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Traduit et/ou adapté de matériel recueilli sur Internet (dont les notes de Pierre Courtellemont)
les capteurs
Traduit et/ou adapté de matériel recueilli sur Internet (dont les notes de Pierre Courtellemont)
Généralités Les capteurs résistifs
Exemples de capteurs résistifs Conditionneurs Capteurs avec conditionneurs intégrés
Capteurs inductifs et capacitifs Capteurs inductifs Capteurs capacitifs Conditionneurs
Traduit et/ou adapté de matériel recueilli sur Internet (dont les notes de Pierre Courtellemont)
Un capteur fournit, à partir d’une quantité non électrique m, une caractéristique de sortie électrique s fonction de m
s=f(m)On parle aussi de transducteur
Les capteurs
Automatique, véhicules automobiles
TensionVitesse de rotationTachymètre
AutomatiqueTensionTempératureThermocouple
Mesure d’angleVariation de vACDéplacement angulaireSynchro
Mesure de distanceVariation de LDéplacement linéaireTransformateur différentiel
Génération d’énergie, dispositifs optiques
TensionIntensité lumineuseCellule photoélectrique
Force, distance, tension, poids
Variation de RForce, pressionGauge de contrainte
ApplicationsSortie (s)Entrée (m)Type
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Sensibilité : rapport de la variation s avec une variation mautour d’une valeur mi :
• Soumise aussi à d’autres facteurs. Souvent donnée à la T° ambiante (20°C) avec son coefficient de variation thermique :
Linéarité : déviation de S par rapport à uneconstante pour différentes valeurs de m• S est souvent spécifié à plusieurs points de mesure :
1) Résistance de Pt. 100 à 0°C : S = 0.39 /°C à 0°C et 0.38 /°C à 130°C (linéaire)
2) Thermistance de 5 k à 25°C : S = 835 /°C à 0°C et 3.8 /°C à 130°C (non linéaire)
Un capteur à réponse non linéaire ou dépendant des facteurs environnementaux demande un circuit ou algorithme de correction (compensation)
immmsS
dTdS
S1
Paramètres importants d’un capteur
s
m
Réponse idéale
Courbe de linéarisation
Réponse non-linéaire
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Autres paramètres• Impédance de sortie• Courant de sortie s’il y a lieu• Tension ou courant d’excitation
s’il y a lieu• Temps de réponse
• Sensibilité au bruit• Dimensions physiques• Auto‐calibration • Endroits d’utilisation• Coût
FaibleBonneMoyenneBas‐médium
Très Élevées5‐30 v1‐50 mATrès hautePhoto‐transistor
BonneBonneÉlevéExtrêmement Élevée
< s1 kv+1 mATrès hautePhoto‐multiplicateur
ms
s
ms
Temps de montée
Faible
Très Élevée
Élevée
Sensibilité
Bas‐médium
Bas‐médium
Très bas
Coût
Faible
Bonne
Faible
Sensibilitéau bruit
Faible
Bonne
Faible
Stabilitéthermique
Moyenne1mA+Très basseCellule photo‐électrique
Très trèsbonne
5‐50 vATrès hautePhoto‐diode
Bonne100 v max~10 mALumière : 20kObscurité : 1M
Photo‐résistance
LinéaritéTension excitation
CourantImpédance de sortie
Type
Exemple : capteurs de lumière
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Types de réponses
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Exemple de système du 1er ordre :
Une photodiode est essentiellement un générateur de courant relié à un circuit RC :
iL = S f où f est le flux lumineux (W) et S la sensibilité de la diode (A/W), le schéma équivalent est un circuit RC
Exemple de système du 2nd ordre
Accéléromètre : une masse m est placée entre 2 ressorts antagonistes. La mesure est donnée indirectement par le déplacement z de la masse :
La plupart des capteurs de type mécanique sont du 2nd ordre.
La plupart des capteurs ont des réponses du 1er ou, le plus souvent, du 2nd ordre.
