Chapitre 1 : PROPRIETES GENERALES DES CAPTEURS

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1 ELEC 2811 : Instrumentation et capteurs Chapitre 1 : PROPRIETES GENERALES DES CAPTEURS 1. INTRODUCTION 2. NOTIONS ET TERMINOLOGIE 2.1. Distinction entre grandeurs et paramètres physiques 2.2. Distinction entre grandeurs globales et locales 2.3. Distinction entre capteurs actifs et passifs 2.4. Support du signal 2.5. Conditionnement du signal Capteurs à sortie «directe» Capteurs à sortie modulée 3. STRUCTURE D UN CAPTEUR 4. CARACTERISTIQUES DES CAPTEURS 4.1. Caractéristiques statiques 4.2. Caractéristiques dynamiques 4.3. Le bruit 4.4. Caractéristiques propres aux appareils indicateurs 5. ORGANISATION DE LA MATIERE ANNEXE I : LE B A BA DU TRAITEMENT DES ERREURS ANNEXE II : LES BRUITS EXTERNES 1. Sources de bruit externes aux capteurs 2. Propagation des bruits externes aux capteurs 3. Sensibilité des capteurs aux bruits externes 4. Elimination du bruit par stacking ANNEXE III : APPAREILS INDICATEURS 1. APPAREILS INDICATEURS ANALOGIQUES 2. Appareils à affichage numérique Chapitre 2 : MESURE DE GRANDEURS ELECTRIQUES

2 2.1. Capteurs de tension 2.2. Capteurs de courant 2 Annexe 4 : Transformations de signaux analogiques continus A4.1. Transformations analogiques linéaires A4.2. Transformations analogiques non linéaires A4.3. Redressement A4.4. Echantillonnage Annexe 5 : Transformations de signaux digitaux Annexe 6 : Modulation de signaux analogiques continus A6.1. Modulation d amplitude A.6.2. Modulation de fréquence A6.3. Modulations de rapport cyclique A Exemple de modulateur asynchrone A Modulateur sigma-delta A Modulateur MLI (PWM) Annexe 7 : Conversion de signaux numériques Chapitre 3 : Mesures de temps et de fréquence 3.1. Mesures de temps ou de fréquence par comptage Montage totalisateur Intervallomètre Périodemètre Fréquencemètre Passage du mode fréquence au mode période Autres mesures Chapitre 4 : Lumière et capteurs optiques 4.1. Le rayonnement et son spectre Radiation monochromatique Spectre de rayonnement 4.2. Les grandeurs relatives au rayonnement Existence d un double système d unités Grandeurs photométriques et conventions fondamentales préliminaires Flux énergétique ( e ) et lumineux ( ) Intensité énergétique (Ie ) et lumineuse (I) Eclairement énergétique (E e ) et lumineux (E) Exitance énergétique (M e ) et lumineuse (M)

3 Luminance énergétique (L e ) et lumineuse (L) Tableau de synthèse 4.3. Propriétés des corps vis-à-vis du rayonnement Propriétés spectrales Propriétés globales Caractérisation directionnelle des faisceaux réfléchis ou transmis 4.4. Capteurs optiques Propriétés particulières aux capteurs optiques Détecteurs thermiques Thermocouples et thermopiles Bolomètres et thermistances Détecteurs pyroélectriques Récepteurs photoélectriques Détecteurs photoémissifs Cellules photoconductrices Photodiodes Phototransistors Camera Conseils pour l utilisation de capteurs optiques en présence d un éclairage ambiant non maîtrisé 3 Annexe 8 : Démodulation de signaux AM A8.1. Détection asynchrone d un signal AM A8.2. Détection synchrone Chapitre 5 : sources de lumière et caractérisation spectrale 5.1. Modes de production de la lumière Principe Classification des sources Sources de lumière à thermorayonnement Sources de lumière par électrorayonnement Effet Laser 5.2. Caractéristiques spectrales Le spectromètre Notion de couleur Caractéristiques globales Séance de laboratoire n 1 : SPECTROPHOTOMETRIE Chapitre 6 : MESURE DE LA PUISSANCE ELECTRIQUE 6.1. Dispositifs formés de capteurs de courant et de tension séparés

4 6.2. Capteurs à sortie analogique 6.3. Capteurs à sortie en couple 6.4. Mesure de la puissance instantanée monophasée 6.5. Mesure de la puissance active monophasée 6.6. Mesure de la puissance réactive monophasée 6.7. Mesure de la puissance instantanée triphasée 6.8. Mesure de la puissance active triphasée 6.9. Mesure de la puissance réactive triphasée A) Dispositif à trois «wattmètres» B) Dispositif à deux wattmètres 4 Chapitre 7 : MESURE DE PARAMETRES ELECTRIQUES : Les résistances 7.1. Conversion d une résistance en tension analogique continue 7.2. Conversion d une conductance en courant analogique continu 7.3. Circuits diviseurs et en pont Introduction Mesures dynamiques Le pont de Wheatstone Sensibilité Utilisation d amplificateurs opérationnels Cas de hautes résistances Protection de Wagner Cas des résistances de faibles valeurs Chapitre 8 : MESURE DES IMPEDANCES 8.1. Conversion d une impédance en tension modulée en amplitude et phase 8.2. Conversion d une admittance en courant modulé en amplitude et phase 8.3. Montages en pont AC Généralités Premier exemple : le pont de Maxwell Le pont de Hay Le pont d Owen Le pont de Wien Le pont de Carey-Foster Sensibilité Convergence vers l équilibre Gardes Ponts à transformateurs de tension Ponts à transformateur de courant Ponts à transformateurs mixtes Ponts pour la mesure des capacités en haute tension. Ponts à transformateurs pour la mesure de faibles impédances Ponts AC avec amplificateurs opérationnels Ponts en T 8.4. Conversion en bande de base utilisant un transitoire

