Cours « Capteurs »
septembre 2010
Raoul Herzog
raoul.herzog@heig-vd.ch
bureau C01a
tél : 024 557 61 93
slide 1
Objectifs du cours de capteurs
1) Connaître quelques principes physiques de différents capteurs) q q p p p y q p
2) Connaî...
Différents aspects dans les capteurs
principes physiques
i éexploités
diti t d i lconditionnement du signal
transport de l...
motivation (1)
Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs !
Capteurs liés au
- moteur et système de traction,
-...
capteurs pour la sécurité des voitures
• reconnaissance de piétonsp
• distance entre les voitures sur l‘auto-
route
capteu...
motivation (2)
Il n‘y a plus de constructeur d‘automobile suisse, mais ...
La Suisse est très forte dans le domaine des ca...
motivation (3)
Les capteurs : un domaine innovateur
d di i d i l• du conditionnement du signal
au capteur « intelligent »
...
classification des mesurandes
• mécaniqueq
déplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, ...
• électr...
Généralités : capteurs et chaînes d‘acquisition
mesurande élément sensible
(transducteur)
Conditionneur
traitement des
sig...
problèmesproblèmes ...
• le signal fourni par le capteur dépend
aussi des grandeurs d‘influences (p ex dérives thermiquesa...
grandeurs d‘influence, exemples
• température ambiante
• pression, accélération, vibrations
• humidité
• champs magnétique...
exemple « micro-capteur intelligent »
capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophile
technologie CMOSg
...
Courbe d‘étalonnage statique, cas idéal
réponse du capteur
)(mFs 
nécessite une mesure de référence
mesurande
nécessite u...
linéarité
réponse du capteurp p
(droite de régression)
mesurande m
La linéarité s‘exprime en %, c‘est l‘erreur relative ma...
définition : résolution, étendue de la mesure
L é l ti d‘ t t l l tit i ti d dLa résolution d‘un capteur est la plus petit...
rapidité d‘un capteur
• bande passante
fréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dBfréquence de coupure où la ...
erreurs de mesure
• erreurs systématiquesy q
(p.ex. dérives, viellissement, mauvaise utilisation, etc
• erreurs accidentel...
erreurs de mesure
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Caractéristiques statistiques d‘un capteur
Précision = Fidélité (répétabilité) + Justesse
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Choix du capteur
• nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ?
• performances (résolution précision pla...
« courbe de baignoire »
 : taux de défaillance
défaillances
prématurées
usure
viellissement
prématurées
défaillances aléa...
éléments fonctionnels d‘un capteur
énergie d‘excitation énergie d‘alimentation
mesurande
signal
tili bl
modification
signa...
exemples d‘éléments sensibles
accéléromètre MEMS
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exemples d‘éléments sensibles
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exemples d‘éléments sensibles
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exemples d‘éléments sensibles
• polymère qui change ses propriétés électriques en fonction de
l‘h idi é bil‘humidité ambia...
Capteurs (transducteurs) passifs
• capteurs résistifs
• capteurs inductifs
• capteurs capacitifs
Capteurs (transducteurs) ...
Capteurs résistifs
• capteurs potentiométriques
d dé l t li é i / l imesure du déplacement linéaire / angulaire
• jauges d...
rappel : structure de la matière
Influence du nombre d’électrons contenus dans la couche de valence
Couche 4 5 6 7 8 él t1...
capteur potentiométrique (bas de gamme)
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linéarité
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résolution limitée du potentiomètre bobiné
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inconvéniants des capteurs potentiométriques
• contact du curseur  usure, durée de vie limitée
• frottement (finesse)
• v...
