Transcript ACQ1 Les capteurs

ACQ acquisition de l’information
cours ACQ-1
les capteurs
Les capteurs électriques
Compétences attendues:
o
o
o
o
Identifier les capteurs utilisés dans la chaîne d’information du système,
Définir la nature des informations d'entrée et de sortie du capteur,
Justifier leur choix au regard du cahier des charges,
Extraire de la documentation fournie les valeurs numériques caractéristiques des solutions techniques retenues.
1- Introduction :
Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on a besoin de
contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position, vitesse, luminosité, ...).
Le capteur est l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques.
Les capteurs
Acquisition de l’information
1-1 Définition :
Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique, une
autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la
grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
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1-2 Structure et fonctions principales d’un capteur :
De façon simple, un capteur peut être défini comme un transducteur convertissant une grandeur physique
en un signal électrique. Cette transformation peut être directe dans quelques cas simples (exemple :
thermocouple). Mais en réalité, la technologie des capteurs fait souvent appel à plusieurs conversions de
phénomène physique avant d’arriver au signal de sortie.
Ainsi, la structure d’un capteur répond de manière générale au schéma ci-dessous :
corps d’épreuve : c’est un élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer. Il
transforme la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable.
transducteur : il traduit les réactions du corps d’épreuve en une grandeur électrique constituant le signal
de sortie.
transmetteur : il réalise la mise en forme, l’amplification, le filtrage, la mise à niveau du signal de sortie
pour sa transmission à distance.
Il peut être incorporé ou non au capteur proprement dit.
1-3 Transmission du signal de mesure :
Selon le type de capteur, le signal électrique de mesure peut être de différentes natures : logique,
analogique ou numérique.
Signal de mesure logique
Les capteurs logiques ne comptent que deux valeurs possibles 0 ou 1 (fin de course), c’est un signal tout
ou rien (T.O.R).
On parle de détecteurs.
Signal de mesure analogique
Les capteurs analogiques traduisent des valeurs de positions, de pressions, de températures sous forme
d'un signal évoluant constamment entre deux valeurs limites.
Il peut être de toute nature : - courant : 0 – 20 mA, 4 – 20 mA
- tension : 0 – 10 V, 0 – 5 V.
On parle de capteurs.
Signal de mesure numérique
Les capteurs numériques transmettent des valeurs précisant des positions ou des vitesses pouvant être
lues :
- soit en parallèle sur plusieurs conducteurs
- soit en série sur un seul conducteur.
On parle de codeurs.
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les capteurs
1-4 Principales caractéristiques d’un capteur :
Etendue de mesures : Valeurs extrêmes pouvant être prises par la grandeur à mesurer
Résolution : Petite variation de la grandeur d’entrée que le capteur peut déceler.
Sensibilité : Variation du signal de sortie pour une variation de la grandeur d’entrée. C’est donc la dérivée
de la fonction de transfert S = f(E).
Précision : Caractérise l’aptitude d’un capteur à donner des indications proches de la valeur vraie de la
grandeur mesurée. Elle comprend l’erreur de justesse, (indication valable) et de fidélité (répétitivité).
Rapidité : Caractérisée par le temps de réponse de la grandeur de sortie suite à une variation de la
grandeur d’entrée. Liée à la bande passante du capteur.
2- Les différentes familles de capteur :
Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer ces derniers
en deux catégories.
2-1 Les capteurs actifs :
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet
physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur
physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement.
Les effets physiques les plus classiques sont :
-
Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont
les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice d'origine
thermique e(T1,T2).
-
Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge
électrique de signe différent sur les faces opposées.
Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit
électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objet métallique).
-
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les capteurs
- Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un
rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique.
-
Effet Hall : Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau une
différence de potentiel UH .
-
Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN
illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.
Grandeur physique mesurée
Température
Flux de rayonnement optique
Force
Pression
Accélération
Vitesse
Position (aimant)
courant
Effet utilisé
Grandeur de sortie
Thermoélectricité
Tension
Photo-émission
Courant
Effet photovoltaïque
Tension
Effet photo-électrique
Tension
Piézo-électricité
Charge électrique
Induction électromagnétique
Tension
Effet Hall
Tension
2-2 Les capteurs passifs :
Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur
mesurée. La variation d'impédance résulte :
- Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'un grand nombre
de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature
mobile.
- Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression accélération
(armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensomètre liée à une
structure déformable).
Grandeur mesurée
Caractéristique électrique sensible
Type de matériau utilisé
température
Résistivité
Métaux : platine, nickel, cuivre ...
Très basse
température
Constante diélectrique
Verre
Flux de rayonnement
optique
Résistivité
Déformation
Résistivité
Alliage de Nickel, silicium dopé
Perméabilité magnétique
Alliage ferromagnétique
Matériaux magnéto résistants :
bismuth,
antimoine d'indium
Position (aimants)
Résistivité
Humidité
Résistivité
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Semi-conducteur
Chlorure de lithium
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3- Les capteurs à effet piézoélectrique :
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Effet piézoélectrique : Une force appliquée à une
lame de quartz induit une déformation qui donne
naissance à une tension électrique.
Capteur de force : La tension VS de
sortie sera proportionnelle à la force F :
VS = k.(F+F) = 2k.F avec k constante.
Capteur de pression
Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force F sur une paroi S (surface); on peut
définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci-dessous :
= avec les unités : 1Pascal = 1N/m²
On rappelle : 1 bar = 105 Pa = 100000N/m²
Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P.
Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la force F0
(pression extérieure P0).
On a F = P.S ; F0 = P0.S et uS = k.(F+F0)
( capteur de force, k = constante ).
Donc uS = k.S (P + P0) = k' ( P + P0)
=> uS = k' (P + P0).
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la
somme de la pression extérieure P0 et de la
pression de l'enceinte P.
4- Les capteurs à effet Hall :
L'effet Hall
Un barreau de semi-conducteur soumis à un
champ magnétique uniforme B et traversé par
un courant I, est le siège d'une force
électromotrice UH sur deux de ses faces.
La tension de Hall UH est définie par la relation ci-dessous :
.
RH : constante de Hall (dépend du semi-conducteur)
I : intensité de la source de courant
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au
champ magnétique B : UH = k.B avec k constante égale à RH .(1/e).
=
avec :
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capteur de champ magnétique :
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
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La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
Exemple : Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit
Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce
.
courant : =
Le capteur donne une tension : US = kB = k’I
C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts
courants de 1000A et plus).
Avantages :
- plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
- pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir
le circuit).
- rapidité d'intervention.
5- Les capteurs à effet photoélectrique :
L'effet photoélectrique
Un semi-conducteur est un matériau pauvre en porteurs de charges électriques (isolant).
Lorsqu'un photon d'énergie suffisante excite un atome du matériau, celui-ci libère plus facilement un
électron qui participera à la conduction.
Les photorésistances
Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit.
Exemple :
Obscurité
=> R0 = 20 MΩ ( 0 lux )
Lumière naturelle
=> R1 = 100 kΩ ( 500 lux )
Lumière intense
=> R2 = 100 Ω ( 10000 lux ).
Avantages :
- bonne sensibilité
- faible coût et robustesse.
Inconvénients :
- temps de réponse élevé
- bande passante étroite
- sensible à la chaleur.
Utilisation : détection des changements obscurité
lumière (éclairage public).
Les photodiodes
Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux.
Exemples : les codeurs optiques
Un codeur optique est un capteur angulaire ou un capteur linéaire. Il transmet l'angle ou la distance
mesuré par une information numérique, suivant différents protocoles.
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Le codeur incrémental :
Le disque rotatif comporte au maximum 3 pistes.
Une ou deux pistes extérieures divisées en n intervalles
d'angles égaux alternativement opaques et transparents.
Pour un tour complet du codeur, le faisceau lumineux est
interrompu n fois et délivre n signaux carrés (A et B) en
quadrature.
Le déphasage de 90° électrique des signaux A et B
permet de déterminer le sens de rotation:
-
dans un sens pendant le front montant du signal
A, le signal B est à zéro.
dans l'autre sens pendant le front montant du
signal A, le signal B est à un.
La piste intérieure (Z: top zéro) comporte une fenêtre
transparente et délivre un seul signal par tour.
Ce signal Z d'une durée de 90° électrique, détermine une
position de référence et permet la réinitialisation à
chaque tour.
Le comptage/décomptage des impulsions par l'unité de
traitement permet de définir la position du mobile.
