les capteurs dans un système d'acquisition

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1 Les capteurs les capteurs dans un système d'acquisition Fonction d'un capteur Caractérisation des capteurs Catégories de capteurs Les Capteurs de position Les différents types de détection Jauge de contrainte Choisir un capteur? Caractéristique et limite d'un capteur Les codeurs rotatifs Les capteurs actifs Les Capteurs passifs La chaîne d'acquisition 1/37

2 les capteurs dans un système d'acquisition Processus : chauffer/climatiser Grandeur : température Donnez un exemple de la vie courante Capteur voir par ex Signal : tension Traitement du signal : régulateur Actionneur : chauffage (résistance,...) 2/37

3 Fonction d'un capteur Convertir une grandeur physique en Un signal électrique Tension Courant Impédance De type Analogique Numérique Logique (deux états) Discrète (suite d'impulsion) 3/37

4 Le capteur dans la chaîne de mesure La grandeur à mesurer g, appartient au milieu M est convertie en grandeur électrique f par le capteur Cette grandeur subit un premier traitement puis est transmise, un second traitement lui est ensuite appliqué pour mise en forme finale. 4/37

5 Traitement de l information Il s'effectue sur des variables logiques ou numériques. L'information délivrée par un capteur peut être : Logique (2 états), Numérique (valeur discrète), Analogique (dans ce cas il faut adjoindre à la partie commande un convertisseur analogique numérique). Citez un capteur pour chacun de ces éléments 5/37

6 La transmission des signaux Quels critères permettent de choisir parmi ces types de transmission 6/37

7 Caractérisation des capteurs La grandeur mesurée : capteur de position, de température, de vitesse, de force, de pression, etc.; Le caractère de l'information délivrée : Capteurs logiques ou capteurs tout ou rien (TOR), Capteurs analogiques Capteurs numériques. Associer la grandeur mesurée et le caractère de l'information délivrée 7/37

8 Catégories de capteurs Les capteurs à contact : Les capteurs de proximité. Nécessitent un contact direct avec l'objet à détecter Ne nécessitent pas de contacts Chaque catégorie peut être subdivisée en trois catégories : Les capteurs mécaniques, Les capteurs électriques, Les capteurs pneumatiques. Peut-on toujours remplacer un capteur à contact avec un capteur de proximité? 8/37

9 Les Capteurs de position Les capteurs de position sont des capteurs de contact. Ils peuvent être équipé d'un galet, d'une tige souple, d'une bille. L'information donnée par ce type de capteur est de type tout ou rien et peut être électrique ou pneumatique. 9/37

10 Les capteurs ILS (Interrupteur à Lame Souple) Un capteur ILS est un capteur de proximité composé d'une lame souple sensible à la présence d'un champ magnétique mobile. Lorsque le champ se trouve sous la lame, il ferme le contact du circuit provoquant la commutation du capteur. 10/37

11 Les capteurs capacitifs Capteurs de proximité qui permettent de détecter des objets métalliques ou isolants. Lorsqu'un objet entre dans le champ de détection des électrodes sensibles du capteur, il provoque des oscillations en modifiant la capacité de couplage du condensateur. Source : les capteurs 11/37

12 Les capteurs inductifs Ils produisent à l'extrémité leur tête de détection un champ magnétique oscillant. Ce champ est généré par une self et une capacité montée en parallèle. Lorsqu'un objet métallique pénètre dans ce champ, il y a perturbation de ce champ puis atténuation du champ oscillant. Cette variation est exploitée par un amplificateur qui délivre un signal de sortie., le capteur commute. 12/37

13 Fonctionnement du capteur inductif 13/37

14 Les capteurs optiques Appelé également : Capteur photoélectrique c est un capteur de proximité sans contact. Se compose d'un émetteur de lumière associé à un récepteur. La détection d'un objet se fait par coupure ou variation d'un faisceau lumineux. 14/37

15 Les différents types de détection 15/37

16 Jauge de contrainte La résistance ohmique d'un fil conducteur est donné par la relation suivante : R = r.l / s r : résistivité du métal en O / m, l : longueur du fil en m, s : section du fils en m². Si on tire sur ce fil, il va s'allonger (l augmente) et sa section va se réduire, sa résistance va donc augmenter (l/s augmente). L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du double. 16/37

