Chapitre I Généralités sur les capteurs I Définitions: 1- capteur: Un capteur est un dispositif qui fournit une grandeur électrique s fonction d’une grandeur.

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1 Chapitre I Généralités sur les capteurs I Définitions: 1- capteur: Un capteur est un dispositif qui fournit une grandeur électrique s fonction d’une grandeur physique non électrique appelée mesurande m. 1

2 Chapitre I Généralités sur les capteurs Définitions La façon la plus simple pour représenter s en fonction m est une droite. On obtient une image Linéaire du mesurande m. Si, par exemple, le mesurande est une force, et la grandeur électrique est un courant, alors Il serait facile de convertir l’ampèremètre en un dynamomètre électronique, il suffit de changer l’échelle : La linéarité facilite l’exploitation L’intervalle (mmax, mmin) doit être inclue dans la limite d'utilisation donnée par le constructeur. s m mmin mmax 2

3 Chapitre I Généralités sur les capteurs Définitions: 2. L’étendue de mesure EM Elle est définie par la différence algébrique Em=Mmax-Mmin S=f(m) peut êtres représenté en % 3

4 Chapitre I Généralités sur les capteurs Exemple : Capteur de niveau (40ml, 140ml) - Quelle est la valeur de L’étendu de mesure EM ? - A quoi correspond 50% de l'entrée? - Quelle est la valeur de sortie correspondante en% et en ml 4

5 Chapitre I Généralités sur les capteurs Définitions: 3. Capteur passif et capteur Actif On distingue deux classes de capteurs : les capteurs passif et les capteurs actifs. Un capteur est passif lorsqu'il nécessite une alimentation pour fournir un signal. Un capteur est actif, lorsqu'il ne nécessite pas d'alimentation. Il fournit directement un signal. C'est un convertisseur d'énergie 5

6 Chapitre I Généralités sur les capteurs Exemples de capteur passif: A- capteur résistif - Une résistance rendue variable grâce à la variation du flux lumineux (Photorésistance ou LDR) - Une résistance rendue variable grâce au curseur solidaire avec l’objet en mouvement. - Jauge de contrainte est une résistance basée sur l’Effet Piezorésistif : Variation de la résistivité d’un matériau sous l’effet d’une force ou une pression 6

7 B- capteur inductif: - Une bobine avec un noyau mobile solidaire avec l’objet en mouvement. Le coefficient d’auto-induction L est fonction du déplacement du noyau. - phénomène d’induction et courants de Foucault C- capteur capacitif: - Déplacement vertical ou horizontal d’une plaque solidaire, avec l’objet en mouvement, par rapport à une autre qui reste fixe. Chapitre I Généralités sur les capteurs Exemples de capteur passif: 7

8 Chapitre I Généralités sur les capteurs Exemples de capteur actif : A. Thermocouple: si Tc =Tref alors la fem générée est nulle si Tc est différent de Tref alors la fem générée est non nulle Effet thermoélectrique : génération d’une fem sous l’effet d’un gradient de température. B- Quartz Effet piézoélectrique : génération de charge électrique sous l'effet de la contrainte 8

9 Chapitre I Généralités sur les capteurs 4- corps d'épreuve: C’est l'intermédiaire entre le mesurande primaire et le mesurande secondaire La lame est appelée: corps d'épreuve Exemple: Définitions: MESURANDE SECONDAIRE 9

10 Chapitre I Généralités sur les capteurs Définitions: 5- conditionneur : A. conditionneur du capteur passif CCP: Un conditionneur du capteur passif est in circuit électrique dans lequel on insère le capteur passif. Il peut être un montage potentiomètrique, ou un montage en pont. La tension de sortie Vm est modulée par les variations du mesurande. Le mesurande est le modulant et la tension de sortie est modulée. On a donc une modulation d’amplitude. 10

11 Chapitre I Généralités sur les capteurs Définitions: Dans le cas d'une modulation de fréquence le conditionneur correspondant est un oscillateur de fréquenc f = et d'amplitude constante. 11

12 Chapitre I Généralités sur les capteurs B. conditionneur du signal C.S: Le C.S a quatre fonctions électroniques essentielles : adaptation : conserver les (V,I,f) image du mesurande, pour qu’il ne soit pas atténué amplification du signal image de la mesure, avec élimination du bruit linéarisation du signal de mesure. Extraction de l'information ou 'démodulation' Définitions: Capteur C.C.P. C.S. mesurande 12

