Cours Capteurs PDF

E C O L E S U P E R I E U R E D E T E C H N O LO G I E D ’A G A D I R 2 ANNEE GE M9 INSTRUMENTATION INTRODUCTION 2 Introduction Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs ! Capteurs liés au  mot...

E C O L E S U P E R I E U R E D E T E C H N O LO G I E D ’A G A D I R 2 ANNEE GE M9 INSTRUMENTATION INTRODUCTION 2 Introduction 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 Objectif des constructeurs d‘automobiles : zéro accidents Eviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant. 3 Introduction Il y a plusieurs capteurs autour de nous…. Des exemples………. Les capteurs : un domaine  de haute technologie  de multi-technologie physique, chimie, matériaux, mécanique, électronique, traitement du signal, « intelligence », techniques de miniaturisation,... 4  CH 1 GENERALITES 5 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. Définition : La mesure est l'opération qui consiste à donner une valeur à une observation La chaîne de mesures 6 Qu’est ce qu’un capteur ? Un capteur transforme une grandeur physique en une grandeur normée, généralement électrique, qui peut être interprétée par un dispositif de contrôle commande. 7 Définitions  Le mesurage : C'est l'ensemble des opérations ayant pour but de déterminer une valeur d'une grandeur.  La mesure (m) : C'est l'évaluation d'une grandeur par comparaison avec une autre grandeur de même nature prise pour unité. Exemple : 2 mètres, 400 grammes, 6 secondes.  La grandeur (M) : Paramètre qui doit être contrôlé lors de l'élaboration d'un produit ou de son transfert. Exemple : pression, température, niveau. 8 Définitions  Etendue de mesure (EM) : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur. EM = Mmax – Mmin On effectue des mesures pour connaître la valeur instantanée et l'évolution de certaines grandeurs. Renseignements sur l'état et l'évolution d'un phénomène physique, chimique, industriel.  Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur. Elle correspond au nombre de valeurs distinctes associables au mesurande dans l’étendue de mesure 9 Définitions  Grandeur d’Entrée Grandeur de sortie : Exemple Sonde PT100  T est la grandeur d’entrée  Vm est la grandeur de sortie 10 Définitions  Sensibilité : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée. Autrement, c’est la dérivée de la grandeur de sortie par rapport à celle d’entrée. Pour l’exemple du PT100 : Exemple : Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV / °C. Remarques :  La sensibilité est constante si le système est linéaire…  La sensibilité est faible: le capteur prélève toujours une énergie infime (sinon il perturbe la mesure). La mesure doit donc être effectuée avec soin.  La mesure est sensible aux parasites et le montage du capteur doit également être effectué avec soin. 11 Définitions Exemple : Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV / °C. 12 Définitions Exemple : LM35 : schéma typique d'utilisation 13 Définitions  Précision :  Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.  La précision du capteur est la différence maximale qui existera entre la valeur réelle et la valeur indiquée à la sortie du capteur. 14 Définitions  Rapidité : Les capteurs ne changent pas d'état de sortie immédiatement lorsqu'un changement de paramètre d'entrée se produit. Au contraire, il passera au nouvel état sur une période de temps, appelée temps de réponse. 15 Définitions  Rapidité : Temps de réaction du capteur.  La rapidité est liée à la bande passante.  Connaître la fréquence maximum Fmax du signal à mesurer.  Attention également au déphasage, au temps de propagation  Echantillonnage :  Condition de Nyquist (nécessaire mais très insuffisante): Fe > 2Fmax.  Il peut être judicieux de filtrer AVANT échantillonnage!  Comprendre ce que l’on mesure. 16 Éléments de métrologie (définitions)  L'incertitude (dx) : Le résultat de la mesure m d'une grandeur M n'est pas complètement défini par un seul nombre. Il faut au moins la caractériser par un couple (m, dm) et une unité de mesure. dm est l'incertitude sur m. Les incertitudes proviennent des différentes erreurs liées à la mesure. Ainsi, on a : m-dm < M < m+dm Exemple : 3 cm ±10%, ou 3 cm ± 3 mm.  