Capteurs Capacitifs 2024 PDF

Capteurs Année : 2024 CAPTEURS CAPACITIFS Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 1  CAPTEUR CAPACITIF Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 2 CAPTEURS CAPA...

Capteurs Année : 2024 CAPTEURS CAPACITIFS Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 1  CAPTEUR CAPACITIF Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 2 CAPTEURS CAPACITIFS Qu'est-ce que la détection capacitive ?  Il s'agit d'une forme de détection tactile qui remplace les boutons mécaniques et qui peut être utilisée pour: la création des écrans tactiles, 15/01/2025 Capteurs : la détectionPosition/Detection/Déplacement de proximité. 3  CAPTEURS CAPACITIFS Introduction La détection capacitive trouve un nombre toujours croissant d'applications. Ces interfaces ultraminces sont de plus en plus utilisées dans les lecteurs multimédias : Portables; téléphones mobiles; ordinateurs, et d'autres appareils électroniques; En outre, elles commencent à faire leur apparition dans les applications industrielles Capteurset : médicales. 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 4 Capteurs de proximité capacitifs Principe de fonctionnement : Il se compose d'un oscillateur RC dont le condensateur constituent la face sensible, lorsqu'un matériau de permitivité > 1 est placé dans ce champ électrique il modifie les capacités de couplage et provoque selon la technologie choisie, création ou amortissement des oscillations. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 5 Il permet de détecter les objets isolants ou conducteurs. La portée dépend des matériaux détectés. La fréquence de commutation maximum entre 10 Hz et 15 Hz. Avantage: - Il détecte tous types d’objets. Inconvénients: - Sensibles à l’environnement, - Nécessite un environnement très propre ou noyé dans la matière Capteurs : à détecter. 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 6  Capteurs de proximité capacitifs.  Circuit résonnant RC  Pour R1 = R2 = R et C1= C2= C, la fréquence de résonance de l'oscillateur RC est : w = 1/RC. v0 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 7 Détecteur de proximité capacitif  Un condensateur plan:  IL est constitué, de deux armatures séparées par un diélectrique e.  A : Surface des armatures en regard  x: Distance entre armatures  e: Permittivité absolue du diélectrique Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 8  Capteur capacitif x Variation de distance d entre armatures Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 9  Capteur capacitif Variation de distance entre armatures Dans ce cas la capacité varie en fonction inverse de d et peut être insérée très facilement dans un oscillateur RC dont la fréquence va être fonction de C donc de d. La réponse est non linéaire puisque la relation entre C et d est de type hyperbolique. d Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 10  Capteur capacitif d Variation de surface x ε 𝑟 ε 0 ( 𝐴 − 𝑘𝑥) 𝐶 ( 𝑥)= 𝑑 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 11  Capteur capacitif  Variation de surface  Dans le cas de la variation de surface, la distance entre les armatures est fixe, par contre la surface varie. Ceci peut être obtenu en déplaçant l’armature mobile selon l’axe ox.  L’une des armatures de surface A, est fixe, alors que l’autre peut se déplacer en liaison avec le dispositif dont on veut suivre le mouvement, tout en restant parallèle à l’armature fixe. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 12  Capteur capacitif  Variation de surface  Soit kx la réduction de surface en regard, ε 𝑟 ε 0 ( 𝐴 − 𝑘𝑥) 𝐶 ( 𝑥)= 𝑑  La variation de C est linéaire avec x,  C'est le principe de «condensateur variable rotatif», utilisé pendant de nombreuses années dans les récepteurs radio pour ajuster l'oscillateur et sélectionner un émetteur précis. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 13  Capacités variables Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 14  capteur capacitif  Variation de surface  Variation de surface dans dans un condensateur un condensateur plan cylindrique ε 𝑟 ε 0 ( 𝐴 − 𝑘𝑥) 𝑙 𝐶 =2 𝜋 𝜀 𝐶 ( 𝑥)= 𝑅2 𝑑 𝑙𝑛 𝑅1 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 15  Capteur capacitif Variation de la constante diélectrique 1 la permittivité de l'air 2 la permittivité du liquide Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 16  Capteur capacitif Variation de la constante diélectrique  L'élément variable peut être aussi le diélectrique, Exemple: Un condensateur de longueur l, plongé partiellement dans un liquide de constante diélectrique 2 différente de celle de l’air de constante diélectrique 1. Application: Mesure de niveau x dans les liquides (réservoirs de carburant des automobiles et dans de nombreux dispositifs de stockage de produits chimiques liquides). Dans ce cas: La relation entre Capteurs :C et x est linéaire. 