écran tactile résistif
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Effet piézorésistif (à ne pas confondre avec piézoélectrique)
dVd
V
dV
C
d



V
C : constante de Bridgman
C = typ. 1.1...
facteur de gauge (sensibilité relative)
A
l
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A
Les 3 paramètres l, , et A changent simultanément, et les effets se ra...
jauge de contrainte
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Jauge de contrainte collée sur une
structure mécaniquestructure mécanique
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jauge de contrainte collée sur une structure
mécanique (p.ex. barre de traction)
permet aussi de mesurer des forces
corps ...
caractéristique déformation / contrainte
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t
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rupture
zône à déformation plastique
ainte
zône à déformation p...
Grandeurs d‘influence
• température
influence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation
 jauges à ...
différentes configurations en pont de Wheatstone
buts :
• augmenter la sensibilité• augmenter la sensibilité
• augmenter l...
caractéristiques typiques des gauges
métallique semiconducteur
plage de mesure 10-7 ... 0.04 10-9 ... 0.003
facteur de gau...
capteurs de force piézorésistifs basés sur semi-
d tconducteurs
F > 0
capteur miniature de force, circuit intégré SMD
inco...
exemple de produits industriels
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capteur de force 6 axes basé sur jauges de contrainte
mesure les forces Fx, Fy, Fz, et les couples Tx, Ty, Tz
applications...
capteur de force pour mesurer la force de retenue de
la ceinture de sécurité
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application atomic force microscope „AFM“
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mesure de pression différentielle
élément sensible : diaphragme déformable
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autre application : accéléromètre
élément sensible = masse sismique + gauge de force
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modélisation d‘un capteur d‘accélération
boîtier
mesure indirecte de l‘accélération
m
masse sismique
par la déformation de...
Capteurs thermiques
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sondes en platine
• fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support
 précis, mais très cher
• dépositio...
plage de mesure
sonde platine : typ. de -200°C ... 650°C, voire plus
pour les très hautes températures, on utilise plutôt ...
thermistances à semiconducteur
comportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel
• PTC (= positive temperature coeffic...
allures typiques
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Slides capteurs partie 1

  1. 1. Cours « Capteurs » septembre 2010 Raoul Herzog raoul.herzog@heig-vd.ch bureau C01a tél : 024 557 61 93 slide 1
  2. 2. Objectifs du cours de capteurs 1) Connaître quelques principes physiques de différents capteurs) q q p p p y q p 2) Connaître quelques principes du conditionnement du signal 3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents capteurs point de vue utilisateur : • bon choix du capteur pour une application concrètep p pp • savoir utiliser un capteur i t d dé lpoint de vue développeur : • concevoir et développer un capteur slide 2
  3. 3. Différents aspects dans les capteurs principes physiques i éexploités diti t d i lconditionnement du signal transport de l‘information bus de capteurs technologie, produits point de vue utilisateur slide 3 point de vue utilisateur choix du capteur
  4. 4. motivation (1) Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs ! Capteurs liés au - moteur et système de traction, - au confort, - à l‘environnement, - et surtout à la sécurité Quelle: BMW AG Objectif des constructeurs d‘automobiles : zéro accidents Eviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant. slide 4
