Acquisition Capteurs

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1 DOCUMENT Synthèse Centres d intérêt Savoirs A B C D Thèmes associés A1 B11 C11 D1 AF1 R1 E1 E8 E11 E13 E4 E5 I3 I1 I6 I12 A2 B12 C12 D2 AF2 R2 E2 E9 E12 E18 E7 E6 I4 I2 I7 B21 C21 AF3 R3 E3 E10 E15 E19 E16 I5 I11 I8 B22 C22 R4 E14 E17 I13 I9 B31 C23 R5 I10 B32 C24 R6 B41 R7 B42 R8 B51 R9 B52 Acquisition Capteurs I- INTRODUCTION Si on s intéresse à la chaîne de traitement de l information, on peut la décomposer en 3 grandes fonctions à réaliser : Capteur Les définitions : - Grandeur à mesurer (mesurande) - Transformer le mesurande (corps d épreuve) - Grandeur mesurable (le plus souvent ce n est pas une grandeur électrique) - Conditionner le signal (transforme la grandeur mesurable et adapte le signal électrique) - Grandeurs d influence (grandeur physique qui fausse la mesure du capteur) SI CI9 Lycée CHEVALIER D EON TONNERRE Sciences de l ingénieur en bac S Page 1/6

2 II- DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS Selon l application, on préfèrera acheter un capteur complet ou réaliser soit même son capteur. II-1-Capteurs intégrés : II-1-a- Détecteurs de position Ce sont des fins de course réalisés par des interrupteurs. Ils ont besoin d une action mécanique pour changer d état. Le signal qu ils renvoient est de type TOR. II-1-b- Interrupteurs à lames souples Ce sont des capsules possédant une lame mobile sensible au champ magnétique d un aimant. Lorsque l aimant passe devant, la lame mobile bouge et ferme un contact. Le signal qu ils renvoient est de type TOR. II-1-c- Capteurs photoélectriques Ce sont des capteurs sensibles à la lumière. Ils peuvent être de plusieurs types : Barrage, reflex, ou proximité. Le signal qu ils renvoient est de type TOR et dépend du type de capteur (commutation claire ou sombre). Ils peuvent être à 2 ou 3 fils selon le besoin. II-1-d- Capteurs de proximité inductifs Ce sont des capteurs qui émettent un champ magnétique. Lorsque l on place un objet métallique devant, les lignes de champ sont modifiées et le capteur s en rend compte. Ils ne peuvent donc capter que des éléments ferromagnétiques. Le signal qu ils renvoient est de type TOR. II-1-e- Capteurs de proximité capacitifs Ces capteurs fonctionnent sur le même principe que le capteur inductif, mais en jouant sur le champ électrique et non plus magnétique. Ils sont capables de détecter énormément de choses. Le signal qu ils renvoient est de type TOR SI CI9 Lycée CHEVALIER D EON TONNERRE Sciences de l ingénieur en bac S Page 2/6

3 II-1-f- Codeurs incrémentaux Ce type de capteur renvoie une information numérique. Un disque troué (piste) est placé entre une diode électroluminescente et un capteur photosensible. A chaque pas du codeur, l élément photosensible reçoit une impulsion lumineuse. Le signal qu il renvoie vaut soit 0 soit 1. Ce type de codeur peut être équipé d une seconde voie permettant de connaître le sens de rotation du disque. Il ne permet pas de connaître la position exacte de l axe. Sa mesure est relative et nécessite une prise d origine pour la machine et une incrémentation des pas. Sa précision dépend du nombre de pas/tr. II-1-g- Codeurs absolus Ce type de capteur renvoie une information numérique sur plusieurs bits. Il est composé d un disque troué possédant plusieurs pistes. Le perçage des pistes dépend du code de sortie (binaire naturel ou Gray). Le nombre de bits de sortie correspond au nombre de pistes. Contrairement au codeur incrémental, on peut connaître directement la position du codeur en lisant le code de sortie. Sa précision dépend du nombre de pistes. II-2-Capteurs à réaliser soi même (Corps d épreuve/mesurande) : Lorsque l on souhaite réaliser un capteur, il faut utiliser des éléments sensibles au mesurande - Température : Résistances, thermocouples, - Lumière : Phototransistors, Photo résistances, Photodiodes, - Champ magnétique : bobinage, - Courants : Résistance, effet Hall, Ensuite, il faut transformer la grandeur physique mesurable en grandeur électrique : - Pont de résistance! Il faut savoir calculer une tension aux borne d une résistance si on connaît le courant et inversement. Il faut aussi connaître la loi du pont diviseur de tension Il faut, pour terminer, adapter le niveau de tension au niveau de la tension d entrée de la fonction traiter les informations (fonction conditionner) : - Amplificateur AOP, transistors, - Transformateurs, - Isolation galvanique par photo coupleurs, - Conversion analogique numérique! Il faut connaître l existence des AOP Il faut savoir calculer le courant dans un transistor qui sature Il faut connaître le fonctionnement des transformateurs Il faut connaître le cours sur la conversion Ana/Num, Num/Ana SI CI9 Lycée CHEVALIER D EON TONNERRE Sciences de l ingénieur en bac S Page 3/6