17 Choisir un capteur? Le type événement à détecter, La nature de événement, La grandeur de l'événement, L'environnement de l'événement. 17/37

18 Choisir un capteur? Plusieurs choix pour un type de détection. D'autres éléments peuvent permettre de cibler précisément le capteur à utiliser : Ses performances, Son encombrement, Sa fiabilité (MTBF) La nature du signal délivré par le capteur (électrique, pneumatique) Son prix... 18/37

19 Caractéristique d'un capteur La caractéristique statique d'étalonnage du capteur est la relation en régime établi entre la grandeur mesurée g et la grandeur de sortie du capteur f. Le relevé de cette caractéristique nécessite un appareil de mesure de la grandeur g plus précis que le capteur à étalonner. Lorsque cette caractéristique est une fonction continue, sa linéarité est considérée comme une qualité 19/37

20 Caractéristique d'un capteur (2) La sensibilité d'un capteur Variation du signal de sortie selon une variation du signal d'entrée Pour un capteur linéaire, la sensibilité est constante Le pouvoir de résolution ou résolution est la plus petite variation de la grandeur d'entrée qui entraîne une modification de la sortie du capteur L'étendue de mesure d'un capteur est le domaine de variation de la grandeur mesurée Ce domaine est limité par l'apparition d'un défaut de précision Source : les capteurs Définissez ces caractéristiques à l'aide d'un exemple 20/37

21 Quelques erreurs d un capteur Le défaut de linéarité est défini comme l'écart maximum entre la grandeur réelle et la caractéristique linéaire idéale L'hystérésis correspond à l'écart maximum entre les grandeurs de sortie relevées à g croissant et à g décroissant Le décalage de zéro est la valeur de la grandeur de sortie pour une valeur nulle de g Cette grandeur peut également évoluer en fonction de la température Faites un schéma mettant en évidence ces caractéristiques 21/37

22 Les capteurs : caractéristiques Quels sont les fonctions d'un capteur? Quels sont les caractéristiques principales à prendre en compte? Quels sont les erreurs à prendre en compte? 22/37

23 Fonction d'un capteur : Caractéristiques : Convertir une grandeur physique en Un signal électrique De type Analogique Numérique La sensibilité d'un capteur Le pouvoir de résolution ou résolution L'étendue de mesure d'un capteur Le défaut de linéarité L'hystérésis Le décalage de zéro Erreurs : 23/37

24 Les codeurs rotatifs Permet le contrôle du déplacement et de la position d'un mobile Capteurs de position angulaire. Lié mécaniquement à un arbre qui l'entraîne, son axe fait tourner un disque qui lui est solidaire. Ce disque comporte une succession de parties opaques et transparentes. Il existe deux types de codeurs rotatifs : les codeurs incrémentaux les codeurs absolus. 24/37

25 les codeurs incrémentaux Destinés à des applications de positionnement et de contrôle de déplacement d'un mobile par comptage et décomptage des impulsions qu'ils délivrent. Le disque d'un codeur incrémental comporte deux types de pistes Comment détermine-t-on le sens de rotation 25/37

26 Résolution du codeur La piste extérieure : (voie A ou voie A et B) est divisée en «n» intervalles d'angles égaux alternativement opaques et transparents. «n» s'appelant la résolution ou nombre de périodes ; C'est le nombre d'impulsions qui seront délivrées par le codeur pour un tour complet de son disque. La piste intérieure Z indique qu un tour est effectué Comment mesurer la vitesse? la position? 26/37

27 Exemple d'utilisation En projet IRIS2, nous disposons d'une machine «équilibreuse de solide en rotation» La vitesse de rotation valide pour les mesures est comprise entre 500 et 2000 tr/min avec une précision de 0,2 % Nous disposons d'un codeur 1000 pas/tour Le système d'acquisition comporte un compteur/temporisateur 16 bits. La fréquence d'horloge disponible est de 32 MHz Indiquez votre principe de mesure de la vitesse et la valeur du compteur pour les limites haute et basse de la vitesse 27/37

