Conditionnement Électronique des Capteurs PDF

CONDITIONNEMENT ELECTRONIQUE DES CAPTEURS ENSA Tanger – A.Bourkane 1  Chap2 Conditionnement Electronique des Capteurs Plan : Introduction Conditionneurs des capteurs Conditionneurs du signal ENSA Tanger – A.Bourkane...

CONDITIONNEMENT ELECTRONIQUE DES CAPTEURS ENSA Tanger – A.Bourkane 1  Chap2 Conditionnement Electronique des Capteurs Plan : Introduction Conditionneurs des capteurs Conditionneurs du signal ENSA Tanger – A.Bourkane 2  I. Introduction Étude générale d'un projet L'organisation habituelle d'une étude : Besoin Exploitation Spécifications Validation Conception générale Intégration Conception détaillée Tests unitaires Réalisation ENSA Tanger – A.Bourkane 3  I. Introduction Élaboration du cahier des charges : (spécifications techniques) grandeurs à mesurer ? sensibilité, précision, résolution,... ? condition d'environnement (température, humidité, vibrations,...) ? fiabilité (Mean Time Between Failure,...) ? bruit, RRMC admissibles ? architecture matérielle ? considérations ergonomiques (dimension, portabilité,...)?... ENSA Tanger – A.Bourkane 4  I. Introduction Principe à appliquer : 1.Schéma fonctionnel de niveau 1 Mesurandes Projet Exploitation du signal : affichage, régulation,stockage, traitement, 2.Schéma fonctionnel général: Exemple: Capteur Conditionneur Amplification Filtre CAN Traitement des données ENSA Tanger – A.Bourkane 5  I. Introduction Principe à appliquer : Aucun système ne peut être meilleur que son élément le plus faible 4. Schémas électriques: La valeur des composants et leur tolérance sont déterminées au vu du cahier des charges 5. Schéma électrique complet Attention à la mise en cascade des montages individuels Des étages d'adaptation sont peut être nécessaires ENSA Tanger – A.Bourkane 6  I. Introduction Objectifs du Chapitre Étude de quelques exemples de montages parmi les plus représentatifs qu'on trouve dans un système d'acquisition de données ENSA Tanger – A.Bourkane 7  II.Conditionneurs des capteurs Problèmes des conditionneurs Sensibilité au bruit Sensibilité aux grandeurs d’influence Linéarité Elimination de la composante continue ENSA Tanger – A.Bourkane 8  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Rappels Les capteurs passifs transforment le mesurande en une variation d’impédance. Le conditionneur est le circuit associé qui permet de transformer la variation d’impédance (ΔZ) en variations de tension Δ Vm ou de fréquence Δf ~ de tension  montages potentiométriques ou ponts ~ de fréquence  oscillateurs ENSA Tanger – A.Bourkane 9  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Montage potentiométrique Zk e Zc vm Zc vm  e Zk  Zc ENSA Tanger – A.Bourkane 10  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Non linéarité Si Zc s’écrit (Zc0+dZc), alors on a : vm  e Z c 0  dZ c  Z k  Z c 0  dZ c  vm e e 2 Zc ENSA Tanger – A.Bourkane Zc0 11  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Montage potentiométrique La tension vm n’est pas proportionnelle à la variation de Zc  3 solutions pour LINÉARISER vm  e Z c 0  dZ c  Z k  Z c 0  dZ c  Alimentation par une source de courant Fonctionnement « petits signaux » Montage Push-Pull ENSA Tanger – A.Bourkane 12  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Source de courant Zk Zk Zc vm e Zk>>Zc i Zc vm Zc dvm  i.dZ c vm  e Zk  Zc e e avec i   Zc  Zk Zk ENSA Tanger – A.Bourkane 13  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Source de courant Il existe plusieurs type de générateurs de courant constant, à base de de transistors bipolaires, transistors FET, AOP ou régulateurs de tensions linéaires +12 CR1 1N4148 VR1 1KΩ R2 2KΩ CR2 6.2 V Q 2N3906 R1 47 KΩ Pt-100 Générateur de courant –carte PT-100 Transducer Module KL-63005 ENSA Tanger – A.Bourkane 14  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Fonctionnement « petits signaux » La courbe Vm=f(Zk) est approximer par sa tangente au voisinage du point de repos (sans mesurande) dVm e.Z k S    f (Z k ) (Z k  ZC 0 ) ZC 0 ZC 0 2 vm dZ C dS e.