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Instrumentation_Capteur_Final_1 (1).pdf

Le document traite des principes de l'instrumentation et des capteurs utilisés pour mesurer des grandeurs physiques, établissant une classification entre capteurs actifs et passifs. Il présente différents types de capteurs et les phénomènes physiques sous-jacents tels que l'effet thermoélectrique et piézoélectrique, ainsi que les caractéristiques métrologiques essentielles pour garantir des mesures précises. Enfin, il insiste sur l'importance de bien comprendre les grandeurs d'influence pouvant affecter la mesure.

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1 Instrumentation et Capteurs ENSA Kénitra Niveau S7 ENSA Kénitra Année 2022-2023 Prof. O. ZYTOUNE
C t t 2 Contexte • La station météo Davis Vantage Vue La station météo Davis Vantage Vue 6250EU permet de mesurer: ▫ Température de -30°C à +60°C - Résolution 0 1°C • Etude d’une station Résolution 0,1 C. ▫ Humidité - Résolution: 1%. ▫ Précipitations - Résolution 0,25 mm. météorologique ▫ Vitesse du vent de 3 à 241 Km/h - Résolution 1 Km/h. ▫ La direction du vent - Résolution 1°.
3 Instrumentation et Capteurs I Instrumentation industrielle I. Instrumentation industrielle ENSA Kénitra Niveau S7 ENSA Kénitra Année 2022-2023 Prof. O. ZYTOUNE
4 Plan • Introduction A PROPRIETES GENERALES • A- PROPRIETES GENERALES ▫ Principes fondamentaux  Définitions et caractéristiques générales  Capteurs actifs Capteurs actifs  Capteurs passifs  Corps d'épreuve - capteurs composites  Grandeurs d'influences  La chaîne de mesure  Capteurs intégrés  Capteurs intelligents ▫ Caractéristiques métrologiques ▫ Caractéristiques métrologiques  Les erreurs de mesures  Etalonnage des capteurs  Limites d'utilisation  Sensibilité  Rapidité - temps de réponse • B - CONDITIONNEMENT DU SIGNAL Source : L'ouvrage de référence : « Les capteurs en instrumentation industrielle » Georges Asch et collaborateurs , Edition Dunod 2010
5 Introduction • Mesurer une grandeur physique c’est attribuer une valeur quantitative en prenant pour référence une grandeur de même nature appelée unité. • L’instrumentation est une technique de mise en œuvre d’instruments de mesure, d’actionneurs, de capteurs, de régulateurs, en vue d’effectuer en vue d effectuer ▫ la surveillance (ex. mesure de température), du diagnostic des tests ▫ la commande d’appareillage (ex. mesure du taux d’humidité sol pour d à i i ti ) l l d h î d commander une pompe à irrigation), on parlera alors de chaîne de régulation. ▫ la modélisation de phénomènes
d 6 Introduction • Domaine de l’instrumentation: Contrôle industriel
7 Classification des signaux • Signal analogique : g g q ▫ L’amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre 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 important : pression cardiaque, chromatographie, impact.  Fréquentiel : C’est le spectre fréquentiel qui transporte l’information désirée : analyse vocale, sonar, spectrographie. , p g p • Signal numérique ▫ L’amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu’un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. g p ▫ Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un 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.
Cl ifi ti d i 8 Classification des signaux
Propriétés générales : é é é é 9 Propriétés générales : Définitions et caractéristiques générales L d ( ) t l d h i à • Le mesurande (m) est la grandeur physique à mesurer : déplacement, température, pression pression... • Le mesurage est l'ensemble des opérations expérimentales qui concourent à la expérimentales qui concourent à la connaissance de la valeur numérique du mesurande mesurande. • Le capteur est le dispositif qui soumis à l'action d'un mesurande non électrique l action d un mesurande non électrique présente une caractéristique de nature électrique (charge tension courant ou électrique (charge, tension, courant ou impédance).
T d t 10 Type de capteurs: Capteur actif – capteur passif • En tant qu'élément de circuit électrique le capteur se présente vu de sa • En tant qu élément de circuit électrique, le capteur se présente, vu de sa sortie : ▫ soit comme un générateur, s étant une charge, une tension ou un courant et il ' it l d' t tif il s'agit alors d'un capteur actif; ▫ soit comme une impédance, étant alors une résistance, une inductance ou une capacité : le capteur est alors dit passif. if é é l b é ff h i i • Le capteur actif est généralement basé sur un effet physique qui assure la conversion en une énergie électrique, caractérisée par une tension, un courant ou une charge électrique. (thermocouple, par exemple, pour la mesure de température) • Le capteur passif est une impédance dont l'un des paramètres déterminants (R L ou C) est sensible au mesurande (sonde Pt 100 par déterminants (R, L ou C) est sensible au mesurande. (sonde Pt 100, par exemple; pour la mesure de température)
C t tif 11 Capteur actif G d h i à Eff t tili é G d d ti Grandeur physique à mesurer Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Pyroélectricité Charge Pyroélectricité Charge Flux de rayonnement optique Photoémission Courant Effet photovoltaïque Tension Effet photo-électrique Tension Force, Pression, Accélération Piézo-électricité Charge Vitesse Induction électromagnétique Tension Position (Aimant) Courant, champ magnétique Effet Hall Tension
12 Effet thermoélectrique • Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T est le siège d'une force électromotrice d'origine T2, est le siège d une force électromotrice d origine thermique v(T1,T2) « effet Seebeck ». ▫ Utilisation : mesure de T lorsqu’on connait T (ex. T = 0°C.) Utilisation : mesure de T1 lorsqu on connait T2 (ex. T2 0 C.)
Eff t P él t i 13 Effet Pyroélectrique • Pyr=feu : Ce phénomène se produit dans certains cristaux dit « él i l lf d i l i l pyroélectriques », le sulfate de triglycine par exemple ; ▫ Le cristal pyroélectrique réagit au rayonnement thermique en changeant sa polarisation. p ▫ ils portent en surface des charges électriques proportionnelles à cette polarisation et de signes contraires sur les faces opposées. • En pratique si le rayonnement Φ est constant la tension V disparait peu à • En pratique, si le rayonnement Φ est constant, la tension V disparait peu à peu. Ce capteur fonctionne bien si le rayonnement varie continuellement.
Effet Piézoélectrique 14 Effet Piézoélectrique • L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique L application d une force et plus généralement d une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectriques, le quartz par exemple, entraîne une déformation qui suscite l'apparition de charges électriques égales et de signes contraires sur les faces opposées signes contraires sur les faces opposées. • Pour faire apparaitre une contrainte dans le cristal, il suffit de lui appliquer une force F. Une tension V est générée due aux contraintes générées par la f F force F. ▫ Si la force F est constante, la polarisation disparait. ▫ Des capteurs de force, de pression et d'accélération utilisent ce p , p phénomène qui permet de larges bandes passantes i.e. permet la mesure de grandeurs physiques variant très rapidement.
Eff t I d tif 15 Effet Inductif • Un conducteur qui se déplace dans un champ d'induction fixe, il est le Un conducteur qui se déplace dans un champ d induction fixe, il est le siège d'une f.é.m. proportionnelle au flux coupé par unité de temps, donc à sa vitesse de déplacement. • De même, lorsqu'un circuit fermé est soumis à un flux d'induction variable du fait de son déplacement ou de celui de la source de l'induction (aimant par exemple), la f.é.m. dont il est le siège est égale (et de signe contraire) à la vitesse de variation du flux d'induction. ▫ Application : la mesure de la f.é.m. d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine.
Eff t h t él t i 16 Effets photoélectriques • On en distingue plusieurs, qui diffèrent par leurs manifestations mais qui ont pour origine commune la libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement électromagnétique, dont la longueur d'onde est g g q , g inférieure à une valeur seuil, caractéristique du matériau. • Application: ▫ Les effets photoélectriques qui permettent d'obtenir un courant ou une ▫ Les effets photoélectriques qui permettent d obtenir un courant ou une tension fonction de l'éclairement d'une cible sont à la base de méthodes de mesure des grandeurs photométriques d'une part, et ils assurent d'autre part la transposition en signal électrique des informations dont la lumière part, la transposition en signal électrique des informations dont la lumière peut être le véhicule
Effet Hall 17 Effet Hall • Ce phénomène se produit lorsqu'un conducteur ou un semi-conducteur traversé par un courant d'intensité i est soumis à un champ magnétique B courant d intensité i est soumis à un champ magnétique B. • Une différence de potentiel électrique V apparait, alors, entre les deux faces perpendiculaires à la direction du courant et du champ magnétique. • Cette tension est d'ailleurs proportionnelle au produit vectoriel du courant et du champ Cette tension est d ailleurs proportionnelle au produit vectoriel du courant et du champ magnétique : ▫ kmag dépend du matériau et des dimensions de la plaquette. • Un capteur à effet Hall peut servir à mesurer la distance entre un aimant et le détecteur, car plus l'aimant est près, plus l'intensité du champ magnétique augmente. • Est le plus familier pour mesurer de forts champs magnétiques(Courants)
Capteurs passifs 18 Capteurs passifs • Il s'agit d'impédances dont l'un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. La variation d'impédance résulte : ▫ Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature 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'extensiométrie liée à une structure déformable). • L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont p p p mesurables qu'en intégrant le capteur dans un circuit électrique.
Capteurs passifs 19 Capteurs passifs Les mesurandes susceptibles de modifier les propriétés électriques de matériaux employés pour la réalisation de capteurs passifs. Grandeur mesurée Caractéristique électrique sensible Type de matériaux utilisé Température Résistivité Métaux : platine, nickel, cuivre (CTP) Semi conducteur (CTN) p Semi-conducteur (CTN) Très basse température Constante diélectrique Verre Flux lumineux Résistivité Semi conducteur (LDR) Flux lumineux Résistivité Semi-conducteur (LDR) Déformation Résistivité Alliage de Nickel, silicium dopé Perméabilité magnétique µ Alliage ferromagnétique Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto résistants : bismuth, antimoniure d'indium Humidité Résistivité Constante diélectrique  Chlorure de lithium Alumine, polymères Niveau Constante diélectrique Liquides isolants Niveau Constante diélectrique Liquides isolants
Ré i 20 Résistance • La résistance R: • La résistance R: • Variation de résistivité : ▫ La relation entre la résistivité ρ et la température T est : avec ρ0 la résistance à une température de référence ; ∆T la différence entre la température actuelle et celle de référence et αi les coefficients de température coefficients de température. Ainsi, pour un fil cylindrique de longueur l et de section A, la résistance est :
d 21 Le condensateur • La capacitance d’un condensateur C est définie comme le rapport entre la quantité Q de La capacitance d un condensateur C est définie comme le rapport entre la quantité Q de charges électriques stockées sur deux plaques métalliques et le champ électrique V entre ces plaques provoqué par ces charges électriques : La capacitance de deux plaques rectangulaire parallèles de surface A distancées d'une distance d La capacitance d'un condensateur cylindrique , d et D les diamètres respectifs des électrodes internes et externes et l la longueur du cylindre Avec εr , la constante diélectrique relative du matériau soumis au champ électrique présent entre les deux plaques. A titre de référence, la constante diélectrique du vide (dite aussi itti ité d id ) t 8 8 4 10 12 F/ t l t t diél t i l ti d l' i t permittivité du vide) est ε0 = 8,854.10-12 F/m et la constante diélectrique relative de l'air est ε0 = 1,000264.
I d t 22 Inductance • L'inductance L est une mesure du rapport entre le flux du champ magnétique Φ généré • L inductance L est une mesure du rapport entre le flux du champ magnétique Φ généré par un fil conducteur traversé par un courant d'intensité I : • La loi de Faraday donne la tension e(t): ▫ Et la relation entre la tension e(t)et le coutant i(t) dans une inductance: • L'inductance d'une bobine de N spires enroulées autour d'un noyau magnétique est : • Avec μ0 la perméabilité magnétique du vide, • μr la perméabilité magnétique relative du noyau magnétique • et l la longueur du circuit magnétique.
23 Inductance L’ind ctance pe t être changée par les ariations de la perméabilité magnétiq e relati e q i • L’inductance peut être changée par les variations de la perméabilité magnétique relative qui est fonction des contraintes mécaniques présentes dans un métal ferromagnétique soumis à une force. • L'inductance peut aussi être changée en modifiant la réluctance du circuit magnétique ou en L inductance peut aussi être changée en modifiant la réluctance du circuit magnétique ou en changeant le nombre de tours de la bobine • Certains circuits magnétiques comportent des entrefers, i.e., des zones ou le circuit ferromagnétique est interrompu. ▫ Un entrefer de faible épaisseur e possède une réluctance (si entrefer est un vide, i.e. μr=1 ): L’inductance due à l’entrefer est alors: S e    ▫ L inductance due à l entrefer est alors: S 0  2 N L • La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances du circuit magnétique   L • La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances du circuit magnétique
d 24 Inductance • L’effet d'avoir des bobines proches l'une de l'autre: elles interagissent.  Variation d’inductance mutuelle
C t it 25 Capteurs composites • Pour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation, on peut utiliser un capteur, p , p p , non sensible au mesurande mais à l'un de ses effets. • Le corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis au mesurande étudié en assure une première traduction en une autre grandeur physique non-électrique, appelé p g p y q q , pp mesurande secondaire, qu'un capteur adéquat traduit alors en grandeur électrique. Exemple : Mesure d'une force mécanique On utilise comme corps d’épreuve un élément élastique respectant la loi linéaire On utilise comme corps d épreuve un élément élastique, respectant la loi linéaire (raideur constante). Le mesurande force est transformé en mesurande déplacement Le capteur de force utilise ainsi les technologies du capteur de déplacement
Grandeurs d’influence 26 Grandeurs d influence • Le capteur peut se trouver soumis non seulement au mesurande mais à d’autres d h iq q i t t i h t d l d grandeurs physiques qui peuvent entrainer un changement de la grandeur électrique de sorte qu’il est impossible de distinguer de l’action du mesurande. Ce sont les grandeurs d’influence. L i i l t • Les principales sont : ▫ Température qui modifie les caractéristiques électriques (résistances), mécaniques et dimensionnelles des composants du capteur. ▫ Pression accélération et vibrations susceptibles de créer des déformations et des ▫ Pression, accélération et vibrations susceptibles de créer des déformations et des contraintes qui altèrent la réponse du capteur. ▫ Humidité à laquelle, par exemple, la constante diélectrique ou la résistivité peuvent être sensibles et qui risque de dégrader l’isolation électrique entre composants du capteur ou q q g q p p entre le capteur et son environnement. ▫ Champs magnétiques variables ou statiques. Les premiers créent des f.é.m. d’induction qui se superposent au signal utile, les seconds peuvent modifier une propriété électrique l é i i i é l l ili é i é é i if comme la résistivité lorsque le capteur utilise un matériau magnéto-résistif. ▫ Tension d’alimentation (amplitude et fréquence) lorsque la grandeur électrique de sortie en dépend de par le principe même du capteur. Lumière ambiante qui vient s’ajouter au flux lumineux à mesurer ▫ Lumière ambiante qui vient s ajouter au flux lumineux à mesurer.
Grandeurs d’influence 27 Grandeurs d influence Po éli i e de la es e les e t batio s o doit • Pour éliminer de la mesure les perturbations, on doit: ▫ Soit réduire l'importance des grandeurs d'influence au niveau du capteur en le protégeant par un isolement adéquat : supports antivibratoires, blindages magnétiques ; ▫ Soit stabiliser les grandeurs d'influence à des valeurs parfaitement connues et d'étalonner le capteur dans ces conditions de fonctionnement : enceinte thermostatée ou à hygroscopie (absorbant l’humidité) contrôlée, sources d'alimentation régulées ; ▫ Soit utiliser des montages qui permettent de compenser l'influence des grandeurs parasites
T tt 28 Transmetteur U dis ositif q i co e tit le sig al de so tie d • Un dispositif qui convertit le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard. Il t d li l t tè d t ôl • Il permet de lier le capteur au système de contrôle commande Il èd i d è d é l • Il possède au moins deux paramètres de réglage : le décalage de zéro et l’étendue de mesure.
Chaine de mesure 29 Chaine de mesure • Elle permet de recueillir les informations nécessaires à la connaissance et ôl d’ édé au contrôle d’un procédé ▫ Elle délivre ces informations sous une forme appropriée à l’exploitation.
Ch i d 30 Chaine de mesure • Elle assure au moyen de dispositifs appropriés : • Elle assure au moyen de dispositifs appropriés : ▫ L’extraction de l’information des grandeurs physiques à connaitre et la traduction en signal électrique au moyen de capteurs et de conditionneurs. L t it t l i d i l fi d’é it l dé d ti d ▫ Le traitement analogique du signal afin d’éviter la dégradation du signal par le bruit et les parasites : amplification, filtrage. ▫ La sélection à l’aide du multiplexeur parmi l’ensemble des signaux di ibl d i l i disponibles du signal requis. ▫ La conversion du signal sous forme numérique adaptée au calculateur chargé de l’exploiter, au moyen de l’échantillonneur-bloqueur et d ti l i é i du convertisseur analogique-numérique.
Principaux composants de la chaine 31 Principaux composants de la chaine • Le multiplexeur : l él d l f d ll l l d f d ▫ Permet la sélection d’un canal afin d’aiguiller son signal vers les dispositifs de traitement dans le cas où l’acquisition des données porte sur plusieurs mesurandes. • Il existe deux types de multiplexeurs :unipolaire et différentiel. ▫ Le choix suivant la nature des tensions à commuter : référencées par rapport à ▫ Le choix suivant la nature des tensions à commuter : référencées par rapport à la masse ou différence de potentiels. • Une des caractéristiques importante du multiplexeur est le temps d’établissement, défini par la somme du temps de transition et du temps de réponse. ▫ Temps de transition: temps entre la sélection de la voie et sa fermeture ▫ Temps de transition: temps entre la sélection de la voie et sa fermeture ▫ Temps de réponse: temps entre la fermeture de la voie et l’apparition du signal à la sortie du mux.
Principaux composants de la chaine 32 Principaux composants de la chaine • L’échantillonneur bloqueur : • L échantillonneur-bloqueur : ▫ prélèvement à un instant connu avec précision un échantillon d’une tension appliquée à son entrée ; ▫ mémorisation cet échantillon; ▫ Délivrance en sortie une tension égale à celle mémorisée. • Dans le cas de signaux dont la variation risque d’être Dans le cas de signaux dont la variation risque d être importante pendant la durée d’une conversion analogique- numérique, l’échantillonneur-bloquer doit nécessairement précéder le CAN de façon à lui présenter une tension stable représentative du signal à l’instant de l’échantillonnage.
Principaux composants de la chaine 33 Principaux composants de la chaine • Le convertisseur analogique-numérique ▫ Recevant à son entrée une tension analogique Vi, il délivre en sortie un mot de n bits selon un code binaire déterminé. • Il est caractérisé par : • Il est caractérisé par : ▫ La plage de tension analogique convertible Vpc = exemple de 0 – 10V en unipolaire ou ±5V en bipolaire ; ▫ Le nombre n de bits du mot de sortie, le convertisseur peut fornir2n mots distincts (de 0 à 2n-1) ; • V et n permettent de définir la valeur du quantum • Vpc et n permettent de définir la valeur du quantum q=Vpc/2n ou la plage élémentaire de conversion. ▫ Pour Vpc = 10V pc n 8 10 12 16 q(mV) 39,1 9, 8 2,4 0,15 q( )
Principaux composants de la chaine 34 Principaux composants de la chaine • Microprocesseur (le calculateur) : U f i é il êt l h f d’ h t d l ▫ Une fois programmé, il va être le chef d’orchestre de la chaîne de mesure, c.-à-d. délivrer les séquences de commandes activant chacun des blocs de circuit de la chaîne :  La sélection d’une voie d’entrée par l’envoi d’une adresse au multiplexeur ; multiplexeur ;  La fixation du gain programmable ;  L’échantillonnage puis le blocage du signal ;  Le déclenchement de la conversion analogique-numérique ;  La lecture et le stockage de la donnée numérique dès qu’est reçu le signal de fin de conversion du CAN reçu le signal de fin de conversion du CAN.
C t i té é 35 Capteur intégré C’est co osa t éalisé a les tech iq es de • C’est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun le capteur à même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d’épreuve et l’électronique de conditionnement l électronique de conditionnement.
Capteur intelligent 36 Capteur intelligent • C’est l'ensemble de mesure d'une • C est l ensemble de mesure d une grandeur physique constitué de deux parties : deux parties : ▫ une chaîne de mesure pilotée par microprocesseur ; ▫ une interface de communication bidirectionnelle. • Il offre des avantages spécifiques : • Il offre des avantages spécifiques : ▫ configurabilité à distance ; ▫ crédibilité accrue des mesures et aide à la maintenance grâce aux informations d'état fournies ; répartition des tâches déchargeant ▫ répartition des tâches, déchargeant le calculateur central.
C t i t lli t 37 Capteur intelligent • La chaîne de mesure comporte : • La chaîne de mesure comporte : ▫ le capteur principal spécifique du mesurande étudié ; ▫ les capteurs secondaires propres aux grandeurs d'influence susceptibles d'affecter la réponse du capteur principal; ▫ les dispositifs classiques permettant l'obtention sous forme numérique de la grandeur de sortie de chaque capteur : conditionneur, multiplexeur, g q p , p , amplificateur, échantillonneur-bloqueur, convertisseur analogique- numérique ; ▫ un microprocesseur affecté aux tâches : ▫ un microprocesseur affecté aux tâches :  gestion de l'acquisition,  correction de l'effet des grandeurs d'influence au moyen des paramètres t ké PROM t d d é f i l t d i stockés en PROM et des données fournies par les capteurs secondaires,  linéarisation,  diagnostic des capteurs.
