Ecole Supérieure de Biotechnologie de Strasbourg. Electronique C.Ling. échantillonneurbloqueur. contrôle. microprocesseur

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1 V.) le capteur. 5.1) Introduction: Dan une chaine de eure, le capteur tient la place du preier éléent de la chaine. Sa fonction et priordiale et il faudra 'aurer qu'il peut fonctionner dan le condition prévue par on contructeur, inon le conéquence ont ouvent ipréviible. 1 capteur 2 ultiplexeur analogique n voie apli échantillonneurbloqueur convertieur analogiquedigital n contrôle éoire de prograe et de donnée icroproceeur interface entrée/ortie dique clavier affichage calculateur Synoptique d'une chaîne de eure nuérique La figure cideu repréente une chaine de eure oderne avec une eure à l'aide de capteur analogique dont le ortie électrique ont aiguillée via un ultiplexeur analogique ver une chaine d'aplification et de converion analogique/digitale unique pour tou le n capteur. Cette configuration peret une éconoie notable. Le ignal nuérique et alor envoyé à une interface d'entrée/ortie perettant la lecture de donnée binaire par le calculateur ou le icroproceeur. L'eneble icroproceeur et éoire de prograe et de donnée contitue un ordinateur autonoe perettant de faire fonctionner la chaine éventuelleent an intervention du calculateur. On a ouvent beoin de ceci pour répondre à de contrainte de tep. En effet, on ne peut pa e perettre d'attendre que le calculateur, qui et une achine décentraliée, connectée par réeau, réponde. Une unité de contrôle, pilotée par le icroproceeur, 'occupe d'envoyer le bon ignaux aux bon oent ver le différent oueneble. 5.2) Définition: Le capteur ert à effectuer de eure de grandeur phyique : déplaceent, preion, tepérature, vitee, accélération, ph, luière, etc... C'et l'organe qui, oui à l'action d'un eurande nonélectrique fournit en ortie une caractéritique électrique : charge, tenion, courant, ipédance. 4 décebre

2 eurande capteur F ortie = F() La ortie et une fonction du eurande. Le eurande et la grandeur phyique objet de la eure. Pour connaître la relation entre et, on peut tracer la courbe d'étalonnage: c'et à dire que pour de valeur connue avec préciion de, on eure le valeur correpondante de, on obtient une courbe qui peret de connaître la valeur de pour toute valeur de qui la déterine. = F() Pour de raion de facilité d'exploitation, on 'efforce de réalier le capteur, ou du oin de l'utilier en orte qu'il établie une relation linéaire entre le variation de la grandeur de ortie et celle de la grandeur d'entrée. = S. S et la enibilité du capteur. Un de problèe iportant dan la conception ou l'utiliation d'un capteur et la contance de a enibilité S qui doit dépendre aui peu que poible : de la valeur de (linéarité) et de a fréquence de variation (bande paante). du tep (vieillieent). de l'action de grandeur phyique de on environneent, qui ne ont pa l'objet de la eure et que l'on appelle grandeur d'influence : radioactivité, chap agnétique, tepérature, huidité, vibration, choc, tenion d'alientation, etc... L'erreur de linéarité et l'erreur de eure du capteur dû à la nonlinéarité de a courbe d'étalonnage. Ce défaut a la particularité d'introduire une erreur qui dépend de la valeur eurée, on donne, en général l'erreur axiale expriée en % de la valeur axiale de la ortie pour la plage conidérée. La bande paante et la bande de fréquence dan laquelle le capteur répond correcteent. Autreent dit, i le eurande varie à une certaine vitee, le capteur tranettra cette variation ver la ortie avec un léger retard dû à on tep de réaction (a contante de tep). Si cette valeur de 4 décebre

3 contante de tep e rapproche de la période de variation du eurande, alor le ignal de ortie era dégradé: on aplitude diinue. On définit la fréquence de coupure fc du capteur coe étant la fréquence à partir de laquelle l'aplitude de ortie diinue audelà de 1 2 foi l'aplitude norale. Le tep de répone d'un capteur et donné coe étant le tep i par un capteur pour aener le ignal de ortie de 10% à 90% de la valeur finale. Le tep de ontée ou de decente du ignal peuvent parfoi être différent, on définit donc un tr (rie tie) et un tf (fall tie). 90% 10% t r 90% 10% t f Il et évident que tep de ontée et bande paante ont étroiteent lié. En effet, on peut ontrer que pour un ytèe du 1er ordre (c.a.d. tep de ontée de fore onoexponentielle) on a la relation : f = 0,37 c t r 5.3) Exeple: le therocouple: Ce capteur ert à eurer de tepérature dan la gae de 270 à 2700 C. T1 (M2) (M1) e = F( T1) Principe: un circuit foré de 2 conducteur de nature chiique différente M 1 et M 2, par exeple du cuivre et du contantan, dont le jonction ont à de tepérature T 1 et T 2 fait apparaître, par effet Peltier, une différence de potentiel e dépendant de la différence de tepérature aux point T 1 et T 2. 0 C (M1) Un theroètre à therocouple era contitué du capteur branché à un voltètre. Dan la pratique, on aintiendra la jonction T 2 à une tepérature connue, oit en la trepant dan de la glace fondante (0 C), ou en plaçant un autre capteur de tepérature prè de la jonction T 2. 4 décebre