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 17 Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Soit un condensateur plan A1 0 d’armatures A1 et A2 à la distance x. Une tension appliquée à ce 𝑥 condensateur génère un champ électrique E. E A2 15/01/2025 Capteurs : Position/Detection/Déplacement 18  Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Entre les deux armatures planes A1 Z et A2, on place, à la distance une A1 électrode conductrice (Z) repliée sur 0 elle-même d’une épaisseur très 𝑥 mince. 𝐸 2 L’électrode Z passe alors au 2 potentiel. 𝑥 2 NB: Nous ne tiendrons pas E A2 compte de la dispersion du champ aux extrémités des plaques. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 19  Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs  Le condensateur est alors divisé, non seulement géométriquement, mais aussi électriquement, en deux condensateurs montés en série,  Si l’on déplie l’électrode intermédiaire, plaçant ainsi les armatures A1 et A2 l’une à côté de l’autre, celles-ci se trouvent sur un même niveau physique et électrique. 𝐸 𝐸 2 2 𝑥 2 0 E A1 A2 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 20 Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs 𝐸 𝐸 2 2 𝑥 2 0 E A1 A2  Finalement on obtient ce qu’on appel un condensateur "ouvert",  Les champs électriques sont de sens opposé dans chacune des moitiés du condensateur. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 21  Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Ce condensateur "ouvert" est utilisé A2 comme capteur. A1  L’électrode centrale A2 (Boitier) représente la face sensible du capteur;  Pour des raisons de symétrie, l’armature A1 (anneau de garde) se (Electrode Z) présente sous la forme d’une électrode circulaire concentrique à A2; Capteurs :  15/01/2025 L’électrode Z représente Position/Detection/Déplacement 22 Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Objet conducteur à détecter 𝐸 2 𝑥 2 0 E 0 A1 A2 A1 anneau de garde Face sensible Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 23  Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Sans anneau de garde L’électrode de garde est placée autour de l’électrode de mesure et avec anneau de garde son potentiel est porté à la même valeur afin d'éliminer les effets de bord. anneau de garde Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 24 Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Câble coaxial électrode de mesure électrode de garde 𝑥 d Pièce a mesurer Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 25 Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs & les non conducteurs cible conductrice cible non- conductrice Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 26 Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Mesure de la capacité par injection de courant variable: En polarisant un capteur capacitif par l'intermédiaire d'une résistance de grande valeur (100 M) il est possible de mesurer les variations de distance à très haute fréquence + Résistance de polarisation - Amplificateur suiveur + Générateur continu - Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 27 Approche géométrique d'un capteur capacitif pour les conducteurs Mesure de la capacité par injection de courant variable: En injectant un courant alternatif au bornes d’un condensateur, la tension qui apparaît à ses I bornes estI.x: V  j.C J..S Dans ce cas V est proportionnelle à. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 28  Capteurs de proximité capacitifs Schéma d’un capteur capacitif Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 29  Capteur de distance capacitif Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique: La tête de mesure est formée d’un conducteur cylindrique (A) et d’une enveloppe métallique coaxiale (B) réalisant un condensateur entre A et B de capacité fixe C1. Dans certain cas une autre enveloppe (C) de compensation peut est utilisée. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 30  Capteur de distance capacitif Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique: A  Pour facilité le calcul, on suppose dans ce cas que la tête de mesure du capteur capacitif est formée seulement d’un conducteur cylindrique (A) et d’une enveloppe métallique coaxiale (B) réalisant un condensateur B entre A et B de capacité fixe C 1. Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 31  Capteur de distance capacitif Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique:  Lorsqu’une cible métallique s’approche de l’extrémité des conducteurs précédents, ils constituent avec elle deux autres condensateurs C(x) et Cp(x). Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 32  Capteur de distance capacitif  Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique:  l’un ayant pour armatures la surface extrême du conducteur central et la cible distante de x ; sa capacité C(x) est simplement liée à x par la relation: 𝑘 𝐶 ( 𝑥)= 𝑥 k étant une constante, pour une tête de mesure donnée.  l’autre est un condensateur parasite formé par l’enveloppe extérieure et la cible, sa capacité est Cp(x). Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 33  Capteur de distance capacitif. Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique:  Schéma électrique équivalent du capteur capacitif et le pont de mesure qui lui associé C(x) A C Cible Cp(x) B Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 34 Capteur de distance capacitif.  Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique:  La capacité équivalente de la sonde Cm que l’on mesure entre les deux armatures du conducteur cylindrique est modifiée par la présence de la cible : C( x ).C P ( x ) C m = C1 + C( x ) + C P ( x ) Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 35 Capteur de distance capacitif.  Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique:  La mesure peut s’effectuer à l’aide d’un pont et par méthode de déviation,  Si la cible est mise à la masse, la capacité Cp(x) peut être court-circuitée en reliant aussi à la masse l’enveloppe extérieure du capteur. On a alors : Cm = C1 +C(x) Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 36 Capteur de distance capacitif. Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique:  La tension de mesure vm , qui est la tension de déséquilibre du pont, a pour expression : es Ce - Cm vm  2 Ce  C m Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 37 Capteur de distance capacitif. Zm v AM  es Zm  Ze Ze R es es A Vm Source vCM  C alternative 2 Zm R B M Z e  Z m es vm v AC   Ze  Zm 2 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 38  Capteur de distance capacitif. Cm = C1 +C(X)=C1 +k/X=C1+k/(D0+x) Ce capacité constante du condensateur à l’équilibre et D0 , la position d’équilibre (vm = 0V c-à-d c =c ) k Ce Cm (0) C1  m e C1  C0 avec k C0 D0  0 D0  Un petit déplacement x de l’objet autour d’une position d’équilibre D0 déséquilibre k le pont et cm (x) devient: Cm ( x) C1  D0  x Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 39  Capteur de distance capacitif On remplaçant: ce , par: Ce C1  C0 k Et cm , par: Cm ( x ) C1  D0  x dans L’équation ci-dessous es Ce - Cm ( x) vm  2 Ce  C m ( x ) Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 40 Capteur de distance capacitif. Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique: k C1  C0  (C1  ) e D0  x vm  s 2 C  C  (C  k 1 0 1 ) D0  x D0  x D0  x k (C1  C 0 )  (C1  ) es D0  x D0  x D0  x vm  2 D0  x D0  x k (C1  C 0 )  (C1  ) D0  x D0  x D0  x Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 41 Capteur de distance capacitif Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique: es ( D0  x )(C1  C 0 )  ( D0  x )C1  k ) vm  2 ( D0  x )(C1  C 0 )  ( D0  x )C1  k )  c-à-d es D0C1  D0C0  xC1  xC0  D0C1  xC1  D0C0 vm  2 D0C1  D0C0  xC1  xC0  D0C1  xC1  D0C0 es xC0 vm  2 2 D0C1  2 D0C0  2 xC1  xC0 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 42 Capteur de distance capacitif Exemple simplifié de capteur capacitif de proximité pour cible métallique: es C0 vm  x 4 D C  D C  xC  1 xC 0 1 0 0 1 0 2 es C0 vm  x 4 D C ( D0  x 1 )  D C ( D0  x 1 ) 0 1 0 0 D0 D0 D0 2 D0 es C0 x vm  4 C (1  x 1 )  C (1  x 1 ) D0 1 0 D0 2 D0 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 43  Capteur de distance capacitif.  la tension de déséquilibre correspondant à un déplacement x est : es C0 x vm . 4 C (1  x )  C (1  x ) D0 1 0 D0 2 D0 Capteurs : 15/01/2025 Position/Detection/Déplacement 44 Capteur de distance capacitif  Lorsque x/D0