Cours «Capteurs» septembre 2010 Raoul Herzog raoul.herzog@heig-vd.ch bureau C01a tél : 024 557 61 93 slide 1
Objectifs du cours de capteurs 1) Connaître quelques q principes p physiques de différents capteurs 2) Connaître quelques principes du conditionnement du signal 3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents capteurs point de vue utilisateur : bon choix du capteur pour une application concrète savoir utiliser un capteur point de vue développeur : concevoir et développer un capteur slide 2
Différents aspects dans les capteurs principes physiques exploités ié conditionnement t du signal transport de l information bus de capteurs technologie, produits point de vue utilisateur choix du capteur slide 3
motivation (1) Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs! Capteurs liés au - moteur et système de traction, - au confort, - à l environnement, - et surtout à la sécurité Quelle: BMW AG Objectif des constructeurs d automobiles : zéro accidents Eviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant. slide 4
capteurs pour la sécurité des voitures reconnaissance de piétons distance entre les voitures sur l autoroute capteur de pression des pneus transmission sans fil slide 5
motivation (2) Il n y a plus de constructeur d automobile suisse, mais... La Suisse est très forte dans le domaine des capteurs. (exemples d entreprises suisses : Posic, LEM, Vibromètre, Sensirion, Baumer, Kistler,...) Les capteurs : un domaine de haute technologie de multi-technologie physique, chimie, matériaux, mécanique, électronique, traitement du signal, «intelligence», techniques de miniaturisation,... slide 6
motivation (3) Les capteurs : un domaine innovateur du conditionnement i du signal au capteur «intelligent» p. ex. numérisation dans le capteur p. ex. compensation des dérives thermiques p. ex. autocalibration p. ex. transmission sans fil miniaturisation sur le chip : MEMS micro electromechanical systems slide 7
classification des mesurandes mécanique q déplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit,... électrique courant, charge, impédance,... thermique température, flux thermique,... magnétique champ magnétique, perméabilité,... radiation lumière visible, rayons X, radioactivité,... bio / chimique humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux slide 8
Généralités : capteurs et chaînes d acquisition mesurande typ. grandeur non-électrique élément sensible (transducteur) Conditionneur traitement des signaux signal électrique exploitable grandeurs d influence (perturbations) Idéalement, le signal de sortie du capteur devrait être une image fidèle du mesurande, mais... slide 9
problèmes... le signal fourni par le capteur dépend aussi des grandeurs d influences (p. ex. dérives thermiques, bruit de mesure, etc.). une variation du mesurande provoque une variation retardée du signal de sortie (temps de réponse fini). le fait d introduire un organe de mesure peut déjà changer l environnement, et le mesurande. Le but réaliste consiste à avoir une image du mesurande aussi ifidèle que possible (mieux : aussi ifidèle que nécessaire!) slide 10
grandeurs d influence, exemples température ambiante pression, accélération, vibrations humidité champs magnétiques tension d alimentation lumière ambiante Possibilités pour réduire l effet nocif des grandeurs d influence : blindage, isolement stabiliser les grandeurs d influence à des valeurs connues, et étalonner le capteur compenser les grandeurs d influence (p.ex. montage différentiel) slide 11
exemple «micro-capteur intelligent» capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophile technologie CMOS changement d humidité changement de capacité signal utile avec compensation des grandeurs d influence (température) et calibration automatique slide 12
Courbe d étalonnage statique, cas idéal réponse du capteur s F(m) nécessite une mesure de référence du mesurande! mesurande sensibilité du capteur en régime statique: S s m mi (pente locale) slide 13
linéarité réponse du capteur (droite de régression) mesurande m La linéarité s exprime en %, c est l erreur relative maximale entre la droite de régression et la caractéristique réelle. slide 14
définition : résolution, étendue de la mesure La résolution d un capteur est la plus petite variation du mesurande que le capteur est capable de décéler (à ne pas confondre avec la précision). éii étendue de la mesure : zône nominale = plage nominale du mesurande (fonctionnement normal) zône de non-détérioration hors specs, ne fonctionne plus, mais pas de destruction absolute maximum ratings zône de non-destruction modification permanente des caractéristiques! slide 15
rapidité d un capteur bande passante fréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB temps de réponse saut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteur arrive dans une fourchette de 5% de la valeur finale bande passante et temps de réponse sont liés. pour un système linéaire : T rép 3 3 2 f c slide 16
erreurs de mesure erreurs systématiques (p.ex. dérives, viellissement, mauvaise utilisation, etc erreurs accidentelles (aléatoires) p.ex. bruit, parasites, etc slide 17
erreurs de mesure slide 18
Caractéristiques statistiques d un capteur Précision = Fidélité (répétabilité) + Justesse slide 19
Choix du capteur nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique? performances (résolution, précision, plage de mesure,...)? caractéristiques d environnement, grandeurs d influence? encombrement? prix? fiabilité (MTBF : Mean Time Between Failures)? MTBF 1 : taux de défaillance 1 N N N t 1 déf pop pp slide 20
