Systèmes embarqués Cours 6

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1 Principes Systèmes embarqués Cours 6 Systèmes embarqués Sylvain Tisserant - ESIL Système physique Capteurs avec conditionnement Actionneurs avec conditionnement CAN CNA Système numérique de contrôle commande Principes (2) Capteurs actifs Aujourd hui : transformer une grandeur physique m en un signal de nature électrique (tension, courant ou charge) s = f(m) ou s = f(m,g 1,g2,...) s = signal, m = mesurande, f = caractéristique, g = environnement, "parasites", etc. Système numérique : conversion analogique numérique (quantification) et vice-versa Exploitation plus simple si caractéristique linéaire Sensibilité (pour des petits signaux) df δs = S δm S = (m) dm Pour un capteur idéal, S doit être insensible à m (linéarité) et à sa fréquence de variation (bande passante), au vieillissement et à l influence de l environnement (température, éclairement, etc.)

2 Capteurs passifs Mesure de température Capteurs résistifs Capteurs résistifs (2) Resistance fonction de la température R( θ) = R ( 1+ aθ) Cu : a = θ fusion = 1084 C Ni : a = θ fusion = 1435 C Pt : a = θ fusion = 1755 C Exemple le plus fréquent : Pt Platine avec R 0 = 100 Ω à 0 C Entre -259 C et 960 C Nombreuses formes et tailles Encapsulées, film Pt déposé sur céramique (faible inertie thermique) ou sur isolant souple, etc. Deux montages Fils en constantan (55% Cu 45% Ni) : résistance indépendante de la température Minimiser le courant dans la sonde pour limiter l effet Joule Pont de Wheatstone Sondes dites 3 fils v = f(θ) Loi d Ohm Sondes dites 4 fils v = f(θ)

3 Thermistances Semi-conducteur à base d oxydes métalliques (cobalt en mélange avec terres rares) R(T) = R0 b K -1 b / T e Aussi dénommée résistance à coefficient négatif Miniaturisable Mais non linéaire Peu stable avec le temps Capteurs à jonction pn Caractéristique statique d une jonction pn V / V k T T ID = IS (e 1) avec VT = e En pratique transistor monté en diode dans contre-réaction d un ampli Op Circuits intégrés Avec interfaces pour bus (I2C, etc.) Utilisation fréquente en embarqué Contrôle et régulation température du boîtier Effet Seebeck Conducteur soumis à un gradient de température Deux effets contradictoires Electrons chauds plus rapides que les électrons froids diffusion accumulation d électrons du côté froid Libre parcours moyen des électrons chauds plus court (lpm 1/v) électrons chauds parcourent des distances plus faibles accumulation d électrons du côté chaud Le phénomène dominant dépend du matériau, en particulier de sa densité d électrons libres Un déséquilibre de la répartition spatiale des électrons crée un champ électrique, qui s oppose au déséquilibre. On atteint un régime stationnaire La différence de potentiel est proportionnelle à la différence des températures Thermocouples Association de deux matériaux aux pouvoirs thermoélectriques opposés Pt / Pt-Rh ou Fe / Constantan Soudure froide : température de référence (glace fondante, bloc isotherme, etc.) Soudure chaude : température à mesurer

