Capteurs et conditionneurs  Jean-Marie De Conto  IUT1 Grenoble – Mesures Physiques
Chaîne d’acquisition (1h) Chaîne d’acquisition   Fonctions de base   Grandeurs caractéristiques: étendue, précision,   ...
Capteurs: zoologie (2h)   Etendue de mesure et sensibilité   Capteurs générateur de fem        Schéma de Thévenin     ...
Conditionneurs et CEM Conditionneurs de capteurs passifs      Montage potentiométrique et mesure des résistances ou     ...
Préambule Allez voir les catalogues et les sites  internet des fournisseurs Consultez les notes d’applications  (applica...
La chaîne d’acquisition   Extraction de l’information: capteur - Physique   Conversion en signal utile: conditionneur- E...
Grandeurs caractéristiques: vocabulaire,    notions intuitives   Grandeur à mesurer:                EM  mmax  mmin    m...
Précautions préalables   Rapidité       Bande passante       Temps de réponse       Connaître la fréquence maximum Fma...
Repliement de spectre et filtrage
Environnement   Dérives diverses       Dérive en température   Compatibilité ElectroMagnétique (CEM)       Parasites d...
Caractéristiques métrologiques dela chaîne. Du déjà vu? La chaîne quasi parfaite,  nominale, linéaire   Gn: gain du disp...
   Erreur de gain                                                                           ymax             G       À...
Volts               mesures du 23/05/2000                                      fil 20um laser/fil/ecran:30cm/1m        1.6...
Dérives thermiques Erreur sur le gain seul                   G  Gn (1  G T )  y  G  x  y max  G  xmax      ...
Temps de réponse, bande passante                                      x (t )  X sin(t ) Bande passante à  près  en rég...
Systèmes du premier et du secondordre – rappels (?) Système linéaires             e1 (t )  s1 (t )                     ...
Résolution    ds(t )              Bs (t )  e(t )                                             e  Ee jt  A     dt  A    ...
Gain: 3dB/octave                   w/wc
Second ordre(  A 2  jB  C ) Se j  E                    E                  E Se j                               ...
GAINAmortissement de 0.1à1                       w/wc
Circuits du premier ordre  pas d’oscillations  Gain ?               G0G( F )            1  F / Fc 2                 ...
Circuit du second ordre•Oscillations                            G0G( F )         1  F / F    4                    ...
Temps de réponse à  près Exemple: pour un circuit du premier ordre de  constante de temps                   y (t )  Y...
Nota: hystérésis Peut concerner la mesure (champ magnétique par  exemple) Peut concerner le capteur (déformation par exe...
Etalonnage Direct ou absolu, via un ETALON Indirect ou par comparaison   À partir d’un capteur supposé connu Etalonnag...
Capteurs: zoologie (2h)   Etendue de mesure et sensibilité   Capteurs générateur de fem        Schéma de Thévenin     ...
Thermocouples: lois physiques Effet Peltier: à la jonction de deux  conducteurs A et B différents mais à  même températur...
Thermocouples: génèrent une fem    Deux conducteurs différents,     dont au moins un est un     alliage, mis en contactht...
Thermocouple – Lois – compensation de soudure froide Lois des températures  successives Lois des métaux  successifs     ...
Pour tout savoir: consultez lecatalogue! Les plus: le prix, pas de pièces mobiles, grande  gamme, assez rapide, bonne rép...
Capteurs générant un courant: photodiode                                    Silicon Photodiode                            ...
Photodiode (HP)I d  I 0  I  I 0  S d I0: Courant inverseΦ: puissance incidente
Montages de base     Augmenter Rm (base): réduit le bruit mais aussi la      rapidité     C2 compense Cp1 (R1Cp1=R2C2) –...
Montages photovoltaïques  A réponse linéaire        Mesure de Icc  Logarithmique        Mesure de Vco en circuit ouver...
Applications/exemples  Mesure de rayons X ou   béta    Montage                          photovoltaïque  Convertisseur lu...
Générateur de charges:  Effet piézoélectrique du quartz, de céramiques ou de   polymères.  Effet pyroélectrique (sulfate...
C’est un résonateur du second ordre   fn: fréquence de résonnance   f : fréquence d’utilisation   Q: facteur de qualité...
Remarques diverses   Ici: Modèle haute impédance avec convertisseur de charge    EXTERNE, ou basse impédance avec convert...
Capteurs capacitifs   Capacité d’un    condensateur plan                                                   S             ...
Capteurs résistifs Résistances  métalliques                                                   R(T )  R0 1  AT  BT 2 ...
•Sous ampoule de verre   •Protection   •Inertie thermique:   dizaines de secondes à   plusieurs minute•En couche mince
Thermistances Non linéaires Dérive au cours  du temps Effet thermique  (Joule) local
Du réseau simple à la haute technologie
Capteurs inductifs : un peu de magnétismepour commencer. Notion de reluctance.                                           ...
Application: capteur à entrefer variable                               lm l0  2x l0  2x   l      2x                ...
Améliorations Circuits à variation opposée (push pull) Linéarise la fonction précédente (annule les termes  d’ordre 2 en...
Bobine à noyau plongeur                           L  L0  L f  2k L0 L f  F (l f )                                    ...
Transformateur, transformateur d’isolement,transformateur d’intensité Le transformateur: un peu de magnétisme
Utilisation en haute tension
Application non-capteur:   transmission de puissance Plateforme 250 kV Alimentation 250  kV/10 mA=2.5kW Transfo d’isole...
Le transformateur d’isolementcomme capteur   Mesure de position du noyau   Alimenté en alternatif (sinusoïdal)   Electr...
 Les plus     excellente fiabilité : cest le capteur de déplacement de choix de      laviation civile     résiste à des...
Et comme capteur d’intensité   n1.i1 = n2.i2 + n1.i10   La précision sur la mesure de i1 est    d’autant meilleure que l...
Exemple: Mesure de forme d’impulsiondans un accélérateur (Bergoz)                    Pourquoi 50 ohms?
Disjoncteur différentiel Protection des personnes       8           1                                                 2  ...
Effet Hall: théorie Un champ magnétique appliqué sur un  conducteur ou un semi-conducteur crée  une différence de potenti...
IUn peu de théorie                                                 l                                                      ...
Vitesse des porteurs                                   I En 1 s, les charges  parcourent L=v               l             ...
F                                                 BForce de laplace Le champ                                   I  magnéti...
En définitive Courant                                          I                         I  E x elqn  E x l         ...
Exemples
Exemples: gaussmètres
Gaussmètres, suite De quelques centièmes de gauss à  quelques teslas. Sondes axiales ou radiales Calibration avec chamb...
Application: mesure de courant continu, non interceptive   Un circuit magnétique constitué de ferrite permet de canaliser...
Pyrométrie optique   Analyse du rayonnement    thermique   Définition: Le corps noir est    un objet idéal qui absorbe  ...
Energie rayonnée     Emissivité     Égale au coefficient      d’absorption                         Eréel  Ecorps_ noir...
Ash p554Anémomètre à fil: vitesse des fluides Echange thermique          PJ  R (T ) I 2  entre une thermistance  et un f...
Jauge Pirani: mesure de la résistance
Compléments: mesures en haute fréquence Que mesure t’on à haute fréquence? Haute fréquence, ça veut dire quoi Pourquoi ...
Le problème   Longueurs d’onde dans le vide       30 MHz: 10m       France-Inter: 3m       300 MHz: 1m       2.45 GHz...
Ondes progressives et stationnairesOS = onde incidente + onde réfléchie
Modélisation: équation des télégraphistes Ligne bifilaire (coax,  paire torsadée…)            escane On suppose la ligne...
En régime sinusoïdal (harmonique)           v    i             V                      L                    jLI    ...