4 therocouple V Courbe d'étalonnage d'un therocouple Fer/Contantan de 0 C à 84,7 C tepérature C Exercice: Déteriner la enibilité S du therocouple. Précier l'erreur axiale de nonlinéarité. 5.4) Le capteur piézoélectrique: Le phénoène de piézoélectricité conite en l'apparition d'une polariation électrique, ou la variation d'une polariation déjà exitante dan certain diélectrique aniotrope naturel (quartz, touraline...) ou artificiel (quartz de ynthèe, céraique traitée...) lorqu'il ont déforé ou l'action d'une force de direction convenable. Si l'on unit un crital piézoélectrique de deux arature fixée ur de face oppoée du crital, il apparaitra ur le arature de charge électrique de igne oppoée, une différence de potentiel proportionnelle à la force appliquée au crital. On a alor un capteur de force ou de toute grandeur uceptible de 'y raener: preion, accélération, vibration, onde acoutique. F On pourra réalier de icrophone piézoélectrique, de jauge de contrainte écanique pour le tructure v F d'avion, de anoètre électronique, etc... Lorqu'on ouet un crital piézoélectrique à une ource de chaleur, on provoque de contrainte écanique interne au crital qui ont eurable par le êe oyen, on a alor un capteur pyroélectrique. On réalie de appareil perettant de eurer de tepérature à ditance: en focaliant un rayonneent infrarouge provenant d'une ource de chaleur ver le crital pyroélectrique, on pourra avoir une eure électrique de la tepérature du foyer chaleureux. Le phénoène 'explique par la tructure critalline d'une aille éléentaire. Si l'on prend l'exeple du quartz naturel, une telle aille et contituée de 3 olécule Si O 2. 4 décebre

5 (a) Si O2 F + + G+ G + Si O2 F En l'abence de contrainte (a), le barycentre G+ et G de charge poitive et négative de 3 olécule Si O 2 coincident : leur oent dipolaire réultant et nul. i l'on exerce une force F, la tructure e défore (b) : le barycentre G+ et G de charge ne coincident plu : il apparaît un oent dipolaire et donc de charge électrique uperficielle. (b) Rearque: l'effet piézoélectrique et réverible : oui à l'action d'un chap électrique, le crital e défore. Il peut être excité à a réonnance écanique qui dépend notaent de e dienion et de a géoétrie. On peut alor utilier cet effet pour créer de ocillateur calibré (horloge d'ordinateur) ou de générateur d'ultraon. En pectrocopie de dichroïe circulaire on eure la différence d'aborption, par un échantillon de produit biologique, entre une luière polariée circulaire droite et une luière polariée circulaire gauche. L'alternance de polariation et obtenue par une lentille biréfringente, qui et en quartz piézoélectrique et qui et pilotée par une tenion alternative appliquée à deux arature conductrice collée au quartz. 5.5) Capteur à induction électroagnétique: Le phénoène d'induction électroagnétique a déjà été rencontré dan le principe du tranforateur, dan celui du oteur électrique ou dan celui de l'alternateur qui ert à fabriquer le courant électrique doetique ou indutriel. dx dt Β i dx dt L'induction électroagnétique et en relation le troi grandeur : courant électrique ouveent chap agnétique Le but d'un capteur étant de fournir une grandeur électrique en ortie, l'induction électroagnétique pourra être utiliée pour eurer l'une ou l'autre de deux autre grandeur en jeu. On aura donc un capteur de ouveent ou de chap agnétique. Un exeple de eure de ouveent et la dynao tachyétrique detinée à eurer la vitee de rotation d'un oteur. On dipoe une pire de fil conducteur ur l'axe de rotation, on place en face cette pire un aiant peranent dévelopant un chap agnétique B. La rotation de l'axe déplacera la pire dan le chap de anière alternative et créera une tenion dont la période era la durée d'un tour de l'axe de rotation. La eure de la fréquence era donc une eure de la vitee de rotation du oteur. Ω Β e Ω 4 décebre

6 En réonnance agnétique nucléaire, on oberve le ouveent de pin nucléaire contituant de petit dipôle agnétique en rotation. Cette obervation e fait par une iple pire de fil conducteur placée prè de l'échantillon à eurer. Le petit dipôle agnétique dont le ouveent et contrôlé vont induire dan la pire un courant électrique alternatif eurable. 5.6) Un exeple de capteur nuérique: Dan le ca particulier du problèe de eure de poition ou de déplaceent, on peut concevoir de capteur donnant directeent une inforation digitale ou fore d'un ot binaire. A caue du problèe de quantification, la grandeur eurée aura toujour une réolution finie (nobre liité de poition), ai celleci pourra néanoin être trè grande. Avec l'utiliation d'un tel capteur, on évite l'étape d'aplification et de converion analogique/nuérique ai on coût rete trè élevé. Exeple: la roue codeue En a) une roue codée en binaire naturel, en b) une roue codée en code Gray. Ce dernier a l'avantage de ne odifier qu'un bit à la foi lor d'une tranition pour éviter de abiguité à l'intant êe d'une tranition. 5.7) Capteur optique: Le capteur optique perettent la traduction en ignaux électrique d'inforation portée par de la luière viible ou de rayonneent de longueur d'onde voiine. Capteur photoélectrique ou photoconducteur: il ont pour origine la libération de charge électrique dan la atière ou l'influence d'un rayonneent luineux ou plu généraleent électroagnétique, dont la longueur d'onde et 4 décebre

