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Objectifs du cours de capteurs
1) Connaître quelques principes physiques de différents capteurs) q q p p p y q p
2) Connaître quelques principes du conditionnement du signal
3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents capteurs
point de vue utilisateur :• bon choix du capteur pour une application concrètep p pp• savoir utiliser un capteur
i t d dé lpoint de vue développeur :• concevoir et développer un capteur
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Différents aspects dans les capteurs
principes physiquesi éexploités
diti t d i lconditionnement du signal
transport de l‘informationbus de capteurs
technologie, produits
point de vue utilisateur
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point de vue utilisateurchoix du capteur
motivation (1)
Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs !
Capteurs liés au - moteur et système de traction, - au confort, - à l‘environnement, - et surtout à la sécurité
Quelle: BMW AG
Objectif des constructeurs d‘automobiles : zéro accidents
Eviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant.
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capteurs pour la sécurité des voitures
• reconnaissance de piétonsp• distance entre les voitures sur l‘auto-
route
capteur de pression des pneuscapteur de pression des pneus transmission sans fil
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motivation (2)
Il n‘y a plus de constructeur d‘automobile suisse, mais ...
La Suisse est très forte dans le domaine des capteurs. (exemples d‘entreprises suisses : Posic, LEM, Vibromètre, Sensirion, Baumer, Kistler, ...)
L d iLes capteurs : un domaine
• de haute technologie
• de multi-technologiephysique, chimie, matériaux, mécanique, électronique, traitement dup y q , , , q , q ,signal, « intelligence », techniques de miniaturisation, ...
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motivation (3)
Les capteurs : un domaine innovateur
d di i d i l• du conditionnement du signalau capteur « intelligent »
• p. ex. numérisation dans le capteur
• p. ex. compensation des dérives thermiquesp p q
• p. ex. autocalibration
• p ex transmission sans fil• p. ex. transmission sans fil
miniaturisation sur le chip :pMEMSmicro electromechanical systems
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micro electromechanical systems
classification des mesurandes• mécaniqueqdéplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, ...
• électrique• électriquecourant, charge, impédance, ...
th i• thermiquetempérature, flux thermique, ...
• magnétiquechamp magnétique, perméabilité, ...
• radiationlumière visible rayons X radioactivitélumière visible, rayons X, radioactivité, ...
• bio / chimiqueh idi é dé i d h è i
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humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux
Généralités : capteurs et chaînes d‘acquisition
mesurande élément sensible(transducteur)
Conditionneurtraitement des
signaux
signal
typ. grandeurnon-électrique
(transducteur) signauxélectriqueexploitable
grandeurs d‘influence(perturbations)
Idéalement, le signal de sortie du capteur devrait être une image fidèle dumesurande, mais ...
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,
problèmesproblèmes ...
• le signal fourni par le capteur dépendaussi des grandeurs d‘influences (p ex dérives thermiquesaussi des grandeurs d influences (p. ex. dérives thermiques, bruit de mesure, etc.).
• une variation du mesurande provoque une variation retardée du signalde sortie (temps de réponse fini).
• le fait d‘introduire un organe de mesure peut déjà changerl‘environnement, et le mesurande.
Le but réaliste consiste à avoir une image du mesurandei fidèl ibl ( i i fidèl é i !)
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aussi fidèle que possible (mieux : aussi fidèle que nécessaire !)
grandeurs d‘influence, exemples• température ambiante• pression, accélération, vibrations• humidité• champs magnétiquesp g q• tension d‘alimentation• lumière ambiante• lumière ambiantePossibilités pour réduire l‘effet nocif des grandeurs d‘influence :
bli d i l t• blindage, isolement• stabiliser les grandeurs d‘influence à des valeurs connues, et
é l létalonner le capteur• compenser les grandeurs d‘influence (p.ex. montage différentiel)
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exemple « micro-capteur intelligent »capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophiletechnologie CMOSgchangement d‘humidité changement de capacité signal utileavec compensation des grandeurs d‘influence (température)avec compensation des grandeurs d influence (température)et calibration automatique
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Courbe d‘étalonnage statique, cas idéalréponse du capteur
)(mFs
nécessite une mesure de référence
mesurande
nécessite une mesure de référencedu mesurande !
sensibilité du capteur en régime statique:msS
(pente locale)
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imm
linéaritéréponse du capteurp p
(droite de régression)
mesurande m
La linéarité s‘exprime en %, c‘est l‘erreur relative maximaleentre la droite de régression et la caractéristique réelle.