Erreur absolue (e ) : Résultat d'un mesurage moins la valeur vraie du mesurande. Une erreur absolue s'exprime dans l'unité de la mesure. e=m-M Exemple : Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance. 17 Éléments de métrologie (définitions)  Erreur relative (er ) : Rapport de l'erreur de mesure à une valeur vraie de mesurande. Une erreur relative s'exprime généralement en pourcentage de la grandeur mesurée. er =e /M ; er% = 100er Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la distance réelle).  Classification des Erreurs de Mesure : Erreurs systématiques : p.ex. dérives, vieillissement, mauvaise utilisation, etc Erreurs accidentelles (aléatoires) : p.ex. bruit, parasites, etc 18 Éléments de métrologie (définitions)  Caractéristique Statique d’un capteur 19 Éléments de métrologie (définitions)  Caractéristique Statique d’un capteur 20 Les types d'erreurs classiques  Erreur de ZERO : OFFSET  Erreur d’ECHELLE ou de GAIN  Erreur de LINEARITE  Erreur d’hystérésis : le résultat dépend de la mesure précédente 21 Classification des signaux Signal continu : C’est un signal qui varie ’lentement’ dans le temps : température, débit, niveau. C’est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie, impact. C’est le spectre fréquentiel qui transporte l’information désirée : analyse vocale, sonar, spectrographie. Il informe sur un l’état bivalent d’un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée. Chaque impulsion est l’image d’un changement d’état. Exemple : un codeur incrémental donne un nombre fini et connu d’impulsion par tour. Echantillonnage : C’est l’image numérique d’un signal analogique. Exemple : température, débit, niveau. 22 Grandeurs d’influence Grandeur physique autre que le mesurande dont la variation peut modifier la réponse du capteur :  Température : modifications des caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles  Pression, vibrations : déformations et contraintes pouvant altérer la réponse  Humidité : modification des propriétés électriques (constante diélectrique ou résistivité). Dégradation de l’isolation électrique.  Champs magnétiques : création de fém d’induction pour les champs variables ou modifications électriques (résistivité) pour les champs statiques  Tension d’alimentation : lorsque la grandeur de sortie du capteur dépend de celle-ci directement (amplitude ou fréquence) 23 Grandeurs d’influence Nécessité de :  Réduire les grandeurs d’influence (tables anti-vibration, blindages magnétiques…)  Stabiliser les grandeurs d’influence à des valeurs parfaitement connues  Compenser l’influence des grandeurs parasites par des montages adaptés 24 Le système d'unités internationales et ses symboles 25 Le système d'unités internationales et ses symboles Liens entre les unités S.I. et celles employées dans d'autres pays (USA) 26 Caractéristiques d'une chaîne de mesure informatisée 27 CONVERSION ANALOGIQUE NUMERIQUE Un signal numérique est supérieure à un signal analogique car il est plus robuste au bruit et peut être facilement récupéré, corrigé et amplifié. Pour cette raison, la tendance aujourd'hui est de transformer un signal analogique en signal numérique. Dans la pratique deux techniques sont utilisées:  Modulation par impulsions codées (PCM)  Modulation Delta (DM) 28 PCM : MODULATION PAR IMPULSIONS CODÉES Pour numériser un signal analogique, PCM se compose de trois étapes 1. Echantillonnage 2. Quantification 3. Codage binaire  Avant l'échantillonnage, nous devons filtrer le signal pour limiter la fréquence maximale du signal.  Le filtrage devrait veiller à ne pas distordre le signal, c'est à dire supprimer des composantes à haute fréquence qui affectent la forme du signal. 29 COMPOSANTES D’UN ENCODEUR PCM Signal quantifié Encodeur PCM Echantill- Quantifi- codage onage cation Données Numériques Signal analogique Signal PAM 30 ÉCHANTILLONNAGE PCM  Le signal analogique est échantillonné chaque TS secondes.  Ts est appelé période d'échantillonnage.  