  5. 5. capteurs pour la sécurité des voitures • reconnaissance de piétonsp • distance entre les voitures sur l‘auto- route capteur de pression des pneuscapteur de pression des pneus  transmission sans fil slide 5
  6. 6. motivation (2) Il n‘y a plus de constructeur d‘automobile suisse, mais ... La Suisse est très forte dans le domaine des capteurs. (exemples d‘entreprises suisses : Posic, LEM, Vibromètre, Sensirion, Baumer, Kistler, ...) L d iLes capteurs : un domaine • de haute technologie • de multi-technologie physique, chimie, matériaux, mécanique, électronique, traitement dup y q , , , q , q , signal, « intelligence », techniques de miniaturisation, ... slide 6
  7. 7. motivation (3) Les capteurs : un domaine innovateur d di i d i l• du conditionnement du signal au capteur « intelligent » • p. ex. numérisation dans le capteur • p. ex. compensation des dérives thermiquesp p q • p. ex. autocalibration • p ex transmission sans fil• p. ex. transmission sans fil miniaturisation sur le chip :p MEMS micro electromechanical systems slide 7 micro electromechanical systems
  8. 8. classification des mesurandes • mécaniqueq déplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, ... • électrique• électrique courant, charge, impédance, ... th i• thermique température, flux thermique, ... • magnétique champ magnétique, perméabilité, ... • radiation lumière visible rayons X radioactivitélumière visible, rayons X, radioactivité, ... • bio / chimique h idi é dé i d h è i slide 8 humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux
  9. 9. Généralités : capteurs et chaînes d‘acquisition mesurande élément sensible (transducteur) Conditionneur traitement des signaux signal typ. grandeur non-électrique (transducteur) signaux électrique exploitable grandeurs d‘influence (perturbations) Idéalement, le signal de sortie du capteur devrait être une image fidèle du mesurande, mais ... slide 9 ,
  10. 10. problèmesproblèmes ... • le signal fourni par le capteur dépend aussi des grandeurs d‘influences (p ex dérives thermiquesaussi des grandeurs d influences (p. ex. dérives thermiques, bruit de mesure, etc.). • une variation du mesurande provoque une variation retardée du signal de sortie (temps de réponse fini). • le fait d‘introduire un organe de mesure peut déjà changer l‘environnement, et le mesurande.  Le but réaliste consiste à avoir une image du mesurande i fidèl ibl ( i i fidèl é i !) slide 10 aussi fidèle que possible (mieux : aussi fidèle que nécessaire !)
  11. 11. grandeurs d‘influence, exemples • température ambiante • pression, accélération, vibrations • humidité • champs magnétiquesp g q • tension d‘alimentation • lumière ambiante• lumière ambiante Possibilités pour réduire l‘effet nocif des grandeurs d‘influence : bli d i l t• blindage, isolement • stabiliser les grandeurs d‘influence à des valeurs connues, et é l létalonner le capteur • compenser les grandeurs d‘influence (p.ex. montage différentiel) slide 11
  12. 12. exemple « micro-capteur intelligent » capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophile technologie CMOSg changement d‘humidité  changement de capacité  signal utile avec compensation des grandeurs d‘influence (température)avec compensation des grandeurs d influence (température) et calibration automatique slide 12
  13. 13. Courbe d‘étalonnage statique, cas idéal réponse du capteur )(mFs  nécessite une mesure de référence mesurande nécessite une mesure de référence du mesurande ! sensibilité du capteur en régime statique: m s S    (pente locale) slide 13 im m
  14. 14. linéarité réponse du capteurp p (droite de régression) mesurande m La linéarité s‘exprime en %, c‘est l‘erreur relative maximale entre la droite de régression et la caractéristique réelle. slide 14 entre la droite de régression et la caractéristique réelle.