Capteur intelligent 38 Capteur intelligent • L'interface de communication bidirectionnelle assure la liaison du capteur à un calculateur par un bus partagé entre plusieurs capteurs intelligents. • Les messages porteurs du code du capteur concerné transitent par l'interface : it d l l l t t fi ti ▫ soit dans le sens calculateur vers capteur : configuration, auto-étalonnage ... ▫ soit dans le sens capteur vers calculateur : résultats de soit dans le sens capteur vers calculateur : résultats de mesure, état de la chaîne (étendue de mesure, dépassements de gamme du mesurande ou d'une grandeur d'influence ...).
Caractéristiques métrologiques 39 Caractéristiques métrologiques • Limites d'utilisation • Limites d utilisation • Sensibilité • Rapidité temps de réponse • Rapidité - temps de réponse • Les erreurs de mesures Et l d t • Etalonnage des capteurs
Domaines de fonctionnement 40 Domaines de fonctionnement • Chaque capteur présente des caractéristiques métrologiques qui définissent ses limites d'utilisation et de précision. C li it dé d t d d t d d • Ces limites dépendent du mesurande et des grandeurs d’influence. • Trois domaines de fonctionnement: • Trois domaines de fonctionnement:
Domaines de fonctionnement 41 Domaines de fonctionnement • Domaine nominal : conditions normales d'utilisations. P l d ’ t ét d d t l d ▫ Pour le mesurande c’est son étendue de mesure et pour les grandeurs d’influence est la plage de travail. • Domaine de non-détérioration : dépassement du domaine nominal, les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière réversible ▫ Le capteur entre dans ce domaine si le mesurande et/ou les grandeurs d’influence excédent les valeurs minimales et/ou maximales du domaine d influence excédent les valeurs minimales et/ou maximales du domaine nominal. • Domaine de non destruction L té i ti d t t difié d iè i é ibl ▫ Les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière irréversible.. ▫ Un nouvel étalonnage est nécessaire. ▫ Si on sort du domaine de non-destruction, le capteur est alors détruit. p
S ibilité 42 Sensibilité La se sibilité S( ) d' ca te o e ale • La sensibilité S(m) d'un capteur, pour une valeur donnée du mesurande, est égale au rapport de la ariation du signal électrique sur la ariation du variation du signal électrique sur la variation du signal physique. s    ( ) m s S m m         
S ibili é 43 Sensibilité • Pour faciliter l'exploitation on s'efforce d'utiliser en sorte • Pour faciliter l exploitation on s efforce d utiliser, en sorte qu'il établisse une relation linéaire entre les variations Δs de la grandeur de sortie et celles Δm de la grandeur de la grandeur de sortie et celles Δm de la grandeur d'entrée . • Un des problèmes dans la conception et l'utilisation d'un capteur est la constance de sa sensibilité S qui ne doit pas dépendre : d l l d (li é ité) t d f é d i ti (b d ▫ de la valeur de m (linéarité) et de sa fréquence de variation (bande passante) ; ▫ du temps (vieillissement) ; ▫ de l'action d'autres grandeurs physiques de son environnement qui ne sont pas l'objet de la mesure (grandeurs d'influence).
Et d d 44 Etendue de mesure • Elle est la plage de valeurs du mesurande pour lesquelles le p g p q capteur répond aux spécifications du constructeurs. • Cette spécification peut aussi s'appeler calibre ▫ E.M. = mmax – mmin • L'unité de l'E.M. est généralement l'unité du mesurande. l C d f à j i é i i 6 ▫ Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1: E.M. 0-10 N
Ré l ti 45 Résolution La ésol tio est la l s etite a iatio d • La résolution est la plus petite variation du mesurande qu’il est possible d’observer. U ité ll d d • →Unité : celle du mesurande.
P é i i d 46 Précision de mesure • Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner une • Elle caractérise l aptitude d un capteur à donner une mesure M proche de la valeur vraie m de la grandeur mesurée; mesurée; • L'incertitude de mesure δM est telle que : m = M ± δM • L'erreur relative de mesure est une erreur relative εp p ramenée à la vraie valeur réel mesuré p M M M    • La précision de mesure est d'autant plus grande que l'i tit d l ti t l tit réel M l'incertitude relative est plus petite.
E d 47 Erreurs de mesures • Erreurs systématiques : reproductibles reliées à • Erreurs systématiques : reproductibles reliées à leur cause par une loi physique, donc susceptible d'être éliminées par des corrections convenables d être éliminées par des corrections convenables. • Erreurs aléatoires ou accidentelles : non reproductibles qui obéissent à des lois statistiques reproductibles, qui obéissent à des lois statistiques. ▫ Résultent d'une fausse manœuvre, d'un mauvais emploi ou de dysfonctionnement de l'appareil ou de dysfonctionnement de l appareil. ▫ Elles ne sont généralement pas prises en compte dans la détermination de la mesure détermination de la mesure.
E té ti 48 Erreurs systématiques • Erreurs constantes et/ou des variations lentes par rapport à • Erreurs constantes et/ou des variations lentes par rapport à la durée des mesures liées par exemple à la dérive, le vieillissement, la mauvaise utilisation du capteur, l’erreur de référence. • Les sources usuelles d'erreurs systématiques: ▫ L’erreur sur le zéro (erreur de décalage ‘’offset’’)  ne dépend pas de la valeur de la grandeur mesurée  Erreur de zéro = Valeur de m quand M = 0 q
E té ti 49 Erreurs systématiques L’e e de gai o d’échelle • L’erreur de gain ou d’échelle: • C’est une erreur qui dépend de façon linéaire de la l d l d é valeur de la grandeur mesurée.
E té ti 50 Erreurs systématiques L'erre r de linéarité • L'erreur de linéarité La caractéristique n'est pas une droite.
E id t ll lé t i 51 Erreurs accidentelles ou aléatoires L' iti d l • L'apparition de ces erreurs comme leur amplitude et leur signe sont considérés comme aléatoires. • Certaines des causes peuvent être connues Certaines des causes peuvent être connues mais les valeurs des erreurs qu'elles entraînent au moment de l' expérience sont entraînent au moment de l expérience sont inconnues. i ibl d' • Diverses causes possibles d'erreurs accidentelles.
E id t ll lé t i 52 Erreurs accidentelles ou aléatoires • Erreurs liées aux indéterminations intrinsèques des • Erreurs liées aux indéterminations intrinsèques des caractéristiques instrumentales: • Erreur de mobilité : en dessous d'une valeur, les variations du d ' î d i i dé l bl d i l él i mesurande n'entraînent pas de variation décelable du signal électrique fourni par le capteur. Exemple, pour un potentiomètre bobiné pour lequel un déplacement du curseur inférieur à la distance entre deux spires peut n'entraîner aucune variation de la tension du curseur. ▫ L'erreur de mobilité est spécifiée comme la variation maximale du mesurande qui n'entraîne pas de variation détectable de la grandeur de q p g sortie du capteur. • Erreur de lecture d'un appareil à déviation : résulte d'une part de la plus ou moins grande habileté de l’opérateur mais aussi, d'autre part, plus ou moins grande habileté de l opérateur mais aussi, d autre part, de la qualité de l'appareil : finesse de l'aiguille par exemple.
E id t ll lé t i 53 Erreurs accidentelles ou aléatoires • L’erreur de quantification ▫ La caractéristique est en escalier, cette erreur est souvent due à une numérisation du signal. ▫ l'opération de quantification attribue une valeur unique à l’ensemble des valeurs analogiques
E id t ll lé t i 54 Erreurs accidentelles ou aléatoires • Erreur d'hystérésis : Il y a phénomène d'hystérésis lorsque le résultat de la mesure dépend des conditions d'utilisation antérieures. L' d'h té é i t é ifié ét t l itié ▫ L'erreur d'hystérésis est spécifiée comme étant la moitié de l’écart maximal des valeurs de la grandeur de sortie correspondant à une valeur du mesurande selon que correspondant à une valeur du mesurande, selon que cette dernière est obtenue par valeurs croissantes ou décroissantes.
E id t ll lé t i 55 Erreurs accidentelles ou aléatoires • Erreurs dues à la prise en compte par la chaîne de • Erreurs dues à la prise en compte par la chaîne de mesure de signaux parasites de caractère aléatoire ▫ Bruit de fond produit par l’agitation thermique des porteurs de charge dans les résistances ou les composants actifs (apparition à leurs bornes de fluctuations de tension). ▫ Inductions parasites dues aux rayonnements électromagnétiques, à Inductions parasites dues aux rayonnements électromagnétiques, à fréquence industrielle en particulier ▫ Fluctuations de tension des sources d'alimentation changeant les performances d'appareillages : conditionneurs amplificateurs performances d appareillages : conditionneurs, amplificateurs • Erreurs dues à des grandeurs d 'influence
Evaluation des erreurs aléatoires 56 Evaluation des erreurs aléatoires • Incertitudes statistiques (mesures répétitives ou Type A Uncertainty) • Moyenne : soient les mesures xi d’une même grandeur X répétée n fois, la valeur moyenne de la mesure est : la valeur moyenne de la mesure est : • Écart : Est la différence entre une mesure x et la moyenne, elle peut être i i é i positive ou négative. • Écart absolu moyen : moyenne des valeurs absolues des écarts à la moyenne. • Variance : moyenne des carrés des écarts. • Écart quadratique moyen (EQM) ou écart type : racine de la moyenne des carrés des écarts.
E l ti d lé t i 57 Evaluation des erreurs aléatoires • The standard uncertainty u(xi) to be associated with xi is the estimated standard deviation of the mean The standard uncertainty u(xi) to be associated with xi is the estimated standard deviation of the mean • Le nombre de mesures est limité, on multiplie par le facteur d’élargissement k (ou coefficient de Student ) dépendant du nombre de mesures n et de l’intervalle de confiance désiré. • Confidence Interval: représente la marge d’erreur de la mesure, selon laquelle on doit relativiser l’interprétation du score observé. Lorsqu’un instrument a une erreur de mesure faible, donc l’intervalle de confiance est petit et la confiance que l’on peut accorder aux résultats s’en trouve renforcée
E l ti d lé t i 58 Evaluation des erreurs aléatoires • Exemple: On a mesuré la masse M d’un article 5fois: les relevés sont en • Exemple: On a mesuré la masse M d un article 5fois: les relevés sont en gramme: 22.85; 22.87; 22.81; 22.79; 22.84. • On désire avoir un Confidence Interval 95% • La masse M = (22,83 ± 0,14) g soit M = (22,8 ± 0,2)g
Evaluation des erreurs aléatoires 59 Evaluation des erreurs aléatoires • Propagation de la dispersion statistique: • Valeurs des grandeurs xi obtenues par une moyenne statistique sur un nombre de mesures répétées, • Incertitude sur chaque paramètre est donnée par la dispersion • Incertitude sur chaque paramètre est donnée par la dispersion statistique ou déviation standard • Si les variables sont indépendantes, les incertitudes se combinent lé i l i l d bi é d é X  aléatoirement et la variance sur la grandeur combinée est donné par:
E l ti d 60 Evaluation des erreurs • Lors d’une mesure unique(ou ponctuelle) la précision de l’appareil de mesure la façon Lors d une mesure unique(ou ponctuelle), la précision de l appareil de mesure, la façon dont il est utilisé et la qualité du mesurage sont à prendre en compte : l’erreur correspondante est l’erreur systématique et l’incertitude associé est dite de type B. • L’évaluation de ce type est effectuée par des moyens autres que l’analyse statistique de série d’observations. Elle est basée sur la connaissance de la loi de probabilité suivie par le mesurande. • Exemple:
E l ti d 61 Evaluation des erreurs • Incertitude ponctuelle (mesure unique) • Soit une grandeur A = f(x, y, z) où x, y et z représentent les mesures primaires. d l d ê é • L’incertitude sur la grandeur A peut être exprimée en donnant : it l’i tit d b l ∆A ▫ soit l’incertitude absolue ∆A ; ▫ soit l’incertitude relative ∆A/A. E i d l diffé ti ll d f • Expression de la différentielle de f : ▫ df = (∂f/∂x)dx + (∂f/∂y) dy + (∂f/∂z).dz . Et l’incertitude sur A est : • Et l incertitude sur A est :
E l ti d lé t i 62 Evaluation des erreurs aléatoires
Qualité d’une chaine de mesure : 63 Qualité d une chaine de mesure : Fidélité, justesse et précision • Fidélité : aptitude à donner, pour une même valeur de la grandeur mesurée, des indications voisines entre elles. grandeur mesurée, des indications voisines entre elles. ▫ Qualité d'un appareillage de mesure dont les erreurs accidentelles f ibl ll d i d é l d é sont faibles : elle se traduit par des résultats de mesurage groupés autour de leur valeur moyenne. ▫ L’écart type dont l'importance reflète la dispersion des résultats est souvent considéré comme l'erreur de fidélité : il permet ainsi une souvent considéré comme l erreur de fidélité : il permet ainsi une appréciation quantitative de la fidélité.
Q lité d’ h i d 64 Qualité d’une chaine de mesure • Justesse : aptitude à donner des indications égales à la grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n’étant pas prises g p p en considération. j i l’é l d ▫ Un capteur est juste si l’écart entre la moyenne des résultats et la valeur « vraie » est faible, même si l’écart- type est grand. U t t j t i l é t h d ▫ Un capteur est juste si la réponse moyenne est proche de la valeur « vraie ».
Q lité d’ h i d 65 Qualité d’une chaine de mesure •la précision est la qualité d'un appareil dont chaque mesure est proche de la p q pp q p valeur réelle du mesurande. •Il est donc à la fois fidèle et juste. Mesure peu juste et peu fidèle Mesure peu juste mais fidèle Densité de probabilité D D Vm Vmoy Vm Vmoy Mesure juste mais peu fidèle Mesure juste et fidèle D D Vm = Vmoy Vm = Vmoy
C té i ti d i d t 66 Caractéristiques dynamiques des capteurs • Rapidité : ▫ Elle caractérise l'aptitude d'un dispositif à répondre aux p p p variations temporelles du mesurande ▫ Elle est spécifiée soit par la bande passante, soit par le temps de réponse p p ▫ Les dispositifs de la chaîne doivent avoir des bandes ibl l i l d passantes compatibles avec le signal de mesure.
C té i ti d i d t 67 Caractéristiques dynamiques des capteurs • Temps de réponse : • Temps de réponse : ▫ Le temps de réponse tr(x) ou d'établissement à x près est la durée minimale d'attente après l'application d'un échelon à l'entrée, l'é l if d l i à l fi l pour que l'écart relatif de la sortie par rapport à sa valeur finale demeure toujours inférieur à x. • Le temps de réponse permet d’évaluer le temps total de Le temps de réponse permet d évaluer le temps total de réaction d’un capteur à un échelon de position.
C té i ti d i d t 68 Caractéristiques dynamiques des capteurs Te s de o tée l t d té d’ t • Temps de montée : le temps de montée d’un capteur soumis à un échelon du mesurande est le temps mis pour passer d’une valeur de x % de la réponse depuis la valeur passer d une valeur de x1% de la réponse depuis la valeur initiale S0 à x2% de cette réponse.
C té i ti d i d t 69 Caractéristiques dynamiques des capteurs • Bande passante : • Bande passante : ▫ C’est la plage de fréquence de variation du mesurande où les caractéristiques du capteur spécifiées par le les caractéristiques du capteur spécifiées par le constructeur sont respectées. ▫ Si la fréquence du mesurande est comprise entre fb et Si la fréquence du mesurande est comprise entre fbasse et fhaute, l'amplitude du signal de sortie sera conforme aux spécifications du constructeur. p
l d 70 Etalonnage des capteurs L l ti thé i F( ) é lt d l i h i i • La relation théorique s = F(m) résulte des lois physiques qui régissent le fonctionnement du capteur et dans son expression numérique de sa construction (géométrie, dimensions, matériaux) et de son mode d'emploi (température, alimentation). • La relation s = F(m) sous sa forme numériquement exploitable est explicitée par étalonnage : pour un ensemble de valeurs de m e p c ée pa é a o age pou u e se b e de a eu s de connues avec précision, on mesure les valeurs correspondantes de s ce qui permet de tracer la courbe d'étalonnage; cette dernière, à toute valeur mesurée de s permet d'associer la valeur de m qui la valeur mesurée de s, permet d associer la valeur de m qui la détermine.
Etalonnage des capteurs 71 Etalonnage des capteurs • Etalonnage simple : établissement d’une seule courbe d’étalonnage qui consiste à déterminer s pour des valeurs connues de m ; on peut alors être confronté à : ▫ Un élément direct ou absolu où les valeurs de m sont fournies par des p étalons. ▫ Un étalonnage indirect ou par comparaison pour lequel on utilise un ▫ Un étalonnage indirect ou par comparaison pour lequel on utilise un deuxième capteur étalonné appelé capteur de référence. On relève alors l é d t d i t i t l d d d les réponses de s et de sref qui sont soumis tous les deux au mesurande de m. on remonte alors de s à m.
Etalonnage des capteurs 72 Etalonnage des capteurs • Etalonnage multiple : ▫ Tient compte de toutes les grandeurs d’influence, Tient compte de toutes les grandeurs d influence,  il s’agit d’un ensemble d’étalonnages successifs qui détermine la dépendance de la grandeur principale vis-à-vis des grandeurs d’i fl d’influence. ▫ Exemple : capteur de pression. On établit une première courbe de réponse à T=T1, une seconde à T = T2 ... ▫ Tenir compte de propriétés des matériaux soumis à la mesure : ▫ Exemple : capteur électromagnétique de niveau le constructeur donne la réponse du capteur pour tous les fluides rencontrés. réponse du capteur pour tous les fluides rencontrés. ▫ Tenir compte de la succession des valeurs lors de l’étalonnage ▫ Exemple : dans le cas d’hystérésis et si l’on désire une meilleure précision, t éd à lib ti d l itif t à d d on peut procéder à une calibration dans le sens positif et à une seconde dans le sens négatif.
C diti t d i l 73 Conditionnement du signal • Les signaux électriques issus de capteurs Les signaux électriques issus de capteurs (thermocouples, ponts, jauges de contrainte...) sont généralement de faible niveau. sont généralement de faible niveau. ▫ Il est nécessaire de les amplifier pour être compatibles avec les outils de mesure modernes. compatibles avec les outils de mesure modernes. • La mesure ne doit pas perturber le phénomène étudié (modification électrique...). étudié (modification électrique...). • La mesure doit être significative, même en environnement perturbé environnement perturbé
C diti t d i l 74 Conditionnement du signal • Le capteur actif fournit un signal électrique. p g q ▫ Les grandeurs usuelles sont :  tension généralement de quelques millivolts  courant en µA ou mA µ  charge électrique ▫ La mesure est une conversion de la grandeur en tension sans perturbation du phénomène source. phénomène source. • Le capteur passif exige une source d’excitation (DC ou AC) pour mettre en évidence la propriété électrique (variation d’impédance)
C diti t d i l 75 Conditionnement du signal Le co ditio e e t e et de ett e e fo e le • Le conditionnement permet de mettre en forme le signal mesuré en vue d’un traitement et d’une transmission é entuelle transmission éventuelle. • Le conditionnement peut participer au rejet des t b ti t d d'i fl perturbations et grandeurs d'influence.
C diti A lifi t é ti l 76 Conditionneurs : Amplificateur opérationnel Est la base d co ditio e éalisa t les • Est la base du conditionneur réalisant les principales fonctions de la mesure électronique des capteurs capteurs.
A lifi t é ti l 77 Amplificateur opérationnel • Modèle en régime linéaire • Zi : impédance d'entrée de i p l’amplificateur 105 à 1010 Ω • i+, i : courants d’entrées 10-8 à +, - 10-12 A(appelés aussi courants de polarisation) p ) • Zs : impédance de sortie de l’ordre de 10 à 100 Ω l ordre de 10 à 100 Ω • µ : gain en petits signaux
A lifi t é ti l é l 78 Amplificateur opérationnel réel • Courants de polarisation présentent une composante p p p continue statique qui circulent dans le circuit associé à l’entrée considérée ; • Les courants de polarisation ne sont pas identiques (offset de courant) ; Il i t t i d dé l t l t é V t V • Il existe une tension de décalage entre les entrées V+ et V- (offset de tension) ; • La vitesse de variation de la tension de sortie est limitée (slew • La vitesse de variation de la tension de sortie est limitée (slew rate), indépendamment de la bande passante.
A lifi t é ti l é l 79 Amplificateur opérationnel réel • Courants de polarisation et l’offset de courant négligés ; p g g ; • L’offset de tension est négligeable ; • L’impédance d’entrée Zi est infinie; i • Le gain µ est infini ; • La tension de sortie étant finie (bornée par les valeurs d’alimentation), il en résulte que :  ε = (Vs + Zs Is) / µ = 0 E é i li é i l’ lifi idé l V V  En régime linéaire, pour l’amplificateur idéal on a :V+ = V- • L’amplificateur opérationnel est l’outil de base pour lifi l i d amplifier les signaux de mesure.  Son gain doit être adapté pour les usages en instrumentation instrumentation.