f s = 1/Ts est appelé taux d'échantillonnage ou fréquence d'échantillonnage. Il existe 3 méthodes d'échantillonnage:  Idéale - une impulsion à chaque instant d'échantillonnage  Naturelle - une impulsion de largeur courte avec plus ou moins d'amplitude  Flat top - échantillonnage et maintien, comme naturelle, mais avec une valeur d'amplitude unique Le processus est appelé Pulse Amplitude Modulation PAM et le résultat est un signal analogique (des valeurs non entières) 31 TROIS DIFFÉRENTES MÉTHODES D'ÉCHANTILLONNAGE PCM Signal analogique Signal analogique Temps Temps a - Idéal b - Naturel Signal analogique Temps c - Maintien 32 THÉORÈME D’ÉCHANTILLONNAGE DE SHANON - NYQUIST La fréquence d'échantillonnage doit être au moins 2 fois la fréquence la plus élevée contenue dans le signal. 33 EXEMPLE : ECHANTILLONNAGE DE LE TROTTEUSE D'UNE HORLOGE L’horloge semble tourner en arrière ou en avant 12-6-12-6 a – Ts = T/2 L’horloge semble tourner en avant 12-3-6-9-12 b – Ts = T/4 L’horloge semble tourner en arrière 12-9-6-3-12 c – Ts = 3T/4 34 QUANTIFICATION  L'échantillonnage donne une série d'impulsions de différentes valeurs d'amplitude comprise entre deux limites: un min et un max.  Les valeurs d'amplitude sont infinies entre les deux limites.  Nous avons besoin de remplacer les valeurs d'amplitude infinies par un ensemble fini de valeurs.  Ce résultat est obtenu en divisant l’intervalle entre min et max en L zones, chacune de hauteur D. D = (max - min) / L 35 NIVEAUX DE QUANTIFICATION Au milieu de chaque zone est attribuée une valeur de 0 à L-1 (soit L valeurs )  Chaque échantillon qui tombe dans une zone est alors approximé à la valeur du point médian.  Supposons que nous avons un signal de tension avec Vmi n =- 20 V et Vmax = +20 V.  Nous voulons utiliser L = 8 niveaux de quantification.  largeur de la zone D = (20 - -20) / 8 = 5 V  Le 8 zones sont les suivantes: -20 à -15, -15 à -10, -10 à -5, -5 à 0, 0 à 5, 5 à 10, 10 à 15, 15 à 20.  Les milieux sont: -17,5, -12,5, -7,5, -2,5, 2,5, 7,5, 12,5, 17,5. 36 CODES AFFECTATION DE ZONES  A chaque zone est ensuite attribué un code binaire.  Le nombre de bits nécessaires pour coder les zones ou le nombre de bits par échantillon est obtenu comme suit: nb = log2 L  Dans notre exemple, nb = 3  Les 8 codes de zone (ou niveaux) sont donc: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, et 111  Attribution des codes aux zones:  000 fera référence à la zone de -20 à -15 37 QUANTIFICATION ET CODAGE D'UN SIGNAL ÉCHANTILLONNÉ Code de Amplitude normalisée quantification Temps Valeur PAM Normalisée Valeur quantifiée Normalisée Erreur de quantification Code de quantification Mot binaire 38 ERREUR DE QUANTIFICATION  Quand un signal est quantifié, on introduit une erreur : le signal codé est une approximation de la valeur de l'amplitude réelle.  La différence entre la valeur réelle et celle codés (milieu) est appelée : erreur de quantification.  Plus les zones sont nombreuses plus D est petite ce qui se traduit par une plus petite erreur de quantification.  Mais, plus de zones signifie plus de bits requis pour coder les échantillons -> nécessité d’un débit binaire plus élevé 39 CHAINE DE MESURE COMPLÈTE Source de Trans. Conditionneur Conv. Système Software signal -ducteur A/N Numérique Données Phénomène Signal Signal Signal Binaires Données physique bruité conditionné numérisé bruts formattées 40 CONDITIONNEMENT DE SIGNAL 41 CONDITIONNEMENT DE SIGNAL 42 CONDITIONNEMENT DE SIGNAL Le conditionnement du signal est l’opération effectuée sur le signal pour le convertir en une forme adaptée à l’interfaçage avec d’autres éléments du système. Exemple de conditionnement de signal :  Changement de plage et de décalage du signal i.e. amplification et réglage du zéro  Conversions Exemple: courant /tension et tension /courant  Filtrage : Elimination des fréquences indésirables 43 CONDITIONNEMENT DE SIGNAL Avant de parler du conditionnement du signal, il est important d’examiner les sujets suivants :  l’effet de charge.  le circuit tampon.  l’amplificateur différentiel.  l’amplificateur d’instrumentation. 