En bout de ligne    x=0 sur la charge                 V  Ki ex  Kr ex                                         V0  K...
Sur la charge, en x=0V0  Ki  K r       jI0      Ki  K r                               LC      L              ...
Conclusion La ligne bifilaire est caractérisée par  son impédance caractéristique Si l’on termine la ligne par Zc, on n’...
Exemple de montage…et ça vaut pour les capteurs HF                                        Fréquencemètre          synthéti...
Bilan très simplifié                  x        x     V  Ki e  Kr e       I          Zc           j                ...
Application: tension et courant lelong d’une ligne (1) Circuit ouvert en bout           V0  K i  K r               V0 ...
Application: tension et courant lelong d’une ligne (2) Court circuit en bout          0  Ki  K r                 Zc I0...
Bilan   Principes des capteurs (inductifs, capacitifs, effet Hall,    résistifs, thermiques, optiques…)   Nous avons vu ...
Conditionneurs Conditionneurs de capteurs passifs   Montage potentiométrique et mesure des résistances     ou impédances...
 Ash page 54          Cinq types de          conditionnement
Qualités d’un conditionneur Sensibilité: Dépend du choix des impédances du  conditionneur (Zk)Figure c ash p54           ...
Linéarité - linéarisation Ex: capteur résistif (Rc) + conditionneur (résistances Rk,  k=1..N) La tension mesurée est sou...
Compensation des grandeurs d’influence Ex: dérive thermique        vm  es F ( Rc , Rk )                  vm Rc       ...
Le montage potentiométrique en général Attention aux grandeurs qui interviennent     Résistance générateur et entrée app...
Petit préambuleA      A      A     A        A                      1       2B             B     B...
Linéarisation du montage potentiométrique1.    Fonctionnement en petits signaux                         sensibilité  Rc  ...
Linéarisation du montagepotentiométrique (2)3.   Montage push-pull: R1 et R2 sont deux capteurs qui     varient en sens in...
Et si le capteur n’est pas purement résistif?    Trois cas     1. X1=0                                        Z1     2. X...
Second cas X1 et Xc de même  signe   Ex: deux inductances         Z1   Deux capteurs à    noyaux mobile monté     es   ...
Cas d’impédances capacitives Le principe est le même  mais…. Problème: les capacités  parasites Bis repetita: le capteu...
Troisième cas: parties imaginaires de signesopposés Le circuit devient un circuit résonnant Possibilité d’auto-oscillati...
Une impédance complexe c’est quoi? En haute fréquence, il n’y a pas de résistance, de  capacité ou d’inductance pure Il ...
Les ponts de mesure: objectifs Annuler la tension résiduelle    la tension mesurée n’est pas nulle pour m=0    La compo...
Le principe de base du pont         Mesure d’une tension          de déséquilibre                                        ...
Divers types de ponts Mesures  capacitives   Pont de Sauty    (capacité air)   Pont de Nernst
Divers types de pontsMesures inductives   Pont de    Maxwell   Pont de Hay
Exemple déjà vu: capteurs résistifs Montage 4 fils    Exemple: mesure d’une résistance en platine pour     mesure de tem...
Pont de Wheastone déséquilibré    (courant ou tension)        Principe du pont              De une à quatre résistances ...
Cas de deux résistances variables          Exemple: jauges extensométriques          Deux déformations égales et de sign...
Montage 3 fils    élimination de la résistance des fils de liaison R1  Rl R2  R  Rlvm        R2  R1     1    ...
Enfin: Système à quatre résistances variables Exemple: capteur de pression constitué de  4 jauges extensométriques montée...
Linéarisation du pont                                              Ea                         E    E I a                 ...
Conditionneur du capteur source de courant       Convertisseur courant-tension à ampli-op.       Circuit idéalisé (de pr...
Conditionneur du capteur source de charge   Cas simplifié       Le condensateur accumule la charge   Cas réel       il...
Oscillateurs   Convertir le signal utile en fréquence       Meilleure immunité aux parasites       Numérisation aisée (...
Modulation de fréquence Capteur monté sur  un circuit RLC                                              1                 ...
Modulation d’amplitude     Cas où le mesurande      varie périodiquement cos(a ) cos(b)                     1           ...
Modulation d’amplitude et détection synchrone Cas où le mesurande est  continu Supression de la composante  HF par filtr...
Télétransmission
Un vieux transparent                R2 R3  R1R4            Ri  R0     vm                           Ea            ( R1 ...
Conditionnement de signal : linéarisation       Résoud le problème        précédent                     E s Rc    1     ...
Autre procédé Linéarise le pont de Wheastone Supprime les fluctuations de l’alimentation du pont  grâce à un diviseur   ...
Amplification Quatre signaux de  mesures L’amplificateur à utiliser:  amplificateur différentiel Tension de mode  commu...
Principe de l’amplificateur différentiel Amplificateur: non  parfaitement symétrique                            v0  G v...
Bilan    Tension de sortie                                         G  G                                  v0          ...
Les impédances d’entrée de l’amplificateur Entre bornes d’entrée: impédance d’entrée  différentielle Zid Entre borne et ...
Sources de déséquibre entre voies (1) Déséquilibre série: l’impédance des                       Z mc  câbles de liaison i...
Taux de réjection associé Le déséquilibre série  entraîne une  réduction du taux de  réjection  équilibrer les  voies  ...
Sources de déséquibre entre voies (2)   Déséquilibre parallèle: effet des                 1    capacités parasites entres...
Conséquences et solutions   Dans le cas de voies    d’amenée équilibrées, on    trouveZ1  Z 2  R vdi  vd  jR(C1  C...
Compatibilité ElectroMagnétique ou CEM   Les 6 modes de couplages   Masse et terre   Câblage des masses   Blindage mag...
Passé et présent Règles des années 70   Basse fréquences   Masses connectées en étoile   Isolation galvanique à une de...
1] Effet d’un courant circulant dans unconducteur Impédance d’un  conducteur: toujours  non nulle Critique pour les  cir...
2] DDP variable entre un conducteur et lamasse la plus proche Lié à la capacité  masse/conducteur Couplage dit «  capaci...
3] Effet d’un courant variable dans un conducteur surun autre conducteur Diaphonie inductive Le champ  magnétique induit...
4] DDP variable entre un conducteur et unconducteur voisin Couplage par  diaphonie  capacitive La ddp entraîne un       ...
5] Champ électrique variable sur unconducteur Couplage dit «  champ à câble » Remède   Réduire l’effet    d’antenne du ...
6] Champ magnétique variable dans uneboucle Une variation de  flux crée une ddp Remède:   réduire la surface de    la b...
Mode commun et mode différentiel Faible couplage des perturbations en mode différentiel    Fort couplage des     perturb...
Une autre…
Trois remèdes pour le MC Exemple de la  disymétrie  d’impédance Remèdes en HF   Maillage des masses   Filtres référenc...
Couplage par impédance commune: quelquesordres de grandeurs Ddp entre les bornes d’une piste  de circuit imprimé de  5cmx...
Un autre exemple: conducteurdestiné à assurer l’équipotentialité Un conducteur de 10 m ne peut assurer l’équipotentialité...
Quelques remèdes à plusieurs problèmes      Couplage       capacitif       carte/châssis      DiaphonieMode différentiel...
Dernier exemple: diaphonie demode commun Pire cas: deux câbles voisins avec des conducteurs  de retour éloignés (effet de...
Le problème des masses La terre?   Destinée à écouler dans le sol des charges     extérieures au système   Protection d...
Exemple
En CEM, ce qui importe, c’est la masse Objectif: avoir un système aussi équipotentiel que  possible et protégeant de tout...
Solution
Le mythe des masses reliées en étoile ce que j’ai appris Et qu’il ne faut pas faire Solution: maillage Une liaison sup...