C diti t tif 80 Conditionneurs pour capteurs actifs Il e iste 3 t es de ca te s actifs • Il existe 3 types de capteurs actifs : ▫ capteur générateur de f.e.m →ne nécessite pas de conditionneur conditionneur ▫ capteur générateur de courant →transformation du courant en tension courant en tension ▫ capteur générateur de charge →transformation de la charge en tension charge en tension
C diti t tif 81 Conditionneurs pour capteurs actifs 1 Capteur source de tension : 1. Capteur source de tension : • Le conditionneur est un amplificateur de tension. • La source Ec présente une impédance de sortie Zc. • Le conditionneur charge cette source par son impédance d’entrée Zi. • On a: Zc Zi Zi Ec Vm   Le conditionneur doit présenter une impédance d'entrée importante devant p p celle de la source Le choix dépend de la précision souhaitée. Pour une précision 1/1000, il faut un rapport d'impédance de même valeur.
C diti t tif 82 Conditionneurs pour capteurs actifs • Le conditionneur doit présenter une impédance d’entrée • Le conditionneur doit présenter une impédance d entrée importante devant celle de la source. • Le choix dépend de la précision souhaitée Pour une précision Le choix dépend de la précision souhaitée. Pour une précision 1/1000, il faut un rapport d’impédance de même valeur. • Le montage à retenir est un amplificateur avec impédance très g p p importante.
C diti t tif 83 Conditionneurs pour capteurs actifs 2 Capteur source de courant (ex : phototransistor) 2. Capteur source de courant (ex. : phototransistor) • Le modèle du capteur est un générateur de courant avec une impédance interne Zc. • Le conditionnement peut se limiter à une simple résistance Zi = R. • La tension mesurée est fonction de la résistance de mesure et de l'impédance parallèle du générateur de courant. p g • Conditionneur acceptable pour un générateur de courant pur (Zc>>Zi) c i C i Z Z Vm ). // ( 
C diti t tif 84 Conditionneurs pour capteurs actifs 2 Capteur source de courant (ex : phototransistor) 2. Capteur source de courant (ex. : phototransistor) • Le conditionneur est un Convertisseur courant/tension • Le capteur est alors une source de courant à tension nulle (et constante). • Sa conductance parallèle (inverse d’impédance) n’intervient pas dans la valeur mesurée. • La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une impédance fortement capacitive. R i Vm   R i Vm c .  
C diti t tif 85 Conditionneurs pour capteurs actifs 3. Capteur source de charge (ex. : capteur piézo-électrique) 3 p g ( p p q ) ▫ Le capteur est modélisé par une source de charge et un condensateur en // • Un exemple de conditionneur : ▫ la résistance interne d’entrée Ri introduit une décharge de la source (circuit du premier ordre) p ) ▫ Si la décharge est trop rapide (constante de temps faible), la mesure est impossible. • Un tel conditionneur n’est adapté que pour des mesures à l ll ( élé ti / ib ti l ) valeur moyenne nulle (accélération/ vibration par exemple) C C Cc Vm q   i C Cc 
C diti t tif 86 Conditionneurs pour capteurs actifs • Convertisseur charge/tension : amplificateur de charges Convertisseur charge/tension : amplificateur de charges • Le capteur devient source de charges à tension nulle (et constante). • Sa capacité parallèle n’intervient pas dans la valeur mesurée. b d l é i l é • La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une impédance fortement capacitive. • Un circuit auxiliaire est nécessaire pour assurer la compensation de la p p dérive de l’intégrateur qC Cm Vm qC  
C diti t if 87 Conditionneurs pour capteurs passifs Ca te ésistif Capteur résistif: Mesure par générateur de courant • la mesure est directement proportionnelle à la l d é i t d t (li é ité valeur de résistance du capteur (linéarité intrinsèque de la mesure si Zi→∞) l i b d l é i • la tension aux bornes de la résistance est non nulle, le générateur de courant travaille à tension i bl ( d i i f i ) variable (erreur de mesure si imparfait) i Vm Rc Zi im m c i R Vm .  Conditionneur
C diti t if 88 Conditionneurs pour capteurs passifs Ca te ésistif M é é t d t Capteur résistif: Mesure par générateur de courant • Montage élémentaire d'un générateur de courant: Vbe i R Vref m   . 1 f m 1 Le transistor se comporte en générateur de t d l courant de valeur 1 R Vbe Vref im   La mesure de Rc est directement référencée à la masse
C diti t if 89 Conditionneurs pour capteurs passifs • Montage potentiométrique • Montage potentiométrique • Si Rg→0 R g • la mesure Vm est liée à la valeur de résistance Rc par une loi non-linéaire Vcc R R R Vm C C 1   • la mesure Vm est liée à la valeur de résistance Rc par une loi non-linéaire • Sensibilité: • La sensibilité est optimale pour   Vcc R R R S C 2 1 1   C R R  1 • La sensibilité est optimale pour • Elle est alors : C 1 1 4R Vcc S 
C diti t if 90 Conditionneurs pour capteurs passifs • Montage en pont (double diviseur de tension :Pont de Wheatstone) • Montage en pont (double diviseur de tension :Pont de Wheatstone) • On suppose que Rg est négligeable (Vcc référence de tension stabilisée). • Aux points A et D on a : Vcc R R R VA   3 Vcc R R R VD 2   • Exprimer Vm • Le pont est dit équilibré lorsque Vm = 0 • => R R C  3 R R 2 1  3 1 2 R R R R  • => • Pour cette valeur des résistances, les branches droites et gauches donnent le même rapport de 3 1 2 R R R R c division de Vcc. • Pour simplifier la construction, on adopte souvent R R R R souvent avec valeur de référence du capteur (point particulier) 0 3 2 1 C R R R R    0 C R V R R R V R R R R V C c C c   2 0 0 3 1 2      Vcc R R R Vcc R R R R V C C C C c C C c m      0 0 0 0 3 2 1 3 1 2 2
C diti t if 91 Conditionneurs pour capteurs passifs • Etude variationnelle : • Etude variationnelle : • Si R R R C C    0     Vcc R R R R R Vcc R R R R R R R V C C C C C C C C m           0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 2 4 2 2 • D’où   C C C C 0 0 0 0 4 2 / 1 / 0 0 Vcc R R R R V C C m     • Pour des petites variations de résistance, la é t i li é i 0 C réponse est quasi-linéaire : 4 0 Vcc R R V C m  
C diti t if 92 Conditionneurs pour capteurs passifs Gé é ale e t la se sibilité e t s’e i e e • Généralement, la sensibilité peut s’exprimer en fonction de : O 0 C R R    Vcc Vm   • On a • En considérant que 4 2 / 1 m   2 / 1 2 / 1       • On a alors :   4 2 / 1 Vcc Vm     • Le terme d’erreur de non-linéarité est en • Le pont de mesure exige donc une correction pour 2  p g p être utilisable sur de grandes étendues de mesure de résistance.
C diti t if 93 Conditionneurs pour capteurs passifs Mes re de la tension • Mesure de la tension ▫ Problème de la mesure de tension L i i d é é l d  Les signaux issus de capteurs sont généralement de faible niveau et doivent être amplifiés.  Le signal utile est généralement une différence de  Le signal utile est généralement une différence de potentiel entre deux points, alors que les outils de mesure usuels(Amplificateurs opérationnels) évaluent ( p p ) le potentiel par rapport à une référence imposée appelée masse.
C diti t if 94 Conditionneurs pour capteurs passifs • La tension de mesure Vc issue d'un capteur est la différence de • La tension de mesure Vc issue d un capteur est la différence de potentiel entre les deux conducteurs A et B:  VC= VA−VB V V  • On appelle le mode commun : • Donc, 2 B A mc V V V   Vc V V mc A   2 Vc V V mc B   • La tension de mode commun peut être très importante devant la tension de signal (plusieurs volts pour un signal de quelques millivolts) 2 mc A 2 tension de signal (plusieurs volts pour un signal de quelques millivolts). • Elle peut être stable, mais le plus souvent, elle est perturbée par des grandeurs externes (sources de bruits, couplages...)
C diti t if 95 Conditionneurs pour capteurs passifs • Amplification différentielle p ▫ La méthode la plus courante de mesure de potentiels dits "flottants" est l’utilisation du voltmètre.  Cet appareil permet d’évaluer la différence de potentiel entre ses deux points de mesure ; son usage est limité à l’observation.  En effet, sa conception même est de ne pas avoir de éfé d l i t d i ibl référence de masse ; son emploi est donc impossible pour une instrumentation couplée à d'autres équipements électroniques (PC par exemple) électroniques (PC par exemple). ▫ L'outil de mesure utilisé en instrumentation est l’amplificateur différentiel, composé de 2 amplificateurs l amplificateur différentiel, composé de 2 amplificateurs et d’un soustracteur.
C diti t if 96 Conditionneurs pour capteurs passifs La te sio de so tie est • La tension de sortie est : • On pose : • Et • D’où • Le gain en mode commun se définit par : g p • Le gain différentiel par : • Donc, Donc, • avec le taux de réjection en mode commun • avec le taux de réjection en mode commun.
C diti t if 97 Conditionneurs pour capteurs passifs A lifi t d’i t t ti • Amplificateur d’instrumentation ▫ L’amplificateur d’instrumentation est l’amplificateur différentiel idéal. ▫ La réalisation de l’ampli d’instrumentation est souvent basée sur un ▫ La réalisation de l ampli. d instrumentation est souvent basée sur un ou plusieurs AOP • Exemple: montage à Amplificateur opérationnel t / t t (idé l) sommateur/soustracteur (idéal) ▫ En Régime linéaire ; •              2 2 1 2 1 4 3 4 1 2 1 e e S V R R R V R R R R R R V • Pour avoir le même gain, on choisit   3 1 R R  R R 3 1 R R 4 2 R R    2 1 2 e e S V V R R V   1 R
C diti t if 98 Conditionneurs pour capteurs passifs Ce o tage ése te l’i co é ie t de ése te • Ce montage présente l’inconvénient de présenter une impédance d’entrée de l’ordre de grandeur de R R1. • Ce montage n’est donc adapté que si Ve1 et Ve2 t d d t i ( ti d’ t sont des sources de tension pures (sorties d’autres amplis). L d éj i d d • Le taux de réjection du mode commun est directement lié à la stricte égalité des résistances.
Conditionneurs pour capteurs passifs 99 Conditionneurs pour capteurs passifs • Exemple de caractéristiques d'amplificateur différentiel moderne TL 2372/TL2374 Ib=(I++I-)/2 Ioffset= I+-I- +
C diti t if 100 Conditionneurs pour capteurs passifs • Amplificateur d’instrumentation à 3 amplis • Amplificateur d instrumentation à 3 amplis ▫ Les entrées sont amplifiées par des étages suiveurs dont l’impédance d’entrée dynamique est très élevée. p y q ' V R V R V   2 1 1 V R V R R V G G    1 2 ' 2 V R R V R R R V G G      2 1 ) 2 1 ( V V R R V G S    Le gain se fixe avec une seule résistance RG; il est au minimum de 1.
C diti t if 101 Conditionneurs pour capteurs passifs Features and Benefits PIN CONFIGURATION Amplificateur d’instrumentation : exemple commercialAD8220 Features and Benefits High CMRR 100 dB CMRR min, G = 10 (B grade) 80 dB CMRR min to 5 kHz, G = 1 (B Grade) Excellent ac specifications and low power 1.5 MHz bandwidth (G = 1) √ PIN CONFIGURATION 14 nV/√Hz input noise (1 kHz) Slew rate: 2 V/μs 750 μA quiescent supply current max Qualified for Automotive Applications Low input currents 10 pA max input bias current (B grade) 10 pA max input bias current (B grade) 0.6 pA max input offset current (B grade) Versatile MSOP package Rail-to-rail output Input voltage range to below negative supply rail 4 kV ESD t ti 4 kV ESD protection 4.5 V to 36 V single supply ±2.25 V to ±18 V dual supply Gain set with single resistor (G = 1 to 1000) Applications Medical instrumentation Precision data acquisition Transducer interfaces
Filt 102 Filtrage • Le filtrage peut avoir différentes applications Il peut en • Le filtrage peut avoir différentes applications. Il peut en particulier être pratiqué afin de réduire le bruit (signal parasite « large bande » ou haute fréquence) entachant le parasite large bande ou haute fréquence) entachant le signal utile. • Ainsi un filtrage passe-bas éliminera le bruit haute fréquence et produira un effet de lissage utile. • Placé avant l’échantillonnage de la conversion l i / é i l filt d’ t é lé filt ti analogique/numérique, le filtre d’entrée appelé filtre anti- repliement, contraint le signal à avoir un spectre limité tel que f <fe/2 que fmax<fe/2. • Placé en sortie de la conversion analogique/numérique, le filtrage lisse le signal de sortie pour restituer le signal utile. g g p g
C i l i / é i 103 Conversion analogique/numérique La co e sio a alogiq e/ é iq e co siste à • La conversion analogique/numérique consiste à transformer la tension analogique (issue du capteur) en un code binaire (numérique) adapté à capteur) en un code binaire (numérique) adapté à son exploitation dans un processus de régulation, de contrôle de calculs ou encore de stockage de contrôle, de calculs ou encore de stockage. • La conversion analogique/numérique n’est pas té ti t k é l ti systématique, un stockage ou une régulation pouvant également être réalisés à partir de d é l i données analogiques.
104 Instrumentation et Capteurs II Capteurs II. Capteurs ENSA Kénitra Niveau S7 ENSA Kénitra Année 2022-2023 Prof. O. ZYTOUNE
C t à t t 105 Capteur à contact • Les capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de • Les capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de course). • Ils transmettent la détection de : ▫ présence/absence, ▫ passage, ▫ positionnement p ▫ fin de course. • Ils peuvent être équipés d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. • L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien (TOR).
C t à t t 106 Capteur à contact
C t d i ité 107 Capteur de proximité • Capteur ILS ( Interrupteur à Lame Souple ) • Capteur ILS ( Interrupteur à Lame Souple ) • C‘est un capteur composé d'une lame souple renfermé dans une capsule sensible à la présence d'un champ magnétique mobile « aimant ». • Ce capteur permet de détecter des positions (détection de porte fermée dans un système d’alarme…).
Détecteur de proximité inductif Détecteur de proximité inductif •Un détecteur inductif ne détecte que les objets métalliques. •Essentiellement composé d'un oscillateur dont les bobinages constituent la face sensible •Il produit à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant qui est généré par une self et une capacité montée en parallèle. •Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, des courants de Foucault prennent naissance dans la masse du métal qui soutirent de l'énergie à l'oscillateur au fur et à mesure de l'approche de l'objet métallique, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie. Avantages •Détection sans contact physique : •possibilité de détecter des objets fragiles ou fraîchement peints •pas d'usure, durée de vie indépendante du nombre de manœuvres •détecteur statique, pas de pièces en mouvement •produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche) •très bonne tenue à l'environnement industriel • détecteur sans contact des objets métalliques à une distance de 0 à 60 mm
Dét t d i ité itif 109 Détecteur de proximité capacitif • Il est constitué d'un oscillateur dont le condensateur est formé par 2 électrodes placées à l'avant de l'appareil (constituant la par 2 électrodes placées à l avant de l appareil (constituant la face sensible). • Dans l'air (єr = 1), la capacité de ce condensateur est C0. avec єr est la constante diélectrique, elle dépend de la nature du q , p matériau. • Lorsqu'un objet de nature quelconque (єr > 1) se trouve en regard de la face sensible du détecteur, ceci se traduit par une i ti d l itif (C ) C tt i ti d ité variation du couplage capacitif (C1). Cette variation de capacité (C1>C0) provoque le démarrage de l’oscillateur. Après mise en forme, un signal de sortie est délivré. • Avantages: • Avantages: ▫ Portée nominale 2 à 5 mm ▫ Détection des objets métalliques et des objets isolants ▫ Produit statique, pas de pièces en mouvement ▫ Pas de contact physique avec l'objet détecté : possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints ▫ Pas d'usure, durée de vie indépendante du nombre de manœuvres ▫ Produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche) ▫ Produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche) ▫ très bonne tenue à l'environnement industriel (atmosphère polluante)
Dét t d i ité t él t i 110 Détecteurs de proximité optoélectriques • Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité • Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité. • Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. • La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. • Le signal est amplifié pour être exploité par la partie commande. • Il existe trois grands types de détection : Il existe trois grands types de détection : • la détection par barrage où l'objet à détecter coupe un faisceau lumineux situé entre l'émetteur et le récepteur, l dé i b ù f i éflé hi é l' bj • la détection par barrage où un faisceau réfléchi est coupé par l'objet à détecter, • le système réflex où le faisceau émis par le récepteur est renvoyé par y p p y p la pièce à détecter sur le récepteur situé sur le même capteur.
Dét t d i ité t él t i 111 Détecteurs de proximité optoélectriques Nom Illustration Nom Illustration Barrage Réflex Proximité
C t d iti 112 Capteurs de position • La mesure d’un déplacement ou d’une position revient toujours à • La mesure d un déplacement, ou d une position, revient toujours à mesurer des déplacements circulaires ou linéaires. Deux grands critères sont utiles pour juger de la qualité d’un capteur de position : S é l i ’ l l i l bl • Sa résolution : c’est la plus petite valeur mesurable • Son étendue de mesure : elle est définie par les valeurs extrêmes mesurables par le capteur. • Le principe de la mesure consiste à mesurer une grandeur physique (souvent d’origine électrique), qui varie en même temps que la grandeur à mesurer appelée mesurande. g pp • Ce sont des capteurs généralement basés sur la variation d'impédance d'un dipôle passif. La variation de la grandeur physique à mesurer peut-être liée à : peut-être liée à : • la variation de résistance (R en Ohm) d’une résistance ; • la variation de capacité (C en F) d'un condensateur ; l i i d'i d (L H) d' b bi • la variation d'inductance (L en H) d'une bobine.
C t d iti l i 113 Capteurs de position analogiques • Les capteurs potentio-métriques l • Les capteurs potentio-métriques   l R S  la résistivité la longueur du conducteur l • La résolution est théoriquement infinie pour les pistes en plastique constitué d’un polymère chargé en graphite conducteur mais elle est g la section du conducteur S constitué d un polymère chargé en graphite, conducteur, mais elle est directement liée au diamètre du fil de bobinage pour les pistes bobinées.
C t d iti l i 114 Capteurs de position analogiques • Avantages: ▫ Simple ▫ peu couteux • Inconvenients: ▫ usures par frottement (vitesse et duree de vie limitees)
C t d iti l i 115 Capteurs de position analogiques • variation des paramètres géométrique • variation des paramètres géométrique ▫ Une des armatures est fixe alors que l’autre peut se déplacer avec le dispositif dont on veut suivre le mouvement  condensateur unique  Variation de la surface en regard  Mesure linéaire en fonction de x ou de O Mesure linéaire en fonction de x ou de O Condensateur à surface variable Variation de la distance entre armature: capteur capacitif a écartement variable. deplacement rectiligne etendue de mesure de l’ordre du mm li i d Condensateur à écartement variable non linearite du capteur
C t d iti l i 116 Capteurs de position analogiques co de sate a do ble éfé e tiel • condensateur a double référentiel Vm=E.Zc2/(Zc1+Zc2) Vm=E.(1/jc2w)/(1/(jc1w)+1/(jc2w)) Vm=E/((c2/c1)+1) C /(d d) Condensateur à écartement variable C1=e0er.A/(d0-d) C2=e0er.A/(d0+d) Vm=E./((d0-d)/(d0+d)+1) V E (d d)/( d ) (d d) E/( d ) Application: Au repos d1=d2=Do=1mm, montrer que Vm=E.(d0+d)/(2d0)=(d0+d).E/(2d0) Vm=E/2+E.d/(2d0) pp p , q lors du déplacement de C1 lie a l’element mobile Vm est une fonction linéaire de déplacement
C t d iti l i 117 Capteurs de position analogiques ariation de la permitti ité • variation de la permittivité C1=e0er.l.x/d A2=l.(L-x) C2=e0.l.(L-x)/d C=C1+C2= ▫ Le condensateur global est la somme de la partie avec le dielectrique et de la partie correspondant au id vide • Mesure lineaire en fonction du déplacement • Electrodes generalement cylindriques concentriques • Electrodes generalement cylindriques concentriques
C t d iti l i 118 Capteurs de position analogiques • Les capteurs inductifs L’ l i i li • L’enroulement primaire est alimente par une tension sinusoidale e1= E1 coswt et les enroulements secondaires sont relies en iti d f l f opposition de facon a ce que les forces electromotrices qui y sont induites se • soustraient A t • Avantages • Grande sensibilité • Inconvénients • Faible étendue de mesure (<50 cm) ( 5 ) • Relativement complexes en traitement du signal a posteriori
C t d iti l i 119 Capteurs de position analogiques
C t d iti é i 120 Capteurs de position numériques Les code s otatifs so t des ca te s de ositio • Les codeurs rotatifs sont des capteurs de position angulaire. L di d d t lid i d l' b • Le disque du codeur est solidaire de l'arbre tournant du système à contrôler. Il i d d d if • Il existe deux types de codeurs rotatifs : • les codeurs incrémentaux • les codeurs absolus.
