un affichage numérique de température Etudier les caractéristiques d’un système de régulation de

température par tout ou rien.

Matériels utilisés : Le banc DIGIAC 1750

Expérimentation 1 :

CARACTERISTIQUES DU CAPTEUR DE TEMPERATURE LM335

Equipement :

- 1 capteur de température LM335.- 1 voltmètre numérique 20V.- Câble de raccordement.

Résultats :

Durée (min)

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tension(v)

2.98

3.03

3.07

3.12

3.14

3.16

3.17

3.21

3.22

3.22

3.23

Température °K

298

303

307

312

314

316

317

321

322

322

323

°C 25 30 34 39 41 42 43 47 48 48 49

Commentaire : quand on chauffer le capteur par le « heater » la valeur du tension de sortie augmente alors on a démontrer la linéarité de ce capteur



CONSTRUCTION D4UN THERMOMETRE NUMERIQUE

Equipement :

- 1 capteur de température à circuit intégré LM335- 1 amplificateur intermédiaire - 1 Potentiomètre à curseur à piste carbone 10 kΩ - 1 amplificateur ≠ 1- 1 convertisseur tension/fréquence- 1 différentiateur- 1 compteur/horloge à trois chiffres

Principe :

- La tension de sortie du LM335 est de l’ordre de 2.93 V . le convertisseur tension/fréquence indique une fréquence de 1 KHZ/V.

- Le dispositif d’affichage numérique à trois chiffres permet 600 périodes à la seconde.

- En divisant la tension de sortie du LM335 par 10, on obtient une tension de sortie de l’ordre de 0.293 V générant une fréquence de 293 HZ par l’intermédiaire du convertisseur tension/fréquence. Cette valeur est mesurable par le compteur.


Résultats :

Valeur du voltmètre

3.00 3.07 3.12 3.20

Valeur du compteur

2.98 3.05 3.11 3.18

Commentaire : à l’aide de cette circuit de conditionnement on a réussi à transformer la sortie du capteur en fréquence pour mieux adapter à l’outille d’affichage ou de traitement


ETUDIER LES CARACTERISTIQUES D’UN SYSTEME DE REGULATION DE TEMPERATURE PAR TOUT OU RIEN

Equipement :

- 1 élément chauffant- 1 capteur de température à circuit intégré- 1 voltmètre numérique à 20V- 1 comparateur- 1 commutateur électronique- 1 résistance bobinée 10 KΩ


- 1 lampe 12V- Câble de raccordement

Principe :

Mettre sous tension et noter la tension de sortie du capteur de température. Connecter temporairement le voltmètre à la sortie de la résistance 10KΩ et régler la tension de sortie à 2,99 V au-dessus de la tension obtenue en sortie du capteur de température. Ceci place la température de référence du système à 20 °C au-dessus de la température ambiante.

- Résultats :

- Tension de sortie du capteur de température : 2.95

- Niveau de tension de sortie de référence : 2.93

Temps 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Etat de l’élément chauffant

OFF ON ON OFF OFF OFF ON ON ON OFF OFF

Tension de sortie du capteur

2.95

2.91

2.92

2.94

2.94

2.92

2.91

2.92

2.93

2.93

2.94

Température

295 291 292

294 294 290 291

292

293

293 294

- Caractéristique température/temps :


0 2 4 6 8 10 12287

288

289

290

291

292

293

294

295

296

Température

Température

- La plage de variation de la température est : 295-290 K°

- La température moyenne est : 292.64 K°- on observe que la température moyenne est à peu

près égale la température de REF .

TP N° 2 :ETUDE ET REALISATION D’UN CAPTEUR DE VITESSE DE ROTATION

Objectifs :

Connaitre la construction et les principales caractéristiques d’un phototransistor.


Connaitre la construction et les principes de base des opto-capteurs à barrière , ainsi que leur application au comptage et aux mesures de vitesse .

Connaitre la construction et les principes de base des génératrices tachymétrique ainsi que leur application aux mesures de vitesse.

Matériels utilisé :

Le banc DIGIAC 1750


CARACTERISTIQUE D’UN PHOTOTRANSISTOR

Equipement :

1 Phototransistor 1 Résistance bobinéd 10 kΩ 1 Résistance à curseur à piste carbon 10 kΩ 1Amplificateur de puissance 1Voltmètre numérique 20V 1Voltmètre à cadre mobile-10-0-10V

Manipulation :


On a connecté le circuit comme indiqué à la figure et on a réglé la résistance à curseur à piste carbon 100 kΩ sur 2 manière à ce que la résistance de charge du transistor soit approximation de 20 kΩ. Puis on a mis sous tension et on a réglé la commande de la résistance bobinée 10kΩ afin d’obtenir une tension nulle en sortie de l’amplificateur de puissance .