13 Chapitre I Généralités sur les capteurs Transmetteur Certains fabricants fournissent des CS avec un signal de sortie sous forme de courant normalisé variant entre 4mA et 20mA, pour deux raisons essentielles : -Le courant ne chute pas, alors que la tension chute ( Effet Joule dans la ligne) et donc une perte d’information. - 4mA et non 0 mA, pour ne pas confondre information et coupure de courant. Le dispositif ainsi réalisé, s’appelle transmetteur. Définitions: 13

14 Chapitre I Généralités sur les capteurs 6- chaîne de mesure: Le capteur est le premier maillon d'une chaîne de mesure analogique ou numérique. La chaîne de mesure analogique est constituée par : Capteur + Conditionneur + Affichage analogique La chaîne de mesure numérique est constituée par : Capteur + Conditionneur + Convertisseur Analogique Numérique + affichageou traitement numérique Chaîne de mesure Définitions: 14

15 Chapitre I Généralités sur les capteurs Contrôle du processus Pourquoi cet intérêt grandissant aux capteurs? -Besoins de l’instrumentation moderne -Besoins de l’automatisation 15

16 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: - Effet thermoélectrique - Effet photoélectrique - Effet piézorésistif - Effet piézoélectrique - Effet magnétorésistif - Effet d’induction électromagnétique - Effet Hall 16

17 II-principes physiques: Capteurs Actifs Chapitre I Généralités sur les capteurs 17

18 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: Capteurs Actifs 18

19 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: Capteurs Actifs 19

20 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: Capteurs Actifs 20

21 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: Capteurs Actifs 21

22 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: Capteurs Actifs 22

23 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: Capteurs Passifs 23

24 Chapitre I Généralités sur les capteurs II-principes physiques: Capteurs Passifs 24

25 Chapitre I Généralités sur les capteurs III-les caractéristiques des capteurs : 1-sensibilité: La sensibilité S est définie par S=ds/dm 25

26 Chapitre I Généralités sur les capteurs III-les caractéristiques des capteurs : Sensibilité Exemples : 1. Sensibilité du capteur Une diode polarisée en direct et parcourue par un courant instant peut être en tant que capteur de température, sa sensibilité est : S=dV/dT=-2mV/°C Remarques: - dans le cas, où la r é ponse du capteur ou du conditionneur est lin é aire, la sensibilit é S est constante -lorsqu ’ on n ’ a pas une courbe linaire, la sensibilit é se calcule au voisinage d'in point 2.La sensibilité du montage ou du conditionneur S=dV/dm dI/dm ou df/dm, dm étant la variation du mesurande 26

27 Chapitre I Généralités sur les capteurs 2- la r é solution: La r é solution est le plus petit é cart d é tectable par un instrument de mesure. Exemples : A. Pour une diode, la tension a ses bornes est mesur é e à l ’ aide d ’ un millivoltm è tre num é rique ayant une r é solution de 0,01mV. - Quelle est la r é solution du capteur en °C ? - Quelle diff é rence de temp é rature correspond à une variation de 60mV - Comparer avec un thermom è tre à mercure d ’ une r é solution de 1˚C L ’ instrument de mesure form é par la diode et son conditionneur associe au millivoltm è tre est plus sensible que le thermom è tre à mercure. Il permet une mesure indirecte de la temp é rature. B. un thermocouple de type k, a une sensibilit é de 40 µ V/°C. Comparer sa r é solution avec celle d ’ un thermom è tre à mercure classique, d ’ une r é solution de 1°C. Le millivoltm è tre associ é au TC a une r é solution de 0,001mV III-les caractéristiques des capteurs : 27

28 Chapitre I Généralités sur les capteurs 3- la pr é cision : La pr é cision est l ’é cart entre la valeur mesur é e et la valeur r é elle (mesur é e à l ’ aide d ’ instruments de haute performance et é talonn é s) exprim é en % Exemples: Erreur absolue m=500g± 5g Erreur relative = 5g/500g =1% III-les caractéristiques des capteurs : 28

29 Chapitre I Généralités sur les capteurs 4- l ’ erreur de non lin é arit é ENL : ENL= plus grand é cart de la droite id é ale et la courbe exp é rimentale, exprimée en % ENL= Un capteur idéal doit avoir ENL nulle Remarque: en TP, la droite idéale passe au voisinage de la majorité des points expérimentaux III-les caractéristiques des capteurs : 29

30 Chapitre I Généralités sur les capteurs 5- l ’ erreur d ’ hyst é r é sis : EH = Elle s’éxprime en en % Un capteur id é al doit avoir une E.H nulle III-les caractéristiques des capteurs : 30