mgkzdtdz
dtzdm 2
2
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Se distinguent par la grandeur électrique de sortie
La grandeur électrique de sortie est- Pour un capteur actif :
- une charge, une tension ou un courant
- Pour un capteur passif :
- une résistance, une capacitance, une inductance ou l’impédance correspondante
Les capteurs passifs requièrent une tension ou courant d’excitation qu’ils modifient en fonction de l’objet mesuré
Les capteurs passifs et actifs
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Exemples de captage passif
Chlorure de lithium
Magnétorésistances :Bismuth, antimoine d’indium
Alliages nickelAlliages ferromagnétiques
Semi‐conducteurs
Platine, nickel, cuivresemi‐conducteurs
matériau
RésistivitéHumidité
RésistivitéPosition
RésistivitéPerméabilité
Déformation
RésistivitéFlux optique
RésistivitéConstante diélectrique
Température
Effet utiliséMesurande
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Exemples de capteurs actifs :
Exemples de captage actif
TensionInductionVitesse
TensionEffet HallPosition
ChargePiézoélectricitéDéformation, force, pression, accélération
CourantCharge
Photo émissionPyroélectricité
Flux électromagnétique (optique)
TensionthermoélectricitéTempérature
Grandeur de sortieEffet utiliséMesurande
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Une résistance pure R peut s’écrire
R = F(x)/où F(x) est fonction de la géométrie et est la conductivitédu matériau :
= q (mp p + mn n)q est la charge de l’électron, et les coefficients m sont les mobilités des porteurs + et – , multipliées par leurs densités respectives
Un mesurande peut agir sur : la densité des porteurs (température ou flux lumineux) la mobilité des porteurs (T°, contrainte, champ magnétique) la géométrie.
Les capteurs résistifs
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Formés d’enroulements de mesure traversés par un flux d’induction magnétique fonction du mesurande qui peut être une position, un déplacement linéaire ou angulaire.
Deux grandes familles :
On exploite la variation du coefficient d’auto‐induction d’une bobine traversée par un courant alternatif : on déplace par exemple le noyau de la bobine. Les variations obtenues ne sont pas linéaires avec le déplacement.
On fait appel appel à 2 enroulements, un fixe et l’autre mobile, dont le couplage est varié en fonction du mesurande. On mesure les variations de la tension induite sur l’une des bobines.
Capteurs inductifs
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Font appel à un condensateur plan ou cylindrique dont le mesurandeaffectera un des paramètres
r est la permittivité du milieu, 0 celle du vide
Capteurs capacitifs
Condensateur cylindrique
Condensateur plan
Forme physiqueCapacité
Applications avec modifications dimensionnelles : Pression acoustique (micros capacitifs) ; Pression de fluide (absolue, relative
ou différentielle) ; force ou pression mécanique : jauges d’extensométriecapacitives.
Applications avec modification de la permittivité : capteurs de température ; capteurs d’hygrométrie ; capteurs chimiques
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Mesure de température
• Une des grandes applications de capteurs
• Capteurs passifs Résistances métalliques Thermistances Jonctions pn Pyromètres optiques
• Capteurs actifs Thermocouples
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Ont une valeur qui croit avec la température selon une loi de la forme :R(T) = R0 ( 1 + AT + BT2 + C(T‐100)T3)
où T est en °C. Le Pt est le métal le plus utilisé ; sa plage d’utilisation s’étend de
‐200°C à 1000°C. Le Ni et le Cu sont d’autres métaux utilisés. Le Cu est caractérisé
par une courbe très linéaire.
Mesure de température par résistances métalliques
Pt1000 2 fils (photo Radiospares)
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Exemples de résistances au Pt àvaleurs normalisées
Pt100 : 100 à 0°C. Pt1000 : 1000 à 0°C.
Exemple de lecture : R=100(1+T)=138,5 à 100°C
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Mélanges agglomérés et frittés d’oxydes métalliques.
Leur résistance décroît avec la t° selon une loi du type :
R(T) = R0 eB (1/T – 1/T0)
où T est exprimée en K. (et B entre 3000 et 5000K).
Généralement utilisables jusqu’à environ 300°C.
Du fait de leur réponse non‐linéaire, elle ne sont utilisées que sur une faible plage de température (100°C) où elles sont très sensibles (Senviron 10 fois supérieur aux sondes métalliques).
Thermistance de précision à capsule de verre
Mesure de température par thermistances
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On choisit une faible valeur à 25°C (ex. 100) pour mesurer des faibles températures, et une thermistance de valeur élevée (100 à 500 K à 25°C) pour mesurer des températures élevées.
Dans R(T) = R0 e B (1/T – 1/T0), B dépend de la température mais et considéré constant sur une plage limitée.
La sensibilité des thermistances les rend particulièrement adaptées aux problèmes de régulation bien que n’ayant pas une caractéristique linéaire
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Possèdent un coefficient de température positif (CTP) dans la plage de mesure (0,7%/°C à 25°C).
Le procédé de fabrication assure de très bonnes qualités d’interchangeabilité,
La plage de mesure est assez faible, typiquement ‐50°C à +120°C par exemple ; au‐delà, leur caractéristique s’inverse.
