GEI 437 Laboratoire d interfaces et microprocesseurs. Capteurs. mercredi 7 février 2001 Philippe Mabilleau ing.

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1 Capteurs mercredi 7 février 2001

2 2 Types de capteurs Capteurs de position Capteurs de force Capteurs de température

3 3 Capteurs de position Ces capteurs traduisent la position d'un objet sur un axe de rotation sur un axe linéaire Position angulaire Position linéaire

4 4 Capteurs de position absolue Position donnée par rapport à une référence fixe Angle avec une direction fixe Distance avec un point fixe sur un axe Position absolue dans l espace 2D déplacement dans un plan 3D repérage dans l espace

5 5 Capteurs de position relative Mesure du déplacement par rapport aux positions antérieures Référence absolue non disponible Grandeur mesurée vitesse accélération déplacement par comptage

6 6 Technologie des capteurs Capteurs analogiques position absolue Capteurs numériques position absolue et relative déplacements

7 7 Capteurs analogiques La position est mesurée à l'aide d'une grandeur analogique potentiométriques (résistance) capacitifs et inductifs de niveau (liquide)

8 8 Capteurs numériques Position ou déplacement Directement encodé sous forme numérique Capteurs mécaniques Capteurs optiques

9 9 Capteurs potentiométriques Bonne précision si démultipliés Valeur analogique généralement convertie en tension Coût élevé Résistance au déplacement non négligeable Bruit de contact potentiel entre le curseur et la piste

10 10 Capteurs potentiométriques Linéaire ou angulaire Simple ou multitours Position absolue Valeur angulaire limitée en amplitude Utilisation de potentiomètres avec deux pistes sans fin de course Conversion linéaire de la résistance en tension pour être présentée à un convertisseur analogique à numérique

11 11 Potentiomètres sans fin R1 angle R1 R2 R2 angle

12 12 Conversion de la résistance -15V 0-1 K R V = R 1kΩ ( 10v) V 1 K V

13 13 Capteurs capacitifs Exploitation de la variation de capacité d'un condensateur Pour un condensateur plan C = Kε 0 A d avec ε 0 = 8.85 pf/m Variation de la distance d Variation de l'aire A Variation de la constante diélectrique K

14 14 Capteurs inductifs Variation de l'inductance ou de l'inductance mutuelle LVDT linear variable differential transformer L'amplitude de la tension différentielle de sortie varie linéairement avec la position du noyau La phase de cette même tension change au passage au centre L3 Sourc e a c L1 Sor t ie L2

15 15 Utilisation d'un LVDT LVDT D S our c e ac R C Sor t ie dc D R

16 16 Utilisation d'un LVDT LVDT Détecteur phase Filtre et red. Oscillateur

17 17 Caractéristiques des LVDT Course linéaire de ±1 mm à ±25 cm Linéarité typique de ±0.25% Transfert statique en mv/mm Caractéristiques dynamiques fonctions de l'électronique d'interface

18 18 Mesures de niveaux Mécaniques utilisation de flotteurs avec les liquides Électriques utilisation des caractéristiques électriques du fluide conduction capacité à constante diélectrique variable À ultra-sons non invasifs À mesure de pression

19 19 Capteurs numériques À encodage directe code Gray Par comptage déplacements relatifs codage incrémental détection du sens de déplacement

20 20 Code Gray Le code Gray est un code à distance minimale qui permet d'éviter les états intermédiaires erronés Un seul bit change d une position à l'autre Il peut être utilisé avec des capteurs optiques ou à balais mécaniques, pour des positions angulaires ou linéaires

21 21 Code Gray 4 bits

22 22 Capteurs mécaniques à balais Lecture numérique simple Usure élevée, sensible à l'environnement Utilisation d'interrupteurs magnétiques et d'un compteur «compte-tours» Dispositifs de pointage

23 23 Capteurs optiques Résistance au mouvement faible Lecture numérique simple Par encodage direct encodeurs angulaires optiques angles mesurés en absolu Par comptage dispositifs de pointage (souris)