31 Chapitre I Généralités sur les capteurs 6- le temps de r é ponse : Le temps de r é ponse d ’ un capteur ou d ’ un instrument de mesure en g é n é ral, est d é fini par le temps é coul é entre 10% et 90% d ’ une variation due à un changement brutal de la valeur du mesurande Exemple: on plonge brutalement un TC de l ’ ambiante à 100°C. Une table tra ç ante permet de relever la tension mesur é e en fonction du temps. On obtient les courbes ci contre Remarque: Dans le cas d ’ un passage brutal de 100°C à l ’ ambiante, le temps de descente td est d é fini de la même mani è re. III-les caractéristiques des capteurs : (dans ce cas, il correspond au temps de mont é e) 31

32 Chapitre I Généralités sur les capteurs 7 -erreur d ’ offset : Le d é calage entre les 2 courbes est appel é : erreur d ’ offset Elle est due a l ’ imperfection de l ’é lectronique (dissym é trie des A.O.P). Pour y rem é dier, Les constructeurs con ç oivent un r é glage d ’ offset (r é glage du z é ro). III-les caractéristiques des capteurs : 32

33 Chapitre II Les Conditionneurs I Définitions : 1. Conditionneur de capteur Passif CCP Le conditionneur repr é sente l ’é lectronique associ é e au capteur. Lorsque le capteur est passif, son insertion dans un circuit é lectrique s ’ impose : C ’ est le conditionneur de capteur passif (CCP), exemple : montage potentiom é trique, montage en pont, montage oscillateur. Son rôle est de traduire les variations de l ’é l é ment passif (r é sistance, inductance, capacit é ) dues aux variations du mesurande, en un signal é lectrique. Le mesurande module les variations du signal soit en amplitude soit en fr é quence. Le signal de sortie du CCP est modul é en amplitude (modulation d ’ amplitude) ou en fr é quence (modulation de fr é quence). Capteur C.C.P. C.S. mesurande Signal V,I,f Image du mesurande 33

34 Chapitre I Les Conditionneurs Pour avoir un signal image du mesurande, facile à exploiter, un traitement é lectronique s ’ av è re n é cessaire. Il vient apr è s le CCP, et il est r é alis é grâce à un circuit de traitement appel é conditionneur du signal. Son rôle est de r é soudre les quatre probl è mes suivants : Adaptation lin é arisation amplification avec é liminations du bruit d é modulation. Capteur C.C.P. C.S. mesurande Signal V,I,f Image du mesurande I Définitions: 2. Conditionneur du signal C.S. 34

35 Chapitre I Les Conditionneurs II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 1- montage potentiom é trique Exemple: Cas d ’ un capteur r é sistif -Au repos, le capteur r é sistif Rc à une r é sistance de valeur R0 (correspond à m0). -En r é gime de variation, le capteur a une r é sistance de R0 + ∆ Rc. Vm: tension de mesure aux bornes de Rc. Question 1: D é terminer la tension de mesure au repos, et en r é gime de variation. En d é duire la partie du signal dVm repr é sentant uniquement les variations du mesurande. Quel est le type de modulation du signal. La fonction dVm est elle lin é aire en fonction de dRc ? Proposer une solution pratique pour remédier au problème de la non linéarité. Conclure. R é ponse 1: 35

36 Chapitre I Les Conditionneurs -Montage Push-pull : - Pour rem é dier au probl è me de la non lin é arit é pos é par le montage pr é c é dent, on con ç oit deux capteurs identiques mont é es en s é rie, et de telle mani è re que leurs variations soient oppos é es, c'est- à -dire : Rc1 = R0 + ∆Rc et Rc2 = R0 - ∆Rc. Dans ce cas, on dit que Rc1 et Rc2 sont mont é s en mode push-pull. Remédier au problème de la non linéarité au niveau du CCP est appelé: Linéarisation Amont Démo: voir slide suivant II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 1- montage potentiom é trique 36

37 Chapitre I Les Conditionneurs Questions 2: - Montrer que Le probl è me de la non lin é arit é peut être r é solu, avec deux capteurs montés en mode push pull. - On suppose que le capteur a une sensibilit é constante S, et que le mesurande m(t) varie sinuso ï dalement autour d ’ une valeur au repos m0, avec une fr é quence f, et une amplitude m1. Repr é senter m(t), d é terminer son é quation. A quoi correspond la variation du mesurande dm. En d é duire l ’ expression du signal dVm(t). -Que devient l ’ expression du signal Vm(t) lorsque la tension d ’ alimentation est sinuso ï dale de fr é quence F, et d ’ amplitude E. Quel est le spectre de Vm(t). -Quel est l ’ inconv é nient majeur des montages potentiom é triques. -Conclure. -Réponses 2: II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 1- montage potentiom é trique Montage Push Pull Linéarisation Amont 37