«courbe de baignoire» : taux de défaillance défaillances prématurées usure viellissement défaillances aléatoires slide 21 temps (vie du produit)
éléments fonctionnels d un capteur énergie d excitation énergie d alimentation mesurande modification de l élément sensible signal électrique signal utilisable élément sensible transducteur conditionneur grandeurs d influence (perturbations) slide 22
exemples d éléments sensibles accéléromètre MEMS slide 23
exemples d éléments sensibles slide 24
exemples d éléments sensibles slide 25
exemples d éléments sensibles polymère qui change ses propriétés électriques en fonction de l humidité ambiante jauge de contrainte fil chaud pour mesurer la vitesse d un écoulement de fluide bilame, thermistance slide 26
Capteurs (transducteurs) passifs capteurs résistifs capteurs inductifs capteurs capacitifs Capteurs (transducteurs) actifs capteurs piézoélectriques capteurs tachymétriques slide 27
Capteurs résistifs capteurs potentiométriques mesure du déplacement tlinéaire i / angulaire jauges de déformation / contrainte mesure de déformation, force / effort, couple, pression capteurs thermiques mesure de température et de débit capteur d humidité slide 28
rappel : structure de la matière Influence du nombre d électrons contenus dans la couche de valence 1, 2 ou 3 électrons Couche 4, 5, 6, 7 ou 8 électrons de valence? 4 électrons (quelques cas) Les électrons libres sautent d un atome à l autre Dopage? non Capture des électrons libres oui Conducteur Semi- conducteurs Isolant slide 29
capteur potentiométrique (bas de gamme) slide 30
linéarité slide 31
résolution limitée du potentiomètre bobiné slide 32
inconvéniants des capteurs potentiométriques contact du curseur usure, durée de vie limitée frottement (finesse) vitesse limitée coefficient de température bruit du potentiomètre résolution limitée slide 33
écran tactile résistif slide 34
Effet piézorésistif (à ne pas confondre avec piézoélectrique) d C dv V C : constante de Bridgman C = typ. 1.13... 1.15 pour des jauges métalliques C = typ. 100 pour les jauges à semiconducteur slide 35
facteur de gauge (sensibilité relative) R l A Les 3 paramètres l,, et A changent simultanément, et les effets se rajoutent Après linéarisation, on trouve : d R R changement relatif de la résistance ( 1 2 C(1 2 )) d l l facteur de jauge déformation slide 36
jauge de contrainte slide 37
Jauge de contrainte collée sur une structure mécanique slide 38
jauge de contrainte collée sur une structure mécanique (p.ex. barre de traction) permet aussi de mesurer des forces corps d épreuve : mesurande primaire loi de Hook : mesurande secondaire A : section du corps d épreuve E : module de Young slide 39
caractéristique déformation / contrainte [N/m 2 ] = [Pa] contra ainte rupture zône à déformation plastique irréversible zône élastique loi de Hook 2% max déformation = L/L / L slide 40
Grandeurs d influence température influence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation jauges à semiconducteurs sont très sensibles à la température autoéchauffement courant de mesure typ. limité à ~20 ma pour jauges métalliques. tension thermoélectrique à la jonction de 2 métaux différents (élément thermocouple) slide 41
différentes configurations en pont de Wheatstone buts : augmenter la sensibilité augmenter la linéarité compenser les dérives thermiques p. ex. R (1 x ) 0 F R (1 x) 0 slide 42
caractéristiques typiques des gauges métallique semiconducteur plage de mesure 10-7... 0.04 10-9... 0.003 facteur de gauge 1.8... 2.35 50... 200 résistance 120, 350,..., 5 000 1 000,..., 5 000 tolérance de la résistance 0.1%... 0.2% 1%... 2% taille, mm 0.4... 150 1... 5 standard : 3... 6 slide 43
capteurs de force piézorésistifs basés sur semi- conducteurs F > 0 capteur miniature de force, circuit intégré SMD incorpore un pont de Wheatstone slide 44
exemple de produits industriels slide 45
capteur de force 6 axes basé sur jauges de contrainte mesure les forces F x, F y, F z, et les couples T x, T y, T z applications p.ex. en robotique slide 46
capteur de force pour mesurer la force de retenue de la ceinture de sécurité slide 47
application atomic force microscope AFM slide 48
mesure de pression différentielle élément sensible : diaphragme déformable slide 49
autre application : accéléromètre élément sensible = masse sismique + gauge de force slide 50
modélisation d un capteur d accélération mesure indirecte de l accélération par la déformation de l élément de support de la masse sismique boîtier m masse sismique buts : trouver la bande passante du capteur! k d accél : mesurande comment dimensionner les éléments sensibles pour que le capteur délivre un signal de sortie qui reproduit le plus fidèlement possible l allure du mesurande? slide 51
Capteurs thermiques slide 52
sondes en platine fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support précis, mais très cher déposition film mince de platine, ~1 m d épaisseur sur support réponse rapide, moins cher R(T) = R 0 (1+ T) : comportement linéaire 0 PT100, PT1000 précision typique : 0.1%... 1% : typ. 0.385 % / C comparaison : une résistance de précision a un coefficient de température re de 50 ppm = 50 * 10-6 (80 x moins qu une sonde de PT) slide 53
plage de mesure sonde platine : typ. de -200 C... 650 C, voire plus pour les très hautes températures, on utilise plutôt le tungsten symboles IEC normalisés : slide 54
thermistances à semiconducteur comportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel PTC (= positive temperature coefficient) NTC (= negative temperature coefficient) CTR (= critical temperature resistance) slide 55
allures typiques slide 56