Thermistances au Si
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Capteurs de T à jonction pn
• Dans une jonction pn, le courant est reliés à la tension
par , Ce qui donne
• Si on fixe I et I0, V est proportionnel à T Peut être mis en œuvre avec une diode à jonction pn ou la
jonction B‐E d’un transistor bipolaire
Valable pour des températures entre 0 et 70 0C environ en pratique.
Des versions avec conditionneur intégré existent– Ex. : LM35
• Présentant une caractéristique linéaire avec calibration en oC. S = 10 mV/°C permet une lecture thermométrique directe : 0 °C ‐‐> 0 mV 50 °C ‐‐> 500 mV
• Précision: 0.5 °C Non‐linéarité : 0.25 °C ; Impédance de sortie: 0.1 ohm
VkTqeII 0 T
II
qkV
0
ln
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Constitué de deux métaux différents m1 et m2 qui forment deux jonctions à des températures différentes T1 et Tref . Par effet Seebeck, il apparaît aux bornes de ce circuit une tension E(T1,Tref) liée à la différence de température (T1‐Tref)
Gamme de mesure jusqu’à 2500°C, achevée àl’aide des paires de métaux ou d’alliages différentes
La réponse est généralement non linéaire et des moyens de compensation sont nécessaires
Capteur de T actif : Le thermocouple
T1
E(T1)m1
m1
m2
T1
Tref
T1
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0°C
T1
E(T1)
m1
m2
T1
0°C
T1
m1
• Lorsque Tref = 0°C, on lit T1 dans de tables normalisées.
• Si Tref = Tamb, on détermine T1 par :
E(T1,0°C) = E(T1,Tamb) + E(Tamb,0°C) On peut placer un circuit de compensation de soudure froide qui
délivre une tension Vcsf = E(Tamb,0°C) en série avec le capteur ; on a alors :
V = E(T1,Tamb) + Vcsf = E(T1,Tamb) + E(Tamb,0°C) = E(T1,0°C)
La C.S.F peut être réalisée par logiciel si on mesure la température ambiante par un autre type de capteur
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Peut aussi utiliser un effet optique
Souris à balle
On compte le nombre d’impulsions lumineuses le long de chaque axe
Habituellement basée sur le principe d’un potentiomètre linéaire ou rotatif
Mesure de déplacement
Ou magnétique
Capteur à LVDT
Mesure I dû au changement de perméabilité magnétique générépar le déplacement
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Éléments résistifs (métaux, semi‐conducteurs) déposés sur un substrat isolant solidaire de la structure dont on veut mesurer la déformation.
on aura une variation R/R0 proportionnelle à la déformation :
R/R0 = K l/l0
Gauges d’extensométrie
K est le facteur de jauge : 2‐4 pour les résistances métalliques et 50‐200 pour les semi‐conducteurs.
Les jauges à semi‐conducteur sont indiquées pour les faibles variations car plus sensibles, mais elles ont aussi un coefficient de T plus élevé
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Cellules de charge et sondes de force
Dans le mesures de grande amplitude, les jauges sont insérées ou collées à une structure métallique (corps d’épreuve).
Compensation des effets de température
Capteur en anneau : Capteur en poutre :
Les jauges interne‐externe ou dessus‐dessous opèrent en opposition (extension‐compression).
Masse sismiqueAccélération
DiaphragmePression
Anneau, colonneForce
Corps d’épreuveMesurande
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L’humidité relative (en %) est le rapport :
U = (PV/PS)T. 100
où la pression de vapeur saturante PS est la valeur maximale que peut prendre Pv, la pression partielle due à la vapeur d’eau (au delà, il y a condensation).
Sensibles à la température
Les plupart des hygromètres utilise un des principes suivants :
Détermination directe (hygromètres à condensation)
Mesure d’une propriété d’un corps lié à l’humidité, généralement une impédance ou une coefficient de permittivité diélectrique.
Les capteurs d’humidité
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Hygromètres résistifs : Deux électrodes sont reliées aux extrémités d’une substance sur un support ; la résistance lue dépend de la teneur en eau et de la température. Plage de mesure : 5 à 95% HR pour des T° de ‐10 à 50°C ; temps de
réponse ~10 s, et précision ~ 5%. Peu fiables si un autre liquide est présent.