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entre la droite de régression et la caractéristique réelle.
définition : résolution, étendue de la mesureL é l ti d‘ t t l l tit i ti d dLa résolution d‘un capteur est la plus petite variation du mesurandeque le capteur est capable de décéler (à ne pas confondre avec la
é i i )précision).
étendue de la mesure :• zône nominale= plage nominale du mesurande (fonctionnement normal)
• zône de non-détériorationhors specs, ne fonctionne plus, mais pas de destructionp , p , p„absolute maximum ratings“ • zône de non-destructionmodification permanente des caractéristiques !
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rapidité d‘un capteur
• bande passantefréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dBfréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB
• temps de réponsesaut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteursaut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteurarrive dans une fourchette de 5% de la valeur finale
bande passante et temps de réponse sont liés.
pour un système linéaire : f
T
2
33répcf2p
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erreurs de mesure
• erreurs systématiquesy q(p.ex. dérives, viellissement, mauvaise utilisation, etc
• erreurs accidentelles (aléatoires)• erreurs accidentelles (aléatoires)p.ex. bruit, parasites, etc
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erreurs de mesure
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Caractéristiques statistiques d‘un capteur
Précision = Fidélité (répétabilité) + Justesse
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Choix du capteur• nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ?
• performances (résolution précision plage de mesure ) ?performances (résolution, précision, plage de mesure, ...) ?
• caractéristiques d‘environnement, grandeurs d‘influence ?
• encombrement ?
• prix ?p
• fiabilité (MTBF : Mean Time Between Failures) ?11 MTBF
1 N: taux de défaillance
t1 déf
pop
NN
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p p
« courbe de baignoire »
: taux de défaillance
défaillancesprématurées
usureviellissement
prématurées
défaillances aléatoires
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temps (vie du produit)
éléments fonctionnels d‘un capteurénergie d‘excitation énergie d‘alimentation
mesurandesignal
tili blmodification
signal électrique
élément
mesurande
transducteur conditionneur
utilisablede l‘élément sensible signal électrique
sensible
grandeurs d‘influence(perturbations)
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exemples d‘éléments sensibles
accéléromètre MEMS
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exemples d‘éléments sensibles
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exemples d‘éléments sensibles
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exemples d‘éléments sensibles
• polymère qui change ses propriétés électriques en fonction del‘h idi é bil‘humidité ambiante
• jauge de contrainte
• fil chaud pour mesurer la vitesse d‘un écoulement de fluide
• bilame, thermistance
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Capteurs (transducteurs) passifs
• capteurs résistifs
• capteurs inductifs
• capteurs capacitifs
Capteurs (transducteurs) actifs
• capteurs piézoélectriques
t t h ét i• capteurs tachymétriques
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Capteurs résistifs
• capteurs potentiométriques d dé l t li é i / l imesure du déplacement linéaire / angulaire
• jauges de déformation / contraintemesure de déformation, force / effort, couple, pression
• capteurs thermiquesmesure de température et de débit
• capteur d‘humiditécapteur d humidité
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rappel : structure de la matière
Influence du nombre d’électrons contenus dans la couche de valence
Couche 4 5 6 7 8 él t1 2 3 él t Couche de
valence ?