Remarque:
Un traitement électronique permet de délivrer les signaux
complémentaires (A,B,Z), un tel codeur peut délivrer six
signaux (AA,BB,Z Z).
Résolution = Nb de points par tour
Trois cas peuvent se présenter :
Le système de traitement n’utilise que les
fronts montants de la voie A :
- La résolution est égale au nombre
de points.
Le système de traitement utilise les fronts
montants et descendants de la voie A :
- La résolution est multipliée par 2
Le système de traitement utilise les voies A
et B :
- La résolution est multipliée par 4
précision = périmètre / résolution
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Le codeur absolu :
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Le disque des codeurs absolus comportent un nombre n
de pistes concentriques divisées en segments égaux
alternativement opaques et transparents.
A chaque piste est associé un couple émetteur / récepteur
optique.
Résolution = 2n
Disque 12 pistes d'un codeur optique absolu
Ex : (1024 pour 10 pistes).
Un codeur Absolu délivre en permanence un code qui est
l'image de la position réelle du mobile à contrôler. Il
présente de ce fait deux avantages importants par rapport
à un codeur incrémental :
Insensibilité aux coupures du réseau
Dès la première mise sous tension, ou dès le retour de la
tension après coupure, le codeur
délivre une information correspondant à la
position réelle du mobile et donc immédiatement
exploitable par le système de traitement.
Insensibilité aux parasites de ligne
Un parasite peut modifier temporairement le code
délivré par un codeur absolu mais ce code
redevient automatiquement correct dès la
disparition du parasite.
Exemple d’un codeur absolu 3 bits
Pour chaque position angulaire de l’axe, le disque fournit un code
binaire de 3 bits correspondant à 1/8ème de tour
3bits ⇒ 23 = 8 positions
Le nombre de sorties parallèles est le même que le nombre de
bits ou de pistes sur le disque.
Elles peuvent être désignées par B1,B2,B3,...,Bn (BINAIRE
PUR) ou G1,G2,G3,...,Gn (CODE GRAY)
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6- Capteurs à résistance variable par déformation :
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Capteurs potentiométriques de déplacement
Principe : Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un
potentiomètre (schéma ci-dessous).
On applique une tension continue E entre les extrémités A et B du potentiomètre. La tension U en sortie
aura l'expression suivante :
= .
=
La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur.
Avantages :
- simplicité d'utilisation
- faible coût.
Inconvénient :
- usure mécanique (utilisation déconseillée dans les asservissements très dynamiques)
Utilisations :
Mesures de déplacements rectilignes (potentiomètre rectiligne).
Mesures d'angles de rotations (potentiomètre rotatif monotour ou mutitour).
Mesure de débit de fluide :
Le débit du fluide exerce une force sur un
clapet relié au curseur d'un potentiomètre.
La tension en sortie du potentiomètre
augmente avec la vitesse d'écoulement.
Capteurs à jauges d'extensométrie
.
Principe : La résistance d'un conducteur est donnée par la relation : =
La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R.
La relation générale pour les jauges est :
=
où K est le facteur de jauge.
Fonctionnement d'une jauge simple :
La jauge est constituée d'une piste résistive collée sur un support en résine. Le tout est collé sur le corps
dont on veut mesurer la déformation.
Corps au repos (pas d'allongement)
Corps ayant subi un étirement (effort de traction)
Remarque : Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R0 - ∆R.
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7- Les capteurs de température :
Thermomètre à thermocouple
On constate que si la température T2 est différente
de T1 alors il apparaît une tension U aux bornes des
deux fils soumis à la température T1.
Le phénomène inverse est aussi vrai : si on applique
une tension, alors il y aura un échauffement ou un
refroidissement au point de liaison des deux
conducteurs (modules à effet Peltier).
Application : Mesure des hautes températures (900 à
1300°C).
Thermistance
Une thermistance est un composant dont la résistance varie en fonction de la température.
En première approximation, la relation entre résistance et température est la suivante :
=
°
.
.
Rθ est la résistance à la température θ
R0°C est la résistance à la température 0°C
a est le coefficient de température.
Remarque : si a > 0 alors on a une thermistance CTP (R augmente quand θ augmente)
si a < 0 alors on a une thermistance CTN (R diminue quand θ diminue).
Ci-dessous organigramme de choix d’un détecteur en fonction du besoin :
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