4 Exemple de traitement détection du soleil pour le store Somfy : On considère le capteur suivant : +Vcc A LDR B R4 =150 R1 = 27k R2 P R3 + - AO1 R5 V S D1 V E Microcontrôleur Entrée Gnd Compléter le schéma blocs suivant en indiquant pour chaque bloc : - La fonction réalisée par le composant - La grandeur physique traitée par le bloc - Le type (TOR, numérique ou analogique) - La formule qui permet de passer de l entrée du bloc à la sortie On souhaite connaitre le réglage du potentiomètre pour un basculement à 2000 lux. En admettant que R1=27kΩ, R4=150Ω et l AOP est alimenté en symétrique avec Vcc=5V déterminer : - La valeur de R LDR pour le seuil de basculement du montage - La tension V A pour ce seuil 0,88V - La tension V B pour ce même seuil 0,88V - La valeur de réglage du potentiomètre P pour ce seuil 5767Ω - Représenter les allures des grandeurs, V A, V B, V S et V E sur les graphes respectifs Eclairement (ana) E Photorésistance Transformer l éclairement en résistance Résistance (ana) R LDR =f(e) Pont diviseur R 4 R LDR Créer une tension variable fonction de R LDR Tension (ana) V A= R 4.V CC /(R4+R LDR ) Comparateur Comparer V A à V B Tension (ana) V S =f(v A,V B ) Ecrêteur Ecrêter la tension Tension (TOR) V E =f(v S ) Pont diviseur P R 1 Tension réglable V B =P.V CC /(P+R 1 ) = SI CI9 Lycée CHEVALIER D EON TONNERRE Sciences de l ingénieur en bac S Page 4/6

5 Remarque, le microcontrôleur aurait pu faire l écrêtage tout seul sans le comparateur et l écrêteur. Pour cela, il faut : - Que l entrée du microcontrôleur soit de type analogique - Que la tension issue du capteur et du circuit de mise en forme soit compatible avec les capacités de l entrée analogique du microcontrôleur En admettant que l entrée du microcontrôleur soit derrière le circuit pont diviseur R LDR /R 4, quelles sont les grandeurs importantes pour le microcontrôleur? La plage de tension de sortie du capteur R LDR /R 4 La sensibilité de détection souhaitée En admettant que l entrée analogique du microcontrôleur soit sur 8 bits, pour une tension de référence égale à VCC=5V : - Quel sera le pas de progression (quantum)? - Quel sera le code décimal d entrée N pour obtenir un basculement à 2000 lux? - Quel code en binaire et en hexa obtient-on? - En admettant que autour de 2000 Lux, l équation simplifiée de R LDR en fonction de E est R LDR =-0,3.E+1300 et que celle de V A en fonction de R LDR est V A =-10-3.R LDR +1,6, quel est la sensibilité en lux autour de 2000 lux? Quantum : q=5/(2 8-1)=19,6mV Tension d entrée à 2000 Lux : V A =0,88V => Code décimal d entrée : 44, soit en binaire et en hexa : 2C En triturant les 2 équations autours de 2000Lux, on a V A =0,3*10-3.E+0,3 => pour une variation de q sur V A, on a une variation de l éclairement E= V A / (0, ) = q/(0, ) soit 65 Lux SI CI9 Lycée CHEVALIER D EON TONNERRE Sciences de l ingénieur en bac S Page 5/6

6 II-3 Câblage d un capteur sur un API Le câblage d un capteur dépend du type de capteur : II-4 Choix d un capteur Le choix d un capteur (comme le choix de n importe quoi) dépend de critères de choix. Dans notre cas, il va dépendre des éléments à capter, de l environnement (agressivité, et place disponible) et de l élément auquel le capteur est raccordé. Exemples de critères de choix : - Portée de détection : distance maximale entre l élément à capter et le capteur - Type d élément à détecter (photosensible ou inductif ou capacitif, ) - Tension d alimentation : o Valeur souvent imposée par les entrées de l API o Type de tension alternative ou continue souvent imposée par les entrées de l API - Technologie 2fils ou 3fils o Dans le cas des 3 fils : NPN (technologie des transistors utilisés par le capteur) dépend de l entrée de l API (entrée en logique négative) PNP dépend de l entrée de l API (entrée en logique positive) - Constitution (Métal ou plastique) - Indice de protection SI CI9 Lycée CHEVALIER D EON TONNERRE Sciences de l ingénieur en bac S Page 6/6