Une liaison supplémentaire pour améliorerl’équipotentialité des masses
Blindage électromagnétique Ex: protection contre  l’effet d’un claquage cage de Faraday. Maille du  grillage<longueur d...
Blindage magnétique Utilisation d’un blindage à très  forte perméabilité (mu-métal)       E  er / D Exemple: protectio...
Câblages et masses Dois je raccorder le blindage à gauche, à droite, ou  aux deux bouts, ou nulle part?                  ...
   Nulle part: sans intérêt (réduit cependant la diaphonie    capacitive en mode différentiel…soit) – Tuyau ouvert aux de...
Connexion bilatérale Très bonne protection contre le mode  commun HF (boîte fermée)                                  écra...
La règle: on ne connecte d’un côté que si,simultanément:   Les signaux sont en BF (quelques kHz)   Les signaux sont à ba...
 Le montage idéal          Figure 7.36 p 390 Le cas habituel   Le bout de câble    peut se comporter    comme une anten...
Un cas compliqué (thermocouple hautetempérature)
Doit on amplifier à la source?   Le mode commun, toujours le mode commun
Conclusion   Ayez le réflexe CEM!   Pensez que la CEM est incontournable   Consultez les ouvrages spécialisés   Pensez...
Merci de votre attention
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Capteurs

  1. 1. Capteurs et conditionneurs Jean-Marie De Conto IUT1 Grenoble – Mesures Physiques
  2. 2. Chaîne d’acquisition (1h) Chaîne d’acquisition  Fonctions de base  Grandeurs caractéristiques: étendue, précision, résolution, rapidité - Etalonnage  Contraintes environnementales  Températures, CEM Caractéristiques métrologiques de la chaîne  Incertitude, gain, décalage de zéro  Erreur de gain et de linéarité, dérive thermique  Bande passante et fonction de réponse Les calculs d’erreurs ne font pas partie de ce cours Un exemple de chaîne: capteur, conditionneur et la suite
  3. 3. Capteurs: zoologie (2h) Etendue de mesure et sensibilité Capteurs générateur de fem  Schéma de Thévenin  Thermocouple – Exemple – compensation de soudure froide Capteur générant un courant  Norton  Photodiode Capteur générant une charge  Quartz piézoélectrique, dynamomètre Capteur capacitif  A permittivité variable  A antenne Capteurs résistifs  Résistances métalliques  Thermistances  Jauges d’extensiométrie  Précautions d’emploi Capteurs inductifs  À variation d’inductance (noyau mobile)  A variation d’inductance mutuelle  Transformateur différentiel  Capteur toroïdal Capteurs pour milieux perturbés Capteurs à effet HALL Mesures HF
  4. 4. Conditionneurs et CEM Conditionneurs de capteurs passifs  Montage potentiométrique et mesure des résistances ou impédances complexes  Ponts (applications identiques)  Oscillateurs  Forme et spectre du signal en sortie de conditionneur Conditionneurs de signal  Adaptation source/chaîne  Linéarisation  Amplification  Réjection du mode commun  Amplificateur d’isolement  Détection
  5. 5. Préambule Allez voir les catalogues et les sites internet des fournisseurs Consultez les notes d’applications (application notes) The use of English is highly recommended
  6. 6. La chaîne d’acquisition Extraction de l’information: capteur - Physique Conversion en signal utile: conditionneur- Electronique Traitement analogique du signal: filtrage et amplification (d’instrumentation) Sélection – Multiplexage Numérisation, traitement et exploitation
  7. 7. Grandeurs caractéristiques: vocabulaire, notions intuitives Grandeur à mesurer: EM  mmax  mmin mesurande m Valeur obtenue: mesure M ex : Tmax  Tmin  700o C  100o C  600o C Etendue de mesure (EM) Incertitude à  m  1o C près  Voir cours de métrologie Erreur de précision de la m p  chaîne mmax  mmin  Peut s’estimer grâce à l’étalonnage de la chaîne m  M Résolution  Ex: convertisseur A/N 12bits M max  M min  Ex: bruit de fond  M min  Nombre de valeurs distinctes associables au mesurande dans l’étendue de mesure
  8. 8. Précautions préalables Rapidité  Bande passante  Temps de réponse  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  Soit FN=Fe/2. Une composante F1=FN + ΔF1> FN donne une composante à FN - ΔF1 (repliement de spectre, par battement)  Ex: un parasite à 50 Hz donne une composante 1 Hz, si l’on échantillonne à 49 Hz  Il peut être judicieux de filtrer AVANT échantillonnage!  De manière générale, tout appareil de mesure, ainsi que tout calculateur peut donner lieu à des artefacts  Comprendre ce que l’on mesure. Ex: terminaison 50 ohms en HF. Pourquoi?
  9. 9. Repliement de spectre et filtrage
  10. 10. Environnement Dérives diverses  Dérive en température Compatibilité ElectroMagnétique (CEM)  Parasites divers et variés  Bruit de fond  Amplificateur différentiel: forte réjection du mode commun  Problème de la réjection du mode série (perturbation différentielle)  Par couplage galvanique – effet d’un conducteur commun- (surtensions, problèmes de masse)  Par couplage magnétique – effet de l’induction magnétique locale - (blindage par mu-métal)  Par couplage électrique – effet d’un champ électrique parasite- (blindage, cage de Faraday)  Par couplage électromagnétique (claquage, radio, par exemple)  Dans tous les cas: circuits de masse, blindages etc…  Protections diverses des circuits d’entrée et des câbles  La CEM protège non seulement les mesures, mais les appareils! Respecter le domaine d’utilisation du capteur (performances et non destruction)
  11. 11. Caractéristiques métrologiques dela chaîne. Du déjà vu? La chaîne quasi parfaite, nominale, linéaire  Gn: gain du dispositif yn G n x  y0n  y0n: décalage de zéro (offset) Gain et offset ne sont pas y  Gx  y0 nominaux  Dépendent du point de fonctionnement  Dépendent de la y  (G) x  y0 température (surtout l’offset)  Erreur commise  Incertitude y y  A revoir y max  yon y max
  12. 12.  Erreur de gain ymax G  À offset constant y  Gx  y0  C  y max Gn Erreur de linéarité  Droite de régression 50  Définition de l’erreur de y = 2,9284 + 2,0002x R= 0,99996 linéarité Écart maximal entre la 40  mesure et la droite de régression, ramené à la pleine échelle 30 C (y ) L,max 20 L  y max 10 Nota: linéarité obligatoire??? 0 0 5 10 15 20Linéarisation: courbe d’étalonnage