C d i é t 121 Codeurs incrémentaux • La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes régulièrement réparties. • Un faisceau lumineux se trouve derrière ces fentes dirigé vers une diode photosensible. • Chaque fois que le faisceau est coupé, le capteur envoie un signal qui permet de connaître la variation de position de l'arbre. P ît l d t ti d d tili d iè f i l i • Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième faisceau lumineux qui sera décalé par rapport au premier. • Le premier faisceau qui enverra son signal indiquera aussi le sens de rotation du codeur.
C d i é t 122 Codeurs incrémentaux • On considère le codeur de la figure ci-contre • On considère le codeur de la figure ci-contre. • Donner sa résolution • Sachant que les parties transparentes sont détectées comme Etat haut donner le chronogramme des comme Etat haut, donner le chronogramme des signaux des voies A, B et Z si le disque tourne vers la droite. Refaire ce chronogramme si le disque tourne vers la • Refaire ce chronogramme si le disque tourne vers la gauche. • Soit le flip-flop RS. Si les voies A et B sont liées respectivement à R et S Que contient Q si la rotation respectivement à R et S. Que contient Q si la rotation se fait à droite respectivement à gauche?
C d b l 123 Codeurs absolus • Le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d'une diode émettrice d'un Le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d une diode émettrice d un faisceau lumineux et d'une diode photosensible. • La piste centrale est la piste principale, elle détermine dans quel demi-tour la lecture est effectuée. • La piste suivante détermine dans quel quart de tour on se situe, la suivante le huitième de tour etc. Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise. • Il existe des codeurs absolus simple tour qui permettent de connaître une position sur un tour et les codeurs absolus multi-tours qui permettent de connaître en plus le nombre de tours effectués. C d b l i t Codeur absolu 12 pistes Codeur absolu 3 pistes
C d b l 124 Codeurs absolus O tilise le code G a o li ite le isq e • On utilise le code Gray pour limiter le risque d’erreur
E i 125 Exercice • On considère le tapis roulant suivant: • On considère le tapis roulant suivant: • Donner la résolution du codeur (le nombre de points ou fentes) • Calculer la fréquence du signal fourni par le codeur incrémental 1/ La précision correspond toujours à 1 pt du codeur. L d f it t l l li f it t l dé l t d t t d é i èt d l li Le codeur fait 1 tour lorsque la poulie fait 1 tour ; le déplacement correspondant est 3.14.d= 251 mm = périmètre de la poulie. On fait ensuite un produit en croix : 1 pt  2 mm ? Pts 251 mm Donc il faut 126 pts pour 1 tour de codeur soit une résolution de 126 pts/tr 2/ La fréquence de fonctionnement (en Hz = pts/s) dépend de la vitesse de déplacement v = 100 mm/s. 100 mm/s = 100/251 tr/s = 0,4 tr/s donc cela correspond à 0,4 x 126 pts/s = 50 pts/s = 50 Hz.
• La resolution en deplacement est : 2πR/N= πd/N=2 mm  N= πd/(2mm)=40 π=125 66 126 π=125.66 • On prend N=126 fentes • 1 tour du disque on compte 126 périodes P d t 1 l di f it t • Pendant 1s, le disque fait x tours. • V=RΩ avec V est la vitesse rectiligne et Ω est la vitesse angulaire •  Ω=V/R=0.1/(0.04)=2.5 rd/s • Si f est la fréquence, on a f=Ω/(2π) • Pendant un tour, on a 126 périodes. Donc, la fréquence du signal du capteur est :126* Ω/(2π)=50.13Hz
127 Un disque N fentes: N i d  1t N periodes 1tr On a compté m periodes Le disque a fait m/N tours Résolution angulaire: 360° 1/N ou 2π/N en rad Résolution angulaire: 360 .1/N ou 2π/N en rad Si R est le rayon du disque, la résolution en déplacement est: Si le disque fait un tour il se déplace d’une distance Si le disque fait un tour, il se déplace d une distance L=2πR Resolution en déplacement: 2πR/N
C t d it é é t i t h ét i 128 Capteurs de vitesse : génératrice tachymétrique • Elle délivre une tension proportionnelle à sa vitesse de rotation. • Application principale : régulation de vitesse d'un moteur électrique • Caractéristiques essentielles d'une tachymétrie - vitesse maximale de rotation (en tours par minute), esse a a e de o a o (e ou s pa u e), - constante de f.e.m. (en volts à 1000 trs/mn ou en v/tr/mn), - linéarité (en %), - ondulation crête à crête (en %) ondulation crête à crête (en %), - courant maximal. • Génératrice à courant continu i i é d i ▫ Excitation assurée par des aimants permanents.  U = E - r.I et U = Rc.I (Rc est la résistance de charge)  d'où: U = E / (1+r/Rc) = Ke.W / (1+r/Rc) = K.W K t t d f / d/ t W l ti d/ avec Ke: constante de f.e.m. en v/rd/s et W : pulsation en rd/s  La caractéristique tension-vitesse est donc linéaire.
J d t i t 129 Jauge de contrainte • Une jauge est constituée d’un très fin fil conducteur collé sur un support • Une jauge est constituée d un très fin fil conducteur collé sur un support qui est une feuille très mince. • Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant l di i d d l fil bi l ê la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée. • Si on tire sur ce fil, il va s'allonger et sa section va se réduire, sa résistance , g , va donc augmenter (l/s augmente). • L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du double double. s L R   L L K R R    Suite à un allongement, on a K t l f t d l j K est le facteur de la jauge
J d t i t 130 Jauge de contrainte • Si le conducteur subit une force de traction: ▫ Effet de l’allongement : l dl R dR  g ▫ Diminution de la section : loi de Poisson (v : l R ( coefficient de Poisson) l dl S dS  2   ▫ Effet de piézorésistivité (C : constante de Brigman) l S • Au total ces trois effets donnent : l dl C V CdV d ) 2 1 (        dl C dR ) 2 1 ( 2 1         l C R ) 2 1 ( 2 1     
J d t i t 131 Jauge de contrainte • Le capteur à jauges comprend un dispositif mécanique (corps • Le capteur à jauges comprend un dispositif mécanique (corps d’épreuve), destiné à provoquer, sous l’action de la grandeur physique, la déformation de ladite pièce. D j llé d’é f • Des jauges collées sur ce corps d’épreuve transforment ces déformations en variation de résistance. Les précisions obtenues dans ce cas (0,01 %) sont considérablement supérieures à celles que donnent les mesures de déformation. • En réalisant un étalonnage du capteur (comparaison entre la valeur vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques de justesse, fidélité, réversibilité, retour à zéro….
C t lt i (di t / it ) 132 Capteur ultrasonique (distance/vitesse) • L'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur • L émetteur envoie un train d ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour mis (1 temps 2 temps) pour parcourir un aller retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source. • L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attend le retour du signal attend le retour du signal.
R l Eff t D l Fi (Wiki) 133 Rappel: Effet Doppler-Fizeau(Wiki) • Soit un émetteur et un récepteur se déplacent sur une même droite. Il y a trois référentiels galiléens à Soit un émetteur et un récepteur se déplacent sur une même droite. Il y a trois référentiels galiléens à considérer : ▫ Le référentiel du milieu dans lequel se propage l’onde (par exemple l’atmosphère pour une onde sonore). On note c la célérité de l’onde dans ce référentiel (ce n’est pas forcément la vitesse de la lumière). ▫ Le référentiel lié à l’émetteur (source) : appelons vem la vitesse algébrique de l’émetteur (source) par rapport au référentiel (1). ▫ Le référentiel lié au récepteur : appelons vrec la vitesse du récepteur par rapport au référentiel (1). • On suppose que les vitesses sont positives suivant la direction et dans le sens de propagation du signal (de l’émetteur vers le récepteur). ▫ vem positive et vrec négative correspond à un rapprochement entre source et récepteur tandis qu’une vitesse vem négative et vrec positive correspond à un éloignement. • Si la source émet des bips à une fréquence ƒem et que le mouvement relatif entre émetteur et récepteur se fait selon la droite les joignant. Lorsque le deuxième bip est produit, le premier bip a parcouru une distance d0 = c·Temdans le référentiel (1), avec Tem = 1/ƒem. La source s’étant déplacée de vem·Tem pendant le temps Tem, la distance séparant deux bips est d1 = (c - vem)·Tem. • Soit Trec le temps séparant la détection des deux bips par le récepteur. Ce dernier reçoit le premier bip. Au bout de ce temps Trec, il a parcouru la distance vrec·Trec au moment où il reçoit le deuxième bip. p • Durant ce laps de temps Trec, le deuxième bip aura donc parcouru la distance d2 = d1 + vrec·Trec = c·Trec,
L t d t é t 134 Les capteurs de température • Les sondes ou capteurs de température permettent de • Les sondes ou capteurs de température permettent de transformer l'effet du réchauffement ou du refroidissement en signal électrique. en signal électrique. • On peut classer ces capteurs en catégories: d é l i ▫ Les capteurs de température analogiques:  Thermométrie par diodes et transistors  Utilisation de la résistance:  Les résistances métalliques  Les thermistances  Les thermocouples ▫ Les capteurs de température intégrés
Les capteurs de température : Jonction PN 135 Les capteurs de température : Jonction PN • Capteurs délivrant une tension ou un courant lié à la température. • Plusieurs types sont utilisés: • Plusieurs types sont utilisés: ▫ Jonction PN:  La tension aux bornes d'un semi-conducteur ainsi que le courant qui le traverse dépendent de la température. I=Io.(exp(eV /kT)-1) , I0 est le courant de saturation. p ( p( / ) ) ,  T température en kelvin,  e=1.6 10-19 C est la charge de l’éléctron  k =1.38 10-23J/K est la constante de Boltzman  Io=B.T3.exp(eEG /kT), B est un coefficient intrinsèque de la jonction et EG est la largeur de gap en Io B.T exp(eEG /kT), B est un coefficient intrinsèque de la jonction et EG est la largeur de gap en V(EG=1.12V pour le silicium)
Les capteurs de température : Jonction PN 136 Les capteurs de température : Jonction PN • Ce sont des capteurs dit intégrés et qui ont l'avantage que à courant constant I, la mesure de V est (quasi) linéaire en fonction de la température et se présente sous la forme : V = (q ) p p aT + b avec a qui dépend de l'élément sensible. • Exemple de linéarisation: • Les deux transistors sont supposés identiques Les deux transistors sont supposés identiques • I1=Io.exp(eV1 /kT) • I2=Io.exp(eV 2/kT) Vd=KT/e.ln(I1/I2) La sensibilité (en μV/K) est 85.56. ln(I1/I2) La tension Vd est proportionnelle à la température absolue
Les capteurs de température : Jonction PN 137 Les capteurs de température : Jonction PN • Ce type de capteur utilisant des diodes et des transistors ont l'avantage d’être simple à fabriquer et à mettre en œuvre, peu coûteux et très linéaire. • Mais ils ont une étendue de mesure limitée ( 50 °C 150 °C)et sont affectés par un • Mais, ils ont une étendue de mesure limitée (-50 C , 150 C)et sont affectés par un champs magnétique.
Les capteurs de température : Thermistance 138 Les capteurs de température : Thermistance • Une résistance qui varie en fonction de la température. Elle est constituée d’oxyde métallique d oxyde métallique. • Il existe trois grandes sortes de thermistances : ▫ Coefficients de Température Négatif (CTN) : La résistance diminue lorsque la température augmente température augmente ▫ Coefficients de Température Positif (CTP) : La résistance augmente lorsque la température augmente. ▫ Critical Variation Resistor : sont des CTN à variation brusque de résistance. q • CTN relativement à CTP : résistance diminuer de façon uniforme quand la température augmente, ce qui en fait une des thermistances les plus utilisés. • CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques, CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques, barreaux, pastilles, rondelles, puces etc. • Limitations: Linéarité, temps de réponse, gamme températures 300°C
Les capteurs de température : Thermistance 139 Les capteurs de température : Thermistance • CTN: CTN: Mesure de température
L t d t é t Th i t 140 Les capteurs de température : Thermistance CTP • CTP:
L t d t é t th l 141 Les capteurs de température : thermocouples - Ces sondes permettent des mesures de températures très élevées (dépassant - Ces sondes permettent des mesures de températures très élevées (dépassant 1000°C pour une sonde de type "K", par exemple). • Elles sont constituées de deux matériaux qui, lorsqu'ils sont en contacts et é à é d é déli i portés à une température donnée, délivrent une tension. • Cette tension est faible et doit être amplifiée pour être exploitable.
Les capteurs de température : thermocouples 142 Les capteurs de température : thermocouples Selection of the Measuring Junction Sheathed thermocouples are available in 3 junctions types: Sheathed thermocouples are available in 3 junctions types: -grounded: Fast time response . Can Be subject to EMF interference -Ungrounded: EMF Resistant. Slower Response Time. -and exposed. Provides the fastest time response: Cannot be used in an environment with a high percentage of solids, high pressure, or liquid material since the junction is exposed to this environment. -Each design offers specific advantages as well as Each design offers specific advantages as well as disadvantages and must be considered carefully when placing an order.
Les capteurs de température : thermocouples 143 Les capteurs de température : thermocouples Lettre Domaine d’utilisation (°C) Sensibilité moyenne ( μV/°C) Lettre Conducteur positif Conducteur négatif T Cuivre Nickel-Cuivre (Constantan) T -200 à 370 51 J -40 à 800 55 E -270 à 870 78,5 à J Fer Constantan E Nickel-Chrome (Chromel) Constantan K Chromel Nickel-Aluminium (Alumel) K -270 à 1270 41 S -50 à 1600 11,4 R -50 à 1600 12.9 B 0 à 1700 10,6 S Platine-10 % Rhodium Platine-6 % Rhodium R Platine-13 % Rhodium Platine B Platine-30 % Rhodium Platine-6 % Rhodium B 0 à 1700 10,6 N -270 à 1300 38 G C et D 0 à 2600 20 Pt/Au 0 à 1000 25 N Nickel-Chrome- Silicium (Nicrosil) Nickel-Chrome- Magnésium (Nisil) U Cuivre Constantan G Tungstène Tungstène-26 % Rhénium Rhénium C Tungstène-5 % Rhénium Tungstène-26 % Rhénium D Tungstène-3 % Rhénium Tungstène-25 % Rhénium Couple non normalisé Platine Or normalisé
L t d t é t th l 144 Les capteurs de température : thermocouples
L t d t é t Mét lli 145 Les capteurs de température : Métallique • Pour les métaux, la résistance varie avec la température ; Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la RTD: Resistance Temperature Detector • Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la température mais seulement quelques uns sont utilisés comme capteur. ▫ Platine: Précis, stable, durable, RTD: Resistance Temperature Detector ▫ Tungstène, Moins Stable que platine, Meilleure linéarité en haute température, -100 °C , 1 400 °C ▫ Nickel: Sensibilité la plus élevée , Résistivité élevée, Faible linéarité, Peu stable, -80 °C , 260 °C ▫ Cuivre: Linéaire, Résistivité faible donc encombrement, Peu stable,
L t d t é t Mét lli 146 Les capteurs de température : Métallique • Pour une résistance en platine (notée PT25, PT50, PT100, PT200, PT500 PT ) ou PT1000). • La plus courante est PT100 ayant une résistance de 100Ω à 0°C • Pour le platine on utilise la formule de Callendar et Van Dusen : ou e p a e o u se a o u e de Ca e da e a use ▫ R(t) = R0.(1 + a.t + b.t2 + c.( t−100).t3). Pour t>0°C, a=3,9083.10-3, b =-5,775.10-7 et c=0. Pour t<0°C a=3 9083 10-3 b = 5 775 10-7 et c= 4 183 10-12 Pour t<0 C, a=3,9083.10 3, b =-5,775.10 7 et c=- 4,183.10 12 ▫ R0 est la valeur qui suit les lettres PT
L t d t é t Mét lli 147 Les capteurs de température : Métallique • Pour les métaux, la résistance varie avec la t é t température ; • Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la température mais seulement quelques uns sont tili é t RTD: Resistance Temperature Detector utilisés comme capteur. ▫ Platine: Précis, stable, durable, -200 °C , 850 °C ▫ Tungstène, Moins Stable que platine, Meilleure linéarité en haute température, -100 °C , 1 400 °C p , , 4 ▫ Nickel: Sensibilité la plus élevée , Résistivité élevée, Faible linéarité, Peu stable, -80 °C , 260 °C ▫ Cuivre: Linéaire, Résistivité faible donc encombrement, Peu stable 190 °C 150 °C stable, -190 C , 150 C
L t d t é t i té é 148 Les capteurs de température intégrés • Grâce à leur sortie numérique ces capteurs peuvent être directement • Grâce à leur sortie numérique, ces capteurs peuvent être directement connectés sur une entrée d’un système numérique pour la gestion de la température. • Ils permettent une lecture directe du signal, sans passer par un convertisseur analogique/numérique et sont calibrés par le constructeur constructeur.
L t él t i 149 Les capteurs pyroélectriques • Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au • Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au moins, qui sont sensibles à la chaleur (rayonnement infrarouge). • Le capteur est élaboré de telle sorte qu'il permet la détection de p q p différences de chaleur entre les cellules qu'il comporte. Il est très utilisé dans les systèmes de détection de personne (carillon porte d'entrée, détecteurs IR pour alarmes allumage automatique de lampes) détecteurs IR pour alarmes, allumage automatique de lampes).
L t d f é 150 Les capteurs de fumée • Système de détection de la fumée optique a le principe suivant: • Système de détection de la fumée optique a le principe suivant: ▫ Un faisceau lumineux créé par une LED émettrice éclaire une chambre de détection obscure. ▫ Cette chambre contient aussi un récepteur photoélectrique (cellule) qui transforme la lumière en un faible courant électrique. L l i l d f é é è à l’i é i d dé d ▫ Lorsque les particules de fumée pénètrent à l’intérieur du détecteur de fumée, la lumière est réfléchie sur la surface des particules de fumée et entre en contact avec la cellule, ce qui déclenche aussitôt l’alarme.
C t d débit èt lt 151 Capteur de débitmètre ultrason • On mesure la vitesse de déplacement du fluide en mesurant la différence des temps d t it d l’ d d fl id de transit de l’onde dans un fluide. • Différence calculée entre le temps de parcours d’une onde ultrasonore d’une sonde A montée en amont par rapport à une sonde B montée en aval (sens d’écoulement d fl id ) t t l t d d’ d lt d’ d B du fluide) et entre le temps de parcours d’une onde ultrasonore d’une sonde B montée en aval par rapport à une sonde A montée en amont (sens opposé). • Les sondes A et B sont alternativement émettrice et réceptrice de l’onde ultrason. diffé d d dé i l i d’é l d ili • La différence des temps permet de déterminer la vitesse d’écoulement du milieu. • Le débit volumique est aussi déterminé en ayant rentré le diamètre de la canalisation et son épaisseur: Débit volumique est le produit de la section et de la i d’é l vitesse d’écoulement Q = S x V
C t d i 152 Capteurs de pression • Plusieurs types dont : Piézoélectrique et capacitif. Plusieurs types dont : Piézoélectrique et capacitif. • Le capteur capacitif repose, sur le fait qu'une différence de pression entraîne une variation d'épaisseur entre les couches conductrices d'un condensateur et, donc, une variation de la capacité de la cellule variation de la capacité de la cellule. •Pression Absolue Mesure par rapport à un volume •Pression Absolue Mesure par rapport à un volume scellé, généralement sous vide. •Pression Relative Mesure par rapport à la pression atmosphérique. •Pression Différentielle avec 2 entrées pression •Pression Différentielle avec 2 entrées pression, pour mesurer la différence entre 2 pressions.
M èt i diffé ti ll 153 Manomètres pour pression différentielle • Une capsule montée dans un boîtier étanche résistant à la pression est • Une capsule montée dans un boîtier étanche résistant à la pression, est soumise, de l’intérieur et de l’extérieur, à une pression. • La différence de pression entre les deux parties provoque un d l l mouvement de la capsule. • Conversion par variation de capacité
C t d i j 154 Capteurs de pression avec jauges
B h t d t l i 155 Branchement de capteurs analogiques
B h t d t TOR 156 Branchement de capteurs TOR

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  • 1.
    1 Instrumentation et Capteurs ENSAKénitra Niveau S7 ENSA Kénitra Année 2022-2023 Prof. O. ZYTOUNE
  • 2.
    C t t 2 Contexte •La station météo Davis Vantage Vue La station météo Davis Vantage Vue 6250EU permet de mesurer: ▫ Température de -30°C à +60°C - Résolution 0 1°C • Etude d’une station Résolution 0,1 C. ▫ Humidité - Résolution: 1%. ▫ Précipitations - Résolution 0,25 mm. météorologique ▫ Vitesse du vent de 3 à 241 Km/h - Résolution 1 Km/h. ▫ La direction du vent - Résolution 1°.
  • 3.
    3 Instrumentation et Capteurs IInstrumentation industrielle I. Instrumentation industrielle ENSA Kénitra Niveau S7 ENSA Kénitra Année 2022-2023 Prof. O. ZYTOUNE
  • 4.
    4 Plan • Introduction A PROPRIETESGENERALES • A- PROPRIETES GENERALES ▫ Principes fondamentaux  Définitions et caractéristiques générales  Capteurs actifs Capteurs actifs  Capteurs passifs  Corps d'épreuve - capteurs composites  Grandeurs d'influences  La chaîne de mesure  Capteurs intégrés  Capteurs intelligents ▫ Caractéristiques métrologiques ▫ Caractéristiques métrologiques  Les erreurs de mesures  Etalonnage des capteurs  Limites d'utilisation  Sensibilité  Rapidité - temps de réponse • B - CONDITIONNEMENT DU SIGNAL Source : L'ouvrage de référence : « Les capteurs en instrumentation industrielle » Georges Asch et collaborateurs , Edition Dunod 2010
  • 5.
