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Thème 1 : LES CAPTEURS
Cours Thème I
ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE
( Capteurs )
I- GÉNÉRALITÉS Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on abesoin de contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position,vitesse, luminosité, ...).Le capteur est l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques. 1- Définitions Capteur
: Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une
grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souventélectrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable àdes fins de mesure ou de commande.
Etendue de mesure
: Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.
Résolution
: Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
Sensibilité
: Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée.
Exemple
: Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV / °C.
Précision
: Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.
Rapidité
: Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.
2- Éléments de métrologie (définitions) Le mesurage
C'est l'ensemble des opérations ayant pour but de déterminer une valeurd'une grandeur.
La mesure (x)
C'est l'évaluation d'une grandeur par comparaison avec une autre grandeurde même nature prise pour unité.Exemple :
2 mètres, 400 grammes, 6 secondes.
La grandeur (X)
Paramètre qui doit être contrôlé lors de l'élaboration d'un produit ou de
son transfert.Exemple :
pression, température, niveau.
On effectue des mesures pour connaître la valeur instantanée et l'évolutionde certaines grandeurs. Renseignements sur l'état et l'évolution d'unphénomène physique, chimique, industriel.
L'incertitude (dx)
: Le résultat de la mesure x d'une grandeur X n'est pas complètement défini par un seul nombre. Il faut au moins la caractériser par un couple(x, dx) et une unité de mesure. dx est l'incertitude sur x. Les incertitudesproviennent des différentes erreurs liées à la mesure.Ainsi, on a : x-dx < X < x+dx 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
= x - X
Exemple :
Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance.
Erreur relative (
e
r
: Rapport de l'erreur de mesure à une valeur vraie de mesurande. Une
erreur relative s'exprime généralement en pourcentage de la grandeurmesurée. e
r
e
/X ;
e
r%
e
r
Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de ladistance réelle).
Capteur
Grandeur
physique
Signal
électrique
Energie
- température - pression- force -
...
- signal logique (TOR) - signal analogique- signal numérique
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Thème 1 : LES CAPTEURS
3- Les types d'erreurs classiques
L'erreur de zéro (offset)
L'erreur d'échelle (gain)
C'est une erreur qui dépend de façon
linéaire de la grandeur mesurée.
L'erreur de linéarité
La caractéristique n'est pas une droite.
L'erreur due au phénomène
d'hystérésis
Il y a phénomène d'hystérésis lorsquele résultat de la mesure dépend de
la précédente mesure.
L'erreur de quantification
La caractéristique est en escalier,cette erreur est souvent due à unenumérisation du signal.
4- Le système d'unités internationales et ses symboles
Grandeur
Unité
Nom
Symbole
Nom
Symbole
Unités de base
Longueur
l
mètre
m
Masse
m
kilo
gramme
K
g
Temps
t
seconde
s
Courant électrique
i
ampère
A
Température
T
kelvin
K
Quantité de matière
mole
mol
Intensité lumineuse
I
candela
cd
Unités complémentaires
Angle plan
radian
rad
Angle solide
stéradian
Sr
Unités dérivées
Aire ou supe
rficie
A, S
mètre carré
m
2
Volume
V
mètre cube
m
3
Fréquence
f
hertz
Hz
Vitesse
v
mètre par seconde
m/s
Force
F
newton
N
Moment d'une force
T
mètre
newton
mN
Tension
ddp
U
volt
V
Force électromotrice
E
volt
V
Résistance
R
ohm
Réactan
ce
X
ohm
Impédance
Z
ohm
Résistivité
ρ
ohm
mètre
.m
Capacité
C
farad
F
Permittivité
ε
farad par mètre
F/m
Perméabilité
μ
henry par mètre
H/m
Champ électrique
E
volt par mètre
V/m
Flux lumineux
lumen
lm
Eclairement
E
lux
lx
Longueur d'onde
λ
mètre
m
Quant. de rayonn.
roentgen
R
Vitesse angulaire
ω
radian par seconde
rad/s
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Thème 1 : LES CAPTEURS
7- Caractéristiques d'une chaîne de mesure informatisée La structure de base d'une chaîne de mesure comprend au minimum quatre étages :
Un capteur sensible aux variations d'une grandeur physique et qui, à partir de cesvariations, délivre un signal électrique.
Un conditionneur de signal dont le rôle principal est l'amplification du signaldélivré par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unité denumérisation; cet étage peut parfois intégrer un filtre qui réduit les perturbationsprésentes sur le signal.
Une unité de numérisation qui va échantillonner le signal à intervalles réguliers etaffecter un nombre (image de la tension) à chaque point d'échantillonnage.
L'unité de traitement informatique peut exploiter les mesures qui sont maintenantune suite de nombres (enregistrement, affichage de courbes, traitements Mathé-matiques, transmissions des données …).
De nos jours, compte tenu des possibilités offertes par l'électronique et l'informatique, lescapteurs délivrent un signal électrique et la quasi-totalité des chaînes de mesure sont deschaînes électroniques et informatiques.Certains capteurs, par exemple le thermomètre DALLAS DS1621, délivrent directement unmot binaire, image de la température, en leur sortie. Ils intègrent, dans un seul boîtier(DIL 08) le capteur + le circuit de mise en forme + le CAN.