( Z C 0  Z k )  dZ k ( Z k  Z C 0 )3 vm (Zc0 ) tan( ) S est maximal pour Zk=ZC0 alors: e.Z C 0 e S  (ZC 0  ZC 0 ) 2 4.Z C 0 dZ c Zc0 Zc dvm  e 4Z c 0 ENSA Tanger – A.Bourkane 15  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Montage Push-Pull On remplace l’impédance Zk par un second capteur identique au premier, mais dont les variations sont de signe contraire : Zc0-dZc Exemple: 2 capteurs d’extensométrie identiques subissant des déformations de même module mais de signes contraires vm0  dvm  e Z c 0  dZ c  dvm  e dZ c Z c0  dZ c   Z c0  dZ c  2Z c 0 ENSA Tanger – A.Bourkane 16  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Compensation des grandeurs d’influence Supposons que la tension de sortie du conditionneur soit : vm=f(Zki,Zc) où Zki sont les i impédances du conditionneur et Zc, l’impédance du capteur Soit g, la grandeur d’influence agissant sur vm Une variation dg de g produit une variation dvm de vm :  vm Z ki vm Z c  dvm     dg  i Z ki g Z c g  ENSA Tanger – A.Bourkane 17  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Compensation des grandeurs d’influence Pour que dvm=0, il faut avoir : vm Z ki vm Z c i Z g  Z g  0 ki c Z ki Z c Si on suppose que  i g g vm vm Alors, la condition devient : i Z   Z ki c ENSA Tanger – A.Bourkane 18  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Application au cas du potentiomètre vm vm Zc  vm  e Z k Z c Zc  Zk vm Zc  e Zk Z k Z c  Z k 2 e vm e Zc  Zk   Zc e Zk Zc vm Z c Z c  Z k 2 Z c  Z k 2 vm v   m  Zc  Zk Z k Z c ENSA Tanger – A.Bourkane 19  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Compensation des grandeurs d’influence vm vm   Zc  Zk Z k Z c Lorsque les 2 impédances du montage potentiomètre sont égales, l’effet des grandeurs d’influence s’annule ENSA Tanger – A.Bourkane 20  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Instabilité de la source du potentiomètre Puisque la tension de sortie du potentiomètre est : Z c 0  Z c vm  e Z k  Z c 0  Z c Si la source du potentiomètre varie de e à e + Δe , cela produit alors une variation : ΔVm. Z c 0  Z c Zc0 vm  e  e Z k  Z c 0  Z c Z k  Zc0 ENSA Tanger – A.Bourkane 21  II.1 Conditionneurs des capteurs passifs Problème de la composante continue Pour le conditionnement pontentiométrique ΔVm due au mesurande est superposée à la tension de repos Vm0. Exemple Vm0 =4V et ΔVm.=5mV, il est difficile de faire une lecture précise de ΔVm avec un voltmètre. e (ZC  Z k ) ZG /2 Zk vm  2 (ZC  Z k  ZG ) +e/2 S est maximal pour Zk=ZC0 alors Vm0 =0V: Outre si ZG Zcharge) V(m)=-RI(m) : la valeur choisie pour R n’influence pas la source de courant. V(m) est indépendant de RL (essentiel pour la chaîne de mesure qui suit) A la sortie, le capteur est équivalent à une source de tension sans résistance interne ENSA Tanger – A.Bourkane 44  II.2 Conditionneurs des capteurs actifs Convertisseur « charge-tension » Les charges créées par le capteur par unité de temps correspondent à une source de courant V m    Q ENSA Tanger – A.Bourkane C 45  II.2 Conditionneurs des capteurs actifs Convertisseur « charge-tension » (cas pratique) Q jRC  V m     Si f de Q(t) >> fc alors V(m) = -Q/C C 1  jRC  1 fC  Si f de Q(t)