4, 5, 6, 7 ou 8 électrons1, 2 ou 3 électrons
4 électrons (quelques cas)
Les électronsCapture des
électrons libresDopage
?non
Les électrons libres sautent d’un atome à
l’autre
I l tSemi-
oui
C d t
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IsolantSemiconducteursConducteur
capteur potentiométrique (bas de gamme)
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linéarité
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résolution limitée du potentiomètre bobiné
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inconvéniants des capteurs potentiométriques
• contact du curseur usure, durée de vie limitée
• frottement (finesse)
• vitesse limitée
• coefficient de température
• bruit du potentiomètrebruit du potentiomètre
• résolution limitée
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écran tactile résistif
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Effet piézorésistif (à ne pas confondre avec piézoélectrique)
dVdVdVCd
V
C : constante de Bridgman
C = typ. 1.13 ... 1.15 pour des jauges métalliquesyp p j g q
C = typ. 100 pour les jauges à semiconducteur
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facteur de gauge (sensibilité relative)
AlR A
Les 3 paramètres l, , et A changent simultanément, et les effets se rajoutentp , , g , j
Après linéarisation, on trouve :
lldC
RRd
))21(21( lR
))((
déformation h l ifchangement relatif
de la résistancefacteur de jauge
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jauge de contrainte
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Jauge de contrainte collée sur une structure mécaniquestructure mécanique
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jauge de contrainte collée sur une structuremécanique (p.ex. barre de traction)
permet aussi de mesurer des forces
corps d‘épreuve
: mesurande primaire
loi de Hook :A : section du corps d‘épreuveA : section du corps d épreuve
E : module de Young
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mesurande secondaire
caractéristique déformation / contrainte
]2 ]
= [P
a]
t
[N/m
2 rupture
zône à déformation plastique
aint
e
zône à déformation plastique irréversible
cont
ra
zône élastique loi de Hook
déformation = L / L
loi de Hook
2% max
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déformation L / L
Grandeurs d‘influence
• températureinfluence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation jauges à semiconducteurs sont très sensibles à la température
autoéchauffement courant de mesure typ. limité à ~20 mA pourjauges métalliques.jauges éta ques.
• tension thermoélectrique à la jonction de 2 métaux différents(élé t th l )(élément thermocouple)
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différentes configurations en pont de Wheatstone
buts :
• augmenter la sensibilité• augmenter la sensibilité
• augmenter la linéarité
• compenser les dérives thermiques• compenser les dérives thermiques
)1(0 xR p. ex. F
)1(0 xR
)1(0 xR
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caractéristiques typiques des gauges
métallique semiconducteur
plage de mesure 10-7 ... 0.04 10-9 ... 0.003
facteur de gauge 1.8 ... 2.35 50 ... 200
résistance 120, 350, ..., 5‘000 1‘000, ..., 5‘000
tolérance de la résistance 0.1% ... 0.2% 1% ... 2%
taille, mm 0.4 ... 150 1 ... 5
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standard : 3 ... 6
capteurs de force piézorésistifs basés sur semi-d tconducteurs F > 0
capteur miniature de force, circuit intégré SMD
incorpore un pont de Wheatstone
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exemple de produits industriels
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capteur de force 6 axes basé sur jauges de contrainte
mesure les forces Fx, Fy, Fz, et les couples Tx, Ty, Tz
applications p.ex. en robotique
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capteur de force pour mesurer la force de retenue de la ceinture de sécurité
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application atomic force microscope „AFM“
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mesure de pression différentielle
élément sensible : diaphragme déformable
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autre application : accéléromètre
élément sensible = masse sismique + gauge de force
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modélisation d‘un capteur d‘accélérationboîtier
mesure indirecte de l‘accélérationm
masse sismiquepar la déformation de l‘élément de support
de la masse sismique
m
q
k d
buts : t l bande passante d t !
accél :• trouver la bande passante du capteur !
• comment dimensionner les éléments sensibles pour que le capteurmesurande
délivre un signal de sortie qui reproduit le plus fidèlement possiblel‘allure du mesurande ?
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Capteurs thermiques
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sondes en platine• fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support précis, mais très cher
• déposition film mince de platine, ~1 m d‘épaisseur sur support réponse rapide, moins cher
R(T) = R0 (1+ T) : comportement linéaire0
PT100, PT1000PT100, PT1000précision typique : 0.1% ... 1%: typ 0 385 % / °C: typ. 0.385 % / °Ccomparaison : une résistance de précision a un coefficient de températ re de 50 ppm 50 * 10-6 (80 moins q ‘ ne sonde de PT)
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température de 50 ppm = 50 * 10-6 (80 x moins qu‘une sonde de PT)
plage de mesure
sonde platine : typ. de -200°C ... 650°C, voire plus
pour les très hautes températures, on utilise plutôt le tungsten
symboles IEC normalisés :
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thermistances à semiconducteur
comportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel
• PTC (= positive temperature coefficient)
• NTC (= negative temperature coefficient)
• CTR (= critical temperature resistance)CTR ( critical temperature resistance)
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allures typiques
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