44 L’EFFET DE CHARGE  Les systèmes de mesure sont composés de nombreux composants. Idéalement, le gain de l’ensemble du système est trouvé en multipliant les gains des composants individuels.  Cependant, cela n’est correct que si très peu de courant circule dans les circuits de connexion.  En réalité, un courant circule. Il en résulte une expression beaucoup plus compliquée pour déterminer le gain de l’ensemble du système de mesure.  C’est ce qu’on appelle le chargement. On utilise des circuits d’amplificateurs A.O pour corriger cet effet. 45 L’EFFET DE CHARGE La connexion d’un capteur à une charge introduit une incertitude dans la mesure (i.e. l’amplitude de la tension de sortie) capteur capteur Sans charge: Vy = Vx avec charge: Vy < Vx 46 L’EFFET DE CHARGE La tension de sortie est donnée par : RL Vy  Vx RL  Rx Cette tension réduite à cause de la chute de tension aux bornes de la résistance interne du capteur. Afin de réduire cette chute (i.e. Vx  Vy) on doit satisfaire la condition suivante: RL  Rx 47 L’EFFET DE CHARGE : EXEMPLE  Soit un amplificateur x 10 ayant une résistance d’entrée de 10 k.  Un capteur émet une tension proportionnelle à la température avec une fonction de transfert de 20 mV/°C.  Le capteur a une résistance de sortie de 5 k. Si la température est de 50 °C, Déterminer la sortie de l’amplificateur. 50 °C capteur Amplification V? (20 mV/°C) (gain =10) 48 L’EFFET DE CHARGE : EXEMPLE Sortie du capteur VT = (50°C)*(20 mV/°C) = 1V. En raison de la résistance de sortie du capteur non nulle (5 kΩ) et de la résistance d’entrée de l’amplificateur finie (10 kΩ), le capteur ne délivre que 10 10 Vin   VT   1  0.667 5  10 5  10 Sortie de l’amplificateur Vout = 6.67V. N.B. si l’impédance de sortie du capteur est nulle ou si l’impédance d’entrée de l’amplificateur est infinie,Vout = 10V. 49 LE CIRCUIT TAMPON Pour minimiser l’effet de charge, on utilisera un circuit qui a une très grande impédance d’entrée. De plus, comme ce circuit va probablement piloter d’autres circuits, il devrait avoir une très faible impédance de sortie. Un tel composant est appelé buffer (ou tampon). Un exemple de tampon est le suiveur de tension : Vout  Vin 50 AMPLI. DIFFERENTIEL En conditionnement du signal, il est parfois nécessaire de trouver la différence entre deux signaux. Ceci peut être réalisé en utilisant le circuit suivant. R2 Vo  (V2  V1 ) R1 51 AMPLI. D’INSTRUMENTATION  Les impédances d’entrée de l’amplificateur différentiel peuvent être relativement faibles et, par conséquent, ont tendance à charger la sortie du capteur.  Pour avoir une impédance d’entrée élevée, l’amplificateur différentiel est précédé de deux circuits suiveurs de tension pour former un amplificateur d’instrumentation. R2 Vout  (V2  V1 ) R1 52 AMPLI. D’INSTRUMENTATION  Un inconvénient du circuit différentiel précédent est que pour modifier le gain, il faut changer 2 paires de résistances.  Un amplificateur différentiel plus courant dans lequel le gain peut être ajusté à l’aide d’une résistance unique (RG) est illustré ci-dessous.  2 R1  R3  Vout  1   (V2  V1 )  RG  R2  53 PLAGE DU SIGNAL ET DÉCALAGE (OFFSET) Exemple 2 Concevons un circuit pour réaliser la conversion de tension suivante: 0.2 V – 0.7 V 0V–5V Conditionneur de Signal 54 PLAGE DU SIGNAL ET DÉCALAGE (OFFSET) Réponse Il est clair que nous devons soustraire 0,2 V, puis multiplier le signal par 10. Décalage 0.2 V – 0.7 V 0 V – 0.5 V 0V–5V De Amplification Zéro Ceci est obtenu avec un amplificateur différentiel de gain 10 et une entrée fixe de 0,2 volts du côté inverseur. Le circuit suivant montre comment cela pourrait être fait à l’aide d’un amplificateur d’instrumentation. 55 PLAGE DU SIGNAL ET DÉCALAGE (OFFSET) Le diviseur de tension est utilisé pour fournir le décalage de 0,2 V. La diode Zener est utilisée pour maintenir la tension 0,2V constante contre les changements d’alimentation. 56 CONDITIONNEMENT : EXEMPLE 3 Un capteur fournit une tension comprise entre 20 et 250 mV. Concevez un conditionneur du signal qui fournit 0 à 5 V. Le circuit doit avoir une impédance d’entrée très élevée. Réponse: Développons une équation linéaire pour la sortie en fonction de l’entrée Vout  aVin  b où a et b sont à déterminer. 