(a) : En recouvrant de la main l’enceinte transparente, on a trouvé que la tension du collecteur du phototransistor égale à : 5V

(b): En exposant le phototransistor à la lumière ambiante, cette tension égale à 4.5

Puis ,en augmentant la tension de sortie de l’amplificateur de puissance pas à pas de 1V , on a trouvé les valeurs mentionnés dans tableau ci-dessus :

Tansion de la lampe

0 1 2 3 4 5 9 10

Tension du collecteur

de phototransis

tor

N:5E :4.5

5

N :4.97

E :4.55

N :3.84

E :3.20

N :0.80

E :0.79

N :0.76

E :0.76

N :0.73

E :0.73

N :0.689

E :0.69

N :0.68E :0.68


0 2 4 6 8 10 120

0.51

1.52

2.53

3.54

4.55

Chart Title

Il y a une tension minimale d’environ 0.7 à cause de la saturation du transistor.

Expérimentation 2:

CARACTERISTIQUES D’UN OPTO-CAPTEUR A BARRIERE ET APPLICATION AU COMPTAGE ET A LA MESURE DE VITESSE

Equipement :

1 Poto-capteur à barrière . 1 Compteur /horloge. 1 Voltmètre numérique . 1Moteur en courant continu.

Tension du collecteur de phototransistor (NOIR)

Tansion de la lampe

Tension du collecteur de phototransistor (Eclairage ambiant)

0 2 4 6 8 10 120

0.51

1.52

2.53

3.54

4.55

Tansion de la lampe


1Amplificateur de puissance . 1Résistance bobinée 10 kΩ. Cables de raccordement.

Manipulation :

On a connecté le circuit comme indiqué à la figure et on a réglé la commande de la résistance bobinée 10 kΩ pour une tension de sortie nulle .

Après la mise sous tension , on a noté les valeurs suivantes :

Rayon coupé Rayon admisTension de sortie

0.05 4.716

Statut de la L.E.D

Off on

En appliquant ce qui est demandé , on a trouvé les valeurs suivantes :

Réglage 2.5 3.0 3.5 4.0Vitesse de 454 574 783 995


rotation(trs/s)- Maintenant on règle le commutateur ‘’ free run/1s’’ du

compteur/horloge sur 1s (1 seconde)- Donc on aura le tableau suivant :

Réglage 5 6 7 8 9 10Vitesse de rotation(trs/s)

23 29 35 42 46 46

- Reglage pour une vitesse de 1800 trs/min = 6.4k

- Est-il aisé d’effectuer ce réglage ? Oui

Expérimentation 3: ETUDE D’UN CAPTEUR DE VITESSE BASE DE LA GENERATRICE TACHYMETRIQUE

Equipement :

1 Génératric tachymétrique à courant continu. 1 Votmètre numérique 20V. 1 Voltmètre à cadre mobile-10-0-10V . 1Amplificateur #1 . 1Opto-capteur à barrière . 1Coompteur /horloge. Cables de raccordement.

Manipulation :


En connectant le circuit comme indiqué sur la figure et suivant la procédure décrite , on a trouvé les résultats notés sur la table ci-dessus :

Vitesse de l’arbre (t/sec)

5 10 20 30 40

Tension de sortie (V. numérique)

1.43 2.2 4.17 6.31 8.33

Tension de sortie (V. cadre mobile)

1.5 2.2 4.17 6.5 8.5


Valeur lue au voltmètre =6V Vitesse de l’arbre(6*20=1200 tr/min) =20trs/sec Vitesse de l’arbre lue à l’optocapteur = 27 trs/sec Valeur lue au voltmètre =3V Vitesse de l’arbre (3*20=600 tr/min) =10 trs /sec

TP N°3 : ETUDE D’UN CAPTEUR INDUCTIFNotions fondamentales :

Les capteurs inductifs sont des capteurs produisant un champ magnétique à leur extrémité, et qui permettent de détecter n'importe quel objet conducteur situé à une distance dépendante du type de capteur. Si un matériau conducteur se trouve dans la zone d'action du capteur, celui-ci sera automatiquement détecté.

Principe de fonctionnement :

Les capteurs inductifs produisent à l'extrémité de leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une


inductance et un condensateur monté en parallèle. Lorsqu'un corps conducteur métallique est placé dans ce champ, des courants de Foucault prennent naissance dans la masse du métal, il y a perturbation de ce champ qui entraîne une réduction de l'amplitude des oscillations au fur et à mesure de l'approche de l'objet métallique, jusqu'à blocage complet. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie, le capteur commute

.

La réduction de l'amplitude des oscillations au fur et à mesure de l'approche de l'objet métallique

Applications :

Les capteurs inductifs sont utilisés pour la commande et le contrôle de processus d‘automatisation et comme signal dans les opérations de comptage pour lesquelles des métaux se trouvent à disposition.