24 24 Codeur incrémental Détection du mouvement relatif et de sa direction Linéaire ou angulaire Règle imprimée Roue dentée Surface striée Capteur 1 Capteur 2 n+1/2 demi-périodes

25 25 Sens du déplacement X Y P X- S

26 26 Détecteur X D Q D Q P C C D Q X- Y D Q D Q C C C S CLK

27 27 Détecteur simplifié X D Q S C Y P X Y = P S

28 28 Mesures de forces La mesure des forces ou contraintes est très utilisée car elle permet la mesure indirecte des pressions, débits, accélération et poids La mesure des contraintes utilise la relation qui existe entre contrainte et déformation

29 29 Différents types de contraintes Étirement Compression La contrainte est exprimée en N/m2 La déformation est exprimée en m/m ou en µm/m F F A A Contrainte = l l l l F A Déformation = l l F F

30 30 Torsion Torsion = F A D x F Déformation = x l F A l

31 31 Contrainte et déformation Déformation Rupture Saturation E = Contrainte Déformatio n = F l A l Zone de déformation élastique E module d'élasticité d'young en N/m 2 Contrainte

32 32 Jauge de contrainte Une jauge de contrainte est un dispositif conducteur dont la résistance va varier suite à sa déformation sous une contrainte Sous l'effet de la contrainte la longueur de la jauge va augmenter et sa section va diminuer; ce qui va modifier sa résistance R0 = ρ l 0 A0

33 33 Variation de la résistance l 0 A 0 = ( l 0 + l) ( A0 A) R = ρ l 0 + l A0 A R = ρ l 0 A l l 0 Exemple: R0 = 120 Ω contrainte de 1000 µm/m R = 0.24 Ω

34 34 Construction Substrat isolant Direction sensible Direction non-sensible Pad d'interconnexion Conducteur

35 35 Jauges métalliques La relation entre la contrainte et la variation de résistance d'une jauge permet de définir son coefficient GF = R R l l Pour les jauges métalliques usuelles GF est voisin de 2; il peut aller jusqu'à 10 pour certains alliages ou le carbone

36 36 Résistance d une jauge La valeur nominale de la résistance d'une jauge (en l'absence de contrainte) peut être de 60, 120, 240, 350, 500 ou 1000 Ω; la valeur la plus commune est 120 Ω

37 37 Utilisation d'une jauge Un pont est utilisé pour mesurer la variation de résistance Une jauge inactive est utilisée dans la seconde branche du pont pour compenser les effets des variations de température + Vs Det D F R A RD F

38 38 Variations au détecteur RA = R 1 + R R V = VS RD RD + R1 RA RA + R2 V = VS 4 R R 1 + R R VS 4 R R = VS 4 GF l l

39 39 Jauges à semi-conducteur Construites à partir de semiconducteurs (généralement le silicium) Coefficients beaucoup plus élevés que les jauges métalliques du à l'effet de la contrainte sur la mobilité des porteurs dans les semi-conducteurs Coefficients de l ordre de -50 à -200 Variation de la résistance non linéaire généralement le coefficient décroît avec la contrainte (donc augmente en valeur absolue)

40 40 Accéléromètres Mesure de la position d une masse suspendue à un ressort réponse dynamique résonance Capteur de position potentiométriques LVDT Piézo-électrique Mesure de vibrations

41 41 Manomètres Différents types à diaphragme et LVDT (type Bourdon) à semi-conducteur (jauges de contrainte) jauge Pirani (dissipation thermique d un filament, faible pression) Jauge à ionisation (faibles pressions) Débitmètres manomètre différentiel

42 42 Mesure de températures Basée sur l'effet de la température sur des grandeurs physiques ou électriques résistance effet thermo-électrique propriété des semi-conducteurs résistivité tension Zener expansion d un liquide d un solide