  13. 13. Volts mesures du 23/05/2000 fil 20um laser/fil/ecran:30cm/1m 1.6 1.4 1.2 sortie fil entree fil 1Volts 0.8 0.6 0.4 0.2 0 50 100 150 200 Position (centiemes)
  14. 14. Dérives thermiques Erreur sur le gain seul G  Gn (1  G T )  y  G  x  y max  G  xmax y max  Gn  xmax y max G  G ,T     G Tmax y max Gn Erreur sur le zéro seul y0  yon (1   0 T )  y max   z Tmax dy0 z  dT y max  d 1 dy0  z Tmax  z Tmax  Tmax Ex: mV.oC-1 y max y max dT y max dT Ex: oC-1 de l’étendue de mesure
  15. 15. Temps de réponse, bande passante x (t )  X sin(t ) Bande passante à  près en régime sinusoïdal y (t )  Y sin(t   )  À mesurer  En sortie de chaîne G( F )  Y / X  Gain « dynamique »  Phase  (F ) G ( F )  G (0) G Y  Pour un système passe   G (0) G (0) Y bas classique G ( Fh )  G (0) Y  Fréquence haute Fh    fixé G (0) Y  Bande passante à  près
  16. 16. Systèmes du premier et du secondordre – rappels (?) Système linéaires e1 (t )  s1 (t )    e1 (t )  e2 (t )  s1 (t )  s2 (t ) e2 (t )  s2 (t )  Systèmes régis par une équation différentielle du type (à coefficients constants réels) ds(t ) A  Bs (t )  e(t ) dt d 2 s (t ) ds(t ) A 2 B  Cs(t )  e(t ) dt dt
  17. 17. Résolution ds(t )  Bs (t )  e(t ) e  Ee jt A dt A d 2 s (t ) 2 B ds(t )  Cs(t )  e(t ) s  Se j (t  ) dt dt Premier ordre – Fréquence de coupure E E 1/ B ( jA  B ) Se j  E  S    E jA  B B 2  A2 2 2 1 2 c j E 1/ B 1/ B Se   E E jA  B 1  jA / B 1  pA / B B Fonction de c  A transfert
  18. 18. Gain: 3dB/octave w/wc
  19. 19. Second ordre(  A 2  jB  C ) Se j  E E E Se j    A 2  jB  C Ap 2  Bp  C E E 1/ CS    E  A  jB  C 2   2 C  A 2  B 2 2  2  1   2 2 2   2   4  2  c  c Cc  A B  2C
  20. 20. GAINAmortissement de 0.1à1 w/wc
  21. 21. Circuits du premier ordre  pas d’oscillations  Gain ? G0G( F )  1  F / Fc 2 2G 1 1F   1    H     FH  Fc  2G0 1  FH / Fc 2 2  Fc   
  22. 22. Circuit du second ordre•Oscillations G0G( F )  1  F / F    4 c 2 2 2 F / Fc 2  F    2    2G F    H  1 2G 0  c FH  Fc
  23. 23. Temps de réponse à  près Exemple: pour un circuit du premier ordre de constante de temps   y (t )  Y 1  e  t /   t ( )   e 
  24. 24. Nota: hystérésis Peut concerner la mesure (champ magnétique par exemple) Peut concerner le capteur (déformation par exemple) Hystérésis d’un électro- aimant
  25. 25. Etalonnage Direct ou absolu, via un ETALON Indirect ou par comparaison  À partir d’un capteur supposé connu Etalonnage multiple  Ex: cas d’une hystérésis  RAZ du capteur m=M=0  Courbe M=f(m) pour m croissant puis décroissant.  Prise en compte des aspects bande passante  Amplitude de m constante et fréquence variablemesures M différentes  Fréquence fixe et amplitude variable idem
  26. 26. Capteurs: zoologie (2h) Etendue de mesure et sensibilité Capteurs générateur de fem  Schéma de Thévenin  Thermocouple – Exemple – compensation de soudure froide Capteur générant un courant  Norton  Photodiode Capteur générant une charge  Quartz piézoélectrique, dynamomètre Capteur capacitif  A permittivité variable  A antenne Capteurs résistifs  Résistances métalliques  Thermistances  Jauges d’extensiométrie  Précautions d’emploi Capteurs inductifs  À variation d’inductance (noyau mobile)  A variation d’inductance mutuelle  Transformateur différentiel  Capteur toroïdal Capteurs pour milieux perturbés Capteurs à effet HALL
  27. 27. Thermocouples: lois physiques Effet Peltier: à la jonction de deux conducteurs A et B différents mais à même température apparaît une fem Effet Thomson: entre deux points M et N à température différente au sein d’un même métal homogène apparaît une fem Thermocouple: effet Seebeck = Peltier+thomson
  28. 28. Thermocouples: génèrent une fem Deux conducteurs différents, dont au moins un est un alliage, mis en contacthttp://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/NTPF2/SERIE1/therrath.htm#effet%20thermo
  29. 29. Thermocouple – Lois – compensation de soudure froide Lois des températures successives Lois des métaux successifs A A C A Lois des métaux = + + intermédiaires: T1 T2 T1 T3 T3 T3 T3 T2 prolongateur B B C B Compensation de soudure froide  On compense la température ambiante  Electriquement  Avec une sonde de température locale+logiciel
  30. 30. Pour tout savoir: consultez lecatalogue! Les plus: le prix, pas de pièces mobiles, grande gamme, assez rapide, bonne répétabilité Les moins: faible sensibilité (50V/oC environ). Basse fem et donc sensible au bruit. Sensibilité limitée environ au demi degré Non linéaires mais la courbe est connue Compensables facilement
  31. 31. Capteurs générant un courant: photodiode Silicon Photodiode Silicon PIN Photodiode Silicon Photodiode Array With Preamp / Cooler Silicon APD - Avalanche APD Modules X-ray Detector Two-color Detector Silicon Photodiode: Featuring high sensitivity and low dark current, these photodiodes are specifically designed for precision photometry in a wide range of fields. PIN Photodiodes: Deliver a wide bandwidth with a low bias, making them ideal for high-speed photometry as well as optical communications.Diode PIN, avalanche??? Hamamatsu
  32. 32. Photodiode (HP)I d  I 0  I  I 0  S d I0: Courant inverseΦ: puissance incidente
  33. 33. Montages de base  Augmenter Rm (base): réduit le bruit mais aussi la rapidité  C2 compense Cp1 (R1Cp1=R2C2) – Montage rapide  Le courant d’entrée et la dérive thermique doivent rester faibles pour le second montage.  R v0  Rm 1  2  I r (classique )   R1  v0  R1  R2 I r (rapide)
  34. 34. Montages photovoltaïques  A réponse linéaire  Mesure de Icc  Logarithmique  Mesure de Vco en circuit ouvertv0  Rm I cc (linéaire)  R v0  1  2  Vco (log)  R1 
  35. 35. Applications/exemples  Mesure de rayons X ou béta Montage photovoltaïque  Convertisseur lumière fréquencehttp://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-photodiode/applications.php
  36. 36. Générateur de charges:  Effet piézoélectrique du quartz, de céramiques ou de polymères.  Effet pyroélectrique (sulfate de triglycine….soit!)  Métallisation des faces du capteur→fabrication d’un condensateur Exemple: dynamomètre à quartz Q Q=dFe (Thévenin) C d=2.13*10-12 C/N pour le quartz (coupe X) dQi (Norton) dt2pF sous 1 V!!