    5 Introduction • Mesurer unegrandeur physique c’est attribuer une valeur quantitative en prenant pour référence une grandeur de même nature appelée unité. • L’instrumentation est une technique de mise en œuvre d’instruments de mesure, d’actionneurs, de capteurs, de régulateurs, en vue d’effectuer en vue d effectuer ▫ la surveillance (ex. mesure de température), du diagnostic des tests ▫ la commande d’appareillage (ex. mesure du taux d’humidité sol pour d à i i ti ) l l d h î d commander une pompe à irrigation), on parlera alors de chaîne de régulation. ▫ la modélisation de phénomènes
  • 6.
    d 6 Introduction • Domaine del’instrumentation: Contrôle industriel
  • 7.
    7 Classification des signaux •Signal analogique : g g q ▫ L’amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre 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 important : pression cardiaque, chromatographie, impact.  Fréquentiel : C’est le spectre fréquentiel qui transporte l’information désirée : analyse vocale, sonar, spectrographie. , p g p • Signal numérique ▫ L’amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu’un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. g p ▫ Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un 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.
  • 8.
    Cl ifi tid i 8 Classification des signaux
  • 9.
    Propriétés générales :é é é é 9 Propriétés générales : Définitions et caractéristiques générales L d ( ) t l d h i à • Le mesurande (m) est la grandeur physique à mesurer : déplacement, température, pression pression... • Le mesurage est l'ensemble des opérations expérimentales qui concourent à la expérimentales qui concourent à la connaissance de la valeur numérique du mesurande mesurande. • Le capteur est le dispositif qui soumis à l'action d'un mesurande non électrique l action d un mesurande non électrique présente une caractéristique de nature électrique (charge tension courant ou électrique (charge, tension, courant ou impédance).
  • 10.
    T d t 10 Typede capteurs: Capteur actif – capteur passif • En tant qu'élément de circuit électrique le capteur se présente vu de sa • En tant qu élément de circuit électrique, le capteur se présente, vu de sa sortie : ▫ soit comme un générateur, s étant une charge, une tension ou un courant et il ' it l d' t tif il s'agit alors d'un capteur actif; ▫ soit comme une impédance, étant alors une résistance, une inductance ou une capacité : le capteur est alors dit passif. if é é l b é ff h i i • Le capteur actif est généralement basé sur un effet physique qui assure la conversion en une énergie électrique, caractérisée par une tension, un courant ou une charge électrique. (thermocouple, par exemple, pour la mesure de température) • Le capteur passif est une impédance dont l'un des paramètres déterminants (R L ou C) est sensible au mesurande (sonde Pt 100 par déterminants (R, L ou C) est sensible au mesurande. (sonde Pt 100, par exemple; pour la mesure de température)
  • 11.
    C t tif 11 Capteuractif G d h i à Eff t tili é G d d ti Grandeur physique à mesurer Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Pyroélectricité Charge Pyroélectricité Charge Flux de rayonnement optique Photoémission Courant Effet photovoltaïque Tension Effet photo-électrique Tension Force, Pression, Accélération Piézo-électricité Charge Vitesse Induction électromagnétique Tension Position (Aimant) Courant, champ magnétique Effet Hall Tension
  • 12.
    12 Effet thermoélectrique • Uncircuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T est le siège d'une force électromotrice d'origine T2, est le siège d une force électromotrice d origine thermique v(T1,T2) « effet Seebeck ». ▫ Utilisation : mesure de T lorsqu’on connait T (ex. T = 0°C.) Utilisation : mesure de T1 lorsqu on connait T2 (ex. T2 0 C.)
  • 13.
    Eff t Pél t i 13 Effet Pyroélectrique • Pyr=feu : Ce phénomène se produit dans certains cristaux dit « él i l lf d i l i l pyroélectriques », le sulfate de triglycine par exemple ; ▫ Le cristal pyroélectrique réagit au rayonnement thermique en changeant sa polarisation. p ▫ ils portent en surface des charges électriques proportionnelles à cette polarisation et de signes contraires sur les faces opposées. • En pratique si le rayonnement Φ est constant la tension V disparait peu à • En pratique, si le rayonnement Φ est constant, la tension V disparait peu à peu. Ce capteur fonctionne bien si le rayonnement varie continuellement.
  • 14.
    Effet Piézoélectrique 14 Effet Piézoélectrique •L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique L application d une force et plus généralement d une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectriques, le quartz par exemple, entraîne une déformation qui suscite l'apparition de charges électriques égales et de signes contraires sur les faces opposées signes contraires sur les faces opposées. • Pour faire apparaitre une contrainte dans le cristal, il suffit de lui appliquer une force F. Une tension V est générée due aux contraintes générées par la f F force F. ▫ Si la force F est constante, la polarisation disparait. ▫ Des capteurs de force, de pression et d'accélération utilisent ce p , p phénomène qui permet de larges bandes passantes i.e. permet la mesure de grandeurs physiques variant très rapidement.
  • 15.
    Eff t Id tif 15 Effet Inductif • Un conducteur qui se déplace dans un champ d'induction fixe, il est le Un conducteur qui se déplace dans un champ d induction fixe, il est le siège d'une f.é.m. proportionnelle au flux coupé par unité de temps, donc à sa vitesse de déplacement. • De même, lorsqu'un circuit fermé est soumis à un flux d'induction variable du fait de son déplacement ou de celui de la source de l'induction (aimant par exemple), la f.é.m. dont il est le siège est égale (et de signe contraire) à la vitesse de variation du flux d'induction. ▫ Application : la mesure de la f.é.m. d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine.
  • 16.
    Eff t ht él t i 16 Effets photoélectriques • On en distingue plusieurs, qui diffèrent par leurs manifestations mais qui ont pour origine commune la libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement électromagnétique, dont la longueur d'onde est g g q , g inférieure à une valeur seuil, caractéristique du matériau. • Application: ▫ Les effets photoélectriques qui permettent d'obtenir un courant ou une ▫ Les effets photoélectriques qui permettent d obtenir un courant ou une tension fonction de l'éclairement d'une cible sont à la base de méthodes de mesure des grandeurs photométriques d'une part, et ils assurent d'autre part la transposition en signal électrique des informations dont la lumière part, la transposition en signal électrique des informations dont la lumière peut être le véhicule
  • 17.
    Effet Hall 17 Effet Hall •Ce phénomène se produit lorsqu'un conducteur ou un semi-conducteur traversé par un courant d'intensité i est soumis à un champ magnétique B courant d intensité i est soumis à un champ magnétique B. • Une différence de potentiel électrique V apparait, alors, entre les deux faces perpendiculaires à la direction du courant et du champ magnétique. • Cette tension est d'ailleurs proportionnelle au produit vectoriel du courant et du champ Cette tension est d ailleurs proportionnelle au produit vectoriel du courant et du champ magnétique : ▫ kmag dépend du matériau et des dimensions de la plaquette. • Un capteur à effet Hall peut servir à mesurer la distance entre un aimant et le détecteur, car plus l'aimant est près, plus l'intensité du champ magnétique augmente. • Est le plus familier pour mesurer de forts champs magnétiques(Courants)
  • 18.
    Capteurs passifs 18 Capteurs passifs •Il s'agit d'impédances dont l'un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. La variation d'impédance résulte : ▫ Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature 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'extensiométrie liée à une structure déformable). • L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont p p p mesurables qu'en intégrant le capteur dans un circuit électrique.
  • 19.
    Capteurs passifs 19 Capteurs passifs Lesmesurandes susceptibles de modifier les propriétés électriques de matériaux employés pour la réalisation de capteurs passifs. Grandeur mesurée Caractéristique électrique sensible Type de matériaux utilisé Température Résistivité Métaux : platine, nickel, cuivre (CTP) Semi conducteur (CTN) p Semi-conducteur (CTN) Très basse température Constante diélectrique Verre Flux lumineux Résistivité Semi conducteur (LDR) Flux lumineux Résistivité Semi-conducteur (LDR) Déformation Résistivité Alliage de Nickel, silicium dopé Perméabilité magnétique µ Alliage ferromagnétique Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto résistants : bismuth, antimoniure d'indium Humidité Résistivité Constante diélectrique  Chlorure de lithium Alumine, polymères Niveau Constante diélectrique Liquides isolants Niveau Constante diélectrique Liquides isolants
  • 20.
    Ré i 20 Résistance • Larésistance R: • La résistance R: • Variation de résistivité : ▫ La relation entre la résistivité ρ et la température T est : avec ρ0 la résistance à une température de référence ; ∆T la différence entre la température actuelle et celle de référence et αi les coefficients de température coefficients de température. Ainsi, pour un fil cylindrique de longueur l et de section A, la résistance est :
  • 21.
    d 21 Le condensateur • Lacapacitance d’un condensateur C est définie comme le rapport entre la quantité Q de La capacitance d un condensateur C est définie comme le rapport entre la quantité Q de charges électriques stockées sur deux plaques métalliques et le champ électrique V entre ces plaques provoqué par ces charges électriques : La capacitance de deux plaques rectangulaire parallèles de surface A distancées d'une distance d La capacitance d'un condensateur cylindrique , d et D les diamètres respectifs des électrodes internes et externes et l la longueur du cylindre Avec εr , la constante diélectrique relative du matériau soumis au champ électrique présent entre les deux plaques. A titre de référence, la constante diélectrique du vide (dite aussi itti ité d id ) t 8 8 4 10 12 F/ t l t t diél t i l ti d l' i t permittivité du vide) est ε0 = 8,854.10-12 F/m et la constante diélectrique relative de l'air est ε0 = 1,000264.
  • 22.
    I d t 22 Inductance •L'inductance L est une mesure du rapport entre le flux du champ magnétique Φ généré • L inductance L est une mesure du rapport entre le flux du champ magnétique Φ généré par un fil conducteur traversé par un courant d'intensité I : • La loi de Faraday donne la tension e(t): ▫ Et la relation entre la tension e(t)et le coutant i(t) dans une inductance: • L'inductance d'une bobine de N spires enroulées autour d'un noyau magnétique est : • Avec μ0 la perméabilité magnétique du vide, • μr la perméabilité magnétique relative du noyau magnétique • et l la longueur du circuit magnétique.
  • 23.
    23 Inductance L’ind ctance pet être changée par les ariations de la perméabilité magnétiq e relati e q i • L’inductance peut être changée par les variations de la perméabilité magnétique relative qui est fonction des contraintes mécaniques présentes dans un métal ferromagnétique soumis à une force. • L'inductance peut aussi être changée en modifiant la réluctance du circuit magnétique ou en L inductance peut aussi être changée en modifiant la réluctance du circuit magnétique ou en changeant le nombre de tours de la bobine • Certains circuits magnétiques comportent des entrefers, i.e., des zones ou le circuit ferromagnétique est interrompu. ▫ Un entrefer de faible épaisseur e possède une réluctance (si entrefer est un vide, i.e. μr=1 ): L’inductance due à l’entrefer est alors: S e    ▫ L inductance due à l entrefer est alors: S 0  2 N L • La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances du circuit magnétique   L • La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances du circuit magnétique
  • 24.
    d 24 Inductance • L’effet d'avoirdes bobines proches l'une de l'autre: elles interagissent.  Variation d’inductance mutuelle
  • 25.
    C t it 25 Capteurscomposites • Pour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation, on peut utiliser un capteur, p , p p , non sensible au mesurande mais à l'un de ses effets. • Le corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis au mesurande étudié en assure une première traduction en une autre grandeur physique non-électrique, appelé p g p y q q , pp mesurande secondaire, qu'un capteur adéquat traduit alors en grandeur électrique. Exemple : Mesure d'une force mécanique On utilise comme corps d’épreuve un élément élastique respectant la loi linéaire On utilise comme corps d épreuve un élément élastique, respectant la loi linéaire (raideur constante). Le mesurande force est transformé en mesurande déplacement Le capteur de force utilise ainsi les technologies du capteur de déplacement
  • 26.
    Grandeurs d’influence 26 Grandeurs dinfluence • Le capteur peut se trouver soumis non seulement au mesurande mais à d’autres d h iq q i t t i h t d l d grandeurs physiques qui peuvent entrainer un changement de la grandeur électrique de sorte qu’il est impossible de distinguer de l’action du mesurande. Ce sont les grandeurs d’influence. L i i l t • Les principales sont : ▫ Température qui modifie les caractéristiques électriques (résistances), mécaniques et dimensionnelles des composants du capteur. ▫ Pression accélération et vibrations susceptibles de créer des déformations et des ▫ Pression, accélération et vibrations susceptibles de créer des déformations et des contraintes qui altèrent la réponse du capteur. ▫ Humidité à laquelle, par exemple, la constante diélectrique ou la résistivité peuvent être sensibles et qui risque de dégrader l’isolation électrique entre composants du capteur ou q q g q p p entre le capteur et son environnement. ▫ Champs magnétiques variables ou statiques. Les premiers créent des f.é.m. d’induction qui se superposent au signal utile, les seconds peuvent modifier une propriété électrique l é i i i é l l ili é i é é i if comme la résistivité lorsque le capteur utilise un matériau magnéto-résistif. ▫ Tension d’alimentation (amplitude et fréquence) lorsque la grandeur électrique de sortie en dépend de par le principe même du capteur. Lumière ambiante qui vient s’ajouter au flux lumineux à mesurer ▫ Lumière ambiante qui vient s ajouter au flux lumineux à mesurer.
  • 27.
    Grandeurs d’influence 27 Grandeurs dinfluence Po éli i e de la es e les e t batio s o doit • Pour éliminer de la mesure les perturbations, on doit: ▫ Soit réduire l'importance des grandeurs d'influence au niveau du capteur en le protégeant par un isolement adéquat : supports antivibratoires, blindages magnétiques ; ▫ Soit stabiliser les grandeurs d'influence à des valeurs parfaitement connues et d'étalonner le capteur dans ces conditions de fonctionnement : enceinte thermostatée ou à hygroscopie (absorbant l’humidité) contrôlée, sources d'alimentation régulées ; ▫ Soit utiliser des montages qui permettent de compenser l'influence des grandeurs parasites
  • 28.
    T tt 28 Transmetteur U disositif q i co e tit le sig al de so tie d • Un dispositif qui convertit le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standard. Il t d li l t tè d t ôl • Il permet de lier le capteur au système de contrôle commande Il èd i d è d é l • Il possède au moins deux paramètres de réglage : le décalage de zéro et l’étendue de mesure.
  • 29.
    Chaine de mesure 29 Chainede mesure • Elle permet de recueillir les informations nécessaires à la connaissance et ôl d’ édé au contrôle d’un procédé ▫ Elle délivre ces informations sous une forme appropriée à l’exploitation.
  • 30.
    Ch i d 30 Chainede mesure • Elle assure au moyen de dispositifs appropriés : • Elle assure au moyen de dispositifs appropriés : ▫ L’extraction de l’information des grandeurs physiques à connaitre et la traduction en signal électrique au moyen de capteurs et de conditionneurs. L t it t l i d i l fi d’é it l dé d ti d ▫ Le traitement analogique du signal afin d’éviter la dégradation du signal par le bruit et les parasites : amplification, filtrage. ▫ La sélection à l’aide du multiplexeur parmi l’ensemble des signaux di ibl d i l i disponibles du signal requis. ▫ La conversion du signal sous forme numérique adaptée au calculateur chargé de l’exploiter, au moyen de l’échantillonneur-bloqueur et d ti l i é i du convertisseur analogique-numérique.
  • 31.
    Principaux composants dela chaine 31 Principaux composants de la chaine • Le multiplexeur : l él d l f d ll l l d f d ▫ Permet la sélection d’un canal afin d’aiguiller son signal vers les dispositifs de traitement dans le cas où l’acquisition des données porte sur plusieurs mesurandes. • Il existe deux types de multiplexeurs :unipolaire et différentiel. ▫ Le choix suivant la nature des tensions à commuter : référencées par rapport à ▫ Le choix suivant la nature des tensions à commuter : référencées par rapport à la masse ou différence de potentiels. • Une des caractéristiques importante du multiplexeur est le temps d’établissement, défini par la somme du temps de transition et du temps de réponse. ▫ Temps de transition: temps entre la sélection de la voie et sa fermeture ▫ Temps de transition: temps entre la sélection de la voie et sa fermeture ▫ Temps de réponse: temps entre la fermeture de la voie et l’apparition du signal à la sortie du mux.
  • 32.
    Principaux composants dela chaine 32 Principaux composants de la chaine • L’échantillonneur bloqueur : • L échantillonneur-bloqueur : ▫ prélèvement à un instant connu avec précision un échantillon d’une tension appliquée à son entrée ; ▫ mémorisation cet échantillon; ▫ Délivrance en sortie une tension égale à celle mémorisée. • Dans le cas de signaux dont la variation risque d’être Dans le cas de signaux dont la variation risque d être importante pendant la durée d’une conversion analogique- numérique, l’échantillonneur-bloquer doit nécessairement précéder le CAN de façon à lui présenter une tension stable représentative du signal à l’instant de l’échantillonnage.
  • 33.
    Principaux composants dela chaine 33 Principaux composants de la chaine • Le convertisseur analogique-numérique ▫ Recevant à son entrée une tension analogique Vi, il délivre en sortie un mot de n bits selon un code binaire déterminé. • Il est caractérisé par : • Il est caractérisé par : ▫ La plage de tension analogique convertible Vpc = exemple de 0 – 10V en unipolaire ou ±5V en bipolaire ; ▫ Le nombre n de bits du mot de sortie, le convertisseur peut fornir2n mots distincts (de 0 à 2n-1) ; • V et n permettent de définir la valeur du quantum • Vpc et n permettent de définir la valeur du quantum q=Vpc/2n ou la plage élémentaire de conversion. ▫ Pour Vpc = 10V pc n 8 10 12 16 q(mV) 39,1 9, 8 2,4 0,15 q( )
  • 34.
    Principaux composants dela chaine 34 Principaux composants de la chaine • Microprocesseur (le calculateur) : U f i é il êt l h f d’ h t d l ▫ Une fois programmé, il va être le chef d’orchestre de la chaîne de mesure, c.-à-d. délivrer les séquences de commandes activant chacun des blocs de circuit de la chaîne :  La sélection d’une voie d’entrée par l’envoi d’une adresse au multiplexeur ; multiplexeur ;  La fixation du gain programmable ;  L’échantillonnage puis le blocage du signal ;  Le déclenchement de la conversion analogique-numérique ;  La lecture et le stockage de la donnée numérique dès qu’est reçu le signal de fin de conversion du CAN reçu le signal de fin de conversion du CAN.
  • 35.
    C t ité é 35 Capteur intégré C’est co osa t éalisé a les tech iq es de • C’est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun le capteur à même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d’épreuve et l’électronique de conditionnement l électronique de conditionnement.
  • 36.
    Capteur intelligent 36 Capteur intelligent •C’est l'ensemble de mesure d'une • C est l ensemble de mesure d une grandeur physique constitué de deux parties : deux parties : ▫ une chaîne de mesure pilotée par microprocesseur ; ▫ une interface de communication bidirectionnelle. • Il offre des avantages spécifiques : • Il offre des avantages spécifiques : ▫ configurabilité à distance ; ▫ crédibilité accrue des mesures et aide à la maintenance grâce aux informations d'état fournies ; répartition des tâches déchargeant ▫ répartition des tâches, déchargeant le calculateur central.
  • 37.
    C t it lli t 37 Capteur intelligent • La chaîne de mesure comporte : • La chaîne de mesure comporte : ▫ le capteur principal spécifique du mesurande étudié ; ▫ les capteurs secondaires propres aux grandeurs d'influence susceptibles d'affecter la réponse du capteur principal; ▫ les dispositifs classiques permettant l'obtention sous forme numérique de la grandeur de sortie de chaque capteur : conditionneur, multiplexeur, g q p , p , amplificateur, échantillonneur-bloqueur, convertisseur analogique- numérique ; ▫ un microprocesseur affecté aux tâches : ▫ un microprocesseur affecté aux tâches :  gestion de l'acquisition,  correction de l'effet des grandeurs d'influence au moyen des paramètres t ké PROM t d d é f i l t d i stockés en PROM et des données fournies par les capteurs secondaires,  linéarisation,  diagnostic des capteurs.
  • 38.
    Capteur intelligent 38 Capteur intelligent •L'interface de communication bidirectionnelle assure la liaison du capteur à un calculateur par un bus partagé entre plusieurs capteurs intelligents. • Les messages porteurs du code du capteur concerné transitent par l'interface : it d l l l t t fi ti ▫ soit dans le sens calculateur vers capteur : configuration, auto-étalonnage ... ▫ soit dans le sens capteur vers calculateur : résultats de soit dans le sens capteur vers calculateur : résultats de mesure, état de la chaîne (étendue de mesure, dépassements de gamme du mesurande ou d'une grandeur d'influence ...).
  • 39.
    Caractéristiques métrologiques 39 Caractéristiques métrologiques •Limites d'utilisation • Limites d utilisation • Sensibilité • Rapidité temps de réponse • Rapidité - temps de réponse • Les erreurs de mesures Et l d t • Etalonnage des capteurs
  • 40.