Des définitions :

Distance maximale de commutation :


La distance maximale de commutation Sn définit la distance maximale entre le capteur et la plaque de mesure standard afin de déclencher un processus de commutation. C’est un paramètre pur qui ignore les tolérances de la production et la température ou les variations de tension. Pour le capteur inductif utilisé ici la plaque de mesure standard doit avoir une aire de 18*18 mm et une épaisseur de 1 mm.

Hystérésis de commutation :

La différence entre les points d’activation et de déclenchement s’appelle hystérésis ou déplacement différentiel. Lors du choix des positions de l’objet et du détecteur, il doit être tenu compte de la valeur du déplacement de l’objet requis pour obtenir un déclenchement après activation. L’hystérésis sert à éviter les vibrations parasites (basculement rapides) quand le détecteur est soumis à des chocs ou à des vibrations ou quand la cible est immobile à la distance nominale de détection. L’amplitude de vibration doit être inférieure à la bande de fréquence d’hystérésis pour éviter les vibrations parasites.

W=pa-pe -- > H= (W/Sn)*100%.

W : différence de déplacement

Pe : position d’effet sur le rail de guidage

Pa : position d’arrêt sur le rail de guidage

Fréquence de commutation

La fréquence de commutation Fs est la vitesse maximum à laquelle un détecteur produira des impulsions TOR séparées quand l’objet entre et sort du champ de détection. Cette valeur dépend toujours de la taille de l’objet, de sa distance par rapport à la face de détection, de sa vitesse et du type de détecteur. Elle donne le nombre maximum possible de commutations par seconde.

Vitesse

La vitesse n indique le nombre de tours par minute (tr/min) du disque segmenté.


N= (Fs/N)*60.

N : nombre de segments

Expérimentation1 :COURBE DE REPONSE

Objectif :

« Décrire le courbe de réponse (dépendance de la distance de commutation s en fonction du décalage latéral x de la plaque de mesure) du capteur inductif avec les echantillons d’acier St 37 et du cuivre. »

Résultats de la procédure expérimentale et calcul :

Echantillon de matière

Acier St37 Cuivre

n Pn/mm Xn/mm s/mm Pn/mm Xn/mm s/mm1 45 15 0 51 16 02 53 13 8 52 14 13 54 11 9 52.5 12 1.54 54 9 9 53 10 25 54 7 9 53 8 26 54 5 9 53 6 27 54 3 9 53 4 28 54 -1 9 53 2 29 54 -1 9 535 0 2.510 53 -3 8 53.5 -2 2.511 53 -5 8 53.5 -4 2.512 53 -7 8 53 -6 213 52.5 -9 7.5 52.5 -8 1.514 52 -11 7 52 -10 115 50 -13 5 52 -12 116 48 -14 3 52 -14 117 45 -15 0 51 -16 0

La trace de la courbe de la distance de commutation s en fonction du décalage latéral x :


16 14 12 10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 -160123456789

10

Trace de la distance s de commutation

la distance s de l'acierla distance s du cuivre

La distance de commutation devient fixe à un certain temps précisément lors que l’échantillon couvre la zone de détection du capteur.

Expérimentation2 : HYSTERESIS DE COMMUTATIONObjectif :

« Décrire la distance de déplacement entre le point d’effet et le oint d’arrêt (hystérésis de commutation) du capteur inductif avec les échantillons St37, cuivre et aluminium »

Résultats de la procédure expérimentale :

Echantillon

pa /mm pe /mm w/mm Sn/mm H/%

Acier St37

52 51 1 5 20

Cuivre 55 54 1 5 20

Aluminium

53 52,5 0,5 5 10

On remarque que l’hystérésis dépend de la matière de l’échantillon de mesure utilisé. La course différentielle (H) ou hystérésis est la distance


entre le point d’enclenchement, quand la plaquette de mesure s’approche du détecteur, et le point de relâchement, quand la plaquette s'éloigne du détecteur. Cette hystérésis est indispensable pour assurer un fonctionnement stable du produit.

Expérimentation3 : COMPORTEMENT EN COMMUTATION/ DEPENDANCE DU MATERIAU.

Objectif :

« Etudier le comportement en communication du capteur inductif avec différents matériau »


Echantillon LED allumée LED éteinteSt37 6 mmAluminium 2,5 mmCuivre 2 mmMatière synthétique __ Gros aimant permanent

5 mm

Le matériau qui ne commute pas la matière synthétique, cela revient à l’effet du champ magnétique car cette dernière ne crée aucun champ magnétique avec le capteur, par contre les autres matériaux commutent, la seule différence est la distance de commutation.