  37. 37. C’est un résonateur du second ordre fn: fréquence de résonnance f : fréquence d’utilisation Q: facteur de qualité (10-40) ab: accélération à fn – gain 1 Un filtrage passe bas est envisageable pour éviter la bosse
  38. 38. Remarques diverses Ici: Modèle haute impédance avec convertisseur de charge EXTERNE, ou basse impédance avec convertsseur de chrge INTERNE (nécessite une alim externe) Achat d’un coupleur=achat des accessoires: câbles etc!!Beware the cost
  39. 39. Capteurs capacitifs Capacité d’un condensateur plan S C   r 0 Cylindrique e Modification de la permittivité L  Température C  2 r 0  Hygrométrie lnr2 / r1   Niveau de liquide isolant Modification de la géométrie  Pression (microphone)  Pression de fluide – membrane  Déformation de solide (jauge extensométrique) Exemple de capteur de pression avec conversion par variation de capacité (Doc. VEGA). Figure 8.7 p114 capteurs
  40. 40. Capteurs résistifs Résistances métalliques  R(T )  R0 1  AT  BT 2  CT 3   Ex: platine (- 200+1000oC) Thermistances  Agglomérés d’oxydes métalliques   1 1  R(T )  R0 exp  B     Jauges   T T0    d’extensométrie  Métalliques (K=2..4) R L  A semi-conducteurs K R L (K=+-50..+-200)
  41. 41. •Sous ampoule de verre •Protection •Inertie thermique: dizaines de secondes à plusieurs minute•En couche mince
  42. 42. Thermistances Non linéaires Dérive au cours du temps Effet thermique (Joule) local
  43. 43. Du réseau simple à la haute technologie
  44. 44. Capteurs inductifs : un peu de magnétismepour commencer. Notion de reluctance.   l l   B B B  H   r  0 H Hdl  lm  l0 0   m  0  B  0   0       Hdl  NI N 2S N2 L   l m l0  R         LI  NSB  0 NSB N 2 SB N 2 SB L     R  l m  l0  l m l  0 I NI H dl  S S0 S m  r 0 S0 0 R: reluctance du circuit
  45. 45. Application: capteur à entrefer variable lm l0  2x l0  2x l  2x  R ( x )     0 1    S S0 S0 0 S 0  l0   N 2 S0  2 x  L  N 2 S 0  1     2x   l0   1     l0   x L  2  0 N 2 S l0
  46. 46. Améliorations Circuits à variation opposée (push pull) Linéarise la fonction précédente (annule les termes d’ordre 2 en Δx)
  47. 47. Bobine à noyau plongeur L  L0  L f  2k L0 L f  F (l f ) N2 L0  0 2 s(l  l f ) l N2 L0: self air L f  0 2 s r l f l Lf: self avec noyau Section (~constante) de la bobine Correction de linéarité par montage push-pull
  48. 48. Transformateur, transformateur d’isolement,transformateur d’intensité Le transformateur: un peu de magnétisme
  49. 49. Utilisation en haute tension
  50. 50. Application non-capteur: transmission de puissance Plateforme 250 kV Alimentation 250 kV/10 mA=2.5kW Transfo d’isolement 220V-220V plusieurs kW secteur
  51. 51. Le transformateur d’isolementcomme capteur Mesure de position du noyau Alimenté en alternatif (sinusoïdal) Electronique aval requise (cf conditionneurs) Fonctionnement en « différentiel »  La sortie signal du conditionneur est proportionnelle à la différence de la tension des deux secondaires. Fonctionnement en « différentiel sur somme »  La sortie signal du conditionneur est proportionnelle à la différence de la tension des deux secondaires, rapportée à leur somme.
  52. 52.  Les plus  excellente fiabilité : cest le capteur de déplacement de choix de laviation civile  résiste à des environnements très sévères (températures extrêmes, vide ,hautes pressions)  capteur sans contacts  encombrement réduit  coût relativement faible  excellente résolution (de lordre de 0.1µm) les moins  complexité du conditionnement  plusieurs capteurs lun à côté de lautre peuvent se perturber mutuellement sils sont alimentés à la même fréquence  précision « moyenne »  fabrication délicate
  53. 53. Et comme capteur d’intensité n1.i1 = n2.i2 + n1.i10 La précision sur la mesure de i1 est d’autant meilleure que le courant magnétisant i10 est faible. La diminution du courant magnétisant est obtenue par:  une faible résistance de l’enroulement secondaire  un excellent couplage magnétique de l’enroulement secondaire (qualité du bobinage)  l’emploi d’un circuit magnétique à très forte perméabilité Si secondaire ouvert n1.i1 = n1.i10. flux très important, pertes considérables dans le circuit magnétique et destruction tension importante et dangereuse aux Mesures en continu: capteur bornes du secondaire à effet HALL
  54. 54. Exemple: Mesure de forme d’impulsiondans un accélérateur (Bergoz) Pourquoi 50 ohms?
  55. 55. Disjoncteur différentiel Protection des personnes 8 1 2 7 3 6 4 5
  56. 56. Effet Hall: théorie Un champ magnétique appliqué sur un conducteur ou un semi-conducteur crée une différence de potentiel entre les bords du conducteur
  57. 57. IUn peu de théorie l L e Tension et champ V  Ex L électrique L R Résistance el Courant V E x Lel E x  Proportionnel à Ex I    Aqnel  Proportionnel à q, n, R L  et el Facteur de  I  E x elqn proportionalité: mobilité n: densité électronique (electrons/m3), q charge de l’électron
  58. 58. Vitesse des porteurs I En 1 s, les charges parcourent L=v l L e Volume: elL=elv I  E x elqn dQ qN (electrons / sec) I   qnelv dt 1sec  v  E x
  59. 59. F BForce de laplace Le champ I magnétique crée l une force e L transverse Les électrons    s’accumulent sur F  qv  B  F  qvB  qE x B une des faces et créent un champ transverse Ey qE x B  qE y  E y  E x B A l’équilibre VHall  E y l  E x lB
  60. 60. En définitive Courant I I  E x elqn  E x l  qen 1 I Tension Hall Vhall  B qn e 1 Kh  Constante de Hall qn En fait, à cause des 3 1 phonons: Kh  8 qn
  61. 61. Exemples
  62. 62. Exemples: gaussmètres
  63. 63. Gaussmètres, suite De quelques centièmes de gauss à quelques teslas. Sondes axiales ou radiales Calibration avec chambre de zéro Zone active: de 1 à quelques mm2 Linéarité au % Pour des mesures de précision ou absolues: sondes NMR ou RMN
  64. 64. Application: mesure de courant continu, non interceptive Un circuit magnétique constitué de ferrite permet de canaliser le flux crée par le conducteur parcouru par le courant I . Un générateur de courant constant fournit le courant Io. Une tension Vh proportionnelle au courant Io et à linduction produite par le courant I apparait . Cette tension est amplifiée pour fournir un courant i dans les N spires du bobinage secondaire, de façon à produire un flux opposé à celui crée par I. A léquilibre: B = 0 et I = N * i
  65. 65. Pyrométrie optique Analyse du rayonnement thermique Définition: Le corps noir est un objet idéal qui absorbe l’intégralité des rayonnements reçus. Il rayonne selon la loi du corps noir, qui se base sur le thermodynamique statistique Grandeur importante: la luminance en Wm-2sr-1m-1 L  a exp( bT  1) Rappel: loi de Stefan E  T 4   5.67 108Wm2 K 4
  66. 66. Energie rayonnée  Emissivité  Égale au coefficient d’absorption Eréel  Ecorps_ noir  <1  Très faible, par exemple, pour le cuivre poliQuelques problèmes:•L’émissivité•La sélectivité (un point chaud au milieu d’unthermostat)•La calibration
  67. 67. Ash p554Anémomètre à fil: vitesse des fluides Echange thermique PJ  R (T ) I 2 entre une thermistance et un fluide Basé sur la conduction Pe  kS (T  T f ) Basé sur un équilibre PJ  Pe Relié à la vitesse du fluide  Formule empirique de k  ab v King  Relié au nombre de Nusselt Nu  k Nu D
  68. 68. Jauge Pirani: mesure de la résistance
  69. 69. Compléments: mesures en haute fréquence Que mesure t’on à haute fréquence? Haute fréquence, ça veut dire quoi Pourquoi termine t’on les câbles coaxiaux par 50 ohms? Y a-t-il des circuits spécifiques à la HF?