8- Classification des signaux Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le réprésentant peutprendre une
infinité
de valeurs dans un intervalle donné.
Signal continu :
C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit,
niveau.
Forme :
C'est la forme de ce signal qui est importante : pression cardiaque,
chromatographie, impact.
Fréquentiel :
C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse
vocale, sonar, spectrographie.
Un signal est dit numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peutprendre qu'un nombre
fini
de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une
puissance de 2.
Tout ou rien (TOR) :
Il informe sur l'état bivalent d'un système.
Exemple
: une vanne ouverte ou fermée.
Train d'impulsion :
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, son (pression)…
Capteur
Circuit de
mise en forme
du signal
Carte
d'acquisiti
on
( CAN )
Unité de
traitement
Informatique
(micro
-
ordinateur)
Grandeur physique
à mesurer
Grandeur électrique
Grandeur électrique
Données
numériques
Mémorisation
et affichage
des points de
mesures
Domaine analogique
Domaine numérique
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Thème 1 : LES CAPTEURS
II-
LES DIFFÉRENTES FAMILLES DE CAPTEURS
Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classerces derniers en deux catégories. 1- 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'énergiepropre à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Les effets physique les plus classiques sont :
Effet thermoélectrique :
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 forceélectromotrice d'origine thermique e(T1,T2).
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 etd'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.
Effet d'induction électromagnétique :
La variation du flux d'induction magnétique
dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objetmétallique).
Effet photo-électrique :
La libération de charges électriques dans la matière sous
l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une ondeélectromagnétique.
Effet Hall :
Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau
une différence de potentiel U
H
Effet photovoltaïque :
Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une
jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.
Grandeur physique mesurée
Effet utilisé
Grandeur de sortie
Température
Thermoélectricité
Tension
Photo-émission
Courant
Effet photovoltaïque
Tension
Flux de rayonnement optique
Effet photo-électrique
Tension
Force Pression
Piézo-électricité
Charge électrique
Accélération Vitesse
Induction électromagnétique
Tension
Position (Aimant) Courant
Effet Hall
Tension
2- 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 grandnombre de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur àarmature 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 liéeà une structure déformable).
Grandeur mesurée
Caractéristique électrique sensible
Type de matériau utilisé
Température
Résistivité
Métaux : platine, nickel, cuivre ...
Très bassetempérature
Constante diélectrique
Verre
Flux de rayonnementoptique
Résistivité
Semi-conducteur
Résistivité
Alliage de Nickel, silicium dopé
Déformation
Perméabilité magnétique
Alliage ferromagnétique
Position (aimant)
Résistivité
Matériaux magnéto résistants : bismuth,antimoine d'indium
Humidité
Résistivité
Chlorure de lithium
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Thème 1 : LES CAPTEURS
IV- CAPTEURS À EFFET HALL 1- L'effet Hall Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé parun courant I, est le siège d'une force électromotrice U
H
sur deux de ses faces.
La tension de Hall U
H
est définie par la relation ci-dessous :
e
B
I
R
U
H
H
avec :
R
H
: constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
I
: intensité de la source de courant (A)
B
: intensité du champ magnétique (T)
e
: épaisseur du barreau de silicium.
Si on maintient le
courant I constant
, on a donc une tension
U
H
proportionnelle au
champ magnétique B
: U
H
= k.B avec k constante égale à
I e
R
H
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
3- Autres applications
Capteur de proximité
Le capteur détecte l'approche de l'aimant placéau 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 :
I r
B
π
μ
Le capteur donne une tension U
S
= 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.
Capteur
Hall
Ampli
u
S
=A.u
H
u
H
u
S
I
Générateurde courant
constant
B
B
B
V
U
H
I
I
e
Capteur
de
cham
p
magnétique
N
S
Aimant
Conducteur
parcou
ru
par un
courant I
Tore de métal
de perméabilité
μ
Entrefer
Capteur de champ
magnétique
r
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Thème 1 : LES CAPTEURS
E (Lux)
R (
10
2
10
2
10
3
0
10
2
10
7
10
8
Emetteur
( LED )
Récepteur
( photodiode )
-1 -
4 3 2 1 0
-0,
0
0,
1
V- CAPTEURS À EFFET PHOTOÉLECTRIQUE 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 plusfacilement un électron qui participera à la conduction. 2- Les photorésitances Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineuxqu'elle reçoit.
Exemple :
Obscurité
R
0
= 20 M
( 0 lux )
Lumière naturelle
R
1
= 100 k
( 500 lux )
Lumière intense
R
2
( 10000 lux ).
Courbe
Avantages :
- bonne sensibilité- faible coût et robustesse.
Inconvénients :
- temps de réponse élevé- bande passante étroite- sensible à la chaleur.
Utilisation :
détection des changements obscurité-lumière ( éclairage public ).
3- Les photodiodes Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairementlumineux.
Courbe : Le graphe I = f(U) pour une photodiode dépend de l'éclairement ( Lux ) de la
jonction PN.