57 CONDITIONNEMENT : EXEMPLE 3 On a 0  a (0.020)  b    a  21.7, b  0.434 5  a (0.250)  b  Par conséquent, l’équation requise est Vout  21.7Vin  0.434  21.7(Vin  0.02) Par conséquent, nous avons besoin d’un amplificateur différentiel avec un gain de 21,7 et une entrée fixe de 0,02V du côté inverseur. Le circuit suivant réalise cette fonction 58 CONDITIONNEMENT : EXEMPLE 3 59 CONDITIONNEMENT : EXEMPLE 4 Exemple 4 Soit un pont de Weatstone tel que R4 varie de 100 à 102. Montrez comment ce pont pourrait être connecté à l’amplificateur d’instrumentation donné pour fournir une sortie de 0 à 2,5 V pour cette variation de R4. Supposons que, dans le circuit de l’amplificateur d’instrumentation, R2 = R3 = 1 k et R1 = 100 k. 60 CONDITIONNEMENT : EXEMPLE 4 Le pont est en équilibre lorsque R4 = 100 Ω. Nous n’avons donc pas besoin d’un ajustement de zéro. Lorsque R4 = 102Ω, la tension de décalage du pont est comme suit :  102 100  V  Vb  Va  5    24.75 mV.  100  102 100  100  Pour obtenir une sortie de 2,5 V à 102 Ω, nous avons besoin d’un gain différentiel de (2,5 V/24,75 mV) = 101. Pour l’amplificateur d’instrumentation donné, nous avons  2 R1  R3   2(100)  1   Vout  1    R  (V2  V1 )   101  1      R G  2   RG  1   RG  2k 61 CONDITIONNEMENT : EXEMPLE 4 62 CONVERSION  Dans de nombreuses situations, il est nécessaire de convertir une forme de signal ou de valeur physique en une autre forme, telle que  Résistance - tension  Tension - courant  Courant - tension  Exemple: une norme dans les systèmes de contrôle de processus consiste à utiliser un courant de 4 à 20 mA pour la transmission. Cela nécessite une conversion de la tension en courant au niveau de l’émetteur du courant en tension au niveau du récepteur 63 CONVERSION Convertisseur I/V Vout   R1 I IN 64 CONVERSION Convertisseur V/I Le courant traversant la résistance de charge RLoad est égal à Vin/(250Ω). 65 EXERCICE On souhaite mesurer une température dans la plage de 250°C à 450°C. Le capteur est une résistance qui varie linéairement de 200Ω à 1200Ω pour cette plage de température. Le circuit suivant convertit le changement de résistance du capteur en tension. a. Vérifiez que la puissance dissipée dans le capteur est inférieure à 5 mW. b. Concevez un conditionneur de signal analogique qui fournit une tension variant linéairement de -5 à +5 V pour cette plage de température. 66 TRANSMISSION DU SIGNAL Pour transmettre un signal adistance, 4 principaux procedés sont effectivement utilisés en instrumentation Liaison 4-20mA (analogique) Liaison numérique par fils Liaison numérique par fibre optique Liaison numérique hertzienne La liaison 4 - 20 mA La boucle de courant 4-20mA est un moyen de transmettre un signal analogique sur une grande distance (pouvant etre supérieure au km) sans perte ou modification du signal 67 TRANSMISSION DU SIGNAL Réalisation Pour réaliser la boucle 4-20 mA, il faut au moins 4 éléments connectés ensemble : l'emetteur, l'alimentation de la boucle, les fils de la boucle et le (ou les) récepteur(s) Le capteur (+ conditionneur) L‘émetteur (ou transmetteur) = convertisseur tension.courant (realisé a l'aide d'AOp ou de transistors). La plage 4-20mA permet de detecter un defaut dans la boucle si le courant devient nul 68 CONCLUSION (BOUCLE 4..20MA) Ce procédé a eu un très grand succès car :  II implique l'emploi d'un simple cable bifilaire,  II n'est pas affecté par les chutes de tension, ni par les tensions parasites (alors que transmettre un signal electrique en tension 0-10V, 0-5V, 2-10V, 1-5V n'est envisageable que pour les courtes distances). La transmission analogique par boucle de courant est un mode de transmission qui, bien qu'ancien, trouve toujours application; mais il a l'inconvenient de nécessiter une ligne par capteur. CAPTEURS INTELLIGENTS Bus de terrain Les capteurs analogiques laissent la place de plus en plus aux capteurs numériques ( = capteur + transmetteur + CAN : sortie numérique). Architecture en réseaux des capteurs : le bus de terrain. Il existe plusieurs standards industriels de bus de terrain : CAN, Profibus. Fieldbus, Modbus,… CLASSIFICATION DES CAPTEURS 72 LES DIFFÉRENTES FAMILLES DES CAPTEURS Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer ces derniers en deux catégories.  