  70. 70. Le problème Longueurs d’onde dans le vide  30 MHz: 10m  France-Inter: 3m  300 MHz: 1m  2.45 GHz (four microonde): ~10 cm Conséquence  Si la longueur des connexions devient comparable ou inférieure à la longueur d’onde, les temps de propagations ne peuvent être négligés  Une variation de tension à un bout de câble ne se transmet pas instantanément à l’autre bout  Propagation de cette variation: onde incidente  Il se passe la même chose dans l’autre sens: onde réfléchie  Onde incidente+onde réfléchie = onde stationnaire On ne sait plus ce que l’on mesure Un conducteur n’est plus équipotentiel La notion de tension perd du sens
  71. 71. Ondes progressives et stationnairesOS = onde incidente + onde réfléchie
  72. 72. Modélisation: équation des télégraphistes Ligne bifilaire (coax, paire torsadée…) escane On suppose la ligne sans pertes v i i  Ri  L  L R=0 dx dt dt G=0 (résistance infinie i v v  Gv  C C entre fils) dx dt dt L et C: inductance et capacité linéiques
  73. 73. En régime sinusoïdal (harmonique) v i V  L  jLI   V 2 dx dt dx   2   LC 2V i v I  jCV  C dx dx dt dx   V  V ( x )e jt    LC    j LC 2 2 I  I ( x )e jt V  Ki ex  K r e x V est la somme d’une onde incidente et d’une onde réfléchie
  74. 74. En bout de ligne  x=0 sur la charge V  Ki ex  Kr ex V0  Ki  Kr  Et le courant? jVdx  jLI  I  1 V jL dx  j V L dx  L  Ki ex  K r e x  j I0   Ki  K r  L
  75. 75. Sur la charge, en x=0V0  Ki  K r jI0   Ki  K r    LC L   I0  Ki  K r   Ki  K r  C  L L  j LC  V Z K  K r   I 0  Z c Ki  K r  L Z 0  c iZc  C I0 Ki  K r Z  Z c  Ki  K r  Ki  K r  K r  0
  76. 76. Conclusion La ligne bifilaire est caractérisée par son impédance caractéristique Si l’on termine la ligne par Zc, on n’a L pas d’onde réfléchie On a adaptation Zc  On sera adapté si toute ligne est C terminée par Zc Souvent Zc=50 ohms Si la charge est 0 ou infini (court circuit ou circuit ouvert) on a 100% de réflexion Nous nous sommes limités aux lignes sans pertes
  77. 77. Exemple de montage…et ça vaut pour les capteurs HF Fréquencemètre synthétiseur Té magique ou SPLITTERChaque liaison voit 50 ohms circuitLes appareils ont uneimpédance d’entrée de 50ohms
  78. 78. Bilan très simplifié x x V  Ki e  Kr e I Zc j  x Ki e  K r e x 
  79. 79. Application: tension et courant lelong d’une ligne (1) Circuit ouvert en bout V0  K i  K r  V0   Ki  K r  I0  0  2 V  V0 cos(x ) A /4, l’impédance vue est un court-circuit A /2, l’impédance vue est un circuit ouvert
  80. 80. Application: tension et courant lelong d’une ligne (2) Court circuit en bout 0  Ki  K r  Zc I0   Ki   K r  Zc I0  0  2 I  I 0 sin(x ) A /4, l’impédance vue est un circuit ouvert A /2, l’impédance vue est un court circuit
  81. 81. Bilan Principes des capteurs (inductifs, capacitifs, effet Hall, résistifs, thermiques, optiques…) Nous avons vu le principe de la chaîne de mesure  Linéarité (ou non)  Dérives (thermiques)  Calibration Le capteur prélève une énergie infime  Le capteur est sensible aux parasites, aux dérives etc…  Il est indispensable de bien comprendre le principe de la mesure  Il est indispensable de considérer tout ce qui intervient dans la mesure  Impédances internes des générateurs  Impédance d’entrée des appareils de mesures  Capacités parasites dont celles d’entrées des appareils  Pas d’a priori
  82. 82. Conditionneurs Conditionneurs de capteurs passifs  Montage potentiométrique et mesure des résistances ou impédances complexes  Ponts (applications identiques)  Oscillateurs  Forme et spectre du signal en sortie de conditionneur Conditionneurs de signal  Adaptation source/chaîne  Linéarisation  Amplification  Réjection du mode commun  Amplificateur d’isolement  Détection
  83. 83.  Ash page 54 Cinq types de conditionnement
  84. 84. Qualités d’un conditionneur Sensibilité: Dépend du choix des impédances du conditionneur (Zk)Figure c ash p54 Z c  Scap  m  Z c vm  S  Scap Scdt  vm  m Z c Scdt   Z c  
  85. 85. Linéarité - linéarisation Ex: capteur résistif (Rc) + conditionneur (résistances Rk, k=1..N) La tension mesurée est souhaitée la plus linéaire possible vm  es F ( Rc , Rk )  vm Rc vm Rk   dvm  es    dm  Rc m  k Rk m  Aussi constant que possible Ex: Montage potentiométrique  vm  Rc  R  es R  R 2 Rc  1 es  dRc dR v m  es  S   Rc 1  c 1 R1  dm Rc  R1  vm  es R1 Rc  R1 2  dm   Rc  Rc  R1 2Deux capteurs identiques fonctionnant en opposition
  86. 86. Compensation des grandeurs d’influence Ex: dérive thermique vm  es F ( Rc , Rk )  vm Rc vm Rk   dvm  es   0 voulu dg  Rc g  k Rk g  Exemple: une seule des résistances est soumise à la grandeur d’influence et est choisie égale à Rc (cas de l’exemple précédent) vm vm  Rc Rk
  87. 87. Le montage potentiométrique en général Attention aux grandeurs qui interviennent  Résistance générateur et entrée appareil  Capacités parasites (dont entrée appareil) Rc Rd Rc v m  es  es Rc ( Rs  R1 )  Rd ( Rs  R1  Rc ) Rs  R1  Rc Rd  Rc Inconvénient: sensible aux parasites et aux dérives du générateurFigure ash p57
  88. 88. Petit préambuleA A A   A  A   1       2B    B  B B B B B 1    B A A B  A    B  B B 2
  89. 89. Linéarisation du montage potentiométrique1. Fonctionnement en petits signaux sensibilité Rc  Rc 0   Rc 0   Rs  R1 v m  es  vm 0   Rs  R1  Rc 0   Rs  R1  Rc0 2Sensibilité maximum pour Rs  R1  Rc0 es  vm  vm 0  4 Rc 02. Alimentation par une source de courant (ex: TD sur thermistance) vm  vm0  i
  90. 90. Linéarisation du montagepotentiométrique (2)3. Montage push-pull: R1 et R2 sont deux capteurs qui varient en sens inverse (TD1) Cas d’une grandeur d’influence: Le push pull entraîne une compensation R1 La sensibilité varie R2 es  vm vm  vm 0  4 Rc 0
  91. 91. Et si le capteur n’est pas purement résistif?  Trois cas 1. X1=0 Z1 2. X1 de même signe que Xc es 3. X1 et Xc de signes Zc opposés 1. Montage simple Z c  Rc  jX c es Z1  R1  jX1R1  Z c  vm  vm0  Z c R1
  92. 92. Second cas X1 et Xc de même signe  Ex: deux inductances Z1  Deux capteurs à noyaux mobile monté es en push pull.  Linéarisation Zc  Possibilité de compensation des grandeurs d’influence
  93. 93. Cas d’impédances capacitives Le principe est le même mais…. Problème: les capacités parasites Bis repetita: le capteur fournissant une énergie infime, la capacité du capteur est infime Travailler en différentiel via un pont, par exemple, et mesurer une VARIATION de capacité
  94. 94. Troisième cas: parties imaginaires de signesopposés Le circuit devient un circuit résonnant Possibilité d’auto-oscillation 1 L20 2 0  2f 0   vm  kI r LC r
  95. 95. Une impédance complexe c’est quoi? En haute fréquence, il n’y a pas de résistance, de capacité ou d’inductance pure Il y a toujours, notamment, une capacité parasite On peut MODELISER une capacité ou une inductance Figure ash page 83
  96. 96. Les ponts de mesure: 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