    Domaines de fonctionnement 40 Domainesde fonctionnement • Chaque capteur présente des caractéristiques métrologiques qui définissent ses limites d'utilisation et de précision. C li it dé d t d d t d d • Ces limites dépendent du mesurande et des grandeurs d’influence. • Trois domaines de fonctionnement: • Trois domaines de fonctionnement:
  • 41.
    Domaines de fonctionnement 41 Domainesde fonctionnement • Domaine nominal : conditions normales d'utilisations. P l d ’ t ét d d t l d ▫ Pour le mesurande c’est son étendue de mesure et pour les grandeurs d’influence est la plage de travail. • Domaine de non-détérioration : dépassement du domaine nominal, les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière réversible ▫ Le capteur entre dans ce domaine si le mesurande et/ou les grandeurs d’influence excédent les valeurs minimales et/ou maximales du domaine d influence excédent les valeurs minimales et/ou maximales du domaine nominal. • Domaine de non destruction L té i ti d t t difié d iè i é ibl ▫ Les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière irréversible.. ▫ Un nouvel étalonnage est nécessaire. ▫ Si on sort du domaine de non-destruction, le capteur est alors détruit. p
  • 42.
    S ibilité 42 Sensibilité La sesibilité S( ) d' ca te o e ale • La sensibilité S(m) d'un capteur, pour une valeur donnée du mesurande, est égale au rapport de la ariation du signal électrique sur la ariation du variation du signal électrique sur la variation du signal physique. s    ( ) m s S m m         
  • 43.
    S ibili é 43 Sensibilité •Pour faciliter l'exploitation on s'efforce d'utiliser en sorte • Pour faciliter l exploitation on s efforce d utiliser, en sorte qu'il établisse une relation linéaire entre les variations Δs de la grandeur de sortie et celles Δm de la grandeur de la grandeur de sortie et celles Δm de la grandeur d'entrée . • Un des problèmes dans la conception et l'utilisation d'un capteur est la constance de sa sensibilité S qui ne doit pas dépendre : d l l d (li é ité) t d f é d i ti (b d ▫ de la valeur de m (linéarité) et de sa fréquence de variation (bande passante) ; ▫ du temps (vieillissement) ; ▫ de l'action d'autres grandeurs physiques de son environnement qui ne sont pas l'objet de la mesure (grandeurs d'influence).
  • 44.
    Et d d 44 Etenduede mesure • Elle est la plage de valeurs du mesurande pour lesquelles le p g p q capteur répond aux spécifications du constructeurs. • Cette spécification peut aussi s'appeler calibre ▫ E.M. = mmax – mmin • L'unité de l'E.M. est généralement l'unité du mesurande. l C d f à j i é i i 6 ▫ Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1: E.M. 0-10 N
  • 45.
    Ré l ti 45 Résolution Laésol tio est la l s etite a iatio d • La résolution est la plus petite variation du mesurande qu’il est possible d’observer. U ité ll d d • →Unité : celle du mesurande.
  • 46.
    P é ii d 46 Précision de mesure • Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner une • Elle caractérise l aptitude d un capteur à donner une mesure M proche de la valeur vraie m de la grandeur mesurée; mesurée; • L'incertitude de mesure δM est telle que : m = M ± δM • L'erreur relative de mesure est une erreur relative εp p ramenée à la vraie valeur réel mesuré p M M M    • La précision de mesure est d'autant plus grande que l'i tit d l ti t l tit réel M l'incertitude relative est plus petite.
  • 47.
    E d 47 Erreurs demesures • Erreurs systématiques : reproductibles reliées à • Erreurs systématiques : reproductibles reliées à leur cause par une loi physique, donc susceptible d'être éliminées par des corrections convenables d être éliminées par des corrections convenables. • Erreurs aléatoires ou accidentelles : non reproductibles qui obéissent à des lois statistiques reproductibles, qui obéissent à des lois statistiques. ▫ Résultent d'une fausse manœuvre, d'un mauvais emploi ou de dysfonctionnement de l'appareil ou de dysfonctionnement de l appareil. ▫ Elles ne sont généralement pas prises en compte dans la détermination de la mesure détermination de la mesure.
  • 48.
    E té ti 48 Erreurssystématiques • Erreurs constantes et/ou des variations lentes par rapport à • Erreurs constantes et/ou des variations lentes par rapport à la durée des mesures liées par exemple à la dérive, le vieillissement, la mauvaise utilisation du capteur, l’erreur de référence. • Les sources usuelles d'erreurs systématiques: ▫ L’erreur sur le zéro (erreur de décalage ‘’offset’’)  ne dépend pas de la valeur de la grandeur mesurée  Erreur de zéro = Valeur de m quand M = 0 q
  • 49.
    E té ti 49 Erreurssystématiques L’e e de gai o d’échelle • L’erreur de gain ou d’échelle: • C’est une erreur qui dépend de façon linéaire de la l d l d é valeur de la grandeur mesurée.
  • 50.
    E té ti 50 Erreurssystématiques L'erre r de linéarité • L'erreur de linéarité La caractéristique n'est pas une droite.
  • 51.
    E id tll lé t i 51 Erreurs accidentelles ou aléatoires L' iti d l • L'apparition de ces erreurs comme leur amplitude et leur signe sont considérés comme aléatoires. • Certaines des causes peuvent être connues Certaines des causes peuvent être connues mais les valeurs des erreurs qu'elles entraînent au moment de l' expérience sont entraînent au moment de l expérience sont inconnues. i ibl d' • Diverses causes possibles d'erreurs accidentelles.
  • 52.
    E id tll lé t i 52 Erreurs accidentelles ou aléatoires • Erreurs liées aux indéterminations intrinsèques des • Erreurs liées aux indéterminations intrinsèques des caractéristiques instrumentales: • Erreur de mobilité : en dessous d'une valeur, les variations du d ' î d i i dé l bl d i l él i mesurande n'entraînent pas de variation décelable du signal électrique fourni par le capteur. Exemple, pour un potentiomètre bobiné pour lequel un déplacement du curseur inférieur à la distance entre deux spires peut n'entraîner aucune variation de la tension du curseur. ▫ L'erreur de mobilité est spécifiée comme la variation maximale du mesurande qui n'entraîne pas de variation détectable de la grandeur de q p g sortie du capteur. • Erreur de lecture d'un appareil à déviation : résulte d'une part de la plus ou moins grande habileté de l’opérateur mais aussi, d'autre part, plus ou moins grande habileté de l opérateur mais aussi, d autre part, de la qualité de l'appareil : finesse de l'aiguille par exemple.
  • 53.
    E id tll lé t i 53 Erreurs accidentelles ou aléatoires • L’erreur de quantification ▫ La caractéristique est en escalier, cette erreur est souvent due à une numérisation du signal. ▫ l'opération de quantification attribue une valeur unique à l’ensemble des valeurs analogiques
  • 54.
    E id tll lé t i 54 Erreurs accidentelles ou aléatoires • Erreur d'hystérésis : Il y a phénomène d'hystérésis lorsque le résultat de la mesure dépend des conditions d'utilisation antérieures. L' d'h té é i t é ifié ét t l itié ▫ L'erreur d'hystérésis est spécifiée comme étant la moitié de l’écart maximal des valeurs de la grandeur de sortie correspondant à une valeur du mesurande selon que correspondant à une valeur du mesurande, selon que cette dernière est obtenue par valeurs croissantes ou décroissantes.
  • 55.
    E id tll lé t i 55 Erreurs accidentelles ou aléatoires • Erreurs dues à la prise en compte par la chaîne de • Erreurs dues à la prise en compte par la chaîne de mesure de signaux parasites de caractère aléatoire ▫ Bruit de fond produit par l’agitation thermique des porteurs de charge dans les résistances ou les composants actifs (apparition à leurs bornes de fluctuations de tension). ▫ Inductions parasites dues aux rayonnements électromagnétiques, à Inductions parasites dues aux rayonnements électromagnétiques, à fréquence industrielle en particulier ▫ Fluctuations de tension des sources d'alimentation changeant les performances d'appareillages : conditionneurs amplificateurs performances d appareillages : conditionneurs, amplificateurs • Erreurs dues à des grandeurs d 'influence
  • 56.
    Evaluation des erreursaléatoires 56 Evaluation des erreurs aléatoires • Incertitudes statistiques (mesures répétitives ou Type A Uncertainty) • Moyenne : soient les mesures xi d’une même grandeur X répétée n fois, la valeur moyenne de la mesure est : la valeur moyenne de la mesure est : • Écart : Est la différence entre une mesure x et la moyenne, elle peut être i i é i positive ou négative. • Écart absolu moyen : moyenne des valeurs absolues des écarts à la moyenne. • Variance : moyenne des carrés des écarts. • Écart quadratique moyen (EQM) ou écart type : racine de la moyenne des carrés des écarts.
  • 57.
    E l tid lé t i 57 Evaluation des erreurs aléatoires • The standard uncertainty u(xi) to be associated with xi is the estimated standard deviation of the mean The standard uncertainty u(xi) to be associated with xi is the estimated standard deviation of the mean • Le nombre de mesures est limité, on multiplie par le facteur d’élargissement k (ou coefficient de Student ) dépendant du nombre de mesures n et de l’intervalle de confiance désiré. • Confidence Interval: représente la marge d’erreur de la mesure, selon laquelle on doit relativiser l’interprétation du score observé. Lorsqu’un instrument a une erreur de mesure faible, donc l’intervalle de confiance est petit et la confiance que l’on peut accorder aux résultats s’en trouve renforcée
  • 58.
    E l tid lé t i 58 Evaluation des erreurs aléatoires • Exemple: On a mesuré la masse M d’un article 5fois: les relevés sont en • Exemple: On a mesuré la masse M d un article 5fois: les relevés sont en gramme: 22.85; 22.87; 22.81; 22.79; 22.84. • On désire avoir un Confidence Interval 95% • La masse M = (22,83 ± 0,14) g soit M = (22,8 ± 0,2)g
  • 59.
    Evaluation des erreursaléatoires 59 Evaluation des erreurs aléatoires • Propagation de la dispersion statistique: • Valeurs des grandeurs xi obtenues par une moyenne statistique sur un nombre de mesures répétées, • Incertitude sur chaque paramètre est donnée par la dispersion • Incertitude sur chaque paramètre est donnée par la dispersion statistique ou déviation standard • Si les variables sont indépendantes, les incertitudes se combinent lé i l i l d bi é d é X  aléatoirement et la variance sur la grandeur combinée est donné par:
  • 60.
    E l tid 60 Evaluation des erreurs • Lors d’une mesure unique(ou ponctuelle) la précision de l’appareil de mesure la façon Lors d une mesure unique(ou ponctuelle), la précision de l appareil de mesure, la façon dont il est utilisé et la qualité du mesurage sont à prendre en compte : l’erreur correspondante est l’erreur systématique et l’incertitude associé est dite de type B. • L’évaluation de ce type est effectuée par des moyens autres que l’analyse statistique de série d’observations. Elle est basée sur la connaissance de la loi de probabilité suivie par le mesurande. • Exemple:
  • 61.
    E l tid 61 Evaluation des erreurs • Incertitude ponctuelle (mesure unique) • Soit une grandeur A = f(x, y, z) où x, y et z représentent les mesures primaires. d l d ê é • L’incertitude sur la grandeur A peut être exprimée en donnant : it l’i tit d b l ∆A ▫ soit l’incertitude absolue ∆A ; ▫ soit l’incertitude relative ∆A/A. E i d l diffé ti ll d f • Expression de la différentielle de f : ▫ df = (∂f/∂x)dx + (∂f/∂y) dy + (∂f/∂z).dz . Et l’incertitude sur A est : • Et l incertitude sur A est :
  • 62.
    E l tid lé t i 62 Evaluation des erreurs aléatoires
  • 63.
    Qualité d’une chainede mesure : 63 Qualité d une chaine de mesure : Fidélité, justesse et précision • Fidélité : aptitude à donner, pour une même valeur de la grandeur mesurée, des indications voisines entre elles. grandeur mesurée, des indications voisines entre elles. ▫ Qualité d'un appareillage de mesure dont les erreurs accidentelles f ibl ll d i d é l d é sont faibles : elle se traduit par des résultats de mesurage groupés autour de leur valeur moyenne. ▫ L’écart type dont l'importance reflète la dispersion des résultats est souvent considéré comme l'erreur de fidélité : il permet ainsi une souvent considéré comme l erreur de fidélité : il permet ainsi une appréciation quantitative de la fidélité.
  • 64.
    Q lité d’h i d 64 Qualité d’une chaine de mesure • Justesse : aptitude à donner des indications égales à la grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n’étant pas prises g p p en considération. j i l’é l d ▫ Un capteur est juste si l’écart entre la moyenne des résultats et la valeur « vraie » est faible, même si l’écart- type est grand. U t t j t i l é t h d ▫ Un capteur est juste si la réponse moyenne est proche de la valeur « vraie ».
  • 65.
    Q lité d’h i d 65 Qualité d’une chaine de mesure •la précision est la qualité d'un appareil dont chaque mesure est proche de la p q pp q p valeur réelle du mesurande. •Il est donc à la fois fidèle et juste. Mesure peu juste et peu fidèle Mesure peu juste mais fidèle Densité de probabilité D D Vm Vmoy Vm Vmoy Mesure juste mais peu fidèle Mesure juste et fidèle D D Vm = Vmoy Vm = Vmoy
  • 66.
    C té iti d i d t 66 Caractéristiques dynamiques des capteurs • Rapidité : ▫ Elle caractérise l'aptitude d'un dispositif à répondre aux p p p variations temporelles du mesurande ▫ Elle est spécifiée soit par la bande passante, soit par le temps de réponse p p ▫ Les dispositifs de la chaîne doivent avoir des bandes ibl l i l d passantes compatibles avec le signal de mesure.
  • 67.
    C té iti d i d t 67 Caractéristiques dynamiques des capteurs • Temps de réponse : • Temps de réponse : ▫ Le temps de réponse tr(x) ou d'établissement à x près est la durée minimale d'attente après l'application d'un échelon à l'entrée, l'é l if d l i à l fi l pour que l'écart relatif de la sortie par rapport à sa valeur finale demeure toujours inférieur à x. • Le temps de réponse permet d’évaluer le temps total de Le temps de réponse permet d évaluer le temps total de réaction d’un capteur à un échelon de position.
  • 68.
    C té iti d i d t 68 Caractéristiques dynamiques des capteurs Te s de o tée l t d té d’ t • Temps de montée : le temps de montée d’un capteur soumis à un échelon du mesurande est le temps mis pour passer d’une valeur de x % de la réponse depuis la valeur passer d une valeur de x1% de la réponse depuis la valeur initiale S0 à x2% de cette réponse.
  • 69.
    C té iti d i d t 69 Caractéristiques dynamiques des capteurs • Bande passante : • Bande passante : ▫ C’est la plage de fréquence de variation du mesurande où les caractéristiques du capteur spécifiées par le les caractéristiques du capteur spécifiées par le constructeur sont respectées. ▫ Si la fréquence du mesurande est comprise entre fb et Si la fréquence du mesurande est comprise entre fbasse et fhaute, l'amplitude du signal de sortie sera conforme aux spécifications du constructeur. p
  • 70.
    l d 70 Etalonnage descapteurs L l ti thé i F( ) é lt d l i h i i • La relation théorique s = F(m) résulte des lois physiques qui régissent le fonctionnement du capteur et dans son expression numérique de sa construction (géométrie, dimensions, matériaux) et de son mode d'emploi (température, alimentation). • La relation s = F(m) sous sa forme numériquement exploitable est explicitée par étalonnage : pour un ensemble de valeurs de m e p c ée pa é a o age pou u e se b e de a eu s de connues avec précision, on mesure les valeurs correspondantes de s ce qui permet de tracer la courbe d'étalonnage; cette dernière, à toute valeur mesurée de s permet d'associer la valeur de m qui la valeur mesurée de s, permet d associer la valeur de m qui la détermine.
  • 71.
    Etalonnage des capteurs 71 Etalonnagedes capteurs • Etalonnage simple : établissement d’une seule courbe d’étalonnage qui consiste à déterminer s pour des valeurs connues de m ; on peut alors être confronté à : ▫ Un élément direct ou absolu où les valeurs de m sont fournies par des p étalons. ▫ Un étalonnage indirect ou par comparaison pour lequel on utilise un ▫ Un étalonnage indirect ou par comparaison pour lequel on utilise un deuxième capteur étalonné appelé capteur de référence. On relève alors l é d t d i t i t l d d d les réponses de s et de sref qui sont soumis tous les deux au mesurande de m. on remonte alors de s à m.
  • 72.
    Etalonnage des capteurs 72 Etalonnagedes capteurs • Etalonnage multiple : ▫ Tient compte de toutes les grandeurs d’influence, Tient compte de toutes les grandeurs d influence,  il s’agit d’un ensemble d’étalonnages successifs qui détermine la dépendance de la grandeur principale vis-à-vis des grandeurs d’i fl d’influence. ▫ Exemple : capteur de pression. On établit une première courbe de réponse à T=T1, une seconde à T = T2 ... ▫ Tenir compte de propriétés des matériaux soumis à la mesure : ▫ Exemple : capteur électromagnétique de niveau le constructeur donne la réponse du capteur pour tous les fluides rencontrés. réponse du capteur pour tous les fluides rencontrés. ▫ Tenir compte de la succession des valeurs lors de l’étalonnage ▫ Exemple : dans le cas d’hystérésis et si l’on désire une meilleure précision, t éd à lib ti d l itif t à d d on peut procéder à une calibration dans le sens positif et à une seconde dans le sens négatif.
  • 73.
    C diti td i l 73 Conditionnement du signal • Les signaux électriques issus de capteurs Les signaux électriques issus de capteurs (thermocouples, ponts, jauges de contrainte...) sont généralement de faible niveau. sont généralement de faible niveau. ▫ Il est nécessaire de les amplifier pour être compatibles avec les outils de mesure modernes. compatibles avec les outils de mesure modernes. • La mesure ne doit pas perturber le phénomène étudié (modification électrique...). étudié (modification électrique...). • La mesure doit être significative, même en environnement perturbé environnement perturbé
  • 74.
    C diti td i l 74 Conditionnement du signal • Le capteur actif fournit un signal électrique. p g q ▫ Les grandeurs usuelles sont :  tension généralement de quelques millivolts  courant en µA ou mA µ  charge électrique ▫ La mesure est une conversion de la grandeur en tension sans perturbation du phénomène source. phénomène source. • Le capteur passif exige une source d’excitation (DC ou AC) pour mettre en évidence la propriété électrique (variation d’impédance)
  • 75.
    C diti td i l 75 Conditionnement du signal Le co ditio e e t e et de ett e e fo e le • Le conditionnement permet de mettre en forme le signal mesuré en vue d’un traitement et d’une transmission é entuelle transmission éventuelle. • Le conditionnement peut participer au rejet des t b ti t d d'i fl perturbations et grandeurs d'influence.
  • 76.
    C diti Alifi t é ti l 76 Conditionneurs : Amplificateur opérationnel Est la base d co ditio e éalisa t les • Est la base du conditionneur réalisant les principales fonctions de la mesure électronique des capteurs capteurs.
  • 77.
    A lifi té ti l 77 Amplificateur opérationnel • Modèle en régime linéaire • Zi : impédance d'entrée de i p l’amplificateur 105 à 1010 Ω • i+, i : courants d’entrées 10-8 à +, - 10-12 A(appelés aussi courants de polarisation) p ) • Zs : impédance de sortie de l’ordre de 10 à 100 Ω l ordre de 10 à 100 Ω • µ : gain en petits signaux
  • 78.
    A lifi té ti l é l 78 Amplificateur opérationnel réel • Courants de polarisation présentent une composante p p p continue statique qui circulent dans le circuit associé à l’entrée considérée ; • Les courants de polarisation ne sont pas identiques (offset de courant) ; Il i t t i d dé l t l t é V t V • Il existe une tension de décalage entre les entrées V+ et V- (offset de tension) ; • La vitesse de variation de la tension de sortie est limitée (slew • La vitesse de variation de la tension de sortie est limitée (slew rate), indépendamment de la bande passante.
  • 79.
    A lifi té ti l é l 79 Amplificateur opérationnel réel • Courants de polarisation et l’offset de courant négligés ; p g g ; • L’offset de tension est négligeable ; • L’impédance d’entrée Zi est infinie; i • Le gain µ est infini ; • La tension de sortie étant finie (bornée par les valeurs d’alimentation), il en résulte que :  ε = (Vs + Zs Is) / µ = 0 E é i li é i l’ lifi idé l V V  En régime linéaire, pour l’amplificateur idéal on a :V+ = V- • L’amplificateur opérationnel est l’outil de base pour lifi l i d amplifier les signaux de mesure.  Son gain doit être adapté pour les usages en instrumentation instrumentation.
  • 80.
    C diti ttif 80 Conditionneurs pour capteurs actifs Il e iste 3 t es de ca te s actifs • Il existe 3 types de capteurs actifs : ▫ capteur générateur de f.e.m →ne nécessite pas de conditionneur conditionneur ▫ capteur générateur de courant →transformation du courant en tension courant en tension ▫ capteur générateur de charge →transformation de la charge en tension charge en tension
  • 81.