Expérimentation4 : HYSTERESIS DE COMMUTATION

Objectif :


« Etudier la détection en rotation du capteur inductif et déterminer la fréquence Fs et la vitesse »


Nature de segment

N Fs/Hz n=en tr/min-1

Extérieur 4 80 1276intérieur 3 60 1236intérieur 3 200 4005Extérieur 4 26 4000

On remarque que les résultats expérimentales sont proches des résultats théoriques.

Expérimentation5 :FREQUENCE D’OSCILLATION

Objectif :

« Mesurer la fréquence d’oscillation du capteur inductif (circuit LC à résonance) avec l’aide d’une bobine supplémentaire et d’un oscilloscope. »


L’amplitude maximale : Umax=5mV.

T=333,333 s

F=1/ T=2µs*1,5=3*103 mHz.


TP N°3 : ETUDE D’UN CAPTEUR CAPACITIFNotions fondamentales :

Les capteurs capacitifs, également appelés détecteur de proximité capacitif, sont utilisés pour détecter les matériaux non-conducteurs comme le plastique, le bois, le verre, etc. Comme les capteurs inductifs, ils travaillent sans contact et sans réaction parasite.

Structure et fonction :

L’élément actif d’un capteur capacitif comprend une électrode de captage et un écran. Ces deux électrodes forment ensemble une capacité.

Si un élément de commutation (Objet métallique ou non) s’approche du capteur, la capacité varie, et donc influe sur le champs électrique de ce condensateur, c'est-à-dire que la capacité du circuit RC résonnant est modifiée (augmentation). Le changement de charge est noté ∆C .


.

1. L’élément sensible. 2. Les electrodes 3. Oscillateur.

4. Comparateur 5. Etage final

Expérimentation1 :COURBE DE REPONSE

Objectif :

« Décrire la courbe de réponse du capteur capacitif avec l’acier St 37 et la matière synthétique. »

Résultats de la procédure expérimentale et calcul :

Echantillon de

Acier St37 Matière synthétique


matièren Pn/mm Xn/mm s/mm Pn/mm Xn/mm s/mm1 50 18 0 51 13 02 55 16 5 53 11 23 57 14 7 53.4 9 34 59 12 7 54 7 35 59 10 7 54 5 36 59 8 7 54 3 37 59 6 7 54 1 38 59 4 79 59 2 710 59 1 7

La trace de la courbe de la distance de commutation s en fonction du décalage latéral x :

1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

1

2

3

4

5

6

7

8

Acier St 37Matière synthétique

La distance de commutation devient fixe à un certain temps précisément lors que l’échantillon couvre la zone de détection du capteur.

Expérimentation2 : TYPE DE FONCTIONNEMENTObjectif :

« Etudier les types de fonctionnement du capteur capacitif pour :

Matière non conductrice (Matière synthétique) ; Matière conductrice (Cuivre) ;


Matière conductrice mise à la terre (Cuivre). »


Echantillon P0 /mm Pe /mm S/mm

Matière synthétique

47 50 3

Cuivre 47 57 10

Cuivre mis a la terre

47 62 15

On remarque que la les matière conductrice sont plus détectable dans le cas d’un capteur capacitif et surtout lorsqu’on les mis à la terre c'est-à-dire lorsqu’on élimine les parasites. La distance de commutation devient plus grande.

Expérimentation3 : COMPORTEMENT EN COMMUTATION/ DEPENDANCE DU MATERIAU.

Objectif :

« Etudier le comportement en communication du capteur capacitif avec différents matériau »


Echantillon LED allumée LED éteinteSt37 4 8

Cuivre 4 8Matière synthétique 4 5.4

Gros aimant permanent

6.9 7.1


Contrairement au capteur inductif tout les matières sont détectable sauf que les matières conductrice sont les plus par rapport aux autres car le capteur capacitif est basé sur la variation du champ électrostatique et c’est pour cela que la distance du Gros aimant permanent est la petite car il n’ya pas de champs magnétique.

Expérimentation4 : DETECTION D’UN NIVEAU DE REMPLISSAGEObjectif : « Observer le niveau de remplissage d’un récipient avec un capteur capacitif ».

Commentaire : Le capteur et le réservoir forment les deux électrodes d’un condensateur. Si le niveau change, la capacité électrique entre les électrodes change aussi. L'électronique du capteur en dérive à quel point le niveau défini est atteint. Le principe de mesure capacitif est une


technique robuste pour des domaines d'utilisation dans lesquelles de forts colmatages compliquent la mesure.

Expérimentation 5 : COMPTAGE DE FREQUENCE / MESURE DE VITESSE.Objectif :

« Examiner la détection des mouvements de rotation du capteur capacitif et déterminer la fréquence fs et la vitesse n. »


Nature de segment

N Fs/Hz n=en tr/min-1

Extérieur 4intérieur 3 60intérieur 3Extérieur 4


Documents

RAPPORT DE TRAVAUX PRATIQUES CAPTEURS ET INTERFAÇAGE