  97. 97. Le principe de base du pont  Mesure d’une tension de déséquilibre Z1  On néglige l’effet des Vg  V impédances d’entrée Z1  Z 2 V des appareils de mesure Z3  Une des impédances Vd  V Vmes Z2 Z4 est le capteurs Z3  Z4  Les autres servent à équilibrer, à Vmes  Vg  Vd linéariser ou compenser les grandeurs d’influence Z1 Z3 Vd Vg Z1 Z3Vmes  0    0  Z1Z 4  Z 2 Z 3 Z1  Z 2 Z 3  Z 4 Cas de résistances pures: Pont de Wheastone
  98. 98. Divers types de ponts Mesures capacitives  Pont de Sauty (capacité air)  Pont de Nernst
  99. 99. Divers types de pontsMesures inductives  Pont de Maxwell  Pont de Hay
  100. 100. Exemple déjà vu: capteurs résistifs Montage 4 fils  Exemple: mesure d’une résistance en platine pour mesure de température  Mesure assez grossière  Inadapté pour de petites variations de température, donc de résistance  La solution: montage en pont (déséquilibré) Montage 4 fils
  101. 101. Pont de Wheastone déséquilibré (courant ou tension)  Principe du pont  De une à quatre résistances peuvent varier R2 R3  R1R4 R2 R3  R1R4 vm  Ea vm  Ia ( R1  R2 )( R3  R4 ) Ri  R0 R1  R2  R3  R4 R2  R0  R R Ea R Ea 1 Ia Ivm  1  mais pas toujours vm  R  R a mais pas toujours R 4 4 R0 1  R 4 R0 4 1 2 R0 4 R0
  102. 102. Cas de deux résistances variables  Exemple: jauges extensométriques  Deux déformations égales et de signe opposé (push pull)  Elimination de la variation de la résistance des fils de liaison Rl qui est commune –et disparaît dans la différence- R3  R4  R0 R1  R0  R1 R2  R0  R2 R2  R1 1 Ea 1 Iavm  vm  R2  R1 R0 R  R2 4 R  R2 4 1 1 1 1 2 R0 2 R0 Possibilité de compenser. Exemple: R Ea R2  R  R  vm  R0 2
  103. 103. Montage 3 fils  élimination de la résistance des fils de liaison R1  Rl R2  R  Rlvm  R2  R1 1 Ea R Ea R0 R  R2 4 1 1 vm  2 R0 R0 4
  104. 104. Enfin: Système à quatre résistances variables Exemple: capteur de pression constitué de 4 jauges extensométriques montées en pont sur un diaphragme R1  R0  R R vm   Ea R2  R0  R R0 R3  R0  R1 ou R4  R0  R1 vm   R  I aPush pull + compensation d’une grandeur d’influence
  105. 105. Linéarisation du pont Ea E E I a I gauche   vampli  ( R0  R ) a 2 R0 R R 1  E  R0 I  ( R0  R ) I  vm  Ea I droit   Ea  ( R0  R ) a  2 R0  R  R vm   Ea R 2 R0 vm   Ea 2 R0
  106. 106. Conditionneur du capteur source de courant  Convertisseur courant-tension à ampli-op.  Circuit idéalisé (de principe) R  Objectif: Faire R élevée  Coût -  Bruit  Encombrement + v  iR  Montage en T i Inconvénient: Offset et bruit de fond accrus en sortie Ampli Courant polarisation<<courant à mesurer Anneau de garde   R    R v  i  R1 1  2   R2   iR1 1  2     R    R3      3
  107. 107. Conditionneur du capteur source de charge Cas simplifié  Le condensateur accumule la charge Cas réel  il faut assurer la circulation du courant de polarisationrésistance  Les câbles de liaison ont une influence considérable  HF: v est divisé par Ccable  BF: v est divisé par Rcable i  Ne pas modifier les câbles! v0  iZ    intégration (I  Q) Cp Q v0   C Q( p) RCp v0    passe haut C 1  RCp
  108. 108. Oscillateurs Convertir le signal utile en fréquence  Meilleure immunité aux parasites  Numérisation aisée (comptage)  Télétransmission possible Oscillateur Clapp et quartz piézoélectrique
  109. 109. Modulation de fréquence Capteur monté sur un circuit RLC 1 2f 0  0  LC Modulation de fréquence par le f  f 0  km mesurande
  110. 110. Modulation d’amplitude  Cas où le mesurande varie périodiquement cos(a ) cos(b)  1 cos(a  b)  cos(a  b) es ~ 2vmes  km cos(g t )    vmes  km0 cos(g t ) cos(mt )m  m0 cos(mt )  Composantes spectrales à fg+fm et fg-fm km0 cos (g  m )t   cos (g  m )t  1 vmes  Suppression de 2 porteuse
  111. 111. Modulation d’amplitude et détection synchrone Cas où le mesurande est continu Supression de la composante HF par filtrage passe bas es ~ Obtention d’un niveau continu vmes  km cos( g t )    Y  A cos( g t   )   Xvmes  kmA 2  cos   cos( 2 g t   )  
  112. 112. Télétransmission
  113. 113. Un vieux transparent R2 R3  R1R4 Ri  R0 vm  Ea ( R1  R2 )( R3  R4 ) R2  R0  R R 1 Ea R Ea vm   mais pas toujours R0 1  R 4 R0 4 2 R0
  114. 114. Conditionnement de signal : linéarisation  Résoud le problème précédent E s Rc 1 vm  4 Rc 0 1  Rc 2 Rc 0 VxV y v m vlv0  Eref Eref Eref proportionnel à E s v m vlvl  avm  bv0  avm  b b 2 Eref Eref Es avm E Rc 1 vl   s bv 1 m 4 Rc 0 Rc  b E s  1   1 Eref 2 Rc 0  2 Eref   
  115. 115. Autre procédé Linéarise le pont de Wheastone Supprime les fluctuations de l’alimentation du pont grâce à un diviseur Es Rc 1 Rc vm   vl  10 4 Rc 0 1  Rc 2 Rc 0 2 Rc 0
  116. 116. Amplification Quatre signaux de mesures L’amplificateur à utiliser: amplificateur différentiel Tension de mode commun Tension différentielle vd  v2  v1 v1  v2 vmc  2  v  v1  vmc  d  2  v  v  v d  2  mc 2
  117. 117. Principe de l’amplificateur différentiel Amplificateur: non parfaitement symétrique v0  G vi 2  G vi1 Tension différentielle d’entrée vdi  vi 2  vi1 Tension de mode  commun d’entrée  vi 2  vi1 vmci   2
  118. 118. Bilan Tension de sortie G  G v0  vdi  G  G vmci 2 Gain différentiel Gain de mode G  G commun Gd  2 Taux de réjection Gmc  G  G du mode commun (Common Mode Rejection Ratio) en dB Gd 1 G  G Ex: r   CMRR=105↔100 dB Gmc 2 G  GLe CMRR décroît avec la fréquence, mais aussi selon les liaisons avecla source de signal
  119. 119. Les impédances d’entrée de l’amplificateur Entre bornes d’entrée: impédance d’entrée différentielle Zid Entre borne et masse de l’amplificateur: impédance de mode commun ZmcGrande résistance, capacitéfaible: fréquence de coupureBASSE
  120. 120. Sources de déséquibre entre voies (1) Déséquilibre série: l’impédance des Z mc câbles de liaison introduit une vi 2  v2 Z mc  Z 2 différence sur la tension différentielle aux bornes de l’ampli Z mc vi 2  v1 Z mc  Z1 Z mc  Z1,2 Z1  Z 2 Z vdi  vd  vmc  vd  vmc Z mc Z mc
  121. 121. Taux de réjection associé Le déséquilibre série entraîne une réduction du taux de réjection  équilibrer les voies  1    Z 1   1   v0  Gd vdi  vmci   Gd vd    vmc   Gd vd  vmc   r     Z mc  r        eff   1 Z 1    eff Z mc  r
  122. 122. Sources de déséquibre entre voies (2) Déséquilibre parallèle: effet des 1 capacités parasites entres Z mc1  jC1 conducteurs et masse Si la capacité parasite est 1 Z mc 2  prédominante par rapport à jC2 celle d’entrée Effet de diviseur, également Z mc 2 vi 2  v2 Z mc 2  Z 2 Z mc1 vi1  v1 Z mc1  Z1
  123. 123. Conséquences et solutions Dans le cas de voies d’amenée équilibrées, on trouveZ1  Z 2  R vdi  vd  jR(C1  C2 )vmc Bilan  Équilibrer les impédances  Porter le blindage d’amenée au potentiel de mode commun par un anneau de garde
  124. 124. Compatibilité ElectroMagnétique ou CEM Les 6 modes de couplages Masse et terre Câblage des masses Blindage magnétique Blindage électromagnétique