CAPTEURS ACTIFS  Effet thermoélectrique  Effet piézo-électrique  Effet Hall  Etc…  CAPTEURS PASSIFS  Impédances (très souvent des résistances) 73 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 plus classiques sont :  Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont portées à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice d'origine thermique e(T1,T2). 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 e(T1, T2). Application : détermination à partir de la mesure de e d'une température inconnue T1lorsque T2 (0°C par exemple) est connue. 74 EFFET THERMOÉLECTRIQUE 75 CAPTEURS ACTIFS  Effet piézo-électrique :  L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une charge électrique de signe différent sur les faces opposées.  Application : mesure de forces ou de grandeurs s'y ramenant (pression, accélération…) 76 CAPTEURS ACTIFS  Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objet métallique). Application : la mesure de la f.é.m. d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine  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. 77 CAPTEURS ACTIFS 78 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). 79 CORPS D’EPREUVE ET CAPTEURS COMPOSITES Pour des raisons de coût ou de facilité d’exploitation on peut être amené à utiliser un capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l’un de ses effets. Le corps d’épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer, produit une grandeur directement mesurable par le capteur. 80 CAPTEURS INTEGRES C’est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d’épreuve et l’électronique de conditionnement. 81 LE TRANSMETTEUR Le rôle du transmetteur 82 LE RÔLE DU TRANSMETTEUR C’est un dispositif qui converti le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard. Il fait le lien entre le capteur et le système de contrôle commande (figure ci-dessous). Le couple capteur + transmetteur réalise la relation linéaire entre la grandeur mesurée et son signal de sortie. 83 PARAMÉTRAGE D’UN TRANSMETTEUR Le transmetteur possède en général au moins deux paramètres de réglage; le décalage de zéro et l’étendue de mesure. Si le transmetteur possède un réglage analogique, pour paramétrer le transmetteur il suffit (respecter l’ordre) :  De régler le zéro quand la grandeur mesurée est au minimum de l’étendue de mesure (réglage du 0 %);  De régler le gain quand la grandeur mesurée est au maximum de l’étendue de mesure (réglage du 100 %); 84 RACCORDEMENT ELECTRIQUE On peut séparer trois types de transmetteur :  Les transmetteurs 4 fils (dits actifs) qui disposent d’une alimentation et qui fournissent le courant I. Leur schéma de câblage est identique à celui des régulateurs.  Les transmetteurs 3 fils sont des transmetteur 4 fils, avec les entrées moins reliées.  Les transmetteurs 2 fils (dits passifs) qui ne disposent pas d’une alimentation et qui contrôlent le courant I fournie par une alimentation externe. 85 LE SCHÉMA DE PRINCIPE D’UNE BOUCLE DE COURANT Une boucle de courant 4-20 mA est composée:  D’un générateur, qui fournie le courant électrique I  D’un ou plusieurs récepteurs, qui mesure le courant électrique I qui les traverse Remarque  Le courant I sort par la borne + du générateur  Et entre par la borne + des récepteurs 86 LE TRANSMETTEUR INTELLIGENT Le transmetteur intelligent est un transmetteur muni d’un module de communication et d’un microcontrôleur. Le module de communication permet :  De régler le transmetteur à distance;  De brancher plusieurs transmetteurs sur la même ligne 87 LE TRANSMETTEUR INTELLIGENT Le microcontrôleur permet :  De convertir la mesure en une autre grandeur, appelée grandeur secondaire. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau.  De corriger l’influence des grandeurs d’influence sur la mesure. 88 AVANTAGES METROLOGIQUE DU TRANSMETTEUR ”INTELLIGENT”  De convertir la mesure en une autre grandeur, appelée grandeur secondaire. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau.  