Transducteurs et capteurs II D. Mari ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE. Monday, November 14, 11

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1 Transducteurs et capteurs II D. Mari ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE

2 Montage électrique des capteurs Montages d un capteur résistif Pour les capteurs dont l'effet de transduction conduit à une variation de la résistance (thermorésistance, piézorésistance, diode thermique, etc.), il s'agit de mesurer leur résistance avec précision, à l'aide d'une source de courant et d'un ampli différentiel à très haute impédance d'entrée : Montage à deux fils Dans le montage à 2 fils ci-dessus, il apparaît une différence de potentiel U f due à la résistance des fils, de sorte que la tension U s s'écrit : Si la résistance des fils R f est du même ordre de grandeur que la résistance R c du capteur, la sensibilité du système est diminuée, et il peut apparaître des erreurs dues à la dépendance thermique de R f.

3 Montages d un capteur résistif Montage à quatre fils simple Pour pallier à cet inconvénient (éliminer différence de potentiel U f due à la résistance des fils), on préfère généralement le montage à 4 fils suivant : Comme l'impédance d'entrée de l'ampli différentiel est très élevée, le courant dans les fils de mesure est très faible et il n'y apparaît plus de tension U f. Par contre, il peut encore y apparaître des tensions parasites provenant d'effet électromagnétiques perturbateurs; c'est pourquoi on utilisera généralement des fils blindés pour ce circuit. Si les fils de mesure sont longs, composés de différents métaux, et qu'ils traversent des zones à différentes températures, il peut encore y apparaître des tensions dues à des effets thermocouples : U S = GR c I 0 + G U th

4 Montages d un capteur résistif U S = GR c I 0 + G U th Si les tensions thermocouples U th sont du même ordre de grandeur que I o R c, ce qui peut arriver si R c à mesurer est très faible, on peut éliminer l'effet de U th en effectuant deux mesures en inversant le sens du courant: une mesure avec un courant I o et l'autre avec un courant -I o, de sorte que: I 0 U s1 = GR c I 0 + G U th I 0 U s2 = GR c I 0 + G U th U s1 U s2 = 2GR c I 0

5 Montage d un capteur potentiométrique Pour les transducteurs de type potentiométrique, le montage électrique consiste en une source de tension constante qui alimente le potentiomètre et un ampli différentiel à haute impédance d'entrée pour la mesure de la tension : La résistance R c du potentiomètre est choisie de sorte qu'elle soit beaucoup plus élevée que celle des fils provenant de la source de tension, de sorte à pouvoir négliger la chute de potentiel dans ces fils. Mais elle doit aussi être beaucoup plus basse que l'impédance d'entrée de l'ampli différentiel, de sorte que celui-ci ne modifie pas la linéarité du potentiomètre:

6 Montage en pont de capteurs résistifs Souvent, il est très avantageux de monter les capteurs résistifs en pont à quatre branches dans lesquelles les capteurs 1 et 4 travaillent à l'opposé des capteurs 2 et 3 (capteurs de force, de pression, d'accélération, etc.) : U s = G( U 1 U 2 ) = U 0 2 G ΔR R 0 Le montage en pont présente un avantage essentiel lorsqu'on utilise des jauges piézorésistives, magnétorésistives, etc. En effet, toute jauge résistive dépend de la température (effet thermorésistif). Le montage en pont permet d'éliminer au premier ordre cette dépendance en température, puisque : Seule la dépendance en température du coefficient physique de transduction peut encore influencer la mesure :

7 Montage d un capteur inductif différentiel Les capteurs de déplacement utilisant un transformateur différentiel à noyau mobile se montent de la façon suivante :

8 Montage d un capteur en source de tension De nombreux capteurs font appel à un effet physique de transduction générateur d'une tension électrique (effet piézoélectrique, effet de réluctance variable, effet thermocouple, effet Hall, etc.). La plupart de ces effets ne sont utilisables que si le courant tiré de la source de tension qui représente le capteur est extrêment faible. C'est pourquoi les capteurs se comportant en source de tension doivent en général être branchés sur un ampli différentiel d'instrumentation à haute impédance d'entrée :

9 Montage d un capteur en source de courant Certains capteurs font appel à un effet physique de transduction générateur d'un courant électrique (effet photovoltaïque, effet photoconductif, etc.). Ces effets ne sont en général linéaires que si la résistance de charge branchée aux bornes de la source de courant que représente le capteur est très faible. C'est pourquoi les capteurs se comportant en source de courant doivent en général être branché sur un ampli courant à très faible impédance d'entrée équivalente R c : A noter que l'impédance d'entrée équivalente R c, qui doit être la plus faible possible, ne doit pas être confondue avec l'impédance d'entrée R e de l'ampli opérationnel, qui doit être la plus élevée possible :

10 Montage d un capteur photoconductif différentiel Le schéma suivant permet de séparer l'effet de la position du spot lumineux et l'effet de son intensité pour les capteurs photoconductifs différentiels : Ainsi, la tension de sortie U4 mesure la puissance lumineuse du spot et la tension de sortie U5 mesure la position du spot lumineux sur la cellule.

11 Montage d un capteur photoconductif différentiel Le schéma suivant permet de séparer l'effet de la position du spot lumineux et l'effet de son intensité pour les capteurs photoconductifs différentiels : Sommateur Ainsi, la tension de sortie U4 mesure la puissance lumineuse du spot et la tension de sortie U5 mesure la position du spot lumineux sur la cellule.

12 Montage d un capteur photoconductif différentiel Le schéma suivant permet de séparer l'effet de la position du spot lumineux et l'effet de son intensité pour les capteurs photoconductifs différentiels : Ampli différentiel Sommateur Ainsi, la tension de sortie U4 mesure la puissance lumineuse du spot et la tension de sortie U5 mesure la position du spot lumineux sur la cellule.