7 Ecole Supérieure de Biotechnologie de Str abourg. Electronique C.Ling inférieure à une valeur euil caractéritique du atériau. Chaque photon et le upport d'une énergie éléentaire Wph déterinée uniqueent par la fréquence de rayonneent : W ph = h.ν Φ I atériau photoélectrique R U Dan la atière, d'autre part, le électron qui ont lié aux atoe par leur énergie de liaion W l exigent, pour être libre, la fourniture d'une énergie upérieure. W ph W l λ h.c W l La longueur d'onde axiale uceptible de provoquer la libération de électron dan la atière et λ (longueur d'onde de euil). λ = hc λ = 1,237 W l W l atériau photoconducteur Un exeple pratique et la cellule photoconductrice, c'et un capteur de luière viible contitué d'une couche de atériau photoconducteur (en noir) éparant deux électrode entre lequelle on va eurer une variation de réitance électrique en fonction de la luière reçue. électrode La cellule photoconductrice Le courant réultant de l'effet photoélectrique era d'autant plu iportant que: la durée de vie de électron libre et plu longue, ceci dépend du atériau. la différence de potentiel appliqué au atériau et plu élevée, U=R.I, i U augente ==> I augente. la largeur de la couche photoconductrice et plu réduite, ceci explique la fore en peigne de capteur ce qui peret une grande urface ouie au rayonneent tout en aintenant une largeur faible. Selon le doaine pectral utilié, on choiira un atériau différent pour la réaliation de la cellule. La valeur de la réitance d'obcurité d'une cellule photoconductrice dépend de la fore géoétrique, de la tepérature et de la nature phyicochiique du dépot conducteur. Exeple: 10 4 à 10 9 Ω à 25 C pour PbS, CdS, CdSe Ce capteur peut être utilié pour déclencher autoatiqueent l'alluage de l'éclairage public à la tobée de la nuit. Un autre exeple et la détection de la coupure d'un faiceau de luière par un individu pour écurier la fereture de la porte d'un aceneur, etc... Un atériau photoéiif et coe le atériau photoconducteur enible à un rayonneent luineux par libération d'électron, ai le atériau photoéiif libère de électron ver l'extérieur du atériau. 4 décebre

8 Ecole Supérieure de Biotechnologie de Str abourg. Electronique C.Ling Le photoultiplicateur: On éclaire une urface recouverte d'un atériau photoéiif: la photocathode, il en réulte une extraction d'électron proportionnelle au nobre de photon incident. dynode cathode photoéiive Φ e Anode R R haute tenion Schéa de principe d'un photoultiplicateur Le ignal électronique priaire et contitué de électron éi ou l'influence du rayonneent incident par une photocathode placée dan le vide. Ce électron ont focalié, en général électrotatiqueent, ur la preière d'une érie d'électrode, le dynode, recouverte d'un atériau dont l'éiion econdaire et iportante. Le potentiel de dynode ucceive, fourni par un pont réitif, vont en croiant i bien que le électron éi par la k ièe dynode ont attiré par la (k+1) ièe où chacun d'eux provoque à on tour l'éiion de pluieur électron econdaire. Finaleent le courant électronique et collecté ur l'anode et appliqué à une réitance R ur laquelle peut être prélevé le ignal de eure. Ordre de grandeur: nobre de dynode: 5 à 15 gain du photoultiplicateur: 10 6 à 10 8 tenion d'alientation : de 500 à 3000 Volt. C'et la valeur du rendeent quantique dan le doaine pectral d'utiliation qui et le critère de élection de atériaux eployé pour réalier la photocathode. L'utiliation de atériaux cintillant coe fenêtre de photocathode tranforera le PM en détecteur de radioactivité. Le PM et un capteur trè enible ur un doaine pectral relativeent étendu, il et linéaire, c'et pourquoi il et utilié dan le pectrophotoètre et beaucoup d'appareil de eure quantitative de luière. C'et un copoant aez coûteux d'autant plu qu' il néceite une coûteue alientation hautetenion. Néanoin, c'et un copoant fabriqué en grande quantité à caue de on vate chap d'application, ce qui conduit à une réduction du prix de revient. Il et de plu en plu replacé par de capteur optique nuérique CCD (Charge Coupled Device) lorqu'une grande enibilité n'et pa néceaire.... Bibliographie: George Ach et collaborateur, "Le capteur en intruentation indutrielle", ed.dunod. 4 décebre