Précision. En effet, le transmetteur possède moins de composants analogiques. Les grandeurs d’influences sont compensées. La non linéarité du transducteur peut être corrigée  Répétabilité.  Auto surveillance,  Filtrage 89 AVANTAGES A LA CONFIGURATION ET A LA MAINTENANCE  De convertir la mesure en une autre grandeur, appelée grandeur secondaire. Par exemple, il peut convertir une mesure de différence de pression en niveau.  Convivialité  Accès à distance  Standardisation  Diagnostic  Forçage du signal de sortie  Archivage des configuration 90 6.3. PARAMETRAGE 91 7. CHOIX D’UN TRANSMETTEUR Le choix d’un Transmetteur se fait selon plusieurs critères, à savoir :  Etendue de mesure  Températures  Environnement  Zones dangereuses (Boîtier antidéflagrant) 92 8. FONCTIONS, SYMBOLISATION, SCHÉMA TI 8.1. FONCTIONS, Le capteur peut être associé avec plusieurs fonctions :  La fonction indicateur local,  La fonction indicateur à distance,  La fonction transmetteur 93 8. FONCTIONS, SYMBOLISATION, SCHÉMA TI 8.2. SYMBOLISATIONS, Le capteur peut être associé avec plusieurs fonctions : La norme NF E 04-203 définit la représentation symbolique des régulations, mesures et automatisme des processus industriels. Les instruments utilisés sont représentés par des cercles entourant des lettres définissant la grandeur physique réglée et leur(s) fonction(s). La première lettre définie la grandeur physique réglée, les suivantes la fonction des instruments. 94 8. FONCTIONS, SYMBOLISATION, SCHÉMA TI 8.3. SCHEMAS TI, Un schéma tuyauterie et instrumentation (en anglais Piping and Instrumentation Diagram ou Process and Instrumentation Diagram, abrégé P&ID) est un diagramme qui définit tous les éléments d'un procédé industriel. Il est le schéma le plus précis et le plus complet utilisé par les ingénieurs pour la description d'un procédé. Dans un schéma tuyauterie et instrumentation, les instruments de mesures sont indiqués ainsi que leurs caractéristiques. On trouve 3 types de capteurs :  les indicateurs  les enregistreurs  les éléments de contrôle Les instruments sont indiqués par un cercle dans lequel on trouve les renseignements sur le type de capteurs ainsi qu'un numéro d'identification 95 8. FONCTIONS, SYMBOLISATION, SCHÉMA TI 8.3. SCHEMAS TI, 96 8. FONCTIONS, SYMBOLISATION, SCHÉMA TI 8.3. SCHEMAS TI, 97  CH 3 DIFFERENTS TYPE DE CAPTEURS 9 8 1. CAPTEURS A EFFET PIEZOELETCRIQUE 1.1. Effet piézoélectrique Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une tension électrique. 1.2. Capteur de force La tension VS de sortie sera proportionnelle à la force F : VS = k.(F+F) = 2k.F avec K constante. 99 1. CAPTEURS A EFFET PIEZOELETCRIQUE 1.3. 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 : On rappelle que : 1 kg = 9,81 N Unités : 1 bar = 105 Pa = 100 000 N/m² ≈ 10 000 kg/m² ≈ 1 kg/cm² 10 0 1. CAPTEURS A EFFET PIEZOELETCRIQUE 1.3. Capteur de Pression 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 ). 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. 10 1 1. CAPTEURS A EFFET PIEZOELETCRIQUE 1.4. Capteur d'accélération L'augmentation de vitesse V du véhicule donne une accélération a qui induit une force F exercée par la masse sur le capteur. On a donc : F = m.a mais uS = 2k.F Donc 10 2 1. CAPTEURS A EFFET PIEZOELETCRIQUE 1.5. Récepteur à Ultrason La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur. Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore. 10 3 2. CAPTEURS A EFFET HALL 2.1. 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 : Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au champ magnétique B : 10 4 2. CAPTEURS A EFFET HALL 2.2. Capteur de champ magnétique La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante : La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A. 10 5 2. CAPTEURS A EFFET HALL 2.3. Autres applications  Capteur de proximité: Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé au préalable sur un objet.  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 = k.B = k'.I avec k et k' Constantes. 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. 10 6 3. CAPTEURS A EFFET PHOTOÉLECTRIQUE 3.1. 