28 Les codeurs absolus Le disque possède un grand nombre de pistes Chaque piste est munie d'une diode émettrice d'un faisceau lumineux et d'une diode photosensible. La piste centrale est la piste principale, elle détermine dans quel demi-tour la lecture est effectuée. La piste suivante détermine dans quel quart de tour on se situe, la suivante le huitième de tour etc. Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise. Quel est l'inconvénient du codage présenté sur la figure de droite? peut-on déterminer le sens de rotation? 28/37

29 Codeurs absolus linéaires Permet de mesurer un déplacement linéaire Utilisation du code gray «un seul bit change à la fois» pour minimiser les erreurs 29/37

30 Les capteurs actifs Citez des capteurs actifs 30/37

31 Exemple de capteurs actifs Le thermocouple utilise l'effet Seebeck pour la production d'une force électromotrice fonction de la différence de température entre une sonde et une jonction de référence. La sensibilité des thermocouples, exprimée sous forme de pouvoir thermoélectrique, se limite à quelques dizaines de microvolts par degré centigrade. (source wiki ) Les capteurs piézoélectriques utilisent les propriétés de certains cristaux, de céramiques ferroélectriques ou de matériaux polymères dans lesquels apparaît une polarisation électrique sous l'effet de contraintes. Ce sont des transducteurs de force ou de pression, caractérisés par une très faible déformation et une fréquence propre élevée, ces capteurs n'ont par contre pas de réponse en régime continu. Les convertisseurs photovoltaïques sont des capteurs actifs transformant une grandeur lumineuse (plus précisément l'éclairement de la cellule) en courant, ils doivent être distingués des capteurs photoélectriques classiques dont le fonctionnement est tributaire d'une alimentation électrique 31/37

32 Les Capteurs passifs Une puissance électrique doit être fournie aux capteurs passifs pour assurer leur fonctionnement, L'impédance doit varier selon la grandeur à mesurer Résistance variable Inductance variable Capacité variable Rechercher un exemple de capteur par catégorie, un emploi correspondant Et indiquez s'il peut être utilisé sur la barrière 32/37

33 1) Organisation de la chaîne d acquisition affichage stockage procédé à mesurer Chaîne d acquisition des données Contrôle régulation traitement alarmes La chaîne d acquisition recueille les informations nécessaires à la connaissance et au contrôle d un procédé 33/37

34 Acquisition de données (2) Organisation de la chaîne d acquisition affichage stockage Procédé à mesurer Chaîne d acquisition des données Contrôle régulation traitement alarmes L état du procédé est caractérisé par les valeurs de grandeurs physiques ou chimiques. Attribuer une valeur à cette grandeur est la mesure 34/37

35 Les constituants de la chaîne d'acquisition Capteur 1 Capteur i Capteur n conditionneur amplificateur filtre multiplexage S&H logique CAN Quel est la fonction d'un multiplexeur,, S&H et CAN? 35/37

36 Les constituants de la chaîne d'acquisition... Multiplexeur analogique S&H ﾲ CAN logique Avantages : 1 seul CAN, 1 seul S/H solution la plus économique et la plus répandue Inconvénients : solution la moins performante, pas d acquisition synchrone possible Quel max pour une voie? T <sera t le+temps t +d'acquisition t acq mux S/H CAN avec choix d une voie pendant blocage et conversion d une autre. 36/37

37 La chaine d'acquisition Caractéristiques générales de la chaîne. En rouge : la NI6008 Ex. de caractéristiques décrivant une carte d acquisition pour PC : Nombre d entrées Input Channels 16 simples (8), 8 différentielles Fréquence d échantillonnage Sampling Rate 10kHz, 100 khz, 5 Mhz Résolution Resolution 8, 12, 16 bits Domaine de tension Voltage Range +/-5V, 0 à 10V, +/-10V Gains programmables Gains 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100 Nombre de sorties Output Channels 2 Nombre d E/S numériques Digital I/O Channels 12, 16, 128 Nombre de compteurs Counters / timers 1, 2 Taille compteurs Timer Range 24 bits, 32 bits Horloge compteurs Clock Frequency 5MHz, 20 MHz Accès Direct à la Mémoire DMA oui Logiciel Software drivers LabVIEW On dispose d'une génératrice tachymétrique dont la tension de sortie varie entre -0,430 V et +0,550 V Quelle grandeur va-t-elle mesurer? Indiquez les paramètres de la carte d'acquisition 37/37