38 Chapitre I Les Conditionneurs Dans le cas d ’ un capteur r é sistif, on distingue trois types de ponts : Quart de Pont, Demi Pont, Pont Complet Dans les trois montages, Les capteurs r é sistifs sont identiques et mont é es en mode push- pull ( cas des demi pont et pont complet). Questions 3: Pour chacun de ces montages à pont, d é terminer la tension Vm, comparer et conclure. Citez les deux avantages des montages à pont. R é ponse 3: II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 2- montage en pont : Remarque : influence de la longueur des fils, ou comment minimiser l ’ erreur due aux fils de liaison : R é sistance 2 fils, R é sistance 3 fils, R é sistance 4 fils ( Devoir à rendre). 38

39 Chapitre I Les Conditionneurs II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 3- montage oscillateur Deux types d ’ oscillateurs : - l ’ oscillateur de relaxation : le signal de sortie est de forme carrée et fr é quence F=a/RC. -L ’ oscillateur harmonique ou sinuso ï dal : le signal de sortie est de forme sinuso ï dale et de fr é quence F= Le capteur est passif, les variations de l ’é l é ment passif sont modul é es par la fr é quence du signal : au repos, l ’ oscillateur a une fr é quence F0, correspondante à une valeur de mesurande é gale à m0. Question 4: Quelle est la nouvelle fr é quence de l ’ oscillateur correspondante à une variation du mesurande dm, en fonction de la fr é quence au repos. Se placer dans le cas g é n é ral F=a/(RC). R é ponse 4: 39

40 Chapitre I Les Conditionneurs III- Les Conditionneurs de signaux Le conditionneur de signaux est un é tage é lectronique, ayant pour rôle de r é soudre les probl è mes suivants : - Adaptation, - Lin é arisation, - Amplification, - Extraction de l ’ information ou d é modulation. 40

41 Chapitre I Les Conditionneurs III- Les Conditionneurs de signaux 3.1 Adaptation : Le conditionneur du capteur passif transforme les variations du mesurande en un signal é lectrique dont les caract é ristiques peuvent être mesur és entre les points A et B. Le circuit est é quivalent à un g é n é rateur de force é lectromotrice ec(m) en s é rie avec une imp é dance é quivalente Zth ( mod è le de Thevenin). L ’ information li é e aux variations du mesurande se trouve dans la fem ec(m). C ’ est une tension qu ’ il faut conserver, et transmettre au reste de la cha î ne sans att é nuation. C ’ est l ’ objectif de l ’ adaptation pour r é soudre le probl è me d ’ association en cascade d ’é tages é lectroniques. Vu des points A et B, le reste de la cha î ne est é quivalent à une imp é dance d ’ entr é e Ze. Question 5 : Quelle condition doit satisfaire Ze pour que la fem ec(m) image du mesurande, soit transmise au reste de la cha î ne sans att é nuation. Proposer alors des solutions pratiques. Réponse 5: 41

42 Chapitre I Les Conditionneurs III- Les Conditionneurs de signaux 3.2 Linéarisation L’objectif est de rendre le signal de sortie linéaire en fonction de la variation du mesurande. On distingue deux types de linéarisation: - Linéarisation Amont est obtenue grâce au montage push pull. -Linéarisation Avale peut être obtenue grâce à des circuits de linéarisation, parmi lesquelles: -circuit de linéarisation par simple réaction, -circuit de linéarisation par double réaction, -linéarisation à l’aide des circuits spéciaux. Voir TD pour l’étude détaillée des circuits de linéarisation. 42

43 Chapitre I Les Conditionneurs III- Les Conditionneurs de signaux 3.3 Amplification La tension image du mesurande est g é n é ralement faible, son amplification s ’ impose. Le probl è me à r é soudre, est de pouvoir amplifier le signal utile, image du mesurande, et é liminer les signaux parasites qui sont source de bruit. Plusieurs solutions, parmi lesquelles : amplificateur de diff é rence, amplificateur d ’ instrumentation. Voir TD pour l ’é tude d é taill é e de ces amplificateurs. 43

44 III- Les Conditionneurs de signaux 3.4 D é modulation Elle consiste à extraire du signal de sortie, la seule partie du signal, image du mesurande. Il s ’ agit donc d ’ une d é modulation d ’ amplitude lorsque le signal de sortie est modul é en amplitude, ou d ’ une d é modulation de fr é quence, lorsque le signal de sortie est modul é en fr é quence. Les circuits de d é modulations sont appel é s d é modulateurs, d ’ amplitude ou de fr é quence. Pour l ’é tude d é taill é e des circuits, voir cours de modulation et d é modulation. Chapitre I Les Conditionneurs 44