    C diti ttif 81 Conditionneurs pour capteurs actifs 1 Capteur source de tension : 1. Capteur source de tension : • Le conditionneur est un amplificateur de tension. • La source Ec présente une impédance de sortie Zc. • Le conditionneur charge cette source par son impédance d’entrée Zi. • On a: Zc Zi Zi Ec Vm   Le conditionneur doit présenter une impédance d'entrée importante devant p p celle de la source Le choix dépend de la précision souhaitée. Pour une précision 1/1000, il faut un rapport d'impédance de même valeur.
  • 82.
    C diti ttif 82 Conditionneurs pour capteurs actifs • Le conditionneur doit présenter une impédance d’entrée • Le conditionneur doit présenter une impédance d entrée importante devant celle de la source. • Le choix dépend de la précision souhaitée Pour une précision Le choix dépend de la précision souhaitée. Pour une précision 1/1000, il faut un rapport d’impédance de même valeur. • Le montage à retenir est un amplificateur avec impédance très g p p importante.
  • 83.
    C diti ttif 83 Conditionneurs pour capteurs actifs 2 Capteur source de courant (ex : phototransistor) 2. Capteur source de courant (ex. : phototransistor) • Le modèle du capteur est un générateur de courant avec une impédance interne Zc. • Le conditionnement peut se limiter à une simple résistance Zi = R. • La tension mesurée est fonction de la résistance de mesure et de l'impédance parallèle du générateur de courant. p g • Conditionneur acceptable pour un générateur de courant pur (Zc>>Zi) c i C i Z Z Vm ). // ( 
  • 84.
    C diti ttif 84 Conditionneurs pour capteurs actifs 2 Capteur source de courant (ex : phototransistor) 2. Capteur source de courant (ex. : phototransistor) • Le conditionneur est un Convertisseur courant/tension • Le capteur est alors une source de courant à tension nulle (et constante). • Sa conductance parallèle (inverse d’impédance) n’intervient pas dans la valeur mesurée. • La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une impédance fortement capacitive. R i Vm   R i Vm c .  
  • 85.
    C diti ttif 85 Conditionneurs pour capteurs actifs 3. Capteur source de charge (ex. : capteur piézo-électrique) 3 p g ( p p q ) ▫ Le capteur est modélisé par une source de charge et un condensateur en // • Un exemple de conditionneur : ▫ la résistance interne d’entrée Ri introduit une décharge de la source (circuit du premier ordre) p ) ▫ Si la décharge est trop rapide (constante de temps faible), la mesure est impossible. • Un tel conditionneur n’est adapté que pour des mesures à l ll ( élé ti / ib ti l ) valeur moyenne nulle (accélération/ vibration par exemple) C C Cc Vm q   i C Cc 
  • 86.
    C diti ttif 86 Conditionneurs pour capteurs actifs • Convertisseur charge/tension : amplificateur de charges Convertisseur charge/tension : amplificateur de charges • Le capteur devient source de charges à tension nulle (et constante). • Sa capacité parallèle n’intervient pas dans la valeur mesurée. b d l é i l é • La bande passante est largement augmentée si le capteur présente une impédance fortement capacitive. • Un circuit auxiliaire est nécessaire pour assurer la compensation de la p p dérive de l’intégrateur qC Cm Vm qC  
  • 87.
    C diti tif 87 Conditionneurs pour capteurs passifs Ca te ésistif Capteur résistif: Mesure par générateur de courant • la mesure est directement proportionnelle à la l d é i t d t (li é ité valeur de résistance du capteur (linéarité intrinsèque de la mesure si Zi→∞) l i b d l é i • la tension aux bornes de la résistance est non nulle, le générateur de courant travaille à tension i bl ( d i i f i ) variable (erreur de mesure si imparfait) i Vm Rc Zi im m c i R Vm .  Conditionneur
  • 88.
    C diti tif 88 Conditionneurs pour capteurs passifs Ca te ésistif M é é t d t Capteur résistif: Mesure par générateur de courant • Montage élémentaire d'un générateur de courant: Vbe i R Vref m   . 1 f m 1 Le transistor se comporte en générateur de t d l courant de valeur 1 R Vbe Vref im   La mesure de Rc est directement référencée à la masse
  • 89.
    C diti tif 89 Conditionneurs pour capteurs passifs • Montage potentiométrique • Montage potentiométrique • Si Rg→0 R g • la mesure Vm est liée à la valeur de résistance Rc par une loi non-linéaire Vcc R R R Vm C C 1   • la mesure Vm est liée à la valeur de résistance Rc par une loi non-linéaire • Sensibilité: • La sensibilité est optimale pour   Vcc R R R S C 2 1 1   C R R  1 • La sensibilité est optimale pour • Elle est alors : C 1 1 4R Vcc S 
  • 90.
    C diti tif 90 Conditionneurs pour capteurs passifs • Montage en pont (double diviseur de tension :Pont de Wheatstone) • Montage en pont (double diviseur de tension :Pont de Wheatstone) • On suppose que Rg est négligeable (Vcc référence de tension stabilisée). • Aux points A et D on a : Vcc R R R VA   3 Vcc R R R VD 2   • Exprimer Vm • Le pont est dit équilibré lorsque Vm = 0 • => R R C  3 R R 2 1  3 1 2 R R R R  • => • Pour cette valeur des résistances, les branches droites et gauches donnent le même rapport de 3 1 2 R R R R c division de Vcc. • Pour simplifier la construction, on adopte souvent R R R R souvent avec valeur de référence du capteur (point particulier) 0 3 2 1 C R R R R    0 C R V R R R V R R R R V C c C c   2 0 0 3 1 2      Vcc R R R Vcc R R R R V C C C C c C C c m      0 0 0 0 3 2 1 3 1 2 2
  • 91.
    C diti tif 91 Conditionneurs pour capteurs passifs • Etude variationnelle : • Etude variationnelle : • Si R R R C C    0     Vcc R R R R R Vcc R R R R R R R V C C C C C C C C m           0 2 0 0 0 0 2 0 0 0 2 4 2 2 • D’où   C C C C 0 0 0 0 4 2 / 1 / 0 0 Vcc R R R R V C C m     • Pour des petites variations de résistance, la é t i li é i 0 C réponse est quasi-linéaire : 4 0 Vcc R R V C m  
  • 92.
    C diti tif 92 Conditionneurs pour capteurs passifs Gé é ale e t la se sibilité e t s’e i e e • Généralement, la sensibilité peut s’exprimer en fonction de : O 0 C R R    Vcc Vm   • On a • En considérant que 4 2 / 1 m   2 / 1 2 / 1       • On a alors :   4 2 / 1 Vcc Vm     • Le terme d’erreur de non-linéarité est en • Le pont de mesure exige donc une correction pour 2  p g p être utilisable sur de grandes étendues de mesure de résistance.
  • 93.
    C diti tif 93 Conditionneurs pour capteurs passifs Mes re de la tension • Mesure de la tension ▫ Problème de la mesure de tension L i i d é é l d  Les signaux issus de capteurs sont généralement de faible niveau et doivent être amplifiés.  Le signal utile est généralement une différence de  Le signal utile est généralement une différence de potentiel entre deux points, alors que les outils de mesure usuels(Amplificateurs opérationnels) évaluent ( p p ) le potentiel par rapport à une référence imposée appelée masse.
  • 94.
    C diti tif 94 Conditionneurs pour capteurs passifs • La tension de mesure Vc issue d'un capteur est la différence de • La tension de mesure Vc issue d un capteur est la différence de potentiel entre les deux conducteurs A et B:  VC= VA−VB V V  • On appelle le mode commun : • Donc, 2 B A mc V V V   Vc V V mc A   2 Vc V V mc B   • La tension de mode commun peut être très importante devant la tension de signal (plusieurs volts pour un signal de quelques millivolts) 2 mc A 2 tension de signal (plusieurs volts pour un signal de quelques millivolts). • Elle peut être stable, mais le plus souvent, elle est perturbée par des grandeurs externes (sources de bruits, couplages...)
  • 95.
    C diti tif 95 Conditionneurs pour capteurs passifs • Amplification différentielle p ▫ La méthode la plus courante de mesure de potentiels dits "flottants" est l’utilisation du voltmètre.  Cet appareil permet d’évaluer la différence de potentiel entre ses deux points de mesure ; son usage est limité à l’observation.  En effet, sa conception même est de ne pas avoir de éfé d l i t d i ibl référence de masse ; son emploi est donc impossible pour une instrumentation couplée à d'autres équipements électroniques (PC par exemple) électroniques (PC par exemple). ▫ L'outil de mesure utilisé en instrumentation est l’amplificateur différentiel, composé de 2 amplificateurs l amplificateur différentiel, composé de 2 amplificateurs et d’un soustracteur.
  • 96.
    C diti tif 96 Conditionneurs pour capteurs passifs La te sio de so tie est • La tension de sortie est : • On pose : • Et • D’où • Le gain en mode commun se définit par : g p • Le gain différentiel par : • Donc, Donc, • avec le taux de réjection en mode commun • avec le taux de réjection en mode commun.
  • 97.
    C diti tif 97 Conditionneurs pour capteurs passifs A lifi t d’i t t ti • Amplificateur d’instrumentation ▫ L’amplificateur d’instrumentation est l’amplificateur différentiel idéal. ▫ La réalisation de l’ampli d’instrumentation est souvent basée sur un ▫ La réalisation de l ampli. d instrumentation est souvent basée sur un ou plusieurs AOP • Exemple: montage à Amplificateur opérationnel t / t t (idé l) sommateur/soustracteur (idéal) ▫ En Régime linéaire ; •              2 2 1 2 1 4 3 4 1 2 1 e e S V R R R V R R R R R R V • Pour avoir le même gain, on choisit   3 1 R R  R R 3 1 R R 4 2 R R    2 1 2 e e S V V R R V   1 R
  • 98.
    C diti tif 98 Conditionneurs pour capteurs passifs Ce o tage ése te l’i co é ie t de ése te • Ce montage présente l’inconvénient de présenter une impédance d’entrée de l’ordre de grandeur de R R1. • Ce montage n’est donc adapté que si Ve1 et Ve2 t d d t i ( ti d’ t sont des sources de tension pures (sorties d’autres amplis). L d éj i d d • Le taux de réjection du mode commun est directement lié à la stricte égalité des résistances.
  • 99.
    Conditionneurs pour capteurspassifs 99 Conditionneurs pour capteurs passifs • Exemple de caractéristiques d'amplificateur différentiel moderne TL 2372/TL2374 Ib=(I++I-)/2 Ioffset= I+-I- +
  • 100.
    C diti tif 100 Conditionneurs pour capteurs passifs • Amplificateur d’instrumentation à 3 amplis • Amplificateur d instrumentation à 3 amplis ▫ Les entrées sont amplifiées par des étages suiveurs dont l’impédance d’entrée dynamique est très élevée. p y q ' V R V R V   2 1 1 V R V R R V G G    1 2 ' 2 V R R V R R R V G G      2 1 ) 2 1 ( V V R R V G S    Le gain se fixe avec une seule résistance RG; il est au minimum de 1.
  • 101.
    C diti tif 101 Conditionneurs pour capteurs passifs Features and Benefits PIN CONFIGURATION Amplificateur d’instrumentation : exemple commercialAD8220 Features and Benefits High CMRR 100 dB CMRR min, G = 10 (B grade) 80 dB CMRR min to 5 kHz, G = 1 (B Grade) Excellent ac specifications and low power 1.5 MHz bandwidth (G = 1) √ PIN CONFIGURATION 14 nV/√Hz input noise (1 kHz) Slew rate: 2 V/μs 750 μA quiescent supply current max Qualified for Automotive Applications Low input currents 10 pA max input bias current (B grade) 10 pA max input bias current (B grade) 0.6 pA max input offset current (B grade) Versatile MSOP package Rail-to-rail output Input voltage range to below negative supply rail 4 kV ESD t ti 4 kV ESD protection 4.5 V to 36 V single supply ±2.25 V to ±18 V dual supply Gain set with single resistor (G = 1 to 1000) Applications Medical instrumentation Precision data acquisition Transducer interfaces
  • 102.
    Filt 102 Filtrage • Le filtragepeut avoir différentes applications Il peut en • Le filtrage peut avoir différentes applications. Il peut en particulier être pratiqué afin de réduire le bruit (signal parasite « large bande » ou haute fréquence) entachant le parasite large bande ou haute fréquence) entachant le signal utile. • Ainsi un filtrage passe-bas éliminera le bruit haute fréquence et produira un effet de lissage utile. • Placé avant l’échantillonnage de la conversion l i / é i l filt d’ t é lé filt ti analogique/numérique, le filtre d’entrée appelé filtre anti- repliement, contraint le signal à avoir un spectre limité tel que f <fe/2 que fmax<fe/2. • Placé en sortie de la conversion analogique/numérique, le filtrage lisse le signal de sortie pour restituer le signal utile. g g p g
  • 103.
    C i li / é i 103 Conversion analogique/numérique La co e sio a alogiq e/ é iq e co siste à • La conversion analogique/numérique consiste à transformer la tension analogique (issue du capteur) en un code binaire (numérique) adapté à capteur) en un code binaire (numérique) adapté à son exploitation dans un processus de régulation, de contrôle de calculs ou encore de stockage de contrôle, de calculs ou encore de stockage. • La conversion analogique/numérique n’est pas té ti t k é l ti systématique, un stockage ou une régulation pouvant également être réalisés à partir de d é l i données analogiques.
  • 104.
    104 Instrumentation et Capteurs IICapteurs II. Capteurs ENSA Kénitra Niveau S7 ENSA Kénitra Année 2022-2023 Prof. O. ZYTOUNE
  • 105.
    C t àt t 105 Capteur à contact • Les capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de • Les capteurs de position sont des capteurs de contact (capteur de fin de course). • Ils transmettent la détection de : ▫ présence/absence, ▫ passage, ▫ positionnement p ▫ fin de course. • Ils peuvent être équipés d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. • L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien (TOR).
  • 106.
    C t àt t 106 Capteur à contact
  • 107.
    C t di ité 107 Capteur de proximité • Capteur ILS ( Interrupteur à Lame Souple ) • Capteur ILS ( Interrupteur à Lame Souple ) • C‘est un capteur composé d'une lame souple renfermé dans une capsule sensible à la présence d'un champ magnétique mobile « aimant ». • Ce capteur permet de détecter des positions (détection de porte fermée dans un système d’alarme…).
  • 108.
    Détecteur de proximitéinductif Détecteur de proximité inductif •Un détecteur inductif ne détecte que les objets métalliques. •Essentiellement composé d'un oscillateur dont les bobinages constituent la face sensible •Il produit à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant qui est généré par une self et une capacité montée en parallèle. •Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, des courants de Foucault prennent naissance dans la masse du métal qui soutirent de l'énergie à l'oscillateur au fur et à mesure de l'approche de l'objet métallique, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie. Avantages •Détection sans contact physique : •possibilité de détecter des objets fragiles ou fraîchement peints •pas d'usure, durée de vie indépendante du nombre de manœuvres •détecteur statique, pas de pièces en mouvement •produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche) •très bonne tenue à l'environnement industriel • détecteur sans contact des objets métalliques à une distance de 0 à 60 mm
  • 109.
    Dét t di ité itif 109 Détecteur de proximité capacitif • Il est constitué d'un oscillateur dont le condensateur est formé par 2 électrodes placées à l'avant de l'appareil (constituant la par 2 électrodes placées à l avant de l appareil (constituant la face sensible). • Dans l'air (єr = 1), la capacité de ce condensateur est C0. avec єr est la constante diélectrique, elle dépend de la nature du q , p matériau. • Lorsqu'un objet de nature quelconque (єr > 1) se trouve en regard de la face sensible du détecteur, ceci se traduit par une i ti d l itif (C ) C tt i ti d ité variation du couplage capacitif (C1). Cette variation de capacité (C1>C0) provoque le démarrage de l’oscillateur. Après mise en forme, un signal de sortie est délivré. • Avantages: • Avantages: ▫ Portée nominale 2 à 5 mm ▫ Détection des objets métalliques et des objets isolants ▫ Produit statique, pas de pièces en mouvement ▫ Pas de contact physique avec l'objet détecté : possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints ▫ Pas d'usure, durée de vie indépendante du nombre de manœuvres ▫ Produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche) ▫ Produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche) ▫ très bonne tenue à l'environnement industriel (atmosphère polluante)
  • 110.
    Dét t di ité t él t i 110 Détecteurs de proximité optoélectriques • Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité • Un capteur photoélectrique est un capteur de proximité. • Il se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. • La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. • Le signal est amplifié pour être exploité par la partie commande. • Il existe trois grands types de détection : Il existe trois grands types de détection : • la détection par barrage où l'objet à détecter coupe un faisceau lumineux situé entre l'émetteur et le récepteur, l dé i b ù f i éflé hi é l' bj • la détection par barrage où un faisceau réfléchi est coupé par l'objet à détecter, • le système réflex où le faisceau émis par le récepteur est renvoyé par y p p y p la pièce à détecter sur le récepteur situé sur le même capteur.
  • 111.
    Dét t di ité t él t i 111 Détecteurs de proximité optoélectriques Nom Illustration Nom Illustration Barrage Réflex Proximité
  • 112.
    C t diti 112 Capteurs de position • La mesure d’un déplacement ou d’une position revient toujours à • La mesure d un déplacement, ou d une position, revient toujours à mesurer des déplacements circulaires ou linéaires. Deux grands critères sont utiles pour juger de la qualité d’un capteur de position : S é l i ’ l l i l bl • Sa résolution : c’est la plus petite valeur mesurable • Son étendue de mesure : elle est définie par les valeurs extrêmes mesurables par le capteur. • Le principe de la mesure consiste à mesurer une grandeur physique (souvent d’origine électrique), qui varie en même temps que la grandeur à mesurer appelée mesurande. g pp • Ce sont des capteurs généralement basés sur la variation d'impédance d'un dipôle passif. La variation de la grandeur physique à mesurer peut-être liée à : peut-être liée à : • la variation de résistance (R en Ohm) d’une résistance ; • la variation de capacité (C en F) d'un condensateur ; l i i d'i d (L H) d' b bi • la variation d'inductance (L en H) d'une bobine.
  • 113.
    C t diti l i 113 Capteurs de position analogiques • Les capteurs potentio-métriques l • Les capteurs potentio-métriques   l R S  la résistivité la longueur du conducteur l • La résolution est théoriquement infinie pour les pistes en plastique constitué d’un polymère chargé en graphite conducteur mais elle est g la section du conducteur S constitué d un polymère chargé en graphite, conducteur, mais elle est directement liée au diamètre du fil de bobinage pour les pistes bobinées.
  • 114.
    C t diti l i 114 Capteurs de position analogiques • Avantages: ▫ Simple ▫ peu couteux • Inconvenients: ▫ usures par frottement (vitesse et duree de vie limitees)
  • 115.
    C t diti l i 115 Capteurs de position analogiques • variation des paramètres géométrique • variation des paramètres géométrique ▫ Une des armatures est fixe alors que l’autre peut se déplacer avec le dispositif dont on veut suivre le mouvement  condensateur unique  Variation de la surface en regard  Mesure linéaire en fonction de x ou de O Mesure linéaire en fonction de x ou de O Condensateur à surface variable Variation de la distance entre armature: capteur capacitif a écartement variable. deplacement rectiligne etendue de mesure de l’ordre du mm li i d Condensateur à écartement variable non linearite du capteur
  • 116.
    C t diti l i 116 Capteurs de position analogiques co de sate a do ble éfé e tiel • condensateur a double référentiel Vm=E.Zc2/(Zc1+Zc2) Vm=E.(1/jc2w)/(1/(jc1w)+1/(jc2w)) Vm=E/((c2/c1)+1) C /(d d) Condensateur à écartement variable C1=e0er.A/(d0-d) C2=e0er.A/(d0+d) Vm=E./((d0-d)/(d0+d)+1) V E (d d)/( d ) (d d) E/( d ) Application: Au repos d1=d2=Do=1mm, montrer que Vm=E.(d0+d)/(2d0)=(d0+d).E/(2d0) Vm=E/2+E.d/(2d0) pp p , q lors du déplacement de C1 lie a l’element mobile Vm est une fonction linéaire de déplacement
  • 117.
    C t diti l i 117 Capteurs de position analogiques ariation de la permitti ité • variation de la permittivité C1=e0er.l.x/d A2=l.(L-x) C2=e0.l.(L-x)/d C=C1+C2= ▫ Le condensateur global est la somme de la partie avec le dielectrique et de la partie correspondant au id vide • Mesure lineaire en fonction du déplacement • Electrodes generalement cylindriques concentriques • Electrodes generalement cylindriques concentriques
  • 118.
    C t diti l i 118 Capteurs de position analogiques • Les capteurs inductifs L’ l i i li • L’enroulement primaire est alimente par une tension sinusoidale e1= E1 coswt et les enroulements secondaires sont relies en iti d f l f opposition de facon a ce que les forces electromotrices qui y sont induites se • soustraient A t • Avantages • Grande sensibilité • Inconvénients • Faible étendue de mesure (<50 cm) ( 5 ) • Relativement complexes en traitement du signal a posteriori
  • 119.
    C t diti l i 119 Capteurs de position analogiques
  • 120.
    C t diti é i 120 Capteurs de position numériques Les code s otatifs so t des ca te s de ositio • Les codeurs rotatifs sont des capteurs de position angulaire. L di d d t lid i d l' b • Le disque du codeur est solidaire de l'arbre tournant du système à contrôler. Il i d d d if • Il existe deux types de codeurs rotatifs : • les codeurs incrémentaux • les codeurs absolus.