On constate que lorsque la diode est éclairée, elle peut se comporter en générateur( I = 0
U
0,7V pour 1000lux ). On a donc affaire à une photopile (effet
photovoltaïque).
Avantages :
- bonne sensibilité- faible temps de réponse (bande passante élevée).
Inconvénients :
- coût plus élevé qu'une photorésistance- nécessite un circuit de polarisation précis.
Utilisations :
Transmission de données
télécommande IR
transmission de donnéespar fibre optique
détection de passage
Roue codeuse
mesures d'angle et devitesse
comptage d'impulsions( souris de PC )
U
(V)
I
(mA)
Obscurité ( diode normale )
Eclairement moyen ( 500 lux )
Eclairement fort ( 10000 lux )
PhotodiodeI=f(U)
Emetteur
(
d
iode I.R.
)
Récepteur
(
p
hotodiode
)
Ray
on
lumineux
o
u
fibre optique
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Thème 1 : LES CAPTEURS
c-
Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)
La jauge étant un composant purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique pourobtenir une tension image de la déformation.Le circuit souvent utilisé est appelé "pont de Wheatstone". Il est ici constitué d'ungénérateur de tension associé à 4 résistances dont une est la jauge (schéma ci-dessous) :La tension de sortie
v
du pont a l'expression suivante :
R
R
R R 2 R 2 R 2 E
R
R
R
R
E
R
R
R
R
R
R
R
R
E
v
0
0
0
0
0
0
0
0
R
R
R
E
v
0
En général, la variation
R est petite devant R
0
; la relation se simplifie alors pour devenir
quasi-linéaire :
0
R
R
E
v
Remarque
: On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un
pont à 2 résistances et 2 jauges symétriques R
0
R et R
0
R.
Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir uneparfaite linéarité.
VII- CAPTEURS DE TEMPÉRATURE 1- Thermomètre à thermocouple On constate que si la température T
2
est différente de T
1
alors il apparaît une tension U aux
bornes des deux fils soumis à la température T
1
Le phénomène inverse est aussi vrai : si on applique une tension, alors il y aura unéchauffement ou un refroidissement au point de liaison des deux conducteurs ( modules àeffet Peltier ).Application
: Mesure des hautes températures ( 900
1300°C ).
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 :
R
θ
est la résistance à la température
θ
R
θ
= R
0
( 1 + a
R
0
est la résistance à la température 0°C
a
est le coefficient de température.
Remarque
si a > 0 alors on a une thermistance CTP ( R
quand
θ
si a < 0 alors on a une thermistance CTN ( R
quand
θ
Utilisation
On insère la thermistance dans un pont de jauge.On obtient ainsi une tension V en sortie du pont V = k (
θ
θ
0
Si on prend
θ
0
= 0°C , on obtient V = k.
θ
On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant.La tension à ses bornes sera donc proportionnelle à la résistance.
V
T
1
T
1
températureà mesurer T
2
températureextérieure T
1
métal A
métal B
U
soudure
v
E
R R
R
0
R
R
0
Résistance réglée à la valeur R
0
de la jauge au repos
Jauge
Résistances quelconquesmais identiques
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Thème 1 : LES CAPTEURS
3- Capteurs à sortie numérique directe On trouve actuellement sur le marché, des capteurs de température à sortie numériquedirecte de type série. Il s'agit notamment des capteurs
DALLAS
qui sont classés en deux
catégories :a-
Les capteurs à sortie I2C ( 2 fils ) DS
Ce capteur DS1621 peut mesurer une températurevariant de -55°C à 125°C avec une précision de 0,5°C.Pour transmettre la mesure ( 9 bits ), il utilise la normeI2C qui consiste à transmettre en série les bits demesure sur la ligne SDA en synchronisation avec laligne SCL ( horloge ). Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions :
Il est adressable physiquement sur 3 bits (A0, A1 et A2), ce qui permet d'en utiliser 8
sur la même ligne SDA-SCL.
Il possède une fonction thermostat qui permet de commander un chauffage
(températures TH et TL) par l'intermédiaire de la ligne T
OUT
même lorsque le capteur
est déconnecté du matériel informatique.
b- Les capteurs 1 Wire ou i-button ( 1 fil ) DS1820 Ce capteur DS1820 peut mesurer une températurevariant de -55°C à 125°C avec une précision maximalede 0,125°C.Pour transmettre la mesure ( résolution réglable de 9 à12 bits ), il utilise la norme i-button qui consiste àtransmettre en série sur un seul fil, le résultat de lamesure.La ligne VD peut être connectée à la masse GND et laligne DQ supportera à la fois l'alimentation et latransmission des données, d'où l'appellation 1 Wire.Il suffit donc de deux fils (DQ et GND) pour alimenteret communiquer avec ce capteur. Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions :
Il est doté d'une adresse (numéro de série) affectée en usine et définitive. Elle est codéesur 8 octets ce qui permet d'utiliser, en théorie, un très grand nombre de DS1820 sur lamême ligne.
Une alarme de température peut être paramétrée et la consultation de celle-ci se fait parlecture d'une zone mémoire (adresse – donnée).