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. 3.2. Les photorésitances Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit. 10 7 3. CAPTEURS A EFFET PHOTOÉLECTRIQUE 3.3. Les photodiodes Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux. Courbe : Le graphe I = f(U) pour une photodiode dépend de l'éclairement ( Lux ) de la jonction PN. 10 8 3. CAPTEURS A EFFET PHOTOÉLECTRIQUE 3.3. Les photodiodes 10 9 4. CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION 4.1. Capteurs potentiométriques de déplacement a) Principe Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un potentiomètre (schéma ci-dessous). 11 0 4. CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION 4.1. Capteurs potentiométriques de déplacement a) Utilisations 11 1 4. CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION 4.2. Capteurs à jauges d'extensiométrie a) 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. 11 2 4. CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION 4.2. Capteurs à jauges d'extensiométrie b) 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. Remarque : Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R0 - ∆R. 11 3 4. CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION 4.2. Capteurs à jauges d'extensiométrie b) Conditionneur de signal (pont de Wheatstone) La jauge étant un composant purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique pour obtenir une tension image de la déformation. Le circuit souvent utilisé est appelé "pont de Wheatstone". Il est ici constitué d'un générateur de tension associé à 4 résistances dont une est la jauge (schéma ci-dessous) : 11 4 4. CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION 4.2. Capteurs à jauges d'extensiométrie b) Conditionneur de signal (pont de Wheatstone) La tension de sortie v du pont a l'expression suivante : En général, la variation ∆R est petite devant R0 ; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire : 11 5 5. CAPTEURS DE TEMPÉRATURE 5.1. Thermomètre à thermocouple On constate que si la température T2 est différente de T alors il apparaît une tension U aux bornes des deux fils 1 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→ 1300°C ). 11 6 5. CAPTEURS DE TEMPÉRATURE 5.2. 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 : 11 7 5. CAPTEURS DE TEMPÉRATURE 5.3. Capteurs à sortie numérique directe On trouve actuellement sur le marché, des capteurs de température à sortie numérique directe de type série. Il s'agit notamment des capteurs DALLAS qui sont classés en deux catégories : a- Les capteurs à sortie I2C ( 2 fils ) DS1621 Ce capteur DS1621 peut mesurer une température variant de -55°C à 125°C avec une précision de 0,5°C. Pour transmettre la mesure ( 9 bits ), il utilise la norme I2C qui consiste à transmettre en série les bits de mesure sur la ligne SDA en synchronisation avec la ligne SCL ( horloge ). b- Les capteurs 1 Wire ou i-button ( 1 fil ) DS1820 Ce capteur DS1820 peut mesurer une température variant de -55°C à 125°C avec une précision maximale de 0,125°C. Pour transmettre la mesure ( résolution réglable de 9 à 12 bits ), il utilise la norme i-button qui consiste à transmettre en série sur un seul fil, le résultat de la mesure. 11 8 6. LES PONTS DE MESURE 6.1. OBJECTIFS - Annuler la tension résiduelle - la tension mesurée n’est pas nulle pour m=0 - La composante permanente est grande par rapport à ses variations - Résoudre le problème des capacités parasites: mesures différentielles - Fournir des moyens de compenser les grandeurs d’influence. - Compenser les dérives d’alimentation 6.2. TYPES 11 9 6. LES PONTS DE MESURE 6.3. SENSIBILTE D’UN PONT Dépend du choix des impédances du pont 12 0 6. LES PONTS DE MESURE 6.4. EQUILIBRAGE D’UN PONT Mesure d’une tension de déséquilibre - On néglige l’effet des impédances d’entrée des appareils de mesure - Une des impédances est le capteurs - Les autres servent à équilibrer, à linéariser ou compenser les grandeurs d’influence 12 1 6. LES PONTS DE MESURE 6.5. Pont de Wheastone déséquilibré (courant ou tension). Se généralise à des impédances quelconques 12 2