Psychromètres : 2 thermomètres (généralement de type Pt) ; l’un « humide » est imbibé d’eau, tandis que l’autre mesure la « température sèche »
Humidistances : utilisent un effet capacitif. Le diélectrique peut être une couche mince d’alumine ou une couche mince de polymère.Assez linéaires Plage de mesure 10 à 90% HR pour des T° de 0 à 85°C
Hygromètres
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Capteurs de pression• Exploitent l’un des effets suivants :
Déformation d’une membrane fixe
Déplacement d’une membrane mobile
Piezzorésistance
La quantité mesurée est un déplacement, une variation de résistance ou une variation de capacitance
• Mesurent souvent une pression différentielle
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Capteurs de débit
• Exploitent un des effets suivants : Turbines à induction
Effet doppler sur des ultrasons
Pression différentielle entre deux tubes de diamètres différents ou séparés par un obstacle
Induction de courant par déplacement de charges
Taux de dilution d’un traceur
Pkq
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Capteurs de mouvement et de proximité
• Utilisent la génération ou réflexion d’ondes par la cible
Capteurs optiques : On mesure l’intensité de la lumière réfléchie
On mesure la radiation IR émise par l’objet
Capteur ultrasonores : Mesurent le temps d’aller‐retour d’un train d’impulsions émis
• Les capteurs ultrasonores servent aussi• à la mesure de niveaux de liquide !
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En plus du générateurs de tensions tels les thermocouples il existe aussi : générateurs de courant Générateurs de charge
Capteurs actifs
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Les rayonnements nucléaires, par ionisation du milieu, ou les rayonnements optiques, par génération de porteurs libres modifient le courant électrique traversant ce milieu.
Exemple : Photoélectricité
Un flux rayonnant sur la jonction d’une diode polarisée en sens inverse crée des paires électron‐trou qui forment un courant I :
I = I0 +Sd I0 est le courant d’obscurité de la diode et Sd est la sensibilité en A/W Schéma équivalent à une photodiode
Rob varie entre 100 k et 1 G, et Rs entre 10 et 500 .
Capteurs actifs générateurs de courant
Rob
Rs
CI I0
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• Un phototransistor : Transistor bipolaire dont la base est accessible au rayonnement lumineux. L’éclairement conduit à un photocourant de base I qui est amplifié dans la jonction collecteur‐base :
Icb = βI + ICE0.
ICE0 est le courant d’obscurité (courant de fuite). β rend le transistor plus sensible qu’une photodiode (100 à 400 fois plus)
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capteurs actifs générateurs de charge• Entraînent une variation de la polarisation diélectrique de certains matériaux
menant à l’apparition de charges égales et de signes contraires sur les faces opposées d’une lame soumise : à une force : il s’agit de l’effet piézoélectrique. Le matériau dans ce cas est du quartz,
certaines céramiques ou certains polymères,
à une variation de température : il s’agit de l’effet pyroélectrique. Le matériau dans ce cas est le sulfate de triglycine.
• La métallisation des lames permet de former des condensateurs de capacité Q. On peut alors mesurer : Une fém E = Q/C (schéma de Thévenin)
Un courant i = dQ/dt (schéma de Norton), schéma adapté aux mesurandesdynamiques.
• On fabrique sur ce principe des dynamomètres et des accéléromètres dans lesquels l’accélération est d’abord traduite par une force au moyen d’une masse sismique.
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Considérations pratiques
• Impédance de sortiePeut mener à une lecture de tension ou de courant , ou à l’usage d’un étage tampon pour minimiser son impact
• Impact du courant d’excitation (effets thermiques)Peut fausser la lecture des température par effet Pelletier (q = i T) ; un circuit de compensation peut être requis.
• Environnement d’utilisationContraint souvent le type de capteur à utiliser en termes de dimensions physiques, autonomie de batterie, lien avec ou sans fil, résistance à la corrosion, etc.
• Ajustement du zéro et calibrationIdéalement fait automatique
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Considérations pratiques : Défaillance sécuritaire
• Le capteur devrait donner une mesure sécuritaire en cas de défaillance (« Fail safe »)
eTh
zTh Rc
Appareil de mesureEquivalent de Thévenin
zs~ 1Rc
Appareil de mesureThermocouple
eTh
zThRc
Vm= 0 en cas défaillance
ThcTh
cm e
RzRv
vx
zx
xThcx
ThcTh
xcTh
xcm v
zRzzRe
zRzzRv
////
////
Vm= vxRc/(Rc+zx) en cas de défaillance
• Ex. : vx=1 v, zx=5k, Rc=500 Opération normale : vm=eTh + 0.2 mV
Défaillance : vm ~ 91 mV
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Considérations pratiques : Linéarisation
• Peut se faire en matériel ou en logiciel
stop
start
lire vm
i=0
v(i) vm< v(i+1)
A = A(i) B = B(i) vl=Avm+B