  15. 15. définition : résolution, étendue de la mesure L é l ti d‘ t t l l tit i ti d dLa résolution d‘un capteur est la plus petite variation du mesurande que le capteur est capable de décéler (à ne pas confondre avec la é i i )précision). étendue de la mesure : • zône nominale = plage nominale du mesurande (fonctionnement normal) • zône de non-détérioration hors specs, ne fonctionne plus, mais pas de destructionp , p , p „absolute maximum ratings“ • zône de non-destruction modification permanente des caractéristiques ! slide 15
  16. 16. rapidité d‘un capteur • bande passante fréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dBfréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB • temps de réponse saut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteursaut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteur arrive dans une fourchette de 5% de la valeur finale  bande passante et temps de réponse sont liés. pour un système linéaire : f T    2 3 3rép cf2 p slide 16
  17. 17. erreurs de mesure • erreurs systématiquesy q (p.ex. dérives, viellissement, mauvaise utilisation, etc • erreurs accidentelles (aléatoires)• erreurs accidentelles (aléatoires) p.ex. bruit, parasites, etc slide 17
  18. 18. erreurs de mesure slide 18
  19. 19. Caractéristiques statistiques d‘un capteur Précision = Fidélité (répétabilité) + Justesse slide 19
  20. 20. Choix du capteur • nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ? • performances (résolution précision plage de mesure ) ?performances (résolution, précision, plage de mesure, ...) ? • caractéristiques d‘environnement, grandeurs d‘influence ? • encombrement ? • prix ?p • fiabilité (MTBF : Mean Time Between Failures) ? 1  1 MTBF  1 N : taux de défaillance t 1 déf pop    N N slide 20 p p
  21. 21. « courbe de baignoire »  : taux de défaillance défaillances prématurées usure viellissement prématurées défaillances aléatoires slide 21 temps (vie du produit)
  22. 22. éléments fonctionnels d‘un capteur énergie d‘excitation énergie d‘alimentation mesurande signal tili bl modification signal électrique élément mesurande transducteur conditionneur utilisablede l‘élément sensible signal électrique sensible grandeurs d‘influence (perturbations) slide 22
  23. 23. exemples d‘éléments sensibles accéléromètre MEMS slide 23
  24. 24. exemples d‘éléments sensibles slide 24
  25. 25. exemples d‘éléments sensibles slide 25
  26. 26. exemples d‘éléments sensibles • polymère qui change ses propriétés électriques en fonction de l‘h idi é bil‘humidité ambiante • jauge de contrainte • fil chaud pour mesurer la vitesse d‘un écoulement de fluide • bilame, thermistance slide 26
  27. 27. Capteurs (transducteurs) passifs • capteurs résistifs • capteurs inductifs • capteurs capacitifs Capteurs (transducteurs) actifs • capteurs piézoélectriques t t h ét i• capteurs tachymétriques slide 27
  28. 28. Capteurs résistifs • capteurs potentiométriques d dé l t li é i / l imesure du déplacement linéaire / angulaire • jauges de déformation / contrainte mesure de déformation, force / effort, couple, pression • capteurs thermiques mesure de température et de débit • capteur d‘humiditécapteur d humidité slide 28
  29. 29. rappel : structure de la matière Influence du nombre d’électrons contenus dans la couche de valence Couche 4 5 6 7 8 él t1 2 3 él t Couche de valence ? 4, 5, 6, 7 ou 8 électrons1, 2 ou 3 électrons 4 électrons (quelques cas) Les électrons Capture des électrons libres Dopage ? non Les électrons libres sautent d’un atome à l’autre I l t Semi- oui C d t slide 29 Isolant Semi conducteurs Conducteur
  30. 30. capteur potentiométrique (bas de gamme) slide 30
  31. 31. linéarité slide 31
  32. 32. résolution limitée du potentiomètre bobiné slide 32
  33. 33. inconvéniants des capteurs potentiométriques • contact du curseur  usure, durée de vie limitée • frottement (finesse) • vitesse limitée • coefficient de température • bruit du potentiomètrebruit du potentiomètre • résolution limitée slide 33
  34. 34. écran tactile résistif slide 34
  35. 35. Effet piézorésistif (à ne pas confondre avec piézoélectrique) dVd V dV C d    V C : constante de Bridgman C = typ. 1.13 ... 1.15 pour des jauges métalliquesyp p j g q C = typ. 100 pour les jauges à semiconducteur slide 35