  125. 125. Passé et présent Règles des années 70  Basse fréquences  Masses connectées en étoile  Isolation galvanique à une des extrémités  Effet: réduction des parasites de mode commun Règles des années 2000  Hautes fréquences  Les couplages par rayonnement, influence etc deviennent prédominants  Prise en compte des aspects HF et inductifs  Conception soumises à des règles sévères, en amont.  Maillage des masses. Equipotentialité
  126. 126. 1] Effet d’un courant circulant dans unconducteur Impédance d’un conducteur: toujours non nulle Critique pour les circuits à bas niveau ou rapides Couplage dit par impédance commune Remède: abaisser l’impédance commune et/ou les courants parasites
  127. 127. 2] DDP variable entre un conducteur et lamasse la plus proche Lié à la capacité masse/conducteur Couplage dit « capacitif carte à châssis » ou « par effet de main » Remède:  réduire les capacités (comment???)  Avoir un châssis équipotentiel avec la masse
  128. 128. 3] Effet d’un courant variable dans un conducteur surun autre conducteur Diaphonie inductive Le champ magnétique induit une ddp dans le conducteur Remède  Réduire les inductances mutuelles  Réduire le di/dt
  129. 129. 4] DDP variable entre un conducteur et unconducteur voisin Couplage par diaphonie capacitive La ddp entraîne un Charoy 1 p 18 champ électrique qui génère un courant Remède  Réduire la capacité mutuelle  Réduire le dU/dt du circuit coupable
  130. 130. 5] Champ électrique variable sur unconducteur Couplage dit « champ à câble » Remède  Réduire l’effet d’antenne du câble victime  Blindage électromagnétique (cage de Faraday)
  131. 131. 6] Champ magnétique variable dans uneboucle Une variation de flux crée une ddp Remède:  réduire la surface de la boucle  blindage
  132. 132. Mode commun et mode différentiel Faible couplage des perturbations en mode différentiel  Fort couplage des perturbations sur le mode commun: c’est LE problème de la CEM  Se propage sur tous les conducteurs et revient par la masse  Masse = équipotentielle + Fig 1.12 et poubelle de mode commun 1.13  Un câble pollué pollue TOUS les autres
  133. 133. Une autre…
  134. 134. Trois remèdes pour le MC Exemple de la disymétrie d’impédance Remèdes en HF  Maillage des masses  Filtres référencés à la masse mécanique  Ferrites sur les câbles
  135. 135. Couplage par impédance commune: quelquesordres de grandeurs Ddp entre les bornes d’une piste de circuit imprimé de 5cmx0.3mm, sous 1A? 83 mV! Effet de peau, par rapport au cuivre, soit 1cm à 50 Hz! 66 Application: à 100 MHz, une  ( m)  plaque de cuivre est 4 fois plus  r  r f MHz résistante qu’en continu (4mΩ/carré) Une plaque de 17 m a la même résistance qu’une plaque épaisse (l’épaisseur ne joue pas) R  L / S  L / Le   / e ( / carré )
  136. 136. Un autre exemple: conducteurdestiné à assurer l’équipotentialité Un conducteur de 10 m ne peut assurer l’équipotentialité au-delà de …1 MHz, soit 300m – Problème d’inductance Un conducteur ne doit pas dépasser /30 pour assurer l’équipotentialité HF Ex: =1m à 300 MHz3cm Pour réduire une perturbation d’un facteur 5: 6mm! Règle de base: L/d<5 Interconnexions de masse
  137. 137. Quelques remèdes à plusieurs problèmes  Couplage capacitif carte/châssis  DiaphonieMode différentielEx: un seul câble0V dans une nappe
  138. 138. Dernier exemple: diaphonie demode commun Pire cas: deux câbles voisins avec des conducteurs de retour éloignés (effet de boucle) Solution: Supprimer les boucles par anneau de garde
  139. 139. Le problème des masses La terre?  Destinée à écouler dans le sol des charges extérieures au système  Protection des personnes (il faut surtout une EQUIPOTENTIELLE)  Evacuation des courants de fuite par les conducteurs de terre  Référence de potentiel (ex: remplissage de kérosène)  Evacuation de mode commun externe (ex: surtensions limitées par écrêteur, parafoudre).  Ouvrages HT: abaisser la résistance de terre  Effet sur une antenne (terre=réistance de pertes)  Terre « crypto »: illusoireblindage  Terre « fonctionnelle » (télégraphe)
  140. 140. Exemple
  141. 141. En CEM, ce qui importe, c’est la masse Objectif: avoir un système aussi équipotentiel que possible et protégeant de tout parasite Trois exemples de boucles
  142. 142. Solution
  143. 143. Le mythe des masses reliées en étoile ce que j’ai appris Et qu’il ne faut pas faire Solution: maillage Une liaison supplémentaire: réduction des surfaces de boucle+meilleure équipotentialité.
  144. 144. Une liaison supplémentaire pour améliorerl’équipotentialité des masses
  145. 145. Blindage électromagnétique Ex: protection contre l’effet d’un claquage cage de Faraday. Maille du grillage<longueur d’onde Fuites aux ouvertures (joints), aux chicanes, fentes etc…
  146. 146. Blindage magnétique Utilisation d’un blindage à très forte perméabilité (mu-métal) E  er / D Exemple: protection d’un photomultiplicateur B=H: pour H donné, tout le champ se trouve piégé dans le mu-métal  analogue à une conductivité Petit bémol:  élevé pour H petit Intéressant pour les champs faibles A terme: B limité à 1 ou deux teslas, et alors  devient faible et le blindage est nul
  147. 147. Câblages et masses Dois je raccorder le blindage à gauche, à droite, ou aux deux bouts, ou nulle part? écran capteur
  148. 148.  Nulle part: sans intérêt (réduit cependant la diaphonie capacitive en mode différentiel…soit) – Tuyau ouvert aux deux extrémités A droite (écran): limite la diaphonie entre câbles, en BF, mais ne protège pas du mode commun écrancapteur Vmc
  149. 149. Connexion bilatérale Très bonne protection contre le mode commun HF (boîte fermée) écrancapteur
  150. 150. La règle: on ne connecte d’un côté que si,simultanément: Les signaux sont en BF (quelques kHz) Les signaux sont à bas niveau S’il peut exister en BF une tension de mode commun entre extrémités du câble supérieure au niveau de bruit tolérable * CMRR La transmission se fait en tension et pas en courant L’écran est directement sur les conducteurs signaux (ce n’est pas un autre) En résumé: consultez un ouvrage de CEM et comprenez le. Exemples –rares-: capteurs analogiques (tête de lecture, microphone, capteur d’accélération, jauge de contrainte, thermocouple, PT100, capteur de proximité)
  151. 151.  Le montage idéal Figure 7.36 p 390 Le cas habituel  Le bout de câble peut se comporter comme une antenne Figure 7.37 p 391  Le circuit RC sert à amortir la résonnance /4 du câble
  152. 152. Un cas compliqué (thermocouple hautetempérature)
  153. 153. Doit on amplifier à la source? Le mode commun, toujours le mode commun
  154. 154. Conclusion Ayez le réflexe CEM! Pensez que la CEM est incontournable Consultez les ouvrages spécialisés Pensez y avant, pas après Oubliez les a priori issus du continu
  155. 155. Merci de votre attention

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