5 8.5. Conversion impédance fréquence 8.6. Conversion par mesure du facteur de qualité Q 5 Annexe 9 : les oscillateurs version A9.1 : conversion d une impédance en fréquence A9.2. Conversion d un signal analogique en fréquence Chapitre 9 : MESURE DE POSITION Dispositifs simples 9.1. Capteurs à résistance variable par curseur Distinction selon le type de mouvement Distinction selon le type de piste Relation résistance-déplacement Limitation de vitesse Connexion électrique 9.2. Potentiomètres sans curseur 9.3. Dispositifs à transformateur différentiel Le LVDT et le RVDT Resolver et Synchro-resolver 9.4. Capteurs à inductance variable Capteur de déplacement linéaire 9.5. Capteurs à capacité variable 9.6. Mesure de petits déplacement par variation d une résistance mise en traction 9.7. Les jauges d extensométrie Généralités Caractéristiques physiques des jauges a) Jauges à fil b) Jauges à trame pelliculaire ou jauges imprimées c) Jauges à semiconducteur Erreurs systématiques a) Sensibilité transversale b) influence de la température sur la jauge seule c) influence de la température sur l ensemble jauge-structure d) Effet thermoélectrique Mise en œuvre a) Fixation b) Etalonnage Circuits associés 9.7. Les capteurs de position par tout ou rien Capteurs par contact électrique Capteurs digitaux basés sur un capteur analogique

6 9.8. Les capteurs digitaux numériques Les capteurs incrémentaux Les capteurs codés. 6 Laboratoire 2 : Etude d un dispositif de détection Chapitre 10 : MESURE DE POSITION Dispositifs complexes Mesure de distance par mesure du temps de vol Interférométrie 10.3 Utilisation géométrique de la lumière Position angulaire d une balise Détermination de la position par triangulation Analyse d image sous éclairage structuré Analyse d image sous éclairage quelconque Annexe 10 : ondes acoustiques (sons, ultrasons ) A10.1 : généralités sur les ondes A10.2. Généralités sur les ondes acoustiques A10.3. Vitesse des ondes acoustiques dans les gaz A10.4. Portée des ondes acoustiques A10.5. Emetteurs et récepteurs d ultrasons Chapitre 11 : MESURE DE VITESSE Capteurs à sortie analogique Capteurs de vitesse angulaire Capteurs de vitesse linéaires Capteurs de vitesse digitaux Chapitre 12 : MESURES DE FORCE ET DE COUPLE Capteur à jauges à fil libre Capteur à traducteur piézoélectrique Effet piézoélectrique [1] Mise en oeuvre des matériaux piézoélectriques Caractéristiques électriques du traducteur piézoélectrique a) Modèle quasi-statique b) Modèle dynamique Caractéristiques des circuits électroniques associés a) Mesure de la charge par la tension de sortie du traducteur. b) Amplificateur de charge.

7 12.3. Capteurs à traducteur magnétostrictif ou magnétoélastique Capteurs de force à corps d épreuve Corps d épreuve souples Mesure de force par jauges d extensométrie Capteur à balance de force Capteurs à fil vibrant Capteurs de couple Références Exercice sur les jauges d extensométrie 7 Chapitre 13 : MESURES D ACCELERATION Accéléromètre linéaire Accéléromètre angulaire Chapitre 14 : MESURES DE PRESSION Capteur à traducteur de pression Capteurs à corps d épreuve Chapitre 15 : MESURES DE DEBIT Débitmètre électromagnétique 15.2 Débitmètre à turbine 15.3 Débitmètre à pression différentielle Rotamètre et débitmètre à palette Débitmètre à thermistance Débitmètre à vortex Débitmètre à ultrasons Débitmètre massique à force de Coriolis Chapitre 16 : MESURES DE TEMPERATURE Notions relatives à la température Réponse dynamique d un capteur de température Mesure de température par variation de résistance Thermistances métalliques Thermistances à semiconducteurs Effet thermoélectrique [2] Effet Seebeck Mise en œuvre des couples thermoélectriques

8 Caractéristiques dynamiques des thermocouples Conditions d emploi des thermocouples [3] Connexions des thermocouples a) Circuits élémentaires b) Circuits de mesure directe. c) Mesures mu1tiples (Data logging) Circuits associés. a) Mesure par millivoltmètre c) Amplificateur é1ectronique Mesure de la température par rayonnement Mesure de la température par la dilatation des corps 8 Chapitre 17 : MESURES DE CHAMP MAGNETIQUE Mesure du champ magnétique dans le vide par un capteur ne perturbant pas ce champ Bobine exploratrice Capteurs à effet Hall Capteurs magnétorésistifs Capteurs de champ magnétique à fibre optique Tension induite dans un circuit en mouvement Résonance magnétique nucléaire Mesure du champ magnétique dans le vide avec un capteur produisant un champ propre Force exercée sur un conducteur Force exercée sur un aimant Variation de perméabilité d un corps d épreuve Mesure du champ magnétique à l intérieur d un corps magnétique Mesure à l aide d une sonde d usage général Mesure de B par la loi de Faraday Détermination de H par la loi d Ampère Détermination par calcul Chapitre 18 : MESURES DE PROPRIETES MAGNETIQUES Dispositifs à mesures simultanées de B et de H Mesure de la magnétisation Mesure de la perméabilité magnétique Chapitre 19 : CAPTEURS CHIMIQUES ET BIOLOGIQUES

9 19.1. Détection de la composition d un corps via ses propriétés optiques Détection par oxydoréduction (détection directe) Mesures indirectes Capteurs d humidité Capteurs de gaz Capteurs d oxygène Capteurs biologiques Capteur microbiologique Capteurs immunologiques 9