  36. 36. facteur de gauge (sensibilité relative) A l R  A Les 3 paramètres l, , et A changent simultanément, et les effets se rajoutentp , , g , j Après linéarisation, on trouve : l ld C R Rd  ))21(21(  lR ))(( déformation  h l ifchangement relatif de la résistance facteur de jauge slide 36
  37. 37. jauge de contrainte slide 37
  38. 38. Jauge de contrainte collée sur une structure mécaniquestructure mécanique slide 38
  39. 39. jauge de contrainte collée sur une structure mécanique (p.ex. barre de traction) permet aussi de mesurer des forces corps d‘épreuve : mesurande primaire loi de Hook : A : section du corps d‘épreuveA : section du corps d épreuve E : module de Young slide 39 mesurande secondaire
  40. 40. caractéristique déformation / contrainte ]2]=[Pa] t [N/m2 rupture zône à déformation plastique ainte zône à déformation plastique  irréversible contra zône élastique  loi de Hook déformation  = L / L  loi de Hook 2% max slide 40 déformation  L / L
  41. 41. Grandeurs d‘influence • température influence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation  jauges à semiconducteurs sont très sensibles à la température autoéchauffement  courant de mesure typ. limité à ~20 mA pour jauges métalliques.jauges éta ques. • tension thermoélectrique à la jonction de 2 métaux différents (élé t th l )(élément thermocouple) slide 41
  42. 42. différentes configurations en pont de Wheatstone buts : • augmenter la sensibilité• augmenter la sensibilité • augmenter la linéarité • compenser les dérives thermiques• compenser les dérives thermiques )1(0 xR p. ex. F )1(0 xR  )1(0 xR  slide 42
  43. 43. caractéristiques typiques des gauges métallique semiconducteur plage de mesure 10-7 ... 0.04 10-9 ... 0.003 facteur de gauge 1.8 ... 2.35 50 ... 200 résistance  120, 350, ..., 5‘000 1‘000, ..., 5‘000 tolérance de la résistance 0.1% ... 0.2% 1% ... 2% taille, mm 0.4 ... 150 1 ... 5 slide 43 standard : 3 ... 6
  44. 44. capteurs de force piézorésistifs basés sur semi- d tconducteurs F > 0 capteur miniature de force, circuit intégré SMD incorpore un pont de Wheatstone slide 44
  45. 45. exemple de produits industriels slide 45
  46. 46. capteur de force 6 axes basé sur jauges de contrainte mesure les forces Fx, Fy, Fz, et les couples Tx, Ty, Tz applications p.ex. en robotique slide 46
  47. 47. capteur de force pour mesurer la force de retenue de la ceinture de sécurité slide 47
  48. 48. application atomic force microscope „AFM“ slide 48
  49. 49. mesure de pression différentielle élément sensible : diaphragme déformable slide 49
  50. 50. autre application : accéléromètre élément sensible = masse sismique + gauge de force slide 50
  51. 51. modélisation d‘un capteur d‘accélération boîtier mesure indirecte de l‘accélération m masse sismique par la déformation de l‘élément de support de la masse sismique m q k d buts : t l bande passante d t ! accél : • trouver la bande passante du capteur ! • comment dimensionner les éléments sensibles pour que le capteur mesurande délivre un signal de sortie qui reproduit le plus fidèlement possible l‘allure du mesurande ? slide 51
  52. 52. Capteurs thermiques slide 52
  53. 53. sondes en platine • fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support  précis, mais très cher • déposition film mince de platine, ~1 m d‘épaisseur sur support  réponse rapide, moins cher R(T) = R0 (1+ T) : comportement linéaire0 PT100, PT1000PT100, PT1000 précision typique : 0.1% ... 1% : typ 0 385 % / °C: typ. 0.385 % / °C comparaison : une résistance de précision a un coefficient de températ re de 50 ppm 50 * 10-6 (80 moins q ‘ ne sonde de PT) slide 53 température de 50 ppm = 50 * 10-6 (80 x moins qu‘une sonde de PT)
  54. 54. plage de mesure sonde platine : typ. de -200°C ... 650°C, voire plus pour les très hautes températures, on utilise plutôt le tungsten symboles IEC normalisés : slide 54
  55. 55. thermistances à semiconducteur comportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel • PTC (= positive temperature coefficient) • NTC (= negative temperature coefficient) • CTR (= critical temperature resistance)CTR ( critical temperature resistance) slide 55
  56. 56. allures typiques slide 56

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