43 43 Résistance métallique Résistivité des métaux croissante avec la température Résistance métallique croissante avec la température Variation non linéaire approximation par une variation linéaire sur une plage limitée R(T ) = R(T 0 )(1 + α 0 T ) par une variation quadratique sur une plage plus large R(T ) = R(T 0 )(1 + α 1 T + α 2 ( T) 2 )

44 44 Exemples de variations

45 45 Détecteur à résistance (RTD) - + Utilisation d un pont avec lignes de compensation + Vs Ligne s de c om pe ns a t ion

46 46 Thermistor Résistance à semi-conducteur Diminue avec la température d une façon non linéaire Très sensibles à la température; typiquement 10% de la résistance nominale par C Plages de températures d utilisation -50 C à -100 C jusqu'à 300 C

47 47 Résistance d un thermistor

48 48 Facteur de dissipation Dissipation de puissance par le courant traversant la résistance de mesure élévation de température Réduction l incidence du phénomène sur la mesure limitation du courant dans la résistance prise en compte de l'erreur de lecture due au réchauffement

49 49 Prise en compte Facteur de dissipation Spécifications des RTD et des thermistors facteur de dissipation, PD (en W/ºC), qui est la puissance requise pour augmenter la température du composant de 1 ºC T = P P D P = puissance dissipée dans la résistance pour la mesure T = élévation de la température résultante

50 50 Effet thermo-électrique Force électromotrice résultant de la différence de température entre 2 jonctions métallique dans un circuit Très faible (quelques mv) Non linéaire mais une approximation linéaire peut être utilisée sur de vastes plages de température Fonction des températures des jonctions de référence

51 51 Thermocouple métal A métal A T R métal C T 1 Force électromotrice T 2 T M métal B métal C métal B T R

52 52 Utilisation d un thermocouple Plage des températures qui peuvent être mesurées très vaste plage de 500 à 1500 C depuis -200 C jusqu'à 1482 C Dépend de la nature des jonctions métalliques jonctions métalliques standards

53 53 Types standards de jonctions Type Matériaux Plage de températures J Fer-constantan -190 à 760 o C T Cuivre-constantan -200 à 371 o C K Chromel-alumel -190 à 1260 o C E Chromel-constantan -100 à 1260 o C S 90% platine + 10% rhodium-platine R 87% platine + 13% rhodium-platine 0 à 1482 o C 0 à 1482 o C

54 54 Exemples de variations

55 55 Autres capteurs Bilames métalliques détection d'un seuil de température Thermomètres à gaz ou à pression de vapeur saturante mesure de pression Capteurs intégrés à semi-conducteur variation d'un tension Zener en fonction de la température plage de mesure de -50 ºC à 150 ºC utilisés comme point de référence pour thermocouple

56 56 Exemple d application Plage de température à mesurer de 500 à 600 F avec une résolution de ±1 F La plage de températures est de 260 à C Un thermocouple de type J (fer-constantan) est utilisé avec une jonction de référence à 25 C ±0.5 C Les tables donnent pour un thermocouple de type J à 260 C, V T25 = mv à C, V T25 = mv

57 57 Conditionnement du signal La tension V ADC présentée au convertisseur varie de 0 à 5 V La tension de sortie du thermocouple est considérée linéaire sur la plage utilisée Le circuit de conditionnement doit réaliser la conversion suivante: V ADC = m V T25 + V 0 Les paramètres m et V 0 peuvent être déterminés à l'aide des équations suivantes: 0 = m ( ) + V 0 5 = m ( ) + V 0 Ce qui fait: m = 1634 et V 0 = -21 V

58 58 Calcul du circuit Un gain de 1634 risque d'être source d'instabilités si réalisé avec un seul étage Un amplificateur différentiel avec un gain de -100 va être utilisé comme premier étage suivi d'un sommateur V 1 = -100 V T25 V ADC = V 1-21 V ADC = (V )

59 59 Circuit de conditionnement 1K 2.88K +5V 1K 100K 163.4K Fer TREF T Constantan 1K K - Vadc +