  • 121.
    C d ié t 121 Codeurs incrémentaux • La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes régulièrement réparties. • Un faisceau lumineux se trouve derrière ces fentes dirigé vers une diode photosensible. • Chaque fois que le faisceau est coupé, le capteur envoie un signal qui permet de connaître la variation de position de l'arbre. P ît l d t ti d d tili d iè f i l i • Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième faisceau lumineux qui sera décalé par rapport au premier. • Le premier faisceau qui enverra son signal indiquera aussi le sens de rotation du codeur.
  • 122.
    C d ié t 122 Codeurs incrémentaux • On considère le codeur de la figure ci-contre • On considère le codeur de la figure ci-contre. • Donner sa résolution • Sachant que les parties transparentes sont détectées comme Etat haut donner le chronogramme des comme Etat haut, donner le chronogramme des signaux des voies A, B et Z si le disque tourne vers la droite. Refaire ce chronogramme si le disque tourne vers la • Refaire ce chronogramme si le disque tourne vers la gauche. • Soit le flip-flop RS. Si les voies A et B sont liées respectivement à R et S Que contient Q si la rotation respectivement à R et S. Que contient Q si la rotation se fait à droite respectivement à gauche?
  • 123.
    C d bl 123 Codeurs absolus • Le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d'une diode émettrice d'un Le disque possède un grand nombre de pistes et chaque piste est munie d une diode émettrice d un faisceau lumineux et d'une diode photosensible. • La piste centrale est la piste principale, elle détermine dans quel demi-tour la lecture est effectuée. • La piste suivante détermine dans quel quart de tour on se situe, la suivante le huitième de tour etc. Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise. • Il existe des codeurs absolus simple tour qui permettent de connaître une position sur un tour et les codeurs absolus multi-tours qui permettent de connaître en plus le nombre de tours effectués. C d b l i t Codeur absolu 12 pistes Codeur absolu 3 pistes
  • 124.
    C d bl 124 Codeurs absolus O tilise le code G a o li ite le isq e • On utilise le code Gray pour limiter le risque d’erreur
  • 125.
    E i 125 Exercice • Onconsidère le tapis roulant suivant: • On considère le tapis roulant suivant: • Donner la résolution du codeur (le nombre de points ou fentes) • Calculer la fréquence du signal fourni par le codeur incrémental 1/ La précision correspond toujours à 1 pt du codeur. L d f it t l l li f it t l dé l t d t t d é i èt d l li Le codeur fait 1 tour lorsque la poulie fait 1 tour ; le déplacement correspondant est 3.14.d= 251 mm = périmètre de la poulie. On fait ensuite un produit en croix : 1 pt  2 mm ? Pts 251 mm Donc il faut 126 pts pour 1 tour de codeur soit une résolution de 126 pts/tr 2/ La fréquence de fonctionnement (en Hz = pts/s) dépend de la vitesse de déplacement v = 100 mm/s. 100 mm/s = 100/251 tr/s = 0,4 tr/s donc cela correspond à 0,4 x 126 pts/s = 50 pts/s = 50 Hz.
  • 126.
    • La resolutionen deplacement est : 2πR/N= πd/N=2 mm  N= πd/(2mm)=40 π=125 66 126 π=125.66 • On prend N=126 fentes • 1 tour du disque on compte 126 périodes P d t 1 l di f it t • Pendant 1s, le disque fait x tours. • V=RΩ avec V est la vitesse rectiligne et Ω est la vitesse angulaire •  Ω=V/R=0.1/(0.04)=2.5 rd/s • Si f est la fréquence, on a f=Ω/(2π) • Pendant un tour, on a 126 périodes. Donc, la fréquence du signal du capteur est :126* Ω/(2π)=50.13Hz
  • 127.
    127 Un disque Nfentes: N i d  1t N periodes 1tr On a compté m periodes Le disque a fait m/N tours Résolution angulaire: 360° 1/N ou 2π/N en rad Résolution angulaire: 360 .1/N ou 2π/N en rad Si R est le rayon du disque, la résolution en déplacement est: Si le disque fait un tour il se déplace d’une distance Si le disque fait un tour, il se déplace d une distance L=2πR Resolution en déplacement: 2πR/N
  • 128.
    C t dit é é t i t h ét i 128 Capteurs de vitesse : génératrice tachymétrique • Elle délivre une tension proportionnelle à sa vitesse de rotation. • Application principale : régulation de vitesse d'un moteur électrique • Caractéristiques essentielles d'une tachymétrie - vitesse maximale de rotation (en tours par minute), esse a a e de o a o (e ou s pa u e), - constante de f.e.m. (en volts à 1000 trs/mn ou en v/tr/mn), - linéarité (en %), - ondulation crête à crête (en %) ondulation crête à crête (en %), - courant maximal. • Génératrice à courant continu i i é d i ▫ Excitation assurée par des aimants permanents.  U = E - r.I et U = Rc.I (Rc est la résistance de charge)  d'où: U = E / (1+r/Rc) = Ke.W / (1+r/Rc) = K.W K t t d f / d/ t W l ti d/ avec Ke: constante de f.e.m. en v/rd/s et W : pulsation en rd/s  La caractéristique tension-vitesse est donc linéaire.
  • 129.
    J d ti t 129 Jauge de contrainte • Une jauge est constituée d’un très fin fil conducteur collé sur un support • Une jauge est constituée d un très fin fil conducteur collé sur un support qui est une feuille très mince. • Les brins de fil constituant la jauge étant principalement alignés suivant l di i d d l fil bi l ê la direction de mesure, on peut admettre que le fil subit les mêmes déformations que la surface sur laquelle la jauge est collée. • Si on tire sur ce fil, il va s'allonger et sa section va se réduire, sa résistance , g , va donc augmenter (l/s augmente). • L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du double double. s L R   L L K R R    Suite à un allongement, on a K t l f t d l j K est le facteur de la jauge
  • 130.
    J d ti t 130 Jauge de contrainte • Si le conducteur subit une force de traction: ▫ Effet de l’allongement : l dl R dR  g ▫ Diminution de la section : loi de Poisson (v : l R ( coefficient de Poisson) l dl S dS  2   ▫ Effet de piézorésistivité (C : constante de Brigman) l S • Au total ces trois effets donnent : l dl C V CdV d ) 2 1 (        dl C dR ) 2 1 ( 2 1         l C R ) 2 1 ( 2 1     
  • 131.
    J d ti t 131 Jauge de contrainte • Le capteur à jauges comprend un dispositif mécanique (corps • Le capteur à jauges comprend un dispositif mécanique (corps d’épreuve), destiné à provoquer, sous l’action de la grandeur physique, la déformation de ladite pièce. D j llé d’é f • Des jauges collées sur ce corps d’épreuve transforment ces déformations en variation de résistance. Les précisions obtenues dans ce cas (0,01 %) sont considérablement supérieures à celles que donnent les mesures de déformation. • En réalisant un étalonnage du capteur (comparaison entre la valeur vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques vraie et la mesure électrique), on peut déterminer les caractéristiques de justesse, fidélité, réversibilité, retour à zéro….
  • 132.
    C t lti (di t / it ) 132 Capteur ultrasonique (distance/vitesse) • L'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur • L émetteur envoie un train d ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour mis (1 temps 2 temps) pour parcourir un aller retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source. • L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attend le retour du signal attend le retour du signal.
  • 133.
    R l Efft D l Fi (Wiki) 133 Rappel: Effet Doppler-Fizeau(Wiki) • Soit un émetteur et un récepteur se déplacent sur une même droite. Il y a trois référentiels galiléens à Soit un émetteur et un récepteur se déplacent sur une même droite. Il y a trois référentiels galiléens à considérer : ▫ Le référentiel du milieu dans lequel se propage l’onde (par exemple l’atmosphère pour une onde sonore). On note c la célérité de l’onde dans ce référentiel (ce n’est pas forcément la vitesse de la lumière). ▫ Le référentiel lié à l’émetteur (source) : appelons vem la vitesse algébrique de l’émetteur (source) par rapport au référentiel (1). ▫ Le référentiel lié au récepteur : appelons vrec la vitesse du récepteur par rapport au référentiel (1). • On suppose que les vitesses sont positives suivant la direction et dans le sens de propagation du signal (de l’émetteur vers le récepteur). ▫ vem positive et vrec négative correspond à un rapprochement entre source et récepteur tandis qu’une vitesse vem négative et vrec positive correspond à un éloignement. • Si la source émet des bips à une fréquence ƒem et que le mouvement relatif entre émetteur et récepteur se fait selon la droite les joignant. Lorsque le deuxième bip est produit, le premier bip a parcouru une distance d0 = c·Temdans le référentiel (1), avec Tem = 1/ƒem. La source s’étant déplacée de vem·Tem pendant le temps Tem, la distance séparant deux bips est d1 = (c - vem)·Tem. • Soit Trec le temps séparant la détection des deux bips par le récepteur. Ce dernier reçoit le premier bip. Au bout de ce temps Trec, il a parcouru la distance vrec·Trec au moment où il reçoit le deuxième bip. p • Durant ce laps de temps Trec, le deuxième bip aura donc parcouru la distance d2 = d1 + vrec·Trec = c·Trec,
  • 134.
    L t dt é t 134 Les capteurs de température • Les sondes ou capteurs de température permettent de • Les sondes ou capteurs de température permettent de transformer l'effet du réchauffement ou du refroidissement en signal électrique. en signal électrique. • On peut classer ces capteurs en catégories: d é l i ▫ Les capteurs de température analogiques:  Thermométrie par diodes et transistors  Utilisation de la résistance:  Les résistances métalliques  Les thermistances  Les thermocouples ▫ Les capteurs de température intégrés
  • 135.
    Les capteurs detempérature : Jonction PN 135 Les capteurs de température : Jonction PN • Capteurs délivrant une tension ou un courant lié à la température. • Plusieurs types sont utilisés: • Plusieurs types sont utilisés: ▫ Jonction PN:  La tension aux bornes d'un semi-conducteur ainsi que le courant qui le traverse dépendent de la température. I=Io.(exp(eV /kT)-1) , I0 est le courant de saturation. p ( p( / ) ) ,  T température en kelvin,  e=1.6 10-19 C est la charge de l’éléctron  k =1.38 10-23J/K est la constante de Boltzman  Io=B.T3.exp(eEG /kT), B est un coefficient intrinsèque de la jonction et EG est la largeur de gap en Io B.T exp(eEG /kT), B est un coefficient intrinsèque de la jonction et EG est la largeur de gap en V(EG=1.12V pour le silicium)
  • 136.
    Les capteurs detempérature : Jonction PN 136 Les capteurs de température : Jonction PN • Ce sont des capteurs dit intégrés et qui ont l'avantage que à courant constant I, la mesure de V est (quasi) linéaire en fonction de la température et se présente sous la forme : V = (q ) p p aT + b avec a qui dépend de l'élément sensible. • Exemple de linéarisation: • Les deux transistors sont supposés identiques Les deux transistors sont supposés identiques • I1=Io.exp(eV1 /kT) • I2=Io.exp(eV 2/kT) Vd=KT/e.ln(I1/I2) La sensibilité (en μV/K) est 85.56. ln(I1/I2) La tension Vd est proportionnelle à la température absolue
  • 137.
    Les capteurs detempérature : Jonction PN 137 Les capteurs de température : Jonction PN • Ce type de capteur utilisant des diodes et des transistors ont l'avantage d’être simple à fabriquer et à mettre en œuvre, peu coûteux et très linéaire. • Mais ils ont une étendue de mesure limitée ( 50 °C 150 °C)et sont affectés par un • Mais, ils ont une étendue de mesure limitée (-50 C , 150 C)et sont affectés par un champs magnétique.
  • 138.
    Les capteurs detempérature : Thermistance 138 Les capteurs de température : Thermistance • Une résistance qui varie en fonction de la température. Elle est constituée d’oxyde métallique d oxyde métallique. • Il existe trois grandes sortes de thermistances : ▫ Coefficients de Température Négatif (CTN) : La résistance diminue lorsque la température augmente température augmente ▫ Coefficients de Température Positif (CTP) : La résistance augmente lorsque la température augmente. ▫ Critical Variation Resistor : sont des CTN à variation brusque de résistance. q • CTN relativement à CTP : résistance diminuer de façon uniforme quand la température augmente, ce qui en fait une des thermistances les plus utilisés. • CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques, CTN peuvent se trouver sous diverses formes : perles de verre, disques, barreaux, pastilles, rondelles, puces etc. • Limitations: Linéarité, temps de réponse, gamme températures 300°C
  • 139.
    Les capteurs detempérature : Thermistance 139 Les capteurs de température : Thermistance • CTN: CTN: Mesure de température
  • 140.
    L t dt é t Th i t 140 Les capteurs de température : Thermistance CTP • CTP:
  • 141.
    L t dt é t th l 141 Les capteurs de température : thermocouples - Ces sondes permettent des mesures de températures très élevées (dépassant - Ces sondes permettent des mesures de températures très élevées (dépassant 1000°C pour une sonde de type "K", par exemple). • Elles sont constituées de deux matériaux qui, lorsqu'ils sont en contacts et é à é d é déli i portés à une température donnée, délivrent une tension. • Cette tension est faible et doit être amplifiée pour être exploitable.
  • 142.
    Les capteurs detempérature : thermocouples 142 Les capteurs de température : thermocouples Selection of the Measuring Junction Sheathed thermocouples are available in 3 junctions types: Sheathed thermocouples are available in 3 junctions types: -grounded: Fast time response . Can Be subject to EMF interference -Ungrounded: EMF Resistant. Slower Response Time. -and exposed. Provides the fastest time response: Cannot be used in an environment with a high percentage of solids, high pressure, or liquid material since the junction is exposed to this environment. -Each design offers specific advantages as well as Each design offers specific advantages as well as disadvantages and must be considered carefully when placing an order.
  • 143.
    Les capteurs detempérature : thermocouples 143 Les capteurs de température : thermocouples Lettre Domaine d’utilisation (°C) Sensibilité moyenne ( μV/°C) Lettre Conducteur positif Conducteur négatif T Cuivre Nickel-Cuivre (Constantan) T -200 à 370 51 J -40 à 800 55 E -270 à 870 78,5 à J Fer Constantan E Nickel-Chrome (Chromel) Constantan K Chromel Nickel-Aluminium (Alumel) K -270 à 1270 41 S -50 à 1600 11,4 R -50 à 1600 12.9 B 0 à 1700 10,6 S Platine-10 % Rhodium Platine-6 % Rhodium R Platine-13 % Rhodium Platine B Platine-30 % Rhodium Platine-6 % Rhodium B 0 à 1700 10,6 N -270 à 1300 38 G C et D 0 à 2600 20 Pt/Au 0 à 1000 25 N Nickel-Chrome- Silicium (Nicrosil) Nickel-Chrome- Magnésium (Nisil) U Cuivre Constantan G Tungstène Tungstène-26 % Rhénium Rhénium C Tungstène-5 % Rhénium Tungstène-26 % Rhénium D Tungstène-3 % Rhénium Tungstène-25 % Rhénium Couple non normalisé Platine Or normalisé
  • 144.
    L t dt é t th l 144 Les capteurs de température : thermocouples
  • 145.
    L t dt é t Mét lli 145 Les capteurs de température : Métallique • Pour les métaux, la résistance varie avec la température ; Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la RTD: Resistance Temperature Detector • Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la température mais seulement quelques uns sont utilisés comme capteur. ▫ Platine: Précis, stable, durable, RTD: Resistance Temperature Detector ▫ Tungstène, Moins Stable que platine, Meilleure linéarité en haute température, -100 °C , 1 400 °C ▫ Nickel: Sensibilité la plus élevée , Résistivité élevée, Faible linéarité, Peu stable, -80 °C , 260 °C ▫ Cuivre: Linéaire, Résistivité faible donc encombrement, Peu stable,
  • 146.
    L t dt é t Mét lli 146 Les capteurs de température : Métallique • Pour une résistance en platine (notée PT25, PT50, PT100, PT200, PT500 PT ) ou PT1000). • La plus courante est PT100 ayant une résistance de 100Ω à 0°C • Pour le platine on utilise la formule de Callendar et Van Dusen : ou e p a e o u se a o u e de Ca e da e a use ▫ R(t) = R0.(1 + a.t + b.t2 + c.( t−100).t3). Pour t>0°C, a=3,9083.10-3, b =-5,775.10-7 et c=0. Pour t<0°C a=3 9083 10-3 b = 5 775 10-7 et c= 4 183 10-12 Pour t<0 C, a=3,9083.10 3, b =-5,775.10 7 et c=- 4,183.10 12 ▫ R0 est la valeur qui suit les lettres PT
  • 147.
    L t dt é t Mét lli 147 Les capteurs de température : Métallique • Pour les métaux, la résistance varie avec la t é t température ; • Tous les métaux ont une résistance qui varie avec la température mais seulement quelques uns sont tili é t RTD: Resistance Temperature Detector utilisés comme capteur. ▫ Platine: Précis, stable, durable, -200 °C , 850 °C ▫ Tungstène, Moins Stable que platine, Meilleure linéarité en haute température, -100 °C , 1 400 °C p , , 4 ▫ Nickel: Sensibilité la plus élevée , Résistivité élevée, Faible linéarité, Peu stable, -80 °C , 260 °C ▫ Cuivre: Linéaire, Résistivité faible donc encombrement, Peu stable 190 °C 150 °C stable, -190 C , 150 C
  • 148.
    L t dt é t i té é 148 Les capteurs de température intégrés • Grâce à leur sortie numérique ces capteurs peuvent être directement • Grâce à leur sortie numérique, ces capteurs peuvent être directement connectés sur une entrée d’un système numérique pour la gestion de la température. • Ils permettent une lecture directe du signal, sans passer par un convertisseur analogique/numérique et sont calibrés par le constructeur constructeur.
  • 149.
    L t élt i 149 Les capteurs pyroélectriques • Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au • Un capteur (ou détecteur) pyroélectrique est doté de deux cellules au moins, qui sont sensibles à la chaleur (rayonnement infrarouge). • Le capteur est élaboré de telle sorte qu'il permet la détection de p q p différences de chaleur entre les cellules qu'il comporte. Il est très utilisé dans les systèmes de détection de personne (carillon porte d'entrée, détecteurs IR pour alarmes allumage automatique de lampes) détecteurs IR pour alarmes, allumage automatique de lampes).
  • 150.
    L t df é 150 Les capteurs de fumée • Système de détection de la fumée optique a le principe suivant: • Système de détection de la fumée optique a le principe suivant: ▫ Un faisceau lumineux créé par une LED émettrice éclaire une chambre de détection obscure. ▫ Cette chambre contient aussi un récepteur photoélectrique (cellule) qui transforme la lumière en un faible courant électrique. L l i l d f é é è à l’i é i d dé d ▫ Lorsque les particules de fumée pénètrent à l’intérieur du détecteur de fumée, la lumière est réfléchie sur la surface des particules de fumée et entre en contact avec la cellule, ce qui déclenche aussitôt l’alarme.
  • 151.
    C t ddébit èt lt 151 Capteur de débitmètre ultrason • On mesure la vitesse de déplacement du fluide en mesurant la différence des temps d t it d l’ d d fl id de transit de l’onde dans un fluide. • Différence calculée entre le temps de parcours d’une onde ultrasonore d’une sonde A montée en amont par rapport à une sonde B montée en aval (sens d’écoulement d fl id ) t t l t d d’ d lt d’ d B du fluide) et entre le temps de parcours d’une onde ultrasonore d’une sonde B montée en aval par rapport à une sonde A montée en amont (sens opposé). • Les sondes A et B sont alternativement émettrice et réceptrice de l’onde ultrason. diffé d d dé i l i d’é l d ili • La différence des temps permet de déterminer la vitesse d’écoulement du milieu. • Le débit volumique est aussi déterminé en ayant rentré le diamètre de la canalisation et son épaisseur: Débit volumique est le produit de la section et de la i d’é l vitesse d’écoulement Q = S x V
  • 152.
    C t di 152 Capteurs de pression • Plusieurs types dont : Piézoélectrique et capacitif. Plusieurs types dont : Piézoélectrique et capacitif. • Le capteur capacitif repose, sur le fait qu'une différence de pression entraîne une variation d'épaisseur entre les couches conductrices d'un condensateur et, donc, une variation de la capacité de la cellule variation de la capacité de la cellule. •Pression Absolue Mesure par rapport à un volume •Pression Absolue Mesure par rapport à un volume scellé, généralement sous vide. •Pression Relative Mesure par rapport à la pression atmosphérique. •Pression Différentielle avec 2 entrées pression •Pression Différentielle avec 2 entrées pression, pour mesurer la différence entre 2 pressions.
  • 153.
    M èt idiffé ti ll 153 Manomètres pour pression différentielle • Une capsule montée dans un boîtier étanche résistant à la pression est • Une capsule montée dans un boîtier étanche résistant à la pression, est soumise, de l’intérieur et de l’extérieur, à une pression. • La différence de pression entre les deux parties provoque un d l l mouvement de la capsule. • Conversion par variation de capacité
  • 154.
    C t di j 154 Capteurs de pression avec jauges
  • 155.
    B h td t l i 155 Branchement de capteurs analogiques
  • 156.
    B h td t TOR 156 Branchement de capteurs TOR