4 Piézoélectricité Piézoélectricité (2) Un champ électrique polarise une substance diélectrique en y introduisant des moments dipolaires. Ce déplacement de charges, à partir de leurs positions d'équilibre, peut modifier les dimensions du solide : c'est l'électrostriction qui existe à un degré plus ou moins important pour tous les cristaux. Piézoélectricité (1881 Pierre et Jacques Curie) Propriété de certains matériaux Polarisation électrique sous l effet d une déformation mécanique (effet direct) Déformation lorsque soumis à un champ électrique (effet inverse) Le plus connu : le quartz (SiO 2) Interprétation qualitative Atome d oxygène : électronégatif orbitales plus denses au voisinage des atomes d oxygène Atome de silicium : électropositif Au repos les barycentres des charges positives et négatives sont confondus Pression ou traction déformation du cristal Les barycentres des charges positives et des charges négatives se déplacent en sens opposés Ces déplacements se compensent dans le volume du cristal, mais pas en surface apparition de charges de signes opposés sur deux faces, comme dans un condensateur Piézoélectricité (3) Piézorésistivité Modification de la résistance de films métalliques, de semiconducteurs ou de films composites (cermet : céramique-métal) sous l action de contraintes Superposition de deux effets Modification de la résistivité : par exemple dans un film constitué d un polymère chargé de particules conductrices. Sous l action d une force les distances séparant les particules peut varier, induisant une variation de la conductivité. Déformation géométrique (piézorésistivité géométrique) Modification du chemin entre deux électrodes sur un semiconducteur Modification de la longueur et/ou de la section d un conducteur

5 Jauge de contraintes Capteurs de force ou pression Basée sur piézorésistivité : déformation de jauges à fils, à trame pelliculaire ou à semi-conducteur Collée sur le support dont on veut mesurer les déformations Mesure par pont Capteur capacitif Capteurs de force ou pression (2) Accéléromètre Capteur piézoélectrique Deux membranes piézoélectriques inverses pour améliorer la sensibilité (microphone : pression acoustique) Principe : Bâti solidaire du mobile Masse sismique Lame flexible Mesure de la position de la masse par rapport au bâti Mesure : Déformation de la lame par jauges de contrainte Capacité d un condensateur formé par masse sismique et une surface de référence Mesure optique avec un miroir sur la masse sismique

6 Accéléromètre tout silicium Accéléromètre pyrex Jauges de contraintes Tout pyrex Mixte : technologie silicium sauf butée en pyrex. Avantage lame de pyrex de plus grande épaisseur qui facilite la manipulation Accéléromètre (2) Capteur optique : CCD Capteur optique : CCD Détection lumière : Effet photoélectrique absorption d un photon avec émission d un électron (énergie électron = énergie photon énergie de liaison) Electron dans matière : ionisation (semi-conducteur : paires électron-trou) Si champ électrique : dérive des porteurs courant électrique CCD : première étape on piège la charge

7 Capteur optique : CCD (2) Capteur optique : CCD (3) Deuxième étape on déplace les charges CCD : Charge Coupled Device Transfert pleine trame Obturateur Ouvert pendant intégration Fermé pendant transfert Transfert parallèle puis série Et enfin numérisation Trois modes de lecture Capteur optique : CCD (4) Capteur optique : CCD (5) CCD interligne Zone image : photodiodes Zone stockage Chargement zone stockage Puis transfert parallèle puis série Photodiodes : % de la surface CCD à transfert de trame Deux plans de CCD Un plan exposé Second masqué Transfert d un plan vers le second

8 Effet Hall Mesure de champ magnétique Champ magnétique perpendiculaire au courant Force de Lorentz excès de charges sur une face et déficit sur l autre Champ électrique qui s oppose à la force de Lorentz Initialement effet Hall utilisé pour mesurer nature, densités et mobilité de porteurs dans des matériaux tels que semiconducteurs L amélioration de la sensibilité a permis la réalisation de sondes de mesure de champ magnétique utilisables dans l industrie Autre principe de mesure : magnétorésistance Sonde à effet Hall Magnétomètres

9 Déplacements Capteurs magnétiques Déplacements (2) LVDT Capacimètre Déplacements (3) Interférométrie Distances (4) Ultrasons

10 Distances (5) Capteur résistif Déplacements (6) Codeurs optiques Capteur magnétorésistif Débits Débits (2) Débimètre à cible

11 Débits (3) Débits (4) Electromagnétique Ultrasons Fluides propres Ionique Effet doppler Fluides chargés de particules ou billes Non traités Capteurs chimiques Capteurs biomédicaux Automobiles